Analyse des difficultés dans le procédé de soudage au laser d'alliage d'aluminium

Technique de soudage en alliage d'aluminium

L'alliage d'aluminium a une résistance spécifique élevée, une résistance à la fatigue élevée, une bonne ténacité à la rupture et un faible taux de croissance des fissures. Il offre également une excellente aptitude au formage et une bonne résistance à la corrosion. Il a été largement utilisé dans les industries de l'aérospatiale, de l'automobile, de la construction de machines, de la marine et de la chimie. La large application de l'alliage d'aluminium favorise le développement de la technologie de soudage des alliages d'aluminium, et le développement de la technologie de soudage a élargi le domaine d'application de l'alliage d'aluminium.

Cependant, les caractéristiques de l'alliage d'aluminium lui-même font que la technologie de soudage associée est confrontée à certains problèmes urgents à résoudre: la surface est réfractaire au film d'oxyde, le joint est ramolli, les pores sont facilement générés, la chaleur est facilement déformée et la conductivité thermique est trop grande. Le soudage conventionnel des alliages d'aluminium adopte généralement le procédé de soudage TIG ou MIG. Bien que ces deux méthodes de soudage présentent une densité d'énergie élevée et permettent d'obtenir de bons assemblages lors du soudage d'alliages d'aluminium, la pénétration reste toutefois médiocre, les déformations de soudage et le rendement de production peu élevé. appliquée à l'industrie au milieu et à la fin du 20e siècle. La carrosserie de l'avion Airbus A340 produite par la société européenne Airbus a remplacé le processus de rivetage d'origine par la technologie de soudage au laser, ce qui a permis de réduire le poids du fuselage d'environ 18% et le coût de fabrication de près de 25%. Les voitures allemandes à structure tout aluminium Audi A2 et A8 bénéficient également du développement et de l’application de la technologie de soudage au laser en alliage d’aluminium. Ces exemples couronnés de succès ont grandement favorisé la recherche sur les alliages d'aluminium soudés au laser, qui sont devenus la principale direction de développement de la technologie de soudage des alliages d'aluminium à l'avenir. Le soudage au laser présente les avantages suivants: forte densité de puissance, faible apport de chaleur de soudage, petite zone affectée par le soudage et petites déformations de soudage, ce qui lui confère une attention particulière dans le domaine du soudage des alliages d'aluminium.

Problèmes et solutions du soudage au laser en alliage d'aluminium

● Haute réflectivité et haute conductivité thermique des surfaces en alliage d'aluminium

Cela peut s'expliquer par la microstructure de l'alliage d'aluminium. En raison de la présence d’électrons libres de haute densité dans l’alliage d’aluminium, les électrons libres sont forcés de vibrer par le laser (ondes électromagnétiques puissantes) afin de générer des ondes électromagnétiques secondaires, produisant des ondes réfléchies fortes et des ondes émises plus faibles, l'alliage d'aluminium a une réflectance élevée et un faible taux d'adsorption pour le laser. Dans le même temps, le mouvement brownien des électrons libres devient plus violent lorsqu'il est stimulé, de sorte que l'alliage d'aluminium a également une conductivité thermique élevée.

S'agissant de la réflectivité élevée de l'alliage d'aluminium sur le laser, de nombreuses recherches ont été menées chez nous et à l'étranger. Les résultats des tests montrent que le prétraitement de surface approprié, tel que le sablage au jet, le ponçage, la gravure chimique de surface, le placage de surface, le revêtement de graphite et l’oxydation au four à air peuvent réduire la réflexion du faisceau et augmenter efficacement l’absorption de l’énergie du faisceau par l’alliage d’aluminium. En outre, du point de vue de la conception de la structure de soudage, la création manuelle de trous dans la surface en alliage d'aluminium ou l'utilisation d'un joint sous la forme d'un collecteur de lumière, l'ouverture de rainures en forme de V ou le soudage à la molette (la soudure au gaz équivaut à la fabrication manuelle de trous) peut augmenter. l'absorption de l'alliage d'aluminium au laser, et obtenir une plus grande profondeur de fusion. En outre, une conception raisonnable du gaz de soudage peut être utilisée pour augmenter l'absorption de l'énergie laser par l'énergie laser.

● Facteurs importants affectant le soudage au laser d'alliage d'aluminium

Dans le procédé de soudage au laser d'alliage d'aluminium, l'apparition de petits trous peut considérablement améliorer le taux d'absorption du matériau au laser, tandis que l'élément en aluminium et le Mg, le Zn et le Li dans l'alliage d'aluminium présentent un point d'ébullition bas, facile s'évaporer et grande pression de vapeur. Bien que cela contribue à la formation de petits trous, l’effet de refroidissement du plasma (le blindage et l’absorption d’énergie par le plasma réduit l’apport d’énergie du laser au matériau de base) provoque la «surchauffe» du plasma lui-même, mais gêne la existence de petits trous. Il est facile de produire des défauts de soudure tels que des pores, qui affectent les propriétés mécaniques du formage et du joint de soudure. Par conséquent, l'induction et la stabilisation des petits trous deviennent un point clé pour assurer la qualité du soudage au laser.

En raison de la réflectivité élevée et de la conductivité thermique élevée des alliages d'aluminium, il est nécessaire de disposer d'une densité d'énergie plus élevée du laser pour induire la formation de petits trous. Le seuil de densité d'énergie étant essentiellement contrôlé par la composition de l'alliage, il est possible d'obtenir un processus de soudage stable en contrôlant les paramètres du processus et en sélectionnant la puissance du laser afin de garantir un apport de chaleur approprié. De plus, le type de gaz de protection influe dans une certaine mesure sur le seuil de densité d'énergie. Par exemple, lors du soudage au laser d'un alliage d'aluminium, il est plus facile d'induire de petits trous lorsque vous utilisez du gaz N2, tandis que de petits trous ne peuvent pas être induits en utilisant du gaz He. En effet, une réaction exothermique peut se produire entre N2 et Al et le composé ternaire résultant Al-N-O augmente le taux d'absorption laser.

● Problème de stomates

Différents types d'alliages d'aluminium produisent différents types de pores. Il est généralement admis que les alliages d’aluminium produisent les types de pores suivants au cours du processus de soudage.

(1) trou d'hydrogène. Lorsque l'alliage d'aluminium est fondu dans une atmosphère d'hydrogène, sa teneur en hydrogène interne peut atteindre 0,69 ml / 100 g ou plus. Cependant, après la solidification, la capacité de dissolution de l'hydrogène à l'état d'équilibre n'est que de 0,036 ml / 100 g au maximum, la différence est près de 20 fois. Par conséquent, lors du passage du liquide au solide, l'excès d'hydrogène dans l'aluminium liquide doit être séparé. Si l'hydrogène précipité ne peut pas remonter sans à-coups, il accumulera des bulles et restera dans l'alliage d'aluminium solide pour devenir des pores.

(2) Pores produits par un gaz protecteur. Dans le processus de soudage au laser à haute énergie d'alliage d'aluminium, en raison de la forte évaporation du métal à l'avant du petit trou au fond du bain en fusion, le gaz de protection est aspiré dans le bain en fusion pour former des bulles qui devient des pores lorsque les bulles ne s'étendent pas et restent dans l'alliage d'aluminium solide.

(3) Les pores produits par l'effondrement des petits trous. Dans le procédé de soudage au laser, lorsque la tension superficielle est supérieure à la pression de vapeur, les petits trous ne pourront pas rester stables et s'effondreront, et les trous formés de métal avant de pouvoir être remplis. Il existe également de nombreuses mesures pratiques pour réduire ou éviter les défauts de porosité lors du soudage au laser en alliage d'aluminium, telles que le réglage de la forme d'onde de la puissance laser, la réduction de l'affaissement instable des petits trous, la modification de la hauteur du foyer et de l'éclairage oblique, l'application d'un champ électromagnétique le procédé de soudage et le soudage sous vide. Au cours des dernières années, un processus consistant à utiliser un fil d'apport ou une poudre d'alliage prédéfinie, une source de chaleur composite et une technologie à double foyer pour réduire la génération de pores, a un effet positif.

● Le problème de crack

Les alliages d'aluminium sont des alliages eutectiques typiques, qui sont plus susceptibles de produire une fissuration thermique lors de la solidification rapide du soudage au laser. La formation d'eutectique à bas point de fusion, tel que l'AL-Si ou le Mg-Si, à la limite des grains en colonne lors de la cristallisation du métal fondu est à l'origine des fissures. Pour réduire les fissures thermiques, le soudage au laser peut être effectué en remplissant du fil ou en pré-réglant la puissance de l'alliage. Le contrôle de l'apport de chaleur réduit également la fissuration des cristaux en ajustant la forme d'onde du laser.

La perspective de développement du soudage laser en alliage d'aluminium

La caractéristique la plus attrayante du soudage au laser en alliage d'aluminium est son rendement élevé. Pour tirer pleinement parti de ce rendement élevé, il convient de l'appliquer au soudage par fusion profonde de grande épaisseur. Par conséquent, le fait d’étudier et d’utiliser des lasers à haute puissance pour le soudage en profondeur avec une grande épaisseur est une tendance inévitable des développements futurs.

Améliorer la stabilité du processus de soudage au laser et améliorer la qualité du soudage sont les objectifs poursuivis par les utilisateurs. Par conséquent, les nouvelles technologies telles que le procédé composite laser-arc, le soudage laser, le soudage laser à poudre présélectionnée, la technologie à double foyer et la mise en forme du faisceau seront encore améliorées et développées.

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