У порівнянні з традиційною технологією зварювання,лазерне зварюваннямає незрівнянні переваги в точності зварювання, ефективності, надійності, автоматизації та інших аспектах. В останні роки він швидко розвивається в галузі автомобілів, енергетики, електроніки та інших галузях і вважається однією з найперспективніших виробничих технологій у 21 столітті.
1. Огляд двобалкилазерне зварювання
Двопроменевілазерне зварюванняполягає у використанні оптичних методів для розділення одного лазера на два окремих промені світла для зварювання або в об’єднанні двох різних типів лазерів, наприклад CO2-лазера, Nd:YAG-лазера та потужного напівпровідникового лазера. Все можна комбінувати. Було запропоновано головним чином вирішити адаптивність лазерного зварювання до точності складання, підвищити стабільність процесу зварювання та покращити якість зварного шва. Двопроменевілазерне зварюванняможе зручно та гнучко регулювати температурне поле зварювання, змінюючи співвідношення енергії променя, відстань між променями та навіть структуру розподілу енергії двох лазерних променів, змінюючи схему існування замкової щілини та структуру потоку рідкого металу в розплавленому басейні. Забезпечує більш широкий вибір процесів зварювання. Він не тільки має переваги великоголазерне зварюванняпроникнення, висока швидкість і висока точність, але також підходить для матеріалів і з'єднань, які важко зварювати звичайнимлазерне зварювання.
Для двобалковихлазерне зварювання, ми спочатку обговоримо методи реалізації двопроменевого лазера. Велика література показує, що існує два основних способи досягнення двопроменевого зварювання: фокусування на трансмісії та фокусування на відбиття. Зокрема, один досягається шляхом регулювання кута та відстані двох лазерів за допомогою фокусуючих дзеркал і колімуючих дзеркал. Інший досягається за допомогою лазерного джерела з подальшим фокусуванням через дзеркала, що відбивають, дзеркала, що пропускають, і дзеркала у формі клина, щоб отримати подвійні промені. Для першого методу в основному є три форми. Перша форма полягає в з’єднанні двох лазерів через оптичні волокна та розділенні їх на два різні промені під одним колімуючим дзеркалом і фокусуючим дзеркалом. По-друге, два лазери виводять лазерні промені через відповідні зварювальні головки, і подвійний промінь формується шляхом регулювання просторового положення зварювальних головок. Третій спосіб полягає в тому, що лазерний промінь спочатку розбивається двома дзеркалами 1 і 2, а потім фокусується двома фокусуючими дзеркалами 3 і 4 відповідно. Положення та відстань між двома фокусними плямами можна регулювати, регулюючи кути двох фокусуючих дзеркал 3 і 4. Другий метод полягає у використанні твердотільного лазера для розділення світла для отримання подвійних променів і регулювання кута та інтервал через дзеркало перспективи та дзеркало фокусування. Останні два зображення в першому рядку нижче показують спектроскопічну систему CO2-лазера. Плоске дзеркало замінюється клиноподібним дзеркалом і розміщується перед дзеркалом фокусування, щоб розділити світло для отримання двопроменевого паралельного світла.
Розібравшись із застосуванням подвійних балок, давайте коротко познайомимося з принципами та методами зварювання. У двопроменевомулазерне зварюванняУ цьому процесі існує три загальних розташування пучків, а саме послідовне розташування, паралельне розташування та гібридне розташування. тканини, тобто існує відстань як у напрямку зварювання, так і у вертикальному напрямку зварювання. Як показано в останньому рядку малюнка, відповідно до різних форм невеликих отворів і розплавлених басейнів, які з’являються під різними відстанями між плямами під час процесу послідовного зварювання, їх можна далі розділити на окремі розплави. Існує три стани: пул, загальний пул розплаву та відокремлений пул розплаву. Характеристики окремої ванни розплаву та окремої ванни розплаву подібні до характеристик окремої ваннилазерне зварювання, як показано на схемі чисельного моделювання. Існують різні ефекти процесу для різних типів.
Тип 1: За певного інтервалу між плямами дві замкові щілини балок утворюють спільну велику замкову щілину в одній ємності розплаву; для типу 1 повідомляється, що один промінь світла використовується для створення невеликого отвору, а інший промінь світла використовується для термічної обробки зварювання, що може ефективно покращити структурні властивості високовуглецевої та легованої сталі.
Тип 2: збільшити відстань між плямами в тій самій купі розплаву, розділити два балки на дві незалежні замкові щілини та змінити структуру потоку ванни розплаву; для типу 2 його функція еквівалентна зварюванню двома електронними променями. Зменшує розбризкування швів і нерівні зварні шви на відповідній фокусній відстані.
Тип 3: подальше збільшення відстані між плямами та зміна співвідношення енергії двох пучків, щоб один із двох пучків використовувався як джерело тепла для виконання обробки перед зварюванням або після зварювання під час процесу зварювання, а інший пучок використовується для створення невеликих отворів. Для типу 3 дослідження показало, що дві балки утворюють замкову щілину, невеликий отвір важко згорнути, а зварний шов нелегко утворити пори.
2. Вплив процесу зварювання на якість зварювання
Вплив послідовного співвідношення енергії пучка на формування зварювального шва
Коли потужність лазера становить 2 кВт, швидкість зварювання становить 45 мм/с, величина розфокусування становить 0 мм, а відстань між променями становить 3 мм, форма поверхні зварного шва при зміні RS (RS = 0,50, 0,67, 1,50, 2,00) виглядає як показано на малюнку. Коли RS=0,50 і 2,00, зварний шов пом’ятий більшою мірою, і на краю зварного шва більше бризок, без утворення регулярних малюнків риб’ячої луски. Це пояснюється тим, що коли коефіцієнт енергії променя занадто малий або занадто великий, енергія лазера є надто концентрованою, що спричиняє сильніші коливання отвору лазера під час процесу зварювання, а тиск віддачі пари спричиняє викид і бризки розплавленого матеріалу. басейн металу в басейні розплаву; Надмірне надходження тепла призводить до того, що глибина проникнення розплавленої ванни на стороні алюмінієвого сплаву стає занадто великою, викликаючи западину під дією сили тяжіння. Коли RS=0,67 і 1,50, візерунок риб'ячої луски на поверхні зварного шва однорідний, форма зварного шва більш красива, і на поверхні зварного шва немає видимих гарячих тріщин, пір та інших зварювальних дефектів. Форми поперечного перерізу зварних швів з різними співвідношеннями енергії пучка RS такі, як показано на малюнку. Поперечний переріз зварних швів має типову форму «фужера», що вказує на те, що процес зварювання здійснюється в режимі лазерного зварювання глибоким проплавленням. RS має важливий вплив на глибину проплавлення P2 зварного шва на стороні алюмінієвого сплаву. При коефіцієнті енергії пучка RS=0,5 P2 становить 1203,2 мкм. Коли відношення енергії пучка RS=0,67 і 1,5, P2 значно зменшується, що становить 403,3 мкм і 93,6 мкм відповідно. При коефіцієнті енергії пучка RS=2 глибина проплавлення зварного шва перерізу з’єднання становить 1151,6 мкм.
Вплив співвідношення енергії паралельного пучка на формування зварювального шва
Коли потужність лазера становить 2,8 кВт, швидкість зварювання становить 33 мм/с, величина розфокусування становить 0 мм, а відстань між променями становить 1 мм, поверхня зварного шва виходить шляхом зміни співвідношення енергії променя (RS=0,25, 0,5, 0,67, 1,5). , 2, 4) Зовнішній вигляд зображено на малюнку. Коли RS=2, малюнок риб’ячої луски на поверхні зварного шва є відносно нерівномірним. Поверхня зварного шва, отримана іншими п’ятьма різними співвідношеннями енергії пучка, добре сформована, і немає видимих дефектів, таких як пори та бризки. Тому в порівнянні з серійними двопроменевимилазерне зварювання, поверхня зварювання з використанням паралельних подвійних балок є більш рівномірною та красивою. При RS=0,25 спостерігається невелике заглиблення в шві; при поступовому зростанні коефіцієнта енергії пучка (RS=0,5, 0,67 і 1,5) поверхня зварного шва однорідна і не утворюється западина; однак при подальшому зростанні коефіцієнта енергії пучка (RS=1,50, 2,00), але на поверхні зварного шва залишаються западини. При відношенні енергії променя RS=0,25, 1,5 і 2 форма поперечного перерізу зварного шва є «фужером»; при RS=0,50, 0,67 і 1 форма поперечного перерізу шва є «лійкоподібною». Коли RS=4, не тільки тріщини утворюються в нижній частині зварного шва, але також деякі пори утворюються в середній і нижній частині зварного шва. Коли RS=2, всередині зварного шва з’являються великі технологічні пори, але тріщини не з’являються. Коли RS=0,5, 0,67 і 1,5, глибина проплавлення P2 зварного шва на стороні алюмінієвого сплаву менша, а поперечний переріз зварного шва добре сформований і не утворюються явні дефекти зварювання. Вони показують, що співвідношення енергії променя під час паралельного двопроменевого лазерного зварювання також має важливий вплив на проплавлення зварного шва та дефекти зварювання.
Паралельний промінь – вплив відстані променів на формування зварювального шва
Коли потужність лазера становить 2,8 кВт, швидкість зварювання становить 33 мм/с, величина розфокусування становить 0 мм, а коефіцієнт енергії променя RS=0,67, змініть відстань променя (d=0,5 мм, 1 мм, 1,5 мм, 2 мм), щоб отримати морфологія поверхні зварювання, як показано на малюнку. Коли d = 0,5 мм, 1 мм, 1,5 мм, 2 мм, поверхня зварного шва гладка і плоска, а форма красива; малюнок риб'ячої луски зварного шва правильний і красивий, немає видимих пір, тріщин та інших дефектів. Таким чином, за умов інтервалу чотирьох променів поверхня зварного шва добре сформована. Крім того, коли d=2 мм, утворюються два різні зварні шви, що показує, що два паралельні лазерні промені більше не діють на розплавлену ємність і не можуть утворити ефективне гібридне двопроменеве лазерне зварювання. При відстані між балками 0,5 мм зварний шов має «лійкоподібну форму», глибина проплавлення P2 зварного шва з боку алюмінієвого сплаву становить 712,9 мікрон, а всередині шва немає тріщин, пір та інших дефектів. Оскільки відстань між променями продовжує збільшуватися, глибина проплавлення P2 зварного шва на стороні алюмінієвого сплаву значно зменшується. Коли відстань між променями становить 1 мм, глибина проплавлення шва з боку алюмінієвого сплаву становить лише 94,2 мікрона. У міру подальшого збільшення відстані між променями зварний шов не створює ефективного провару на стороні алюмінієвого сплаву. Тому, коли відстань між променями становить 0,5 мм, ефект рекомбінації подвійного променя є найкращим. Зі збільшенням відстані між пучками підведення тепла при зварюванні різко зменшується, і ефект двопроменевої лазерної рекомбінації поступово погіршується.
Різниця в морфології зварного шва спричинена різною течією та охолоджуючим затвердінням ванни розплаву під час процесу зварювання. Метод чисельного моделювання може не тільки зробити аналіз напруги ванни розплаву більш інтуїтивно зрозумілим, але й зменшити вартість експерименту. На малюнку нижче показано зміни в бічній плавильній ванні з одним пучком, різним розташуванням і відстанню між плямами. Основні висновки включають: (1) Під час однопроменевоголазерне зварюванняпроцес, глибина розплавленого отвору є найглибшою, є явище колапсу отвору, стінка отвору нерівномірна, а розподіл поля потоку біля стінки отвору нерівномірний; біля задньої поверхні ванни розплаву. Оплавлення сильне, і на дні ванни розплаву відбувається оплавлення вгору; розподіл поля потоку поверхневої ванни розплаву є відносно рівномірним і повільним, а ширина ванни розплаву нерівномірна в напрямку глибини. Між невеликими отворами в подвійній балці є перешкоди, спричинені тиском віддачі в стінці розплавленої ваннилазерне зварювання, і він завжди існує вздовж напрямку глибини малих отворів. Оскільки відстань між двома променями продовжує збільшуватися, щільність енергії променя поступово переходить від стану з одним піком до стану з подвійним піком. Між двома піками є мінімальне значення, і щільність енергії поступово зменшується. (2) Для подвійної балкилазерне зварювання, коли відстань між плямами становить 0-0,5 мм, глибина невеликих отворів розплавленої ванни трохи зменшується, а загальна поведінка потоку розплавленої ванни подібна до однопроменевої.лазерне зварювання; коли відстань між плямами перевищує 1 мм, невеликі отвори повністю розділяються, а під час процесу зварювання майже немає взаємодії між двома лазерами, що еквівалентно двом послідовним/двом паралельним однопроменевим лазерним зварюванням із потужністю 1750 Вт. Ефект попереднього нагрівання майже відсутній, а поведінка потоку розплавленої ванни подібна до однопроменевого лазерного зварювання. (3) Коли відстань між плямами становить 0,5-1 мм, поверхня стінки невеликих отворів стає більш плоскою в двох розташуваннях, глибина невеликих отворів поступово зменшується, а дно поступово відокремлюється. Порушення між малими отворами та потоком поверхневої ванни розплаву становлять 0,8 мм. Найсильніший. Для послідовного зварювання довжина розплавленої ванни поступово збільшується, ширина є найбільшою, коли відстань між плямами становить 0,8 мм, а ефект попереднього нагріву найбільш очевидний, коли відстань між плямами становить 0,8 мм. Дія сили Марангоні поступово слабшає, і більше металевої рідини тече по обидва боки розплавленої ванни. Зробіть розподіл розплаву по ширині більш рівномірним. Для паралельного зварювання ширина ванни розплаву поступово збільшується, а довжина становить максимум 0,8 мм, але немає ефекту попереднього нагріву; оплавлення біля поверхні, викликане силою Марангоні, завжди існує, а оплавлення вниз на дні маленького отвору поступово зникає; Поле потоку поперечного перерізу не таке добре, як Воно сильне в послідовності, збурення майже не впливає на потік з обох боків басейну розплаву, а ширина розплаву розподіляється нерівномірно.
Час публікації: 12 жовтня 2023 р
