Spawanie laserowe stopów aluminium: wyzwania procesowe, parametry i kontrola defektów

Stopy aluminium są obecne wszędzie w nowoczesnej produkcji: półki na akumulatory-pojazdów elektrycznych, konstrukcje lotnicze, obudowy elektroniki i wymienniki ciepła. Ich stosunek wytrzymałości-do-wagi jest doskonały, ale ta sama lekkość sprawia, że ​​są one jednymi z materiałów trudniejszych do połączenia za pomocą lasera.

W przeciwieństwie do stali aluminium odbija dużą część padającego światła lasera w temperaturze pokojowej, szybko przewodzi ciepło i tworzy wytrzymałą warstwę{{0}tlenku glinu, która wychwytuje wodór i zmienia skład chemiczny-rozpływu materiału. Te właściwości nie sprawiają, że aluminium jest „nie-spawalne” laserem; po prostu zmuszają inżynierów do traktowania długości fali, jakości wiązki, wyboru stopu, stanu powierzchni i gazu osłonowego jako pojedynczego połączonego systemu. Jeśli jesteś nowy w tym procesie, naszzasada działania spawarek laserowychwyjaśnia, w jaki sposób interakcja belka-materiał tworzy przede wszystkim jeziorko spawalnicze. Aby uzyskać szerszy pogląd na to, które metale zachowują się podobnie, zobacz naszeprzewodnik dotyczący kompatybilności materiałów do spawania laserowego.

W tym przewodniku skupiono się na praktycznych decyzjach, które odróżniają powtarzalną spoinę laserową aluminium od kosmetycznego ściegu pełnego porowatości i pęknięć.

Wybór źródła lasera jest pierwszym filtrem w każdym zastosowaniu spawania aluminium. Nie każdy laser przemysłowy dobrze łączy się z aluminium.

Lasery CO₂ (10,6 µm)w przeszłości były to problemy w przypadku gołego aluminium, ponieważ roztopiona kałuża silnie odbija światło przy tej długości fali, a ekranowanie plazmowe może zakłócać dostarczanie energii. Obecnie rzadko są one pierwszym wyborem w przypadku spawania-głębokiej penetracji aluminium, chociaż nadal znajdują niszowe zastosowanie w specjalistycznych zastosowaniach związanych z lutowaniem twardym lub- blachą platerowaną.

Lasery Nd:YAG, światłowodowe, dyskowe i bezpośrednie-lasery diodowe (~1 µm)dominują na hali produkcyjnej z aluminium. Przy 1 µm początkowy współczynnik odbicia jest niższy, niż wielu zakłada, a gdy utworzy się dziurka od klucza, absorpcja gwałtownie wzrasta. Lasery światłowodowe i dyskowe zapewniają wysoką jasność, doskonałą wydajność elektryczną i elastyczne dostarczanie włókien, dlatego są rozwiązaniem domyślnym do-szybkiego łączenia aluminium w produkcji samochodów i akumulatorów.

Lasery półprzewodnikowe (diodowe).są często wybierane do procesów-w trybie przewodzenia ciepła, takich jak lutowanie twarde. W samochodowych-wymiennikach ciepła lub-aplikacjach akumulatorów laser diodowy może stopić drut wypełniający lub lut lutowniczy, tworząc złącze o niskiej-porowatości bez dynamiki głębokiej-dziurki od klucza, która powoduje porowatość.

Jeśli Twoja linia produkcyjna działa 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu i priorytetowo traktuje prędkość części 5xxx lub 6xxx, naszesystemy spawania laserem światłowodowym dla linii produkcyjnychobejmują zakresy mocy,-opcje dostarczania wiązki i interfejsy automatyki. W przypadku mikro-złączy lub zespołów-wrażliwych na ciepło aPlatforma do spawania quasi-ciągłego QCW-dostarcza milisekundowe impulsy szczytowe przy niskim średnim poborze ciepła, a naszePrzewodnik po technologii laserowej QCW i-szczytowej dynamice mocyomawia interakcję mocy szczytowej i cyklu pracy.

Wybór stopu jest równie ważny jak wybór lasera. Stop 5xxx i stop 7xxx mogą zachowywać się jak zupełnie różne materiały pod tą samą belką.

Wartości z tabeli są typowymi wytycznymi branżowymi dotyczącymi spawania laserowego. Dokładne zachowanie zależy od temperamentu, grubości, konstrukcji złącza i strategii wypełniacza.

Do modułów-akumulatorów i szyn zbiorczych powszechnie stosowane są profile 6xxx i arkusze 5xxx. Jeśli Twój projekt łączy zaciski aluminiowe z miedzianymi lub niklowymi, naszespawarka laserowa z akumulatorem-do{{1}niklu z aluminiumjest przeznaczony do zastosowań w różnych-metalowych blachach i szynach zbiorczych, gdzie liczy się-odporność na pęknięcia.

Porowatość jest najczęstszą wadą spoin laserowych aluminium. Pory pochodzą z dwóch głównych źródeł: wodoru i niestabilności dziurki od klucza.

Porowatość wodorowazaczyna się od warstwy tlenkowej. Al₂O₃ na powierzchni pochłania wilgoć z atmosfery, oleje obróbkowe lub pozostałości rozpuszczalników. Kiedy tlenek rozpada się w jeziorku, uwolniony wodór ma wysoką rozpuszczalność w ciekłym aluminium, ale bardzo słabą rozpuszczalność w stałym aluminium. Podczas szybkiego krzepnięcia wydostaje się w postaci pęcherzyków, które zamarzają w kulce.

Porowatość-indukowana dziurką od kluczadzieje się, gdy dziurka od klucza zmienia się lub zapada. Zawalenie się może spowodować uwięzienie gazu osłonowego lub oparów metalu wewnątrz basenu; jeśli basen stwardnieje, zanim pęcherzyk dotrze na powierzchnię, pory pozostaną.

Dostosowany kształt fali impulsu laserowego do spawania aluminium

Strategia kontroli jest zatem-trójstronna:

1. Czyste i suche powierzchnie.Odtłuszczanie i mechaniczne lub chemiczne usuwanie tlenków zmniejszają ilość źródła wodoru w większym stopniu niż jakakolwiek naprawa-po spawaniu.
2. Stabilna dziurka od klucza.Wahania wiązki, modulacja mocy lub zoptymalizowana prędkość spawania zmniejszają częstotliwość zapadania się.
3. Właściwe ekranowanie.Argon jest standardem; mieszaniny helu mogą tłumić plazmę i wydłużać okno stabilnego-procesu.

Porównanie defektów: niestabilna dziurka od klucza i porowata spoina aluminiowa

Aby zapoznać się z szerszym katalogiem defektów, który obejmuje odpryski, podcięcia i niepełną penetrację, zobacz nasz przewodnik na temattypowe błędy spawania laserowego i naprawy w terenie.

Pękanie na gorąco, zwane także pękaniem krzepnięcia, pojawia się pod koniec krzepnięcia, gdy pomiędzy dendrytami pozostają warstwy o niskiej-temperaturze topnienia-. W przypadku aluminium dodatki stopowe, takie jak miedź i cynk, poszerzają zakres krzepnięcia i powodują, że warstwy cieczy utrzymują się dłużej. Kiedy naprężenie skurczowe powoduje rozerwanie częściowo zestalonego złącza, wzdłuż linii środkowej spoiny lub granic ziaren otwiera się pęknięcie.

Klasyczne kroki łagodzące to:

• Zmień chemię.Dodanie krzemu do drutu wypełniającego 4043 lub 4047 zawęża zakres zamarzania i zwiększa odporność na pękanie podczas krzepnięcia większości stopów 6xxx.
• Zmniejsz dopływ ciepła.Niższa energia liniowa kurczy strefę papkowatą i naprężenia termiczne, które powodują pękanie.
• Zmniejsz powściągliwość.Właściwe mocowanie, szczelina złącza i kolejność spoin zmniejszają naprężenia skurczowe na ściegu zestalającym się.
• Używaj kompatybilnych materiałów bazowych.Jeśli to możliwe, unikaj metali nieszlachetnych 2xxx i 7xxx do spoin stapialnych i zamiast tego wybierz 5xxx lub 6xxx.

Nasz dedykowany artykuł nt5 typowych wad spawania laserowego i zapobieganierozszerza dyskusję na temat pęknięć o pękanie na zimno, niedopełnienie i inne typowe problemy.

W temperaturze pokojowej gołe aluminium odbija około 90% lub więcej światła lasera o średnicy 1 µm. Sytuacja zmienia się w momencie topnienia powierzchni: wzrasta absorpcja, tworzy się kapilar pary, a liczne wewnętrzne odbicia zatrzymują energię wewnątrz dziurki od klucza. Przejście od ogrzewania-zdominowanego przez odbicie do ogrzewania zdominowanego-dziurką od klucza jest wydarzeniem definiującym spawanie laserowe aluminium.

Ponieważ początkowa absorpcja jest niska, proces wymaga krótkiego „uderzenia” o-mocy-o dużej gęstości, aby zainicjować dziurkę od klucza. Po ustabilizowaniu spoina może pracować przy niższej gęstości mocy, ale okno operacyjne pozostaje wąskie. Zbyt wolno i dziurka od klucza staje się niestabilna; zbyt szybko i dziurka od klucza zapada się przed osiągnięciem pełnej penetracji.

Praktyczne dźwignie obejmują:

• Teksturowanie powierzchni lub ścieraniew celu podniesienia początkowej chłonności.
• Zwiększanie mocy lub dostosowane przebiegi impulsówaby uniknąć wybuchowego parowania podczas-uruchamiania.
• Oscylacja wiązki (kołysanie)aby poszerzyć dziurkę od klucza i poprawić mostkowanie szczelin.
• Zarządzanie rozogniskiemdostrojenie dystrybucji energii w stawie.

Jeśli porównujesz spawanie laserowe z procesami łukowymi aluminium, nasz artykuł ntręczne spawanie laserowe zastępujące TIG na stopach aluminiumpokazuje, jak wiązka o średnicy 1 µm wpływa na prędkość przesuwu, dopływ ciepła i odkształcenia w rzeczywistych złączach doczołowych 6xxx. W przypadku zaleceń dotyczących parametrów połączenia-prostego doczołowego,parametry zgrzewania-złączy doczołowych aluminiumstrona zawiera typowe ustawienia mocy, prędkości i ekranowania.

Wysokiej jakości-spawanie laserowe aluminium to wynik systemu. Jeden słaby krok podważa pozostałych pięć. Skorzystaj z tej listy kontrolnej przed zwolnieniem procesu do produkcji:

1. Gaz osłonowy i osprzęt.Stosuj argon lub mieszaniny argonu i helu. Sprawdź kąt dyszy, odstęp-i natężenie przepływu pod kątem pokrycia laminarnego. Turbulentny przepływ wciąga powietrze do basenu.
2. Przygotowanie powierzchni.Usunąć oleje i tlenki. Przechowuj oczyszczone części w kontrolowanej wilgotności; ponowne-utlenianie rozpoczyna się w ciągu kilku godzin.
3. Zestaw parametrów.Zrównoważ moc, położenie ogniska i prędkość przesuwu dla stopu i grubości. Przeprowadź projekt-eksperymentów- na rzeczywistej części, a nie tylko na płaskich kuponach.
4. Strategia wypełniacza.Jeśli wymagana jest odporność na pęknięcia lub mostkowanie szczelin, należy dodać przewód 4047/5356. Dopasuj wypełniacz do stopu bazowego i środowiska pracy.
5. Zaawansowane techniki.Jeśli krytyczna jest spójność penetracji lub tolerancja szczeliny, należy rozważyć zastosowanie podwójnego-punktu, wahań wiązki lub podawania gorącego drutu-.
6. Weryfikacja po-procesie.Stosuj kontrolę wizualną oraz badanie{{0}prześwietleniami rentgenowskimi lub ultradźwiękowymi w przypadku-połączeń krytycznych dla bezpieczeństwa. Udokumentuj zaakceptowane okno parametrów i użyj-w procesie fotodiody lub monitorowania plazmy do wykrywania dryfu.
7. Przegląd-stref dotkniętych upałem.Stopy utwardzające się-z wiekiem, takie jak 6061, mogą stracić wytrzymałość w strefie SWC. Jeśli właściwości mechaniczne są na granicy, przeprojektuj połączenie lub dodaj etap starzenia po-spawaniu.

Aby zapoznać się ze stosowanym studium przypadku, odwiedź naszą stronę naspawanie laserowe aluminiowej obudowy kamerypokazuje, jak te same kroki kontrolują zniekształcenia i kosmetyczny wygląd cienkościennych-części samochodowych. W przypadku linii-o większym nakładzie naszeautomatyczne stanowisko do ciągłego spawania laserem światłowodowymintegruje te elementy sterujące w gotową-komórkę produkcyjną.

Spawanie laserowe stopów aluminium nagradza inżynierię metodyczną. Zacznij od lasera światłowodowego lub dyskowego o średnicy 1 µm, jeśli to możliwe, wybierz metale nieszlachetne 5xxx lub 6xxx, agresywnie czyść powierzchnie i stabilizuj dziurkę od klucza poprzez modulację mocy lub oscylację wiązki. Traktuj porowatość jako problem-zarządzania wodorem i problemem dziurki od klucza-stabilności, a pękanie na gorąco jako problem chemiczny-i-ograniczenia. Zrób jedno i drugie, a powstałe połączenia dotrzymają obietnicy lekkości aluminium i niezawodnych właściwości mechanicznych.

W przypadku napraw w terenie, prototypów lub-prac o niewielkiej objętości, gdzie liczy się mobilność, aRęczna spawarka laserowa światłowodowa o mocy 1000 Wmoże zapewnić tę samą jakość wiązki w przenośnym opakowaniu. Aby zapoznać się z pełną ofertą naszych systemów, przejdź do przeglądaniaprzemysłowe urządzenia do spawania laserowegolub wyślij wymagania dotyczące stopu, grubości i połączeń do naszego zespołu ds. zastosowań w celu oceny procesu.