Speciaal onderwerp van moderne laserlastechnologie: laserlassen met dubbele straal Nederland

Er is een lasmethode met dubbele bundel voorgesteld, die voornamelijk wordt gebruikt om het aanpassingsvermogen van lassystemen te verbeteren laserlassen nauwkeurigheid van de assemblage, verhoging van de stabiliteit van het lasproces en verbetering van de laskwaliteit, speciaal voor het lassen van dunne platen en aluminiumlegeringen.Laserlassen met dubbele straal kan hetzelfde type laser in twee afzonderlijke stralen scheiden voor lassen met behulp van optische methoden, of er kunnen twee verschillende soorten lasers worden gebruikt om te combineren. CO2-lasers, Nd:YAG-lasers en krachtige halfgeleiderlasers kunnen allemaal met elkaar worden gecombineerd.Door de energie van de balken, de afstand tussen de balken en zelfs het energieverdelingspatroon van de twee balken te veranderen, kan het lastemperatuurveld gemakkelijk en flexibel worden aangepast. Dit verandert de bestaanswijze van gaten en de stromingswijze van vloeibaar metaal in het smeltbad, waardoor een ruimere keuze aan ruimte voor het lasproces ontstaat, wat ongeëvenaard is bij laserlassen met een enkele straal. Het beschikt niet alleen over de voordelen van diepe smelting , hoge snelheid en hoge precisie bij laserlassen, maar het heeft ook een groot aanpassingsvermogen aan materialen en verbindingen die moeilijk te lassen zijn met conventioneel laserlassen.

1.Dual-beam laserlasprincipe

Dubbelstraalslassen betekent het gelijktijdig gebruiken van twee lasers tijdens het lasproces. De bundelopstelling, de bundelafstand, de hoek gevormd door de twee bundels, de focuspositie en de energieverhouding van de twee bundels zijn allemaal relevante instellingsparameters bij laserlassen met dubbele bundel. Normaal gesproken zijn er tijdens het lasproces over het algemeen twee manieren om de bundel te regelen de dubbele balken. Zoals weergegeven in de figuur, moet men ze in een serie langs de lasrichting plaatsen. Deze indeling kan de afkoelsnelheid van het smeltbad verminderen en de neiging tot uitharding van de las en de productie van porositeit verminderen. De andere is het naast elkaar plaatsen of kruisen van de balken aan beide zijden van de lasnaad om het aanpassingsvermogen aan de opening in de lasnaad te vergroten.

Voor een laserlassysteem met dubbele straal en serieschakeling, er zijn drie verschillende lasmechanismen, afhankelijk van de afstand tussen de twee balken.

1) Bij het eerste type lasmechanisme is de afstand tussen de twee balken relatief groot. Eén straal heeft een hogere energiedichtheid en is gericht op het oppervlak van het werkstuk om een ​​sleutelgat bij het lassen te creëren; terwijl de andere balk een lagere energiedichtheid heeft en alleen als warmtebron dient voor de warmtebehandeling vóór of na het lassenMet dit lasmechanisme kan de koelsnelheid van het lasbad binnen een bepaald bereik worden geregeld, wat bevorderlijk is voor het lassen van materialen met een hoge scheurgevoeligheid, zoals koolstofstaal en gelegeerd staal, en het kan ook de taaiheid van het lasbad verbeteren. lasnaad.

2) Bij het tweede type lasmechanisme is de afstand tussen de brandpunten van de twee bundels relatief klein. De twee balken produceren twee afzonderlijke sleutelgaten in één lasbad, waardoor een verandering in het stromingspatroon van het gesmolten metaal ontstaat. Dit helpt defecten te voorkomen zoals ondersnijding en uitsteeksel van lasnaden, waardoor de vorming van lasnaden wordt verbeterd.

3) Bij het derde type lasmechanisme is de afstand tussen de twee balken erg klein, en op dit moment is de twee balken produceren hetzelfde sleutelgat in het lasbad. Vergeleken met laserlassen met een enkele straal is de grootte van dit sleutelgat groter en is de kans kleiner dat het zich sluit, waardoor het lasproces stabieler wordt en het gas gemakkelijker kan worden afgevoerd. Dit is gunstig voor het verminderen van porositeit en spatten en het bereiken van een continue, uniforme en aantrekkelijke lasnaad.

Tijdens het lasproces kunnen de twee laserstralen ook onder een bepaalde hoek ten opzichte van elkaar worden geplaatst, en het lasmechanisme is vergelijkbaar met het parallelle lasmechanisme met dubbele straal. Experimentele resultaten hebben aangetoond dat door gebruik te maken van twee krachtige OO-laserstralen onder een hoek van 30° ten opzichte van elkaar en op een afstand van 1-2 mm van elkaar, een trechtervormig sleutelgat kan worden bereikt. Het sleutelgat is groter en stabieler, wat de laskwaliteit effectief kan verbeteren. In daadwerkelijke toepassingen kunnen verschillende combinaties van de twee balken worden aangepast aan verschillende lasomstandigheden om verschillende lasprocessen te bereiken.

2. Implementatiemethode voor laserlassen met dubbele straal

Het verkrijgen van dubbele bundels kan worden bereikt door twee verschillende laserbundels te combineren, of door een optisch bundelsplitssysteem te gebruiken om één laserbundel in tweeën te splitsen voor het lassen. Om een ​​bundel in twee verschillende vermogens te scheiden, zijn parallelle lasers, een bundelsplitsende spiegel of er kunnen enkele speciale optische systemen worden gebruikt. De afbeelding toont twee soorten bundelsplitsingsprincipes waarbij een focusseringslens als bundelsplitser wordt gebruikt.

Bovendien kan een reflector worden gebruikt als bundelsplitsende spiegel, waarbij de laatste reflector in het optische pad als bundelsplitser dient. Dit type reflector wordt ook wel nokreflector genoemd, het reflecterende oppervlak is niet één vlak, maar bestaat uit twee vlakken. De snijlijn van de twee reflecterende oppervlakken bevindt zich in het midden van de spiegel en lijkt op een rand, zoals weergegeven in de afbeelding. Een evenwijdige lichtbundel wordt op de bundelsplitser geprojecteerd en in twee bundels gereflecteerd door twee vlakken op verschillende niveaus. hoeken. Deze bundels verlichten verschillende posities op de focusseringslens en na het focusseren worden twee bundels met een bepaalde afstand op het oppervlak van het werkstuk verkregen. Door de hoek tussen de twee reflecterende oppervlakken en de positie van de rand te veranderen, kunnen bundelsplitsende lichtbundels met verschillende brandpuntsafstanden en opstellingsmethoden worden verkregen.

Wanneer twee verschillende soorten laserstralen worden gebruikt om een ​​dubbele straal te vormen, zijn er verschillende combinatiemethoden. Voor primaire laswerkzaamheden kan een hoogwaardige CO2-laser met een Gaussiaanse energieverdeling worden gebruikt, bijgestaan ​​door een halfgeleiderlaser met een rechthoekige energieverdeling voor warmtebehandelingswerkzaamheden. Deze combinatiemethode is enerzijds economisch en anderzijds de kracht van de twee balken kan onafhankelijk worden aangepast. Voor verschillende voegvormen kan door het aanpassen van de overlappositie van de laser en halfgeleiderlaser een instelbaar temperatuurveld worden verkregen, wat zeer geschikt is voor lasprocescontrole. Bovendien kunnen YAG-laser en CO2-laser worden gecombineerd tot een dubbele straal voor lassen, kunnen continue laser en gepulseerde laser worden gecombineerd voor lassen, en kunnen gefocusseerde straal en onscherpe straal ook worden gecombineerd voor lassen.

3.Dual-beam laserlasprincipe

3.1 Dubbelstraallaserlassen van verzinkte plaat

Gegalvaniseerde staalplaat is het meest gebruikte materiaal in de auto-industrie. Het smeltpunt van staal ligt rond de 1500°C, terwijl het kookpunt van zink slechts 906°C bedraagt. Daarom wordt bij gebruik van de lasmethode meestal een grote hoeveelheid zinkdamp gegenereerd, wat instabiliteit in het lasproces veroorzaakt en luchtgaten in de lasnaad vormt. Bij overlapverbindingen vindt de vervluchtiging van de gegalvaniseerde laag niet alleen plaats op de bovenste en lagere oppervlakken, maar ook op het gewrichtsgrensvlak. Tijdens het lasproces spuit er in sommige gebieden zinkdamp snel uit het gesmolten zwembadoppervlak, terwijl het in andere gebieden moeilijk is voor zinkdamp om uit het oppervlak van het gesmolten zwembad te ontsnappen, wat resulteert in een zeer onstabiele laskwaliteit.

Dubbelstraallaserlassen kan de laskwaliteitsproblemen veroorzaakt door zinkdamp oplossen. Eén methode is het controleren van de bestaanstijd en de afkoelsnelheid van het gesmolten bad door de energie van de twee bundels redelijk op elkaar af te stemmen, wat gunstig is voor het ontsnappen van zinkdamp; een andere methode is het vrijgeven van zinkdamp door voorboren of groefbehandeling. Zoals te zien is in de onderstaande figuur, worden CO2-lasers gebruikt voor het lassen, terwijl YAG-lasers aan de voorzijde van de CO2-laser worden gebruikt voor het boren of snijden van groeven. De voorbewerkte gaten of sleuven bieden een ontsnappingsroute voor zinkdamp die ontstaat tijdens het daaropvolgende lassen, waardoor wordt voorkomen dat deze in het gesmolten bad blijft en defecten vormt.

3.2 Dubbelstraallaserlassen van aluminiumlegering

Vanwege de unieke eigenschappen van materialen van aluminiumlegeringen levert laserlassen de volgende problemen op: de absorptiesnelheid van de laser door aluminiumlegeringen is laag, waarbij de initiële reflectiesnelheid op het oppervlak van de CO2-laserstraal groter is dan 90%; tijdens het lassen zijn laserlasnaden van aluminiumlegeringen gevoelig voor porositeit en scheuren; er is verlies van legeringselementen tijdens het lasproces. Bij het gebruik van enkelvoudig laserlassen is het moeilijk om sleutelgaten te maken en is het niet gemakkelijk om de stabiliteit te behouden. Bij gebruik van laserlassen met dubbele straal kan de grootte van het sleutelgat worden vergroot, waardoor het moeilijk wordt om het sleutelgat te sluiten en gasvorming te vergemakkelijken. uitlaat. Tegelijkertijd kan het de afkoelsnelheid verminderen, waardoor het optreden van poriën en lasscheuren wordt verminderd. Doordat het lasproces stabieler is en de hoeveelheid spatten wordt verminderd, is ook de oppervlaktevorming van de las verkregen door dubbelbalklassen van aluminiumlegeringen aanzienlijk beter dan die van een enkele ligger. De onderstaande figuur toont het uiterlijk van stootverbindingen van 3 mm dikke aluminiumlegeringen, gelast met een enkele CO2-laserstraal en twee laserstralen.

Onderzoek toont aan dat bij het lassen van een 2 mm dikke aluminiumlegering uit de 5000-serie het proces relatief stabiel is als de afstand tussen de twee balken 0.6 ~ 1.0 mm bedraagt. De resulterende sleutelgatopening is groter, wat de verdamping en ontsnapping van magnesiumelementen tijdens het lasproces vergemakkelijkt. Als de afstand tussen de twee balken te klein is, zal het proces vergelijkbaar zijn met lassen met één straal en niet gemakkelijk stabiel zijn; als de afstand te groot is, heeft dit invloed op de laspenetratiediepte, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding. Bovendien heeft de energieverhouding van de twee balken ook een aanzienlijke invloed op de laskwaliteit. Wanneer twee balken in serie zijn opgesteld voor het lassen op een afstand van 0.9 mm, is het gunstig om de energie van de voorgaande balk op passende wijze te vergroten, waardoor de energieverhouding van de twee balken groter wordt dan 1:1. Dit helpt de kwaliteit van de las te verbeteren, het smeltgebied te vergroten en toch gladde en esthetisch aantrekkelijke lassen te bereiken, zelfs bij hogere lassnelheden.

3.3 Dubbelstraallassen van platen van ongelijke dikte

Bij industriële productie is het vaak nodig om twee of meer metalen platen van verschillende diktes en vormen aan elkaar te lassen om een ​​gesplitste plaat te maken. Vooral in de automobielindustrie wordt de toepassing van gesplitste platen steeds wijdverspreider.
Door platen met verschillende specificaties, oppervlaktecoatings of prestaties aan elkaar te lassen, kan het de sterkte vergroten, het verbruik verminderen en het gewicht verminderen. Bij het lassen van platen wordt meestal gebruik gemaakt van laserlassen van platen van verschillende diktes. Een belangrijk probleem is de noodzaak om de te lassen werkstukken te prefabriceren met zeer nauwkeurige randen en om een ​​uiterst nauwkeurige montage te garanderen. Het gebruik van dubbelbalklassen voor platen van ongelijke dikte kan zich aanpassen aan variërende openingen, aangekoppelde onderdelen, relatieve diktes en materiaal. verschillen van de bladen. Het kan platen lassen met grotere rand- en spleettoleranties, waardoor de lassnelheid en laskwaliteit worden verbeterd.

De belangrijkste procesparameters van dubbelstraallassen voor platen van ongelijke dikte kunnen worden onderverdeeld in lasparameters en plaatparameters, zoals weergegeven in de afbeelding. Lasparameters omvatten het vermogen van de twee lasers, de lassnelheid, de positie van het brandpunt, de hoek van de laskop, de straalrotatiehoek van de dubbele balken op de stootverbinding en de lasafwijking. Plaatparameters omvatten materiaalafmetingen, prestaties, randafwerking en plaatafstand. Het vermogen van de twee lasers kan afzonderlijk worden aangepast voor verschillende lasdoeleinden.
Over het algemeen kan een stabiel en efficiënt lasproces worden bereikt wanneer het brandpunt zich op het oppervlak van de dunne plaat bevindt. De hoek van de laskop wordt doorgaans rond de 6 graden gekozen. Als de dikte van de twee platen vrij groot is, kan een positieve laskophoek worden aangenomen, dat wil zeggen dat de laser naar de dunne plaat wordt gekanteld, zoals weergegeven in de afbeelding. Wanneer de plaatdikte relatief klein is, kan een negatieve laskophoek worden gebruikt. De lasafwijking wordt gedefinieerd als de afstand tussen het laserbrandpunt en de rand van de dikke plaat. Door de lasafwijking aan te passen kan de lasholte worden verkleind om een ​​goede lasdoorsnede te verkrijgen.

Bij het lassen van platen met grote tussenruimten kan de effectieve straalverwarmingsdiameter worden vergroot om een ​​goed vulvermogen van de tussenruimte te bereiken door de dubbele bundelhoek te draaien. De breedte van de bovenkant van de lasnaad wordt bepaald door de effectieve straaldiameter van de twee lasers, dat wil zeggen bepaald door de straalrotatiehoek. Hoe groter de rotatiehoek, hoe groter het verwarmingsbereik met dubbele straal en hoe breder de bovenste breedte van de lasnaad. De twee lasers spelen verschillende rollen tijdens het lasproces; de ene wordt voornamelijk gebruikt om de voeg te penetreren, en de andere wordt voornamelijk gebruikt om dik plaatmateriaal te smelten om de opening op te vullen. Zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding, botst de voorbalk onder een positieve straalrotatiehoek (de voorbalk werkt op de dikke plaat, de achterbalk op de naad) op de dikke plaat, waardoor het materiaal wordt verwarmd en gesmolten, en het volgende laserstraal zorgt voor penetratie. De eerste laserstraal aan de voorzijde kan de dikke plaat slechts gedeeltelijk smelten, maar levert een aanzienlijke bijdrage aan het lasproces omdat deze niet alleen de zijkant van de dikke plaat smelt voor een betere spleetvulling, maar ook verbindt het verbindingsmateriaal, waardoor het voor de volgende straal gemakkelijker wordt om de verbinding binnen te dringen, waardoor de lassnelheid wordt verbeterd. Bij het dubbelstraallassen met een negatieve rotatiehoek (de voorstraal werkt op de lasnaad, de achterstraal werkt op de dikke lasnaad). plaat), zijn de rollen van de twee balken precies tegenovergesteld. De voorbalk dringt door de verbinding en de achterbalk smelt de dikke plaat om de opening op te vullen.

In dit geval moet de voorbalk de koude plaat binnendringen, de lassnelheid is lager dan bij een positieve straalrotatiehoek. En vanwege het voorverwarmende effect van de voorste straal zal de volgende straal meer dik plaatmateriaal met hetzelfde vermogen smelten. In dit geval moet het vermogen van de tweede laserstraal op passende wijze worden verminderd. Ter vergelijking: het aannemen van een positieve straalrotatiehoek kan de lassnelheid op passende wijze verhogen, terwijl het aannemen van een negatieve straalrotatiehoek een betere opvulling van de openingen kan bewerkstelligen. De volgende afbeelding toont de effecten van verschillende liggerrotatiehoeken op de dwarsdoorsnede van de lasnaad.

3.4 Dubbelstraalslaserlassen van dikke platen

Met de verbetering van het laservermogen en de straalkwaliteit is het een realiteit geworden om laserlassen voor dikke platen te gebruiken. Vanwege de hoge kosten van lasers met hoog vermogen en de algemene behoefte aan metaalvulling bij het lassen van dikke platen, zijn er echter bepaalde beperkingen bij de daadwerkelijke productie. Het gebruik van laserlastechnologie met dubbele bundel verbetert niet alleen het laservermogen, maar verhoogt ook de de effectieve straalverwarmingsdiameter vergroot het vermogen om toevoegdraad te smelten en stabiliseert het lasersleutelgat, waardoor de lasstabiliteit wordt verbeterd en daardoor de laskwaliteit wordt verbeterd.