Сложности и проблемы при лазерной сварке
Лазерная сварка стала важным промышленным процессом благодаря своим исключительным преимуществам по сравнению с другими широко используемыми методами сборки. Лазерная сварка может соединять детали на очень высоких скоростях или эффективно производить сварные швы с глубоким проплавлением в любой среде, такой как воздух, защитный газ или вакуум. Поэтому он известен как высококачественный, высокоточный, малоискаженный, малодеформируемый, высокоэффективный, высокопроизводительный, высокогибкий и высокоскоростной процесс сборки.
Это также способствует роботизации, автоматизации, экономии труда, систематизации и т. д. В качестве' альтернатива обычным клеям или сварным швам, используемым для процесса соединения, лазерная сварка предлагает ряд привлекательных особенностей, таких как отсутствие присадочных материалов, узкая ширина и глубокое проплавление, более высокая механическая прочность, высокая вибро- и ударопрочность, минимальная деградация термочувствительных компонентов. при сборке и повышенной надежности. Этот метод также предлагает низкие тепловые искажения, бесконтактный процесс, повторяемость, возможность автоматизации и высокую эффективность, что привело к тому, что промышленное сообщество признало, приняло и оценило способность лазера достигать точной сварки. Кроме того, универсальность лазера также позволила заменить контактную (точечную и шовную), вольфрамовую, инертную газовую, ультразвуковую и электронно-лучевую системы сварки .
Лазерная сварка, являющаяся точным, недорогим, высоконадежным и автоматизированным методом, в настоящее время широко распространена в различных отраслях промышленности от микроэлектроники до судостроения. В частности, в автомобильной промышленности он все чаще используется для сварки небольших, сложных, предварительно изготовленных, термочувствительных деталей от топливной форсунки до кузова автомобиля для организации нескольких уровней подкомплектов, поскольку окончательная деталь не может быть изготовлена за один раз. один кусочек. Л' недавнее появление нового поколения твердотельных лазеров на основе технологии Nd-YAG, дисковых или волоконных, излучающих в ближней инфракрасной области в диапазоне 1,03-1,07 мкм, обновило и значительно усилило преимущества использования этих типов лазеров. для сварочного процесса. По сравнению с CO2-лазерами их большая способность передавать эту длину волны по волокну дает несравнимое преимущество для промышленных применений, особенно когда используются антропоморфные роботы. Кроме того, эти лазеры в настоящее время обладают очень высоким уровнем надежности, высокой эффективностью и в настоящее время достигают мощностей непрерывного излучения до нескольких десятков кВт с исключительным качеством луча, почти достигающим дифракционного предела. По этим причинам, они стали очень популярным инструментом в технологиях соединения, где требуется высокая производительность и качество, а также хорошая гибкость для сварки различных материалов. В результате применение лазерной сварки во многих областях промышленности расширяется с развитием углекислотных (CO2) лазеров, YAG-лазеров, диодных (LD) лазеров, твердотельных лазеров с LD-накачкой, дисковых лазеров и мощных, высокоэффективные или высококачественные волоконные лазеры. Однако дефекты или дефекты сварки, приводящие к разрушению или разрушению промышленных товаров или конструкций, могут возникать при ненадлежащих условиях. Для изготовления качественных и высоконадежных прочных изделий или конструкций с помощью лазерного луча неизбежно важно установить профилактические процедуры дефектов сварки и принять необходимые меры, основанные на понимании явлений сварки, а также их условий. и механизмы образования. Нержавеющие стали классифицируют в основном по их микроструктуре. Основными базовыми группами являются мартенситные, ферритные, аустенитные и дуплексные (аустенитно-ферритные) материалы. Эти нержавеющие стали обладают хорошей стойкостью к окислению даже при высоких температурах, и их часто называют высокопрочными сплавами. Они широко используются в автомобильной промышленности для изготовления различных деталей. автомобиля, а также за их механические свойства, такие как сочетание высокой прочности и отличной формуемости с приемлемой ударной вязкостью и ударопрочностью в готовых компонентах для большинства технических применений. Аустенитные нержавеющие стали (АСС) имеют широкие перспективы применения в промышленности благодаря их высокой стойкости к коррозии и окислению, а также превосходным механическим свойствам. Эти стали подвержены сенсибилизации, когда они используются при высоких температурах, будь то в производстве или в эксплуатации.
Механические свойства ASS марки 304L зависят от относительной модификации микроструктуры, а также микротекстуры. Неоднородное распределение легирующих элементов приводит к колебаниям состава между основным металлом, зоной термического влияния (ЗТВ) и зоной сварки, что приводит к изменению механических и металлургических свойств. Несходство свойств обусловлено образованием интерметаллических соединений и выделением карбидов металлов [48]. Существенным признаком также является образование керна, то есть влияние скорости охлаждения на фазовое превращение (F ⇌ A) в зоне сварки стали. При производстве изделий, компонентов или оборудования из нержавеющей стали производители используют сварку в качестве основного метода соединения. Большинство нержавеющих сталей поддаются сварке, и сварное соединение может обеспечить оптимальную коррозионную стойкость, прочность и экономичность производства. Опять же, эти механические свойства и геометрия валика сварного соединения являются основными факторами, определяющими качество сварного шва. Поэтому крайне важно получить знания о том, как параметры процесса лазерной сварки влияют на характеристики наплавленного валика, и как оптимизировать эти параметры для получения качественных сварных соединений.
Дефекты лазерной сварки
При лазерной сварке могут появляться различные дефекты или несовершенства в зависимости от типов материалов и их составов, условий сварки и т. д. Дефекты лазерной сварки подразделяются на три характерные группы: дефекты геометрии или внешнего вида, внутренние или невидимые дефекты, а также дефекты свойств или качества. При лазерной сварке пористость легко образуется в глубоко проплавленных швах, характеризующихся высокой мощностью лазерной сварки. Растрескивание от затвердевания и растрескивание от разжижения могут возникать в зонах плавления лазерного шва и в зоне термического влияния (ЗТВ) соответственно в алюминиевых сплавах, сплавах на основе никеля и т. д. Эти внутренние дефекты приводят к ухудшению механических свойств или могут стать причиной катастрофического отказа, и их обнаружение иногда затруднено. Поэтому необходимо предотвратить пористость и трещины затвердевания. Параметры сварки следует выбирать для достижения более глубокого проплавления при меньшей ширине проплавленного участка. Александра П. Костаа и др. работали над лазерной сваркой твердых сплавов со сталью и исследовали возможность сварки лазерным лучом твердых металлов со сталью с помощью мощного CO2-лазера и Nd-лазера: YAG. Баласубрамян К.Р. и соавторы работали над математическим моделированием и моделированием ИНС лазерной сварки Nd:YAG тонких листов нержавеющей стали и сравнивали модель нейронной сети и модель множественной линейной регрессии. Падманабхан Г. и др. работали над оптимизацией параметров процесса лазерной сварки для достижения максимальной прочности на разрыв магниевого сплава AZ31B и пришел к выводу, что наибольшее влияние на предел прочности при растяжении оказывает скорость сварки, за которой следуют мощность лазера и положение фокуса. Дхавалкумар К. Сони и др. провели экспериментальное исследование и прогноз процесса лазерной сварки листов из мягкой стали 2062 толщиной 1 мм с использованием волоконного лазера. Они провели эксперимент и разработали экспериментальную работу с помощью программного обеспечения Design Expert. Они предсказали выходные ответы искусственной нейронной сети (ИНС) с использованием MATLAB.
В то время как сварка обычно выполняется с целью получения хорошего соединения по низкой цене, Л'оптимизация параметров процесса может улучшить качество продукции и минимизировать затраты на проведение многих экспериментов, а также уменьшить растрату ресурсов, также невозможно добиться низкой стоимости сварки и хорошего соединения без оптимизации. Можно предсказать оптимальное сочетание параметров процесса. Методы проб и ошибок использовались ранее для определения оптимальных условий процесса для требуемого качества сварного соединения. Геометрия наплавленного валика считается важным аспектом в определении механических свойств сварных соединений. Это показывает, что выбор соответствующих параметров процесса сварки более важен для получения оптимальной геометрии наплавленного валика. Сочетание мощности лазера, скорости перемещения и положения фокуса наиболее важно для достижения правильной формы поперечного сечения. Эти предыдущие исследования сварных швов аустенитной нержавеющей стали показали, что (а) механические свойства свариваемого материала могут значительно отличаться от свойств основного металла и (б) что существует диапазон механических свойств материала сварного шва. сварка в зависимости от состава и способа сварки.
Однако эта предыдущая работа основывалась на извлечении растяжимых стержней из крупномасштабных сварных швов, что было бы чрезвычайно сложно с субмиллиметровыми сварными швами, полученными с помощью лазерной сварки. Таким образом, настоящее исследование стремится извлечь локальный конститутивный ответ в сваренная лазером аустенитная нержавеющая сталь. Сварка с использованием осциллирующего лазерного луча — это хорошо зарекомендовавший себя производственный процесс, интерес к которому возобновился, поскольку стали доступными мощные лазеры с превосходным качеством луча и практически неограниченной выходной мощностью. Исследована лазерная сварка с высокочастотным колебанием луча как способ повышения стабильности процесса сварки. Стабильность луча и процесса при высоких уровнях мощности открывает новые возможности для манипулирования лучом. Лучи высокой мощности производят глубокие, похожие на гвозди сварные швы с высоким отношением глубины к ширине, однако, их применимость ограничена из-за экстремальных требований к точности посадки прокладки. Одним из способов решения этой проблемы является колебание лазерного луча над суставом по заданной схеме. Поиск растущего диапазона применений также обусловлен достижениями в области оборудования для распределения луча, поскольку меньшие размеры технологической головки улучшают доступ к стыку и общую гибкость процесса сварки. Осцилляции луча распределяют энергию луча по более широкой области и создают полностью замкнутые, безупречные соединения. Осцилляции луча распределяют энергию луча по более широкой области и создают полностью замкнутые, безупречные соединения, с отличными геометрическими характеристиками за счет несколько сниженной скорости обработки. Кроме того, колебания луча помогают контролировать скорость охлаждения, что полезно при соединении разнородных и трудносвариваемых материалов, таких как алюминиевые сплавы и высокопрочные стали, используемые в автомобильной и аэрокосмической промышленности.
