Laserteknologian ja alumiiniseoskehitysteknologian kehittyessä on erityisen tärkeää jatkaa alumiiniseoksen laserhitsaussovellustekniikan perustutkimusta, kehittää uutta alumiiniseoksen laserhitsaustekniikkaa ja laajentaa tehokkaammin alumiiniseoksen laserhitsauksen sovellusmahdollisuuksia. rakenne, jotta ymmärrät alumiiniseoksen laserhitsaustekniikan sovelluksen tilan ja kehitystrendin.
Erittäin lujalla alumiiniseoksella on korkea ominaislujuus, ominaisjäykkyys, hyvä korroosionkestävyys, prosessointikyky ja mekaaniset ominaisuudet, ja siitä on tullut välttämätön metallimateriaali rakenteelliseen kevyeen valmistukseen ilmailualalla, laivoilla ja muilla kuljetusaloilla, joista lentokoneet ovat eniten käytettyjä. Hitsaustekniikalla on ainutlaatuisia etuja rakennemateriaalien käyttöasteen parantamisessa, rakenteiden painon vähentämisessä sekä monimutkaisten ja erilaisten materiaalien edullisen valmistuksen toteuttamisessa, joista alumiiniseoslaserhitsaustekniikka on kuuma paikka.
Verrattuna muihin hitsausmenetelmiin laserhitsauksen etuna on keskitetty lämmitys, pieni lämpövaurio, suuri hitsaussyvyyden ja -leveyden suhde ja pieni hitsausmuodonmuutos. Hitsausprosessi on helposti integroitava, automatisoitu ja joustava, ja nopea ja tarkka hitsaus voidaan toteuttaa, mikä sopii erityisen hyvin monimutkaisten rakenteiden korkean tarkkuuden hitsaukseen.
Materiaalitekniikan kehityksen myötä useita lujia ja sitkeitä alumiiniseoksia tuodaan edelleen käyttöön, erityisesti kolmannen sukupolven alumiinilitiumlejeeringit, uusien lujien alumiiniseosten ilmaantuminen, alumiinin laserhitsaustekniikkaa esitettiin enemmän ja korkeammat vaatimukset, kun taas alumiiniseosten monimuotoisuus toi myös erilaisia uusia laserhitsausongelmia, joten meidän on tutkittava näitä ongelmia perusteellisesti, jotta voidaan laajentaa alumiiniseoksen laserhitsausrakenteen sovellusmahdollisuuksia tehokkaammin.
Tehokas laser
Laserhitsaus on tekniikka, joka säteilee korkean intensiteetin laseria metallipinnalle ja saa metallin sulamaan ja sitten jäähtymään ja kiteytymään muodostaen hitsin laserin ja metallin välisen lämpökytkennän läpi. Laserhitsauksen lämpövaikutusmekanismin mukaan voidaan jakaa kahteen lämmönjohtavaan hitsaukseen ja syväläpihitsaukseen, joista ensimmäistä käytetään pääasiassa tarkkuusosien pakettihitsauksessa tai mikro- ja nanohitsauksessa; Jälkimmäinen tuottaa usein hitsausprosessissa elektronisuihkuhitsauksen kaltaisen pienen reikävaikutelman muodostaen syvän ja leveän hitsin. Laserin syväläpihitsauksen toteuttaminen vaatii suurta lasertehoa, ja lasersyväläpihitsauksessa käytetään tällä hetkellä neljää tyyppiä suuritehoisia lasereita.
1, CO2 kaasulaser
Työväliaine on CO2-kaasu, lähtö 10,6 μm aallonpituuslaser, laserin viritysrakenteen mukaan jaetaan kahteen poikittaiseen virtaukseen ja aksiaaliseen virtaukseen. Vaikka ristivirtaus CO2 laserin lähtöteho on saavuttanut 150 kW, säteen laatu on huono eikä se sovellu hitsaukseen. Aksiaalivirtaus CO2-laserilla on parempi säteen laatu, ja sitä voidaan käyttää korkean laserheijastavuuden omaavien alumiiniseosten hitsaukseen.
2, YAG kiinteä laser
Työskentelyväliaine on rubiini, neodyymilasi ja neodyymiseostettu yttrium-alumiinigranaatti jne. Lähtöaallonpituus on 1,06 μm laser. YAG-laser imeytyy helpommin metalliin kuin CO2-laser, ja plasma vaikuttaa siihen vähemmän, kuitujen siirtoon, joustavaan hitsaustoimintoon, hyvä hitsausasennon saavutettavuus, on tärkein laser alumiiniseosrakenteen hitsauksessa.
3, YLR-kuitulaser
Se on vuoden 2002 jälkeen kehitetty uudenlainen laser, joka käyttää kuitua matriisimateriaalina, seostelee erilaisia harvinaisten maametallien ioneja, ja lähtöaallonpituusalue on noin 1,08 μm, mikä on myös kuidun siirtoa. Kuitulaserin vallankumouksellinen kaksinkertaisen päällystetyn kuiturakenteen käyttö lisää pumpun pituutta, parantaa pumpun tehokkuutta, jotta kuitulaserin lähtöteho kasvaa huomattavasti. YAG-laseriin verrattuna YLR-kuitulaser ilmestyy myöhemmin, mutta sen etuna on pieni koko, alhaiset käyttökustannukset, korkea säteen laatu ja korkea laserteho.
Alumiiniseoksen laserhitsausrakenteen sovellustutkimus
1990-luvulta lähtien tieteen ja teknologian kehityksen myötä suuritehoisten ja kirkkaiden lasereiden ilmaantuminen, laserhitsaustekniikan integrointi, älykäs, joustava, monipuolisempi kehitys on tulossa kypsempään, enemmän huomiota kotimaassa ja ulkomailla laserhitsaukseen eri aloilla. alumiiniseosrakenteen sovelluksessa. Tällä hetkellä jotkin Kiinan autonvalmistajat ovat ottaneet käyttöön laserhitsaustekniikan joissakin uusissa malleissa, kun alumiiniseoksen paksujen levyjen laserhitsaustekniikkaa kehitetään, laserhitsausta sovelletaan panssaroitujen ajoneuvojen rakenteisiin tulevaisuudessa.
Kevyen valmistuksen toteuttamiseksi alumiiniseoksen sandwich-rakenteen laserhitsauksen soveltaminen ja tutkimus laivojen ja suurnopeusjunien rakennevalmistuksessa on tämänhetkinen tutkimuskeskus. Alumiiniseos on tärkeä metallirakennemateriaali ilmailu- ja avaruusrakenteissa, joten Japanissa, Yhdysvalloissa, Isossa-Britanniassa, Saksassa ja muissa kehittyneissä maissa on suuri merkitys alumiiniseoksen laserhitsaustekniikan tutkimukselle.
Kuitulaserhitsaustekniikan kehityksen myötä kehittyneiden maiden ilmailun valmistusala on listannut kuitulaserhitsauksen ja laserkaarikomposiittihitsaustekniikan alumiiniseoshitsaustekniikan, erityisesti paksulevyn hitsauksen ja erilaisen metallihitsauksen, painopisteeksi. Esimerkiksi Yhdysvalloissa NALI-projektissa tutkitaan kuitulaserhitsausta ja laserkaarikomposiittihitsausteknologiaa siviililentokoneiden palokammiorakenteessa ja JSF-lentokoneiden moottoreissa.
Alumiiniseoksen laserhitsauksen ominaisuudet
Verrattuna tavanomaiseen sulahitsaukseen, alumiiniseoslaserhitsauksen kuumennuspitoisuus, hitsin syvyyden ja leveyden suhde on suuri, hitsausrakenteen muodonmuutos on pieni, mutta siinä on joitain puutteita, jotka on tiivistetty seuraavasti:
(1) Lasertarkennuspisteen pieni halkaisija asettaa korkeat vaatimukset työkappaleen hitsaukselle ja kokoonpanon tarkkuudelle, yleensä asennusvälin ja väärien reunojen määrän on oltava alle 0,1 mm tai 10 % levystä paksuus, mikä lisää monimutkaisen kolmiulotteisen hitsausrakenteen toteuttamisen vaikeutta
(2) Koska alumiiniseoksen heijastavuus laseriin huoneenlämpötilassa on jopa 90%, alumiiniseoksen lasersyväläpäisyhitsaus vaatii laserin suuren tehon. Alumiiniseoslevyjen laserhitsauksen tutkimus osoittaa, että alumiiniseoksen lasersyväläpihitsaus riippuu lasertehon tiheyden ja lineaarisen energian kaksinkertaisesta kynnyksestä, jotka yhdessä rajoittavat hitsausaltaan käyttäytymistä hitsausprosessissa ja heijastavat lopulta muodostusominaisuuksia. hitsauksesta. Täysi läpitunkeutuvan hitsin prosessin optimointi voidaan arvioida hitsaussauman muodostusominaisuuksien takaleveyssuhteella.
(3) Alumiiniseoksen sulamispiste on alhainen, nestemäisen metallin virtaus on hyvä, metallin voimakas höyrystyminen suuritehoisen laserin vaikutuksesta, metallihöyry / valon aiheuttama plasmapilvi, joka muodostuu hitsausprosessissa pienillä reikävaikutuksilla, vaikuttaa alumiiniseoksen laserenergian absorptioon , mikä johtaa syvään tunkeutumiseen hitsausprosessin epävakauteen, hitsaus on altis huokoisuudelle, pinnan romahtamiseen, reuna- ja muihin virheisiin;
(4) Laserhitsauksen kuumennus- ja jäähdytysnopeus on nopea ja hitsin kovuus korkeampi kuin kaaren, mutta alumiiniseoksen laserhitsauksessa seostettujen elementtien palamisen vuoksi, mikä vaikuttaa seoksen vahvistumiseen, alumiiniseoshitsauksessa on edelleen pehmenemisongelma, mikä heikentää alumiiniseoshitsauksen lujuutta. Siksi alumiiniseoksen laserhitsauksen pääongelma on hitsausvirheiden hallinta ja hitsausliitosten suorituskyvyn parantaminen.
Alumiiniseoksen laserhitsausvirheiden hallintatekniikka
Suuritehoisen laserin vaikutuksesta alumiiniseoksesta valmistettujen laserhitsausliitosten tärkeimmät viat ovat huokoisuus, pinnan luhistuminen ja reunan pureutuminen, joita voidaan parantaa laserlankatäytehitsauksella tai laserkaarikomposiittihitsauksella. Hitsin huokoisuusvirhettä on vaikea hallita.
Olemassa olevat tutkimustulokset osoittavat, että alumiiniseoksen lasersyväläpihitsauksessa on kahdenlaisia tunnusomaisia huokosia. Yksi niistä on metallurgiset huokoset, jotka aiheutuvat materiaalin saastumisesta tai ilman tunkeutumisesta hitsausprosessissa, kuten kaarisulatushitsauksessa. Toinen tyyppi on prosessihuokoisuus, joka johtuu laserin syväläpäisyhitsausprosessissa olevan pienen reiän epävakaasta vaihtelusta.
Laser-syvätunkeutumishitsauksessa reikä jää usein jäljessä säteen liikkeestä nestemäisen metallin viskoosin vaikutuksesta ja sen halkaisija ja syvyys vaihtelevat plasma/metallihöyryn vaikutuksesta. Palkin liikkeen ja sulan allasmetallin virtauksen myötä läpäisemättömässä syväläpäisyhitsauksessa reiän kärkeen ilmaantuu kuplia sulan allasmetallin virtauksen vuoksi ja kuplia kapealle vyötärölle keskelle. reikä täysin tunkeuma syvä tunkeuma hitsaus. Kuplat kulkeutuvat ja pyörivät nestemäisen metallivirran mukana tai poistuvat sulan altaan pinnalta tai työnnetään takaisin pieneen reikään, kun kuplat jähmettyvät sulan altaan vaikutuksesta ja vangitsevat metallirintaman, eli muuttuvat. hitsin huokoisuus.
Ilmeisesti metallin huokoisuutta ohjaa pääasiassa pintakäsittelyn ohjaus ennen hitsausta ja kohtuullinen kaasusuoja hitsauksen aikana, ja prosessin huokoisuuden avain on varmistaa pienen reiän vakaus lasersyvän tunkeutumishitsauksen aikana. Kotimaisen laserhitsausteknologian tutkimuksen mukaan alumiiniseoksen laserhitsauksen huokoisuuden hallintaa tulisi harkita ennen hitsausta, hitsausprosessia, erilaisten linkkien hitsauksen jälkikäsittelyä, tiivistettynä seuraaviin uusiin prosesseihin ja uusiin teknologioihin.
1, esihitsauskäsittelymenetelmä
Pintakäsittely ennen hitsausta on tehokas tapa hallita alumiiniseoksen laserhitsauksen metallurgisia huokosia, yleensä pintakäsittelymenetelmissä on fyysinen ja mekaaninen puhdistus, kemiallinen puhdistus, viime vuosina on tehty lasershokkipuhdistusta, mikä parantaa entisestään automaatioastetta laserhitsauksesta.
2, parametrin vakauden optimoinnin ohjaus
Alumiiniseoksen laserhitsausprosessin parametrit ovat yleensä pääasiassa laserin teho, defocus, hitsausnopeus ja kaasun suojakoostumus ja virtaus. Nämä parametrit eivät vaikuta vain hitsausalueen suojavaikutukseen, vaan myös laserin syvätunkeutumishitsausprosessin vakauteen, mikä vaikuttaa hitsin huokoisuuteen. Alumiiniseoslevyn lasersyväläpihitsauksen avulla havaitaan, että pienten reikien tunkeutumisen vakaus vaikuttaa hitsausaltaan vakauteen ja vaikuttaa sitten hitsin muodostumiseen, mikä johtaa hitsin huokoisuusvirheisiin. Lisäksi laserin syväläpihitsauksen stabiilius liittyy laserin tehotiheyteen ja lineaariseen suurensovitukseen, joten vakaan hitsin muodostuksen kohtuullisten prosessiparametrien määrittäminen on tehokas keino valvoa tehokkaasti alumiiniseoslaserhitsauksen huokoisuutta.
Tulokset osoittavat, että hitsin takaosan leveyden suhdetta hitsin pinnan leveyteen (hitsin takaosan leveyden suhdetta) käytetään arvioitaessa alumiiniseoslevyn hitsin muodostumista ja stabiilisuutta. Kun laserin tehotiheys ja linjan energia täsmäävät kohtuullisesti, hitsin takaisin-leveyssuhde voidaan taata ja hitsin huokoisuutta voidaan hallita tehokkaasti.
3, kaksoispistelaserhitsaus
Kaksoispistelaserhitsauksella tarkoitetaan hitsausprosessia, jossa kaksi kohdistettua lasersädettä vaikuttaa samaan hitsisulaan samanaikaisesti. Laser-syvätunkeutumishitsausprosessissa yksi tärkeimmistä syistä huokoisuuden muodostumiseen on se, että pienessä reiässä oleva kaasu sulkeutuu hitsausaltaaseen välittömällä sulkemisella. Kun käytetään kaksoispistelaserhitsausta, kahden valonlähteen vaikutuksesta pienen reiän suuri aukko edistää sisäisen metallihöyryn poistumista ja edistää myös pienen reiän vakautta, joten hitsin huokoisuuden vähentämiseksi. A356-, AA5083-, 2024- ja 5A90-alumiiniseosten laserhitsausta koskevat tutkimukset osoittavat, että kaksipistelaserhitsaus voi vähentää merkittävästi hitsin huokoisuutta.
4, laserkaari komposiittihitsaus
Laserkaarikomposiittihitsaus on hitsausmenetelmä, jossa laser ja kaari levitetään samaan hitsausaltaaseen. Yleensä käyttämällä laseria päälämmönlähteenä, laserin ja kaaren välinen vuorovaikutus voi parantaa laserhitsauksen syvyyttä ja hitsausnopeutta sekä vähentää hitsauskokoonpanon tarkkuutta. Laserhitsausreikien vakautta voidaan parantaa käyttämällä täytelankaa ohjaamaan hitsausliitosten mikrorakenteen ominaisuuksia, ja kaaren apuvaikutus voi auttaa vähentämään hitsin huokoisuutta.
Laserkaarikomposiittihitsausprosessissa kaari vaikuttaa laserprosessin aiheuttamaan metallihöyry/plasmapilveen, mikä edistää laserenergian imeytymistä ja pienten reikien vakautta. Myös alumiiniseoksen laserkaarikomposiittihitsauksen tulokset ovat osoittaneet sen tehokkuuden.
5, kuitu laserhitsaus
Laserin syväläpäisyhitsausprosessin pieni reikävaikutus johtuu metallin voimakkaasta höyrystymisestä laserin vaikutuksesta. Metallin höyrystymisen höyryvoima liittyy läheisesti lasertehon tiheyteen ja säteen laatuun, mikä ei vaikuta ainoastaan laserhitsauksen tunkeutumissyvyyteen, vaan myös pienten reikien vakauteen. Seiji. Et ai. SUS304 ruostumattomasta teräksestä tehdyt korkeatehoiset kuitulasertutkimukset osoittavat, että hitsausallas venyy nopeassa hitsauksessa, mikä estää roiskeita, pieni reiän vaihtelu on vakaa ja pienessä reiän kärjessä ei ole kuplia. Kun kuitulaseria käytetään titaaniseoksen ja alumiiniseoksen nopeaan hitsaukseen, voidaan saada myös huokoinen hitsaus. Allen et ai. Titaaniseoskuitulaserhitsauksen suojakaasun ohjausteknologian tutkimus osoittaa, että hitsaussuojakaasun asentoa säätelemällä voidaan estää kaasun osallistuminen, lyhentää pienten reikien sulkeutumisaikaa ja vakauttaa hitsauspieniä reikiä , ja hitsisulan jähmettymiskäyttäytymistä voidaan muuttaa, mikä vähentää hitsin huokoisuutta.
6, pulssi laserhitsaus
Jatkuvaan laserhitsaukseen verrattuna laserlähtö ottaa sykkivän tilan, joka voi edistää sulan altaan säännöllistä ja vakaata virtausta, mikä edistää kuplan poistumista sulassa altaassa ja vähentää hitsin huokoisuutta. TY Kuo ja SL Jeng tutkivat YAG-laserhitsauksen lasertehon vaikutusta SUS 304L ruostumattoman teräksen ja inconel 690 -superseoshitsien huokoisuuteen ja ominaisuuksiin. Tulokset osoittavat, että: Neliöaaltopulssilaserhitsauksessa, kun perusteho on 1700w, hitsin huokoisuus pienenee pulssiamplitudin ΔP kasvaessa ja ruostumattoman teräksen huokoisuus laskee 2,1 %:sta 0,5 %:iin ja superseos laskee 7,1 prosentista 0,5 prosenttiin.
7, komposiittikäsittelytekniikka hitsauksen jälkeen
Käytännön teknisissä sovelluksissa, vaikka pintakäsittely on tiukka ennen hitsausta ja hitsausprosessi on vakaa, alumiiniseoksen laserhitsaus tuottaa väistämättä hitsin huokoisuutta, joten hitsauksen jälkeisen käsittelyn käyttö huokoisuuden poistamiseksi on erittäin tärkeää. Tällä hetkellä menetelmä on pääasiassa modifioitu hitsaus. Kuumaisostaattinen puristustekniikka on yksi menetelmistä alumiiniseosvalujen huokoisuuden ja kutistumisen poistamiseksi, ja se yhdistetään alumiiniseoksen jännityslämpökäsittelyyn laserhitsauksen jälkeen muodostaen komposiittiprosessin kuumaisostaattisesta puristus- ja alumiiniseoksen lämpökäsittelystä. laserhitsauskomponentit, joka ei ainoastaan eliminoi hitsin huokoisuutta, vaan myös parantaa liitoksen suorituskykyä.
Alumiiniseoksen ominaisuuksista johtuen suuritehoisen laserhitsauksen soveltamisessa on edelleen monia ongelmia, suurin ongelma on hitsin huokoisuusvirheen hallinta ja hitsauksen laadun parantaminen. Hitsausprosessin vakauden parantamiseksi alumiiniseoksen laserhitsauksen huokoisuuden teknisessä ohjauksessa tulee ottaa huomioon kaikki näkökohdat ennen hitsausta, hitsauksen aikana ja hitsauksen jälkeen. Siten on johdettu monia uusia teknologioita ja prosesseja, kuten esihitsauslaserpuhdistus, hitsausprosessin parametrien takaleveyssuhteen ohjauksen optimointi, kaksoissädelaserhitsaus, laserkaarikomposiittihitsaus, pulssilaserhitsaus ja kuitulaserhitsaus.
