Lazer teknolojisi ve alüminyum alaşım geliştirme teknolojisinin gelişmesiyle birlikte, alüminyum alaşım lazer kaynak uygulama teknolojisi üzerinde temel araştırmaları daha da ilerletmek, yeni alüminyum alaşım lazer kaynak teknolojisi geliştirmek ve alüminyum alaşım lazer kaynak yapısının uygulama potansiyelini daha etkili bir şekilde genişletmek, böylece alüminyum alaşım lazer kaynak teknolojisinin uygulama durumunu ve geliştirme eğilimini anlamak özellikle önemlidir.
Yüksek mukavemetli alüminyum alaşımı yüksek özgül mukavemete, özgül sertliğe, iyi korozyon direncine, işleme performansına ve mekanik özelliklere sahiptir, havacılık, gemiler ve diğer ulaşım alanlarında yapısal hafif üretim için vazgeçilmez bir metal malzeme haline gelmiştir, bunların arasında uçaklar en çok kullanılmaktadır. Kaynak teknolojisi, yapısal malzemelerin kullanım oranını iyileştirmede, yapıların ağırlığını azaltmada ve karmaşık ve farklı malzemelerin düşük maliyetli üretimini gerçekleştirmede benzersiz avantajlara sahiptir, bunların arasında alüminyum alaşımlı lazer kaynak teknolojisi önemli bir noktadır.
Diğer kaynak yöntemleriyle karşılaştırıldığında, lazer kaynak, merkezi ısıtma, küçük termal hasar, büyük kaynak derinliği/genişlik oranı ve küçük kaynak deformasyonu avantajlarına sahiptir. Kaynak işlemi entegre edilmesi kolay, otomatik ve esnektir ve yüksek hızlı ve yüksek hassasiyetli kaynak gerçekleştirilebilir, özellikle karmaşık yapıların yüksek hassasiyetli kaynaklanması için uygundur.
Malzeme teknolojisinin gelişmesiyle birlikte, özellikle üçüncü nesil alüminyum lityum alaşımı olmak üzere çeşitli yüksek mukavemetli ve yüksek tokluğa sahip alüminyum alaşımları tanıtılmaya devam ediyor, yeni yüksek mukavemetli alüminyum alaşımlarının ortaya çıkması, alüminyum lazer kaynak teknolojisi daha fazla ve daha yüksek gereksinimleri ortaya koyarken, alüminyum alaşımlarının çeşitliliği de çeşitli yeni lazer kaynak sorunlarını beraberinde getirdi, bu nedenle bu sorunları derinlemesine incelemeli, Alüminyum alaşımlı lazer kaynak yapısının uygulama potansiyelini daha etkili bir şekilde genişletmeliyiz.
Yüksek güçlü lazer
Lazer kaynak, metal yüzeye yüksek yoğunluklu lazer yayan ve metali eritip daha sonra soğutarak ve lazer ile metal arasındaki termal bağlantı yoluyla bir kaynak oluşturmak için kristalleştirerek yapan bir teknolojidir. Lazer kaynağının termal etki mekanizmasına göre, termal iletim kaynağı ve derin penetrasyon kaynağı olmak üzere iki türe ayrılabilir, ilki esas olarak hassas parça paketi kaynağında veya mikro ve nano kaynakta kullanılır; ikincisi genellikle kaynak işleminde elektron ışını kaynağına benzer küçük bir delik etkisi üreterek derin ve geniş bir kaynak oluşturur. Lazer derin penetrasyon kaynağının gerçekleştirilmesi yüksek lazer gücü gerektirir ve şu anda lazer derin penetrasyon kaynağında uygulanan dört tür yüksek güçlü lazer vardır.
1, CO2 gaz lazeri
Çalışma ortamı CO2 gazıdır, çıkış 10.6μm dalga boyu lazerdir, lazer uyarım yapısına göre enine akış ve eksenel akış olmak üzere iki türe ayrılır. Çapraz akışlı CO2 lazerin çıkış gücü 150kW'a ulaşmış olsa da ışın kalitesi zayıftır ve kaynak için uygun değildir. Eksenel akışlı CO2 lazer daha iyi ışın kalitesine sahiptir ve yüksek lazer yansıtıcılığına sahip alüminyum alaşımlarının kaynağında kullanılabilir.
2, YAG katı lazer
Çalışma ortamı yakut, neodimyum cam ve neodimyum katkılı itriyum alüminyum garnet vb.'dir. Çıkış dalga boyu 1,06 μm lazerdir. YAG lazer, CO2 lazerden daha kolay metal tarafından emilir ve plazmadan daha az etkilenir, fiber iletimi, esnek kaynak işlemi, iyi kaynak pozisyonu erişilebilirliği için, alüminyum alaşımlı yapıların kaynaklanması için ana lazerdir.
3, YLR fiber lazer
2002'den sonra geliştirilen, matris malzemesi olarak fiber kullanan, farklı nadir toprak iyonlarını dopingleyen ve çıkış dalga boyu aralığı yaklaşık 1,08 μm olan yeni bir lazer türüdür, bu da fiber iletimidir. Fiber lazer, çift kaplamalı fiber yapısının devrim niteliğindeki kullanımını, pompa uzunluğunu artırır, pompa verimliliğini iyileştirir, böylece fiber lazerin çıkış gücü büyük ölçüde artar. YAG lazerle karşılaştırıldığında, YLR fiber lazer daha sonra ortaya çıkar, ancak küçük boyut, düşük işletme maliyeti, yüksek ışın kalitesi ve yüksek lazer gücü avantajlarına sahiptir.
Alüminyum alaşımının lazer kaynak yapısı üzerine uygulama araştırması
1990'lardan bu yana, bilim ve teknolojinin gelişmesiyle birlikte, yüksek güçlü yüksek parlaklıklı lazerlerin ortaya çıkması, lazer kaynak teknolojisi entegrasyonu, akıllı, esnek, çeşitlendirilmiş gelişme daha olgun hale geliyor, yurtiçinde ve yurtdışında alüminyum alaşımlı yapı uygulamasının çeşitli alanlarında lazer kaynağına daha fazla dikkat ediliyor. Şu anda, Çin'deki bazı otomobil üreticileri bazı yeni modellerde lazer kaynak teknolojisini benimsemiştir, alüminyum alaşımlı kalın levha için lazer kaynak teknolojisinin geliştirilmesiyle birlikte, gelecekte zırhlı araç yapısına lazer kaynak uygulanacaktır.
Hafif üretimi gerçekleştirmek için, gemi ve yüksek hızlı tren yapı imalatında alüminyum alaşımlı sandviç yapının lazer kaynaklanmasının uygulanması ve araştırılması güncel araştırma merkezidir. Alüminyum alaşımı, havacılık yapıları için önemli bir metal yapı malzemesidir, bu nedenle Japonya, Amerika Birleşik Devletleri, Birleşik Krallık, Almanya ve diğer gelişmiş ülkeler alüminyum alaşımlı lazer kaynak teknolojisi araştırmalarına büyük önem vermektedir.
Fiber lazer kaynak teknolojisinin gelişmesiyle birlikte, gelişmiş ülkelerin havacılık üretim alanı, özellikle kalın levha kaynak ve farklı metal kaynak olmak üzere, alüminyum alaşım kaynak teknolojisinin odak noktası olarak fiber lazer kaynak ve lazer ark kompozit kaynak teknolojisini listelemiştir. Örneğin, ABD'deki NALI projesi, sivil uçakların ve JSF uçak motorlarının yanma odası yapısı için fiber lazer kaynak ve lazer ark kompozit kaynak teknolojisi üzerine araştırmalar yürütmektedir.
Alüminyum alaşımının lazer kaynağının özellikleri
Geleneksel füzyon kaynağı ile karşılaştırıldığında, alüminyum alaşımlı lazer kaynağı ısıtma konsantrasyonu, kaynak derinliği/genişlik oranı büyüktür, kaynak yapısı deformasyonu küçüktür, ancak bazı eksiklikleri vardır, bunlar aşağıda özetlenmiştir:
(1) Lazer odaklama noktasının küçük çapı, iş parçası kaynaklama ve montaj doğruluğu için yüksek gereksinimlere yol açar, genellikle montaj boşluğu ve yanlış kenar miktarının 0.1 mm'den veya plaka kalınlığının %10'undan az olması gerekir, bu da karmaşık üç boyutlu kaynak yapısının uygulanmasının zorluğunu artırır
(2) Alüminyum alaşımının oda sıcaklığında lazere yansıtıcılığı %90 kadar yüksek olduğundan, alüminyum alaşımının lazerle derin penetrasyon kaynağı, lazerin yüksek güce sahip olmasını gerektirir. Alüminyum alaşım levhalarının lazerle kaynaklanması araştırması, alüminyum alaşımının lazerle derin penetrasyon kaynağının, kaynak havuzunun davranışını kaynak işleminde birlikte kısıtlayan ve son olarak kaynağın şekillendirme özelliklerine yansıyan lazer güç yoğunluğu ve doğrusal enerjinin çift eşiğine bağlı olduğunu göstermektedir. Tam penetrasyon kaynağının işlem optimizasyonu, kaynak dikişi oluşturma özelliklerinin arka genişlik oranı ile değerlendirilebilir.
(3) Alüminyum alaşımının erime noktası düşüktür, sıvı metal akışı iyidir, yüksek güçlü lazerin etkisi altında güçlü metal buharlaşması, kaynak işleminde küçük delik etkisiyle oluşan metal buharı/fotoindüklenmiş plazma bulutu, alüminyum alaşımının lazer enerjisi emilimini etkiler, bunun sonucunda derin penetrasyon kaynak işlemi kararsızlığı, gözenekliliğe, yüzey çökmesine, kenar ve diğer kusurlara eğilimli kaynak oluşur;
(4) Lazer kaynak ısıtma ve soğutma hızı hızlıdır ve kaynak sertliği arkınkinden daha yüksektir, ancak alüminyum alaşımının lazer kaynağında alaşım elementlerinin yanması nedeniyle alaşımın güçlendirilmesi etkilenir, alüminyum alaşım kaynağı hala yumuşama sorununa sahiptir, böylece alüminyum alaşım kaynaklı eklemin mukavemeti azalır. Bu nedenle, alüminyum alaşımının lazer kaynağının temel sorunu kaynak kusurlarını kontrol etmek ve kaynaklı eklemlerin performansını iyileştirmektir.
Alüminyum alaşımının lazer kaynak kusur kontrol teknolojisi
Yüksek güçlü lazerin etkisi altında, alüminyum alaşımlı lazer derin penetrasyon kaynak bağlantılarının ana kusurları gözeneklilik, yüzey çökmesi ve kenar ısırmasıdır; bunlar lazer tel dolgu kaynağı veya lazer ark kompozit kaynağı ile iyileştirilebilir. Kaynaktaki gözeneklilik kusurunu kontrol etmek zordur.
Mevcut araştırma sonuçları, alüminyum alaşımının lazer derin penetrasyon kaynağında iki tür karakteristik gözenek olduğunu göstermektedir. Biri, ark eritme kaynağı gibi kaynak işlemlerinde malzeme kirliliği veya hava girişi nedeniyle oluşan metalurjik gözeneklerdir. Diğer tür ise lazer derin penetrasyon kaynak işleminde bulunan küçük deliğin dengesiz dalgalanmasından kaynaklanan işlem gözenekliliğidir.
Lazer derin penetrasyon kaynak işleminde, delik genellikle sıvı metalin viskoz etkisinden dolayı ışın hareketinin gerisinde kalır ve çapı ve derinliği plazma/metal buharının etkisi altında dalgalanır. Işının hareketi ve erimiş havuz metalinin akışıyla, erimiş havuz metalinin akışı nedeniyle geçirgen olmayan derin penetrasyon kaynağında deliğin ucunda kabarcıklar belirir ve tam penetrasyonlu derin penetrasyon kaynağında deliğin ortasındaki dar belde kabarcıklar belirir. Kabarcıklar sıvı metal akışıyla göç eder ve yuvarlanır veya erimiş havuzun yüzeyinden kaçar veya kabarcıklar erimiş havuz tarafından katılaştırıldığında ve metal cephesi tarafından yakalandığında, yani kaynak gözenekliliği haline geldiğinde küçük deliğe geri itilir.
Açıkçası, metal gözenekliliği esas olarak kaynak öncesi yüzey işleme kontrolü ve kaynak sırasında makul gaz koruması ile kontrol edilir ve işlem gözenekliliğinin anahtarı, lazer derin penetrasyon kaynağı sırasında küçük deliğin stabilitesini sağlamaktır. Yurt içi lazer kaynak teknolojisi araştırmasına göre, alüminyum alaşımlı lazer derin penetrasyon kaynak gözenekliliği kontrolü kaynak öncesi, kaynak işlemi, çeşitli bağlantıların kaynak sonrası işlemi olarak düşünülmelidir, aşağıdaki yeni işlemler ve yeni teknolojiler olarak özetlenmiştir.
1, kaynak öncesi işlem yöntemi
Kaynak öncesi yüzey işlemi, alüminyum alaşımlı lazer kaynak metalurjik gözeneklerini kontrol etmenin etkili bir yoludur, genellikle yüzey işleme yöntemleri fiziksel ve mekanik temizleme, kimyasal temizleme içerir, son yıllarda lazer şoku temizliği yapılmıştır, bu da lazer kaynağının otomasyon derecesini daha da artıracaktır.
2, parametre kararlılığı optimizasyon kontrolü
Alüminyum alaşımlı lazer kaynak işlemi parametreleri genellikle esas olarak lazer gücü, odak dışı bırakma, kaynak hızı ve gaz koruma bileşimi ve akışıdır. Bu parametreler yalnızca kaynak alanının koruma etkisini değil, aynı zamanda lazer derin penetrasyon kaynak işleminin kararlılığını da etkiler ve böylece kaynağın gözenekliliğini etkiler. Alüminyum alaşımlı sacın lazer derin penetrasyon kaynağı yoluyla, küçük delik penetrasyonunun kararlılığının kaynak havuzunun kararlılığını etkilediği ve daha sonra kaynak gözenekliliği kusurlarıyla sonuçlanan kaynak oluşumunu etkilediği bulunmuştur. Dahası, lazer derin penetrasyon kaynağının kararlılığı lazer güç yoğunluğu ve doğrusal miktar eşleşmesiyle ilgilidir, bu nedenle kararlı kaynak oluşumunun makul işlem parametrelerini belirlemek, alüminyum alaşımlı lazer kaynağının gözenekliliğini etkili bir şekilde kontrol etmek için etkili bir önlemdir.
Sonuçlar, kaynak arkasının genişliğinin kaynak yüzeyinin genişliğine oranının (kaynak arkası genişliğinin oranı) alüminyum alaşımlı sacın kaynak oluşumunu ve kararlılığını değerlendirmek için kullanıldığını göstermektedir. Lazer güç yoğunluğu ve çizgi enerjisi makul bir şekilde eşleştiğinde, kaynak arkası genişlik oranı garanti edilebilir ve kaynak gözenekliliği etkili bir şekilde kontrol edilebilir.
3, çift nokta lazer kaynağı
Çift nokta lazer kaynağı, iki odaklanmış lazer ışınının aynı anda aynı kaynak havuzuna etki ettiği kaynak işlemini ifade eder. Lazer derin penetrasyon kaynak işleminde, gözenekliliğin oluşmasının başlıca nedenlerinden biri, küçük deliğin içindeki gazın anında kapanma ile kaynak havuzuna hapsedilmesidir. Çift nokta lazer kaynağı kullanıldığında, iki ışık kaynağının etkisi nedeniyle, küçük deliğin geniş açıklığı iç metal buharının kaçmasına elverişlidir ve ayrıca küçük deliğin stabilitesine elverişlidir, böylece kaynak gözenekliliği azalır. A356, AA5083, 2024 ve 5A90 alüminyum alaşımlarının lazer kaynağı üzerine yapılan çalışmalar, çift nokta lazer kaynağının kaynak gözenekliliğini önemli ölçüde azaltabileceğini göstermektedir.
4, lazer ark kompozit kaynak
Lazer ark kompozit kaynak, lazer ve arkın aynı kaynak havuzuna uygulandığı bir kaynak yöntemidir. Genellikle ana ısı kaynağı olarak lazer kullanılarak, lazer ve ark arasındaki etkileşim lazer kaynak derinliğini ve kaynak hızını iyileştirebilir ve kaynak montaj doğruluğunu azaltabilir. Kaynaklı bağlantıların mikro yapı özelliklerini kontrol etmek için dolgu teli kullanılarak lazer kaynak deliklerinin kararlılığı iyileştirilebilir ve arkın yardımcı etkisi, kaynağın gözenekliliğini azaltmaya yardımcı olabilir.
Lazer ark kompozit kaynak işleminde ark, lazer işlemiyle oluşturulan metal buharını/plazma bulutunu etkiler ve bu da lazer enerjisinin emilmesine ve küçük deliklerin kararlılığına yardımcı olur. Alüminyum alaşımının lazer ark kompozit kaynak işleminin sonuçları da etkinliğini kanıtlamıştır.
5, fiber lazer kaynak
Lazer derin penetrasyon kaynak işleminin küçük delik etkisi, lazerin etkisi altında metalin güçlü buharlaşmasından kaynaklanır. Metal buharlaşmasının buhar kuvveti, lazer güç yoğunluğu ve ışın kalitesiyle yakından ilişkilidir; bu, yalnızca lazer kaynağının penetrasyon derinliğini etkilemekle kalmaz, aynı zamanda küçük deliklerin kararlılığını da etkiler. Seiji. vd.'nin SUS304 paslanmaz çelik yüksek güçlü fiber lazer üzerindeki araştırması, kaynak havuzunun yüksek hızlı kaynak sırasında uzadığını, bunun da sıçramayı engellediğini, küçük delik dalgalanmasının sabit olduğunu ve küçük delik ucunda kabarcık olmadığını göstermektedir. Fiber lazer, titanyum alaşımı ve alüminyum alaşımının yüksek hızlı kaynağı için kullanıldığında, gözeneksiz bir kaynak da elde edilebilir. Allen vd.'nin titanyum alaşımlı fiber lazer kaynağında koruyucu gazın kontrol teknolojisi üzerine araştırması, kaynak koruyucu gazının konumunu kontrol ederek gaz katılımının önlenebileceğini, küçük deliklerin kapanma süresinin azaltılabileceğini, kaynak küçük deliklerinin stabilize edilebileceğini ve kaynak havuzunun katılaşma davranışının değiştirilebileceğini, böylece kaynağın gözenekliliğinin azaltılabileceğini göstermektedir.
6, darbeli lazer kaynak
Sürekli lazer kaynağı ile karşılaştırıldığında, lazer çıkışı, erimiş havuzun periyodik ve kararlı akışını teşvik edebilen ve erimiş havuzdaki kabarcığın kaçmasına yardımcı olan ve kaynağın gözenekliliğini azaltan titreşimli modu benimser. TY Kuo ve SL Jeng, YAG lazer kaynağının lazer güç çıkış modunun SUS 304L paslanmaz çelik ve inconel 690 süper alaşım kaynaklarının gözenekliliği ve özellikleri üzerindeki etkisini incelediler. Sonuçlar şunu göstermektedir: Kare dalga darbeli lazer kaynağı için, taban gücü 1700w olduğunda, kaynağın gözenekliliği darbe genliği ΔP arttıkça azalmakta ve paslanmaz çeliğin gözenekliliği %2,1'den %0,5'e, süper alaşımın gözenekliliği ise %7,1'den %0,5'e düşmektedir.
7, kaynak sonrası kompozit işleme teknolojisi
Pratik mühendislik uygulamalarında, kaynak öncesi yüzey işlemi sıkı olsa ve kaynak işlemi stabil olsa bile, alüminyum alaşımının lazerle kaynaklanması kaçınılmaz olarak kaynak gözenekliliği üretecektir, bu nedenle gözenekliliği ortadan kaldırmak için kaynak sonrası işlemin kullanılması çok önemlidir. Şu anda, yöntem esas olarak modifiye edilmiş kaynaktır. Sıcak izostatik presleme teknolojisi, alüminyum alaşımlı dökümlerin gözenekliliğini ve büzülmesini ortadan kaldırma yöntemlerinden biridir ve lazer kaynak sonrası alüminyum alaşımının gerilim ısıl işlemiyle birleştirilerek, yalnızca kaynağın gözenekliliğini ortadan kaldırmakla kalmayıp aynı zamanda birleştirme performansını da iyileştiren sıcak izostatik presleme ve alüminyum alaşımlı lazer kaynak bileşenlerinin ısıl işleminin kompozit bir sürecini oluşturur.
Alüminyum alaşımının özellikleri nedeniyle, yüksek güçlü lazer kaynağının uygulanmasında hala birçok sorun vardır, ana sorun kaynağın gözeneklilik kusurunu kontrol etmek ve kaynak kalitesini iyileştirmektir. Kaynak işleminin kararlılığını iyileştirmek için, alüminyum alaşımının lazer kaynak gözenekliliğinin mühendislik kontrolü, kaynak öncesi, kaynak sırasında ve kaynak sonrası tüm yönleri dikkate almalıdır. Böylece, kaynak öncesi lazer temizliği, kaynak işlemi parametreleri geri genişlik oranı kontrol optimizasyonu, çift ışınlı lazer kaynağı, lazer ark kompozit kaynağı, darbeli lazer kaynağı ve fiber lazer kaynağı gibi birçok yeni teknoloji ve işlem türetilmiştir.
