Сварка алюминия является важной технологией в многих отраслях, но из-за высокой теплопроводности, склонности к образованию оксидной пленки и значительного теплового расширения этот процесс имеет свои особенности и сложности. Традиционные методы сварки сталкиваются с проблемами перегрева материала и трудностями с удалением оксидной пленки. В ответ на эти вызовы появилось новое решение — лазерная сварка, обладающая рядом преимуществ, таких как улучшенное качество шва и сокращение времени обработки. В статье рассмотрены эти особенности и преимущества, а также приведены результаты эксперимента, проведенного нашими сотрудниками.
Особенности алюминиевых сплавов
Алюминиевые сплавы благодаря своим уникальным характеристикам, таким как малый удельный вес, высокая теплопроводность, коррозионная стойкость и значительная механическая прочность, получили широкое распространение в различных отраслях промышленности. Эти материалы активно применяются в авиационно-космической отрасли, машиностроении, судостроении и других сферах, где требуется сочетание прочности и легкости конструкции.
Проблемы сварки традиционным методом
Однако сварка алюминиевых сплавов традиционными дуговыми методами сталкивается с рядом технологических трудностей. Исследования показали, что при сварке алюминиевых сплавов возникают следующие проблемы: образование кристаллизационных трещин, пористость сварного шва из-за попадания газов в зону плавления, окисные включения, крупнозернистая структура в шве, а также высокие напряжения и деформации в процессе остывания шва. Эти особенности требуют применения сложных технологических решений, таких как использование легированных присадочных материалов, механическое воздействие на сварочную ванну, термическая обработка после сварки. Тем не менее эти меры не всегда позволяют полностью устранить недостатки, что приводит к снижению прочностных характеристик сварного соединения и увеличению стоимости производства.
Преимущества лазерной сварки
Перспективным направлением является использование высококонцентрированных источников нагрева, среди которых лазерный луч демонстрирует наибольшую эффективность. Лазерная сварка алюминия обладает рядом преимуществ перед дуговыми методами благодаря высокой плотности энергии и малым зонам нагрева. Это позволяет минимизировать термические деформации и формировать узкую зону термического влияния (менее 0,5 мм). Кроме того, объем сварочной ванны при лазерной сварке значительно меньше, что способствует улучшению качества соединения и сокращению времени обработки.
Учитывая вышеописанные преимущества, технология лазерной сварки была использована для соединения пластин из алюминиевого сплава АМг3 толщиной 3 мм. Сварка выполнялась в стык без использования присадочной проволоки. Эскиз пластин, применяемых для эксперимента, представлен на рисунке 1.
Рисунок 1. Эскиз пластин из алюминиевого сплава АМг3
Подготовка к сварке
Перед началом сварки был проведен комплекс подготовительных мероприятий. Для удаления оксидной пленки с поверхности алюминиевых пластин применялся метод химического травления, что обеспечило получение матовой поверхности. Это является обязательным этапом, поскольку оксидная плёнка препятствует качественному образованию сварного соединения.
Для защиты сварочной ванны от воздействия кислорода применялась система подачи защитного газа аргона. Защитный газ подавался как сверху через сопло сварочного пистолета, так и снизу через специальный контейнер с отверстиями для подачи газа.
Пластины привариваются между собой встык с полным проплавления на всю длину пластин. В сварных швах допускаются поры величиной до 0,5 мм, подрезы глубиной не более 0,5 мм.
Используемое оборудование
Учитывая известные преимущества лазерной сварки алюминиевых сплавов лазерами с длиной волны 1065-1080 нм, для выполнения данной задачи был использован аппарат лазерной сварки P-Weld с максимальной выходной мощностью 1500 Вт. В качестве системы управления процессом применялся коллаборативный робот UNIVERSAL ROBOTS UR5e, который обеспечивает стабильное воспроизведение траектории сварочного шва с точностью до ±0,03 мм. Максимальная скорость движения робота достигает 1000 мм/с, что позволяет выполнять сварку с высокой производительностью.
Сварка осуществлялась с использованием смещения фокуса лазерного луча для формирования более широкого шва. Скорость перемещения выбиралась в диапазоне от 0,5 до 2,0 м/мин, мощность излучения 1500 Вт. Подобранные параметры позволили обеспечить полное проплавление соединяемых пластин.
Внешний вид сваренных между собой пластин и макрошлиф сечения одного из участков показаны на рис.3.
Рисунок 3. Сварные пластины встык: а- облицовочный валик; б- обратный валик; в- микрошлиф сварного шва в одном из сечений
Результаты эксперимента
Контроль качества выявил отсутствие видимых дефектов шва, таких как поры или подрезы. После сварки были подготовлены образцы из сваренных пластин и проведено испытание на растяжение, которое показало, что сварные соединения равнопрочные (рис. 4). Также было проведено испытание на растяжение из основного металла для сравнения результатов (рис.5). Фотографии образцов после испытания представлены ниже.
Рисунок 4. Образцы из сваренных пластин после испытания
Рисунок 5. Образцы из основного металла после испытания
Если сравнивать значения полученных результатов, то основной металл имеет предел прочности 195,5-196,5 МПа и удлинение при разрушении 24%, в то время как сваренный образец имеет предел прочности 188,0-188,6 МПа и удлинение при разрушении 15%.
Изменение удлинения при разрушении связано с тем, что за счет формировании сварного шва пластина стала более жесткой. Что же касается изменений предела прочности, то в зависимости от ответственности конструкции и используемой отрасли при сварке алюминия допускается изменение предела прочности от основного металла от 60% до 95%. В данном случае изменение предела прочности сваренных образцов составил 95%.
Выводы
- Показано, что использование аппарата лазерной сварки P-Weld и коллаборативного робота UNIVERSAL ROBOTS UR5e позволяют выполнить лазерную сварку изделий из алюминиевых сплавов АМг3 толщиной 3,0 мм на скоростях до 2,0 м/мин.
- Требуемая глубина сварного соединения 3,0 мм достигается при следующих технологических параметрах: мощность 1500 Вт,
скорость 1,0 м/мин. - Полученные сварные соединения обладают высоким качеством и прочностью.
