Análisis de dificultades en el proceso de soldadura láser de aleaciones de aluminio

Tecnología de soldadura de aleación de aluminio

La aleación de aluminio tiene una alta resistencia específica, alta resistencia a la fatiga, buena tenacidad a la fractura y baja tasa de crecimiento de grietas, y también tiene una excelente procesabilidad de formación y buena resistencia a la corrosión. Se ha utilizado ampliamente en las industrias aeroespacial, automotriz, de construcción de maquinaria, marina y química. La amplia aplicación de la aleación de aluminio promueve el desarrollo de la tecnología de soldadura de aleación de aluminio, y el desarrollo de la tecnología de soldadura ha ampliado el campo de aplicación de la aleación de aluminio.

Sin embargo, las características de la aleación de aluminio en sí misma hacen que su tecnología de soldadura relacionada enfrente algunos problemas urgentes que deben resolverse: la superficie es refractaria a la película de óxido, la junta se ablanda, los poros se generan fácilmente, el calor se deforma fácilmente y el La conductividad térmica es demasiado grande. La soldadura de aleación de aluminio convencional generalmente adopta el proceso de soldadura TIG o MIG. Aunque estos dos métodos de soldadura tienen una alta densidad de energía y pueden obtener buenas uniones al soldar aleaciones de aluminio, todavía hay poca penetración, deformación de la soldadura y baja eficiencia de producción, por lo que la gente comenzó a buscar métodos de soldadura y la tecnología láser comenzó a ser gradual. aplicado a la industria a mediados y finales del siglo XX. El cuerpo del avión Airbus A340 producido por la compañía europea Airbus reemplazó el proceso de remachado original con tecnología de soldadura láser, que redujo el peso del fuselaje en aproximadamente un 18% y redujo el costo de fabricación en casi un 25%. Los automóviles alemanes con estructura de aluminio Audi A2 y A8 también se benefician del desarrollo y la aplicación de la tecnología de soldadura láser de aleación de aluminio. Estos ejemplos exitosos han promovido en gran medida la investigación sobre aleaciones de aluminio soldadas con láser, que se han convertido en la principal dirección de desarrollo de la tecnología de soldadura de aleaciones de aluminio en el futuro. La soldadura láser tiene las ventajas de alta densidad de potencia, baja entrada de calor de soldadura, pequeña zona afectada por el calor de soldadura y pequeña deformación de soldadura, lo que hace que preste especial atención en el campo de la soldadura de aleación de aluminio.

Problemas y contramedidas de la soldadura láser de aleación de aluminio

● Alta reflectividad y alta conductividad térmica de las superficies de aleación de aluminio

Esto puede explicarse por la microestructura de la aleación de aluminio. Debido a la presencia de electrones libres de alta densidad en la aleación de aluminio, los electrones libres se ven obligados a vibrar por el láser (ondas electromagnéticas fuertes) para generar ondas electromagnéticas secundarias, lo que resulta en ondas reflejadas fuertes y ondas de transmisión más débiles, por lo que la superficie de La aleación de aluminio tiene una alta reflectancia y una pequeña tasa de adsorción para el láser. Al mismo tiempo, el movimiento browniano de los electrones libres se vuelve más violento cuando se estimula, por lo que la aleación de aluminio también tiene una alta conductividad térmica.

Con el objetivo de la alta reflectividad de la aleación de aluminio en el láser, se han realizado muchas investigaciones en el hogar y en el extranjero. Los resultados de la prueba muestran que el tratamiento previo adecuado de la superficie, como el arenado, el lijado, el grabado químico de la superficie, el revestimiento de la superficie, el revestimiento de grafito y la oxidación del horno de aire pueden reducir la reflexión del haz y aumentar efectivamente la absorción de la energía del haz por la aleación de aluminio. Además, desde el aspecto del diseño de la estructura de soldadura, hacer agujeros manualmente en la superficie de la aleación de aluminio o usar juntas en forma de colector de luz, abrir ranuras en forma de V o usar soldadura de costura (el empalme de gas es equivalente a hacer agujeros manuales) puede aumentar La absorción de aleación de aluminio al láser, y obtener una mayor profundidad de fusión. Además, se puede utilizar un diseño razonable de gas de soldadura para aumentar la absorción de energía láser en la energía láser.

● Factores importantes que afectan la soldadura láser de aleación de aluminio

En el proceso de soldadura por láser de aleación de aluminio, la apariencia de pequeños agujeros puede mejorar en gran medida la velocidad de absorción del material al láser, mientras que el elemento de aluminio y el Mg, Zn y Li en la aleación de aluminio tienen un punto de ebullición bajo, fácil para evaporar y gran presión de vapor. Aunque esto contribuye a la formación de pequeños agujeros, el efecto de enfriamiento del plasma (el blindaje y la absorción de energía por el plasma reduce la entrada de energía del láser al material base) hace que el plasma mismo se "sobrecaliente" pero dificulta el continuo existencia de pequeños agujeros. Es fácil producir defectos de soldadura, como poros, que afectan las propiedades mecánicas de la soldadura y la formación de juntas. Por lo tanto, la inducción y la estabilización de los pequeños agujeros se convierten en un punto clave para garantizar la calidad de la soldadura láser.

Debido a la alta reflectividad y la alta conductividad térmica de las aleaciones de aluminio, es necesario tener una mayor densidad de energía del láser para inducir la formación de pequeños agujeros. Dado que el umbral de densidad de energía está esencialmente controlado por su composición de aleación, se puede obtener un proceso de soldadura estable controlando los parámetros del proceso y seleccionando la potencia del láser para garantizar una entrada de calor adecuada. Además, el umbral de densidad de energía se ve afectado en cierta medida por el tipo de gas de protección. Por ejemplo, cuando se suelda con láser una aleación de aluminio, es más fácil inducir agujeros pequeños cuando se usa gas N2, mientras que los agujeros pequeños no se pueden inducir usando gas He. Esto se debe a que puede ocurrir una reacción exotérmica entre N2 y AI, y el compuesto ternario Al-N-O resultante aumenta la velocidad de absorción del láser.

● Problema de estomas

Los diferentes tipos de aleaciones de aluminio producen diferentes tipos de poros. En general, se cree que las aleaciones de aluminio producen los siguientes tipos de poros durante el proceso de soldadura.

(1) Agujero de hidrógeno. Cuando la aleación de aluminio se funde en una atmósfera de hidrógeno, el contenido interno de hidrógeno de la misma puede alcanzar 0,69 ml / 100 g o más. Sin embargo, después de la solidificación, la capacidad de disolución de hidrógeno en el estado de equilibrio es de solo 0.036 ml / 100 g como máximo, la diferencia es casi 20 veces. Por lo tanto, durante la transición de líquido a sólido, se debe separar el exceso de hidrógeno en el aluminio líquido. Si el hidrógeno precipitado no puede flotar suavemente, acumulará burbujas y permanecerá en la aleación de aluminio sólido para convertirse en poros.

(2) Poros producidos por gas protector. En el proceso de soldadura por láser de alta energía de aleación de aluminio, debido a la fuerte evaporación del metal en la parte delantera del pequeño orificio en el fondo de la piscina fundida, el gas protector se introduce en la piscina fundida para formar burbujas, que se convierte en poros cuando las burbujas no se extienden y permanecen en la aleación de aluminio sólido.

(3) Los poros producidos por el colapso de los pequeños agujeros. En el proceso de soldadura láser, cuando la tensión superficial es mayor que la presión de vapor, los pequeños agujeros no podrán mantener la estabilidad y el colapso, y los agujeros formados de metal antes de que se puedan llenar. También hay muchas medidas prácticas para reducir o evitar los defectos de porosidad en la soldadura láser de aleación de aluminio, como ajustar la forma de onda de potencia del láser, reducir el colapso inestable de los pequeños orificios, cambiar la altura del foco del haz y la iluminación oblicua, aplicando la acción del campo electromagnético durante El proceso de soldadura, y la soldadura en el vacío. En los últimos años, ha habido un proceso de uso de alambre de relleno o polvo de aleación preestablecido, fuente de calor compuesta y tecnología de doble enfoque para reducir la generación de poros, lo que tiene un buen efecto.

● El problema del crack

Las aleaciones de aluminio son aleaciones eutécticas típicas, que tienen más probabilidades de producir grietas térmicas bajo la rápida solidificación de la soldadura láser. La formación de eutécticos de baja fusión como AL-Si o Mg-Si en el límite del grano columnar durante la cristalización del metal de soldadura es la causa de las grietas. Para reducir el agrietamiento térmico, la soldadura por láser se puede realizar llenando el alambre o preajustando la potencia de la aleación. El control de la entrada de calor también reduce el agrietamiento del cristal al ajustar la forma de onda del láser.

La perspectiva de desarrollo de la soldadura láser de aleación de aluminio

La característica más atractiva de la soldadura láser de aleación de aluminio es su alta eficiencia, y aprovecharla al máximo es aplicarla a la soldadura por fusión profunda de gran espesor. Por lo tanto, es una tendencia inevitable del desarrollo futuro estudiar y usar láseres de alta potencia para soldadura profunda con gran espesor.

Mejorar la estabilidad del proceso de soldadura láser y mejorar la calidad de la soldadura son los objetivos que persiguen las personas. Por lo tanto, se mejorarán y desarrollarán nuevas tecnologías, como el proceso compuesto de arco láser, la soldadura láser láser, la soldadura láser de polvo preestablecida, la tecnología de doble enfoque y la conformación del haz.

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