Con el desarrollo de la tecnología láser y la tecnología de desarrollo de aleación de aluminio, es particularmente importante realizar más investigaciones básicas sobre la tecnología de aplicación de soldadura láser de aleación de aluminio, desarrollar nueva tecnología de soldadura láser de aleación de aluminio y expandir de manera más efectiva el potencial de aplicación de la estructura de soldadura láser de aleación de aluminio, para comprender el estado de la aplicación y la tendencia de desarrollo de la tecnología de soldadura láser de aleación de aluminio.
La aleación de aluminio de alta resistencia tiene una alta resistencia específica, rigidez específica, buena resistencia a la corrosión, rendimiento de procesamiento y propiedades mecánicas, se ha convertido en un material metálico indispensable para la fabricación de estructuras ligeras en la industria aeroespacial, los barcos y otros campos de transporte, entre los que los aviones son los más utilizados. La tecnología de soldadura tiene ventajas únicas en la mejora de la tasa de utilización de materiales estructurales, la reducción del peso de las estructuras y la realización de la fabricación a bajo costo de materiales complejos y diferentes, entre los que la tecnología de soldadura láser de aleación de aluminio es un punto caliente.
En comparación con otros métodos de soldadura, la soldadura láser tiene las ventajas de un calentamiento centralizado, un daño térmico reducido, una gran relación entre la profundidad y el ancho de la soldadura y una pequeña deformación de la soldadura. El proceso de soldadura es fácil de integrar, automatizado y flexible, y se puede realizar una soldadura de alta velocidad y alta precisión, especialmente adecuada para la soldadura de alta precisión de estructuras complejas.
Con el desarrollo de la tecnología de materiales, se siguen introduciendo una variedad de aleaciones de aluminio de alta resistencia y alta tenacidad, especialmente la tercera generación de aleación de aluminio y litio, la aparición de nuevas aleaciones de aluminio de alta resistencia, la tecnología de soldadura láser de aluminio presentó más y mayores requisitos, mientras que la diversidad de aleaciones de aluminio también trajo una variedad de nuevos problemas de soldadura láser, por lo que debemos estudiar en profundidad estos problemas, para expandir el potencial de aplicación de la estructura de soldadura láser de aleación de aluminio de manera más efectiva.
Láser de alta potencia
La soldadura láser es una tecnología que irradia láser de alta intensidad sobre la superficie del metal y hace que el metal se funda y luego se enfríe y cristalice para formar una soldadura a través del acoplamiento térmico entre el láser y el metal. De acuerdo con el mecanismo de acción térmica de la soldadura láser se puede dividir en soldadura por conducción térmica y soldadura por penetración profunda de dos tipos, la primera se utiliza principalmente en la soldadura de paquetes de piezas de precisión o en la soldadura micro y nano; la última a menudo produce un efecto de pequeño orificio similar a la soldadura por haz de electrones en el proceso de soldadura, formando una soldadura profunda y ancha. La realización de la soldadura por penetración profunda por láser requiere una alta potencia láser, y existen cuatro tipos de láser de alta potencia que se aplican actualmente en la soldadura por penetración profunda por láser.
1, láser de gas CO2
El medio de trabajo es gas CO2, la salida del láser es de 10,6 μm de longitud de onda, de acuerdo con la estructura de excitación del láser se divide en dos tipos: flujo transversal y flujo axial. Aunque la potencia de salida del láser de CO2 de flujo transversal ha alcanzado los 150 kW, la calidad del haz es deficiente y no es adecuado para la soldadura. El láser de CO2 de flujo axial tiene una mejor calidad del haz y se puede utilizar para soldar aleaciones de aluminio con alta reflectividad láser.
2, láser sólido YAG
El medio de trabajo es rubí, vidrio de neodimio y granate de itrio y aluminio dopado con neodimio, etc. La longitud de onda de salida es láser de 1,06 μm. El láser YAG es absorbido más fácilmente por el metal que el láser de CO2 y se ve menos afectado por el plasma, para la transmisión de fibra, operación de soldadura flexible, buena accesibilidad a la posición de soldadura, es el láser principal para soldar estructuras de aleación de aluminio.
3, láser de fibra YLR
Es un nuevo tipo de láser desarrollado después de 2002, que utiliza fibra como material de matriz, dopando diferentes iones de tierras raras y el rango de longitud de onda de salida es de aproximadamente 1,08 μm, que también es transmisión de fibra. El láser de fibra utiliza revolucionariamente la estructura de fibra de doble revestimiento, aumenta la longitud de bombeo, mejora la eficiencia de bombeo, de modo que la potencia de salida del láser de fibra aumenta considerablemente. En comparación con el láser YAG, el láser de fibra YLR apareció más tarde, pero tiene las ventajas de tamaño pequeño, bajo costo operativo, alta calidad del haz y alta potencia láser.
Investigación de aplicaciones en la estructura de aleación de aluminio soldada por láser
Desde la década de 1990, con el desarrollo de la ciencia y la tecnología, la aparición de láseres de alta potencia y alto brillo, la integración de la tecnología de soldadura láser, el desarrollo inteligente, flexible y diversificado se está volviendo más maduro, más atención en el país y en el extranjero a la soldadura láser en varios campos de aplicación de la estructura de aleación de aluminio. En la actualidad, algunos fabricantes de automóviles en China han adoptado la tecnología de soldadura láser en algunos modelos nuevos, con el desarrollo de la tecnología de soldadura láser para placas gruesas de aleación de aluminio, la soldadura láser se aplicará a la estructura de vehículos blindados en el futuro.
Para lograr una fabricación liviana, la aplicación e investigación de la soldadura láser de estructuras tipo sándwich de aleación de aluminio en la fabricación de estructuras de barcos y trenes de alta velocidad es el foco de investigación actual. La aleación de aluminio es un material estructural metálico importante para las estructuras aeroespaciales, por lo que en Japón, Estados Unidos, Reino Unido, Alemania y otros países desarrollados se le da gran importancia a la investigación de la tecnología de soldadura láser de aleación de aluminio.
Con el desarrollo de la tecnología de soldadura por láser de fibra, el campo de fabricación de aviación de los países avanzados ha incluido la soldadura por láser de fibra y la tecnología de soldadura de compuestos por arco láser como el foco de la tecnología de soldadura de aleaciones de aluminio, especialmente la soldadura de placas gruesas y la soldadura de metales diferentes. Por ejemplo, el proyecto NALI en los Estados Unidos está llevando a cabo investigaciones sobre la tecnología de soldadura por láser de fibra y la tecnología de soldadura de compuestos por arco láser para la estructura de la cámara de combustión de los motores de aviones civiles y de aviones JSF.
Características de la soldadura láser de aleación de aluminio
En comparación con la soldadura por fusión convencional, la concentración de calentamiento de la soldadura láser de aleación de aluminio, la relación entre la profundidad y el ancho de la soldadura es grande, la deformación de la estructura de la soldadura es pequeña, pero existen algunas deficiencias, que se resumen a continuación:
(1) El pequeño diámetro del punto de enfoque del láser genera altos requisitos para la soldadura de la pieza de trabajo y la precisión del ensamblaje; por lo general, el espacio de ensamblaje y la cantidad de bordes incorrectos deben ser menores a 0,1 mm o el 10 % del espesor de la placa, lo que aumenta la dificultad de la implementación de la compleja estructura de soldadura tridimensional.
(2) Debido a que la reflectividad de la aleación de aluminio al láser a temperatura ambiente es tan alta como 90%, la soldadura de penetración profunda láser de aleación de aluminio requiere que el láser tenga una alta potencia. La investigación de la soldadura láser de láminas de aleación de aluminio muestra que la soldadura de penetración profunda láser de aleación de aluminio depende del doble umbral de densidad de potencia láser y energía lineal, que restringen conjuntamente el comportamiento del baño de soldadura en el proceso de soldadura y finalmente se reflejan en las características de formación de la soldadura. La optimización del proceso de la soldadura de penetración completa se puede evaluar por la relación de ancho posterior de las características de formación de la costura de soldadura.
(3) El punto de fusión de la aleación de aluminio es bajo, el flujo de metal líquido es bueno, la fuerte vaporización del metal bajo la acción del láser de alta potencia, la nube de vapor de metal/plasma fotoinducido formada con un pequeño efecto de orificio en el proceso de soldadura afecta la absorción de la energía del láser en la aleación de aluminio, lo que resulta en una inestabilidad del proceso de soldadura de penetración profunda, soldadura propensa a porosidad, colapso de la superficie, bordes y otros defectos;
(4) La velocidad de calentamiento y enfriamiento de la soldadura láser es rápida y la dureza de la soldadura es mayor que la del arco, pero debido a la quema de elementos de aleación en la soldadura láser de aleación de aluminio, que afecta el fortalecimiento de la aleación, la soldadura de aleación de aluminio todavía tiene el problema del ablandamiento, reduciendo así la resistencia de la junta soldada de aleación de aluminio. Por lo tanto, el principal problema de la soldadura láser de aleación de aluminio es controlar los defectos de soldadura y mejorar el rendimiento de las juntas soldadas.
Tecnología de control de defectos de soldadura láser de aleación de aluminio
Bajo la acción del láser de alta potencia, los principales defectos de las uniones soldadas por penetración profunda con láser de aleación de aluminio son la porosidad, el colapso de la superficie y el mordisco de los bordes, que se pueden mejorar mediante la soldadura por relleno de alambre con láser o la soldadura compuesta por arco láser. Es difícil controlar el defecto de porosidad de la soldadura.
Los resultados de las investigaciones existentes muestran que existen dos tipos de poros característicos en la soldadura por penetración profunda con láser de aleaciones de aluminio. Uno son los poros metalúrgicos, que son causados por la contaminación del material o la intrusión de aire en el proceso de soldadura, como la soldadura por arco de fusión. El otro tipo es la porosidad del proceso, que es causada por la fluctuación inestable del pequeño orificio inherente al proceso de soldadura por penetración profunda con láser.
En el proceso de soldadura por penetración profunda con láser, el orificio suele quedar rezagado con respecto al movimiento del haz debido al efecto viscoso del metal líquido, y su diámetro y profundidad fluctúan bajo la influencia del plasma/vapor de metal. Con el movimiento del haz y el flujo de metal fundido en el baño, aparecen burbujas en la punta del orificio en la soldadura por penetración profunda no permeada debido al flujo de metal fundido en el baño, y aparecen burbujas en la cintura estrecha en el medio del orificio en la soldadura por penetración profunda de penetración completa. Las burbujas migran y ruedan con el flujo de metal líquido, o escapan de la superficie del baño fundido, o son empujadas de nuevo al orificio pequeño, cuando el baño fundido solidifica las burbujas y las captura el frente del metal, es decir, se convierten en la porosidad de la soldadura.
Obviamente, la porosidad del metal se controla principalmente mediante el control del tratamiento de la superficie antes de la soldadura y la protección razonable con gas durante la soldadura, y la clave de la porosidad del proceso es asegurar la estabilidad del pequeño orificio durante la soldadura de penetración profunda por láser. De acuerdo con la investigación nacional sobre tecnología de soldadura láser, el control de la porosidad de la soldadura de penetración profunda por láser de aleación de aluminio debe considerarse antes de la soldadura, el proceso de soldadura y el postratamiento de la soldadura de varios enlaces, resumidos en los siguientes nuevos procesos y nuevas tecnologías.
1. Método de tratamiento previo a la soldadura.
El tratamiento de la superficie antes de la soldadura es una forma eficaz de controlar los poros metalúrgicos de la soldadura láser de aleación de aluminio, generalmente los métodos de tratamiento de la superficie tienen limpieza física y mecánica, limpieza química, en los últimos años, ha habido una limpieza de choque láser, que mejorará aún más el grado de automatización de la soldadura láser.
2. Control de optimización de la estabilidad de los parámetros.
Los parámetros del proceso de soldadura láser de aleación de aluminio suelen ser principalmente la potencia del láser, el desenfoque, la velocidad de soldadura y la composición y el flujo de protección del gas. Estos parámetros afectan no solo el efecto de protección del área de soldadura, sino también la estabilidad del proceso de soldadura por penetración profunda del láser, lo que afecta la porosidad de la soldadura. A través de la soldadura por penetración profunda del láser de la lámina de aleación de aluminio, se descubre que la estabilidad de la penetración de orificios pequeños afecta la estabilidad del baño de soldadura y, luego, afecta la formación de la soldadura, lo que da como resultado defectos de porosidad de la soldadura. Además, la estabilidad de la soldadura por penetración profunda del láser está relacionada con la densidad de potencia del láser y la coincidencia de la cantidad lineal, por lo que determinar parámetros de proceso razonables de formación de soldadura estable es una medida eficaz para controlar eficazmente la porosidad de la soldadura láser de aleación de aluminio.
Los resultados muestran que la relación entre el ancho de la parte posterior de la soldadura y el ancho de la superficie de la soldadura (la relación entre el ancho de la parte posterior de la soldadura) se utiliza para evaluar la formación y la estabilidad de la soldadura de la lámina de aleación de aluminio. Cuando la densidad de potencia del láser y la energía de la línea coinciden razonablemente, se puede garantizar la relación entre el ancho de la parte posterior de la soldadura y el ancho de la misma, y se puede controlar eficazmente la porosidad de la soldadura.
3, soldadura láser de doble punto
La soldadura láser de doble punto se refiere al proceso de soldadura en el que dos rayos láser enfocados actúan sobre el mismo baño de soldadura al mismo tiempo. En el proceso de soldadura por penetración profunda con láser, una de las principales razones de la formación de porosidad es que el gas en el orificio pequeño queda encerrado en el baño de soldadura por el cierre instantáneo. Cuando se utiliza la soldadura láser de doble punto, debido a la acción de dos fuentes de luz, la gran abertura del orificio pequeño favorece el escape del vapor metálico interno y también favorece la estabilidad del orificio pequeño, de modo que se reduce la porosidad de la soldadura. Los estudios sobre la soldadura láser de aleaciones de aluminio A356, AA5083, 2024 y 5A90 muestran que la soldadura láser de doble punto puede reducir significativamente la porosidad de la soldadura.
4, soldadura compuesta por arco láser
La soldadura compuesta por arco láser es un método de soldadura en el que el láser y el arco se aplican al mismo baño de soldadura. Generalmente, se utiliza el láser como fuente de calor principal; la interacción entre el láser y el arco puede mejorar la profundidad y la velocidad de la soldadura láser, y reducir la precisión del conjunto de soldadura. La estabilidad de los orificios de soldadura láser se puede mejorar utilizando alambre de relleno para controlar las propiedades de microestructura de las juntas soldadas, y el efecto auxiliar del arco puede ayudar a reducir la porosidad de la soldadura.
En el proceso de soldadura de compuestos por arco láser, el arco afecta la nube de vapor de metal/plasma inducida por el proceso láser, lo que favorece la absorción de energía láser y la estabilidad de los orificios pequeños. Los resultados de la soldadura de compuestos por arco láser de aleación de aluminio también han demostrado su eficacia.
5, soldadura láser de fibra
El efecto de orificio pequeño del proceso de soldadura por penetración profunda con láser se debe a la fuerte vaporización del metal bajo la acción del láser. La fuerza de vapor de la vaporización del metal está estrechamente relacionada con la densidad de potencia del láser y la calidad del haz, lo que no solo afecta la profundidad de penetración de la soldadura láser, sino que también afecta la estabilidad de los orificios pequeños. La investigación de Seiji et al. sobre el láser de fibra de alta potencia de acero inoxidable SUS304 muestra que el baño de soldadura se alarga durante la soldadura a alta velocidad, lo que inhibe las salpicaduras, la fluctuación del orificio pequeño es estable y la punta del orificio pequeño no tiene burbujas. Cuando el láser de fibra se utiliza para la soldadura a alta velocidad de aleación de titanio y aleación de aluminio, también se puede obtener una soldadura sin porosidad. La investigación de Allen et al. sobre la tecnología de control del gas protector en la soldadura láser de fibra de aleación de titanio muestra que al controlar la posición del gas protector de soldadura, se puede prevenir la participación del gas, se puede reducir el tiempo de cierre de los orificios pequeños, se pueden estabilizar los orificios pequeños de soldadura y se puede cambiar el comportamiento de solidificación del baño de soldadura, reduciendo así la porosidad de la soldadura.
6, soldadura láser pulsada
En comparación con la soldadura láser continua, la salida del láser adopta el modo pulsante, que puede promover el flujo periódico y estable del baño fundido, lo que favorece el escape de la burbuja en el baño fundido y reduce la porosidad de la soldadura. TY Kuo y SL Jeng estudiaron la influencia del modo de salida de potencia láser de la soldadura láser YAG en la porosidad y las propiedades de las soldaduras de acero inoxidable SUS 304L y de superaleación inconel 690. Los resultados muestran que: Para la soldadura láser pulsada de onda cuadrada, cuando la potencia base es de 1700w, la porosidad de la soldadura disminuye con el aumento de la amplitud del pulso ΔP, y la porosidad del acero inoxidable disminuye del 2,1% al 0,5%, y la de la superaleación disminuye del 7,1% al 0,5%.
7, tecnología de procesamiento compuesto después de la soldadura.
En aplicaciones prácticas de ingeniería, incluso si el tratamiento de la superficie es estricto antes de la soldadura y el proceso de soldadura es estable, la soldadura láser de aleación de aluminio producirá inevitablemente porosidad de soldadura, por lo que el uso de un tratamiento posterior a la soldadura para eliminar la porosidad es muy importante. En la actualidad, el método es principalmente la soldadura modificada. La tecnología de prensado isostático en caliente es uno de los métodos para eliminar la porosidad y la contracción de las piezas fundidas de aleación de aluminio, y se combina con el tratamiento térmico de tensión de la aleación de aluminio después de la soldadura láser para formar un proceso compuesto de prensado isostático en caliente y tratamiento térmico de componentes de soldadura láser de aleación de aluminio, que no solo elimina la porosidad de la soldadura, sino que también mejora el rendimiento de la junta.
Debido a las características de la aleación de aluminio, todavía existen muchos problemas en la aplicación de la soldadura láser de alta potencia, el problema principal es controlar el defecto de porosidad de la soldadura y mejorar la calidad de la soldadura. Para mejorar la estabilidad del proceso de soldadura, el control de ingeniería de la porosidad de la soldadura láser de la aleación de aluminio debe considerar todos los aspectos antes de la soldadura, durante la soldadura y después de la soldadura. Por lo tanto, se han derivado muchas tecnologías y procesos nuevos, como la limpieza láser previa a la soldadura, la optimización del control de la relación de ancho posterior de los parámetros del proceso de soldadura, la soldadura láser de doble haz, la soldadura compuesta por arco láser, la soldadura láser pulsada y la soldadura láser de fibra.
