Специальная тема современных технологий лазерной сварки — двухлучевая лазерная сварка

Был предложен метод двухлучевой сварки, который в основном используется для улучшения технологичности сварки. лазерная сварка для точности сборки, повышения стабильности сварочного процесса и улучшения качества сварки, особенно для сварки тонких пластин и алюминиевых сплавов.Двухлучевая лазерная сварка позволяет разделить один и тот же тип лазера на два отдельных луча для сварки оптическими методами или использовать два разных типа лазеров для комбинации. CO2-лазеры, Nd:YAG-лазеры и мощные полупроводниковые лазеры можно комбинировать друг с другом.Изменяя энергию лучей, расстояние между лучами и даже характер распределения энергии двух лучей, можно удобно и гибко регулировать поле температур сварки. Это меняет режим существования отверстий и режим течения жидкого металла в сварочной ванне, обеспечивая более широкий выбор пространства для сварочного процесса, не имеющий аналогов при однолучевой лазерной сварке. Она не только обладает преимуществами глубокой сварки. , быстрая скорость и высокая точность лазерной сварки, но он также обладает отличной адаптируемостью к материалам и соединениям, которые трудно сваривать обычной лазерной сваркой..

1. Принцип двухлучевой лазерной сварки.

Двухлучевая сварка означает одновременное использование двух лазеров в процессе сварки. Расположение лучей, расстояние между лучами, угол, образуемый двумя лучами, положение фокусировки и соотношение энергий двух лучей — все это важные параметры настройки при двухлучевой лазерной сварке. Обычно в процессе сварки существует два способа расположения лучей. двойные лучи. Как показано на рисунке, их следует расположить последовательно вдоль направления сварки. Такая компоновка может снизить скорость охлаждения сварочной ванны и уменьшить склонность сварного шва к закалке и образованию пористости. Другой способ — расположить или перекрещивать балки рядом с обеих сторон сварного шва, чтобы повысить возможность адаптации к зазору в сварном шве.

Для системы двухлучевой лазерной сварки с последовательным расположением: Существует три различных механизма сварки в зависимости от расстояния между двумя балками.

1) В первом типе сварочного механизма расстояние между двумя балками относительно велико. Один луч имеет более высокую плотность энергии и фокусируется на поверхности заготовки, образуя замочную скважину при сварке.; в то время как другой луч имеет меньшую плотность энергии и служит только источником тепла для термообработки перед или после сварки..Этот сварочный механизм позволяет контролировать скорость охлаждения сварочной ванны в определенном диапазоне, что способствует сварке материалов с высокой чувствительностью к образованию трещин, таких как высокоуглеродистая сталь и легированная сталь, а также может улучшить ударную вязкость. сварной шов.

2) Во втором типе сварочного механизма расстояние между фокусами двух лучей относительно невелико. Две балки образуют две отдельные замочные скважины в одной сварочной ванне., вызывая изменение картины течения расплавленного металла. Это помогает предотвратить дефекты такие как подрезы и выступы сварных швов, улучшающие формирование сварного шва.

3) В третьем типе сварочного механизма расстояние между двумя лучами очень мало, и в это время два луча образуют одну и ту же замочную скважину в сварочной ванне. По сравнению с однолучевой лазерной сваркой размер этой замочной скважины больше и вероятность закрытия меньше., что делает процесс сварки более стабильным и облегчает выпуск газа. Это полезно для уменьшения пористости, разбрызгивания и достижения непрерывного, однородного и привлекательного сварного шва.

В процессе сварки два лазерных луча также можно установить под определенным углом друг к другу, а механизм сварки аналогичен механизму параллельной двухлучевой сварки. Экспериментальные результаты показали, что, используя два мощных луча ОО-лазера, расположенных под углом 30° друг к другу и на расстоянии 1–2 мм друг от друга, можно получить замочную скважину в форме воронки. Замочная скважина больше и стабильнее, что позволяет эффективно улучшить качество сварки. В реальных условиях различные комбинации двух балок можно регулировать в соответствии с различными условиями сварки для достижения различных сварочных процессов.

2.Внедрение метода двухлучевой лазерной сварки.

Получения двойных лучей можно добиться, объединив два разных лазерных луча или используя систему оптического светоделения для разделения одного лазерного луча на два для сварки. Чтобы разделить луч на два разных по мощности, параллельные лазеры, светоделительное зеркало или можно использовать некоторые специальные оптические системы. На рисунке показаны два типа принципов светоделения с использованием фокусирующей линзы в качестве светоделителя.

Кроме того, рефлектор можно использовать в качестве светоделительного зеркала, при этом последний отражатель на оптическом пути будет служить светоделителем. Этот тип отражателя также известен как ребристый отражатель, его отражающая поверхность представляет собой не одну плоскость, а состоит из двух плоскостей. Линия пересечения двух отражающих поверхностей расположена посередине зеркала, напоминая гребень, как показано на рисунке. Параллельный луч света проецируется на светоделитель и отражается на два луча двумя плоскостями, находящимися в разных плоскостях. углы. Эти лучи освещают разные положения фокусирующей линзы, и после фокусировки на поверхности заготовки получаются два луча, расположенные на определенном расстоянии друг от друга. Изменяя угол между двумя отражающими поверхностями и положением гребня, можно получить светоделительные пучки света с различным фокусным расстоянием и способами расположения.

При использовании двух разных типов лазерных лучей для формирования двойного луча существуют различные методы их комбинирования. Высококачественный CO2-лазер с гауссовым распределением энергии может использоваться для первичных сварочных работ, а полупроводниковый лазер с прямоугольным распределением энергии для термообработки. Этот комбинированный метод, с одной стороны, экономичен, а с другой стороны, мощность двух лучей можно регулировать независимо. Для различных форм соединения можно получить регулируемое температурное поле, регулируя положение перекрытия лазера и полупроводникового лазера, что очень удобно для управления процессом сварки. Кроме того, YAG-лазер и CO2-лазер можно объединить в двойной луч для сварки, непрерывный лазер и импульсный лазер можно объединить для сварки, а сфокусированный луч и расфокусированный луч также можно объединить для сварки.

3. Принцип двухлучевой лазерной сварки.

3.1 Двухлучевая лазерная сварка оцинкованного листа

Оцинкованная стальная пластина является наиболее часто используемым материалом в автомобильной промышленности. Температура плавления стали составляет около 1500°С, а температура кипения цинка — всего 906°С. Поэтому при использовании метода сварки обычно образуется большое количество паров цинка, вызывающих нестабильность процесса сварки и образующих воздушные дыры в сварном шве. При нахлесточных соединениях улетучивание оцинкованного слоя происходит не только на верхнем и нижние поверхности, но и на стыке суставов. В процессе сварки пары цинка на некоторых участках быстро разбрызгиваются с поверхности ванны расплава, тогда как на других участках парам цинка трудно выйти с поверхности ванны расплава, что приводит к очень нестабильному качеству сварки.

Двухлучевая лазерная сварка может решить проблемы качества сварки, вызванные парами цинка. Один из методов состоит в том, чтобы контролировать время существования и скорость охлаждения ванны расплава путем разумного согласования энергии двух лучей, что полезно для выхода паров цинка; Другой метод — высвободить пары цинка посредством предварительного сверления или обработки канавок. Как показано на рисунке ниже, лазеры CO2 используются для сварки, а лазеры YAG на передней стороне лазера CO2 используются для сверления или резки канавок. Предварительно обработанные отверстия или прорези обеспечивают выход паров цинка, образующихся при последующей сварке, не позволяя им оставаться в ванне расплава и образовывать дефекты.

3.2 Двухлучевая лазерная сварка алюминиевого сплава

Из-за уникальных свойств материалов из алюминиевых сплавов лазерная сварка представляет следующие трудности: скорость поглощения лазера алюминиевыми сплавами низкая, при этом начальная скорость отражения от поверхности луча СО2-лазера превышает 90 %; при сварке швы лазерной сварки алюминиевых сплавов склонны к образованию пор и трещин; в процессе сварки происходит потеря легирующих элементов. При использовании одиночной лазерной сварки трудно установить замочные скважины, и их нелегко поддерживать в стабильности. При использовании двухлучевой лазерной сварки размер замочной скважины может быть увеличен, что затрудняет закрытие замочной скважины и облегчает подачу газа. выхлоп. В то же время это может снизить скорость охлаждения, уменьшая появление пор и сварочных трещин. Поскольку процесс сварки более стабилен и количество брызг уменьшено, формирование поверхности сварного шва, полученного при двухлучевой сварке алюминиевых сплавов, также значительно лучше, чем у однолучевой. На рисунке ниже показан внешний вид стыковых соединений алюминиевых сплавов толщиной 3 мм, сваренных одним лучом CO2-лазера и двумя лучами лазера.

Исследования показывают, что при сварке алюминиевого сплава серии 2 толщиной 5000 мм процесс относительно стабилен, когда расстояние между двумя лучами составляет 0.6–1.0 мм. Получающееся отверстие замочной скважины больше, что облегчает испарение и выход элементов магния во время процесса сварки. Если расстояние между двумя лучами слишком мало, процесс будет похож на однолучевую сварку и не будет легко стабильным; Если расстояние слишком велико, это повлияет на глубину проплавления сварки, как показано на рисунке ниже. Кроме того, соотношение энергий двух лучей также оказывает существенное влияние на качество сварки. Когда два луча расположены последовательно для сварки на расстоянии 0.9 мм, полезно соответствующим образом увеличить энергию предыдущего луча, сделав соотношение энергий двух лучей более 1:1. Это помогает улучшить качество сварного шва, увеличить зону плавления и при этом добиться гладких и эстетичных сварных швов даже при более высоких скоростях сварки.

3.3 Двухлучевая сварка пластин разной толщины

В промышленном производстве часто приходится сваривать вместе два и более металлических листа разной толщины и формы для получения сращенного листа. Применение сращенных листов становится все более распространенным, особенно в автомобилестроении.
Сваривая вместе листы с различными характеристиками, поверхностными покрытиями или характеристиками, можно повысить прочность, снизить расход и вес. При стыковке пластин обычно применяют лазерную сварку пластин разной толщины. Основной проблемой является необходимость предварительного изготовления свариваемых заготовок с высокоточными кромками и обеспечение высокой точности сборки. Использование двухлучевой сварки для пластин неравной толщины позволяет адаптироваться к различным зазорам, стыковке деталей, относительным толщинам и материалу. различия листов. Он может сваривать листы с большими допусками по кромкам и зазорам, улучшая скорость сварки и качество сварки.

Основные параметры процесса двухлучевой сварки пластин разной толщины можно разделить на параметры сварки и параметры пластины, как показано на рисунке. Параметры сварки включают мощность двух лазеров, скорость сварки, положение фокусной точки, угол сварочной головки, угол поворота двойных лучей на стыковом соединении и отклонение сварки. Параметры пластины включают размеры материала, производительность, обрезку кромок и зазор между пластинами. Мощность двух лазеров можно регулировать отдельно в зависимости от целей сварки.
Как правило, стабильный и эффективный процесс сварки может быть достигнут, когда фокус находится на поверхности тонкого листа. Угол сварочной головки обычно выбирают около 6 градусов. Если толщина двух пластин достаточно велика, можно принять положительный угол сварочной головки, т. е. лазер наклонен в сторону тонкой пластины, как показано на рисунке. Когда толщина пластины относительно мала, можно использовать отрицательный угол сварочной головки. Отклонение сварки определяется как расстояние между фокусом лазера и краем толстой пластины. Регулируя отклонение сварки, можно уменьшить вогнутость сварного шва и добиться хорошего поперечного сечения сварного шва.

При сварке пластин с большими зазорами эффективный диаметр нагрева луча можно увеличить, чтобы добиться хорошей способности к заполнению зазора, путем поворота угла двойного луча. Ширина вершины сварного шва определяется эффективным диаметром луча двух лазеров, то есть определяется углом поворота луча. Чем больше угол поворота, тем шире диапазон двухлучевого нагрева и шире верхняя ширина сварного шва. Два лазера играют разные роли в процессе сварки; один в основном используется для проникновения в шов, а другой в основном используется для плавления толстолистового материала для заполнения зазора. Как показано на рисунке ниже, при положительном угле поворота луча (передний луч воздействует на толстую пластину, задний луч воздействует на шов) передний луч падает на толстую пластину, нагревая и плавя материал, и происходит следующее: лазерный луч производит проплавление. Первый лазерный луч спереди может лишь частично расплавить толстую пластину, но он вносит значительный вклад в процесс сварки, поскольку он не только расплавляет боковую часть толстой пластины для лучшего заполнения зазора, но и предварительно соединяет материал соединения, облегчая проникновение следующего луча в соединение, тем самым повышая скорость сварки. При двухлучевой сварке с отрицательным углом поворота (передний луч воздействует на сварной шов, задний луч воздействует на толстую пластина), роли двух лучей прямо противоположны. Передняя балка проникает в стык, а задняя плавит толстую пластину, заполняя зазор.

В этом случае переднему лучу приходится проникать в холодную пластину, скорость сварки ниже, чем при положительном угле поворота луча. А из-за эффекта предварительного нагрева переднего луча следующий луч расплавит более толстый пластинчатый материал при той же мощности. В этом случае мощность второго лазерного луча должна быть соответствующим образом уменьшена. Для сравнения, использование положительного угла поворота луча может соответствующим образом увеличить скорость сварки, а использование отрицательного угла поворота луча может обеспечить лучшее заполнение зазора. На следующем изображении показано влияние различных углов поворота луча на поперечное сечение сварного шва.

3.4 Двухлучевая лазерная сварка толстых листов

С улучшением уровня мощности лазера и качества луча стало реальностью использовать лазерную сварку толстых листов. Однако из-за высокой стоимости мощных лазеров и общей необходимости заполнения металла при сварке толстых листов существуют определенные ограничения в реальном производстве. Использование технологии двухлучевой лазерной сварки не только повышает мощность лазера, но и увеличивает эффективный диаметр нагрева луча, повышает способность плавления присадочной проволоки и стабилизирует лазерную замочную скважину, улучшая стабильность сварки и тем самым улучшая качество сварки.