Lasersko varjenje aluminijevih zlitin je bilo dolgo težko in vroče področje za znanstvenoraziskovalne inštitute in podjetja, ki so še naprej izvajala tehnične raziskave in uporabo. Z nenehno rastjo tržnega povpraševanja po lahkih strukturah in postopnim razvojem visokozmogljivih laserjev in izdelkov z laserskimi glavami se stroški laserskih varilnih sistemov zmanjšujejo.

V tem kontekstu se bo ključno ozko grlo, ki omejuje širitev aplikacij laserskega varjenja aluminijevih zlitin, premaknilo s stroškovnega vhoda na varilno tehnologijo.

Preboj na področju novih ali težko varljivih materialov iz aluminijevih zlitin in tehnologije laserskega varjenja v posebnih aplikacijah s kompleksnimi strukturami debelih plošč bo postal nova tehnologija laserskega varjenja aluminijevih zlitin.

1 Lastnosti laserskega varjenja aluminijeve zlitine
Z nenehnim pojavom zmogljivih in visokozmogljivih laserskih varilnih strojev se je tehnologija laserskega varjenja aluminijevih zlitin hitro razvila in postala najbolj obetavna metoda varjenja aluminijevih zlitin. Ta metoda ima različne značilnosti v smislu toplotnega cikla varjenja, kemične metalurgije, proizvodne učinkovitosti in oblike zvara.
Lasersko varjenje aluminijeve zlitine ima naslednje štiri prednosti:
1) Specifična energija pri varjenju je majhna. Specifična energija pri varjenju se nanaša na energijo, potrebno za varjenje površine enote. Če primerjamo varilno specifično energijo laserskega varjenja in varjenja z argonskim oblokom, lahko ugotovimo, da je specifična energija laserskega varjenja aluminijeve zlitine majhna, območje toplotnega vpliva pa majhno.
2) Varilna deformacija je majhna. Premer točke fokusiranega laserskega žarka je zelo majhen, tako da ima laserski žarek majhno območje delovanja na materialu, toplotno prizadeto območje je relativno majhno in deformacija je relativno majhna.
3) Učinkovitost proizvodnje je visoka. Premer laserske točke je majhen, gostota moči je visoka, kar omogoča visoko hitrost varjenja, dobro kakovost zvara in visoko proizvodno učinkovitost.
4) Zrno je v redu. V postopku laserskega varjenja je najvišja temperatura zvara visoka, čas zadrževanja pri visoki temperaturi je kratek, hitrost ohlajanja je hitra, stopnja podhlajevanja je velika in struktura zvara je v redu.

Zaradi fizikalnih lastnosti, kemične sestave in strukturnih značilnosti aluminijeve zlitine ima ta metoda tudi nekaj težav, predvsem v naslednjih petih vidikih.
1) Odbojnost je visoka. Ko je začetna temperatura vpadne površine žarka nizka, je odbojnost laserskega varjenja aluminijeve zlitine zelo visoka. Ko se temperatura poveča, se površina aluminijeve zlitine stopi in upari, stopnja absorpcije pa se hitro poveča.
2) Enostaven za izdelavo por. Laserski varilni šiv je globok in ozek, hitrost hlajenja aluminijeve zlitine pa je hitra in pore nimajo časa za prelivanje.
3) Zahteve za varilni sklop so visoke. Ko je laser fokusiran, je premer točke zelo majhen. Pri laserskem varilnem stroju brez funkcije nihanja se žarek zlahka premakne na varjenem šivu, kar lahko zlahka povzroči slabo tvorjenje vara.
4) Legirni element izgori. Elementi, kot so Mn, Mg in Zn v aluminijevih zlitinah, imajo močno sposobnost absorbiranja laserske svetlobe, kar povzroči izhlapevanje in gorenje, kar povzroči zmanjšanje učinkovitosti zvara.
5) Varilni brizgi. Odbojni učinek aluminijeve zlitine na laser je očiten. Za zagotovitev učinkovitega preboja se za varjenje običajno izberejo parametri večje moči. Visoka energijska gostota in visoka konična temperatura olajšata ustvarjanje brizganja, ko gre velika količina pare skozi ozek prostor v kratkem času, zlasti pri visokozmogljivem pulznem laserskem varjenju.

2 Razvoj tehnologije laserskega varjenja aluminijevih zlitin
2.1 Naftovod
1) Naftovod iz aluminijeve zlitine lahko učinkovito poveča premer cevovoda in debelino stene cevi, tako da lahko cevovod transportira več nafte v nazivnem času. Cevovodni transport nafte je zelo nevaren in nagnjen k puščanju. Ko pride do puščanja, lahko povzroči neizmerljive materialne izgube, žrtve, onesnaženje okolja, onesnaženje vode in druge velike nevarnosti.
2) Pri varjenju cevi iz aluminijeve zlitine je ključno za izboljšanje kakovosti varjenja in preprečevanje napak pri varjenju.
3) Lasersko varjenje cevi iz aluminijeve zlitine lahko prinese zelo velike koristi, hkrati pa lahko učinkovito nadzoruje kakovost varjenja. Med varjenjem lahko zagotovi, da se zvarni šiv oblikuje enkrat in je kakovost varjenja razmeroma visoka, s čimer se lahko izognete nevarnosti puščanja olja zaradi napak zvarnega šiva.

2.2 Lasersko varjenje ohišja akumulatorja iz aluminijeve zlitine za nova energetska vozila
V industriji novih energetskih vozil je zaradi povečanja teže baterijskih paketov večje povpraševanje po lahkih konstrukcijah. Zato so aluminij in aluminijeve zlitine nedvomno pomembni v primerjavi s kompozitnimi materiali, ojačanimi z ogljikovimi vlakni, z višjimi stroški in jeklom visoke trdnosti z večjo gostoto.
Postal je izbrani material za različne strukture ohišij baterij, od ohišij in jezičkov za baterije, modulov in konektorjev do baterijskih pladnjev, plošč iz aluminijeve zlitine, profilov in litih aluminijevih zlitin, ki se pogosto uporabljajo.
Celice s kvadratnimi lupinami so najbolj priljubljeni izdelki za lasersko varjenje aluminijevih zlitin, vključno s tesnili lupine, protieksplozijsko varnimi ventili, drogovi, luknjami za vbrizgavanje tekočine in mehkimi povezavami itd. Uporabljeni materiali vključujejo čisti aluminij in aluminijeve zlitine serije 3 z dobrim varivost, predvsem Pri postopku varjenja z nihajnim laserjem nastanejo zvarni spoji skoraj brez napak, ki izpolnjujejo pogoje tesnjenja.
Zgornji postopek uporablja varilno glavo z običajnim laserjem z vlakni in skenirajočim galvanometrom, ki omogoča visokokakovostno in visoko učinkovito lasersko varjenje. Trenutno je na trgu oblikovana popolna prilagojena oprema za lasersko varjenje. Baterijski moduli novih energetskih vozil in baterijski pladnji imajo visoko stopnjo individualizacije in večinoma uporabljajo aluminijeve zlitine serije 6 z visoko trdnostjo, nekateri pa uporabljajo aluminijeve zlitine serije 5.

Trenutno se uporabljata predvsem postopek varjenja MIG in tehnologija varjenja s trenjem in mešanjem. Glede na različne potrebe in oblikovne značilnosti izdelka obstajata približno dve vrsti.
Prvi tip je ohišje baterije nenosilnega modula, za katerega je značilen obstoj plošč iz aluminijeve zlitine z debelino ≤1,5 mm in nima nobenih zahtev glede tesnjenja za celotno strukturo. Varjen je v obliki prekrivnega prebojnega varjenja, sočelnega spoja, prekrivnega kotnega varjenja itd.
Uporaba enega samega laserja ali nihajnega laserja lahko zadosti potrebam po globini taljenja in širini taljenja. Zahteve za to vrsto izdelka so razmeroma preproste, zato postopek ni težaven in je bil uporabljen v proizvodnji.
Tehnične rešitve zagotavljajo predvsem proizvajalci laserskih glav in integratorji laserskih sistemov. Vendar pa so zaradi uporabe enojnega laserskega varjenja zahteve glede zračnosti sestave izdelka razmeroma visoke, zato na doslednost kakovosti varjenja močno vplivata dimenzijska natančnost vhodnih materialov in postopek vpenjanja.

Druga vrsta je, da ima izdelek zahteve glede tesnjenja, nekatere zahteve pa morajo vzdržati pogoje zadrževanja tlaka v določenem časovnem obdobju. Debelina pločevine je običajno 3 ~ 5 mm, montaža s profili iz aluminijeve zlitine pa vključuje čelne spoje, kotne spoje, prekrivne spoje itd.
Zaradi manjše velikosti izdelka v primerjavi z baterijskim pladnjem in relativno nizkih pogojev uporabe nameravata tako proizvajalec kot uporabnik postopek varjenja z MIG varjenja nadgraditi na lasersko varjenje. Trenutno je v fazi raziskovanja in testiranja postopka laserskega varjenja, ki ga v glavnem izvajajo znanstvenoraziskovalni inštituti, dobavitelji laserjev in proizvajalci delov.

2.3 Uporaba tehnologije laserskega varjenja aluminijevih zlitin pri gradnji ladij
Zaradi nizke gostote in manjše teže materiala iz aluminijeve zlitine se težišče ladje zniža, hkrati pa se zmanjša teža ladje, kar prispeva k izboljšanju varnosti in stabilnosti ladje. Zato se široko uporablja na nekaterih ladjah, kot so jahte, ladje za križarjenje, podmornice, ribiški čolni itd. Uporaba laserskega varjenja v ladjedelništvu je prav tako relativno pogosta. Zaradi velike velikosti trupa je varjenje igralo pomembno vlogo v ladjedelništvu. Uporaba laserskega varjenja omogoča pridobivanje zvarov visoke trdnosti, s čimer se zmanjša debelina uporabljene aluminijeve zlitine. Za dosego namena majhne teže in visoke trdnosti. ZDA so izračunale, da lahko letalonosilka, zgrajena s tehnologijo laserskega varjenja, prihrani 200 ton teže. Pravzaprav, ko danes v Evropi gradite te velike ladje za križarjenje, je stopnja uporabe laserskega varjenja presegla 20%, ciljna stopnja izkoriščenosti v prihodnosti pa je 50%.

2.4 Lasersko varjenje strukture plošče iz aluminijeve zlitine letala

Lahka teža letalskih letal ima pomembno vlogo pri zmanjševanju porabe goriva, povečanju dosega in podaljševanju življenjske dobe letal. V primerjavi s titanovimi zlitinami in kompozitnimi materiali iz ogljikovih vlaken so stroški aluminijevih zlitin relativno nizki. Zato pri izdelavi trupov letal aluminijeve zlitine predstavljajo velik delež, predvsem aluminijeve zlitine serije 7, serije 6 in serije 2. Pri uporabi povezave med oblogo plošče trupa in tetivami tradicionalna metoda uporablja tehnologijo kovičenja, obloga in tetive pa prevzamejo strukturo prekrivnega spoja. Zaradi dodatne teže, ki nastane zaradi prekrivajočega se roba zakovice in vrvice, in nizke proizvodne učinkovitosti, se vrvica in obloga spremenita v strukturo v obliki črke T, lasersko varjenje z žico pa se izvaja na levi in desni strani hkrati za zamenjavo prekrivajočega se roba. Z zakovicami ima očiten učinek na zmanjšanje teže trupa, izboljšanje učinkovitosti povezave in zmanjšanje proizvodnih stroškov. Na primer, osem panelov modela Airbus A380 je izdelanih s tehnologijo dvostranskega laserskega simultanega varjenja, ki zmanjša težo trupa za 10%.

Če povzamemo, čeprav ima varjenje aluminijevih zlitin težave zaradi zapletenega postopka in težke obdelave, z naraščajočim povpraševanjem po aluminijevih zlitinah v procesu industrializacije in vloga, ki jo ima v življenju, postaja vse pomembnejša.
S hitrim razvojem tehnologije laserskega varjenja se bo uporaba nove varilne tehnologije v letalski in vesoljski varilni proizvodnji hitro razvijala. Avtomatizacija varjenja in zmožnost zagotavljanja visoke kakovosti in visoke zanesljivosti bosta osnovni zahtevi varilne tehnologije v 21. stoletju.
Zato je treba pri izboljševanju in optimizaciji postopka varjenja aluminijevih zlitin v celoti upoštevati stroške, napredno stopnjo metode in učinkovitost varjenja, da bi v največji meri preprečili nastanek por in razpok, nadzor napake spojev in tvorijo dober zvar z odlično kakovostjo.