Лазерная сварка алюминиевых сплавов: технологические проблемы, параметры и контроль дефектов

Алюминиевые сплавы используются повсюду в современном производстве: в аккумуляторных отсеках-электрических транспортных средств, аэрокосмических конструкциях, корпусах электронных устройств и теплообменниках. У них превосходное соотношение прочности-к-весу, но такая же легкость делает их одним из самых сложных материалов для соединения с помощью лазера.

В отличие от стали, алюминий отражает большую часть падающего лазерного света при комнатной температуре, быстро отводит тепло и имеет прочную оболочку из-оксида алюминия, которая улавливает водород и изменяет химический состав-плавильной ванны. Эти свойства не делают алюминий «непригодным для-сварки» лазерами; они просто заставляют инженеров рассматривать длину волны, качество луча, выбор сплава, состояние поверхности и защитный газ как единую связанную систему. Если вы новичок в этом процессе, нашпринцип работы лазерных сварочных аппаратовобъясняет, как взаимодействие луча и материала вообще создает сварочную ванну. Более широкое представление о том, какие металлы ведут себя подобным образом, см. в нашей статье.Руководство по совместимости материалов для лазерной сварки.

В этом руководстве основное внимание уделяется практическим решениям, позволяющим отделить повторяемую лазерную сварку алюминия от косметического валика, полного пор и трещин.

Выбор источника лазера является первым фильтром в любом процессе сварки алюминия. Не каждый промышленный лазер хорошо взаимодействует с алюминием.

CO₂-лазеры (10,6 мкм)исторически были проблемы с голым алюминием, потому что расплавленная ванна становится очень отражающей на этой длине волны, а плазменная защита может прервать подачу энергии. Сегодня они редко являются лучшим выбором для сварки глубокого-провара алюминия, хотя они по-прежнему находят применение в специализированной пайке или плакировании-листовых листов.

Nd:YAG, волоконные, дисковые и диодные лазеры-прямого действия (~1 мкм)доминируют в алюминиевом цехе. При толщине 1 мкм начальная отражательная способность ниже, чем многие предполагают, и как только образуется замочная скважина, поглощающая способность резко возрастает. Волоконные и дисковые лазеры обеспечивают высокую яркость, превосходный электрический КПД и гибкую подачу волокна, поэтому они используются по умолчанию для высокоскоростного-соединения алюминия в автомобильной промышленности и производстве аккумуляторов.

Полупроводниковые (диодные) лазерычасто выбираются для процессов теплопроводности-, таких как пайка. В автомобильных теплообменниках-или аккумуляторных-пакетах диодный лазер может расплавить присадочную проволоку или припойный сплав, чтобы сформировать соединение с низкой-пористостью без динамики глубоких-замочных скважин, вызывающих пористость.

Если ваша производственная линия работает круглосуточно и без выходных и отдает приоритет скорости при производстве деталей 5xxx или 6xxx, нашасистемы волоконной лазерной сварки для производственных линийохватывают диапазоны мощности, варианты-доставки луча и интерфейсы автоматизации. Для микро-соединений или чувствительных к теплу-узловПлатформа квази-сварки непрерывной волной QCWобеспечивает пиковые миллисекундные импульсы с низким средним тепловложением, а нашаЛазерная технология QCW и руководство по динамике-пиковой мощностирассказывает о том, как взаимодействуют пиковая мощность и рабочий цикл.

Выбор сплава так же важен, как и выбор лазера. Сплав 5xxx и сплав 7xxx могут вести себя как совершенно разные материалы под одним и тем же лучом.

Значения в таблице представляют собой типичные отраслевые рекомендации по лазерной сварке. Точное поведение зависит от качества, толщины, конструкции шва и стратегии наполнителя.

Для изготовления аккумуляторных-модулей и шин обычно используются профили 6xxx и листы 5xxx. Если в вашей конструкции клеммы соединяются с алюминиевыми и медными или никелевыми, нашиАппарат для лазерной сварки батарей-с-никелевым аккумуляторомсоздан для применения в различных-металлических пластинах и шинопроводах, где важны-режимы сварки, устойчивые к трещинам.

Пористость является наиболее распространенным дефектом лазерной сварки алюминия. Поры возникают из двух основных источников: водорода и нестабильности «замочной скважины».

Водородная пористостьначинается с оксидной пленки. Al₂O₃ на поверхности адсорбирует влагу из атмосферы, смазочно-охлаждающие жидкости или остатки растворителей. Когда оксид распадается в ванне расплава, выделяющийся водород имеет высокую растворимость в жидком алюминии, но очень низкую растворимость в твердом алюминии. При быстром затвердевании он выходит в виде пузырьков, которые вмерзают в шарик.

Пористость, вызванная замочной скважиной-происходит, когда замочная скважина колеблется или разрушается. Обрушение может привести к захвату защитного газа или паров металла внутри бассейна; если лужа затвердевает до того, как пузырек достигнет поверхности, пора останется.

Специальная форма лазерного импульса для сварки алюминия

Таким образом, стратегия контроля трехсторонняя-:

1. Чистые, сухие поверхности.Обезжиривание и механическое или химическое удаление оксидов уменьшают количество источника водорода больше, чем любое исправление после-сварки.
2. Стабильная замочная скважина.Колебания луча, модуляция мощности или оптимизированная скорость сварки снижают частоту разрушения.
3. Правильное экранирование.Аргон является стандартным; смеси гелия могут подавить плазму и расширить окно стабильности-процесса.

Сравнение дефектов: нестабильная замочная скважина и пористый алюминиевый сварной шов

Более широкий каталог дефектов, включающий брызги, подрезы и неполное проплавление, см. в нашем руководстве поРаспространенные неисправности лазерной сварки и их устранение на месте.

Горячее растрескивание, также называемое растрескиванием при затвердевании, появляется в конце затвердевания, когда между дендритами остаются пленки с низкой-точкой плавления-. В алюминии легирующие элементы, такие как медь и цинк, расширяют диапазон затвердевания и продлевают срок службы жидких пленок. Когда усадочное напряжение разрывает частично затвердевшее соединение, вдоль центральной линии сварного шва или границ зерен открывается трещина.

Классические шаги по смягчению последствий:

• Смените химию.Добавление кремния в присадочную проволоку 4043 или 4047 сужает диапазон замерзания и увеличивает стойкость к растрескиванию при затвердевании большинства сплавов 6xxx.
• Уменьшите тепловложение.Более низкая энергия линии уменьшает мягкую зону и термическую деформацию, которая приводит к растрескиванию.
• Уменьшите сдержанность.Правильная фиксация, зазор в шве и последовательность сварки снижают усадочное напряжение затвердевающего валика.
• Используйте совместимые базовые материалы.Если возможно, избегайте основных металлов 2xxx и 7xxx для сварных швов плавлением и вместо этого выбирайте 5xxx или 6xxx.

Наша специальная статья о5 типичных дефектов лазерной сварки и их профилактикарасширяет обсуждение трещин до холодного растрескивания, недолива и других распространенных проблем.

При комнатной температуре голый алюминий отражает примерно 90% или более лазерного света размером 1 мкм. Ситуация меняется в момент плавления поверхности: происходит скачок поглощательной способности, образуется паровой капилляр, а множественные внутренние отражения задерживают энергию внутри замочной скважины. Переход от нагрева с преобладанием отражения-к нагреву с преобладанием замочной скважины- является определяющим событием в лазерной сварке алюминия.

Поскольку начальное поглощение невелико, для инициирования замочной скважины процессу требуется кратковременный -мощный-"удар" высокой плотности. После установки сварной шов может работать при более низкой удельной мощности, но рабочее окно остается узким. Слишком медленно, и замочная скважина станет нестабильной; слишком быстро, и замочная скважина разрушается до того, как будет достигнуто полное проникновение.

К практическим рычагам относятся:

• Текстурирование поверхности или шлифовкаповысить начальную поглощающую способность.
• Нарастание мощности или индивидуальная форма импульсовво избежание взрывного испарения при запуске-.
• Колебания луча (качание)чтобы расширить замочную скважину и улучшить перекрытие зазора.
• Управление расфокусировкойдля настройки распределения энергии по суставу.

Если вы сравниваете лазерную сварку с дуговыми процессами на алюминии, наша статья оручная лазерная сварка, заменяющая TIG на алюминиевых сплавахпоказано, как луч толщиной 1 мкм влияет на скорость перемещения, тепловложение и деформацию реальных стыковых соединений 6xxx. Для рекомендаций по параметрам прямых-стыковых соединенийпараметры стыковой-сварки алюминияНа странице перечислены типичные настройки мощности, скорости и экранирования.

Высокое-качество лазерной сварки алюминия – результат системы. Один слабый шаг подрывает остальные пять. Используйте этот контрольный список перед запуском процесса в производство:

1. Защитный газ и метизы.Используйте аргон или смеси аргона и гелия. Проверьте угол сопла, расстояние-и расстояние и скорость потока для ламинарного покрытия. Турбулентный поток втягивает воздух в бассейн.
2. Подготовка поверхности.Удалите масла и оксиды. Храните очищенные детали при контролируемой влажности; повторное-окисление начинается в течение нескольких часов.
3. Набор параметров.Сбалансируйте мощность, положение фокуса и скорость перемещения для сплава и толщины. Проведите-эксперименты-с реальной деталью, а не только с плоскими купонами.
4. Стратегия наполнителя.Добавьте проволоку 4047/5356, если требуется устойчивость к растрескиванию или перекрытие зазоров. Подберите наполнитель в соответствии с основным сплавом и средой эксплуатации.
5. Передовые методы.Если решающее значение имеют стабильность провара или допуск на зазор, рассмотрите возможность подачи двойной-точки, колебания луча или горячей-подачи проволоки.
6. Проверка после-процесса.Используйте визуальный осмотр, а также -рентгеновское или ультразвуковое тестирование критически важных соединений-безопасности. Задокументируйте окно принятых параметров и используйте-в процессе фотодиодного или плазменного мониторинга для обнаружения дрейфа.
7. Проверка зоны-пострадавшей от жары.Сплавы,-твердеющие от старения, такие как 6061, могут потерять прочность в ЗТВ. Если механические свойства находятся на граничном уровне, измените конструкцию соединения или добавьте этап старения после-сварки.

Для прикладного тематического исследования наша страница наЛазерная сварка корпуса камеры из алюминияпоказано, как эти же действия позволяют контролировать искажения и внешний вид тонкостенных-автомобильных деталей. Для линий с более высоким-объемом нашиАвтоматическая рабочая станция для лазерной сварки непрерывным волокноминтегрирует эти элементы управления в-готовую к работе ячейку.

Лазерная сварка алюминиевых сплавов поощряет методическую инженерию. Начните с волоконного или дискового лазера диаметром 1 мкм, по возможности выбирайте базовые металлы 5xxx или 6xxx, тщательно очищайте поверхности и стабилизируйте замочную скважину посредством модуляции мощности или колебаний луча. Рассматривайте пористость как проблему-управления водородом и проблемы-стабильности, а горячее растрескивание рассматривайте как химическую-и-проблему сдерживания. Сделайте и то, и другое, и полученные соединения будут соответствовать обещаниям алюминия по легкости и надежным механическим характеристикам.

Для ремонта в полевых условиях, создания прототипов или небольших-работ, где важна мобильность,Ручной волоконный лазерный сварочный аппарат мощностью 1000 Вт.может обеспечить такое же качество луча в портативном корпусе. Чтобы увидеть полный спектр наших систем, просмотритепромышленное лазерное сварочное оборудованиеили отправьте требования к сплаву, толщине и соединениям нашей команде разработчиков для оценки процесса.