Primjena tehnologije laserskog zavarivanja u zavarivanju aluminijskih legura

Upotreba legure aluminija za zamjenu tradicionalnog čelika na automobilu jedan je od važnih načina da se postigne lagana težina automobila. Međutim, zbog karakteristika aluminijumske legure sa dobrom toplotnom provodljivošću i velikim koeficijentom linearne ekspanzije, postoje neki problemi u zavarivanju:

1) Zavareni spoj od legure aluminijuma ozbiljno omekšava, nizak koeficijent čvrstoće;

2) Aluminijska legura se lako oksidira za proizvodnju vatrostalnog oksidnog filma (Al2O3, tačka topljenja je 2060 stepeni), koji treba da koristi proces zavarivanja velike gustine;

3) Jednostavne za stvaranje pora;

4) Koeficijent linearne ekspanzije je veliki, lako se proizvede deformacija zavarivanja i pukotine od zavarivanja;

5) Toplotna provodljivost i specifični toplinski kapacitet su veliki, a unos topline je 2 do 4 puta veći od zavarenog čelika.

Stoga, da bi se dobili spojevi za zavarivanje aluminijskih legura visokih performansi, potrebna je visoka gustoća energije, mali unos topline zavarivanja i velika brzina zavarivanja, među kojima je lasersko zavarivanje jedna od najperspektivnijih tehnologija zavarivanja aluminijskih legura.

Lasersko zavarivanje je efikasna i precizna metoda zavarivanja koja koristi laserski snop velike gustoće energije kao izvor topline, koji ima karakteristike velike brzine, velikog prodiranja, male deformacije, dobre fleksibilnosti obrade i lake automatizacije kada se primjenjuje na zavarivanje legure aluminija. Široko se koristi u avio-svemirskoj industriji, proizvodnji automobila i elektronici u lakoj industriji i drugim poljima, ali se koristi u laserskom zavarivanju legure aluminijuma. Postoje i određeni problemi i poteškoće.

1.1 Aluminijska legura ima vrlo nisku stopu apsorpcije lasera

Aluminijska legura ima snažan reflektirajući učinak na laser, što je posljedica velike gustine slobodnih elektrona u čvrstom stanju aluminijske legure, koja lako reflektuje energiju sa fotonom u snopu. Istraživanja pokazuju da je reflektivnost aluminijske legure prema plinskom CO2 laseru čak 90%, a refleksivnost čvrstog lasera blizu 80%. U isto vrijeme, aluminijska legura ima jaku toplinsku provodljivost, što rezultira vrlo niskom stopom apsorpcije lasera od legure aluminija. Stoga se moraju poduzeti odgovarajuće mjere za poboljšanje brzine laserske apsorpcije legure aluminija.

Mjere optimizacije:

1) Povećanjem gustine snage lasera radi poboljšanja apsorpcije lasera od legure aluminijuma. Povećanje gustine snage lasera će uzrokovati efekat male rupe u bazenu za zavarivanje, što može uvelike poboljšati stopu apsorpcije materijala u laser.

2) Usvojiti odgovarajući proces predobrade površine. Za poređenje laserske apsorpcije legure aluminija korišteno je elektrolitičko poliranje, eloksiranje i pjeskarenje. Utvrđeno je da eloksiranje i pjeskarenje na površinama od legure aluminija mogu značajno poboljšati apsorpciju lasera.

3) Takođe je utvrđeno da će oblik zgloba uticati na apsorpciju lasera. Kosina u obliku slova V i četvrtasta kosina pogodnija su za formiranje ključaonica nego spojevi bez kosina, a gustoća snage lasera se povećava i brzina laserske apsorpcije legure aluminija također se povećava.

1.2 Lako formiranje pora

Pore ​​su najčešći i najvažniji nedostatak kod laserskog zavarivanja aluminijske legure. Vrste pora mogu se podijeliti u dvije kategorije. Jedan je da zbog naglog pada rastvorljivosti vodonika u procesu hlađenja laserskog zavarivanja legure aluminijuma, sadržaj vodonika u istopljenoj leguri aluminijuma može dostići {{0}}.69mL/100g, sadržaj vodonika legure aluminijuma nakon hlađenja i skrućivanja iznosi 0,036 mL/100 g, a prezasićeni vodonik se taloži i formira vodonične pore. Osim toga, na površini aluminijske legure postoji oksidni film, a voda u kristalnoj vodi, zraku i zaštitnom plinu na površini aluminijske legure se direktno razlaže u vodonik tokom zavarivanja. Ove vodonične pore su prekasno da pobjegnu tokom procesa brzog hlađenja laserskog zavarivanja aluminijskih legura i ostaju u zavaru kako bi formirale vodonične pore. Drugi je zbog nestabilnosti ključaonice koja nastaje u procesu laserskog zavarivanja i kolapsa, a tečni metal nema vremena da ispuni rupu. Prekomjerna poroznost će smanjiti gustoću zavara, smanjiti nosivost spoja i smanjiti čvrstoću i plastičnost spoja u različitim stupnjevima. Postoje mnoge mjere za smanjenje defekata poroznosti kod laserskog zavarivanja aluminijske legure, kao što je promjena staze laserskog snopa, korištenje oscilacije snopa za miješanje rastopljenog bazena, povećanje mogućnosti poroznosti izbjeći s površine, korištenje žice ili legure praha, a korištenjem tehnologije dvostrukih tačaka i laserskog kompozitnog zavarivanja može se postići učinak smanjenja poroznosti, ali ga je teško iz temelja eliminirati.

1.3 Sklonost vrućim pucanjima

Razlog nastanka vrućih pukotina kod laserskog zavarivanja legure aluminijuma uglavnom je vezan za sopstvene karakteristike i proces zavarivanja. Tokom skrućivanja aluminijumske legure, brzina skupljanja je velika (do 5%), napon zavarivanja i deformacija su veliki, a metal šava će proizvesti eutektičku strukturu niske tačke topljenja duž granice zrna tokom kristalizacije, tako da granica zrna sila vezivanja je oslabljena, a pod djelovanjem vlačnog naprezanja nastaju vruće pukotine. Sklonost vrućim pukotinama može se smanjiti punjenjem žice ili praha legure, a tendencija vrućih pukotina se također može smanjiti podešavanjem parametara procesa zavarivanja za kontrolu brzine grijanja i hlađenja.

1.4. Omekšavanje strukture zavara i zone toplotnog uticaja

„Omekšavanje“ je pojava smanjene čvrstoće i tvrdoće zavarenih spojeva. Kada se koristi lasersko zavarivanje spoja od legure aluminijuma, struktura zavara i zona zavarenog spoja takođe imaju problema sa omekšavanjem. Veliki broj studija je pokazao da je fenomen omekšavanja zavarivanja aluminijske legure teško iz temelja eliminirati, ali u usporedbi sa zavarivanjem zaštićenim plinom, lasersko zavarivanje smanjuje unos topline i čini zonu omekšavanja šava uskom. U poređenju sa MIG zavarivanjem, stepen "omekšavanja" laserski zavarenih spojeva od aluminijumske legure je niži, a zatezna čvrstoća raste sa povećanjem brzine zavarivanja. Uticaj plazme na proces zavarivanja Energija ionizacije aluminijumskog elementa je niska, laserskim zavarivanjem se lakše formira metalna plazma, plazma uzrokovana lomom i skretanjem lasera, čime se menja fokus laserskog snopa, tako da se smanjuje omjer prodiranja šava, utiče na kvalitet zavarenog spoja. Postavljanjem praha na površinu obratka, širenje i pulsiranje plazme u visinskom smjeru je oslabljeno, tako da plazma može održavati relativno stabilnu amplitudu pulsiranja na površini obratka.

2.1 Lasersko zavarivanje od aluminijumske legure

Lasersko samofuziono zavarivanje se odnosi na laserski snop visoke gustoće energije kao izvor toplote, koji utiče na površinu osnovnog materijala, tako da se sam osnovni materijal topi, formirajući metodu zavarivanja spojeva. Za lasersko zavarivanje legure aluminijuma, površina aluminijumske legure ima visoku refleksivnost na laser, a potrebna je velika snaga lasera tokom zavarivanja. Promjer laserske tačke je mali, preciznost opreme za zavarivanje je visoka, a vrijednost tolerancije zazora dijelova je niska, a vrijednost zazora dijelova obično je potrebna da bude ispod 0. 2mm. Tokom procesa zavarivanja, brzina grijanja i hlađenja je velika, defekti poroznosti zavarivanja su brojni, gustina laserske energije je koncentrisana, a efekat ključaonice je lako izazvati pojavu konkavnog zavarivanja i ugriza rubova, tako da parametri procesa zavarivanja imaju višim zahtjevima. Lasersko samofuziono zavarivanje u zavarivanju aluminijskih legura odražava prednosti dobrog kvaliteta zavarivanja, velike brzine zavarivanja i lake automatizacije, te se široko koristi u automobilskoj industriji. U industriji električnih vozila, brtvljenje kućišta akumulatora je uglavnom napravljeno od aluminijske legure laserskim samofuzijskim zavarivanjem. U aluminijumskoj karoseriji domaće automobilske kompanije nove energije, zavarivanje sklopa vrata i bočne konstrukcije je takođe napravljeno od aluminijumske legure laserskim samotapljenjem.

2.2 Zavarivanje laserskim punjenjem od legure aluminijuma

Kod laserskog zavarivanja žicom, laser se još uvijek koristi kao glavni izvor topline za taljenje zavarenog metala, ali se uređaj za automatsko dovođenje žice koristi za kontinuirano dovođenje metala za punjenje u bazen taline kako bi se postigao proces metalurškog povezivanja. U poređenju sa laserskim zavarivanjem samotaljenjem, zavarivanje punjenjem laserskom žicom olabavilo je zahtjeve za preciznošću procesa zavarivanja, punjenjem različitih komponenti žice za zavarivanje, poboljšanjem metalurških svojstava vara, sprječavanjem zavarivanja vrućih pukotina i pora, poboljšavanjem stabilnost procesa zavarivanja i mehanička svojstva spojeva.

Lasersko zavarivanje žice od aluminijumske legure ima karakteristike dobrog izgleda, tačnost zazora u procesu je labavija od laserskog zavarivanja, itd. Obično se koristi na spoljašnjoj površini karoserije, kao što je između gornjeg poklopca i bočnog zida , te između gornje i donje ploče poklopca kofera. Postoje i neki modeli za postizanje veće kvalitete zavarivanja i korištenje laserskog žičanog zavarivanja za zavarivanje vrata od legure aluminija.

2.3 Lasersko lučno kompozitno zavarivanje od legure aluminijuma

Lasersko-lučno kompozitno zavarivanje je kombinacija lasera i luka dvije vrste izvora topline s različitim fizičkim svojstvima i mehanizmom prijenosa energije, a rade zajedno na zavarenim dijelovima. Oboje daje punu igru ​​prednostima dva izvora toplote, a međusobno nadoknađuje nedostatke. U lasersko-lučnom kompozitnom zavarivanju aluminijske legure, luk može voditi laserski izvor topline, poboljšati kapacitet apsorpcije aluminijske legure i stopu iskorištenja energije u procesu zavarivanja, a oblikovnost površine zavara je bolja od one kod zavarivanja. lasersko samotaljenje zavarivanja. Osim toga, uvođenje luka može uvelike smanjiti točnost stezanja dijelova za zavarivanje, a luk ima razrjeđujući učinak na plazmu laserskog zavarivanja, što može smanjiti efekt zaštite plazme na laser. Laser igra važnu ulogu u stabilnosti luka, tako da luk može stabilno djelovati na spoj tokom zavarivanja velikom brzinom, što može poboljšati kvalitetu zavarivanja spoja i povećati brzinu zavarivanja.

Postoje mnoge prednosti u primjeni laserskog zavarivanja u automobilskoj industriji:

1) Njegova brzina zavarivanja je velika, poboljšava ritam proizvodnje, a brzina zavarivanja može doseći 6m/min, što ima neuporedive prednosti u odnosu na druge metode spajanja tijela u bijeloj boji (kao što su točkasto zavarivanje, lučno zavarivanje, zakivanje);

2) Ima mala ograničenja na strukturu karoserije, može se primijeniti na različite strukture zavarivanja (preklop, ugao, T-spoj, sučelje), i jednostrano je zavarivanje, gdje se može doseći greda, dizajn je fleksibilniji;

3) Njegovi zahtjevi na strani za lasersko zavarivanje su niski, strana zavarivanja može se zavariti u 6 ~ 8 mm, u poređenju sa zahtjevima strane za točkasto zavarivanje (16 mm) smanjenim za polovicu, može igrati ulogu u laganoj;

4) Lasersko zavarivanje strukture krova i stražnjeg poklopca može smanjiti kvalitetu karoserije i nema potrebe za nanošenjem zaptivača i vanjske obloge, čime se štedi trošak karoserije;

5) Zavareni spoj za lasersko zavarivanje je gladak i uredan, dobrog izgleda, itd.

Zbog brojnih prednosti laserskog zavarivanja, ono je naširoko zanimalo u automobilskoj industriji i favorizirale su ga mnoge automobilske kompanije. Koristi se u različitim dijelovima europskih modela (kao što su Volkswagen, BMW, Audi, Mercedes-Benz, Peugeot, itd.) i američkih modela (kao što su Buick, Ford, Cadillac, Chevrolet itd.) (krov, sklop vrata, vanjska ploča poklopca prtljažnika, bočni dijelovi konstrukcije i zavarivanje protočnog rezervoara itd.), te kao jedan od simbola kvalitetne karoserije u bijeloj boji.

Međutim, zbog visokih jednokratnih troškova ulaganja, preciznosti lima i zahtjeva za preciznošću alata, nije u širokoj upotrebi među domaćim automobilskim kompanijama.

Trenutno se lasersko zavarivanje legure aluminijuma primenjuje u masovnoj proizvodnji u telu od legure aluminijuma. Audi TT, A6/A8 i Cadillac vodeći model CT6 zavareni su laserskim zavarivanjem od aluminijumske legure na gornjem poklopcu i bočnim zidovima. Cadillac CT6, Audi A6/A8/Q5, BMW serija 5 /7 serija, Mercedes-Benz S serija /C serija i drugi modeli poklopca prtljažnika koriste lasersko zavarivanje od legure aluminijuma. Vrata Audija A6/A8, Mercedes-Benz serije S/C, BMW serije 5/7 itd. koriste lasersko zavarivanje od legure aluminijuma. Nio je takođe primenio veliki broj laserskih zavarivanja od legure aluminijuma na poklopcu i bočnoj strani, kao i na vratima.

Uz kontinuirani napredak automobilske tehnologije, industrijski kapacitet obrade i kvalitet obrade, trošak korištenja laserskog zavarivanja bit će znatno smanjen. Istovremeno, razvojem automobilske lake težine, primena legure aluminijuma u karoseriji automobila sve je veća, lasersko zavarivanje kao jedna od važnih metoda povezivanja za rešavanje problema kvaliteta zavarivanja aluminijumskih legura će se sve više koristiti u automobilska industrija.

Xi'an Guosheng Laser Technology Co., Ltd. je visokotehnološko poduzeće specijalizirano za istraživanje i razvoj, proizvodnju i prodaju automatske laserske mašine za oblaganje, brze laserske mašine za oblaganje, mašine za lasersko očvršćavanje, opremu za lasersko zavarivanje i opremu za 3D štampanje.

Ako ste zainteresovani za naše proizvode, kontaktirajte nas na bob@gshenglaser.com.