Lāzera metināšana ar varu un alumīniju: tehniskās problēmas un risinājumi

Vars un alumīnijs ir divi no svarīgākajiem materiāliem modernajā ražošanā — un vieni no grūtākajiem lāzera metināšanai. To termiskās un optiskās īpašības ir pretrunā parastajām pieņemtām priekšstatu par lāzera metināšanu, kas ir vienkārša tērauda un nerūsējošā tērauda apstrādē.

Kad ražotāji saskaras ar nepietiekamu savienojumu, plaisām, porainību vai nestabiliem iekļūšanas dziļumiem vara vai alumīnija savienojumos, iemesls gandrīz vienmēr ir neatbilstība starp lāzera sistēmas iespējām un fizisko realitāti, kādas šie materiāli prasa.

Šajā rakstā tiek izskaidrotas konkrētās problēmas, ko rada katrs metāls, papildus sarežģītība, kas rodas, metinot dažādus metālus vienu ar otru, kā arī praktiskie risinājumi, kas nodrošina uzticamus un ražošanai piemērotus rezultātus.

Galvenie secinājumi:

• Varš: Augsta 1064 nm atstarošanas spēja (95–98 %) un ārkārtīgi augsta termiskā vadītspēja prasa augstu jaudas blīvumu, zaļos lāzerus (515 nm) vai precīzu impulsu formas regulēšanu.

• Alūminija: Uzliesa hidrogēna porainībai un karstajai plaisāšanai (īpaši 6xxx sērijas sakausējumiem); stingri jāievēro virsmas sagatavošana un piesārņojuma vada izvēle.

• Varš–alumīnijs: Galvenais šķērslis ir brīvu intermetālisko savienojumu (IMC) veidošanās; minimāls siltuma ievads un starojuma strūklas nobīde ir būtiskas.

Galvenā problēma, saistīta ar varu un standarta šķiedras lāzera metināšanu, ir optiska. Varam pie 1064nm —standarta itērbija šķiedras lāzera viļņa garums—ir ļoti augsta atstarošanas spēja. Istabas temperatūrā varš atstaro aptuveni 95–98%no iekrītošās lāzera enerģijas.

• Atstarotā starojuma risks: Atstarotā starojuma strūkla atgriežas pret lāzera avota virzienu. Ja nav efektīvas aizsardzības pret atstarotu starojumu, šī enerģija var bojāt šķiedras savienotājus, kolimatorus un pat pašu lāzera moduli. Standarta šķiedras lāzeri, kas paredzēti tērauda apstrādei, var nebūt pietiekami aizsargāti.

• Nekonsistenti savienojums: Zem sliekšņa enerģijas blīvuma gandrīz visa enerģija tiek atstarota. Kad veidojas atveres forma (keyhole), absorbcija pēkšņi palielinās līdz 80–90%. Šis straujais pārejas process var izraisīt nestabila metināšanas uzsākšanu, šķidruma izsviešanu (spatter) un neregulāru iedziļināšanos.

Miedzs vadīt siltumu aptuveni astoņas reizes ātrāk nekā tērauds . Enerģija, kas ievadīta metināšanas zonā, ātri izkliedējas apkārtējā materiālā, nevis uzkrājas līdz kausēšanās temperatūrai. Lāzers ir jāpārvar siltuma difūzijas process, ātri piegādājot augstu jaudas blīvumu.

• Zilzaļā lāzera metināšana (515 nm / 532 nm): Vara absorbcija zilzaļajos viļņos ir 40–60%(salīdzinājumā ar 2–5 % pie 1064 nm). Zilzaļie lāzeri novērš atpakaļatstarošanas risku un ļauj veikt stabila atveres formas (keyhole) metināšanu.

• Augstas jaudas impulss vai modulēts 1064 nm: Augstas virsotnes jaudas impulsi var izraisīt un uzturēt atveri, tomēr šī pieeja ir jutīga pret virsmas stāvokli un savienojuma precizitāti.

• Virsmas sagatavošana: Tīras, bezziedu virsmas uzlabo savienojuma kvalitātes vienmērīgumu.

• Paraugu testēšana ir obligāta: Vienmēr veiciet parauga metināšanu ražošanas apstākļos, lai pārbaudītu konkrētos sakausējumus un biezumus.

Alumīnijs vadīt siltumu aptuveni četrreiz ātrāk nekā tērauds. Kopā ar zemu kušanas punktu (~660 °C) un šauru starpību līdz tā virdes punktam alumīnijs ātri pāriet no cietas stāvokļa uz šķidru un tad uz tvaika stāvokli. Tas rada šauru stabila šķidrās zonas logu, kas padara atveres stabilitāti ļoti jutīgu pret parametru svārstībām.

Ūdeņraža porainība ir dominējošais defekts alumīnija lāzermetināšanā. Alumīnijs viegli absorbē ūdeņradi no mitruma, smērvielām un virsmas oksīdiem. Ātrās sacietēšanas laikā iekšējā ūdeņraža gāze veido iekšējas poras. Porainības samazināšanai nepieciešams:

• Rūpīgi tīrīt virsmu ar atbilstošiem šķīdinātājiem.

• Stricti kontrolēt glabāšanu, apstrādi un aizsarggāzes tīrību.

Daži sakausējumi — īpaši 6000 sērijas (6061, 6063) — ir ļoti uzliesmojoši pret karsto plaisāšanu, jo tiem ir plašs sacietēšanas diapazons.

• Risinājums: Izmantot atbilstošu piepildvielu (piemēram, piepildvielu 4043 sakausējumam 6061), lai mainītu sacietēšanas uzvedību, optimizētu pārvietošanās ātrumu un minimizētu savienojuma ierobežojumus. Autogēnā (bez piepildvielas) metināšana plaisāšanai uzliesmojošos sakausējumos reti ir izpildāma.

Vara un alumīnija savienošana — arvien svarīgāka Elektroauto (EV) akumulatoru savienojumiem, barošanas plāksnēm un elektriskajiem kontaktiem — radīt sarežģītas metalurģiskas problēmas.

Kad vara un alumīnija maisījums kausēšanas zonā, tie veido trauslus starpproduktu savienojumus, piemēram, CuAl₂ un Cu₉Al₄ . Šie savienojumi ir:

• Trausi: To viegli sadrumstulē mehāniskā slodze.

• Elektriski pretestīgi: Tie palielina kontaktu pretestību, kaitot elektrisko veiktspēju.

• Termiski jutīgi: Augstāka siltuma ievade rada biezākas un vairāk kaitīgas IMC kārtas.

• Staru pozīcijas nobīde: Vadīt lāzeru galvenokārt uz materiālu, kas vieglāk kūst vai efektīvāk absorbē staru (parasti alumīnijs), lai paļautos uz siltuma vadīšanu un ierobežotu tiešu maisīšanos.

• Īss impulsa ilgums un augsta virsotnes jauda: Izmantot MOPA lāzerus, lai ātri piegādātu enerģiju, izveidojot mazāku kausēšanas zonu un samazinot reakcijas laiku.

• Siltuma ievades minimizēšana: Uzturiet kopējo siltuma ievadi zemu, lai ierobežotu IMC slāņa biezumu, vienlaikus nodrošinot pietiekamu savienojuma veidošanos.

• Vara lietojumi: Elektromobīļu akumulatoru barošanas plāksnes, siltummaiņi, elektriskie kontakti un enerģijas savienotāji.

• Alumīnija lietojumi: Automobiļu konstruktīvie komponenti (korpuss bez iekšējām detaļām, akumulatoru korpusi), aviācijas rūpniecības loksnes un HVAC siltummaiņi.

• Vara–alumīnija dažādu materiālu lietojumi: Elektromobīļu akumulatoru elementu kontaktpunkti, elektrodzinēju tinumu savienojumi un enerģijas invertoru barošanas plāksnes.

Pie Jiangpin tech , mēs neuzskatām, ka viens risinājums piemērots visiem gadījumiem vara un alumīnija lāzera metināšanā. Mēs sākam ar jūsu konkrēto materiālu, savienojuma ģeometrijas un ekspluatācijas prasību analīzi.

• Varam: Mēs sniedzam norādījumus lāzera avota izvēlei — tostarp jaunākās zaļā lāzera sistēmas, lai novērstu 1064 nm atstarošanās problēmas.

• Alumīnijam: Mēs nodrošinām izturīgus materiālu sagatavošanas protokolus un aizsarggāzes specifikācijas, lai pilnībā novērstu porainību un plaisas.

• Atšķirīgu materiālu savienošanai: Mēs izstrādājam pielāgotus paraugu testu matricas (staru nobīde, impulsa formas veidošana, pārvietošanās ātrums), lai nodrošinātu stingru mehānisko un elektrisko atbilstību.

Katrs Jiangpin Tech sistēmas komplekts tiek piegādāts ar pilnu dokumentāciju, CE zīmogu un uzticamu attālinātu ievadīšanas atbalstu, kas pielāgots pasaules ražotājiem.

Vai esat gatavs optimizēt savu vara vai alumīnija metināšanas procesu? Sazinieties ar mūsu inženieru komandu jau šodien, lai apspriestu jūsu lietojumprogrammu vai noteiktu parauga metināšanas testu.