Как контролировать качество лазерной сварки

Лазерная сварка, как эффективная и точная технология соединения металлов, широко используется в автомобилестроении, аэрокосмической отрасли, производстве прецизионных приборов и других областях благодаря трем основным преимуществам: бесконтактности, высокой плотности энергии и низкой деформации. Однако для достижения стабильного качества лазерной сварки необходимо интегрировать два режима сварки: сварку с проводимостью и сварку с образованием сквозного отверстия, а также осуществлять комплексный контроль параметров процесса, свойств материала, конструкции соединения и условий окружающей среды. В данной статье систематически рассматривается, как эффективно контролировать качество лазерной сварки с следующих точек зрения.

Введение

В промышленном производстве лазерная сварка, благодаря своим преимуществам высокой плотности энергии, низкого тепловыделения и бесконтактной обработки, стала важным процессом соединения металлов. В этом разделе рассматриваются основные механизмы, типичные сценарии применения и ключевые точки контроля качества двух типичных режимов лазерной сварки: сварки в режиме теплопроводности и сварки в режиме образования сквозного отверстия. Благодаря углубленному анализу таких параметров, как мощность лазера, форма луча, положение фокуса, скорость сварки и защитный газ, читатели смогут оптимизировать процесс на практике, повышая качество сварки и эффективность производства.

Механизм, применение и контроль качества кондуктивной сварки.

Механизм

Сварка в режиме теплопроводности — это метод лазерной сварки, основанный на теплопроводности. После фокусировки оптическим устройством лазерный луч попадает на поверхность металла, вызывая быстрое поглощение энергии поверхностным слоем и достижение им точки плавления с образованием неглубокой расплавленной ванны. Затем тепло от расплавленной ванны распространяется через твердый металл к нижележащим слоям, расплавляя более глубокие слои. Поскольку энергия передается в основном за счет теплопроводности, глубина проплавления, как правило, ограничена диаметром фокусного пятна и теплопроводностью материала.

Приложение

Резка тонких листов: Для металлических листов толщиной менее 2 мм сварка проводящим методом позволяет выполнять высокоточную резку с узкими пропилами и минимальной зоной термического воздействия.
Высокоточная герметизация: В таких областях, как электронная упаковка и микрофлюидные чипы, кондуктивная сварка обеспечивает надежную сварку на микронном уровне.
Сварка микрокомпонентов: В таких областях применения, как кабели датчиков и статоры микромоторов, кондуктивная сварка позволяет удовлетворить строгие требования к контролю размера сварного шва и подводимой тепловой энергии.

Контроль качества

Мощность лазера: ее необходимо точно подобрать в зависимости от степени поглощения и толщины материала, как правило, поддерживая диапазон от 20 мкТл до 40 мкТл общей мощности, чтобы избежать чрезмерно глубоких или поверхностных зон расплава.
Формирование пучка: Преобразование гауссова распределения точек в распределение в форме «прямоугольной шляпы» улучшает однородность расплавленной ванны, уменьшает колебания глубины проникновения и снижает вероятность образования трещин и пористых дефектов.
Фокусное положение: Для оптимального проплавления и формирования сварного шва рекомендуется устанавливать фокусное положение на 0-1 мм ниже поверхности заготовки.

Механизм сварки встык, ее применение и контроль качества.

Механизм

Технология сварки в режиме “замочной скважины” (KMW) достигает этого за счет увеличения плотности мощности лазера до 1 000 000–10 000 000 Вт/см², быстрого испарения поверхности металла и образования стабильного канала в виде «замочной скважины» внутри расплавленной ванны. Такая высокая плотность энергии позволяет передавать энергию лазера непосредственно на дно расплавленной ванны, значительно увеличивая глубину проплавления до более чем 5 мм.

Приложение

Соединение толстых листов: Высококачественная сварка с полным проплавлением может быть выполнена для конструкционных элементов, таких как стальные и алюминиевые сплавы толщиной от 3 до 20 мм.
Для изготовления высокопрочных конструкционных элементов, таких как автомобильные шасси и основания лопастей ветряных турбин, необходимы сварные швы с глубоким проплавлением, обеспечивающие прочность конструкции и герметичность.

Контроль качества

Скорость сварки: Как правило, следует поддерживать диапазон 0,5-3,0 м/мин для баланса между глубиной проплавления и формированием сварного шва. Слишком высокая скорость может привести к неполному проплавлению, а слишком низкая — к перегреву и разбрызгиванию металла.
Фокусное положение: Фокусная точка может быть слегка смещена на 0,5-2 мм над поверхностью заготовки для увеличения диаметра сварочной ванны и обеспечения стабильного канала в форме замочной скважины.
Расход защитного газа: В качестве защитного газа используется преимущественно аргон или азот, рекомендуемая скорость потока составляет 10-20 л/мин, а расстояние от сопла — 5-8 мм для предотвращения окисления в атмосфере и удаления шлака.

Сварка проводящим током подходит для соединения тонких пластин и прецизионных компонентов, при этом особое внимание уделяется точному контролю мощности лазера и подводимой тепловой энергии во избежание таких дефектов, как трещины, поры и несварка. Сварка с образованием сквозного отверстия, с другой стороны, больше подходит для пластин средней толщины и высокопрочных конструкционных деталей, обеспечивая глубокое проплавление за счет высокой плотности мощности. Ключевым моментом является поддержание стабильности сквозного отверстия и однородности сварного шва. В целом, повышение качества лазерной сварки зависит от скоординированной оптимизации множества параметров, таких как мощность лазера, скорость сварки, положение фокуса, формирование луча и защитный газ, дополненной строгой подготовкой перед сваркой и технологией мониторинга в реальном времени, что обеспечивает надежную гарантию достижения высокоэффективного и высококачественного процесса сварки.

Факторы, влияющие на качество сварки.

В этом разделе будут рассмотрены ключевые факторы, влияющие на качество лазерной сварки, с четырех точек зрения: параметры лазера, свойства материала, конструкция соединения и условия сварки. Сочетая типичные сценарии применения со стратегиями оптимизации, этот раздел поможет вам точно контролировать каждый этап в реальной работе, обеспечивая равномерные сварные швы, контролируемую глубину проплавления и минимальный процент дефектов.

Параметры лазера

Параметры лазера напрямую определяют подводимую энергию и характеристики распределения тепла, а также являются основой для достижения стабильно глубокого проплавления и превосходной морфологии сварного шва.

Мощность лазера

Риск слишком низкой мощности: При недостаточной мощности энергия расплавленной ванны не может обеспечить необходимую температуру плавления материала, что приводит к дефекту “непроплавления” и недостаточной прочности сварного шва.
Риск слишком высокой мощности: Избыточная мощность может привести к перегоранию и пористости, увеличению разбрызгивания краски с поверхности и, возможно, к термическому растрескиванию.
Практика оптимизации: Установите технологический диапазон мощности и скорости для различных материалов (нержавеющая сталь, углеродистая сталь, алюминий сплав и т. д.) и отрегулируйте плотность мощности лазера для достижения оптимального проплавления сварного шва.

Скорость сварки

Слишком высокая скорость: время удержания энергии на заготовке короткое, что приводит к недостаточному проплавлению и образованию узкого, вытянутого сварного шва со сниженной прочностью.
Слишком низкая скорость: чрезмерная энергия, чрезмерно большая сварочная ванна, сильное разбрызгивание металла и расширенная зона термического воздействия (ЗТВ), потенциально вызывающая деформацию.
Методы оптимизации: Внедрение мониторинга сварочной ванны в режиме реального времени (например, с помощью тепловизора или оптических датчиков) позволяет динамически регулировать скорость сварки для поддержания стабильного проплавления.

Положение фокуса

Точная регулировка фокуса в пределах ±0,5 мм относительно поверхности металла может существенно изменить диаметр пятна и распределение плотности энергии, влияя на глубину проплавления и ширину сварного шва.
Рекомендуется располагать фокус на расстоянии 0–1 мм ниже поверхности заготовки, чтобы сбалансировать глубину проплавления и форму сварочной ванны.

Параметры импульса

Длительность импульса и частота его повторения совместно определяют подвод тепла и скорость охлаждения, которые, в свою очередь, влияют на микроструктуру и остаточные напряжения.
В волоконно-лазерной сварке можно оптимизировать сочетание коротких импульсов с высокой пиковой мощностью или длинных импульсов с низкой пиковой мощностью для тонких и толстых пластин, что снижает риск образования трещин и повышает прочность сварного шва.

Свойства материала

Различные металлы и сплавы ведут себя совершенно по-разному при лазерной сварке. Понимание характеристик обрабатываемой поверхности помогает разработать более совершенный технологический план.

Состав базового материала

Различные марки стали, алюминиевые сплавы и сплавы на основе никеля имеют разную поглощающую способность лазера, теплопроводность и температуры плавления, что требует проведения отдельных испытаний и калибровки.
Например, алюминиевые сплавы с высокой теплопроводностью более чувствительны к подводимой температуре, и температурные градиенты можно уменьшить за счет предварительного нагрева или многократных импульсов малой мощности.

Толщина материала

По мере увеличения толщины требуются более высокая удельная мощность и более низкая скорость сварки для обеспечения достаточного проплавления и предотвращения неполного проплавления корня шва.
При сварке пластин средней толщины (>5 мм) для достижения равномерного проплавления часто используются двухсторонняя сварка или предварительно сформированные V-образные канавки.

Состояние поверхности

Масло, ржавчина и окалина снижают поглощение энергии лазера и могут образовывать поры в сварочной ванне.
Строгое соблюдение процедур подготовки сварного шва, таких как обезжиривание и удаление ржавчины, полировка, шлифовка и ультразвуковая очистка, имеет важное значение для обеспечения качества сварочной ванны.

Конструкция разъема

Правильная геометрия соединения и точная сборка играют решающую роль в формировании сварного шва.

Конфигурация разъема

К распространенным типам соединений относятся нахлесточные, стыковые и V-образные, каждый из которых имеет различные требования к распределению тепла и глубине проникновения.
В стыковых соединениях толстых листов V-образные канавки в сочетании с процессами предварительного формования могут повысить эффективность проходки и уменьшить возврат шлака.

Сборка и выравнивание

Когда зазор при сборке превышает 0,2 мм, лазеру трудно заполнить этот зазор, что легко может привести к неполному сплавлению или разбрызгиванию металла.
Благодаря использованию высокоточных приспособлений и лазерной дальномерной съемки в реальном времени, погрешности выравнивания контролируются в пределах ±0,1 мм.

подготовка кромки

Снятие фаски и зачистка заусенцев устраняют концентрацию напряжений в острых углах и улучшают текучесть сварочной ванны.
Рекомендуемый угол заточки составляет от 30° до 60°, чтобы сбалансировать требования к глубине проникновения и прочность основного материала.

сварочная среда

Защита расплавленной ванны и термическая стабильность, которые более подвержены воздействию окружающей среды, являются важными звеньями, которые нельзя игнорировать для обеспечения высококачественной сварки.

Защитный газ

Как правило, используется высокочистый аргон, азот или газовая смесь. Расход газа (10-20 л/мин) и расстояние между соплом и заготовкой (5-8 мм) должны строго контролироваться.
Чрезмерная скорость потока газа может вызвать турбулентность в расплавленной ванне, в то время как слишком низкая скорость потока может неэффективно изолировать сварной шов от атмосферного окисления.

Условия окружающей среды

Скорость ветра и колебания температуры могут влиять на форму сварочной ванны и стабильность сварочной ванны. Поэтому сварку следует проводить в закрытой, безветренной кабине с постоянной температурой (±2°C).
При сварке на открытом воздухе или работе с крупными компонентами следует установить воздушную завесу или защитную газовую пленку.

Для достижения стабильной и высококачественной лазерной сварки необходима комплексная оптимизация параметров лазера, глубокое понимание свойств материала, тщательное проектирование геометрии соединения и сварка в контролируемой среде. Только благодаря синергии этих различных аспектов можно в полной мере использовать высокую эффективность и точность волоконно-лазерной сварки, достигая целей контролируемой глубины проплавления, равномерного сварного шва и низкого уровня дефектов. Это обеспечивает прочную основу для повышения как эффективности производства, так и структурных характеристик.

Технология контроля качества

Для обеспечения высокой стабильности и согласованности процесса лазерной сварки волоконным лазером необходимо внедрять строгие методы контроля качества на всех этапах: до, во время и после сварки. В этом разделе подробно рассматриваются четыре ключевых аспекта сварки: “Подготовка к сварке”, “Оптимизация параметров лазера”, “Мониторинг и управление в реальном времени” и “Послесварочная проверка и тестирование”, что позволит предложить комплексное решение для обеспечения качества лазерной сварки.

Подготовка перед сваркой

Предварительная подготовка перед сваркой — это первый шаг к обеспечению качества лазерной сварки. Благодаря тщательной обработке материалов и соединений дефекты можно свести к минимуму на начальном этапе.

Выбор материала: Предпочтение отдается металлам с высокой поглощающей способностью на длинах волн 1064 нм или 532 нм и умеренной теплопроводностью. Например, нержавеющая сталь и титановые сплавы обладают превосходными свойствами поглощения света, что позволяет быстро и стабильно формировать расплавленную ванну при низкой мощности.

Чистота поверхности: Масла, оксидные слои или остатки флюса на поверхности могут препятствовать поглощению и передаче лазерной энергии, что приводит к локальному перегреву или неполному сплавлению. Для обеспечения гладкой и чистой поверхности заготовки рекомендуется сочетание химической обезжиривания (щелочные или слабокислотные чистящие средства), ультразвукового обезжиривания и механической полировки.

Подготовка шва: Зазор между стыковыми соединениями должен контролироваться в пределах 0,1–0,2 мм, а для обеспечения плоскостности поверхности (Ra ≤ 1,6 мкм) следует использовать высокоточную шлифовку или обработку на станках с ЧПУ. Соответствующая конструкция канавок (V-образные канавки под углом 30°–60°) может улучшить равномерность проплавления сварного шва и уменьшить образование шлака.

Оптимизация параметров лазера

Точная оптимизация параметров лазера позволяет эффективно контролировать морфологию расплавленной ванны и геометрию сварного шва, что является ключом к повышению прочности сварного шва и качества поверхности.

Регулировка плотности мощности: Путем регулирования фокусного расстояния фокусирующей линзы или изменения диаметра луча плотность мощности поддерживается в оптимальном диапазоне 1×10⁶–1×10⁷ Вт/см². Для сварки тонких пластин плотность мощности может быть соответствующим образом снижена для минимизации зоны термического воздействия. Для глубокой сварки толстых пластин плотность мощности может быть увеличена, а скорость сварки — снижена.

Формирование луча: Хотя гауссово пятно позволяет быстро фокусироваться, оно также может создавать “эффект горячей точки” с чрезмерно высокими пиками, что приводит к перегреву и пористости. Использование линзы с прямоугольным профилем или оптических дифракционных элементов позволяет добиться более равномерного распределения энергии в пятне, обеспечивая гладкий край сварочной ванны и поверхность сварного шва без брызг.

Регулировка фокуса: С помощью автоматической системы калибровки сканирование и калибровка фокуса выполняются перед сваркой для обеспечения точности положения фокуса в пределах ±0,2 мм. Во время длинных сварочных циклов моторизованный механизм фокусировки может использоваться для точной настройки в реальном времени, чтобы поддерживать постоянную глубину проплавления.

Мониторинг и управление в режиме реального времени

В процессе сварки система онлайн-управления, основанная на мониторинге расплавленной ванны и обратной связи по замкнутому контуру, позволяет выявлять и корректировать отклонения на ранних стадиях, чтобы избежать дефектов сварки.

Адаптивная система управления: использует интенсивность отраженного света от поверхности расплавленной ванны или данные инфракрасной тепловизионной съемки для автоматической регулировки мощности лазера и скорости сварки. Например, если ширина расплавленной ванны сужается, система мгновенно снижает скорость сварки или увеличивает мощность для поддержания стабильной глубины и ширины проплавления.

Обратная связь с обратной связью: высокоскоростные камеры или оптические датчики фиксируют морфологию сварного шва и распределение температуры. В сочетании с алгоритмами ПИД-регулирования или нечеткой логики эта система обеспечивает регулировку температуры расплавленной ванны и глубины сварочной ванны в режиме реального времени с обратной связью, что значительно снижает количество дефектов, таких как пористость, трещины и брызги металла.

Алгоритм машинного обучения: Исторические данные о сварке (включая параметры процесса, спектральные сигналы и аннотации дефектов) подаются в модель глубокого обучения для прогнозирования дефектов и интеллектуальной оптимизации. По мере накопления количества образцов адаптивность системы к новым заготовкам и точность прогнозирования постоянно улучшаются.

Контроль и испытания после сварки

Строгий контроль и испытания после сварки являются последним звеном в замкнутом цикле контроля качества, позволяющим количественно оценить качество сварки и направлять процесс на его совершенствование.

Визуальный осмотр: Сделайте фотографии высокого разрешения или осмотрите поверхность сварного шва под микроскопом, чтобы оценить ширину шва, равномерность проплавления и наличие брызг на поверхности. Любые заметные вмятины, поры или трещины требуют немедленной доработки или корректировки процесса.

Неразрушающий контроль (НК): Использование рентгеновского или ультразвукового контроля для визуализации и анализа внутренних пор, шлаковых включений и трещин с целью обеспечения отсутствия критических дефектов в сварном шве. Для ответственных конструктивных элементов можно комбинировать магнитопорошковый контроль и капиллярный контроль для расширения охвата контроля.

Разрушающий контроль: Для количественной оценки прочности сварного шва и типов разрушения на образцах сварных швов проводятся испытания на растяжение, изгиб и ударную вязкость. Результаты испытаний могут быть использованы для калибровки требований к глубине проплавления сварного шва, оптимизации углов канавки и параметров лазерной обработки.

Технология контроля качества охватывает весь процесс, от подготовки к сварке и оптимизации параметров лазера до мониторинга и управления в реальном времени, а также послесварочной проверки и тестирования. Высококачественная подготовка материалов и соединений перед сваркой, усовершенствованная форма луча и регулировка плотности мощности, интеллектуальная онлайн-настройка на основе обратной связи и машинного обучения, а также многоуровневый неразрушающий и разрушающий контроль позволяют волоконно-лазерной сварке достигать превосходного качества сварных швов с равномерной толщиной, контролируемой глубиной проплавления и низким уровнем дефектов, обеспечивая прочную основу для последующего производства и сборки.

Проблемы и решения

Даже при наличии современного оборудования и точных параметров процесса лазерная сварка по-прежнему сталкивается с такими проблемами, как терморегулирование, отражательная способность материала и стабильность процесса. Неправильное решение этих проблем может не только поставить под угрозу структурную целостность сварного шва, но и снизить эффективность производства и стабильность конечного продукта. В этом разделе будут подробно рассмотрены эти распространенные проблемы и предложены практические решения.

Управление температурным режимом

испытание:

Лазерная сварка — это процесс с высокой плотностью энергии. Энергия лазерного луча концентрируется на поверхности материала за очень короткий промежуток времени, что легко может вызвать локальный перегрев и расширение зоны термического воздействия (ЗТВ). Это может привести к изменению структуры материала и накоплению остаточных напряжений, в конечном итоге вызывая деформацию сварного шва и даже образование трещин. Это особенно заметно при обработке тонких пластин и прецизионных деталей.

Решение:

Многоточечное охлаждение: по обеим сторонам сварного шва размещается несколько форсунок для туманного охлаждения или форсунок для подачи сжатого воздуха, чтобы быстро отвести избыточное тепло, не нарушая стабильность сварочной ванны.
Приспособление с нижним водяным охлаждением: Для пластин средней толщины можно использовать приспособление с системой циркуляции водяного охлаждения, позволяющее быстро отводить тепло от зоны сварки, уменьшая деформацию и внутренние напряжения.
Сегментная сварка и сварка с пропуском участков: для длинных сварных швов сварку следует производить по секциям, чередуя последовательность сварки, чтобы минимизировать накопление тепла.

Отражательная способность материала

испытание:

Некоторые металлы (например, алюминий, медь и их сплавы) обладают высокой отражательной способностью (более 901 Тл·3Тл) на длинах волн лазерного излучения. Это приводит к значительному отражению энергии в оптический путь, влияя на образование расплавленной ванны и потенциально повреждая оптические компоненты лазерного генератора. Высокая отражательная способность также требует большей входной мощности для достижения порога плавления, что увеличивает энергопотребление и затраты.

Решение:

Антибликовое покрытие: Нанесение на зону сварки специального поглощающего покрытия (например, графитового покрытия или покрытия с эффектом чернения) значительно снижает отражательную способность и повышает начальную эффективность поглощения энергии.
Предварительный нагрев: Предварительный нагрев заготовки до 100–300 °C изменяет состояние поверхности и электронную структуру материала, тем самым увеличивая поглощение лазерного излучения и уменьшая потери энергии на отражение.
Выбор подходящей длины волны лазера: Например, медь имеет более высокую степень поглощения для зеленых лазеров (515 нм) и синих лазеров (450 нм), поэтому лазерные генераторы с соответствующими длинами волн можно использовать напрямую.

Стабильность процесса

испытание:

Лазерная сварка чрезвычайно чувствительна к параметрам процесса, таким как положение фокуса, мощность лазера и скорость потока защитного газа. Даже незначительные возмущения (такие как вибрация заготовки, тепловое расширение и колебания скорости потока газа) могут привести к дефектам сварки, таким как схлопывание сквозного отверстия, пористость и чрезмерное разбрызгивание металла. Это создает проблемы для обеспечения стабильного качества при массовом производстве.

Решение:

Стандартизированный технологический процесс: установлены строгие технологические спецификации, включая предварительный нагрев оборудования, выравнивание и калибровку, а также время переключения защитного газа, чтобы свести к минимуму человеческие ошибки.
Система онлайн-мониторинга: для сбора динамических данных в режиме реального времени о сварочной ванне и зоне сварного шва используются высокоскоростные камеры, оптические или акустические датчики, которые интегрированы с системой управления технологическим процессом.
Автоматизированный контроль стабильности сварочной ванны: замкнутая система обратной связи регулирует мощность и скорость сварки для обеспечения постоянной глубины и диаметра сварочной ванны, уменьшая количество дефектов, вызванных нестабильными факторами.

Высокая точность и эффективность лазерной сварки часто сопряжены с техническими проблемами, такими как управление тепловым режимом, отражательная способность материала и стабильность процесса. Эти проблемы можно эффективно решить, используя многоточечное распылительное охлаждение и водоохлаждаемые приспособления для уменьшения термической деформации, применяя антиотражающие покрытия и предварительный нагрев для повышения эффективности поглощения энергии, а также сочетая стандартизированные процессы с онлайн-мониторингом для поддержания стабильности процесса. Для международных клиентов решения в области лазерной сварки, преодолевающие эти проблемы, не только обеспечивают прочность и эстетику сварного шва, но и поддерживают неизменно высокие стандарты качества в массовом производстве, тем самым повышая конкурентоспособность производителей на рынке.

Подведем итог

Глубокое понимание механизмов сварки при прокаливании и сварки с образованием сквозного отверстия, а также рациональное управление ключевыми параметрами, такими как мощность лазера, скорость сварки и положение фокуса, в сочетании с комплексной подготовкой перед сваркой, мониторингом в реальном времени и методами контроля после сварки, позволяют эффективно улучшить качество лазерной сварки. Для решения проблем, связанных с тепловым регулированием, отражательной способностью материала и стабильностью процесса, следует внедрять такие решения, как водоохлаждаемые приспособления, антиотражающая предварительная обработка и адаптивное управление в режиме реального времени.

Являясь ведущим поставщиком оборудования для лазерной сварки, Актек Лазер Мы обладаем многолетним практическим опытом в области лазерной сварки волоконным лазером. Мы не только обеспечиваем высокую производительность. лазерные сварочные аппараты Мы предлагаем комплексные автоматизированные системы управления, а также оптимизируем сварочные процессы в соответствии с потребностями заказчика. Узнайте больше о решениях AccTek Laser для лазерной сварки и вместе создайте эффективное и надежное будущее для сварки.

Лазерное оборудование

Контактная информация

Получить лазерные решения