Tópico especial da moderna tecnologia de soldagem a laser —— Soldagem a laser de feixe duplo

O método de soldagem de feixe duplo foi proposto, usado principalmente para melhorar a adaptabilidade de soldagem a laser à precisão da montagem, aumentar a estabilidade do processo de soldagem e melhorar a qualidade da solda, especialmente para soldagem de chapas finas e ligas de alumínio.A soldagem a laser de feixe duplo pode separar o mesmo tipo de laser em dois feixes separados para soldagem usando métodos ópticos ou pode usar dois tipos diferentes de lasers para combinação. Lasers de CO2, lasers Nd:YAG e lasers semicondutores de alta potência podem ser combinados entre si.Ao alterar a energia dos feixes, a distância entre os feixes e até mesmo o padrão de distribuição de energia dos dois feixes, o campo de temperatura de soldagem pode ser ajustado de forma conveniente e flexível. Isso altera o modo de existência dos furos e o modo de fluxo do metal líquido na poça de fusão, proporcionando uma escolha mais ampla de espaço para o processo de soldagem, que é incomparável à soldagem a laser de feixe único. , velocidade rápida e alta precisão de soldagem a laser, mas também possui grande adaptabilidade a materiais e juntas difíceis de soldar com soldagem a laser convencional.

1. Princípio de soldagem a laser de feixe duplo

Soldagem de feixe duplo significa usar dois lasers simultaneamente durante o processo de soldagem. O arranjo do feixe, o espaçamento do feixe, o ângulo formado pelos dois feixes, a posição de foco e a relação de energia dos dois feixes são todos parâmetros de configuração relevantes na soldagem a laser de feixe duplo. Normalmente, durante o processo de soldagem, geralmente existem duas maneiras de organizar os feixes duplos. Conforme mostrado na figura, deve-se organizá-los em série ao longo da direção de soldagem. Este layout pode reduzir a taxa de resfriamento da poça de fusão e diminuir a tendência de endurecimento da solda e a produção de porosidade. A outra é organizar ou cruzar as vigas lado a lado em ambos os lados da costura de solda para aumentar a adaptabilidade à lacuna na costura de solda.

Para um sistema de soldagem a laser de feixe duplo com arranjo serial, existem três mecanismos de soldagem diferentes dependendo do espaçamento entre as duas vigas.

1）No primeiro tipo de mecanismo de soldagem, o espaçamento entre as duas vigas é relativamente grande. Um feixe tem maior densidade de energia e é focado na superfície da peça de trabalho para produzir um buraco de fechadura na soldagem; enquanto a outra viga tem menor densidade de energia e serve apenas como fonte de calor para tratamento térmico pré ou pós-soldagem.Este mecanismo de soldagem permite que a taxa de resfriamento da piscina de soldagem seja controlada dentro de uma determinada faixa, o que é propício à soldagem de materiais com alta sensibilidade a trincas, como aço de alto carbono e ligas de aço, e também pode melhorar a tenacidade do costura de solda.

2）No segundo tipo de mecanismo de soldagem, a distância entre os pontos focais dos dois feixes é relativamente pequena. Os dois feixes produzem dois buracos de fechadura separados em um único conjunto de soldagem, causando uma mudança no padrão de fluxo do metal fundido. Isso ajuda a prevenir defeitos como rebaixo e saliência do cordão de solda, melhorando a formação do cordão de solda.

3）No terceiro tipo de mecanismo de soldagem, a distância entre as duas vigas é muito pequena e, neste momento, os dois feixes produzem o mesmo buraco de fechadura na poça de soldagem. Em comparação com a soldagem a laser de feixe único, o tamanho deste buraco de fechadura é maior e menos provável de fechar, tornando o processo de soldagem mais estável e o gás mais fácil de descarregar. Isto é benéfico na redução da porosidade, respingos e na obtenção de uma costura de solda contínua, uniforme e atraente.

Durante o processo de soldagem, os dois feixes de laser também podem ser ajustados em um determinado ângulo entre si, e seu mecanismo de soldagem é semelhante ao mecanismo de soldagem de feixe duplo paralelo. Resultados experimentais mostraram que, ao empregar dois feixes de laser OO de alta potência em um ângulo de 30° entre si e espaçados de 1 a 2 mm, um buraco de fechadura em forma de funil pode ser alcançado. O buraco da fechadura é maior e mais estável, o que pode efetivamente melhorar a qualidade da soldagem. Em aplicações reais, diferentes combinações dos dois feixes podem ser ajustadas de acordo com diferentes condições de soldagem para alcançar diferentes processos de soldagem.

2. Método de implementação de soldagem a laser de feixe duplo

A obtenção de feixes duplos pode ser obtida combinando dois feixes de laser diferentes ou usando um sistema óptico de divisão de feixe para dividir um feixe de laser em dois para soldagem. Para separar um feixe em duas potências diferentes, lasers paralelos, um espelho divisor de feixe ou alguns sistemas ópticos especiais podem ser usados. A imagem mostra dois tipos de princípios de divisão de feixe usando uma lente de foco como divisor de feixe.

Além disso, um refletor pode ser usado como espelho divisor de feixe, com o último refletor no caminho óptico servindo como divisor de feixe. Este tipo de refletor também é conhecido como refletor de cumeeira, sua superfície refletora não é um único plano, mas composta por dois planos. A linha de intersecção das duas superfícies reflexivas está localizada no meio do espelho, assemelhando-se a uma crista, conforme mostrado na figura. Um feixe de luz paralelo é projetado no divisor de feixe e refletido em dois feixes por dois planos em diferentes ângulos. Esses feixes iluminam diferentes posições na lente de focagem e, após a focagem, dois feixes com determinado espaçamento são obtidos na superfície da peça. Ao alterar o ângulo entre as duas superfícies refletoras e a posição da crista, podem ser obtidos feixes de luz que dividem o feixe com diferentes espaçamentos focais e métodos de disposição.

Ao usar dois tipos diferentes de feixes de laser para formar um feixe duplo, existem vários métodos de combinação. Um laser de CO2 de alta qualidade com distribuição de energia gaussiana pode ser usado para trabalhos de soldagem primária, auxiliado por um laser semicondutor com distribuição de energia retangular para trabalhos de tratamento térmico. a potência dos dois feixes pode ser ajustada de forma independente. Para diferentes formas de junta, um campo de temperatura ajustável pode ser obtido ajustando a posição de sobreposição do laser e do laser semicondutor, o que é muito adequado para o controle do processo de soldagem. Além disso, o laser YAG e o laser CO2 podem ser combinados em um feixe duplo para soldagem, o laser contínuo e o laser pulsado podem ser combinados para soldagem, e o feixe focado e o feixe desfocado também podem ser combinados para soldagem.

3. Princípio de soldagem a laser de feixe duplo

3.1 Soldagem a laser de feixe duplo de chapa galvanizada

A chapa de aço galvanizado é o material mais utilizado na indústria automotiva. O ponto de fusão do aço é de cerca de 1500°C, enquanto o ponto de ebulição do zinco é de apenas 906°C. Portanto, ao utilizar o método de soldagem, geralmente é gerada grande quantidade de vapor de zinco, causando instabilidade no processo de soldagem e formando furos de ar na costura de solda. Para juntas sobrepostas, a volatilização da camada galvanizada não ocorre apenas na parte superior e superfícies inferiores, mas também na interface articular. Durante o processo de soldagem, o vapor de zinco é rapidamente expelido da superfície da poça de fusão em algumas áreas, enquanto em outras áreas é difícil para o vapor de zinco escapar da superfície da poça de fusão, resultando em uma qualidade de soldagem muito instável.

A soldagem a laser de feixe duplo pode resolver os problemas de qualidade da soldagem causados ​​pelo vapor de zinco. Um método é controlar o tempo de existência e a velocidade de resfriamento da poça fundida, combinando razoavelmente a energia dos dois feixes, o que é benéfico para o escape do vapor de zinco; outro método é liberar vapor de zinco por meio de pré-perfuração ou tratamento de ranhura. Conforme mostrado na figura abaixo, os lasers de CO2 são usados ​​para soldagem, com os lasers YAG na parte frontal do laser de CO2 usados ​​para perfurar ou cortar ranhuras. Os furos ou ranhuras pré-processados ​​fornecem uma rota de escape para o vapor de zinco gerado durante a soldagem subsequente, evitando que ele permaneça na poça de fusão e forme defeitos.

3.2 Soldagem a laser de feixe duplo de liga de alumínio

Devido às propriedades únicas dos materiais de liga de alumínio, a soldagem a laser apresenta as seguintes dificuldades: a taxa de absorção do laser pelas ligas de alumínio é baixa, com a taxa de reflexão inicial na superfície do feixe de laser de CO2 superior a 90%; durante a soldagem, os cordões de solda a laser de liga de alumínio são propensos a porosidade e rachaduras; há perda de elementos de liga durante o processo de soldagem. Ao usar soldagem a laser único, é difícil estabelecer buracos de fechadura e eles não são fáceis de manter a estabilidade. Ao usar soldagem a laser de feixe duplo, o tamanho do buraco de fechadura pode ser aumentado, dificultando o fechamento do buraco de fechadura e facilitando o gás escape. Ao mesmo tempo, pode reduzir a taxa de resfriamento, reduzindo a ocorrência de poros e trincas de soldagem. Como o processo de soldagem é mais estável e a quantidade de respingos é reduzida, a formação da superfície da solda obtida pela soldagem de feixe duplo de ligas de alumínio também é significativamente melhor do que a de feixe único. A figura abaixo mostra a aparência de juntas de topo de ligas de alumínio com 3 mm de espessura soldadas com um único feixe de laser de CO2 e dois feixes de laser.

A pesquisa mostra que ao soldar uma liga de alumínio da série 2 com 5000 mm de espessura, o processo é relativamente estável quando a distância entre os dois feixes é de 0.6 ~ 1.0 mm. A abertura resultante é maior, o que facilita a evaporação e escape dos elementos de magnésio durante o processo de soldagem. Se a distância entre os dois feixes for muito pequena, o processo será semelhante à soldagem de feixe único e não será facilmente estável; se a distância for muito grande, afetará a profundidade de penetração da soldagem, conforme mostrado na figura abaixo. Além disso, a relação de energia dos dois feixes também tem um impacto significativo na qualidade da soldagem. Quando dois feixes são dispostos em série para soldagem a uma distância de 0.9 mm, é benéfico aumentar adequadamente a energia do feixe anterior, tornando a relação de energia dos dois feixes superior a 1:1. Isto ajuda a melhorar a qualidade da solda, amplia a área de fusão e ainda consegue soldas suaves e esteticamente agradáveis, mesmo em velocidades de soldagem mais altas.

3.3 Soldagem de feixe duplo de placas de espessura desigual

Na produção industrial, muitas vezes é necessário soldar duas ou mais chapas metálicas de diferentes espessuras e formatos para formar uma chapa emendada. Especialmente na fabricação de automóveis, a aplicação de chapas emendadas está se tornando cada vez mais difundida.
Ao soldar folhas de diferentes especificações, revestimentos de superfície ou desempenho, pode-se aumentar a resistência, reduzir o consumo e reduzir o peso. Na soldagem de placas de emenda, geralmente é usada a soldagem a laser de placas de diferentes espessuras. Uma questão importante é a necessidade de pré-fabricar as peças a serem soldadas com bordas altamente precisas e garantir uma montagem de alta precisão. O uso de soldagem de feixe duplo para placas de espessura desigual pode se adaptar a diferentes folgas, peças de encaixe, espessuras relativas e material diferenças das folhas. Ele pode soldar chapas com maiores tolerâncias de borda e folga, melhorando a velocidade e a qualidade da soldagem.

Os principais parâmetros do processo de soldagem de feixe duplo para placas de espessura desigual podem ser divididos em parâmetros de soldagem e parâmetros de placa, conforme mostrado na figura. Os parâmetros de soldagem incluem a potência dos dois lasers, velocidade de soldagem, posição do ponto focal, ângulo da cabeça de soldagem, ângulo de rotação do feixe dos feixes duplos na junta de topo e desvio de soldagem. Os parâmetros da placa incluem dimensões do material, desempenho, corte de borda e folga da placa. A potência dos dois lasers pode ser ajustada separadamente de acordo com diferentes finalidades de soldagem.
Geralmente, um processo de soldagem estável e eficiente pode ser alcançado quando o ponto focal está na superfície da chapa fina. O ângulo da cabeça de soldagem geralmente é escolhido em torno de 6 graus. Se a espessura das duas placas for muito grande, pode-se adotar um ângulo positivo da cabeça de soldagem, ou seja, o laser é inclinado em direção à placa fina, conforme mostrado na figura. Quando a espessura da placa é relativamente pequena, um ângulo negativo da cabeça de soldagem pode ser usado. O desvio de soldagem é definido como a distância entre o ponto focal do laser e a borda da chapa espessa. Ao ajustar o desvio de soldagem, a concavidade da solda pode ser reduzida para obter uma boa seção transversal da solda.

Ao soldar placas com grandes lacunas, o diâmetro efetivo de aquecimento do feixe pode ser aumentado para obter uma boa capacidade de preenchimento de lacunas girando o ângulo do feixe duplo. A largura do topo da costura de solda é determinada pelo diâmetro efetivo do feixe dos dois lasers, ou seja, determinada pelo ângulo de rotação do feixe. Quanto maior o ângulo de rotação, maior será a faixa de aquecimento do feixe duplo e maior será a largura superior da costura de solda. Os dois lasers desempenham funções diferentes durante o processo de soldagem; um é usado principalmente para penetrar na junta e o outro é usado principalmente para derreter material de placa espessa para preencher a lacuna. Conforme mostrado na figura abaixo, sob um ângulo de rotação do feixe positivo (o feixe frontal atua na placa espessa, o feixe traseiro atua na costura), o feixe frontal colide com a placa espessa, aquecendo e derretendo o material, e o seguinte o feixe de laser produz penetração. O primeiro feixe de laser na frente pode derreter apenas parcialmente a placa espessa, mas faz uma contribuição significativa para o processo de soldagem porque não apenas derrete a lateral da placa espessa para melhor preenchimento de lacunas, mas também pré- conecta o material da junta, facilitando a penetração da viga seguinte na junta, melhorando assim a velocidade de soldagem. Na soldagem de feixe duplo com ângulo de rotação negativo (a viga frontal atua na costura de solda, a viga traseira atua na espessura placa), os papéis dos dois feixes são exatamente opostos. A viga frontal penetra na junta e a viga traseira derrete a placa grossa para preencher a lacuna.

Neste caso, a viga frontal tem que penetrar na placa fria, a velocidade de soldagem é menor que aquela com ângulo de rotação da viga positivo. E, devido ao efeito de pré-aquecimento do feixe frontal, o feixe seguinte derreterá material de placa mais espesso com a mesma potência. Nesse caso, a potência do segundo feixe de laser deve ser reduzida de forma adequada. Em comparação, a adoção de um ângulo de rotação do feixe positivo pode aumentar adequadamente a velocidade de soldagem, enquanto a adoção de um ângulo de rotação do feixe negativo pode alcançar um melhor preenchimento de lacunas. A imagem a seguir mostra os efeitos de diferentes ângulos de rotação do feixe na seção transversal da costura de solda.

3.4 Soldagem a laser de feixe duplo de chapas grossas

Com a melhoria dos níveis de potência do laser e da qualidade do feixe, tornou-se uma realidade a utilização da soldagem a laser para chapas grossas. No entanto, devido ao alto custo dos lasers de alta potência e à necessidade geral de preenchimento de metal na soldagem de placas espessas, existem certas limitações na produção real. O uso da tecnologia de soldagem a laser de feixe duplo não apenas melhora a potência do laser, mas também aumenta o diâmetro efetivo de aquecimento do feixe aumenta a capacidade de derreter o fio de enchimento e estabiliza o buraco da fechadura do laser, melhorando a estabilidade da soldagem e, assim, melhorando a qualidade da soldagem.