Эксперты в области
металлобработки

Лазерная сварка алюминия

Алюминий и его сплавы – широко используемые в различных отраслях промышленности металлы, отличаются отличными параметрами физической прочности при незначительном удельном весе, устойчивостью к окислительным процессам и технологичностью. Но есть у алюминиевых сплавов и несколько проблемных сторон: высокая стоимость, сложность обработки пилением и сваркой.

 

 

 

Физические особенности алюминиевых сплавов

По параметрам отношения прочности к плотности отдельные алюминиевые сплавы существенно превосходят наиболее распространенные в промышленности углеродистые стали, в том числе и легированные. Исключение – титан и некоторые его сплавы, особо прочная сталь. Лазерной сваркой обрабатываются такие виды сплавов: Al-Mg (Амг6), Al-Mg-Si-Cu (АД37), AL-Cu (1201), AL-Mg-Sc (01570, 01545К), AL-Cu-Li-Sc (01421), AL-Cu-Li-Sc (01460), Al-Cu-Li (1461), AL-Mg-Li (01420,1424). Процесс сварки происходит при нагреве сплава до температуры плавления.

Кристаллическая структура и химический состав сплава являются определяющими факторами физических свойств шва. В центре сварного шва появляются дендритные образования, по направлению к периферии они укрупняются, а только после них образуются зоны рекристаллизированных зерен, переходящих в нормальную волокнистую структуру основного металла. На эти процессы можно влиять способами и режимами. За счет увеличения скорости кристаллизации при лазерной сварке удается исключить протекание в металле грубых интерметаллидных фаз.

Технология лазерной сварки

Первые успешные попытки внедрить лазерную сварку в промышленное производство сделаны во второй половине прошлого столетия. Большая энергия сфокусированного луча давала возможность получать необходимые температуры металла и сокращать непродуктивные потери энергии. Процесс сварки может делаться в двух режимах.

  1. Непрерывный режим. Участки свариваемых деталей нагреваются непрерывно, что позволяет достигать высоких температур и обрабатывать более толстые заготовки. Для уменьшения перегрева близлежащих зон используются охладительные устройства.
  2. Импульсный режим. Лазерный луч подается на поверхность импульсами, частота и мощность выставляются отдельно для каждого конкретного случая.

Специфика лазерной сварки алюминия – наличие порогового уровня мощности. При меньших значениях мощности расправление полностью отсутствует, что объясняется высоким коэффициентом отражения луча (до 0,97), большой теплоемкостью и теплопроводностью. В дальнейшем при повышении мощности коэффициент отражения резко понижается, металл интенсивно плавится, закипает, образуется парогазовый канал. Такие явления оказывают негативное влияние на качество сварного шва. Устраняются правильным подбором технологии процесса и точной корректировкой параметров по времени.

Пристальное внимание обращается и на форму шва: размер проплавленной зоны должен быть минимально возможным, провисание незначительным и не превышать 10% толщины материала. На эти параметры оказывает влияние скорость лазерной сварки.

По инженерным особенностям конструкций все агрегаты могут быть стационарными или мобильными.

 

 

Первые используются на крупнотоварных производствах при изготовлении больших партий идентичных изделий. Вторые применяются на индивидуальном рабочем месте, имеют небольшие размеры и характеристики мощности. В зависимости от типа лазеры могут быть твердотельными и газовыми. В каждом случае следует рассчитывать экономическую целесообразность покупки оборудования для лазерной сварки.

Твердотельные

Тело расположено внутри камеры, торцы отполированы до зеркального состояния, одно из которых полупрозрачное – пропускает волны заданной длины. Луч накачивается лампой возбуждения, во время накачки по очереди отражается от зеркальных торцов, выходит при достижении заданной интенсивности и подается на свариваемые поверхности для запуска сварки. Далее процесс повторяется.

Луч генерируется в стержне из искусственного рубина, стекла с добавкой неодима или алюмонатриевого граната с неодимом. По темпам роста популярности эти типы лазеров на первом месте, именно такие используются в мобильных и импульсных сварочных агрегатах.

Углекислотные

Газ запаивается в колбу, по торцам зеркала, одно из них полупроницаемое. Запуск током, далее луч отражается от поверхностей зеркал и выходит в рабочую зону после достижения заданных значений мощности лазерной сварки. Агрегаты сложные в изготовлении и работе, имеют значительные линейные размеры, но могут генерировать более мощные лучи.

Самыми известными являются лазеры, использующие нижние колебательные уровни CO2, возбуждение делается электрическими зарядами. КПД таких устройств в пределах 15%, пределы мощности при максимальной фокусировке 104–105 Вт/см2.

Достоинства лазерной сварки

За счет использования современной технологии удается добиваться уникальных свойств сварного шва.

  1. Высокое качество. Технология позволяет точно устанавливать и контролировать процессы, что минимизирует негативные явления из-за кристаллических изяенений металла. Установка в режиме онлайн проверяет процесс на всех стадиях.
  2. Универсальность. С помощью лазерной сварки есть возможность обрабатывать элементы и детали с различной конфигурацией шва.
  3. Высокая производительность и возможность полной автоматизации. На всех этапах сварочного процесса выполняется автоматическая проверка и регулировка режимов, качество шва не зависит от негативного влияния человеческого фактора.

Правильный выбор технологических параметров сварки позволяет работать в жестких термических циклах и минимизировать негативные кристаллические превращения металла в зоне термического влияния (уменьшение примерно в 5 раз в сравнении с аргонно-дуговой сваркой). Проблемы появляются при сварке термически закаленных алюминиевых сплавов – околошовная зона отпускается. Но ширина такой зоны примерно на 25% меньше, чем при других технологиях, что минимизирует неизбежные последствия. Предел прочности сварного шва составляет не менее 80% прочности основного металла.

 

 

Расплавленный алюминий быстро окисляется, что создает проблемы во время сварки традиционными технологиями – оксиды не разрушаются, поглощают газы и значительно ухудшают качество шва. Для уменьшения негативных влияний разрабатываются сложные технологии: в вакууме или среде инертных газов, флюсы и т д. Лазерная сварка дает возможность расплавлять оксиды и, соответственно, обходиться без них.

Недостатки технологии

Перечисленные ниже проблемы ограничивают применение технологии:

Они не играют критической роли при необходимости иметь высокое качество сварных швов и полной автоматизации технологического процесса.

На всех режимах лазерной сварки наблюдается так называемый эффект чешуйтости – металл закипает и резко волнообразно отвердевает. Максимально эффективно проблема устраняется при повторной сварке деталей расфокусированным лучом, за счет чего уменьшается нагрев и скорость остывания металла – он успевает выровняться.

Работа на оптимальных режимах значительно снижает деформацию металла при остывании, уменьшает процент испарения легирующих присадок. Улучшить качество шва можно использованием присадочной проволоки, решения должны приниматься с учетом максимального количества индивидуальных факторов свариваемых элементов.

Заключение

В последнее время возрастает интерес к совмещению лазерной сварки алюминия с наноструктурированием. Используются интенсивные пластические и ударные усилия для формирования мелкодисперсной структуры шва. На данном этапе технология на стадии разработки, промышленных действующих агрегатов нет.

Заявка на расчет