Argomento speciale della moderna tecnologia di saldatura laser: saldatura laser a doppio raggio

È stato proposto il metodo di saldatura a doppio raggio, utilizzato principalmente per migliorare l'adattabilità del saldatura laser alla precisione dell'assemblaggio, aumentare la stabilità del processo di saldatura e migliorare la qualità della saldatura, soprattutto per la saldatura di lamiere sottili e leghe di alluminio.La saldatura laser a doppio raggio può separare lo stesso tipo di laser in due raggi separati per la saldatura utilizzando metodi ottici oppure può utilizzare due diversi tipi di laser per la combinazione. I laser CO2, i laser Nd:YAG e i laser a semiconduttore ad alta potenza possono essere tutti combinati tra loro.Modificando l'energia dei raggi, la distanza tra i raggi e persino il modello di distribuzione dell'energia dei due raggi, il campo della temperatura di saldatura può essere regolato in modo comodo e flessibile. Ciò cambia la modalità di esistenza dei fori e la modalità di flusso del metallo liquido nel bagno di saldatura, fornendo una scelta più ampia di spazio per il processo di saldatura, che non ha eguali nella saldatura laser a raggio singolo. Non solo possiede i vantaggi della fusione profonda , alta velocità e alta precisione della saldatura laser, ma ha anche una grande adattabilità a materiali e giunti difficili da saldare con la saldatura laser convenzionale.

1. Principio di saldatura laser a doppio raggio

Saldare a doppio raggio significa utilizzare due laser contemporaneamente durante il processo di saldatura. La disposizione dei raggi, la spaziatura dei raggi, l'angolo formato dai due raggi, la posizione di messa a fuoco e il rapporto di energia dei due raggi sono tutti parametri di impostazione rilevanti nella saldatura laser a doppio raggio. Normalmente, durante il processo di saldatura, ci sono generalmente due modi di disporre i doppi raggi. Come mostrato in figura occorre disporli in serie lungo la direzione di saldatura. Questa disposizione può ridurre la velocità di raffreddamento del bagno di fusione e diminuire la tendenza all'indurimento della saldatura e la produzione di porosità. L'altro è disporre o incrociare le travi affiancate su entrambi i lati del cordone di saldatura per aumentare l'adattabilità allo spazio vuoto nel cordone di saldatura.

Per un sistema di saldatura laser a doppio raggio con disposizione in serie, esistono tre diversi meccanismi di saldatura a seconda della distanza tra le due travi.

1）Nel primo tipo di meccanismo di saldatura, la spaziatura tra i due raggi è relativamente ampia. Un raggio ha una densità di energia maggiore ed è focalizzato sulla superficie del pezzo in lavorazione per produrre un buco nella saldatura; mentre l'altra trave ha una densità energetica inferiore e serve solo come fonte di calore per il trattamento termico pre o post saldaturaQuesto meccanismo di saldatura consente di controllare la velocità di raffreddamento del bagno di saldatura entro un certo intervallo, il che favorisce la saldatura di materiali con elevata sensibilità alle crepe come acciaio ad alto tenore di carbonio e acciaio legato e può anche migliorare la tenacità del cordone di saldatura.

2）Nel secondo tipo di meccanismo di saldatura, la distanza tra i punti focali dei due raggi è relativamente piccola. Le due travi producono due serrature separate in un unico bagno di saldatura, provocando un cambiamento nel modello di flusso del metallo fuso. Questo aiuta a prevenire i difetti come sottosquadri e sporgenza del cordone di saldatura, migliorando la formazione del cordone di saldatura.

3）Nel terzo tipo di meccanismo di saldatura, la distanza tra i due raggi è molto piccola e, in questo momento, le due travi producono la stessa serratura nel bagno di saldatura. Rispetto alla saldatura laser a raggio singolo, la dimensione di questo buco della serratura è maggiore e ha meno probabilità di chiudersi, rendendo il processo di saldatura più stabile e il gas è più facile da scaricare. Ciò è utile per ridurre la porosità e gli spruzzi e ottenere un cordone di saldatura continuo, uniforme e attraente.

Durante il processo di saldatura, i due raggi laser possono anche essere impostati ad un certo angolo l'uno rispetto all'altro e il suo meccanismo di saldatura è simile al meccanismo di saldatura a doppio raggio parallelo. I risultati sperimentali hanno dimostrato che, impiegando due raggi laser OO ad alta potenza con un angolo di 30° tra loro e distanziati di 1~2 mm, è possibile ottenere un buco della serratura a forma di imbuto. Il buco della serratura è più grande e più stabile, il che può migliorare efficacemente la qualità della saldatura. Nelle applicazioni reali, diverse combinazioni dei due raggi possono essere regolate in base alle diverse condizioni di saldatura per ottenere diversi processi di saldatura.

2. Metodo di implementazione della saldatura laser a doppio raggio

È possibile ottenere raggi doppi combinando due raggi laser diversi o utilizzando un sistema di divisione del raggio ottico per dividere un raggio laser in due per la saldatura. Per separare un raggio in due potenze diverse, laser paralleli, uno specchio divisore o possono essere utilizzati alcuni sistemi ottici speciali. L'immagine mostra due tipi di principi di divisione del fascio che utilizzano una lente di focalizzazione come divisore del fascio.

Inoltre, è possibile utilizzare un riflettore come specchio divisore del fascio, mentre l'ultimo riflettore nel percorso ottico funge da divisore del fascio. Questo tipo di riflettore è conosciuto anche come riflettore di colmo, la sua superficie riflettente non è un unico piano ma composta da due piani. La linea di intersezione delle due superfici riflettenti si trova al centro dello specchio, assomigliando ad un crinale, come mostrato in figura. Un fascio di luce parallelo viene proiettato sul divisore di fascio e viene riflesso in due fasci da due piani a diverse angoli. Questi raggi illuminano diverse posizioni sulla lente di messa a fuoco e, dopo la messa a fuoco, si ottengono due raggi con una certa spaziatura sulla superficie del pezzo. Modificando l'angolo tra le due superfici riflettenti e la posizione del colmo si possono ottenere fasci luminosi a divisione di fascio con interdistanze focali e modalità di disposizione differenti.

Quando si utilizzano due diversi tipi di raggi laser per formare un doppio raggio, esistono vari metodi di combinazione. Per i lavori di saldatura primaria è possibile utilizzare un laser CO2 di alta qualità con distribuzione dell'energia gaussiana, mentre per i lavori di trattamento termico è possibile utilizzare un laser a semiconduttore con distribuzione dell'energia rettangolare. Questo metodo combinato da un lato è economico e dall'altro la potenza dei due raggi è regolabile in modo indipendente. Per diverse forme di giunzione, è possibile ottenere un campo di temperatura regolabile regolando la posizione di sovrapposizione del laser e del laser a semiconduttore, che è molto adatto per il controllo del processo di saldatura. Inoltre, il laser YAG e il laser CO2 possono essere combinati in un doppio raggio per la saldatura, il laser continuo e il laser pulsato possono essere combinati per la saldatura e anche il raggio focalizzato e il raggio defocalizzato possono essere combinati per la saldatura.

3. Principio di saldatura laser a doppio raggio

3.1 Saldatura laser a doppio raggio di lamiera zincata

La lamiera di acciaio zincato è il materiale più comunemente utilizzato nell'industria automobilistica. Il punto di fusione dell'acciaio è intorno ai 1500°C, mentre il punto di ebollizione dello zinco è di soli 906°C. Pertanto, quando si utilizza il metodo di saldatura, viene solitamente generata una grande quantità di vapore di zinco, causando instabilità nel processo di saldatura e formando fori d'aria nel cordone di saldatura. Per i giunti sovrapposti, la volatilizzazione dello strato zincato non si verifica solo sulla parte superiore e superfici inferiori, ma anche all'interfaccia articolare. Durante il processo di saldatura, in alcune aree i vapori di zinco fuoriescono rapidamente dalla superficie del bagno di fusione, mentre in altre aree è difficile che i vapori di zinco fuoriescano dalla superficie del bagno di fusione, con conseguente qualità della saldatura molto instabile.

La saldatura laser a doppio raggio può risolvere i problemi di qualità della saldatura causati dai vapori di zinco. Un metodo consiste nel controllare il tempo di esistenza e la velocità di raffreddamento del bagno fuso abbinando ragionevolmente l'energia dei due raggi, il che è vantaggioso per la fuga dei vapori di zinco; un altro metodo consiste nel rilasciare vapori di zinco attraverso un trattamento di preforatura o scanalatura. Come mostrato nella figura seguente, i laser CO2 vengono utilizzati per la saldatura, con i laser YAG sul lato anteriore del laser CO2 utilizzati per forare o tagliare scanalature. I fori o le asole prelavorate forniscono una via di fuga per i vapori di zinco generati durante la successiva saldatura, impedendo che rimangano nel bagno di fusione e formino difetti.

3.2 Saldatura laser a doppio raggio di leghe di alluminio

A causa delle proprietà uniche dei materiali in lega di alluminio, la saldatura laser presenta le seguenti difficoltà: il tasso di assorbimento del laser da parte delle leghe di alluminio è basso, con il tasso di riflessione iniziale sulla superficie del raggio laser CO2 superiore al 90%; durante la saldatura, i cordoni di saldatura laser in lega di alluminio sono soggetti a porosità e crepe; si verifica una perdita di elementi di lega durante il processo di saldatura. Quando si utilizza la saldatura laser singola, è difficile creare dei buchi della serratura e non è facile mantenerne la stabilità. Quando si utilizza la saldatura laser a doppio raggio, la dimensione del buco della serratura può essere aumentata, rendendo difficile la chiusura del buco della serratura e facilitando il gas scarico. Allo stesso tempo, può ridurre la velocità di raffreddamento, riducendo la comparsa di pori e crepe di saldatura. Poiché il processo di saldatura è più stabile e la quantità di spruzzi è ridotta, anche la formazione superficiale della saldatura ottenuta mediante saldatura a doppio raggio di leghe di alluminio è significativamente migliore di quella di un singolo raggio. La figura seguente mostra l'aspetto dei giunti di testa di leghe di alluminio di spessore 3 mm saldate con un singolo raggio laser CO2 e due raggi laser.

La ricerca mostra che quando si salda una lega di alluminio della serie 2 di 5000 mm di spessore, il processo è relativamente stabile quando la distanza tra i due raggi è 0.6 ~ 1.0 mm. L'apertura risultante è più grande, il che facilita l'evaporazione e la fuga degli elementi di magnesio durante il processo di saldatura. Se la distanza tra i due raggi è troppo piccola, il processo sarà simile alla saldatura a raggio singolo e non sarà facilmente stabile; se la distanza è troppo grande, influenzerà la profondità di penetrazione della saldatura, come mostrato nella figura seguente. Inoltre, anche il rapporto energetico dei due raggi ha un impatto significativo sulla qualità della saldatura. Quando due raggi sono disposti in serie per la saldatura a una distanza di 0.9 mm, è vantaggioso aumentare opportunamente l'energia del raggio precedente, rendendo il rapporto energetico dei due raggi maggiore di 1:1. Ciò aiuta a migliorare la qualità della saldatura, ad ampliare l'area di fusione e a ottenere comunque saldature lisce ed esteticamente gradevoli anche a velocità di saldatura più elevate.

3.3 Saldatura a doppio raggio di lamiere di spessore diverso

Nella produzione industriale, è spesso necessario saldare insieme due o più lamiere di diverso spessore e forma per realizzare una lamiera giuntata. Soprattutto nel settore automobilistico, l'applicazione delle lamiere giuntate sta diventando sempre più diffusa.
Saldando insieme lamiere con specifiche, rivestimenti superficiali o prestazioni diverse, è possibile aumentare la resistenza, ridurre i consumi e ridurre il peso. Nella saldatura di piastre di giunzione, viene solitamente utilizzata la saldatura laser di piastre di diverso spessore. Una questione importante è la necessità di prefabbricare i pezzi da saldare con bordi altamente precisi e garantire un assemblaggio ad alta precisione. L'uso della saldatura a doppio raggio per piastre di spessore diverso può adattarsi a diversi spazi, parti di aggancio, spessori relativi e materiale differenze delle lenzuola. Può saldare lamiere con tolleranze sui bordi e sugli spazi più ampi, migliorando la velocità e la qualità della saldatura.

I principali parametri di processo della saldatura a doppio raggio per piastre di diverso spessore possono essere suddivisi in parametri di saldatura e parametri di piastra, come mostrato in figura. I parametri di saldatura includono la potenza dei due laser, la velocità di saldatura, la posizione del punto focale, l'angolo della testa di saldatura, l'angolo di rotazione del raggio dei doppi raggi sul giunto di testa e la deviazione della saldatura. I parametri della piastra includono dimensioni del materiale, prestazioni, rifilatura dei bordi e distanza tra la piastra. La potenza dei due laser può essere regolata separatamente in base ai diversi scopi di saldatura.
In generale, è possibile ottenere un processo di saldatura stabile ed efficiente quando il punto focale si trova sulla superficie della lamiera sottile. L'angolo della testa di saldatura viene solitamente scelto intorno ai 6 gradi. Se lo spessore delle due lamiere è piuttosto elevato si può adottare un angolo positivo della testa di saldatura, cioè inclinare il laser verso la lastra sottile come mostrato in figura. Quando lo spessore della lamiera è relativamente piccolo, è possibile utilizzare un angolo negativo della testa di saldatura. La deviazione della saldatura è definita come la distanza tra il punto focale del laser e il bordo della lamiera spessa. Regolando la deviazione della saldatura, è possibile ridurre la concavità della saldatura per ottenere una buona sezione trasversale di saldatura.

Quando si saldano piastre con spazi ampi, il diametro effettivo del riscaldamento del raggio può essere aumentato per ottenere una buona capacità di riempimento degli spazi ruotando l'angolo del doppio raggio. La larghezza della parte superiore del cordone di saldatura è determinata dal diametro effettivo del raggio dei due laser, ovvero determinato dall'angolo di rotazione del raggio. Maggiore è l'angolo di rotazione, maggiore è l'intervallo di riscaldamento del doppio raggio e maggiore è la larghezza superiore del cordone di saldatura. I due laser svolgono ruoli diversi durante il processo di saldatura; uno viene utilizzato principalmente per penetrare nel giunto e l'altro viene utilizzato principalmente per fondere il materiale della piastra spessa per riempire lo spazio vuoto. Come mostrato nella figura seguente, con un angolo di rotazione del raggio positivo (il raggio anteriore agisce sulla piastra spessa, il raggio posteriore agisce sulla cucitura), il raggio anteriore incide sulla piastra spessa, riscaldando e sciogliendo il materiale, e il successivo il raggio laser produce penetrazione. Il primo raggio laser nella parte anteriore può sciogliere solo parzialmente la lamiera spessa, ma fornisce un contributo significativo al processo di saldatura perché non solo fonde il lato della lamiera spessa per un migliore riempimento degli spazi, ma anche pre- collega il materiale del giunto, facilitando la penetrazione del trave successivo nel giunto, migliorando così la velocità di saldatura. Nella saldatura a doppio raggio con angolo di rotazione negativo (il trave anteriore agisce sul cordone di saldatura, il trave posteriore agisce sullo spessore piastra), i ruoli dei due raggi sono esattamente opposti. La trave anteriore penetra nel giunto e la trave posteriore fonde la piastra spessa per riempire lo spazio vuoto.

In questo caso la trave frontale deve penetrare nel cold plate, la velocità di saldatura è inferiore rispetto a quella con angolo di rotazione della trave positivo. Inoltre, a causa dell'effetto di preriscaldamento del raggio anteriore, il raggio successivo fonderà materiale più spesso alla stessa potenza. In questo caso, la potenza del secondo raggio laser dovrebbe essere opportunamente ridotta. In confronto, l’adozione di un angolo di rotazione del raggio positivo può aumentare adeguatamente la velocità di saldatura, mentre l’adozione di un angolo di rotazione del raggio negativo può ottenere un migliore riempimento degli spazi. L'immagine seguente mostra gli effetti dei diversi angoli di rotazione della trave sulla sezione trasversale del cordone di saldatura.

3.4 Saldatura laser a doppio raggio di lamiere spesse

Con il miglioramento dei livelli di potenza del laser e della qualità del raggio, l'utilizzo della saldatura laser per lamiere spesse è diventato una realtà. Tuttavia, a causa del costo elevato dei laser ad alta potenza e della necessità generale di riempimento di metallo nella saldatura di lamiere spesse, esistono alcune limitazioni nella produzione effettiva. L'uso della tecnologia di saldatura laser a doppio raggio non solo migliora la potenza del laser ma aumenta anche il diametro effettivo del riscaldamento del raggio, migliora la capacità di fondere il filo di apporto e stabilizza il buco della serratura del laser, migliorando la stabilità della saldatura e quindi migliorando la qualità della saldatura.