Tillämpning av lasersvetsteknik vid svetsning av aluminiumlegeringar

Användningen av aluminiumlegering för att ersätta det traditionella stålet på bilen är ett av de viktiga sätten att förverkliga bilens lätta vikt. Men på grund av egenskaperna hos en aluminiumlegering med god värmeledningsförmåga och en stor linjär expansionskoefficient, finns det några problem vid svetsning:

1) Aluminiumlegering svetsad fog mjukning allvarligt, låg hållfasthetskoefficient;

2) Aluminiumlegering är lätt att oxidera för att producera eldfast oxidfilm (Al2O3, smältpunkt är 2060 grader), som måste använda en svetsprocess med hög effektdensitet;

3) Lätt att producera porer;

4) Den linjära expansionskoefficienten är stor, lätt att producera svetsdeformation och svetssprickor;

5) Värmeledningsförmågan och den specifika värmekapaciteten är stor, och värmetillförseln är 2 till 4 gånger större än för svetsat stål.

För att erhålla högpresterande svetsfogar av aluminiumlegering behövs därför hög energitäthet, låg svetsvärmetillförsel och hög svetshastighet, bland vilka lasersvetsning är en av de mest lovande aluminiumlegeringssvetsteknikerna.

Lasersvetsning är en effektiv och exakt svetsmetod som använder laserstråle med hög energidensitet som värmekälla, som har egenskaperna snabb hastighet, stor penetration, liten deformation, god bearbetningsflexibilitet och enkel automatisering när den appliceras på aluminiumlegeringssvetsning. Det har använts i stor utsträckning inom flyg-, biltillverkning och lätt industrielektronik och andra områden, men det används vid lasersvetsning av aluminiumlegering. Det finns också vissa problem och svårigheter.

1.1 Aluminiumlegering har en mycket låg absorptionshastighet för laser

Aluminiumlegering har en stark reflekterande effekt på laser, vilket beror på den höga densiteten av fria elektroner i solid state av aluminiumlegering, vilket är lätt att reflektera energin med fotonen i strålen. Studier visar att reflektionsförmågan hos aluminiumlegering till gas CO2-laser är så hög som 90%, och reflektionsförmågan hos solid laser är nära 80%. Samtidigt har aluminiumlegeringen en stark värmeledningsförmåga, vilket resulterar i en mycket låg absorptionshastighet av aluminiumlegeringslaser. Därför måste lämpliga åtgärder vidtas för att förbättra laserabsorptionshastigheten för aluminiumlegering.

Optimeringsåtgärder:

1) Genom att öka laserns effekttäthet för att förbättra absorptionen av aluminiumlegeringslaser. Ökningen av lasereffekttätheten kommer att orsaka en liten håleffekt i svetsbassängen, vilket avsevärt kan förbättra absorptionshastigheten för materialet till lasern.

2) Använd lämplig ytförbehandlingsprocess. Elektrolytisk polering, anodisering och sandblästring användes för att jämföra laserabsorptionsförmågan hos aluminiumlegering. Det visade sig att anodisering och sandblästring på ytor av aluminiumlegering kunde förbättra laserns absorptionsförmåga avsevärt.

3) Det har också visat sig att ledformen kommer att påverka absorptionen av laser. V-formad fas och fyrkantig fas är mer gynnsamma för bildandet av nyckelhål än icke-fasade fogar, och laserns effekttäthet ökar och laserabsorptionshastigheten för aluminiumlegering ökar också.

1.2 Lätt att bilda porer

Porer är den vanligaste och viktigaste defekten vid lasersvetsning av aluminiumlegering. Portyper kan delas in i två kategorier. En är att på grund av den kraftiga nedgången i vätgas löslighet i kylprocessen för lasersvetsning av aluminiumlegering, kan vätehalten i smält aluminiumlegering nå {{0}}.69mL/100g, vätehalten av aluminiumlegering efter kylning och stelning är 0,036 ml/100 g, och det övermättade vätet fälls ut och bildar väteporer. Dessutom finns det en oxidfilm på ytan av aluminiumlegeringen, och vattnet i kristallvattnet, luften och skyddsgasen på ytan av aluminiumlegeringen sönderdelas direkt till väte under svetsning. Dessa väteporer är för sena att släppa ut under den snabba kylningsprocessen för lasersvetsning av aluminiumlegeringar, och stannar kvar i svetsen för att bilda väteporer. Den andra beror på instabiliteten hos nyckelhålet som genereras i lasersvetsprocessen och kollapsen, och den flytande metallen har inte tid att fylla hålet. Överdriven porositet kommer att minska svetsens densitet, minska fogens bärförmåga och minska fogens styrka och plasticitet i varierande grad. Det finns många åtgärder för att minska porositetsdefekterna vid lasersvetsning av aluminiumlegering, såsom att ändra laserstrålens gångbana, använda stråloscillation för att röra om den smälta poolen, öka möjligheten för porositetsutsläpp från ytan, använda tråd eller legering pulver, och med hjälp av dubbelpunktsteknik och laserkompositsvetsning kan man uppnå effekten av att minska porositeten, men det är svårt att i grunden eliminera.

1.3 Hot crack-tendens

Orsaken till hetsprickor vid lasersvetsning av aluminiumlegering är huvudsakligen relaterad till dess egna egenskaper och svetsprocessen. Under stelnandet av aluminiumlegering är krympningshastigheten stor (upp till 5%), svetsspänningen och deformationen är stor, och svetsmetallen kommer att producera eutektisk struktur med låg smältpunkt längs korngränsen under kristalliseringen, så att korngränsen bindningskraften försvagas och heta sprickor bildas under inverkan av dragspänning. Tendensen för hetsprickning kan minskas genom att fylla tråd eller legeringspulver, och tendensen till hetsprickning kan också minskas genom att justera svetsprocessparametrarna för att styra uppvärmnings- och kylningshastigheten.

1.4 Uppmjukning av svetsstruktur och värmepåverkad zon

"Mjukgöring" är fenomenet med minskad styrka och hårdhet hos svetsfogar. När lasersvetsning av aluminiumlegering används har svetsstrukturen och värmepåverkade zonen i den svetsade fogen också uppmjukningsproblem. Ett stort antal studier har visat att mjukningsfenomenet med aluminiumlegeringssvetsning är svårt att eliminera i grunden, men jämfört med gasskyddad svetsning minskar lasersvetsning värmetillförseln och gör svetsens mjukningszon smalare. Jämfört med MIG-svetsning är "mjukningsgraden" av lasersvetsade aluminiumlegeringsförband lägre, och draghållfastheten ökar med ökningen av svetshastigheten. Plasmas påverkan på svetsprocessen Aluminiumelementjoniseringsenergin är låg, lasersvetsning är lättare att bilda metallplasma, plasma orsakad av laserbrytning och avböjning, vilket förändrar laserstrålens fokus, så att svetspenetrationsförhållandet reduceras, påverkar kvaliteten på svetsfogen. Genom att förinställa pulvret på arbetsstyckets yta försvagas expansionen och pulseringen av plasmat i höjdriktningen, så att plasman kan upprätthålla en relativt stabil pulsationsamplitud på arbetsstyckets yta.

2.1 Självsvetsningssvetsning med laser av aluminiumlegering

Självsvetsning med laser hänvisar till laserstrålen med hög energitäthet som en värmekälla, som slår mot ytan av basmaterialet, så att själva basmaterialet smälter och bildar en svetsfogsmetod. För lasersvetsning av aluminiumlegering har ytan av aluminiumlegering hög reflektivitet till lasern, och stor lasereffekt krävs under svetsning. Diametern på laserpunkten är liten, noggrannheten hos svetsutrustningen är hög och toleransvärdet för delarnas gap är lågt, och delarnas gapvärde måste vanligtvis vara under 0. 2 mm. Under svetsprocessen är uppvärmnings- och kylningshastigheten snabb, svetsporositetsdefekterna är många, laserenergitätheten är koncentrerad och nyckelhålseffekten är lätt att orsaka fenomenet svetskonkav och kantbitning, så svetsprocessparametrarna har högre krav. Lasersvetsning i aluminiumlegeringssvetsning återspeglar fördelarna med god svetskvalitet, snabb svetshastighet och enkel automatisering, och används ofta inom bilindustrin. Inom elfordonsindustrin är förseglingen av batterihöljet huvudsakligen gjord av självsvetsningssvetsning av aluminiumlegering. I aluminiumkarossen hos ett inhemskt nytt energibilföretag är svetsningen av dörrenheten och sidoväggsstrukturen också gjord av självsvetsning med laser av aluminiumlegering.

2.2 Lasertrådssvetsning av aluminiumlegering

Vid fyllnadssvetsning med lasertråd används laser fortfarande som huvudvärmekälla för att smälta den svetsade metallen, men den automatiska trådmatningsanordningen används för att kontinuerligt mata fyllningsmetallen in i smältbassängen för att uppnå den metallurgiska anslutningsprocessen. Jämfört med laserns självsvetsningssvetsning, lättade lasertrådssvetsningen på kraven på svetsprocessens spaltnoggrannhet, genom att fylla olika komponenter i svetstråden, förbättra svetsens metallurgiska egenskaper, förhindra svetsning av heta sprickor och porer, förbättra svetsprocessens stabilitet och fogmekaniska egenskaper.

Lasertrådsvetsning av aluminiumlegering har egenskaperna för god utseendekvalitet, noggrannheten i processgapet är lösare än lasersvetsning, etc. Den används vanligtvis på kroppens yttre yta, såsom mellan topplocket och sidoväggen , och mellan de övre och nedre plåtarna på resväskskyddet. Det finns även några modeller för att få högre svetskvalitet och använda lasertrådssvetsning för att svetsa aluminiumdörrar.

2.3 Laserbågsvetsning av aluminiumlegering

Laser-båge kompositsvetsning är kombinationen av laser och båge två typer av värmekällor med olika fysikaliska egenskaper och energiöverföringsmekanism, och arbetar tillsammans på de svetsade delarna. Det Båda ger fullt spel åt fördelarna med de två värmekällorna, och kompenserar för varandras brister. Vid laserbågskompositsvetsning av aluminiumlegering kan bågen styra laservärmekällan, förbättra absorptionsförmågan hos aluminiumlegering och energiutnyttjandegraden i svetsprocessen, och svetsens ytformbarhet är bättre än den hos svetsen. laser självsvetsning. Dessutom kan införandet av bågen avsevärt minska fastspänningsnoggrannheten hos svetsdelar, och bågen har en utspädande effekt på lasersvetsplasma, vilket kan minska plasmans skärmningseffekt på lasern. Lasern spelar en viktig roll för bågens stabilitet, så att bågen stabilt kan verka på fogen under höghastighetssvetsning, vilket kan förbättra fogens svetskvalitet och öka svetshastigheten.

Det finns många fördelar med tillämpningen av lasersvetsning inom bilindustrin:

1) Dess svetshastighet är snabb, förbättrar produktionsrytmen och svetshastigheten kan nå 6m/min, vilket har ojämförliga fördelar jämfört med andra anslutningsmetoder för kropp i vitt (som punktsvetsning, bågsvetsning, nitning);

2) Den har små begränsningar på kroppsstrukturen, kan appliceras på olika svetsstrukturer (varv, hörn, T-fog, stum) och är enkelsidig svetsning, där strålen kan nås, designen är mer flexibel;

3) Dess krav på lasersvetssidan är låga, svetssidan kan svetsas i 6 ~ 8 mm, jämfört med punktsvetssidans krav (16 mm) reducerade med hälften, kan spela en roll i lättvikt;

4) Lasersvetsstrukturen på taket och det bakre locket kan minska kroppskvaliteten, och det finns inget behov av att applicera tätningsmedel och ingen yttre trimplatta, vilket sparar kroppskostnaden;

5) Lasersvetssvetsfog är slät och snygg, bra utseende, etc.

På grund av de många fördelarna med lasersvetsning har den varit mycket oroad inom bilindustrin och har gynnats av många bilföretag. Den används i olika delar av europeiska modeller (som Volkswagen, BMW, Audi, Mercedes-Benz, Peugeot, etc.) och amerikanska modeller (som Buick, Ford, Cadillac, Chevrolet, etc.) (tak, dörrmontering, bakluckans yttre panel, sidokonstruktionsdelar och flödestanksvetsning, etc.), och som en av symbolerna för högkvalitativ kropp i vitt.

Men på grund av den höga engångsinvesteringskostnaden, plåtnoggrannheten och verktygsnoggrannhetskraven används den inte i stor utsträckning bland de inhemska bilföretagen.

För närvarande har lasersvetsning av aluminiumlegering använts i massproduktion i aluminiumlegeringskropp. Audi TT, A6/A8 och Cadillac flaggskepp CT6 är svetsade med lasersvetsning av aluminiumlegering på topplocket och sidoväggarna. Cadillac CT6, Audi A6/A8/Q5, BMW 5-serien /7-serien, Mercedes-Benz S-serien / C-serien och andra modeller av båltäckplattan antar lasersvetsning av aluminiumlegering. Dörrarna till Audi A6/A8, Mercedes-Benz S/C-serien, BMW 5/7-serien, etc., använder lasersvetsning av aluminiumlegering. Nio tillämpade även ett stort antal lasersvetsningar av aluminiumlegering i locket och sidoväggen samt dörren.

Med den kontinuerliga utvecklingen av fordonsteknik, industribearbetningskapacitet och bearbetningskvalitet kommer kostnaden för att använda lasersvetsning att minska kraftigt. Samtidigt, med utvecklingen av lättviktsbilar, ökar tillämpningen av aluminiumlegering i bilkarossen, lasersvetsning som en av de viktiga anslutningsmetoderna för att lösa problemet med aluminiumlegeringssvetskvalitet kommer att användas mer allmänt i bilindustrin.

Xi'an Guosheng Laser Technology Co., Ltd. är ett högteknologiskt företag som specialiserat sig på FoU, tillverkning och försäljning av automatisk laserbeklädnadsmaskin, höghastighetslaserbeklädnadsmaskin, laserhärdningsmaskin, lasersvetsutrustning och 3D-utskriftsutrustning.

Om du är intresserad av våra produkter kontaktar du oss på bob@gshenglaser.com.