Причины и методы контроля газовых пор в швах лазерной сварки

I. Введение

Лазерная сварка обладает преимуществами, такими как высокая плотность энергии, малая зона термического влияния, хорошее формирование шва и низкая деформация. Она широко используется при изготовлении листового металла, в потребительской электронике, производстве аккумуляторов, медицинских устройствах и автомобильной промышленности. Однако на практике при сварке часто возникают дефекты в виде пор, образующихся внутри или на поверхности сварного шва из-за совместного влияния факторов материала, оборудования и технологического процесса. Эти дефекты отрицательно влияют на прочность, плотность и качество внешнего вида шва. Поэтому необходимо проанализировать механизмы образования пор и предложить эффективные меры контроля для повышения стабильности сварки и качества продукции.

II. Основные причины пористости шва

Пористость при сварке обычно вызывается захватом газа, выделением растворенного газа или испарением материала. К основным причинам относятся:

1. Загрязнение поверхности материалов

Если на свариваемых поверхностях присутствуют масло, влага, ржавчина или покрытия, они разлагаются при высоких температурах с выделением газов, которые попадают в расплавленную ванну. Например:

Загрязнение маслом → образует углеводородные газы

Влага → образует H₂ и O₂

Покрытия → разлагаются на органические или неорганические газы

Если расплавленная ванна быстро затвердевает, газы не успевают выйти и образуют поры.

2. Высокое содержание газов в материалах

Некоторые материалы содержат повышенное количество водорода, кислорода, азота или неметаллических включений, которые могут выделяться в виде пузырьков при плавлении. Например:

Алюминиевые сплавы чувствительны к водороду

Сталь чувствительна к кислороду

Медные сплавы чувствительны к азоту

Если время расплавленной ванны недостаточно или охлаждение происходит слишком быстро, газы остаются в ловушке и образуют поры.

3. Недостаточный или нестабильный ввод лазерной энергии

Если плотность энергии недостаточна, расплавленная ванна становится мелкой с плохой текучестью, что затрудняет выход газов. Колебания энергии также могут вызывать неравномерное запечатывание расплавленной ванны, приводя к захвату пузырьков.

Распространённые проявления включают:

Колебания мощности лазера

Отклонение фокуса, приводящее к снижению плотности мощности

Чрезмерно высокая скорость сварки, вызывающая неполное проплавление

4. Неправильное покрытие защитным газом

Недостаточная защита или неправильное направление подачи защитного газа позволяет воздуху попадать в расплавленную ванну и вызывает газовые реакции. Избыточный расход газа может вызвать турбулентность или подсос воздуха.

Распространённые проблемы включают:

Избыточный расход аргона, вызывающий образование вихрей

Неправильная подача газа, приводящая к неполному экранированию

Загрязнение сопла, вызывающее нарушение потоков газа

5. Несоответствие между присадочным материалом и основным металлом

При сварке присадочной проволокой, если состав проволоки, содержание газов или чистота недостаточны, могут быть введены дополнительные газы или неметаллические включения

Примеры применения:

Влажная или гигроскопичная сварочная проволока

Неблагоприятные условия хранения

Недостаточная очистка проволоки

III. Основные опасности пористости при сварке

Дефекты пористости влияют на качество изделия в основном следующим образом:

Снижение прочности сварного шва и усталостного ресурса

Ухудшение герметичности и барьерных свойств

Ухудшение качества внешнего вида

Снижение надежности в критически важных приложениях

Такие отрасли, как производство корпусов аккумуляторов, медицинских устройств и герметичных конструкций, могут полностью отклонять продукцию из-за дефектов пористости.

IV. Методы контроля дефектов пористости при сварке

Для повышения качества лазерной сварки необходимо проводить оптимизацию по всем направлениям: материалы, оборудование, процессы и условия окружающей среды.

1. Обеспечить правильную предварительную обработку поверхности

Очистка свариваемой поверхности значительно снижает риск образования пористости. Общие методы включают:

Механическая очистка (шлифовка, щеткование)

Очистка растворителями (спирт, ацетон)

Лазерная очистка (подходит для массового производства)

Сушка и удаление влаги (особенно для алюминиевых сплавов)

Ключевые зоны включают зону сварки и внутренние контактные поверхности нахлесточных соединений.

2. Контроль качества материала и условий хранения

На основе характеристик поглощения газов материалами:

Алюминиевые сплавы должны храниться в сухом состоянии, чтобы предотвратить поглощение влаги

Медные детали следует защищать от окисления с помощью газа или покрытия

Сталь должна быть защищена от сильной коррозии и загрязнений

При сварке проволокой-наполнителем проволока должна оставаться сухой и чистой.

3. Оптимизация параметров лазерной энергии

Правильный подбор технологических параметров имеет решающее значение для выхода газа. Направления оптимизации включают:

Увеличение плотности мощности → улучшает проникновение и текучесть

Снижение скорости сварки → увеличивает время расплава

Регулировка положения фокуса → повышает стабильность расплавленной ванны

Стабилизация лазерного выхода → предотвращает колебания энергии

При глубокой сварке отрицательное смещение фокуса может улучшить проникновение и поведение расплава

4. Улучшение систем подачи защитного газа

Оптимизация защитного газа включает:

Выбор подходящих газов (например, аргона для сварки алюминия)

Контроль над надлежащими расходами (избегание турбулентности)

Оптимизация угла наклона сопла и расстояния до детали

Увеличение зоны защиты для предотвращения попадания воздуха

Для сварки алюминия часто используется двухгазовая защита или защита в герметичной камере, чтобы уменьшить пористость.

5. Оптимизация конструкции соединения и конфигурации сварки

Конструкция соединения влияет на поведение выхода газа:

По возможности предпочтительнее стыковые соединения вместо нахлесточных

Предусмотрите пути отвода газа для нахлесточных соединений, если их невозможно избежать

Избегайте замкнутых конструкций, которые могут удерживать газ при быстром охлаждении

Правильная конструкция снижает напряжение и повышает эффективность выхода газа.

V. Заключение

Пористость при лазерной сварке — это типичный дефект, возникающий в результате совокупного влияния материалов, технологических процессов и условий окружающей среды. Механизм её образования тесно связан с множеством факторов. Повышение чистоты материалов, оптимизация параметров лазера и защитного газа, а также применение правильных конструкций соединений позволяют значительно улучшить качество и характеристики сварного шва. В производственных условиях интеграция онлайн-мониторинга и систем замкнутого контроля качества может дополнительно стабилизировать качество сварки и способствовать более широкому промышленному внедрению технологии лазерной сварки.