Спеціальна тема сучасної технології лазерного зварювання — двопроменеве лазерне зварювання Україна

Був запропонований метод двопроменевого зварювання, який в основному використовується для підвищення адаптивності зварювання лазером до точності складання, підвищення стабільності процесу зварювання і поліпшення якості зварювання, особливо для зварювання тонких листів і алюмінієвих сплавів.Двопроменеве лазерне зварювання може розділяти один і той же тип лазера на два окремих пучка для зварювання за допомогою оптичних методів або використовувати два різних типи лазерів для комбінування. CO2-лазери, Nd:YAG-лазери та потужні напівпровідникові лазери можна комбінувати один з одним.Змінюючи енергію променів, відстань між променями та навіть структуру розподілу енергії двох променів, температурне поле зварювання можна регулювати зручно та гнучко. Це змінює режим існування отворів і режим потоку рідкого металу в зварювальній ванні, забезпечуючи більш широкий вибір простору для процесу зварювання, який не має собі рівних з однопроменевим лазерним зварюванням. Він має не тільки переваги глибокого плавлення , швидка швидкість і висока точність лазерного зварювання, але він також має чудову адаптивність до матеріалів і з’єднань, які важко зварювати за допомогою звичайного лазерного зварювання.

1. Принцип двопроменевого лазерного зварювання

Двопроменеве зварювання означає використання двох лазерів одночасно в процесі зварювання. Розташування променя, відстань між променями, кут, утворений двома променями, позиція фокусування та співвідношення енергії двох променів є важливими параметрами налаштування при двопроменевому лазерному зварюванні. Зазвичай під час процесу зварювання, як правило, існує два способи організації подвійні промені. Як показано на малюнку, їх потрібно розташувати в ряд уздовж напрямку зварювання. Таке розташування може зменшити швидкість охолодження зварювальної ванни та зменшити тенденцію зміцнення зварного шва та утворення пористості. Інший полягає в тому, щоб розташувати або схрестити балки пліч-о-пліч з обох боків зварного шва, щоб збільшити адаптивність до зазору в зварному шві.

Для системи двопроменевого лазерного зварювання з послідовним розташуванням існує три різні механізми зварювання залежно від відстані між двома балками.

1) У зварювальному механізмі першого типу відстань між двома балками відносно велика. Один промінь має більш високу щільність енергії і фокусується на поверхні заготовки для створення замкової щілини під час зварювання; в той час як інший промінь має меншу щільність енергії і служить лише джерелом тепла для термічної обробки до або після зварюванняЦей зварювальний механізм дозволяє контролювати швидкість охолодження зварювальної ванни в певному діапазоні, що сприяє зварюванню матеріалів із високою чутливістю до розтріскування, таких як високовуглецева та легована сталь, а також покращує міцність зварювального матеріалу. зварний шов.

2）У другому типі зварювального механізму відстань між фокальними точками двох пучків відносно мала. Два балки створюють дві окремі замкові щілини в одній зварювальній ванні, викликаючи зміну структури течії розплавленого металу. Це допомагає запобігти дефектам наприклад підрізання та виступ зварного шва, покращуючи формування зварного шва.

3）У третьому типі зварювального механізму відстань між двома балками дуже мала, і в цей час, два пучки створюють однакову замкову щілину в зварювальній ванні. Порівняно з однопроменевим лазерним зварюванням, розмір цієї замкової щілини більший і менш імовірний для закриття, роблячи процес зварювання більш стабільним, а газ легше відводити. Це корисно для зменшення пористості, розбризкування та досягнення безперервного, однорідного та привабливого зварного шва.

Під час процесу зварювання два лазерні промені також можуть бути встановлені під певним кутом один до одного, а його механізм зварювання подібний до механізму паралельного двопроменевого зварювання. Експериментальні результати показали, що за допомогою двох потужних лазерних променів ОО під кутом 30° один до одного та на відстані 1–2 мм можна отримати замкову щілину у формі воронки. Замкова щілина більша та стабільніша, що може ефективно покращити якість зварювання. У реальних застосуваннях різні комбінації двох променів можна регулювати відповідно до різних умов зварювання для досягнення різних процесів зварювання.

2. Впровадження методу двопроменевого лазерного зварювання

Подвійні промені можна отримати шляхом поєднання двох різних лазерних променів або за допомогою оптичної системи поділу променів, щоб розділити один лазерний промінь на два для зварювання. Щоб розділити промінь на два різної потужності, паралельні лазери, дзеркало променів або можна використовувати деякі спеціальні оптичні системи. На малюнку показано два типи принципів поділу променя з використанням фокусуючої лінзи як розсіювача променя.

Крім того, рефлектор можна використовувати як дзеркало, що розділяє світло, причому останній рефлектор на оптичному шляху служить дільником променя. Цей тип рефлектора також відомий як гребневий рефлектор, його поверхня, що відбиває, не є однією площиною, а складається з двох площин. Лінія перетину двох поверхонь, що відбивають, розташована в середині дзеркала, нагадуючи виступ, як показано на малюнку. Паралельний пучок світла проектується на світлорозділювач і відбивається на два пучки двома площинами в різних кути. Ці промені освітлюють різні позиції на фокусуючій лінзі, і після фокусування на поверхні заготовки виходять два промені з певним інтервалом. Змінюючи кут між двома поверхнями, що відбивають, і положення гребеня, можна отримати світлороздільні промені з різним фокусним відстанню та методами розташування.

При використанні двох різних типів лазерних променів для формування подвійного променя існують різні методи комбінування. Високоякісний СО2-лазер із гауссовим розподілом енергії можна використовувати для первинної зварювальної роботи, а також напівпровідниковий лазер із прямокутним розподілом енергії для термічної обробки. Цей комбінований метод економічний, з одного боку, а з іншого, потужність двох променів можна регулювати незалежно. Для різних форм з’єднань регульоване температурне поле можна отримати, регулюючи положення перекриття лазера та напівпровідникового лазера, що дуже підходить для контролю процесу зварювання. Крім того, YAG-лазер і CO2-лазер можна об’єднати в подвійний промінь для зварювання, безперервний лазер і імпульсний лазер можна об’єднати для зварювання, а сфокусований промінь і розфокусований промінь також можна об’єднати для зварювання.

3. Принцип двопроменевого лазерного зварювання

3.1 Двопроменеве лазерне зварювання оцинкованого листа

Оцинкована сталь є найбільш часто використовуваним матеріалом в автомобільній промисловості. Температура плавлення сталі близько 1500°C, тоді як температура кипіння цинку становить лише 906°C. Таким чином, під час використання методу зварювання зазвичай утворюється велика кількість парів цинку, що спричиняє нестабільність процесу зварювання та утворення повітряних отворів у зварювальному шві. Для з’єднань внахлест випаровування оцинкованого шару відбувається не лише на верхньому та нижніх поверхнях, а також на межі з’єднань. Під час процесу зварювання пари цинку швидко розбризкуються з поверхні ванни розплаву в деяких областях, тоді як в інших областях парам цинку важко вийти з поверхні ванни розплаву, що призводить до дуже нестабільної якості зварювання.

Двопроменеве лазерне зварювання може вирішити проблеми якості зварювання, викликані парами цинку. Один метод полягає в контролі часу існування та швидкості охолодження розплавленої ванни шляхом розумного узгодження енергії двох пучків, що є корисним для виходу парів цинку; іншим методом є виділення парів цинку шляхом попереднього свердління або обробки канавок. Як показано на малюнку нижче, CO2-лазери використовуються для зварювання, а YAG-лазери на передній стороні CO2-лазера використовуються для свердління або вирізання канавок. Попередньо оброблені отвори або прорізи забезпечують шлях виходу пари цинку, що утворюється під час наступного зварювання, запобігаючи його залишанню в ємності розплаву та утворенню дефектів.

3.2 Двопроменеве лазерне зварювання алюмінієвого сплаву

У зв'язку з унікальними властивостями матеріалів алюмінієвих сплавів, лазерне зварювання представляє наступні труднощі: швидкість поглинання лазера алюмінієвими сплавами низька, початкова швидкість відбиття на поверхні променя CO2-лазера перевищує 90%; під час зварювання шви лазерного зварювання алюмінієвих сплавів схильні до пористості та тріщин; відбувається втрата елементів сплаву в процесі зварювання. Під час використання одного лазерного зварювання важко встановити замкові щілини, і їх непросто підтримувати стабільність. При використанні двопроменевого лазерного зварювання розмір замкової щілини може бути збільшений, що ускладнює закриття замкової щілини та полегшує газ вихлоп. У той же час він може зменшити швидкість охолодження, зменшуючи появу пор і зварювальних тріщин. Оскільки процес зварювання більш стабільний і кількість бризок зменшена, формування поверхні зварного шва, отриманого двопроменевим зварюванням алюмінієвих сплавів, також значно краще, ніж однопроменеве зварювання. На малюнку нижче показано зовнішній вигляд стикових з’єднань алюмінієвих сплавів товщиною 3 мм, зварених одним і двома лазерними променями CO2.

Дослідження показують, що при зварюванні алюмінієвого сплаву серії 2 товщиною 5000 мм процес є відносно стабільним, коли відстань між двома балками становить 0.6–1.0 мм. Отриманий отвір замкової щілини є більшим, що сприяє випаровуванню та виходу магнієвих елементів під час процесу зварювання. Якщо відстань між двома балками занадто мала, процес буде схожий на однопроменеве зварювання та не буде стабільним; якщо відстань занадто велика, це вплине на глибину проплавлення зварювання, як показано на малюнку нижче. Крім того, співвідношення енергії двох променів також має значний вплив на якість зварювання. Коли два пучки розташовані послідовно для зварювання на відстані 0.9 мм, корисно відповідним чином збільшити енергію попереднього променя, зробивши співвідношення енергії двох пучків більшим ніж 1:1. Це допомагає покращити якість зварного шва, збільшити площу плавлення та все одно досягти гладких та естетично привабливих зварних швів навіть на вищих швидкостях зварювання.

3.3 Двопроменеве зварювання пластин різної товщини

У промисловому виробництві часто доводиться зварювати два або більше металевих листів різної товщини та форми, щоб отримати зрощений лист. Особливо у виробництві автомобілів застосування зрощених листів набуває все більшого поширення.
Зварюючи листи з різними специфікаціями, поверхневими покриттями або характеристиками, можна збільшити міцність, зменшити споживання та зменшити вагу. При зварюванні пластин, як правило, використовують лазерне зварювання пластин різної товщини. Основною проблемою є необхідність попереднього виготовлення заготовок для зварювання з високоточними кромками та забезпечення високої точності складання. Використання зварювання подвійним променем для пластин різної товщини може адаптуватися до різних зазорів, деталей стикування, відносної товщини та матеріалу відмінності аркушів. Він може зварювати листи з більшими допусками на краї та зазори, покращуючи швидкість зварювання та якість зварювання.

Основні параметри процесу зварювання подвійним променем для пластин різної товщини можна розділити на параметри зварювання та параметри пластини, як показано на малюнку. Параметри зварювання включають потужність двох лазерів, швидкість зварювання, положення фокусної точки, кут зварювальної головки, кут повороту подвійних пучків на стиковому з’єднанні та відхилення зварювання. Параметри пластини включають розміри матеріалу, продуктивність, обрізку країв і зазор між пластинами. Потужність двох лазерів можна регулювати окремо відповідно до різних цілей зварювання.
Як правило, стабільний і ефективний процес зварювання може бути досягнутий, коли фокусна точка знаходиться на поверхні тонкого листа. Кут зварювальної головки зазвичай вибирають близько 6 градусів. Якщо товщина двох пластин досить велика, можна прийняти позитивний кут зварювальної головки, тобто лазер нахиляється до тонкої пластини, як показано на малюнку. Коли товщина пластини відносно мала, можна використовувати негативний кут зварювальної головки. Відхилення зварювання визначається як відстань між фокусною точкою лазера та краєм товстої пластини. Регулюючи зварювальне відхилення, увігнутість зварного шва можна зменшити для досягнення хорошого поперечного перерізу зварного шва.

При зварюванні пластин із великими зазорами ефективний діаметр нагріву променя можна збільшити, щоб досягти хорошої здатності заповнення зазору шляхом обертання подвійного кута променя. Ширина верхньої частини зварного шва визначається ефективним діаметром променя двох лазерів, тобто визначається кутом повороту променя. Чим більший кут повороту, тим ширший діапазон нагріву подвійного променя, а також ширша верхня ширина зварювального шва. Два лазери відіграють різні ролі під час процесу зварювання; один в основному використовується для проникнення в суглоб, а інший в основному використовується для розплавлення товстого пластинчастого матеріалу для заповнення щілини. Як показано на малюнку нижче, під позитивним кутом повороту променя (передній промінь діє на товсту пластину, задній промінь діє на шов), передній промінь падає на товсту пластину, нагріваючи та плавлячи матеріал, і наступне лазерний промінь забезпечує проникнення. Перший лазерний промінь спереду може лише частково розплавити товсту пластину, але він робить значний внесок у процес зварювання, оскільки він не лише розплавляє бік товстої пластини для кращого заповнення зазору, але й попередньо з’єднує матеріал з’єднання, полегшуючи наступному пучку проникнення в з’єднання, тим самим підвищуючи швидкість зварювання. При двопроменевому зварюванні з від’ємним кутом повороту (передній промінь діє на зварний шов, задній – на товстий). плита), ролі двох променів просто протилежні. Передня балка проникає в стик, а задня балка розплавляє товсту пластину, щоб заповнити щілину.

У цьому випадку передній промінь повинен пройти через холодну пластину, швидкість зварювання нижча, ніж при позитивному куті повороту променя. І, завдяки ефекту попереднього нагріву переднього променя, наступний промінь буде розплавляти більш товстий пластинчастий матеріал з тією ж потужністю. У цьому випадку потужність другого лазерного променя повинна бути відповідно зменшена. Для порівняння, прийняття позитивного кута повороту променя може відповідним чином збільшити швидкість зварювання, тоді як прийняття негативного кута повороту променя може досягти кращого заповнення зазору. На наступному зображенні показано вплив різних кутів повороту променя на поперечний переріз зварного шва.

3.4 Двопроменеве лазерне зварювання товстих листів

З підвищенням рівня потужності лазера та якості променя стало реальністю використовувати лазерне зварювання для товстих пластин. Однак через високу вартість високопотужних лазерів і загальну потребу в металевому наповненні при зварюванні товстих листів існують певні обмеження у фактичному виробництві. Використання технології двопроменевого лазерного зварювання не тільки покращує потужність лазера, але й збільшує ефективний діаметр нагріву променя, покращує здатність розплавляти присадковий дріт і стабілізує замкову щілину лазера, покращуючи стабільність зварювання та, таким чином, покращуючи якість зварювання.