Technologia spawania laserowego

W ostatnich latach technologia spawania laserowego, szeroko stosowana w europejskich i amerykańskich fabrykach samochodów, również dokonała szeregu ukierunkowanych ulepszeń dla "nowego członka" stopu aluminium.

Wraz z dodatkiem pierwiastków stopowych pojawiło się osiem grup stopów kute, rozszerzając ogólne zastosowanie aluminium do szerokiego zakresu zastosowań produkcyjnych. Jednak niezależnie od stopu lub ogólnej aplikacji, nadal występują problemy z lutowania. Na szczęście większość stopów można z powodzeniem spawać, w zależności od materiału wypełniacza stopu. Zastosowanie laserów może rozwiązać problemy, które nękają tradycyjne technologie, takie jak spawanie łukiem gazu obojętnego. W porównaniu z metalowym spawaniem łukowym gazu obojętnego, obróbka laserowa ma większą prędkość spawania, mniej ciepła, mniejszy obszar dotknięty ciepłem, mniejsze zniekształcenia, a w wielu przypadkach samospawanie.

Jednak stopy aluminium i aluminium nadal mają pewne trudne właściwości, które mogą mieć wpływ na spawanie, jeśli nie są obsługiwane prawidłowo. Szeroka gama temperatur odparowywania i krzepnięcia stopów może powodować niestabilność dziurki od klucza, porowatość, pęcherzyki, utratę właściwości mechanicznych i różne wady w metalurgii spawania, takie jak gorące pęknięcia. Wysoki stopień hydrogenolizy stopionego aluminium może powodować dużą liczbę porów spoiny i pęcherzyków. Stopione aluminium o niskiej lepkości i wysokiej płynności może powodować sedymentację i ugięcia w dolnej części zgiełku spoiny. Wreszcie, wysoka współczynnik odbicia aluminium w połączeniu z wysoką przewodnością cieplną może spowodować, że energia światła połączy się z materiałem. Chociaż powyższe brzmi bardzo frustrująco, historia i historie sukcesu spawania laserowego aluminium są wręcz przeciwnie. Te cierniste cechy i związane z nimi problemy spawalnicze mają jasne i sprawdzone rozwiązania. Pokrótce zrozummy pięć najczęstszych problemów, mechanizmów i środków kontroli.

Pęknięcia termiczne lub pęknięcia krzepnięcia spawalniczego są wynikiem nacisku krzepnięcia działającego na mikrostrukturę. Wysoka dyfuzorytowania termicznego i przewodności cieplnej aluminium zaostrzy te pęknięcia. Ogólnie rzecz biorąc, przy użyciu odpowiednich przewodów wypełniających lub materiałów folii wypełniającej wkładki, aby zmienić wydajność spawania i uniknąć szczytów czułości na pękanie, można uniknąć czułości termicznej. Na przykład, aby uzyskać dobrą lutność, typowe wartości dodawania krzemu i magnezu są odpowiednio większe niż 2-3% i większe niż 3-4%. Typowy zakres tych stopów w seriach 2000 i stopach aluminium serii 6000 wynosi 0,4-1,6%, co oznacza, że w większości przypadków stopy te wymagają wypełniaczy w celu osiągnięcia spawania bez pęknięć.

W przeszłości wysoki współczynnik odbicia aluminium był problemem do spawania laserowego. Jednak wraz ze stopniowym rozwojem wysokiej mocy, wysokiej jakości laserów dwutlenku węgla i pojawieniem się wysokowydajnych, wysokowydajnych laserów światłowodowych półprzewodnikowych, sprzężenie energii z aluminium nie stanowi już problemu. Oto błędne przekonanie, że wymaga uwagi: Wiele osób uważa, że lasery półprzewodnikowe (takie jak lasery dyskowe i lasery światłowodowe) mają krótsze długości fal i są bardziej wchłaniane przez aluminium, więc są najlepszym wyborem dla wszystkich zastosowań. Tak nie jest. W przypadku materiałów o grubości około 4 lub 5 mm długość fali wynosi najlepiej 1 μm. Ale jeśli grubość materiału jest powyżej 6mm, laser dwutlenku węgla (10,6μm długości fali) jest lepszy. Chociaż dokładny efekt fizyczny jest nadal kontrowersyjny, prostym wyjaśnieniem jest to, że wyższa szybkość wchłaniania oznacza, że górna część materiału pochłania więcej energii z długości fali 1μm. Dzięki laserowi dwutlenku węgla długość fali 10,6μm może być odzwierciedlona do dziurki od klucza, a tym samym głębiej penetruje materiał.

Spawanie laserowe jest stosowane w przemyśle motoryzacyjnym do łączenia różnych części aluminiowych, takich jak rama, dach, drzwi, bagażnik, kolumna kierownicy, piasta koła i filtr paliwa. Jednym z godnych uwagi zastosowań jest zastosowanie technologii spawania laserowego (butt) do spawania aluminiowych drzwi luksusowych samochodów BMW serii 7.

Aluminium stało się materiałem z wyboru dla projektantów BMW, nie tylko ze względu na jego lekką wagę, ale także dlatego, że może zdobyć ważne doświadczenie do stosowania laserowego aluminium spawalniczego do większych samochodów przemieszczeń w przyszłości. Chociaż wybrany stop (aluminium 5083) jest materiałem, który może być spawany automatycznie, inżynierowie produkcyjni zdecydowali się na zastosowanie konstrukcji połączenia końcowego i spawania laserowego i używają drutu wypełniającego, aby utrzymać szerokość kołnierza blisko absolutnego minimum. Pozwala to inżynierom zmaksymalizować przekrój poprzeczny i wykorzystać najmniejszą ilość materiału, aby zwiększyć współczynnik przekroju i moment bezwładności.

Współczynnik przekroju drzwi spawalniczych laserowych jest 1,7 razy większy od drzwi spawalniczych punktowych rezystancyjnych, a moment bezwładności wynosi 2,3 razy, co znacznie poprawiło wytrzymałość i twardość. Cztery aluminiowe drzwi każdego samochodu mostowego zawierają spawane laserowo szwy o długości ponad 15 metrów, czyli o około 30% lżejsze od drzwi stalowych. Mocniejsze i bardziej spójne szwy do spawania laserowego mają również tę zaletę, że nie wymagają klejów, co dodatkowo zmniejsza masę i koszty.

Producenci uważają aluminium za idealny metal do swoich zastosowań produkcyjnych, głównie ze względu na stosunek masy do wytrzymałości i odporność na korozję. Większość stopów aluminium może być spawanych fuzyjnych (z wypełniaczami lub bez), a niektóre typowe problemy spawalnicze zostały pokonane za pomocą skutecznych metod w produkcji. Od 1990 roku wiele branż stosuje spawanie laserowe w produkcji dużej liczby części ze stopu aluminium i aluminium. Bmw serii 7 luksusowy sedan jest dobrym przykładem, a wizja przyszłości jest to, że czynniki takie jak obróbka laserowa, wytrzymałość, lekkość i koszt wszystkie zbiegają się stworzyć eleganckie rozwiązanie. Wraz z obowiązkowym wdrożeniem zużycia paliwa w przemyśle motoryzacyjnym, tendencja lekkich samochodów jest nieunikniona. Aluminium z pewnością stanie się ważną częścią lekkiej, a ze względu na własne zalety i wydajność, spawanie laserowe będzie również cieszyć się tym samym statusem.