Порівняно з традиційною технологією зварювання,лазерне зварюваннямає неперевершені переваги в точності зварювання, ефективності, надійності, автоматизації та інших аспектах. В останні роки вона швидко розвивалася в галузях автомобілебудування, енергетики, електроніки та інших галузей і вважається однією з найперспективніших виробничих технологій 21 століття.
1. Огляд двобалкової конструкціїлазерне зварювання
Подвійна балкалазерне зварюванняполягає у використанні оптичних методів для розділення одного й того ж лазера на два окремі промені світла для зварювання або у використанні двох різних типів лазерів для комбінування, таких як CO2-лазер, Nd:YAG-лазер та потужний напівпровідниковий лазер. Усі вони можуть бути комбіновані. Це було запропоновано головним чином для вирішення проблеми адаптивності лазерного зварювання до точності складання, підвищення стабільності процесу зварювання та покращення якості зварного шва. Подвійний проміньлазерне зварюванняможе зручно та гнучко регулювати температурне поле зварювання, змінюючи співвідношення енергії променя, відстань між променями та навіть схему розподілу енергії двох лазерних променів, змінюючи схему існування замкової щілини та схему потоку рідкого металу в розплавленій ванні. Забезпечує ширший вибір процесів зварювання. Він має не лише переваги великоголазерне зварюванняпроникнення, висока швидкість та висока точність, але також підходить для матеріалів та з'єднань, які важко зварювати звичайними методамилазерне зварювання.
Для подвійної балкилазерне зварюванняСпочатку ми обговоримо методи реалізації двопроменевого лазера. Широка література показує, що існує два основних способи досягнення двопроменевого зварювання: фокусування на просвіт та фокусування на відбиття. Зокрема, один досягається шляхом регулювання кута та відстані між двома лазерами за допомогою фокусуючих дзеркал та колімуючих дзеркал. Інший досягається за допомогою лазерного джерела, а потім фокусування за допомогою відбивних дзеркал, пропускних дзеркал та клиноподібних дзеркал для отримання подвійних променів. Для першого методу існують переважно три форми. Перша форма полягає у з'єднанні двох лазерів через оптичні волокна та розділенні їх на два різні промені під одним колімуючим дзеркалом та фокусуючим дзеркалом. Друга полягає у тому, що два лазери випромінюють лазерні промені через відповідні зварювальні головки, а подвійний промінь формується шляхом регулювання просторового положення зварювальних головок. Третій метод полягає у тому, що лазерний промінь спочатку розділяється через два дзеркала 1 та 2, а потім фокусується двома фокусуючими дзеркалами 3 та 4 відповідно. Положення та відстань між двома фокальними плямами можна регулювати, регулюючи кути двох фокусуючих дзеркал 3 та 4. Другий метод полягає у використанні твердотільного лазера для розділення світла для досягнення подвійного променя, а також у регулюванні кута та відстані за допомогою перспективного дзеркала та фокусуючого дзеркала. Два останні зображення в першому рядку нижче показують спектроскопічну систему CO2-лазера. Плоске дзеркало замінюється клиноподібним дзеркалом і розміщується перед фокусуючим дзеркалом для розділення світла та отримання подвійного паралельного променя.
Після розуміння реалізації подвійних балок, давайте коротко ознайомимося з принципами та методами зварювання. У подвійній балцілазерне зварюванняУ цьому процесі існують три поширені розташування пучка, а саме послідовне розташування, паралельне розташування та гібридне розташування. Тканина, тобто існує відстань як у напрямку зварювання, так і у вертикальному напрямку зварювання. Як показано в останньому рядку рисунка, залежно від різних форм невеликих отворів та розплавлених ванн, що з'являються під різною відстанню між точками під час послідовного зварювання, їх можна додатково розділити на окремі розплави. Існує три стани: ванна, загальна розплавлена ванна та відокремлена розплавлена ванна. Характеристики окремої розплавленої ванни та відокремленої розплавленої ванни подібні до характеристик окремого розплаву.лазерне зварювання, як показано на діаграмі числового моделювання. Для різних типів існують різні ефекти процесу.
Тип 1: При певній відстані між точками два промені утворюють спільний великий отвір в одній розплавленій ванні; для типу 1 повідомляється, що один промінь світла використовується для створення невеликого отвору, а інший промінь світла використовується для зварювальної термічної обробки, що може ефективно покращити структурні властивості високовуглецевої сталі та легованої сталі.
Тип 2: Збільшення відстані між точками в одній розплавленій ванні, розділення двох променів на два незалежні отвори та зміна схеми потоку розплавленої ванни; для типу 2 його функція еквівалентна двом електронно-променевим зварюванням, зменшує розбризкування зварного шва та нерівномірні зварні шви за відповідної фокусної відстані.
Тип 3: Подальше збільшення відстані між точками та зміна співвідношення енергії двох променів, щоб один з двох променів використовувався як джерело тепла для виконання попередньої або післязварювальної обробки під час процесу зварювання, а інший промінь використовується для створення малих отворів. Дослідження показало, що для типу 3 два промені утворюють замкову щілину, малий отвір нелегко руйнується, а зварний шов нелегко утворює пори.
2. Вплив процесу зварювання на якість зварювання
Вплив послідовного співвідношення енергії променя на формування зварного шва
Коли потужність лазера становить 2 кВт, швидкість зварювання становить 45 мм/с, величина дефокусування становить 0 мм, а відстань між променями становить 3 мм, форма поверхні зварювання при зміні RS (RS = 0,50, 0,67, 1,50, 2,00) така, як показано на рисунку. Коли RS = 0,50 та 2,00, зварний шов має більшу вм'ятину, а на краю зварного шва утворюється більше бризок, без утворення регулярних візерунків «риб'ячої луски». Це пояснюється тим, що коли співвідношення енергії променя занадто мале або занадто велике, лазерна енергія занадто концентрована, що призводить до сильніших коливань лазерного отвору під час процесу зварювання, а тиск віддачі пари призводить до викидання та розбризкування розплавленого металу ванни в розплавлену ванну; Надмірне підведення тепла призводить до занадто великої глибини проникнення розплавленого металу з боку алюмінієвого сплаву, що викликає заглиблення під дією сили тяжіння. Коли RS=0,67 та 1,50, малюнок риб'ячої луски на поверхні зварювання рівномірний, форма зварювання красивіша, і на поверхні зварювання немає видимих гарячих тріщин зварювання, пор та інших дефектів зварювання. Форми поперечного перерізу зварних швів з різними співвідношеннями енергії променя RS показані на рисунку. Поперечний переріз зварних швів має типову форму «келиха для вина», що вказує на те, що процес зварювання виконується в режимі лазерного глибокого проникнення. RS має важливий вплив на глибину проникнення P2 зварного шва з боку алюмінієвого сплаву. Коли співвідношення енергії променя RS=0,5, P2 становить 1203,2 мікрона. Коли співвідношення енергії променя RS=0,67 та 1,5, P2 значно зменшується, що становить 403,3 мікрона та 93,6 мікрона відповідно. Коли співвідношення енергії променя RS=2, глибина проникнення зварного шва в поперечному перерізі з'єднання становить 1151,6 мікрона.
Вплив співвідношення паралельних променів до енергії на формування зварного шва
Коли потужність лазера становить 2,8 кВт, швидкість зварювання становить 33 мм/с, величина дефокусування становить 0 мм, а відстань між променями становить 1 мм, поверхня зварювання отримується шляхом зміни співвідношення енергії променя (RS=0,25, 0,5, 0,67, 1,5, 2, 4). Зовнішній вигляд показано на рисунку. Коли RS=2, візерунок «риб’яча луска» на поверхні зварного шва є відносно нерівномірним. Поверхня зварного шва, отриманого за допомогою інших п’яти різних співвідношень енергії променя, добре сформована, і на ній немає видимих дефектів, таких як пори та бризки. Таким чином, порівняно з серійним двопроменевим...лазерне зварювання, поверхня зварного шва при використанні паралельних подвійних променів є більш рівномірною та красивою. Коли RS=0,25, у шві є невелике заглиблення; зі поступовим збільшенням коефіцієнта енергії променя (RS=0,5, 0,67 та 1,5) поверхня зварного шва є рівномірною і заглиблення не утворюється; однак, коли коефіцієнт енергії променя збільшується далі (RS=1,50, 2,00), заглиблення на поверхні зварного шва є. Коли коефіцієнт енергії променя RS=0,25, 1,5 та 2, форма поперечного перерізу зварного шва має форму «винного келиха»; коли RS=0,50, 0,67 та 1, форма поперечного перерізу зварного шва має форму «лійки». Коли RS=4, тріщини утворюються не тільки внизу шва, але й утворюються пори в середній та нижній частинах шва. Коли RS=2, всередині шва з'являються великі технологічні пори, але тріщини не з'являються. Коли RS=0,5, 0,67 та 1,5, глибина проникнення P2 зварного шва з боку алюмінієвого сплаву менша, а поперечний переріз зварного шва добре сформований і не утворюється очевидних дефектів зварювання. Це показує, що співвідношення енергії променя під час паралельного двопроменевого лазерного зварювання також має важливий вплив на проникнення зварного шва та дефекти зварювання.
Паралельна балка – вплив відстані між балками на формування зварного шва
Коли потужність лазера становить 2,8 кВт, швидкість зварювання – 33 мм/с, ступінь дефокусування – 0 мм, а коефіцієнт енергії променя RS=0,67, змініть відстань між променями (d=0,5 мм, 1 мм, 1,5 мм, 2 мм), щоб отримати морфологію поверхні зварювання, як показано на малюнку. Коли d=0,5 мм, 1 мм, 1,5 мм, 2 мм, поверхня зварного шва гладка та рівна, а форма гарна; візерунок «риб’ячої луски» на зварному шві правильний та гарний, без видимих пор, тріщин та інших дефектів. Таким чином, за умов чотирьох відстаней між променями поверхня зварювання 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 ванну та не можуть утворювати ефективне гібридне зварювання двома променями. Коли відстань між променями становить 0,5 мм, зварний шов має «лійкоподібну форму», глибина проникнення P2 зварного шва з боку алюмінієвого сплаву становить 712,9 мікрона, і всередині шва немає тріщин, пор та інших дефектів. Зі збільшенням відстані між променями глибина проникнення P2 зварного шва з боку алюмінієвого сплаву значно зменшується. Коли відстань між променями становить 1 мм, глибина проникнення зварного шва з боку алюмінієвого сплаву становить лише 94,2 мікрона. З подальшим збільшенням відстані між променями зварний шов не утворює ефективного проникнення з боку алюмінієвого сплаву. Тому, коли відстань між променями становить 0,5 мм, ефект двопроменевої рекомбінації є найкращим. Зі збільшенням відстані між променями підведення тепла до зварювання різко зменшується, а ефект двопроменевої лазерної рекомбінації поступово погіршується.
Різниця в морфології зварного шва зумовлена різним потоком та охолодженням та затвердінням розплавленої ванни під час процесу зварювання. Метод числового моделювання може не тільки зробити аналіз напружень розплавленої ванни більш інтуїтивним, але й зменшити вартість експерименту. На малюнку нижче показано зміни в бічній ванні розплаву з одним променем, різними розташуваннями та відстанню між точками. Основні висновки включають: (1) Під час зварювання одним променемлазерне зварюванняУ процесі процесу глибина отвору розплавленої ванни є найбільшою, спостерігається явище руйнування отвору, стінка отвору нерівномірна, а розподіл поля потоку поблизу стінки отвору нерівномірний; поблизу задньої поверхні розплавленої ванни пакування сильне, а на дні розплавленої ванни спостерігається висхідне пакування; розподіл поля потоку на поверхні розплавленої ванни відносно рівномірний і повільний, а ширина розплавленої ванни нерівномірна вздовж напрямку глибини. Спостерігаються збурення, спричинені тиском віддачі стінки розплавленої ванни між малими отворами у подвійній балці.лазерне зварювання, і вона завжди існує вздовж напрямку глибини малих отворів. Зі збільшенням відстані між двома променями густина енергії променя поступово переходить від стану одного піку до стану подвійного піку. Між двома піками існує мінімальне значення, і густина енергії поступово зменшується. (2) Для подвійного променялазерне зварювання, коли відстань між плямами становить 0-0,5 мм, глибина малих отворів розплавленої ванни дещо зменшується, а загальна поведінка потоку розплавленої ванни подібна до однопроменевоїлазерне зварювання; коли відстань між точками перевищує 1 мм, малі отвори повністю розділені, і під час процесу зварювання практично немає взаємодії між двома лазерами, що еквівалентно двом послідовним/двом паралельним однопроменевим лазерним зварюванням потужністю 1750 Вт. Практично немає ефекту попереднього нагрівання, а поведінка потоку розплавленої ванни подібна до поведінки однопроменевого лазерного зварювання. (3) Коли відстань між точками становить 0,5-1 мм, поверхня стінок малих отворів є більш плоскою в обох розташуваннях, глибина малих отворів поступово зменшується, а дно поступово розділяється. Збурення між малими отворами та потоком поверхневої ванни розплаву становить 0,8 мм. Найбільше. При послідовному зварюванні довжина ванни розплаву поступово збільшується, ширина найбільша, коли відстань між точками становить 0,8 мм, а ефект попереднього нагрівання найбільш помітний, коли відстань між точками становить 0,8 мм. Вплив сили Марангоні поступово послаблюється, і більше рідкого металу тече в обидві сторони ванни розплаву. Зробіть розподіл ширини розплаву більш рівномірним. Для паралельного зварювання ширина розплавленої ванни поступово збільшується, а довжина досягає максимуму 0,8 мм, але ефект попереднього нагрівання відсутній; пакування поблизу поверхні, спричинене силою Марангоні, завжди існує, а низхідне пакування на дні малого отвору поступово зникає; поле поперечного перерізу потоку не таке хороше, як при послідовному зварюванні, воно сильне, збурення майже не впливає на потік з обох боків розплавленої ванни, а ширина розплаву розподіляється нерівномірно.
Час публікації: 12 жовтня 2023 р.
