Запропоновано метод двопроменевого зварювання, головним чином для вирішення проблеми адаптивностілазерне зварюваннядля точності складання, покращення стабільності процесу зварювання та покращення якості зварного шва, особливо для зварювання тонких пластин та зварювання алюмінієвих сплавів. Двопроменеве лазерне зварювання може використовувати оптичні методи для розділення одного лазера на два окремі промені світла для зварювання. Також можна комбінувати два різні типи лазерів: CO2-лазер, Nd:YAG-лазер та потужний напівпровідниковий лазер. Змінюючи енергію променя, відстань між променями та навіть схему розподілу енергії двох променів, можна зручно та гнучко регулювати температурне поле зварювання, змінюючи схему наявності отворів та схему потоку рідкого металу в розплавленій ванні, забезпечуючи краще рішення для процесу зварювання. Широкий вибір не має собі рівних у однопроменевому лазерному зварюванні. Воно має не тільки переваги великого проникнення лазерного зварювання, високої швидкості та високої точності, але й чудову адаптивність до матеріалів та з'єднань, які важко зварювати звичайним лазерним зварюванням.
Принципдвопроменеве лазерне зварювання
Двопроменеве зварювання означає використання двох лазерних променів одночасно під час процесу зварювання. Розташування променя, відстань між променями, кут між двома променями, положення фокусування та співвідношення енергії двох променів – все це важливі параметри двопроменевого лазерного зварювання. Зазвичай під час процесу зварювання існує два способи розташування подвійних променів. Як показано на рисунку, один з них розташовується послідовно вздовж напрямку зварювання. Таке розташування може зменшити швидкість охолодження розплавленої ванни. Зменшує тенденцію до загартування зварного шва та утворення пор. Інший – розташувати їх поруч або поперек з обох боків шва для покращення адаптації до зварного зазору.
Принцип двопроменевого лазерного зварювання
Двопроменеве зварювання означає використання двох лазерних променів одночасно під час процесу зварювання. Розташування променя, відстань між променями, кут між двома променями, положення фокусування та співвідношення енергії двох променів – все це важливі параметри двопроменевого лазерного зварювання. Зазвичай під час процесу зварювання існує два способи розташування подвійних променів. Як показано на рисунку, один з них розташовується послідовно вздовж напрямку зварювання. Таке розташування може зменшити швидкість охолодження розплавленої ванни. Зменшує тенденцію до загартування зварного шва та утворення пор. Інший – розташувати їх поруч або поперек з обох боків шва для покращення адаптації до зварного зазору.
Для тандемної двопроменевої лазерної зварювальної системи існують три різні механізми зварювання залежно від відстані між переднім і заднім променями, як показано на малюнку нижче.
1. У першому типі зварювального механізму відстань між двома променями світла відносно велика. Один промінь світла має більшу щільність енергії та фокусується на поверхні заготовки для створення замкових отворів у зварному шві; інший промінь світла має меншу щільність енергії. Використовується лише як джерело тепла для термічної обробки перед зварюванням або після зварювання. За допомогою цього зварювального механізму можна контролювати швидкість охолодження зварювальної ванни в певному діапазоні, що вигідно для зварювання деяких матеріалів з високою чутливістю до тріщин, таких як високовуглецева сталь, легована сталь тощо, а також може покращити в'язкість зварного шва.
2. У другому типі зварювального механізму фокусна відстань між двома світловими променями відносно невелика. Два промені світла створюють два незалежні замкові отвори у зварювальній ванні, що змінює схему потоку рідкого металу та допомагає запобігти заклинювання. Це може усунути появу дефектів, таких як кромки та опуклості зварних швів, та покращити формування зварного шва.
3. У третьому типі зварювального механізму відстань між двома променями світла дуже мала. У цей час два промені світла утворюють однаковий отвір у зварювальній ванні. Порівняно з однопроменевим лазерним зварюванням, оскільки розмір отвору стає більшим і його нелегко закрити, процес зварювання є стабільнішим, а газ легше виводиться, що сприяє зменшенню пор і розбризкувань, а також отриманню безперервних, рівномірних і красивих зварних швів.
Під час процесу зварювання два лазерні промені також можуть бути спрямовані під певним кутом один до одного. Механізм зварювання подібний до механізму паралельного двопроменевого зварювання. Результати випробувань показують, що при використанні двох потужних оптичних джерел світла (OO) з кутом 30° один до одного та відстанню 1~2 мм лазерний промінь може отримати лійкоподібну замкову щілину. Розмір замкової щілини більший та стабільніший, що може ефективно покращити якість зварювання. На практиці взаємне поєднання двох променів світла можна змінювати залежно від різних умов зварювання для досягнення різних процесів зварювання.
6. Спосіб реалізації двопроменевого лазерного зварювання
Подвійні промені можна отримати, об'єднавши два різні лазерні промені, або один лазерний промінь можна розділити на два лазерні промені для зварювання за допомогою оптичної спектрометричної системи. Для розділення променя світла на два паралельні лазерні промені різної потужності можна використовувати спектроскоп або якусь спеціальну оптичну систему. На зображенні показано дві схематичні діаграми принципів розщеплення світла з використанням фокусуючих дзеркал як розщеплювачів променя.
Крім того, рефлектор також може використовуватися як роздільник променя, а останній рефлектор на оптичному шляху може бути використаний як роздільник променя. Цей тип рефлектора також називається даховим рефлектором. Його відбиваюча поверхня не є плоскою поверхнею, а складається з двох площин. Лінія перетину двох відбиваючих поверхонь розташована посередині дзеркальної поверхні, подібно до коника даху, як показано на рисунку. Пучок паралельного світла потрапляє на спектроскоп, відбивається двома площинами під різними кутами, утворюючи два промені світла, і світить у різних положеннях фокусуючого дзеркала. Після фокусування отримують два промені світла на певній відстані від поверхні заготовки. Змінюючи кут між двома відбиваючими поверхнями та положення даху, можна отримати розщеплені світлові промені з різною фокусною відстанню та розташуванням.
При використанні двох різних типівлазерні промені to для формування подвійного променя існує багато комбінацій. Для основних зварювальних робіт можна використовувати високоякісний CO2-лазер з гауссовим розподілом енергії, а для допомоги в термічній обробці можна використовувати напівпровідниковий лазер з прямокутним розподілом енергії. З одного боку, така комбінація є більш економічною. З іншого боку, потужність двох світлових променів можна регулювати незалежно. Для різних форм з'єднань можна отримати регульоване температурне поле, регулюючи положення перекриття лазера та напівпровідникового лазера, що дуже підходить для зварювання. Контроль процесу. Крім того, YAG-лазер та CO2-лазер також можна об'єднати в подвійний промінь для зварювання, безперервний лазер та імпульсний лазер можна об'єднати для зварювання, а сфокусований та розфокусований промінь також можна об'єднати для зварювання.
7. Принцип двопроменевого лазерного зварювання
3.1 Двопроменеве лазерне зварювання оцинкованих листів
Оцинкований сталевий лист є найпоширенішим матеріалом в автомобільній промисловості. Температура плавлення сталі становить близько 1500°C, тоді як температура кипіння цинку — лише 906°C. Тому під час використання методу зварювання плавленням зазвичай утворюється велика кількість пари цинку, що призводить до нестабільності процесу зварювання, утворюючи пори в зварному шві. При з'єднаннях внахлест випаровування оцинкованого шару відбувається не тільки на верхній та нижній поверхнях, але й на поверхні стику. Під час процесу зварювання пари цинку швидко викидаються з поверхні розплавленої ванни в деяких ділянках, тоді як в інших ділянках парам цинку важко вийти з розплавленої ванни. На поверхні ванни якість зварювання дуже нестабільна.
Двопроменеве лазерне зварювання може вирішити проблеми якості зварювання, спричинені парами цинку. Один із методів полягає в контролі часу існування та швидкості охолодження розплавленої ванни шляхом розумного підбору енергії двох променів для полегшення виходу пари цинку; інший метод — вивільнення пари цинку шляхом попереднього пробивання або нарізання канавок. Як показано на рисунку 6-31, для зварювання використовується CO2-лазер. YAG-лазер знаходиться перед CO2-лазером і використовується для свердління отворів або нарізання канавок. Попередньо оброблені отвори або канавки забезпечують шлях виходу для пари цинку, що утворюється під час подальшого зварювання, запобігаючи її залишку в розплавленій ванні та утворенню дефектів.
3.2 Двопроменеве лазерне зварювання алюмінієвого сплаву
Через особливі характеристики матеріалів з алюмінієвих сплавів, існують такі труднощі при використанні лазерного зварювання [39]: алюмінієвий сплав має низький коефіцієнт поглинання лазера, а початкова відбивна здатність поверхні променя CO2-лазера перевищує 90%; шви лазерного зварювання алюмінієвих сплавів легко утворюють пористість, тріщини; вигоряння елементів сплаву під час зварювання тощо. При використанні однопроменевого лазерного зварювання важко встановити замкову щілину та підтримувати стабільність. Двопроменеве лазерне зварювання може збільшити розмір замкової щілини, що ускладнює її закриття, що сприяє газовому розряду. Воно також може зменшити швидкість охолодження та зменшити виникнення пор та тріщин зварювання. Оскільки процес зварювання є стабільнішим, а кількість розбризкувань зменшується, форма поверхні зварювання, отримана двопроменевим зварюванням алюмінієвих сплавів, також значно краща, ніж при однопроменевому зварюванні. На рисунку 6-32 показано зовнішній вигляд зварного шва стикового зварювання алюмінієвого сплаву товщиною 3 мм з використанням однопроменевого та двопроменевого лазерного зварювання CO2.
Дослідження показують, що під час зварювання алюмінієвого сплаву серії 5000 товщиною 2 мм, коли відстань між двома балками становить 0,6~1,0 мм, процес зварювання є відносно стабільним, а отвір у вигляді замкової щілини більший, що сприяє випаровуванню та виходу магнію під час процесу зварювання. Якщо відстань між двома балками занадто мала, процес зварювання одного балки буде нестабільним. Якщо відстань занадто велика, це вплине на проплавлення зварювання, як показано на рисунку 6-33. Крім того, співвідношення енергії двох балок також має великий вплив на якість зварювання. Коли два балки з відстанню 0,9 мм розташовані послідовно для зварювання, енергію попереднього балки слід відповідно збільшити, щоб співвідношення енергії двох балок до та після було більше 1:1. Це корисно для покращення якості зварного шва, збільшення площі плавлення та отримання гладкого та красивого зварного шва при високій швидкості зварювання.
3.3 Двопроменеве зварювання пластин різної товщини
У промисловому виробництві часто виникає необхідність зварювати дві або більше металевих пластин різної товщини та форми для формування зрощеної пластини. Особливо в автомобільному виробництві застосування зварних заготовок набуває все більшого поширення. Зварюючи пластини з різними специфікаціями, поверхневими покриттями або властивостями, можна збільшити міцність, зменшити витратні матеріали та знизити якість. Лазерне зварювання пластин різної товщини зазвичай використовується для зварювання панелей. Основною проблемою є те, що пластини, що зварюються, повинні бути попередньо сформовані з високоточними краями та забезпечувати високоточне складання. Використання двопроменевого зварювання пластин нерівної товщини може адаптуватися до різних змін зазорів між пластинами, стикових з'єднань, відносної товщини та матеріалів пластин. Це дозволяє зварювати пластини з більшими допусками на кромки та зазори, а також покращувати швидкість та якість зварювання.
Основні параметри процесу зварювання пластин різної товщини в Шуангуандуні можна розділити на параметри зварювання та параметри пластини, як показано на рисунку. Параметри зварювання включають потужність двох лазерних променів, швидкість зварювання, положення фокуса, кут зварювальної головки, кут повороту променя стикового з'єднання подвійної пластини та зміщення зварювання тощо. Параметри пластини включають розмір матеріалу, продуктивність, умови обрізки, зазори між пластинами тощо. Потужність двох лазерних променів можна регулювати окремо залежно від різних цілей зварювання. Положення фокуса зазвичай розташоване на поверхні тонкої пластини для досягнення стабільного та ефективного процесу зварювання. Кут зварювальної головки зазвичай вибирається приблизно на 6. Якщо товщина двох пластин відносно велика, можна використовувати позитивний кут зварювальної головки, тобто лазер нахилений до тонкої пластини, як показано на рисунку; коли товщина пластини відносно мала, можна використовувати негативний кут зварювальної головки. Зміщення зварювання визначається як відстань між фокусом лазера та краєм товстої пластини. Регулюючи зміщення зварювання, можна зменшити величину вм'ятини зварювання та отримати хороший поперечний переріз зварювання.
Під час зварювання пластин з великими зазорами можна збільшити ефективний діаметр нагріву променя, повертаючи кут подвійного променя, щоб отримати хороші можливості заповнення зазору. Ширина верхньої частини зварного шва визначається ефективним діаметром променя двох лазерних променів, тобто кутом повороту променя. Чим більший кут повороту, тим ширший діапазон нагріву подвійного променя і тим більша ширина верхньої частини зварного шва. Два лазерні промені відіграють різні ролі в процесі зварювання. Один в основному використовується для проникнення в шов, а інший - для плавлення товстого листового матеріалу для заповнення зазору. Як показано на рисунку 6-35, під позитивним кутом повороту променя (передній промінь діє на товсту пластину, задній промінь - на зварний шов), передній промінь падає на товсту пластину, нагріваючи та плавлячи матеріал, а наступний лазерний промінь створює проникнення. Перший лазерний промінь спереду може лише частково розплавити товсту пластину, але він значною мірою сприяє процесу зварювання, оскільки він не тільки плавить бічну частину товстої пластини для кращого заповнення зазору, але й попередньо з'єднує матеріал з'єднання, щоб наступні промені легше зварювали через з'єднання, що дозволяє швидше зварювати. При двопроменевому зварюванні з негативним кутом повороту (передній промінь діє на зварний шов, а задній промінь - на товсту пластину) два промені мають прямо протилежний ефект. Перший промінь плавить з'єднання, а другий - товсту пластину, щоб заповнити його зазор. У цьому випадку передній промінь повинен зварювати через холодну пластину, а швидкість зварювання менша, ніж при використанні позитивного кута повороту променя. А завдяки ефекту попереднього нагрівання попереднього променя, останній промінь розплавить більше товстого матеріалу пластини при тій самій потужності. У цьому випадку потужність останнього лазерного променя слід відповідно зменшити. Для порівняння, використання позитивного кута повороту променя може відповідно збільшити швидкість зварювання, а використання негативного кута повороту променя може досягти кращого заповнення зазору. На рисунку 6-36 показано вплив різних кутів повороту променя на поперечний переріз зварного шва.
3.4 Двопроменеве лазерне зварювання великих товстих пластин. З покращенням рівня потужності лазера та якості променя, лазерне зварювання великих товстих пластин стало реальністю. Однак, оскільки потужні лазери є дорогими, а зварювання великих товстих пластин зазвичай вимагає присадного металу, існують певні обмеження у фактичному виробництві. Використання технології двопроменевого лазерного зварювання може не тільки збільшити потужність лазера, але й збільшити ефективний діаметр нагріву променя, збільшити здатність плавити присадний дріт, стабілізувати лазерний отвір, покращити стабільність зварювання та покращити якість зварювання.
Час публікації: 29 квітня 2024 р.
