Speciální téma moderní technologie laserového svařování——Dvoupaprskové laserové svařování Česká republika

Byla navržena metoda dvoupaprskového svařování, která se používá hlavně pro zlepšení přizpůsobivosti laserové svařování na přesnost montáže, zvýšení stability svařovacího procesu a zlepšení kvality svaru, zejména pro svařování tenkých plechů a hliníkových slitin.Dvoupaprskové laserové svařování může rozdělit stejný typ laseru na dva samostatné paprsky pro svařování optickými metodami nebo může použít dva různé typy laserů pro kombinaci. CO2 lasery, Nd:YAG lasery a vysoce výkonné polovodičové lasery lze vzájemně kombinovat.Změnou energie paprsků, vzdálenosti mezi paprsky a dokonce i rozložení energie obou paprsků lze pohodlně a flexibilně nastavit teplotní pole svařování. Tím se mění způsob existence otvorů a způsob proudění tekutého kovu ve svarové lázni, což poskytuje širší výběr prostoru pro proces svařování, který je nesrovnatelný s jednopaprskovým laserovým svařováním. Nejen, že má výhody hlubokého tavení , vysoká rychlost a vysoká přesnost laserového svařování, ale má také velkou přizpůsobivost materiálům a spojům, které se konvenčním laserovým svařováním obtížně svařují.

1. Princip svařování dvoupaprskovým laserem

Dvoupaprskové svařování znamená použití dvou laserů současně během procesu svařování. Uspořádání paprsku, rozteč paprsků, úhel tvořený dvěma paprsky, poloha zaostření a poměr energie obou paprsků jsou všechny důležité parametry nastavení při dvoupaprskovém laserovém svařování. Normálně jsou během procesu svařování obecně dva způsoby uspořádání. dvojité paprsky. Jak je znázorněno na obrázku, je třeba je uspořádat v sérii podél směru svařování. Toto uspořádání může snížit rychlost ochlazování svarové lázně a snížit tendenci tvrdnutí svaru a produkci poréznosti. Druhým je uspořádání nebo křížení nosníků vedle sebe na obou stranách svarového švu, aby se zvýšila přizpůsobivost mezeře ve svarovém švu.

Pro dvoupaprskový laserový svařovací systém se sériovým uspořádáním, existují tři různé svařovací mechanismy v závislosti na vzdálenosti mezi dvěma nosníky.

1）U prvního typu svařovacího mechanismu je vzdálenost mezi dvěma paprsky relativně velká. Jeden paprsek má vyšší hustotu energie a je zaměřen na povrch obrobku, aby vytvořil klíčovou dírku při svařování; zatímco druhý paprsek má nižší hustotu energie a slouží pouze jako zdroj tepla pro tepelné zpracování před nebo po svařováníTento svařovací mechanismus umožňuje regulovat rychlost ochlazování svařovací lázně v určitém rozsahu, což přispívá ke svařování materiálů s vysokou citlivostí na trhliny, jako je ocel s vysokým obsahem uhlíku a legovaná ocel, a může také zlepšit houževnatost svařovacího materiálu. svarový šev.

2）U druhého typu svařovacího mechanismu je vzdálenost mezi ohniskovými body dvou paprsků relativně malá. Dva paprsky vytvářejí dvě samostatné klíčové dírky v jedné svařovací lázni, což způsobí změnu ve vzoru proudění roztaveného kovu. To pomáhá předcházet defektům jako je podříznutí a výstupek svarové housenky, zlepšující tvorbu svarového švu.

3) U třetího typu svařovacího mechanismu je vzdálenost mezi dvěma paprsky velmi malá a v tomto okamžiku, dva paprsky vytvářejí stejnou klíčovou dírku ve svařovací lázni. Ve srovnání s laserovým svařováním jedním paprskem je velikost této klíčové dírky větší a je méně pravděpodobné, že se uzavřeDíky tomu je proces svařování stabilnější a plyn se snadněji vypouští. To je výhodné pro snížení pórovitosti, rozstřiku a dosažení souvislého, jednotného a atraktivního svarového švu.

Během procesu svařování lze také oba laserové paprsky vzájemně nastavit pod určitým úhlem a jejich svařovací mechanismus je podobný paralelnímu dvoupaprskovému svařovacímu mechanismu. Experimentální výsledky ukázaly, že použitím dvou vysoce výkonných OO laserových paprsků pod úhlem 30° vůči sobě a ve vzdálenosti 1~2 mm od sebe lze dosáhnout klíčové dírky ve tvaru trychtýře. Klíčová dírka je větší a stabilnější, což může účinně zlepšit kvalitu svařování. Ve skutečných aplikacích lze nastavit různé kombinace dvou paprsků podle různých svařovacích podmínek pro dosažení různých svařovacích procesů.

2. Metoda implementace dvoupaprskového laserového svařování

Získání duálních paprsků lze dosáhnout kombinací dvou různých laserových paprsků nebo použitím systému optického dělení paprsku pro rozdělení jednoho laserového paprsku na dva pro svařování. K oddělení paprsku na dva různé výkony lze použít paralelní lasery, zrcadlo pro dělení paprsku nebo lze použít některé speciální optické systémy. Obrázek ukazuje dva typy principů dělení paprsku pomocí zaostřovací čočky jako děliče paprsku.

Kromě toho lze reflektor použít jako zrcadlo pro dělení paprsku, přičemž poslední reflektor v optické dráze slouží jako rozdělovač paprsku. Tento typ reflektoru je také známý jako hřebenový reflektor, jeho odrazná plocha není jedna rovina, ale skládá se ze dvou rovin. Protínající se čára dvou odrazných ploch je umístěna uprostřed zrcadla a připomíná hřeben, jak je znázorněno na obrázku. Paralelní paprsek světla se promítá na dělič paprsků a odráží se do dvou paprsků ve dvou různých rovinách. úhly. Tyto paprsky osvětlují různé polohy na zaostřovací čočce a po zaostření se na povrchu obrobku získají dva paprsky s určitým rozestupem. Změnou úhlu mezi dvěma odraznými plochami a polohou hřebene lze získat paprsky rozdělující světelné paprsky s různými ohniskovými vzdálenostmi a způsoby uspořádání.

Při použití dvou různých typů laserových paprsků k vytvoření duálního paprsku existují různé kombinační metody. Pro primární svářečské práce lze použít vysoce kvalitní CO2 laser s Gaussovým rozložením energie, za pomoci polovodičového laseru s pravoúhlým rozložením energie pro tepelné zpracování. Tato kombinovaná metoda je na jedné straně ekonomická a na druhé straně výkon obou paprsků lze nastavit nezávisle. Pro různé tvary spojů lze získat nastavitelné teplotní pole úpravou polohy překrytí laseru a polovodičového laseru, což je velmi vhodné pro řízení svařovacího procesu. Kromě toho lze YAG laser a CO2 laser kombinovat do duálního paprsku pro svařování, spojitý laser a pulzní laser lze kombinovat pro svařování a fokusovaný paprsek a rozostřený paprsek lze také kombinovat pro svařování.

3. Princip svařování dvoupaprskovým laserem

3.1 Dvoupaprskové laserové svařování pozinkovaného plechu

Pozinkovaný ocelový plech je nejběžněji používaným materiálem v automobilovém průmyslu. Teplota tavení oceli se pohybuje kolem 1500 °C, zatímco bod varu zinku je pouze 906 °C. Proto při použití metody svařování obvykle vzniká velké množství zinkových par, které způsobují nestabilitu procesu svařování a vytvářejí vzduchové otvory ve svarovém švu. U přeplátovaných spojů dochází k těkání pozinkované vrstvy nejen na horní a spodní plochy, ale i na kloubním rozhraní. Během procesu svařování zinkové páry v některých oblastech rychle vystřikují z povrchu roztavené lázně, zatímco v jiných oblastech je pro zinkové páry obtížné uniknout z povrchu roztavené lázně, což má za následek velmi nestabilní kvalitu svařování.

Dvoupaprskové laserové svařování může vyřešit problémy s kvalitou svařování způsobené parami zinku. Jedním způsobem je řídit dobu existence a rychlost chlazení roztavené lázně přiměřeným přizpůsobením energie dvou paprsků, což je výhodné pro únik zinkových par; další metodou je uvolnění zinkové páry předvrtáním nebo úpravou drážek. Jak je znázorněno na obrázku níže, pro svařování se používají lasery CO2, přičemž lasery YAG na přední straně laseru CO2 se používají k vrtání nebo řezání drážek. Předem zpracované otvory nebo štěrbiny poskytují únikovou cestu pro zinkové páry vznikající při následném svařování, čímž zabraňují jeho zdržování v tavné lázni a tvorbě defektů.

3.2 Dvoupaprskové laserové svařování hliníkové slitiny

Vzhledem k jedinečným vlastnostem materiálů z hliníkových slitin přináší laserové svařování následující potíže: míra absorpce laseru hliníkovými slitinami je nízká, počáteční odrazivost na povrchu CO2 laserového paprsku přesahuje 90 %; při svařování jsou laserové svarové švy z hliníkové slitiny náchylné k poréznosti a prasklinám; během procesu svařování dochází ke ztrátě slitinových prvků. Při použití jednoduchého laserového svařování je obtížné vytvořit klíčové dírky a není snadné udržet jejich stabilitu. Při použití dvoupaprskového laserového svařování může být velikost klíčové dírky zvětšena, což ztěžuje uzavření klíčové dírky a usnadňuje plyn vyčerpat. Zároveň může snížit rychlost ochlazování, snížit výskyt pórů a prasklin při svařování. Protože je svařovací proces stabilnější a množství rozstřiku je sníženo, povrchové tvarování svaru získaného dvoupaprskovým svařováním hliníkových slitin je také výrazně lepší než u jednopaprskového svařování. Obrázek níže ukazuje vzhled tupých spojů hliníkových slitin o tloušťce 3 mm svařených jedním CO2 laserovým paprskem a dvěma laserovými paprsky.

Výzkum ukazuje, že při svařování hliníkové slitiny řady 2 o tloušťce 5000 mm je proces relativně stabilní, když je vzdálenost mezi dvěma paprsky 0.6 ~ 1.0 mm. Výsledný otvor klíčové dírky je větší, což usnadňuje odpařování a únik hořčíkových prvků během svařovacího procesu. Pokud je vzdálenost mezi dvěma paprsky příliš malá, proces bude podobný jednopaprskovému svařování a nebude snadno stabilní; pokud je vzdálenost příliš velká, ovlivní to hloubku průniku svařování, jak je znázorněno na obrázku níže. Kromě toho má poměr energie dvou paprsků také významný vliv na kvalitu svařování. Když jsou dva paprsky uspořádány v sérii pro svařování ve vzdálenosti 0.9 mm, je výhodné vhodně zvýšit energii předchozího paprsku, čímž se poměr energie dvou paprsků stane větším než 1:1. To pomáhá zlepšit kvalitu svaru, zvětšit tavnou plochu a přesto dosáhnout hladkých a esteticky příjemných svarů i při vyšších rychlostech svařování.

3.3 Dvoupaprskové svařování plechů nestejné tloušťky

V průmyslové výrobě je často nutné svařit dva nebo více plechů různých tlouštěk a tvarů, aby se vytvořil spojený plech. Zejména ve výrobě automobilů se stále více rozšiřuje aplikace spojovaných plechů.
Svařením plechů různých specifikací, povrchových nátěrů nebo výkonu lze zvýšit pevnost, snížit spotřebu a snížit hmotnost. Při svařování spojovaných plechů se obvykle používá laserové svařování plechů různých tlouštěk. Hlavním problémem je nutnost prefabrikace svařovaných obrobků s vysoce přesnými hranami a zajištění vysoce přesné montáže. Použití dvoupaprskového svařování pro desky nestejné tloušťky se může přizpůsobit měnícím se mezerám, dokovacím dílům, relativní tloušťce a materiálu. rozdíly listů. Dokáže svařovat plechy s většími tolerancemi hran a mezer, čímž se zlepšuje rychlost svařování a kvalita svaru.

Hlavní procesní parametry dvoupaprskového svařování pro plechy nestejné tloušťky lze rozdělit na parametry svařování a parametry plechu, jak je znázorněno na obrázku. Parametry svařování zahrnují výkon dvou laserů, rychlost svařování, polohu ohniska, úhel svařovací hlavy, úhel natočení paprsku dvojitých paprsků na tupém spoji a odchylku svařování. Parametry desky zahrnují rozměry materiálu, výkon, ořez hran a mezeru mezi deskami. Výkon obou laserů lze samostatně nastavit podle různých svařovacích účelů.
Obecně lze stabilního a účinného svařovacího procesu dosáhnout, když je ohnisko na povrchu tenkého plechu. Úhel svařovací hlavy se obvykle volí kolem 6 stupňů. Pokud je tloušťka dvou desek poměrně velká, lze použít kladný úhel svařovací hlavy, tj. laser je nakloněn směrem k tenké desce, jak je znázorněno na obrázku. Když je tloušťka desky relativně malá, lze použít záporný úhel svařovací hlavy. Odchylka svařování je definována jako vzdálenost mezi ohniskem laseru a okrajem tlusté desky. Úpravou odchylky svařování lze snížit konkávnost svaru pro dosažení dobrého průřezu svaru.

Při svařování desek s velkými mezerami lze zvýšit efektivní průměr ohřevu paprsku, aby se dosáhlo dobré schopnosti vyplnění mezery otočením úhlu dvojitého paprsku. Šířka horní části svarového švu je určena efektivním průměrem paprsku obou laserů, to znamená, že je určen úhlem natočení paprsku. Čím větší je úhel rotace, tím širší je rozsah ohřevu dvojitým paprskem a tím širší je horní šířka svarového švu. Dva lasery hrají během procesu svařování různé role; jeden se používá hlavně k pronikání do spoje a druhý se používá hlavně k roztavení tlustého deskového materiálu k vyplnění mezery. Jak je znázorněno na obrázku níže, pod kladným úhlem natočení paprsku (přední paprsek působí na tlustou desku, zadní paprsek působí na šev), přední paprsek naráží na tlustou desku, zahřívá a taví materiál a následující laserový paprsek vytváří penetraci. První laserový paprsek vpředu může roztavit tlustý plech pouze částečně, ale významně přispívá k procesu svařování, protože nejen roztaví stranu tlustého plechu pro lepší vyplnění mezery, ale také předběžně spojuje materiál spoje, usnadňuje pronikání dalšího paprsku do spoje, čímž zlepšuje rychlost svařování. Při dvoupaprskovém svařování s negativním úhlem natočení (přední paprsek působí na svarový šev, zadní paprsek působí na tl. deska), role dvou paprsků jsou přesně opačné. Přední nosník proniká do spoje a zadní nosník roztaví tlustou desku, aby vyplnil mezeru.

V tomto případě musí přední paprsek proniknout studenou deskou, rychlost svařování je nižší než při kladném úhlu natočení paprsku. A díky předehřívacímu účinku předního paprsku následující paprsek roztaví více tlustého deskového materiálu při stejném výkonu. V tomto případě by měl být výkon druhého laserového paprsku přiměřeně snížen. Pro srovnání, přijetí kladného úhlu natočení paprsku může vhodně zvýšit rychlost svařování, zatímco přijetí záporného úhlu natočení paprsku může dosáhnout lepšího vyplnění mezery. Následující obrázek ukazuje účinky různých úhlů natočení paprsku na průřez svarového švu.

3.4 Dvoupaprskové laserové svařování tlustých plechů

Se zlepšením úrovně výkonu laseru a kvality paprsku se stalo realitou použití laserového svařování pro tlusté plechy. Vzhledem k vysokým nákladům na vysoce výkonné lasery a obecné potřebě kovové výplně při svařování tlustých plechů však existují určitá omezení ve skutečné výrobě. Použití technologie dvoupaprskového laserového svařování nejen zlepšuje výkon laseru, ale také zvyšuje efektivní průměr ohřevu paprsku, zvyšuje schopnost tavit přídavný drát a stabilizuje laserovou klíčovou dírku, zlepšuje stabilitu svařování a tím zlepšuje kvalitu svařování.