Використання алюмінієвого сплаву для заміни традиційної сталі в автомобілях є одним із важливих способів реалізувати полегшену вагу автомобіля. Однак через характеристики алюмінієвого сплаву з хорошою теплопровідністю і великим коефіцієнтом лінійного розширення виникають деякі проблеми при зварюванні:
1) Серйозне розм'якшення зварного з'єднання з алюмінієвого сплаву, низький коефіцієнт міцності;
2) Алюмінієвий сплав легко окислити для отримання вогнетривкої оксидної плівки (Al2O3, температура плавлення становить 2060 градусів), для якої потрібно використовувати процес зварювання високої щільності;
3) Легко створювати пори;
4) Коефіцієнт лінійного розширення великий, легко виробляти зварювальні деформації та зварювальні тріщини;
5) Теплопровідність і питома теплоємність великі, а підведення тепла в 2-4 рази більше, ніж у зварної сталі.
Тому для отримання високоефективних зварювальних з’єднань алюмінієвих сплавів необхідна висока щільність енергії, низька витрата тепла при зварюванні та висока швидкість зварювання, серед яких лазерне зварювання є однією з найбільш перспективних технологій зварювання алюмінієвих сплавів.
лазерна зварюваність алюмінієвого сплаву та заходи оптимізації
Лазерне зварювання — це ефективний і точний метод зварювання, який використовує лазерний промінь високої щільності енергії як джерело тепла, який має такі характеристики, як висока швидкість, велике проникнення, невелика деформація, хороша гнучкість обробки та легка автоматизація при застосуванні до зварювання алюмінієвих сплавів. Він широко використовується в аерокосмічній промисловості, автомобілебудуванні та електроніці легкої промисловості та інших галузях, але він використовується для лазерного зварювання алюмінієвих сплавів. Також є певні проблеми та труднощі.
1.1 Алюмінієвий сплав має дуже низький рівень поглинання лазера
Алюмінієвий сплав має сильну відбиваючу дію на лазер, що пояснюється високою щільністю вільних електронів у твердому стані алюмінієвого сплаву, який легко відбиває енергію з фотоном у пучку. Дослідження показують, що відбивна здатність алюмінієвого сплаву до газового CO2-лазера досягає 90%, а відбивна здатність твердотільного лазера наближається до 80%. У той же час алюмінієвий сплав має високу теплопровідність, що призводить до дуже низького рівня поглинання лазера з алюмінієвого сплаву. Тому необхідно вжити відповідних заходів для підвищення швидкості лазерного поглинання алюмінієвого сплаву.
Заходи з оптимізації:
1) Збільшуючи щільність потужності лазера для покращення поглинання лазера з алюмінієвого сплаву. Збільшення щільності потужності лазера спричинить ефект невеликих отворів у зварювальній ванні, що може значно покращити швидкість поглинання матеріалу лазером.
2) Використовуйте відповідний процес попередньої обробки поверхні. Для порівняння лазерного поглинання алюмінієвого сплаву використовували електролітичне полірування, анодування та піскоструминну обробку. Було виявлено, що анодування та піскоструминна обробка поверхонь з алюмінієвих сплавів може значно покращити поглинання лазера.
3) Також встановлено, що форма суглоба впливає на поглинання лазера. V-подібний скіс і квадратний скіс більше сприяють утворенню замкових щілин, ніж з’єднання без скосу, і щільність потужності лазера збільшується, а також збільшується швидкість лазерного поглинання алюмінієвого сплаву.
1.2 Легко утворюються пори
Пори є найпоширенішим і найважливішим дефектом лазерного зварювання алюмінієвого сплаву. Типи пор можна розділити на дві категорії. Один полягає в тому, що через різке зниження розчинності водню в процесі охолодження лазерного зварювання алюмінієвого сплаву вміст водню в розплавленому алюмінієвому сплаві може досягати {{0}}.69 мл/100 г, вміст водню алюмінієвого сплаву після охолодження та затвердіння становить 0,036 мл/100 г, і перенасичений водень випадає в осад, утворюючи водневі пори. Крім того, на поверхні алюмінієвого сплаву є оксидна плівка, а вода в кристалічній воді, повітря та захисний газ на поверхні алюмінієвого сплаву безпосередньо розкладаються на водень під час зварювання. Ці водневі пори надто пізно виходять під час процесу швидкого охолодження лазерного зварювання алюмінієвих сплавів і залишаються у зварному шві, утворюючи водневі пори. Інша пов'язана з нестабільністю замкової щілини, що утворюється в процесі лазерного зварювання, і руйнується, і рідкий метал не встигає заповнити отвір. Надмірна пористість призведе до зниження щільності зварного шва, зниження несучої здатності з’єднання, різною мірою знизить міцність і пластичність з’єднання. Існує багато заходів для зменшення дефектів пористості під час лазерного зварювання алюмінієвого сплаву, таких як зміна траєкторії кроку лазерного променя, використання коливань променя для перемішування розплавленої ванни, збільшення можливості виходу пористості з поверхні, використання дроту або сплаву порошку, а за допомогою двоточкової технології та лазерного композитного зварювання можна досягти ефекту зменшення пористості, але його важко принципово усунути.
1.3 Схильність до гарячих тріщин
Причина гарячої тріщини при лазерному зварюванні алюмінієвого сплаву в основному пов'язана з його власними характеристиками та процесом зварювання. Під час затвердіння алюмінієвого сплаву швидкість усадки є великою (до 5%), зварювальна напруга та деформація є великими, а метал шва вироблятиме евтектичну структуру з низькою температурою плавлення вздовж межі зерна під час кристалізації, так що межа зерна зв'язуюча сила послаблюється, і під дією розтягуючої напруги утворюються гарячі тріщини. Схильність до гарячих тріщин можна зменшити шляхом наповнення дротом або порошком сплаву, а тенденцію до гарячих тріщин також можна зменшити шляхом регулювання параметрів процесу зварювання для контролю швидкості нагріву та охолодження.
1.4 Розм'якшення структури шва та зони термічного впливу
«Розм'якшення» - це явище зниження міцності і твердості зварних з'єднань. Коли використовується лазерне зварювання алюмінієвого сплаву, структура зварного шва та зона термічного впливу зварного з’єднання також мають проблеми з розм’якшенням. Велика кількість досліджень показала, що явище розм’якшення при зварюванні алюмінієвих сплавів важко повністю усунути, але порівняно зі зварюванням у захисному газі лазерне зварювання зменшує підведення тепла та робить зону розм’якшення зварного шва більш вузькою. У порівнянні зі зварюванням MIG ступінь «розм'якшення» з'єднань алюмінієвого сплаву, зварених лазером, нижчий, а міцність на розрив збільшується зі збільшенням швидкості зварювання. Вплив плазми на процес зварювання Енергія іонізації алюмінієвого елемента низька, лазерне зварювання легше утворює металеву плазму, плазму, викликану лазерним заломленням і відхиленням, таким чином змінюючи фокус лазерного променя, так що коефіцієнт проникнення зварного шва зменшується, впливають на якість зварювального з'єднання. Завдяки попередньому нанесенню порошку на поверхню заготовки розширення та пульсація плазми у напрямку висоти послаблюється, так що плазма може підтримувати відносно стабільну амплітуду пульсації на поверхні заготовки.
технологія лазерного зварювання алюмінієвих сплавів
2.1 Лазерне саморозварювання алюмінієвих сплавів
Лазерне зварювання самоплавленням відноситься до лазерного променя високої щільності енергії як джерела тепла, що впливає на поверхню основного матеріалу, так що сам основний матеріал плавиться, утворюючи зварювальний метод зварювання. Для лазерного зварювання алюмінієвого сплаву поверхня алюмінієвого сплаву має високу відбивну здатність до лазера, і під час зварювання потрібна велика потужність лазера. Діаметр лазерної плями невеликий, точність зварювального обладнання висока, а значення допуску на зазор між деталями низьке, і значення зазору між деталями зазвичай має бути нижче 0. 2 мм. Під час процесу зварювання швидкість нагрівання та охолодження є високою, дефектів зварювальної пористості багато, щільність енергії лазера зосереджена, а ефект замкової щілини легко спричинити явище увігнутого зварного шва та прикусу краю, тому параметри процесу зварювання мають підвищені вимоги. Лазерне саморозплавлення при зварюванні алюмінієвих сплавів відображає переваги високої якості зварювання, високої швидкості зварювання та легкої автоматизації та широко використовується в автомобільній промисловості. У промисловості електромобілів герметизація оболонки силової батареї в основному виготовляється з алюмінієвого сплаву лазерним самоплавним зварюванням. В алюмінієвому кузові вітчизняної автомобільної компанії нової енергії зварювання дверного вузла та конструкції бічної стінки також виготовлено з алюмінієвого сплаву лазерним самоплавним зварюванням.
2.2 Лазерне зварювання алюмінієвого сплаву дротом
Під час зварювання лазерним заповненням дроту лазер все ще використовується як основне джерело тепла для плавлення зварюваного металу, але пристрій автоматичної подачі дроту використовується для безперервної подачі заповнюючого металу в ванну розплаву для досягнення процесу металургійного з’єднання. У порівнянні з лазерним зварюванням самоплавленням, зварювання лазерним заповненням дроту пом’якшило вимоги до точності процесу зварювання, шляхом заповнення різних компонентів зварювального дроту покращило металургійні властивості зварного шва, запобігло зварювальним гарячим тріщинам і порам, покращило стабільність процесу зварювання і механічних властивостей з'єднання.
Лазерне зварювання дротом з алюмінієвого сплаву має гарний зовнішній вигляд, точність технологічного зазору нижча, ніж лазерне зварювання самоплавленням тощо. Зазвичай воно використовується на зовнішній поверхні корпусу, наприклад між верхньою кришкою та боковою стінкою. , а також між верхньою та нижньою пластинами кришки валізи. Існують також моделі для отримання більш високої якості зварювання та використання лазерного зварювання дротом для зварювання дверей з алюмінієвих сплавів.
2.3 Лазерне дугове композитне зварювання алюмінієвих сплавів
Лазерно-дугове композитне зварювання - це комбінація лазера та дуги двох типів джерел тепла з різними фізичними властивостями та механізмом передачі енергії та спільної роботи на зварюваних частинах. Обидва вони повною мірою використовують переваги двох джерел тепла та компенсують недоліки один одного. У лазерно-дуговому композитному зварюванні алюмінієвого сплаву дуга може спрямовувати лазерне джерело тепла, покращувати поглинальну здатність алюмінієвого сплаву та швидкість використання енергії в процесі зварювання, а формувальність поверхні зварного шва краща, ніж у зварювального з’єднання. лазерне саморозварювання. Крім того, введення дуги може значно знизити точність затискання зварювальних деталей, а дуга має розріджувальний ефект на плазму лазерного зварювання, що може зменшити ефект екранування плазми на лазер. Лазер відіграє важливу роль у стабільності дуги, щоб дуга могла стабільно діяти на з'єднання під час високошвидкісного зварювання, що може покращити якість зварювання з'єднання та збільшити швидкість зварювання.
лазерне зварювання алюмінієвих сплавів в автомобільній промисловості
Застосування лазерного зварювання в автомобільній промисловості має багато переваг:
1) Його швидкість зварювання є високою, покращує ритм виробництва, а швидкість зварювання може досягати 6 м/хв, що має незрівнянні переваги перед іншими методами з’єднання білого корпусу (такими як точкове зварювання, дугове зварювання, заклепка);
2) Він має невеликі обмеження на конструкцію корпусу, може застосовуватися до різних зварювальних конструкцій (нахлест, кут, Т-подібне з’єднання, стик), і є одностороннім зварюванням, де можна досягти балки, конструкція є більш гнучкою;
3) Його вимоги до сторони лазерного зварювання низькі, зварювальна сторона може бути зварена на 6 ~ 8 мм, порівняно з вимогами до сторони точкового зварювання (16 мм), зменшеними вдвічі, може відігравати роль у легкості;
4) Лазерне зварювання конструкції даху та задньої кришки може погіршити якість кузова, і немає необхідності застосовувати герметик і зовнішню декоративну пластину, заощаджуючи вартість кузова;
5) Зварювальне з'єднання лазерного зварювання гладке та акуратне, гарний зовнішній вигляд тощо.
Завдяки численним перевагам лазерного зварювання воно широко занепокоєне в автомобільній промисловості та віддано перевагу багатьом автомобільним компаніям. Він використовується в різних частинах європейських моделей (таких як Volkswagen, BMW, Audi, Mercedes-Benz, Peugeot тощо) та американських моделей (таких як Buick, Ford, Cadillac, Chevrolet тощо) (дах, двері в зборі, Зовнішня панель кришки багажника, зварювання бічних структурних частин і проточної ємності тощо), а також як один із символів високоякісного кузова білого кольору.
Однак через високу одноразову інвестиційну вартість, точність листового металу та вимоги до точності інструментів він не широко використовується серед вітчизняних автомобільних компаній.
В даний час лазерне зварювання алюмінієвого сплаву застосовується в масовому виробництві корпусу з алюмінієвого сплаву. Audi TT, A6/A8 і флагманський Cadillac CT6 зварені алюмінієвим сплавом лазерним зварюванням верхньої кришки та бічних стінок. Cadillac CT6, Audi A6/A8/Q5, BMW 5 серії/7 серії, Mercedes-Benz S серії/C серії та інші моделі кришки багажника використовують лазерне зварювання алюмінієвого сплаву. Двері Audi A6/A8, Mercedes-Benz серії S/C, BMW серії 5/7 тощо використовують лазерне зварювання алюмінієвого сплаву. Nio також застосував велику кількість лазерного зварювання алюмінієвого сплаву на кришці та бічній стінці, а також на дверях.
З безперервним прогресом автомобільних технологій, потужностей промисловості та якості обробки вартість використання лазерного зварювання буде значно знижена. У той же час, з розвитком автомобільної легкої ваги, застосування алюмінієвого сплаву в автомобільному кузові зростає, лазерне зварювання як один із важливих методів з'єднання для вирішення проблеми якості зварювання алюмінієвого сплаву буде більш широко використовуватися в автомобільна промисловість.
Xi'an Guosheng Laser Technology Co., Ltd. — це високотехнологічне підприємство, що спеціалізується на дослідженнях і розробках, виробництві та продажі автоматичних лазерних наплавлювальних машин, високошвидкісних лазерних наплавлювальних машин, лазерних зміцнювальних машин, обладнання для лазерного зварювання та обладнання для 3D-друку.
Якщо ви зацікавлені в наших продуктах, зв’яжіться з нами за адресою bob@gshenglaser.com.