فناوری جوشکاری لیزری آلیاژ آلومینیوم

با توسعه فناوری لیزر و فناوری توسعه آلیاژ آلومینیوم، انجام تحقیقات پایه بیشتر در مورد فناوری کاربرد جوش لیزری آلیاژ آلومینیوم، توسعه فناوری جدید جوشکاری لیزری آلیاژ آلومینیوم و گسترش موثرتر پتانسیل کاربرد جوش لیزری آلیاژ آلومینیوم بسیار مهم است. ساختار، به منظور درک وضعیت کاربرد و روند توسعه فناوری جوش لیزری آلیاژ آلومینیوم.

آلیاژ آلومینیوم با استحکام بالا دارای استحکام ویژه بالا، سفتی خاص، مقاومت در برابر خوردگی خوب، عملکرد پردازش و خواص مکانیکی است، به یک ماده فلزی ضروری برای ساخت سبک ساختاری در هوافضا، کشتی‌ها و سایر زمینه‌های حمل و نقل تبدیل شده است که در میان آنها هواپیماها بیشترین استفاده را دارند. فناوری جوش مزایای منحصر به فردی در بهبود میزان استفاده از مصالح سازه ای، کاهش وزن سازه ها و تحقق ساخت کم هزینه مواد پیچیده و غیر مشابه دارد که در این میان فناوری جوشکاری لیزری آلیاژ آلومینیوم یک نقطه داغ است.

در مقایسه با سایر روش های جوشکاری، جوشکاری لیزری دارای مزایای گرمایش متمرکز، آسیب حرارتی کوچک، نسبت عمق جوش به عرض زیاد و تغییر شکل جوش کوچک است. فرآیند جوشکاری به راحتی یکپارچه، خودکار و انعطاف پذیر است و می توان جوشکاری با سرعت و دقت بالا را انجام داد، به ویژه برای جوشکاری با دقت بالا ساختارهای پیچیده مناسب است.

با توسعه فناوری مواد، انواع آلیاژهای آلومینیوم با استحکام بالا و چقرمگی بالا همچنان معرفی می شوند، به ویژه نسل سوم آلیاژ آلومینیوم لیتیوم، ظهور آلیاژهای جدید آلومینیوم با استحکام بالا، فناوری جوش لیزری آلومینیوم بیشتر مطرح می شود. و الزامات بالاتر، در حالی که تنوع آلیاژهای آلومینیوم نیز انواع مشکلات جوش لیزری جدید را به ارمغان آورد، بنابراین ما باید این مشکلات را عمیقاً مطالعه کنیم تا پتانسیل کاربرد ساختار جوش لیزری آلیاژ آلومینیوم را به طور مؤثرتری گسترش دهیم.

لیزر با قدرت بالا

جوشکاری لیزری یک فناوری است که لیزر با شدت بالا را بر روی سطح فلز تابش می کند و باعث می شود فلز ذوب شود و سپس سرد و متبلور شود تا از طریق جفت حرارتی بین لیزر و فلز، جوش ایجاد شود. با توجه به مکانیسم عمل حرارتی جوش لیزری را می توان به جوشکاری هدایت حرارتی و جوشکاری نفوذ عمیق به دو نوع تقسیم کرد، اولی عمدتاً در جوشکاری بسته قطعات دقیق یا جوشکاری میکرو و نانو استفاده می شود. دومی اغلب یک اثر سوراخ کوچک شبیه به جوشکاری پرتو الکترونی در فرآیند جوشکاری ایجاد می کند و یک جوش عمیق و گسترده را تشکیل می دهد. تحقق جوشکاری با نفوذ عمیق لیزری نیاز به قدرت لیزر بالایی دارد و در حال حاضر چهار نوع لیزر پرقدرت در جوشکاری با نفوذ عمیق لیزری استفاده می شود.
          1، لیزر گاز CO2

محیط کار گاز CO2 است، لیزر با طول موج 10.6μm خروجی، با توجه به ساختار تحریک لیزری به دو نوع جریان عرضی و جریان محوری تقسیم می شود. اگرچه توان خروجی لیزر CO2 جریان متقاطع به 150 کیلو وات رسیده است، کیفیت پرتو ضعیف است و برای جوشکاری مناسب نیست. لیزر CO2 جریان محوری کیفیت پرتو بهتری دارد و می توان از آن برای جوشکاری آلیاژهای آلومینیوم با بازتاب لیزری بالا استفاده کرد.

2، لیزر جامد YAG

محیط کار یاقوت، شیشه نئودیمیم و گارنت آلومینیوم ایتریوم دوپ شده با نئودیمیم و غیره است. طول موج خروجی لیزر 1.06μm است. لیزر YAG به راحتی توسط فلز نسبت به لیزر CO2 جذب می شود و کمتر تحت تأثیر پلاسما قرار می گیرد، برای انتقال فیبر، عملیات جوشکاری انعطاف پذیر، دسترسی مناسب به موقعیت جوش، لیزر اصلی برای جوشکاری ساختار آلیاژ آلومینیوم است.

3، لیزر فیبر YLR

این نوع جدیدی از لیزر است که پس از سال 2002 توسعه یافته است، با استفاده از فیبر به عنوان ماده ماتریس، دوپینگ یون های خاکی کمیاب مختلف، و محدوده طول موج خروجی حدود 1.08 میکرومتر است که همچنین انتقال فیبر است. استفاده انقلابی لیزر فیبر از ساختار فیبر دو لایه، طول پمپ را افزایش می دهد، راندمان پمپ را بهبود می بخشد، به طوری که قدرت خروجی لیزر فیبر تا حد زیادی افزایش می یابد. در مقایسه با لیزر YAG، لیزر فیبر YLR دیرتر ظاهر می شود، اما دارای مزایای اندازه کوچک، هزینه عملیاتی کم، کیفیت پرتو بالا و قدرت لیزر بالا است.

تحقیقات کاربردی در مورد ساختار جوش لیزری آلیاژ آلومینیوم

از دهه 1990، با توسعه علم و فناوری، ظهور لیزرهای با روشنایی بالا با قدرت بالا، ادغام فناوری جوش لیزری، توسعه هوشمند، انعطاف پذیر و متنوع در حال تبدیل شدن به بلوغ تر، توجه بیشتر در داخل و خارج از کشور جوشکاری لیزر در زمینه های مختلف است. کاربرد ساختار آلیاژ آلومینیوم در حال حاضر، برخی از تولیدکنندگان خودرو در چین، فناوری جوش لیزری را در برخی مدل‌های جدید اتخاذ کرده‌اند، با توسعه فناوری جوش لیزری برای صفحه ضخیم آلیاژ آلومینیوم، جوشکاری لیزر در ساختار خودروهای زرهی در آینده اعمال خواهد شد.

به منظور تحقق ساخت سبک وزن، کاربرد و تحقیق جوشکاری لیزری ساختار ساندویچی آلیاژ آلومینیوم در ساخت سازه کشتی و قطار سریع‌السیر کانون تحقیقاتی فعلی است. آلیاژ آلومینیوم یک ماده ساختاری فلزی مهم برای سازه های هوافضا است، بنابراین در ژاپن، ایالات متحده، انگلستان، آلمان و سایر کشورهای توسعه یافته اهمیت زیادی به تحقیقات فناوری جوشکاری لیزری آلیاژ آلومینیوم می دهند.

با توسعه فناوری جوش لیزری فیبر، حوزه تولید هوانوردی کشورهای پیشرفته، جوشکاری لیزر فیبر و فناوری جوشکاری کامپوزیت قوس لیزری را به عنوان تمرکز فناوری جوشکاری آلیاژ آلومینیوم، به ویژه جوشکاری صفحات ضخیم و جوشکاری فلزات غیرمشابه ذکر کرده است. به عنوان مثال، پروژه NALI در ایالات متحده در حال انجام تحقیقاتی در مورد جوشکاری لیزر فیبر و فناوری جوشکاری کامپوزیت قوس لیزری برای ساختار اتاق احتراق هواپیماهای غیر نظامی و موتورهای هواپیما JSF است.

ویژگی های جوشکاری لیزری آلیاژ آلومینیوم

در مقایسه با جوشکاری فیوژن معمولی، غلظت حرارت جوشکاری لیزری آلیاژ آلومینیوم، نسبت عمق جوش به عرض جوش بزرگ است، تغییر شکل ساختار جوش کوچک است، اما کاستی هایی وجود دارد که به شرح زیر خلاصه می شود:

(1) قطر کوچک نقطه تمرکز لیزر منجر به نیازهای بالایی برای جوشکاری قطعه کار و دقت مونتاژ می شود، معمولاً شکاف مونتاژ و مقدار لبه های اشتباه باید کمتر از 0}.1 میلی متر یا 10٪ از صفحه باشد. ضخامت، که دشواری اجرای ساختار پیچیده جوش سه بعدی را افزایش می دهد

(2) از آنجا که انعکاس آلیاژ آلومینیوم به لیزر در دمای اتاق تا 90٪ است، جوشکاری با نفوذ عمیق لیزری آلیاژ آلومینیوم نیاز به لیزر دارد که قدرت بالایی داشته باشد. تحقیق جوشکاری لیزری ورق آلیاژ آلومینیوم نشان می دهد که جوشکاری با نفوذ عمیق لیزری آلیاژ آلومینیوم به آستانه دو برابر چگالی توان لیزر و انرژی خطی بستگی دارد که به طور مشترک رفتار حوضچه جوش را در فرآیند جوش محدود می کند و در نهایت بر ویژگی های شکل دهی منعکس می شود. از جوش بهینه سازی فرآیند جوش نفوذ کامل را می توان با نسبت عرض پشتی ویژگی های تشکیل درز جوش ارزیابی کرد.

(3) نقطه ذوب آلیاژ آلومینیوم کم است، جریان فلز مایع خوب است، تبخیر فلز قوی تحت عمل لیزر پرقدرت، ابر پلاسمای بخار فلز/فوتو القا شده با اثر سوراخ کوچک در فرآیند جوشکاری بر جذب آلیاژ آلومینیوم انرژی لیزر تأثیر می‌گذارد. ، منجر به بی ثباتی فرآیند جوشکاری با نفوذ عمیق، جوش مستعد تخلخل، فروپاشی سطح، لبه و سایر عیوب می شود.

(4) سرعت گرمایش و سرمایش جوشکاری لیزر سریع است و سختی جوش بالاتر از قوس است، اما به دلیل سوختن عناصر آلیاژی در جوشکاری لیزری آلیاژ آلومینیوم، که بر تقویت آلیاژ تأثیر می گذارد، جوش آلیاژ آلومینیوم هنوز مشکل نرم شدن دارد و در نتیجه استحکام اتصال جوش داده شده آلیاژ آلومینیوم را کاهش می دهد. بنابراین مشکل اصلی جوشکاری لیزری آلیاژ آلومینیوم کنترل عیوب جوش و بهبود عملکرد اتصالات جوشی است.

تکنولوژی کنترل نقص جوشکاری لیزری آلیاژ آلومینیوم

تحت عمل لیزر پرقدرت، عیوب اصلی اتصالات جوشکاری با نفوذ عمیق لیزر آلیاژ آلومینیوم عبارتند از تخلخل، فروپاشی سطح و گزش لبه که می‌توان با جوشکاری پرکننده سیم لیزری یا جوشکاری کامپوزیت قوس لیزری آن را بهبود بخشید. کنترل نقص تخلخل جوش دشوار است.

نتایج تحقیقات موجود نشان می دهد که دو نوع منافذ مشخصه در جوشکاری با نفوذ عمیق لیزری آلیاژ آلومینیوم وجود دارد. یکی منافذ متالورژیکی است که در اثر آلودگی مواد یا نفوذ هوا در فرآیند جوشکاری مانند جوشکاری ذوب قوس الکتریکی ایجاد می شود. نوع دیگر تخلخل فرآیند است که ناشی از نوسان ناپایدار سوراخ کوچک ذاتی در فرآیند جوشکاری با نفوذ عمیق لیزر است.

در فرآیند جوشکاری با نفوذ عمیق لیزر، سوراخ اغلب به دلیل اثر چسبناک فلز مایع از حرکت پرتو عقب می ماند و قطر و عمق آن تحت تأثیر بخار پلاسما/فلز در نوسان است. با حرکت تیر و جریان فلز حوضچه مذاب، در جوشکاری با نفوذ عمیق غیر تراوش، حباب هایی در نوک سوراخ به دلیل جریان فلز حوضچه مذاب و حباب هایی در کمر باریک در وسط ظاهر می شود. سوراخ در جوشکاری نفوذ عمیق نفوذ کامل. حباب ها با جریان فلز مایع حرکت می کنند و می غلتند، یا از سطح حوضچه مذاب فرار می کنند، یا زمانی که حباب ها توسط حوضچه مذاب جامد می شوند و توسط جلوی فلزی جذب می شوند، به سوراخ کوچک بر می گردند. تخلخل جوش

بدیهی است که تخلخل فلز به طور عمده توسط کنترل درمان سطح قبل از جوشکاری و حفاظت معقول گاز در حین جوشکاری کنترل می شود و کلید تخلخل فرآیند اطمینان از پایداری سوراخ کوچک در طول جوشکاری با نفوذ عمیق لیزر است. با توجه به تحقیقات فناوری جوش لیزری داخلی، کنترل تخلخل جوشکاری با نفوذ عمیق لیزر آلیاژ آلومینیوم باید قبل از جوشکاری، فرآیند جوشکاری، پس از جوشکاری پیوندهای مختلف در نظر گرفته شود که به عنوان فرآیندهای جدید و فناوری های جدید زیر خلاصه می شود.

1، روش درمان قبل از جوشکاری

درمان سطح قبل از جوشکاری یک روش موثر برای کنترل منافذ متالورژی جوش لیزری آلیاژ آلومینیوم است، معمولاً روش های درمان سطح دارای تمیز کردن فیزیکی و مکانیکی، تمیز کردن شیمیایی، در سال های اخیر، تمیز کردن شوک لیزری وجود داشته است که باعث بهبود بیشتر درجه اتوماسیون می شود. جوشکاری لیزری

2، کنترل بهینه سازی ثبات پارامتر

پارامترهای فرآیند جوشکاری لیزر آلیاژ آلومینیوم معمولاً عمدتاً قدرت لیزر، فوکوس زدایی، سرعت جوش و ترکیب و جریان حفاظت از گاز است. این پارامترها نه تنها بر اثر حفاظتی ناحیه جوشکاری، بلکه بر پایداری فرآیند جوشکاری با نفوذ عمیق لیزر نیز تأثیر می‌گذارند، بنابراین بر تخلخل جوش تأثیر می‌گذارند. از طریق جوشکاری با نفوذ عمیق لیزری ورق آلیاژ آلومینیوم، مشخص می‌شود که پایداری نفوذ سوراخ کوچک بر پایداری حوضچه جوش تأثیر می‌گذارد و سپس بر تشکیل جوش تأثیر می‌گذارد که منجر به نقص تخلخل جوش می‌شود. علاوه بر این، پایداری جوشکاری با نفوذ عمیق لیزر به چگالی توان لیزر و تطابق کمیت خطی مربوط می‌شود، بنابراین تعیین پارامترهای فرآیند معقول تشکیل جوش پایدار یک اقدام موثر برای کنترل موثر تخلخل جوش لیزری آلیاژ آلومینیوم است.

نتایج نشان می دهد که از نسبت عرض پشت جوش به عرض سطح جوش (نسبت عرض پشت جوش) برای ارزیابی شکل گیری جوش و پایداری ورق آلیاژ آلومینیوم استفاده می شود. هنگامی که چگالی توان لیزر و انرژی خط به طور معقولی مطابقت داشته باشند، نسبت برگشت به عرض جوش را می توان تضمین کرد و تخلخل جوش را می توان به طور موثر کنترل کرد.

3، جوش لیزری دو نقطه ای

جوشکاری لیزری دو نقطه ای به فرآیند جوشکاری اطلاق می شود که در آن دو پرتو لیزر متمرکز به طور همزمان بر روی یک حوضچه جوش عمل می کنند. در فرآیند جوشکاری با نفوذ عمیق لیزر یکی از دلایل اصلی ایجاد تخلخل این است که گاز موجود در سوراخ کوچک توسط بسته شدن فوری در حوضچه جوش محصور می شود. هنگامی که از جوش لیزری دو نقطه ای استفاده می شود، به دلیل عملکرد دو منبع نور، دهانه بزرگ سوراخ کوچک باعث خروج بخار فلز داخلی می شود و همچنین باعث پایداری سوراخ کوچک می شود. برای کاهش تخلخل جوش مطالعات روی جوشکاری لیزری آلیاژهای آلومینیوم A356، AA5083، 2024 و 5A90 همگی نشان می‌دهند که جوشکاری لیزری دو نقطه‌ای می‌تواند تخلخل جوش را به میزان قابل توجهی کاهش دهد.

4، جوشکاری کامپوزیت قوس لیزری

جوشکاری کامپوزیت قوس لیزری یک روش جوشکاری است که در آن لیزر و قوس بر روی یک حوضچه جوش اعمال می شود. به طور کلی با استفاده از لیزر به عنوان منبع اصلی گرما، تعامل بین لیزر و قوس می تواند عمق جوش لیزر و سرعت جوشکاری را بهبود بخشد و دقت مونتاژ جوش را کاهش دهد. پایداری سوراخ های جوشکاری لیزری را می توان با استفاده از سیم پرکننده برای کنترل خواص ریزساختاری اتصالات جوش داده شده بهبود بخشید و اثر کمکی قوس می تواند به کاهش تخلخل جوش کمک کند.

در فرآیند جوشکاری کامپوزیت قوس لیزری، قوس بر روی بخار فلز/ ابر پلاسما ناشی از فرآیند لیزر تأثیر می‌گذارد که منجر به جذب انرژی لیزر و پایداری سوراخ‌های کوچک می‌شود. نتایج حاصل از جوشکاری کامپوزیت قوس لیزری آلیاژ آلومینیوم نیز کارایی آن را ثابت کرده است.

5، جوش لیزر فیبر

اثر سوراخ کوچک فرآیند جوشکاری با نفوذ عمیق لیزر به دلیل تبخیر شدید فلز تحت عمل لیزر است. نیروی بخار تبخیر فلز ارتباط نزدیکی با چگالی توان لیزر و کیفیت پرتو دارد که نه تنها بر عمق نفوذ جوشکاری لیزر تأثیر می‌گذارد، بلکه بر پایداری سوراخ‌های کوچک نیز تأثیر می‌گذارد. سیجی. و همکاران تحقیقات روی لیزر فیبر پرقدرت فولاد ضد زنگ SUS304 نشان می دهد که حوضچه جوش در طول جوشکاری با سرعت بالا کشیده می شود، که از پاشش جلوگیری می کند، نوسان سوراخ کوچک پایدار است و نوک سوراخ کوچک حباب ندارد. هنگامی که لیزر فیبر برای جوشکاری با سرعت بالا آلیاژ تیتانیوم و آلیاژ آلومینیوم استفاده می شود، می توان یک جوش بدون تخلخل نیز به دست آورد. آلن و همکاران تحقیقات روی فناوری کنترل گاز محافظ در جوشکاری لیزری فیبر آلیاژ تیتانیوم نشان می دهد که با کنترل موقعیت گاز محافظ جوشکاری می توان از درگیری گاز جلوگیری کرد، زمان بسته شدن سوراخ های کوچک را کاهش داد، سوراخ های کوچک جوش را تثبیت کرد. و رفتار انجماد حوضچه جوش را می توان تغییر داد و در نتیجه تخلخل جوش را کاهش داد.

6، جوشکاری لیزری پالسی

در مقایسه با جوشکاری لیزری پیوسته، خروجی لیزر حالت ضربانی را اتخاذ می‌کند که می‌تواند جریان دوره‌ای و پایدار حوضچه مذاب را تقویت کند، که منجر به فرار حباب در حوضچه مذاب می‌شود و تخلخل جوش را کاهش می‌دهد. TY Kuo و SL Jeng تأثیر حالت خروجی لیزر جوشکاری لیزر YAG را بر تخلخل و خواص جوش‌های سوپرآلیاژ فولاد ضد زنگ SUS 304L و inconel 690 مطالعه کردند. نتایج نشان می دهد که: برای جوشکاری لیزری پالسی موج مربعی، زمانی که توان پایه 1700w باشد، تخلخل جوش با افزایش دامنه پالس ΔP کاهش می یابد و تخلخل فولاد ضد زنگ از 2.1% به 0.5% کاهش می یابد. سوپرآلیاژ از 7.1٪ به 0.5٪ کاهش می یابد.

7، فناوری پردازش کامپوزیت پس از جوشکاری

در کاربردهای مهندسی عملی، حتی اگر عملیات سطح قبل از جوشکاری سختگیرانه باشد و فرآیند جوشکاری پایدار باشد، جوشکاری لیزری آلیاژ آلومینیوم به ناچار تخلخل جوش را ایجاد می کند، بنابراین استفاده از عملیات پس از جوشکاری برای از بین بردن تخلخل بسیار مهم است. در حال حاضر، این روش عمدتاً جوشکاری اصلاح شده است. فناوری پرس ایزواستاتیک داغ یکی از روش‌های حذف تخلخل و انقباض ریخته‌گری‌های آلیاژ آلومینیوم است و با عملیات حرارتی تنش آلیاژ آلومینیوم پس از جوشکاری لیزری ترکیب می‌شود تا فرآیند کامپوزیت پرس ایزواستاتیک داغ و عملیات حرارتی آلیاژ آلومینیوم را تشکیل دهد. اجزای جوشکاری لیزری، که نه تنها تخلخل جوش را از بین می برد، بلکه عملکرد اتصال را نیز بهبود می بخشد.
با توجه به ویژگی های آلیاژ آلومینیوم، هنوز مشکلات زیادی در کاربرد جوش لیزری پرقدرت وجود دارد، مشکل اصلی کنترل نقص تخلخل جوش و بهبود کیفیت جوش است. به منظور بهبود پایداری فرآیند جوشکاری، کنترل مهندسی تخلخل جوش لیزری آلیاژ آلومینیوم باید همه جوانب را قبل از جوشکاری، در حین جوشکاری و بعد از جوشکاری در نظر بگیرد. بنابراین، بسیاری از فن‌آوری‌ها و فرآیندهای جدید مشتق شده‌اند، مانند تمیز کردن لیزر قبل از جوشکاری، بهینه‌سازی کنترل نسبت عرض پشتی پارامترهای فرآیند جوشکاری، جوشکاری لیزر دو پرتو، جوشکاری کامپوزیت قوس لیزری، جوشکاری لیزر پالسی و جوش لیزری فیبر.