Com o desenvolvimento da tecnologia de laser e da tecnologia de desenvolvimento de liga de alumínio, é particularmente importante realizar mais pesquisas básicas sobre a tecnologia de aplicação de soldagem a laser de liga de alumínio, desenvolver novas tecnologias de soldagem a laser de liga de alumínio e expandir mais efetivamente o potencial de aplicação da estrutura de soldagem a laser de liga de alumínio, de modo a entender o status da aplicação e a tendência de desenvolvimento da tecnologia de soldagem a laser de liga de alumínio.
A liga de alumínio de alta resistência tem alta resistência específica, rigidez específica, boa resistência à corrosão, desempenho de processamento e propriedades mecânicas, tornou-se um material metálico indispensável para a fabricação estrutural leve em aeroespacial, navios e outros campos de transporte, entre os quais as aeronaves são as mais utilizadas. A tecnologia de soldagem tem vantagens únicas na melhoria da taxa de utilização de materiais estruturais, reduzindo o peso das estruturas e realizando a fabricação de baixo custo de materiais complexos e diferentes, entre os quais a tecnologia de soldagem a laser de liga de alumínio é um ponto quente.
Comparado com outros métodos de soldagem, a soldagem a laser tem as vantagens de aquecimento centralizado, pequeno dano térmico, grande relação entre profundidade e largura da solda e pequena deformação da soldagem. O processo de soldagem é fácil de ser integrado, automatizado e flexível, e soldagem de alta velocidade e alta precisão pode ser realizada, especialmente adequada para soldagem de alta precisão de estruturas complexas.
Com o desenvolvimento da tecnologia de materiais, uma variedade de ligas de alumínio de alta resistência e alta tenacidade continuam a ser introduzidas, especialmente a terceira geração de liga de alumínio-lítio, o surgimento de novas ligas de alumínio de alta resistência, a tecnologia de soldagem a laser de alumínio apresentou requisitos cada vez maiores, enquanto a diversidade de ligas de alumínio também trouxe uma variedade de novos problemas de soldagem a laser, por isso devemos estudar profundamente esses problemas, a fim de expandir o potencial de aplicação da estrutura de soldagem a laser de liga de alumínio de forma mais eficaz.
Laser de alta potência
A soldagem a laser é uma tecnologia que irradia laser de alta intensidade na superfície do metal e faz o metal derreter e então resfriar e cristalizar para formar uma solda através do acoplamento térmico entre o laser e o metal. De acordo com o mecanismo de ação térmica da soldagem a laser pode ser dividida em soldagem por condução térmica e soldagem de penetração profunda dois tipos, o primeiro é usado principalmente em soldagem de pacotes de peças de precisão ou micro e nano soldagem; O último frequentemente produz um pequeno efeito de furo semelhante à soldagem por feixe de elétrons no processo de soldagem, formando uma solda profunda e ampla. A realização da soldagem de penetração profunda a laser requer alta potência do laser, e há quatro tipos de laser de alta potência atualmente aplicados na soldagem de penetração profunda a laser.
1, laser de gás CO2
O meio de trabalho é gás CO2, saída de laser de comprimento de onda de 10,6 μm, de acordo com a estrutura de excitação do laser é dividido em fluxo transversal e fluxo axial de dois tipos. Embora a potência de saída do laser de CO2 de fluxo cruzado tenha atingido 150 kW, a qualidade do feixe é ruim e não é adequado para soldagem. O laser de CO2 de fluxo axial tem melhor qualidade de feixe e pode ser usado para soldar ligas de alumínio com alta refletividade do laser.
2, laser sólido YAG
O meio de trabalho é rubi, vidro de neodímio e granada de alumínio de ítrio dopado com neodímio, etc. O comprimento de onda de saída é laser de 1,06 μm. O laser YAG é mais facilmente absorvido pelo metal do que o laser de CO2 e é menos afetado pelo plasma, para transmissão de fibra, operação de soldagem flexível, boa acessibilidade à posição de solda, é o principal laser para soldagem de estrutura de liga de alumínio.
3, laser de fibra YLR
É um novo tipo de laser desenvolvido após 2002, usando fibra como material de matriz, dopando diferentes íons de terras raras, e a faixa de comprimento de onda de saída é de cerca de 1,08 μm, que também é transmissão de fibra. O uso revolucionário do laser de fibra de estrutura de fibra duplamente revestida, aumenta o comprimento da bomba, melhora a eficiência da bomba, de modo que a potência de saída do laser de fibra é bastante aumentada. Comparado com o laser YAG, o laser de fibra YLR aparece mais tarde, mas tem as vantagens de tamanho pequeno, baixo custo operacional, alta qualidade do feixe e alta potência do laser.
Pesquisa de aplicação em estrutura de soldagem a laser de liga de alumínio
Desde a década de 1990, com o desenvolvimento da ciência e da tecnologia, o surgimento de lasers de alta potência e alto brilho, integração da tecnologia de soldagem a laser, desenvolvimento inteligente, flexível e diversificado está se tornando mais maduro, mais atenção em casa e no exterior soldagem a laser em vários campos de aplicação de estrutura de liga de alumínio. Atualmente, alguns fabricantes de automóveis na China adotaram a tecnologia de soldagem a laser em alguns novos modelos, com o desenvolvimento da tecnologia de soldagem a laser para chapa grossa de liga de alumínio, a soldagem a laser será aplicada à estrutura de veículos blindados no futuro.
Para realizar a fabricação leve, a aplicação e a pesquisa de soldagem a laser de estrutura sanduíche de liga de alumínio na fabricação de estruturas de navios e trens de alta velocidade é o atual ponto de pesquisa. A liga de alumínio é um importante material estrutural metálico para estruturas aeroespaciais, então no Japão, Estados Unidos, Reino Unido, Alemanha e outros países desenvolvidos atribuem grande importância à pesquisa de tecnologia de soldagem a laser de liga de alumínio.
Com o desenvolvimento da tecnologia de soldagem a laser de fibra, o campo de fabricação de aviação de países avançados listou a soldagem a laser de fibra e a tecnologia de soldagem composta a arco a laser como o foco da tecnologia de soldagem de liga de alumínio, especialmente soldagem de chapa espessa e soldagem de metal dissimilar. Por exemplo, o projeto NALI nos Estados Unidos está realizando pesquisas sobre soldagem a laser de fibra e tecnologia de soldagem composta a arco a laser para a estrutura da câmara de combustão de aeronaves civis e motores de aeronaves JSF.
Características da soldagem a laser de liga de alumínio
Comparado com a soldagem por fusão convencional, a concentração de aquecimento da soldagem a laser de liga de alumínio, a relação entre a profundidade e a largura da solda é grande, a deformação da estrutura de soldagem é pequena, mas há algumas deficiências, resumidas a seguir:
(1) O pequeno diâmetro do ponto de foco do laser leva a altos requisitos para soldagem da peça de trabalho e precisão de montagem, geralmente a folga de montagem e a quantidade de bordas erradas precisam ser menores que 0.1 mm ou 10% da espessura da placa, o que aumenta a dificuldade de implementação da complexa estrutura de soldagem tridimensional
(2) Como a refletividade da liga de alumínio ao laser em temperatura ambiente é tão alta quanto 90%, a soldagem de penetração profunda a laser de liga de alumínio requer que o laser tenha uma alta potência. A pesquisa de soldagem a laser de chapa de liga de alumínio mostra que a soldagem de penetração profunda a laser de liga de alumínio depende do limite duplo de densidade de potência do laser e energia linear, que restringem conjuntamente o comportamento da poça de solda no processo de soldagem e finalmente refletem nas características de formação da solda. A otimização do processo da solda de penetração total pode ser avaliada pela razão de largura traseira das características de formação da costura de soldagem.
(3) O ponto de fusão da liga de alumínio é baixo, o fluxo de metal líquido é bom, forte vaporização do metal sob a ação do laser de alta potência, vapor de metal/nuvem de plasma fotoinduzida formada com efeito de pequeno orifício no processo de soldagem afeta a absorção da liga de alumínio da energia do laser, resultando em instabilidade do processo de soldagem de penetração profunda, solda propensa a porosidade, colapso da superfície, bordas e outros defeitos;
(4) A velocidade de aquecimento e resfriamento da soldagem a laser é rápida, e a dureza da solda é maior do que a do arco, mas devido à queima de elementos de liga na soldagem a laser da liga de alumínio, que afeta o fortalecimento da liga, a solda da liga de alumínio ainda tem o problema de amolecimento, reduzindo assim a resistência da junta soldada da liga de alumínio. Portanto, o principal problema da soldagem a laser da liga de alumínio é controlar defeitos de solda e melhorar o desempenho das juntas soldadas.
Tecnologia de controle de defeitos de soldagem a laser de liga de alumínio
Sob a ação do laser de alta potência, os principais defeitos das juntas de soldagem de penetração profunda a laser de liga de alumínio são porosidade, colapso da superfície e mordedura de borda, que podem ser melhorados pela soldagem de enchimento de fio a laser ou soldagem composta a arco a laser. É difícil controlar o defeito de porosidade da solda.
Os resultados de pesquisa existentes mostram que há dois tipos de poros característicos na soldagem de penetração profunda a laser de liga de alumínio. Um é poros metalúrgicos, que são causados pela poluição do material ou intrusão de ar no processo de soldagem como soldagem por fusão a arco. O outro tipo é a porosidade do processo, que é causada pela flutuação instável do pequeno furo inerente ao processo de soldagem de penetração profunda a laser.
No processo de soldagem de penetração profunda a laser, o furo frequentemente fica para trás do movimento do feixe devido ao efeito viscoso do metal líquido, e seu diâmetro e profundidade flutuam sob a influência do plasma/vapor metálico. Com o movimento do feixe e o fluxo do metal da poça de fusão, bolhas aparecem na ponta do furo na soldagem de penetração profunda não permeada devido ao fluxo do metal da poça de fusão, e bolhas aparecem na cintura estreita no meio do furo na soldagem de penetração profunda de penetração total. As bolhas migram e rolam com o fluxo do metal líquido, ou escapam da superfície da poça de fusão, ou são empurradas de volta para o pequeno furo, quando as bolhas são solidificadas pela poça de fusão e capturadas pela frente do metal, ou seja, tornam-se a porosidade da solda.
Obviamente, a porosidade do metal é controlada principalmente pelo controle do tratamento de superfície antes da soldagem e pela proteção razoável do gás durante a soldagem, e a chave da porosidade do processo é garantir a estabilidade do pequeno furo durante a soldagem de penetração profunda a laser. De acordo com a pesquisa de tecnologia de soldagem a laser doméstica, o controle da porosidade da soldagem de penetração profunda a laser de liga de alumínio deve ser considerado antes da soldagem, processo de soldagem, pós-tratamento de soldagem de vários elos, resumidos como os seguintes novos processos e novas tecnologias.
1, método de tratamento de pré-soldagem
O tratamento de superfície antes da soldagem é uma maneira eficaz de controlar os poros metalúrgicos da solda a laser de liga de alumínio. Geralmente, os métodos de tratamento de superfície têm limpeza física e mecânica, limpeza química e, nos últimos anos, houve limpeza por choque a laser, o que melhorará ainda mais o grau de automação da soldagem a laser.
2, controle de otimização de estabilidade de parâmetros
Os parâmetros do processo de soldagem a laser de liga de alumínio são geralmente principalmente potência do laser, desfoque, velocidade de soldagem e composição e fluxo de proteção de gás. Esses parâmetros afetam não apenas o efeito de proteção da área de soldagem, mas também a estabilidade do processo de soldagem de penetração profunda a laser, afetando assim a porosidade da solda. Por meio da soldagem de penetração profunda a laser de chapa de liga de alumínio, verifica-se que a estabilidade da penetração de pequenos furos afeta a estabilidade da poça de solda e, em seguida, afeta a formação da solda, resultando em defeitos de porosidade da solda. Além disso, a estabilidade da soldagem de penetração profunda a laser está relacionada à densidade de potência do laser e à correspondência de quantidade linear, portanto, determinar parâmetros de processo razoáveis de formação de solda estável é uma medida eficaz para controlar efetivamente a porosidade da solda a laser de liga de alumínio.
Os resultados mostram que a razão entre a largura da parte de trás da solda e a largura da superfície da solda (a razão entre a largura da parte de trás da solda) é usada para avaliar a formação da solda e a estabilidade da chapa de liga de alumínio. Quando a densidade de potência do laser e a energia da linha correspondem razoavelmente, a razão entre a parte de trás da solda e a largura pode ser garantida, e a porosidade da solda pode ser controlada efetivamente.
3, soldagem a laser de ponto duplo
A soldagem a laser de ponto duplo refere-se ao processo de soldagem no qual dois feixes de laser focados atuam na mesma poça de solda ao mesmo tempo. No processo de soldagem de penetração profunda a laser, uma das principais razões para a formação de porosidade é que o gás no pequeno orifício é encerrado na poça de solda pelo fechamento instantâneo. Quando a soldagem a laser de ponto duplo é usada, devido à ação de duas fontes de luz, a grande abertura do pequeno orifício é propícia à fuga do vapor metálico interno e também é propícia à estabilidade do pequeno orifício, de modo a reduzir a porosidade da solda. Estudos sobre soldagem a laser de ligas de alumínio A356, AA5083, 2024 e 5A90 mostram que a soldagem a laser de ponto duplo pode reduzir significativamente a porosidade da solda.
4, soldagem composta por arco a laser
A soldagem composta por arco a laser é um método de soldagem no qual o laser e o arco são aplicados à mesma poça de solda. Geralmente usando o laser como a principal fonte de calor, a interação entre o laser e o arco pode melhorar a profundidade da soldagem a laser e a velocidade da soldagem, e reduzir a precisão do conjunto de soldagem. A estabilidade dos furos de soldagem a laser pode ser melhorada usando arame de enchimento para controlar as propriedades da microestrutura das juntas soldadas, e o efeito auxiliar do arco pode ajudar a reduzir a porosidade da solda.
No processo de soldagem composta por arco a laser, o arco afeta a nuvem de vapor/plasma de metal induzida pelo processo a laser, o que é propício à absorção de energia do laser e à estabilidade de pequenos furos. Os resultados da soldagem composta por arco a laser de liga de alumínio também provaram sua eficácia.
5, soldagem a laser de fibra
O efeito de furo pequeno do processo de soldagem de penetração profunda a laser é devido à forte vaporização do metal sob a ação do laser. A força de vapor da vaporização do metal está intimamente relacionada à densidade de potência do laser e à qualidade do feixe, o que não afeta apenas a profundidade de penetração da soldagem a laser, mas também afeta a estabilidade de furos pequenos. A pesquisa de Seiji. Et al. sobre o laser de fibra de alta potência de aço inoxidável SUS304 mostra que a poça de solda é alongada durante a soldagem de alta velocidade, o que inibe respingos, a flutuação do furo pequeno é estável e a ponta do furo pequeno não tem bolhas. Quando o laser de fibra é usado para soldagem de alta velocidade de liga de titânio e liga de alumínio, uma solda sem porosidade também pode ser obtida. A pesquisa de Allen et al. sobre a tecnologia de controle de gás de proteção na soldagem a laser de fibra de liga de titânio mostra que, ao controlar a posição do gás de proteção de soldagem, o envolvimento do gás pode ser evitado, o tempo de fechamento de furos pequenos pode ser reduzido, os furos pequenos de soldagem podem ser estabilizados e o comportamento de solidificação da poça de solda pode ser alterado, reduzindo assim a porosidade da solda.
6, soldagem a laser pulsado
Comparado com a soldagem a laser contínua, a saída do laser adota o modo pulsante, que pode promover o fluxo periódico e estável da poça de fusão, o que é propício para o escape da bolha na poça de fusão e reduz a porosidade da solda. TY Kuo e SL Jeng estudaram a influência do modo de saída de potência do laser da soldagem a laser YAG na porosidade e propriedades das soldas de aço inoxidável SUS 304L e superliga inconel 690. Os resultados mostram que: Para soldagem a laser pulsado de onda quadrada, quando a potência base é 1700w, a porosidade da solda diminui com o aumento da amplitude do pulso ΔP, e a porosidade do aço inoxidável diminui de 2,1% para 0,5%, e a da superliga diminui de 7,1% para 0,5%.
7, tecnologia de processamento composto após soldagem
Em aplicações práticas de engenharia, mesmo que o tratamento de superfície seja rigoroso antes da soldagem e o processo de soldagem seja estável, a soldagem a laser de liga de alumínio inevitavelmente produzirá porosidade de solda, então o uso de tratamento pós-soldagem para eliminar a porosidade é muito importante. Atualmente, o método é principalmente soldagem modificada. A tecnologia de prensagem isostática a quente é um dos métodos para eliminar a porosidade e o encolhimento de peças fundidas de liga de alumínio, e é combinada com o tratamento térmico de estresse da liga de alumínio após a soldagem a laser para formar um processo composto de prensagem isostática a quente e tratamento térmico de componentes de soldagem a laser de liga de alumínio, que não apenas elimina a porosidade da solda, mas também melhora o desempenho da junta.
Devido às características da liga de alumínio, ainda há muitos problemas na aplicação da soldagem a laser de alta potência, o principal problema é controlar o defeito de porosidade da solda e melhorar a qualidade da soldagem. Para melhorar a estabilidade do processo de soldagem, o controle de engenharia da porosidade da solda a laser da liga de alumínio deve considerar todos os aspectos antes da soldagem, durante a soldagem e após a soldagem. Assim, muitas novas tecnologias e processos foram derivados, como limpeza a laser pré-soldagem, otimização do controle da razão de largura traseira dos parâmetros do processo de soldagem, soldagem a laser de feixe duplo, soldagem composta a arco a laser, soldagem a laser de pulso e soldagem a laser de fibra.
