Einführung
Die weit verbreitete Anwendung des Laserschweißens für Aluminiumlegierungen in der industriellen Produktion hat erhebliche Vorteile für die nachhaltige Entwicklung und den sozioökonomischen Fortschritt gebracht, da es gleichzeitig die Schweißnahtfestigkeit erhöht und den Energieverbrauch senkt. Trotz der vielversprechenden Aussichten für diese Legierungen ist die aktuelle Forschung, die sich speziell mit der Reduzierung des Energieverbrauchs während ihrer Laserschweißprozesse befasst, nach wie vor begrenzt. Diese Studie erreicht das doppelte Ziel, die Verbindungsfestigkeit zu verbessern und den Energieverbrauch zu senken, indem Spurenmengen von Kohlenstoffnanoröhren in die 2A12-Aluminiumlegierung eingearbeitet werden. Die Studie definiert die „Schweißeffizienz“, erstellt ein Energieverbrauchsmodell für das Laserschweißen von Aluminiumlegierungen und führt eine vergleichende Analyse zwischen dem Laserschweißverfahren mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Zugabe und dem Standard-Laserschweißverfahren durch. Die Ergebnisse zeigen, dass die Zugabe von Spuren von Kohlenstoffnanoröhren zu einer Reduzierung des Energieverbrauchs um über 33 % und einer Erhöhung der Verbindungsfestigkeit um 101 MPa führt. Darüber hinaus weist diese Technik im Vergleich zu anderen in der Literatur beschriebenen Laserschweißverfahren für Aluminiumlegierungen erhebliche Vorteile bei der Energieeinsparung auf. Diese Leistungssteigerungen werden auf die Tatsache zurückgeführt, dass die Spuren von Kohlenstoffnanoröhren die Laserabsorptionsrate der Aluminiumlegierung erhöhen, während die in der Verbindung verbleibenden Nanoröhren als verstärkendes Medium wirken. Diese Studie bietet neue Erkenntnisse und Methoden für das Schweißen von Aluminiumlegierungen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt und hoher Qualität.
Diese Studie verbesserte die Energieeffizienz des Laserschweißens von Aluminiumlegierungen erheblich und reduzierte den Energieverbrauch beim Schweißen durch die Zugabe von Spurenmengen an Kohlenstoffnanoröhren. Zunächst wurde eine vergleichende Analyse zwischen dem Standard-Laserschweißverfahren und dem Laserschweißverfahren mit Kohlenstoffnanoröhren durchgeführt, basierend auf etablierten Energieverbrauchs- und Schweißeffizienzmodellen. Zweitens wurde der LC-3-Prozess mit Daten zum Laserenergieverbrauch verglichen, die in der einschlägigen Literatur angegeben sind. Gleichzeitig wurden die mechanischen Eigenschaften -eine kritische Messgröße für die Schweißqualität-in den Bewertungsrahmen für jede Verbindung einbezogen. Letztendlich wurde der intrinsische Zusammenhang zwischen den Energiesparmöglichkeiten des LC-3-Prozesses und der verbesserten Leistung der Schweißverbindungen aufgeklärt. Die wichtigsten Erkenntnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen:
Im Vergleich zum Standard-Laserschweißverfahren zeigte das Laserschweißverfahren, das Spuren von Kohlenstoffnanoröhren (LC-3) enthält, eine Steigerung der Schweißeffizienz um 33 % und erzielte Energieeinsparungen von etwa 33 %. Darüber hinaus zeigte das LC-3-Verfahren erhebliche Vorteile hinsichtlich der Reduzierung des Materialverbrauchs.
Im Vergleich zu bestehenden Verfahren erreichte das LC-3-Verfahren mit 60 mm²/s·kW die höchste Schweißeffizienz. Bei Aluminiumlegierungen gleicher Dicke wies das LC-3-Verfahren auch den niedrigsten Laserenergieverbrauch auf.
Die überlegenen energiesparenden und hoch{1}effizienten Eigenschaften des LC-3-Prozesses beruhen in erster Linie auf den einzigartigen Lichtabsorptionseigenschaften der Spurenkohlenstoff-Nanoröhrchen. Durch das Füllen der Schweißnaht verbesserten diese Nanoröhren die Absorptionsrate der Laserenergie durch die Aluminiumlegierung erheblich und minimierten so den Laserenergieverlust in der Anfangsphase des Schweißprozesses.
