Руководство по процессу лазерной точечной сварки

В связи с все более широким применением новых материалов, таких как алюминиевые сплавы, титановые сплавы и композитные материалы, внедрение новых технологий сварки для замены традиционных методов соединения стало основной тенденцией. Это имеет большое значение для аэрокосмической продукции. Высокая точность и гибкость лазерной точечной сварки делают ее весьма выгодной в реальном производстве, особенно в аэрокосмической отрасли, поскольку она может заменить традиционные процессы контактной точечной сварки и клепки.

Лазерная точечная сварка подразумевает расплавление и соединение заготовок в одном и том же месте с помощью одного лазерного импульса (t>1 мс) или серии лазерных импульсов.

Использование лазера в качестве источника тепла обеспечивает высокую скорость, высокую точность, низкий подвод тепла и минимальную деформацию заготовки.

Значительно расширяется свобода выбора положения при точечной сварке, что позволяет выполнять точечную сварку во всех положениях и легко достигать односторонней точечной сварки, тем самым значительно расширяя возможности проектирования изделий.

Лазерная точечная сварка предъявляет менее строгие требования к размерам нахлесточного соединения; ограничения по таким параметрам, как перекрытие и расстояние между точками сварки, минимальны, и не требуется учитывать влияние шунтирования тока.

Производительность лазерной точечной сварки превосходит традиционные методы точечной сварки для пластин неравной толщины, разнородных материалов и специальных материалов (алюминиевые сплавы, оцинкованные листы).

Требуется меньше вспомогательного оборудования, что позволяет быстро адаптироваться к изменениям в продукции и удовлетворять требованиям рынка.

Трещины, пористость и разрушение являются наиболее распространенными дефектами лазерной точечной сварки. Ниже они анализируются по отдельности.

Трещины делятся на поверхностные и продольные. Скорость нагрева и охлаждения в процессе лазерной точечной сварки очень высока, что приводит к большому температурному градиенту между зоной нагрева и окружающим металлом, повышая вероятность образования трещин. Образование трещин сильно зависит от материала; например, алюминиевые сплавы гораздо более склонны к растрескиванию при лазерной точечной сварке, чем нержавеющая сталь. Оптимизация формы импульса для контроля скорости охлаждения во время затвердевания металла и снижение внутренних напряжений являются эффективными методами подавления образования трещин.

Дефекты пористости в лазерных точечных сварных швах можно разделить на малую и большую пористость. Малая пористость в основном вызвана уменьшением растворимости водорода в жидком металле во время затвердевания, а также быстрым испарением металла в сквозном отверстии и нарушением целостности расплавленной ванны. Большая пористость в основном вызвана чрезмерно высокой скоростью охлаждения во время лазерной точечной сварки, что приводит к недостаточному времени для заполнения пространства вокруг сварочной ванны. Как правило, при точечной сварке с длинным импульсом образуется небольшая пористость, тогда как при коротких импульсах — большая.

При лазерной точечной сварке пористость чаще всего возникает в двух местах: вблизи зоны плавления в центре сварного шва и в корне сварного шва. Рентгеновские снимки процесса плавления показывают, что пористость вблизи зоны плавления в основном вызвана сужением при закрытии сварочной ванны; пористость в корне сварного шва в основном обусловлена ​​быстрым исчезновением лазерного луча после образования сварочной ванны, что приводит к ее разрушению.

Схлопывание — очень заметное явление при лазерной точечной сварке. Схлопывание в центре и накопление металла вокруг сварного шва вызваны силой отдачи, возникающей при испарении металла, которая выталкивает жидкий металл к поверхности шва. Во время охлаждения накопленный на поверхности металл быстро затвердевает и не может полностью заполнить пространство. Кроме того, быстрое испарение металла и потеря материала из-за разбрызгивания также способствуют схлопыванию в центре. Время импульса оказывает существенное влияние на схлопывание поверхности сварного шва и образование пористости; оптимизация формы и времени импульса может обеспечить получение удовлетворительных сварных швов.

Изменения в расфокусировке напрямую влияют на диаметр пятна и плотность энергии. Увеличение величины расфокусировки как в отрицательном, так и в положительном направлениях означает увеличение диаметра пятна и уменьшение плотности энергии. При лазерной точечной сварке существует определенная корреляция между диаметром пятна и начальным размером сквозного отверстия, образующегося на заготовке под действием падающего лазера, в то время как плотность энергии определяет скорость расширения расплавленной ванны.