Mit der Entwicklung der Lasertechnologie und der Entwicklungstechnologie für Aluminiumlegierungen ist es besonders wichtig, weitere Grundlagenforschung zur Anwendungstechnologie des Laserschweißens von Aluminiumlegierungen durchzuführen, neue Technologien zum Laserschweißen von Aluminiumlegierungen zu entwickeln und das Anwendungspotenzial der Laserschweißstruktur von Aluminiumlegierungen effektiver zu erweitern, um den Anwendungsstatus und die Entwicklungstrends der Laserschweißtechnologie für Aluminiumlegierungen zu verstehen.
Hochfeste Aluminiumlegierungen weisen eine hohe spezifische Festigkeit, spezifische Steifigkeit, gute Korrosionsbeständigkeit, Verarbeitungsleistung und mechanische Eigenschaften auf und sind zu einem unverzichtbaren Metallmaterial für die strukturelle Leichtbauweise in der Luft- und Raumfahrt, der Schifffahrt und anderen Transportbereichen geworden, wobei Flugzeuge am häufigsten eingesetzt werden. Die Schweißtechnologie bietet einzigartige Vorteile bei der Verbesserung der Auslastung von Strukturmaterialien, der Reduzierung des Strukturgewichts und der kostengünstigen Herstellung komplexer und unterschiedlicher Materialien, wobei die Laserschweißtechnologie für Aluminiumlegierungen ein Hotspot ist.
Im Vergleich zu anderen Schweißverfahren bietet das Laserschweißen die Vorteile einer zentralisierten Erwärmung, geringer thermischer Schäden, eines großen Verhältnisses von Schweißtiefe zu Schweißbreite und geringer Schweißverformung. Der Schweißprozess lässt sich leicht integrieren, automatisieren und flexibel gestalten, und es kann schnelles und hochpräzises Schweißen realisiert werden, was insbesondere für das hochpräzise Schweißen komplexer Strukturen geeignet ist.
Mit der Entwicklung der Werkstofftechnologie werden fortlaufend verschiedene hochfeste und hochzähe Aluminiumlegierungen eingeführt, insbesondere die dritte Generation der Aluminium-Lithium-Legierung. Mit der Entstehung neuer hochfester Aluminiumlegierungen werden immer höhere Anforderungen an die Aluminium-Laserschweißtechnologie gestellt. Die Vielfalt der Aluminiumlegierungen bringt jedoch auch eine Reihe neuer Probleme beim Laserschweißen mit sich. Diese Probleme müssen daher eingehend untersucht werden, um das Anwendungspotenzial der Laserschweißstruktur von Aluminiumlegierungen effektiver zu erweitern.
Hochleistungslaser
Beim Laserschweißen wird eine Metalloberfläche mit hochintensivem Laserlicht bestrahlt, wodurch das Metall schmilzt und dann abkühlt und kristallisiert. Durch die thermische Kopplung zwischen Laser und Metall entsteht eine Schweißnaht. Je nach thermischem Wirkmechanismus kann das Laserschweißen in zwei Arten unterteilt werden: Wärmeleitungsschweißen und Tiefschweißen. Ersteres wird hauptsächlich beim Schweißen von Präzisionsteilepaketen oder beim Mikro- und Nanoschweißen verwendet. Letzteres erzeugt beim Schweißvorgang oft einen kleinen Locheffekt, der dem Elektronenstrahlschweißen ähnelt, wodurch eine tiefe und breite Schweißnaht entsteht. Das Realisieren des Lasertiefschweißens erfordert eine hohe Laserleistung. Derzeit werden beim Lasertiefschweißen vier Arten von Hochleistungslasern eingesetzt.
1, CO2-Gaslaser
Das Arbeitsmedium ist CO2-Gas, der Laser mit einer Wellenlänge von 10,6 μm wird je nach Laseranregungsstruktur in zwei Arten von Querströmung und Axialströmung unterteilt. Obwohl die Ausgangsleistung des Querströmungs-CO2-Lasers 150 kW erreicht hat, ist die Strahlqualität schlecht und er ist nicht zum Schweißen geeignet. Axialströmungs-CO2-Laser haben eine bessere Strahlqualität und können zum Schweißen von Aluminiumlegierungen mit hoher Laserreflexion verwendet werden.
2, YAG-Festkörperlaser
Das Arbeitsmedium ist Rubin, Neodymglas und mit Neodym dotierter Yttrium-Aluminium-Granat usw. Die Ausgangswellenlänge beträgt 1,06 μm Laser. YAG-Laser werden leichter von Metall absorbiert als CO2-Laser und sind weniger anfällig für Plasma. Sie eignen sich für die Faserübertragung, flexible Schweißvorgänge und eine gute Erreichbarkeit der Schweißposition und sind daher der Hauptlaser zum Schweißen von Aluminiumlegierungsstrukturen.
3, YLR-Faserlaser
Es handelt sich um einen neuen Lasertyp, der nach 2002 entwickelt wurde. Er verwendet Fasern als Matrixmaterial und dotiert mit verschiedenen Seltenerdionen. Der Ausgangswellenlängenbereich beträgt etwa 1,08 μm, was auch eine Faserübertragung ist. Der revolutionäre Faserlaser verwendet eine doppelt ummantelte Faserstruktur, wodurch die Pumplänge erhöht und die Pumpeffizienz verbessert wird, sodass die Ausgangsleistung des Faserlasers erheblich gesteigert wird. Im Vergleich zum YAG-Laser erschien der YLR-Faserlaser später, hat jedoch die Vorteile einer geringen Größe, niedriger Betriebskosten, hoher Strahlqualität und hoher Laserleistung.
Anwendungsforschung zur Laserschweißstruktur von Aluminiumlegierungen
Seit den 1990er Jahren, mit der Entwicklung von Wissenschaft und Technologie, sind Hochleistungslaser mit hoher Helligkeit aufgetaucht, die Integration von Laserschweißtechnologie, intelligente, flexible und diversifizierte Entwicklung wird immer ausgereifter, und das Laserschweißen wird im In- und Ausland in verschiedenen Anwendungsbereichen von Aluminiumlegierungsstrukturen immer mehr beachtet. Derzeit haben einige Automobilhersteller in China die Laserschweißtechnologie in einigen neuen Modellen übernommen. Mit der Entwicklung der Laserschweißtechnologie für dicke Aluminiumlegierungsplatten wird das Laserschweißen in Zukunft auch auf gepanzerte Fahrzeugstrukturen angewendet.
Um eine Leichtbauweise zu realisieren, ist die Anwendung und Erforschung des Laserschweißens von Sandwichstrukturen aus Aluminiumlegierungen bei der Herstellung von Schiffs- und Hochgeschwindigkeitszugstrukturen der aktuelle Forschungsschwerpunkt. Aluminiumlegierungen sind ein wichtiges metallisches Strukturmaterial für Luft- und Raumfahrtstrukturen, daher legen Japan, die USA, Großbritannien, Deutschland und andere Industrieländer großen Wert auf die Erforschung der Laserschweißtechnologie für Aluminiumlegierungen.
Mit der Entwicklung der Faserlaserschweißtechnologie hat die Luftfahrtindustrie der fortgeschrittenen Länder das Faserlaserschweißen und die Laserlichtbogen-Verbundschweißtechnologie als Schwerpunkt der Aluminiumlegierungsschweißtechnologie aufgeführt, insbesondere das Schweißen dicker Platten und das Schweißen ungleichartiger Metalle. Beispielsweise führt das NALI-Projekt in den Vereinigten Staaten Forschungen zum Faserlaserschweißen und zur Laserlichtbogen-Verbundschweißtechnologie für die Brennkammerstruktur von Zivilflugzeugen und JSF-Flugzeugtriebwerken durch.
Eigenschaften des Laserschweißens von Aluminiumlegierungen
Im Vergleich zum herkömmlichen Schmelzschweißen weist das Laserschweißen von Aluminiumlegierungen eine höhere Heizkonzentration, ein größeres Verhältnis von Schweißtiefe zu Schweißbreite und eine geringe Verformung der Schweißstruktur auf, es gibt jedoch einige Nachteile, die sich wie folgt zusammenfassen lassen:
(1) Der kleine Durchmesser des Laserfokussierungspunkts führt zu hohen Anforderungen an die Werkstückschweiß- und Montagegenauigkeit. Normalerweise müssen der Montagespalt und die Anzahl der falschen Kanten weniger als 0,1 mm oder 10 % der Plattendicke betragen, was die Schwierigkeit der Umsetzung der komplexen dreidimensionalen Schweißstruktur erhöht.
(2) Da die Reflektivität von Aluminiumlegierungen gegenüber Lasern bei Raumtemperatur bis zu 90 % beträgt, ist für das Lasertiefschweißen von Aluminiumlegierungen ein Laser mit hoher Leistung erforderlich. Die Forschung zum Laserschweißen von Aluminiumlegierungsblechen zeigt, dass das Lasertiefschweißen von Aluminiumlegierungen von der doppelten Schwelle der Laserleistungsdichte und der linearen Energie abhängt, die gemeinsam das Verhalten des Schweißbads im Schweißprozess einschränken und sich schließlich auf die Formgebungseigenschaften der Schweißnaht auswirken. Die Prozessoptimierung des Vollschweißens kann anhand des Rückenbreitenverhältnisses der Schweißnahtformungseigenschaften bewertet werden.
(3) Der Schmelzpunkt von Aluminiumlegierungen ist niedrig, der Fluss des flüssigen Metalls ist gut, unter der Einwirkung eines Hochleistungslasers kommt es zu starker Metallverdampfung, beim Schweißen bilden sich Metalldampf-/photoinduzierte Plasmawolken mit kleinen Löchern, die die Absorption von Laserenergie durch die Aluminiumlegierung beeinträchtigen, was zu einer Instabilität des Tiefschweißprozesses führt und die Schweißnaht anfällig für Porosität, Oberflächeneinbrüche, Kanten und andere Defekte macht.
(4) Die Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeit beim Laserschweißen ist hoch und die Schweißhärte ist höher als beim Lichtbogenschweißen. Aufgrund des Verbrennens von Legierungselementen beim Laserschweißen von Aluminiumlegierungen, das die Festigkeit der Legierung beeinträchtigt, besteht beim Schweißen von Aluminiumlegierungen immer noch das Problem der Erweichung, wodurch die Festigkeit der Schweißverbindung aus Aluminiumlegierungen verringert wird. Daher besteht das Hauptproblem beim Laserschweißen von Aluminiumlegierungen darin, Schweißfehler zu kontrollieren und die Leistung der Schweißverbindungen zu verbessern.
Laserschweißfehlerkontrolltechnologie für Aluminiumlegierungen
Unter Einwirkung eines Hochleistungslasers sind Porosität, Oberflächenkollaps und Kantenverletzungen die Hauptfehler von Aluminiumlegierungs-Laser-Tiefschweißverbindungen. Diese können durch Laserdrahtfüllschweißen oder Laserlichtbogenverbundschweißen verbessert werden. Es ist schwierig, den Porositätsfehler der Schweißnaht zu kontrollieren.
Die vorliegenden Forschungsergebnisse zeigen, dass es beim Lasertiefschweißen von Aluminiumlegierungen zwei Arten charakteristischer Poren gibt. Eine davon sind metallurgische Poren, die durch Materialverunreinigung oder Lufteindringung bei Schweißprozessen wie Lichtbogenschmelzschweißen entstehen. Die andere Art ist die Prozessporosität, die durch die instabile Fluktuation der kleinen Löcher verursacht wird, die dem Lasertiefschweißprozess innewohnen.
Beim Lasertiefschweißen hinkt das Loch aufgrund der viskosen Wirkung des flüssigen Metalls häufig der Strahlbewegung hinterher und sein Durchmesser und seine Tiefe schwanken unter dem Einfluss von Plasma/Metalldampf. Durch die Bewegung des Strahls und den Fluss des geschmolzenen Metalls treten beim nicht durchdrungenen Tiefschweißen aufgrund des Flusses des geschmolzenen Metalls Blasen an der Spitze des Lochs auf, und beim durchdringenden Tiefschweißen treten Blasen an der schmalen Taille in der Mitte des Lochs auf. Die Blasen wandern und rollen mit dem Fluss des flüssigen Metalls oder entweichen von der Oberfläche des geschmolzenen Metalls oder werden zurück in das kleine Loch gedrückt, wenn die Blasen durch das geschmolzene Metall erstarren und von der Metallfront erfasst werden, d. h. sie werden zur Schweißporosität.
Offensichtlich wird die Porosität des Metalls hauptsächlich durch die Oberflächenbehandlung vor dem Schweißen und den angemessenen Gasschutz während des Schweißens kontrolliert, und der Schlüssel zur Prozessporosität besteht darin, die Stabilität des kleinen Lochs während des Lasertiefschweißens sicherzustellen. Laut der inländischen Forschung zur Laserschweißtechnologie sollte die Porositätskontrolle beim Lasertiefschweißen von Aluminiumlegierungen vor dem Schweißen, beim Schweißprozess und bei der Schweißnachbehandlung verschiedener Verbindungen berücksichtigt werden, was sich wie folgt in den folgenden neuen Prozessen und neuen Technologien zusammenfassen lässt.
1, Vorschweißbehandlungsmethode
Die Oberflächenbehandlung vor dem Schweißen ist eine wirksame Methode, um metallurgische Poren beim Laserschweißen von Aluminiumlegierungen zu kontrollieren. Normalerweise umfassen die Oberflächenbehandlungsmethoden physikalische und mechanische Reinigung sowie chemische Reinigung. In den letzten Jahren kam die Laserschockreinigung hinzu, die den Automatisierungsgrad des Laserschweißens weiter verbessern wird.
2. Parameterstabilitätsoptimierungssteuerung
Die Prozessparameter beim Laserschweißen von Aluminiumlegierungen sind in der Regel hauptsächlich Laserleistung, Defokussierung, Schweißgeschwindigkeit sowie Zusammensetzung und Strömung des Schutzgases. Diese Parameter beeinflussen nicht nur die Schutzwirkung des Schweißbereichs, sondern auch die Stabilität des Lasertiefschweißverfahrens und damit die Porosität der Schweißnaht. Beim Lasertiefschweißen von Aluminiumlegierungsblechen hat sich gezeigt, dass die Stabilität der kleinen Lochdurchdringung die Stabilität des Schweißbades beeinflusst und sich dann auf die Schweißnahtbildung auswirkt, was zu Porositätsfehlern in der Schweißnaht führt. Darüber hinaus hängt die Stabilität des Lasertiefschweißens mit der Laserleistungsdichte und der linearen Mengenanpassung zusammen, sodass die Bestimmung angemessener Prozessparameter für eine stabile Schweißnahtbildung eine wirksame Maßnahme zur effektiven Kontrolle der Porosität beim Laserschweißen von Aluminiumlegierungen ist.
Die Ergebnisse zeigen, dass das Verhältnis der Breite der Rückseite der Schweißnaht zur Breite der Oberfläche der Schweißnaht (das Verhältnis der Rückseitenbreite der Schweißnaht) zur Bewertung der Schweißnahtbildung und -stabilität des Aluminiumlegierungsblechs verwendet wird. Wenn die Laserleistungsdichte und die Linienenergie angemessen übereinstimmen, kann das Verhältnis von Schweißnahtrückseite zu Breite gewährleistet und die Schweißporosität effektiv kontrolliert werden.
3, Doppelpunkt-Laserschweißen
Unter Doppelpunkt-Laserschweißen versteht man einen Schweißprozess, bei dem zwei fokussierte Laserstrahlen gleichzeitig auf dasselbe Schweißbad einwirken. Beim Laser-Tiefschweißen ist einer der Hauptgründe für die Bildung von Porosität, dass das Gas in dem kleinen Loch durch die sofortige Schließung im Schweißbad eingeschlossen wird. Beim Doppelpunkt-Laserschweißen fördert die große Öffnung des kleinen Lochs aufgrund der Wirkung von zwei Lichtquellen das Entweichen des inneren Metalldampfs und trägt auch zur Stabilität des kleinen Lochs bei, wodurch die Porosität der Schweißnaht verringert wird. Studien zum Laserschweißen der Aluminiumlegierungen A356, AA5083, 2024 und 5A90 zeigen alle, dass Doppelpunkt-Laserschweißen die Schweißporosität erheblich verringern kann.
4, Laserlichtbogen-Verbundschweißen
Laserlichtbogen-Verbundschweißen ist ein Schweißverfahren, bei dem Laser und Lichtbogen auf dasselbe Schweißbad angewendet werden. Im Allgemeinen wird der Laser als Hauptwärmequelle verwendet. Die Wechselwirkung zwischen Laser und Lichtbogen kann die Laserschweißtiefe und die Schweißgeschwindigkeit verbessern und die Genauigkeit der Schweißmontage verringern. Die Stabilität von Laserschweißlöchern kann durch die Verwendung von Fülldraht zur Steuerung der Mikrostruktureigenschaften von Schweißverbindungen verbessert werden, und die zusätzliche Wirkung des Lichtbogens kann dazu beitragen, die Porosität der Schweißnaht zu verringern.
Beim Laserlichtbogen-Verbundschweißen beeinflusst der Lichtbogen die durch den Laserprozess erzeugte Metalldampf-/Plasmawolke, was der Absorption von Laserenergie und der Stabilität kleiner Löcher förderlich ist. Die Ergebnisse des Laserlichtbogen-Verbundschweißens von Aluminiumlegierungen haben ebenfalls seine Wirksamkeit bewiesen.
5, Faserlaserschweißen
Der kleine Locheffekt beim Laser-Tiefschweißen ist auf die starke Verdampfung des Metalls unter Einwirkung des Lasers zurückzuführen. Die Dampfkraft der Metallverdampfung hängt eng mit der Laserleistungsdichte und der Strahlqualität zusammen, was sich nicht nur auf die Eindringtiefe beim Laserschweißen auswirkt, sondern auch auf die Stabilität kleiner Löcher. Die Forschung von Seiji et al. an Hochleistungsfaserlasern aus Edelstahl SUS304 zeigt, dass sich das Schweißbad beim Hochgeschwindigkeitsschweißen verlängert, was Spritzer verhindert, die Schwankung kleiner Löcher stabilisiert und die Spitze kleiner Löcher keine Blasen aufweist. Beim Hochgeschwindigkeitsschweißen von Titanlegierungen und Aluminiumlegierungen mit dem Faserlaser kann auch eine porenfreie Schweißnaht erzielt werden. Die Forschung von Allen et al. zur Steuerungstechnologie von Schutzgas beim Faserlaserschweißen von Titanlegierungen zeigt, dass durch die Steuerung der Position des Schweißschutzgases eine Gaseinmischung verhindert, die Schließzeit kleiner Löcher verkürzt, das Schweißen kleiner Löcher stabilisiert und das Erstarrungsverhalten des Schweißbades geändert und somit die Porosität der Schweißnaht verringert werden kann.
6, gepulstes Laserschweißen
Im Vergleich zum kontinuierlichen Laserschweißen wird beim Laserstrahl ein pulsierender Modus verwendet, der den periodischen und stabilen Fluss des Schmelzbads unterstützt, was das Entweichen von Blasen im Schmelzbad begünstigt und die Porosität der Schweißnaht verringert. TY Kuo und SL Jeng untersuchten den Einfluss der Laserleistungsabgabe beim YAG-Laserschweißen auf die Porosität und Eigenschaften von Schweißnähten aus Edelstahl SUS 304L und Superlegierung Inconel 690. Die Ergebnisse zeigen: Beim Rechteckwellen-Pulslaserschweißen verringert sich bei einer Basisleistung von 1700 W die Porosität der Schweißnaht mit zunehmender Pulsamplitude ΔP, und die Porosität von Edelstahl verringert sich von 2,1 % auf 0,5 % und die von Superlegierungen verringert sich von 7,1 % auf 0,5 %.
7, Verbundverarbeitungstechnologie nach dem Schweißen
In praktischen technischen Anwendungen führt das Laserschweißen von Aluminiumlegierungen selbst bei strenger Oberflächenbehandlung vor dem Schweißen und stabilem Schweißprozess zwangsläufig zu Schweißporosität. Daher ist die Verwendung einer Nachbehandlung zur Beseitigung der Porosität sehr wichtig. Derzeit wird hauptsächlich modifiziertes Schweißen verwendet. Die Technologie des heißisostatischen Pressens ist eine der Methoden zur Beseitigung der Porosität und Schrumpfung von Aluminiumlegierungsgussteilen. In Kombination mit der Spannungswärmebehandlung der Aluminiumlegierung nach dem Laserschweißen entsteht ein Verbundverfahren aus heißisostatischem Pressen und Wärmebehandlung von Laserschweißkomponenten aus Aluminiumlegierungen, das nicht nur die Porosität der Schweißnaht beseitigt, sondern auch die Verbindungsleistung verbessert.
Aufgrund der Eigenschaften von Aluminiumlegierungen gibt es bei der Anwendung des Hochleistungslaserschweißens noch viele Probleme. Das Hauptproblem besteht darin, den Porositätsdefekt der Schweißnaht zu kontrollieren und die Schweißqualität zu verbessern. Um die Stabilität des Schweißprozesses zu verbessern, muss die technische Kontrolle der Laserschweißporosität von Aluminiumlegierungen alle Aspekte vor dem Schweißen, während des Schweißens und nach dem Schweißen berücksichtigen. Daher wurden viele neue Technologien und Prozesse entwickelt, wie z. B. Laserreinigung vor dem Schweißen, Optimierung der Steuerung der Rückbreitenverhältnisse der Schweißprozessparameter, Doppelstrahl-Laserschweißen, Laserlichtbogen-Verbundschweißen, Impulslaserschweißen und Faserlaserschweißen.
