Attīstoties lāzertehnoloģijas un alumīnija sakausējumu izstrādes tehnoloģijai, ir īpaši svarīgi turpināt veikt pamata pētījumus par alumīnija sakausējuma lāzermetināšanas pielietojuma tehnoloģiju, izstrādāt jaunu alumīnija sakausējuma lāzermetināšanas tehnoloģiju un efektīvāk paplašināt alumīnija sakausējuma lāzermetināšanas pielietojuma potenciālu. struktūra, lai izprastu alumīnija sakausējuma lāzermetināšanas tehnoloģijas pielietojuma statusu un attīstības tendences.
Augstas stiprības alumīnija sakausējumam ir augsta īpatnējā izturība, īpatnējā stingrība, laba izturība pret koroziju, apstrādes veiktspēja un mehāniskās īpašības, tas ir kļuvis par neaizstājamu metāla materiālu vieglo konstrukciju ražošanā kosmosa, kuģu un citās transporta jomās, starp kurām visbiežāk tiek izmantotas lidmašīnas. Metināšanas tehnoloģijai ir unikālas priekšrocības, uzlabojot konstrukciju materiālu izmantošanas līmeni, samazinot konstrukciju svaru un realizējot sarežģītu un atšķirīgu materiālu zemu izmaksu ražošanu, starp kuriem alumīnija sakausējuma lāzermetināšanas tehnoloģija ir karstā vieta.
Salīdzinot ar citām metināšanas metodēm, lāzermetināšanai ir tādas priekšrocības kā centralizēta apkure, nelieli termiski bojājumi, liela metinājuma dziļuma un platuma attiecība un neliela metināšanas deformācija. Metināšanas process ir viegli integrējams, automatizēts un elastīgs, un var realizēt ātrgaitas un augstas precizitātes metināšanu, kas ir īpaši piemērota sarežģītu konstrukciju augstas precizitātes metināšanai.
Attīstoties materiālu tehnoloģijai, joprojām tiek ieviesti dažādi augstas stiprības un augstas izturības alumīnija sakausējumi, jo īpaši trešās paaudzes alumīnija litija sakausējumi, jaunu augstas stiprības alumīnija sakausējumu parādīšanās, alumīnija lāzera metināšanas tehnoloģija ir izvirzīta vairāk. un augstākas prasības, savukārt alumīnija sakausējumu daudzveidība radīja arī dažādas jaunas lāzermetināšanas problēmas, tāpēc mums ir padziļināti jāizpēta šīs problēmas, lai efektīvāk paplašinātu alumīnija sakausējuma lāzermetināšanas struktūras pielietojuma potenciālu.
Lieljaudas lāzers
Lāzermetināšana ir tehnoloģija, kas izstaro augstas intensitātes lāzeru uz metāla virsmu un liek metālam izkausēt un pēc tam atdzist un kristalizēties, veidojot metinājumu caur termisko savienojumu starp lāzeru un metālu. Saskaņā ar lāzera metināšanas termiskās iedarbības mehānismu var iedalīt divu veidu siltuma vadīšanas metināšanā un dziļās iespiešanās metināšanā, pirmo galvenokārt izmanto precīzās detaļu pakotņu metināšanā vai mikro un nano metināšanā; Pēdējais bieži rada nelielu caurumu efektu, kas līdzīgs elektronu staru metināšanai metināšanas procesā, veidojot dziļu un platu metinājumu. Lāzera dziļās iespiešanās metināšanas realizācijai ir nepieciešama liela lāzera jauda, un pašlaik lāzera dziļi iespiešanās metināšanā tiek izmantoti četri lieljaudas lāzeru veidi.
1, CO2 gāzes lāzers
Darba vide ir CO2 gāze, izejas lāzers ar viļņa garumu 10,6 μm, saskaņā ar lāzera ierosmes struktūru ir sadalīts divos šķērsplūsmās un aksiālajā plūsmā. Lai gan šķērsplūsmas CO2 lāzera izejas jauda ir sasniegusi 150 kW, staru kūļa kvalitāte ir slikta un tas nav piemērots metināšanai. Aksiālās plūsmas CO2 lāzeram ir labāka stara kvalitāte, un to var izmantot alumīnija sakausējumu metināšanai ar augstu lāzera atstarošanas spēju.
2, YAG cietais lāzers
Darba vide ir rubīns, neodīma stikls un ar neodīma leģēts itrija alumīnija granāts utt. Izejas viļņa garums ir 1,06 μm lāzers. YAG lāzeru metāls absorbē vieglāk nekā CO2 lāzeru, un to mazāk ietekmē plazma, šķiedru pārraidei, elastīgai metināšanas darbībai, labas metināšanas pozīcijas pieejamībai, ir galvenais lāzers alumīnija sakausējuma struktūras metināšanai.
3, YLR šķiedru lāzers
Tas ir jauna veida lāzers, kas izstrādāts pēc 2002. gada, izmantojot šķiedru kā matricas materiālu, leģējot dažādus retzemju jonus, un izejas viļņa garuma diapazons ir aptuveni 1,08 μm, kas ir arī šķiedras pārraide. Šķiedru lāzera revolucionārā dubultā pārklājuma šķiedras struktūras izmantošana palielina sūkņa garumu, uzlabo sūkņa efektivitāti, tādējādi ievērojami palielinot šķiedru lāzera izejas jaudu. Salīdzinot ar YAG lāzeru, YLR šķiedru lāzers parādās vēlāk, taču tam ir maza izmēra, zemas ekspluatācijas izmaksas, augsta staru kūļa kvalitāte un liela lāzera jauda.
Alumīnija sakausējuma lāzermetināšanas struktūras pielietojuma pētījumi
Kopš 1990. gadiem, attīstoties zinātnei un tehnoloģijai, lielas jaudas augstas spilgtuma lāzeru parādīšanās, lāzera metināšanas tehnoloģiju integrācija, inteliģenta, elastīga, daudzveidīga attīstība kļūst arvien nobriedušāka, lielāka uzmanība tiek pievērsta gan mājās, gan ārzemēs lāzermetināšanai dažādās jomās. alumīnija sakausējuma struktūras pielietojums. Pašlaik daži automašīnu ražotāji Ķīnā ir pieņēmuši lāzera metināšanas tehnoloģiju dažos jaunos modeļos, attīstot alumīnija sakausējuma biezu plākšņu lāzermetināšanas tehnoloģiju, turpmāk bruņumašīnu konstrukcijai tiks piemērota lāzermetināšana.
Lai realizētu vieglo ražošanu, pašreizējais pētniecības punkts ir alumīnija sakausējuma sendvičkonstrukciju lāzermetināšanas pielietojums un izpēte kuģu un ātrgaitas vilcienu konstrukciju ražošanā. Alumīnija sakausējums ir nozīmīgs metāla konstrukcijas materiāls aviācijas un kosmosa konstrukcijām, tāpēc Japānā, ASV, Lielbritānijā, Vācijā un citās attīstītajās valstīs alumīnija sakausējuma lāzermetināšanas tehnoloģiju pētījumiem ir liela nozīme.
Attīstoties šķiedru lāzera metināšanas tehnoloģijai, progresīvo valstu aviācijas ražošanas joma ir iekļāvusi šķiedru lāzera metināšanu un lāzera loka kompozītu metināšanas tehnoloģiju kā alumīnija sakausējuma metināšanas tehnoloģiju, īpaši biezu plākšņu metināšanu un atšķirīgu metālu metināšanu, fokusu. Piemēram, ASV projektā NALI tiek veikti pētījumi par šķiedru lāzermetināšanu un lāzera loka kompozītu metināšanas tehnoloģiju civilo lidmašīnu un JSF lidmašīnu dzinēju sadegšanas kameras struktūrai.
Alumīnija sakausējuma lāzermetināšanas raksturojums
Salīdzinot ar parasto kausēšanas metināšanu, alumīnija sakausējuma lāzermetināšanas sildīšanas koncentrācija ir liela, metināšanas dziļuma un platuma attiecība ir liela, metināšanas struktūras deformācija ir neliela, taču ir daži trūkumi, kas apkopoti šādi:
(1) Lāzera fokusēšanas punkta mazais diametrs rada augstas prasības attiecībā uz sagataves metināšanu un montāžas precizitāti, parasti montāžas spraugai un nepareizo malu daudzumam ir jābūt mazākam par 0,1 mm jeb 10% no plāksnes. biezums, kas palielina sarežģītās trīsdimensiju metināšanas struktūras ieviešanas grūtības
(2) Tā kā alumīnija sakausējuma atstarošanas spēja pret lāzeru istabas temperatūrā ir pat 90%, alumīnija sakausējuma lāzera dziļi iespiešanās metināšanai ir nepieciešams, lai lāzeram būtu liela jauda. Alumīnija sakausējuma lokšņu lāzermetināšanas pētījumi liecina, ka alumīnija sakausējuma lāzermetināšana ar dziļu iespiešanos ir atkarīga no dubultā lāzera jaudas blīvuma un lineārās enerģijas sliekšņa, kas kopīgi ierobežo metināšanas baseina uzvedību metināšanas procesā un visbeidzot atspoguļo formēšanas īpašības. no metinājuma. Pilnas iespiešanās metinājuma procesa optimizāciju var novērtēt pēc metināšanas šuves veidošanas raksturlielumu aizmugures platuma attiecības.
(3) Alumīnija sakausējuma kušanas temperatūra ir zema, šķidrā metāla plūsma ir laba, spēcīga metāla iztvaikošana lieljaudas lāzera iedarbībā, metāla tvaiku / fotoinducēts plazmas mākonis, kas veidojas ar mazu cauruma efektu metināšanas procesā, ietekmē alumīnija sakausējuma lāzera enerģijas absorbciju. , kā rezultātā rodas dziļas iespiešanās metināšanas procesa nestabilitāte, metināšanai ir nosliece uz porainību, virsmas sabrukšanu, malu un citiem defektiem;
(4) Lāzermetināšanas sildīšanas un dzesēšanas ātrums ir ātrs, un metināšanas šuves cietība ir augstāka nekā loka cietība, bet sakausējuma elementu sadegšanas dēļ alumīnija sakausējuma lāzermetināšanā, kas ietekmē sakausējuma stiprināšanu, alumīnija sakausējuma metinājumam joprojām ir mīkstināšanas problēma, tādējādi samazinot alumīnija sakausējuma metinātā savienojuma izturību. Tāpēc alumīnija sakausējuma lāzermetināšanas galvenā problēma ir metināto šuvju defektu kontrole un metināto savienojumu veiktspējas uzlabošana.
Alumīnija sakausējuma lāzermetināšanas defektu kontroles tehnoloģija
Lieljaudas lāzera iedarbībā galvenie alumīnija sakausējuma lāzera dziļi iespiešanās metināšanas savienojumu defekti ir porainība, virsmas sabrukšana un malu nokošana, ko var uzlabot ar lāzera stieples pildmetināšanu vai lāzera loka kompozītu metināšanu. Ir grūti kontrolēt metinājuma porainības defektu.
Esošie pētījumu rezultāti liecina, ka alumīnija sakausējuma dziļi iespiešanās lāzermetināšanā ir divu veidu raksturīgās poras. Viena no tām ir metalurģijas poras, ko rada materiāla piesārņojums vai gaisa iekļūšana metināšanas procesā, piemēram, loka kausēšanas metināšanā. Otrs veids ir procesa porainība, ko izraisa lāzera dziļās iespiešanās metināšanas procesam raksturīgās mazā cauruma nestabilās svārstības.
Lāzera dziļi iespiešanās metināšanas procesā caurums bieži atpaliek no stara kustības šķidrā metāla viskozā efekta dēļ, un tā diametrs un dziļums svārstās plazmas/metāla tvaiku ietekmē. Kustoties staram un plūstot izkausētam baseina metālam, cauruma galā necaurlaidīgajā dziļi iespiešanās metināšanā izkausētā baseina metāla plūsmas dēļ parādās burbuļi, bet šaurajā vidukļa vidū parādās burbuļi. caurums pilnas iespiešanās dziļās iespiešanās metināšanā. Burbuļi migrē un ripo līdzi šķidrā metāla plūsmai vai izplūst no izkusušā baseina virsmas, vai tiek nospiesti atpakaļ uz mazo caurumu, kad burbuļi tiek sacietēti ar izkausēto baseinu un notverti metāla priekšpusē, tas ir, kļūst metinājuma porainība.
Acīmredzot metāla porainību galvenokārt kontrolē virsmas apstrādes kontrole pirms metināšanas un saprātīga gāzes aizsardzība metināšanas laikā, un procesa porainības atslēga ir nodrošināt mazā cauruma stabilitāti lāzera dziļās iespiešanās metināšanas laikā. Saskaņā ar vietējo lāzermetināšanas tehnoloģiju izpēti, alumīnija sakausējuma lāzera dziļās iespiešanās metināšanas porainības kontrole jāapsver pirms metināšanas, metināšanas procesa, dažādu saišu metināšanas pēcapstrādes, kas apkopoti kā šādi jauni procesi un jaunas tehnoloģijas.
1, pirmsmetināšanas apstrādes metode
Virsmas apstrāde pirms metināšanas ir efektīvs veids, kā kontrolēt alumīnija sakausējuma lāzera metināšanas metalurģijas poras, parasti virsmas apstrādes metodēm ir fiziska un mehāniska tīrīšana, ķīmiskā tīrīšana, pēdējos gados ir veikta lāzera trieciena tīrīšana, kas vēl vairāk uzlabos automatizācijas pakāpi. lāzera metināšana.
2, parametru stabilitātes optimizācijas kontrole
Alumīnija sakausējuma lāzermetināšanas procesa parametri parasti ir galvenokārt lāzera jauda, defokuss, metināšanas ātrums un gāzes aizsardzības sastāvs un plūsma. Šie parametri ietekmē ne tikai metināšanas zonas aizsardzības efektu, bet arī lāzera dziļās iespiešanās metināšanas procesa stabilitāti, tādējādi ietekmējot metinājuma porainību. Izmantojot alumīnija sakausējuma loksnes dziļās iespiešanās metināšanu ar lāzeru, ir konstatēts, ka mazu caurumu iespiešanās stabilitāte ietekmē metinājuma baseina stabilitāti un pēc tam ietekmē metinājuma veidošanos, kā rezultātā rodas metinājuma porainības defekti. Turklāt lāzera dziļās iespiešanās metināšanas stabilitāte ir saistīta ar lāzera jaudas blīvumu un lineāro daudzuma saskaņošanu, tāpēc stabilas metināšanas šuves saprātīgu procesa parametru noteikšana ir efektīvs līdzeklis, lai efektīvi kontrolētu alumīnija sakausējuma lāzera šuves porainību.
Rezultāti liecina, ka metinājuma šuves aizmugures platuma attiecība pret šuves virsmas platumu (metinājuma aizmugures platuma attiecība) tiek izmantota, lai novērtētu alumīnija sakausējuma loksnes metinājuma veidošanos un stabilitāti. Ja lāzera jaudas blīvums un līnijas enerģija saprātīgi sakrīt, var garantēt metināšanas atpakaļgaitas un platuma attiecību un var efektīvi kontrolēt metinājuma porainību.
3, dubultā punktveida lāzera metināšana
Divpunktu lāzera metināšana attiecas uz metināšanas procesu, kurā divi fokusēti lāzera stari vienlaikus iedarbojas uz vienu un to pašu metināšanas baseinu. Lāzera dziļi iespiešanās metināšanas procesā viens no galvenajiem porainības veidošanās iemesliem ir tas, ka mazajā caurumā esošā gāze tiek slēgta metināšanas baseinā ar tūlītēju aizvēršanu. Ja tiek izmantota divpunktu lāzermetināšana, divu gaismas avotu darbības dēļ mazā cauruma lielā atvēršana veicina iekšējo metāla tvaiku izplūšanu, kā arī mazā cauruma stabilitāti. lai samazinātu metinājuma porainību. Pētījumi par A356, AA5083, 2024 un 5A90 alumīnija sakausējumu lāzermetināšanu liecina, ka divu punktu lāzermetināšana var ievērojami samazināt metinājuma porainību.
4, lāzera loka kompozītu metināšana
Lāzera loka kompozītu metināšana ir metināšanas metode, kurā lāzers un loks tiek pielietoti vienai un tai pašai metināšanas šuves baseinam. Parasti izmantojot lāzeru kā galveno siltuma avotu, lāzera un loka mijiedarbība var uzlabot lāzera metināšanas dziļumu un metināšanas ātrumu, kā arī samazināt metināšanas montāžas precizitāti. Lāzermetināšanas caurumu stabilitāti var uzlabot, izmantojot pildvielas stiepli, lai kontrolētu metināto savienojumu mikrostruktūras īpašības, un loka palīgefekts var palīdzēt samazināt metinājuma porainību.
Lāzera loka kompozītu metināšanas procesā loks ietekmē lāzera procesa izraisīto metāla tvaiku/plazmas mākoni, kas veicina lāzera enerģijas absorbciju un mazo caurumu stabilitāti. Arī alumīnija sakausējuma lāzera loka kompozītmetināšanas rezultāti ir pierādījuši savu efektivitāti.
5, šķiedru lāzera metināšana
Lāzera dziļās iespiešanās metināšanas procesa mazo caurumu efekts ir saistīts ar spēcīgu metāla iztvaikošanu lāzera iedarbībā. Metāla iztvaikošanas tvaika spēks ir cieši saistīts ar lāzera jaudas blīvumu un stara kvalitāti, kas ne tikai ietekmē lāzermetināšanas iespiešanās dziļumu, bet arī mazo caurumu stabilitāti. Seiji. Et al. SUS304 nerūsējošā tērauda lieljaudas šķiedru lāzera pētījumi liecina, ka metināšanas baseins ātrgaitas metināšanas laikā ir izstiepts, kas novērš šļakatas, mazās cauruma svārstības ir stabilas un mazā cauruma galā nav burbuļu. Ja šķiedru lāzeru izmanto titāna sakausējuma un alumīnija sakausējuma ātrgaitas metināšanai, var iegūt arī bezporainības metināšanu. Alens u.c. Pētījumi par aizsarggāzes kontroles tehnoloģiju titāna sakausējuma šķiedru lāzermetināšanā liecina, ka, kontrolējot metināšanas aizsarggāzes pozīciju, var novērst gāzes iesaistīšanos, samazināt mazo caurumu aizvēršanās laiku, stabilizēt metināšanas mazos caurumus. , un var mainīt metinātās šuves sacietēšanas izturēšanos, tādējādi samazinot metinājuma porainību.
6, impulsu lāzera metināšana
Salīdzinot ar nepārtrauktu lāzera metināšanu, lāzera izvade izmanto pulsējošu režīmu, kas var veicināt periodisku un stabilu izkausētā baseina plūsmu, kas veicina burbuļa izkļūšanu izkausētajā baseinā un samazina metinājuma porainību. TY Kuo un SL Jeng pētīja YAG lāzermetināšanas lāzera jaudas izvades režīma ietekmi uz SUS 304L nerūsējošā tērauda un inconel 690 supersakausējuma šuvju porainību un īpašībām. Rezultāti parāda, ka: Kvadrātviļņu impulsa lāzermetināšanai, kad bāzes jauda ir 1700w, metinājuma porainība samazinās, palielinoties impulsa amplitūdai ΔP, un nerūsējošā tērauda porainība samazinās no 2,1% līdz 0,5%, un šuves porainība samazinās no 2,1% līdz 0,5%. supersakausējums samazinās no 7,1% līdz 0,5%.
7, kompozītmateriālu apstrādes tehnoloģija pēc metināšanas
Praktiskos inženiertehniskos lietojumos, pat ja virsmas apstrāde ir stingra pirms metināšanas un metināšanas process ir stabils, alumīnija sakausējuma lāzera metināšana neizbēgami radīs metināšanas porainību, tāpēc ir ļoti svarīgi izmantot pēcmetināšanas apstrādi, lai novērstu porainību. Pašlaik metode galvenokārt ir modificēta metināšana. Karstās izostatiskās presēšanas tehnoloģija ir viena no metodēm, lai novērstu alumīnija sakausējuma lējumu porainību un saraušanos, un tā tiek apvienota ar alumīnija sakausējuma sprieguma termisko apstrādi pēc lāzermetināšanas, veidojot saliktu karstās izostatiskās presēšanas un alumīnija sakausējuma termiskās apstrādes procesu. lāzera metināšanas komponenti, kas ne tikai novērš metinājuma porainību, bet arī uzlabo savienojuma veiktspēju.
Alumīnija sakausējuma īpašību dēļ joprojām pastāv daudz problēmu lieljaudas lāzermetināšanas pielietošanā, galvenā problēma ir kontrolēt metinājuma porainības defektu un uzlabot metināšanas kvalitāti. Lai uzlabotu metināšanas procesa stabilitāti, alumīnija sakausējuma lāzera šuves porainības inženiertehniskajā kontrolē ir jāņem vērā visi aspekti pirms metināšanas, metināšanas laikā un pēc metināšanas. Tādējādi ir atvasinātas daudzas jaunas tehnoloģijas un procesi, piemēram, pirmsmetināšanas lāzera tīrīšana, metināšanas procesa parametru aizmugures platuma attiecības kontroles optimizācija, dubultstaru lāzermetināšana, lāzera loka kompozītu metināšana, impulsu lāzermetināšana un šķiedru lāzermetināšana.
