Specjalny temat nowoczesnej technologii spawania laserowego — — Spawanie laserowe z podwójną wiązką

Zaproponowano metodę spawania dwuwiązkowego, stosowaną głównie w celu poprawy zdolności adaptacyjnych spawanie laserowe poprawiają dokładność montażu, zwiększają stabilność procesu spawania i poprawiają jakość spoin, szczególnie do spawania cienkich blach i stopów aluminium.Spawanie laserowe z podwójną wiązką umożliwia rozdzielenie tego samego typu lasera na dwie oddzielne wiązki w celu spawania metodami optycznymi lub może wykorzystywać dwa różne typy laserów w połączeniu. Lasery CO2, lasery Nd:YAG i lasery półprzewodnikowe dużej mocy można ze sobą łączyć.Zmieniając energię wiązek, odległość między wiązkami, a nawet rozkład energii obu wiązek, pole temperatury spawania można wygodnie i elastycznie regulować. Zmienia to sposób istnienia otworów i sposób przepływu ciekłego metalu w jeziorku spawalniczym, zapewniając większy wybór przestrzeni dla procesu spawania, niespotykany w spawaniu laserem jednowiązkowym. Posiada nie tylko zalety głębokiego wtopienia , duża prędkość i wysoka precyzja spawania laserowego, ale ma również duże możliwości dostosowania do materiałów i połączeń, które są trudne do spawania za pomocą konwencjonalnego spawania laserowego.

1. Zasada spawania laserowego z podwójną wiązką

Spawanie dwuwiązkowe oznacza jednoczesne wykorzystanie dwóch laserów podczas procesu spawania. Rozmieszczenie wiązek, odstęp między wiązkami, kąt utworzony przez dwie wiązki, położenie ogniskowania i stosunek energii dwóch wiązek to istotne parametry konfiguracji przy spawaniu laserowym z podwójną wiązką. Zwykle podczas procesu spawania istnieją dwa sposoby rozmieszczenia podwójne belki. Jak pokazano na rysunku, należy je ułożyć szeregowo wzdłuż kierunku spawania. Taki układ może zmniejszyć szybkość chłodzenia jeziorka spawalniczego i zmniejszyć tendencję do utwardzania spoiny i powstawanie porowatości. Drugim jest ułożenie lub skrzyżowanie belek obok siebie po obu stronach szwu spawalniczego, aby zwiększyć możliwość dostosowania do szczeliny w szwie spawalniczym.

W przypadku dwuwiązkowego systemu spawania laserowego w układzie szeregowym, istnieją trzy różne mechanizmy zgrzewania w zależności od odstępu pomiędzy dwiema belkami.

1) W pierwszym typie mechanizmu spawalniczego odstęp między dwiema belkami jest stosunkowo duży. Jedna wiązka ma większą gęstość energii i jest skupiona na powierzchni przedmiotu obrabianego, tworząc dziurkę od klucza podczas spawania; podczas gdy druga wiązka ma niższą gęstość energii i służy jedynie jako źródło ciepła do obróbki cieplnej przed lub po spawaniuTen mechanizm spawalniczy umożliwia kontrolę szybkości chłodzenia jeziorka spawalniczego w określonym zakresie, co sprzyja spawaniu materiałów o dużej wrażliwości na pękanie, takich jak stal wysokowęglowa i stal stopowa, a także może poprawić wytrzymałość szew spawalniczy.

2) W drugim typie mechanizmu spawalniczego odległość pomiędzy ogniskami dwóch belek jest stosunkowo mała. Dwie belki tworzą dwa oddzielne otwory w jednym jeziorku spawalniczym, powodując zmianę wzorca przepływu stopionego metalu. Pomaga to zapobiegać defektom takie jak podcięcie i występ ściegu spoiny, poprawiające tworzenie spoiny.

3) W trzecim typie mechanizmu spawalniczego odległość między dwiema belkami jest bardzo mała i w tym momencie obie belki wytwarzają tę samą dziurkę od klucza w jeziorku spawalniczym. W porównaniu do spawania laserowego z pojedynczą wiązką, rozmiar dziurki od klucza jest większy i rzadziej się zamyka, dzięki czemu proces spawania jest bardziej stabilny, a gaz jest łatwiejszy do rozładowania. Jest to korzystne w zmniejszaniu porowatości, odprysków i uzyskiwaniu ciągłego, jednolitego i atrakcyjnego szwu spawalniczego.

Podczas procesu spawania obie wiązki lasera można także ustawić pod pewnym kątem względem siebie, a mechanizm zgrzewania jest podobny do mechanizmu zgrzewania równoległego z podwójną wiązką. Wyniki eksperymentów wykazały, że stosując dwie wiązki lasera OO o dużej mocy ustawione pod kątem 30° względem siebie i oddalone od siebie o 1–2 mm, można uzyskać dziurkę od klucza w kształcie lejka. Dziurka od klucza jest większa i bardziej stabilna, co może skutecznie poprawić jakość spawania. W rzeczywistych zastosowaniach różne kombinacje dwóch wiązek można dostosować do różnych warunków spawania, aby uzyskać różne procesy spawania.

2.Metoda realizacji spawania laserowego dwuwiązkowego

Uzyskanie podwójnych wiązek można uzyskać poprzez połączenie dwóch wiązek laserowych o różnej mocy lub poprzez zastosowanie systemu optycznego podziału wiązki w celu podzielenia jednej wiązki lasera na dwie w celu spawania. Aby rozdzielić wiązkę na dwie różne mocy, należy zastosować lasery równoległe, zwierciadło dzielące wiązkę lub można zastosować pewne specjalne układy optyczne. Rysunek przedstawia dwa rodzaje zasad rozszczepiania wiązki przy użyciu soczewki skupiającej jako rozdzielacza wiązki.

Ponadto odbłyśnik może służyć jako zwierciadło rozdzielające wiązkę, przy czym ostatni odbłyśnik na drodze optycznej służy jako rozdzielacz wiązki. Ten typ odbłyśnika nazywany jest również odbłyśnikiem grzbietowym, jego powierzchnia odbijająca nie jest pojedynczą płaszczyzną, ale składa się z dwóch płaszczyzn. Linia przecięcia dwóch powierzchni odblaskowych znajduje się pośrodku lustra, przypominając grzbiet, jak pokazano na rysunku. Równoległa wiązka światła jest rzucana na rozdzielacz wiązki i jest odbijana na dwie wiązki w dwóch płaszczyznach o różnych kąty. Wiązki te oświetlają różne pozycje na soczewce ogniskującej, a po skupieniu uzyskuje się na powierzchni przedmiotu obrabianego dwie wiązki o określonym rozstawie. Zmieniając kąt pomiędzy dwiema powierzchniami odbijającymi oraz położenie grzbietu, można uzyskać rozszczepiające wiązkę wiązki światła o różnym rozstawie ogniskowych i sposobach rozmieszczenia.

W przypadku stosowania dwóch różnych typów wiązek laserowych w celu utworzenia podwójnej wiązki istnieją różne metody łączenia. Do podstawowych prac spawalniczych można zastosować wysokiej jakości laser CO2 o rozkładzie energii Gaussa, natomiast do prac związanych z obróbką cieplną wspomagany jest laserem półprzewodnikowym o prostokątnym rozkładzie energii. Ta kombinowana metoda jest z jednej strony ekonomiczna, a z drugiej strony moc dwóch wiązek można regulować niezależnie. W przypadku różnych form złączy można uzyskać regulowane pole temperaturowe, regulując położenie nakładania się lasera i lasera półprzewodnikowego, co jest bardzo przydatne do kontroli procesu spawania. Ponadto laser YAG i laser CO2 można łączyć w podwójną wiązkę do spawania, laser ciągły i laser impulsowy można łączyć do spawania, a wiązkę skupioną i wiązkę rozogniskowaną można również łączyć do spawania.

3. Zasada spawania laserowego z podwójną wiązką

3.1 Spawanie laserowe dwuwiązkowe blachy ocynkowanej

Blacha stalowa ocynkowana jest najczęściej stosowanym materiałem w przemyśle motoryzacyjnym. Temperatura topnienia stali wynosi około 1500°C, podczas gdy temperatura wrzenia cynku wynosi zaledwie 906°C. Dlatego też przy stosowaniu metody spawania zwykle wytwarza się duża ilość par cynku, co powoduje niestabilność procesu spawania i powstawanie dziur powietrznych w spoinie. W przypadku połączeń zakładkowych ulatnianie się warstwy cynku występuje nie tylko na górnej i dolnych powierzchniach, ale także na styku złącza. Podczas procesu spawania w niektórych obszarach opary cynku szybko wydostają się z powierzchni roztopionego jeziorka, podczas gdy w innych trudno jest wydostać się z powierzchni roztopionego jeziorka, co powoduje bardzo niestabilną jakość spawania.

Spawanie laserowe z podwójną wiązką może rozwiązać problemy z jakością spawania spowodowane oparami cynku. Jedną z metod jest kontrolowanie czasu istnienia i szybkości chłodzenia roztopionego jeziorka poprzez rozsądne dopasowanie energii dwóch wiązek, co jest korzystne dla ucieczki par cynku; inną metodą jest uwolnienie oparów cynku poprzez wstępne nawiercenie lub rowkowanie. Jak pokazano na poniższym rysunku, do spawania używa się laserów CO2, a lasery YAG umieszczone na przedniej stronie lasera CO2 służą do wiercenia lub wycinania rowków. Wstępnie obrobione otwory lub szczeliny stanowią drogę ucieczki dla oparów cynku powstających podczas późniejszego spawania, zapobiegając ich pozostawaniu w jeziorku stopionego materiału i tworzeniu defektów.

3.2 Spawanie laserowe dwuwiązkowe stopów aluminium

Ze względu na unikalne właściwości materiałów ze stopów aluminium, spawanie laserowe stwarza następujące trudności: stopień absorpcji lasera przez stopy aluminium jest niski, przy początkowym współczynniku odbicia na powierzchni wiązki lasera CO2 przekraczającym 90%; podczas spawania spoiny laserowe stopów aluminium są podatne na porowatość i pęknięcia; podczas procesu spawania następuje utrata pierwiastków stopowych. W przypadku spawania laserowego pojedynczą wiązką trudno jest wykonać dziurkę od klucza i niełatwo utrzymać ją w stabilności. Przy spawaniu laserem dwuwiązkowym można zwiększyć wielkość dziurki od klucza, utrudniając zamknięcie dziurki od klucza i ułatwiając gaz wydechowy. Jednocześnie może zmniejszyć szybkość chłodzenia, zmniejszając występowanie porów i pęknięć spawalniczych. Dzięki stabilniejszemu procesowi spawania i zmniejszeniu ilości odprysków, kształtowanie powierzchni spoiny uzyskanej przy spawaniu dwuwiązkowym stopów aluminium jest również znacznie lepsze niż przy spawaniu pojedynczą wiązką. Poniższy rysunek przedstawia wygląd złączy doczołowych stopów aluminium o grubości 3mm spawanych pojedynczą wiązką lasera CO2 i dwiema wiązkami lasera.

Badania pokazują, że podczas spawania stopu aluminium serii 2 o grubości 5000 mm proces jest stosunkowo stabilny, gdy odległość między dwiema belkami wynosi 0.6 ~ 1.0 mm. Powstały otwór w kształcie dziurki od klucza jest większy, co ułatwia odparowanie i ucieczkę pierwiastków magnezowych podczas procesu spawania. Jeżeli odległość pomiędzy dwiema belkami będzie zbyt mała, proces będzie podobny do spawania pojedynczą wiązką i nie będzie łatwo stabilny; jeśli odległość jest zbyt duża, wpłynie to na głębokość wtopienia spawania, jak pokazano na poniższym rysunku. Ponadto stosunek energii dwóch wiązek ma również znaczący wpływ na jakość spawania. Gdy dwie belki są ustawione szeregowo w celu spawania w odległości 0.9 mm, korzystne jest odpowiednie zwiększenie energii belki poprzedzającej, tak aby stosunek energii dwóch belek był większy niż 1:1. Pomaga to poprawić jakość spoiny, powiększyć obszar topienia, a mimo to uzyskać gładkie i estetyczne spoiny nawet przy wyższych prędkościach spawania.

3.3 Spawanie dwuwiązkowe blach o różnej grubości

W produkcji przemysłowej często konieczne jest zespawanie ze sobą dwóch lub więcej blach o różnych grubościach i kształtach, aby uzyskać łączoną blachę. Szczególnie w produkcji samochodów zastosowanie blach łączonych staje się coraz bardziej powszechne.
Spawanie ze sobą arkuszy o różnych specyfikacjach, powłokach powierzchniowych lub wydajności może zwiększyć wytrzymałość, zmniejszyć zużycie i zmniejszyć wagę. Przy spawaniu płyt spawalniczych zwykle stosuje się spawanie laserowe blach o różnych grubościach. Istotnym problemem jest konieczność prefabrykacji spawanych elementów o bardzo precyzyjnych krawędziach i zapewnienia dużej precyzji montażu. Zastosowanie spawania podwójną wiązką do blach o różnej grubości pozwala dostosować się do różnych szczelin, dokowania części, względnych grubości i materiału różnice w arkuszach. Może spawać arkusze o większych tolerancjach krawędzi i szczelin, poprawiając prędkość i jakość spawania.

Główne parametry procesu spawania podwójną wiązką blach o różnej grubości można podzielić na parametry spawania i parametry blachy, jak pokazano na rysunku. Parametry spawania obejmują moc dwóch laserów, prędkość spawania, położenie ogniska, kąt głowicy spawalniczej, kąt obrotu wiązki podwójnej na złączu doczołowym oraz odchylenie spawania. Parametry płyty obejmują wymiary materiału, wydajność, przycięcie krawędzi i szczelinę płyty. Moc obu laserów można regulować oddzielnie w zależności od różnych celów spawania.
Ogólnie rzecz biorąc, stabilny i wydajny proces spawania można osiągnąć, gdy punkt skupienia znajduje się na powierzchni cienkiej blachy. Kąt głowicy spawalniczej jest zwykle wybierany na około 6 stopni. Jeżeli grubość obu płyt jest dość duża, można przyjąć dodatni kąt głowicy spawalniczej, tzn. laser jest pochylony w stronę cienkiej blachy, jak pokazano na rysunku. Gdy grubość blachy jest stosunkowo mała, można zastosować ujemny kąt głowicy spawalniczej. Odchylenie spawania definiuje się jako odległość ogniska lasera od krawędzi grubej blachy. Dostosowując odchylenie spoiny, można zmniejszyć wklęsłość spoiny, aby uzyskać dobry przekrój spoiny.

Podczas spawania płyt z dużymi szczelinami można zwiększyć efektywną średnicę grzania wiązki, aby uzyskać dobrą zdolność wypełniania szczeliny, obracając kąt podwójnej wiązki. Szerokość wierzchołka spoiny wyznaczana jest przez efektywną średnicę wiązki obu laserów, czyli kąt obrotu wiązki. Im większy kąt obrotu, tym szerszy zakres nagrzewania podwójnej wiązki i szersza górna szerokość spoiny. Obydwa lasery odgrywają odmienną rolę podczas procesu spawania; jeden służy głównie do penetracji złącza, a drugi służy głównie do topienia grubego materiału płytowego w celu wypełnienia szczeliny. Jak pokazano na poniższym rysunku, pod dodatnim kątem obrotu wiązki (przednia belka działa na grubą płytę, tylna belka działa na szew), przednia belka uderza w grubą płytę, nagrzewając i topiąc materiał, co następuje: wiązka lasera powoduje penetrację. Pierwsza wiązka lasera z przodu może tylko częściowo stopić grubą blachę, ale ma znaczący wkład w proces spawania, ponieważ nie tylko topi bok grubej blachy w celu lepszego wypełnienia szczeliny, ale także wstępnie łączy materiał złącza, ułatwiając następnej wiązce penetrację złącza, poprawiając w ten sposób prędkość spawania. Przy spawaniu dwuwiązkowym z ujemnym kątem obrotu (belka przednia działa na szew spawalniczy, belka tylna działa na grubą warstwę) płyta), role obu belek są przeciwne. Przednia belka przechodzi przez złącze, a tylna belka topi grubą płytę, aby wypełnić szczelinę.

W tym przypadku przednia wiązka musi przejść przez zimną płytę, prędkość spawania jest mniejsza niż przy dodatnim kącie obrotu wiązki. Natomiast ze względu na efekt nagrzewania przedniej wiązki, następna wiązka przy tej samej mocy stopi grubszy materiał blachy. W takim przypadku moc drugiej wiązki lasera powinna zostać odpowiednio zmniejszona. Dla porównania, przyjęcie dodatniego kąta obrotu wiązki może odpowiednio zwiększyć prędkość spawania, natomiast przyjęcie ujemnego kąta obrotu wiązki może zapewnić lepsze wypełnienie szczeliny. Poniższy rysunek przedstawia wpływ różnych kątów obrotu belki na przekrój spoiny.

3.4 Dwuwiązkowe spawanie laserowe grubych blach

Wraz z poprawą poziomu mocy lasera i jakości wiązki, stosowanie spawania laserowego w przypadku grubych blach stało się rzeczywistością. Jednakże, ze względu na wysoki koszt laserów dużej mocy i ogólne zapotrzebowanie na wypełnienie metalem przy spawaniu grubych blach, istnieją pewne ograniczenia w rzeczywistej produkcji. Zastosowanie technologii spawania laserowego z podwójną wiązką nie tylko poprawia moc lasera, ale także zwiększa efektywna średnica nagrzewania wiązki, zwiększa zdolność topienia drutu dodatkowego i stabilizuje dziurkę od klucza lasera, poprawiając stabilność spawania, a tym samym poprawiając jakość spawania.