В сравнение с традиционната технология за заваряване,лазерно заваряванеима несравними предимства в точността на заваряване, ефективността, надеждността, автоматизацията и други аспекти. През последните години се развива бързо в областта на автомобилостроенето, енергетиката, електрониката и други области и се счита за една от най-обещаващите производствени технологии през 21-ви век.
1. Общ преглед на двойната гредалазерно заваряване
Двойна гредалазерно заваряванее да се използват оптични методи за разделяне на един и същ лазер на два отделни светлинни лъча за заваряване или да се използват два различни вида лазери за комбиниране, като например CO2 лазер, Nd:YAG лазер и високомощен полупроводников лазер. Всички те могат да се комбинират. Предложението е основно за решаване на проблема с адаптивността на лазерното заваряване към точността на сглобяване, подобряване на стабилността на процеса на заваряване и подобряване на качеството на заварката. Двулъчево заваряванелазерно заваряванеможе удобно и гъвкаво да регулира температурното поле на заваряване, като променя съотношението на енергията на лъча, разстоянието между лъчите и дори модела на разпределение на енергията на двата лазерни лъча, променяйки модела на съществуване на ключовия отвор и модела на потока на течния метал в разтопената вана. Осигурява по-широк избор от заваръчни процеси. Той не само има предимствата на големиялазерно заваряванепроникване, бърза скорост и висока прецизност, но е подходящ и за материали и съединения, които са трудни за заваряване с конвенционалнилазерно заваряване.
За двойна гредалазерно заваряванеПърво ще обсъдим методите за внедряване на двулъчев лазер. Обширната литература показва, че има два основни начина за постигане на двулъчево заваряване: фокусиране чрез пропускане и фокусиране чрез отражение. По-конкретно, единият се постига чрез регулиране на ъгъла и разстоянието между два лазера чрез фокусиращи огледала и колимиращи огледала. Другият се постига чрез използване на лазерен източник и след това фокусиране чрез отразяващи огледала, пропускателни огледала и клиновидни огледала за постигане на двойни лъчи. За първия метод има основно три форми. Първата форма е свързването на два лазера чрез оптични влакна и разделянето им на два различни лъча под едно и също колимиращо огледало и фокусиращо огледало. Втората е, че два лазера излъчват лазерни лъчи през съответните си заваръчни глави, а двоен лъч се формира чрез регулиране на пространственото положение на заваръчните глави. Третият метод е, че лазерният лъч първо се разделя през две огледала 1 и 2 и след това се фокусира съответно от две фокусиращи огледала 3 и 4. Позицията и разстоянието между двете фокални точки могат да се регулират чрез регулиране на ъглите на двете фокусиращи огледала 3 и 4. Вторият метод е да се използва твърдотелен лазер за разделяне на светлината, за да се постигнат двойни лъчи, и да се регулират ъгълът и разстоянието чрез перспективно огледало и фокусиращо огледало. Последните две снимки в първия ред по-долу показват спектроскопската система на CO2 лазер. Плоското огледало е заменено с клиновидно огледало и е поставено пред фокусиращото огледало, за да се раздели светлината и да се постигне двоен паралелен лъч.
След като разберем прилагането на двойните греди, нека накратко представим принципите и методите на заваряване. В двойната гредалазерно заваряванеВ процеса на серийно заваряване има три често срещани варианта на разположение на лъча, а именно серийно разположение, паралелно разположение и хибридно разположение. плат, т.е. има разстояние както в посоката на заваряване, така и във вертикалната посока на заваряване. Както е показано на последния ред на фигурата, в зависимост от различните форми на малки отвори и разтопени вани, които се появяват под различно разстояние между точките по време на процеса на серийно заваряване, те могат да бъдат допълнително разделени на единични стопилки. Има три състояния: вана, обща разтопена вана и отделена разтопена вана. Характеристиките на единичната разтопена вана и отделената разтопена вана са подобни на тези на единичните стопилки.лазерно заваряване, както е показано на диаграмата за числена симулация. Има различни процеси за различните типове.
Тип 1: При определено разстояние между точките, два лъча образуват общ голям отвор в една и съща разтопена вана; за тип 1 се съобщава, че единият лъч светлина се използва за създаване на малък отвор, а другият лъч светлина се използва за заваръчна термична обработка, което може ефективно да подобри структурните свойства на високовъглеродна стомана и легирана стомана.
Тип 2: Увеличаване на разстоянието между точките в една и съща разтопена вана, разделяне на двата лъча в два независими отвора и промяна на модела на потока на разтопената вана; за тип 2 функцията му е еквивалентна на двуелектроннолъчево заваряване, намалява пръските от заварката и неравномерните заварки при подходящо фокусно разстояние.
Тип 3: Допълнително увеличаване на разстоянието между точките и промяна на енергийното съотношение на двата лъча, така че единият от двата лъча да се използва като източник на топлина за извършване на предварителна или последваща заваръчна обработка по време на процеса на заваряване, а другият лъч да се използва за генериране на малки отвори. За тип 3 проучването установи, че двата лъча образуват ключалка, малкият отвор не се свива лесно и заваръчният шев не е лесен за образуване на пори.
2. Влиянието на заваръчния процес върху качеството на заваряване
Влияние на съотношението на серийния лъч и енергията върху образуването на заваръчния шев
Когато мощността на лазера е 2kW, скоростта на заваряване е 45 mm/s, степента на разфокусиране е 0 mm и разстоянието между лъчите е 3 mm, формата на заваръчната повърхност при промяна на RS (RS= 0.50, 0.67, 1.50, 2.00) е както е показано на фигурата. Когато RS=0.50 и 2.00, заваръчният шев е вдлъбнат в по-голяма степен и има повече пръски по ръба на заваръчния шев, без да се образуват правилни шарки на рибена люспа. Това е така, защото когато съотношението на енергията на лъча е твърде малко или твърде голямо, лазерната енергия е твърде концентрирана, което води до по-сериозно трептене на лазерния отвор по време на процеса на заваряване, а налягането на отката на парата причинява изхвърляне и пръскане на разтопения метал в разтопения шев; Прекомерното подаване на топлина води до твърде голяма дълбочина на проникване на разтопения шев от страната на алуминиевата сплав, причинявайки вдлъбване под действието на гравитацията. Когато RS=0,67 и 1,50, шарката „рибешка люспа“ върху повърхността на заваръчния шев е равномерна, формата на заваръчния шев е по-красива и няма видими горещи пукнатини, пори и други дефекти на заваряването. Формите на напречното сечение на заваръчните шевове с различни съотношения на енергията на лъча RS са показани на фигурата. Напречното сечение на заваръчните шевове е в типична форма на „чаша за вино“, което показва, че процесът на заваряване се извършва в режим на лазерно дълбоко проникване. RS има важно влияние върху дълбочината на проникване P2 на заваръчния шев от страната на алуминиевата сплав. Когато съотношението на енергията на лъча RS=0,5, P2 е 1203,2 микрона. Когато съотношението на енергията на лъча е RS=0,67 и 1,5, P2 е значително намалено, като те са съответно 403,3 микрона и 93,6 микрона. Когато съотношението на енергията на лъча е RS=2, дълбочината на проникване на заваръчния шев в напречното сечение на съединението е 1151,6 микрона.
Влияние на съотношението на паралелния лъч и енергията върху образуването на заваръчния шев
Когато мощността на лазера е 2,8 kW, скоростта на заваряване е 33 мм/сек, степента на разфокусиране е 0 мм и разстоянието между лъчите е 1 мм, заваръчната повърхност се получава чрез промяна на съотношението на енергията на лъча (RS=0,25, 0,5, 0,67, 1,5, 2, 4). Външният вид е показан на фигурата. Когато RS=2, шарката „рибешка люспа“ върху повърхността на заваръчния шев е сравнително неравна. Повърхността на заваръчния шев, получена чрез другите пет различни съотношения на енергията на лъча, е добре оформена и няма видими дефекти като пори и пръски. Следователно, в сравнение със серийните двулъчеви...лазерно заваряване, повърхността на заварката, използваща паралелни двойни лъчи, е по-равномерна и красива. Когато RS=0.25, има лека вдлъбнатина в заварката; с постепенното увеличаване на съотношението на енергията на лъча (RS=0.5, 0.67 и 1.5), повърхността на заварката е равномерна и не се образува вдлъбнатина; когато обаче съотношението на енергията на лъча се увеличи допълнително (RS=1.50, 2.00), все още има вдлъбнатини по повърхността на заварката. Когато съотношението на енергията на лъча RS=0.25, 1.5 и 2, формата на напречното сечение на заварката е „с форма на чаша за вино“; когато RS=0.50, 0.67 и 1, формата на напречното сечение на заварката е „фуниевидна“. Когато RS=4, не само се образуват пукнатини в долната част на заварката, но и се образуват някои пори в средната и долната част на заварката. Когато RS=2, вътре в заварката се появяват големи технологични пори, но не се появяват пукнатини. Когато RS=0.5, 0.67 и 1.5, дълбочината на проникване P2 на заваръчния шев от страната на алуминиевата сплав е по-малка, а напречното сечение на заваръчния шев е добре оформено и не се образуват очевидни дефекти при заваряване. Това показва, че съотношението на енергията на лъча по време на паралелно двулъчево лазерно заваряване също има важно влияние върху проникването на заваръчния шев и дефектите при заваряване.
Паралелен лъч – влияние на разстоянието между лъчите върху образуването на заваръчния шев
Когато мощността на лазера е 2,8 kW, скоростта на заваряване е 33 мм/сек, степента на разфокусиране е 0 мм и съотношението на енергията на лъча RS=0,67, променете разстоянието между лъчите (d=0,5 мм, 1 мм, 1,5 мм, 2 мм), за да получите морфологията на заваръчната повърхност, както е показано на снимката. Когато d=0,5 мм, 1 мм, 1,5 мм, 2 мм, повърхността на заваръчния шев е гладка и равна, а формата е красива; шарката „рибешка люспа“ на заваръчния шев е правилна и красива и няма видими пори, пукнатини и други дефекти. Следователно, при условия на разстояние между четирите лъча, заваръчната повърхност е добре оформена. Освен това, когато d=2 мм, се образуват два различни заваръчни шева, което показва, че двата успоредни лазерни лъча вече не действат върху разтопена вана и не могат да образуват ефективно хибридно лазерно заваряване с два лъча. Когато разстоянието между лъчите е 0,5 мм, заварката е с форма на фуния, дълбочината на проникване P2 на заварката от страната на алуминиевата сплав е 712,9 микрона и няма пукнатини, пори и други дефекти вътре в заварката. С увеличаване на разстоянието между лъчите, дълбочината на проникване P2 на заварката от страната на алуминиевата сплав намалява значително. Когато разстоянието между лъчите е 1 мм, дълбочината на проникване на заварката от страната на алуминиевата сплав е само 94,2 микрона. С по-нататъшното увеличаване на разстоянието между лъчите, заварката не образува ефективно проникване от страната на алуминиевата сплав. Следователно, когато разстоянието между лъчите е 0,5 мм, ефектът на двулъчева рекомбинация е най-добър. С увеличаване на разстоянието между лъчите, вложената топлина при заваряване намалява рязко и ефектът на двулъчева лазерна рекомбинация постепенно се влошава.
Разликата в морфологията на заваръчния шев се дължи на различния поток и охлаждане и втвърдяване на разтопената вана по време на процеса на заваряване. Методът на числено симулиране може не само да направи анализа на напрежението на разтопената вана по-интуитивен, но и да намали експерименталните разходи. Фигурата по-долу показва промените в страничната разтопена вана с един лъч, различни подредби и разстояние между точките. Основните заключения включват: (1) По време на заваряването с един лъчлазерно заваряванеВ процеса на работа, дълбочината на отвора на разтопения басейн е най-голяма, наблюдава се феномен на срутване на отвора, стената на отвора е неравномерна и разпределението на полето на потока близо до стената на отвора е неравномерно; близо до задната повърхност на разтопения басейн преливникът е силен и има преливник нагоре на дъното на разтопения басейн; разпределението на полето на потока на повърхността на разтопения басейн е относително равномерно и бавно, а ширината на разтопения басейн е неравномерна по посока на дълбочината. Има смущения, причинени от налягането на отката на стената в разтопения басейн между малките отвори в двойната греда.лазерно заваряване, и винаги съществува по посока на дълбочината на малките отвори. С увеличаването на разстоянието между двата лъча, енергийната плътност на лъча постепенно преминава от състояние с единичен пик към състояние с два пика. Между двата пика има минимална стойност и енергийната плътност постепенно намалява. (2) За двоен лъчлазерно заваряване, когато разстоянието между точките е 0-0,5 мм, дълбочината на малките отвори в разтопения басейн намалява леко и общото поведение на потока в разтопения басейн е подобно на това при еднолъчевия лъчлазерно заваряване; когато разстоянието между точките е над 1 мм, малките отвори са напълно разделени и по време на процеса на заваряване почти няма взаимодействие между двата лазера, което е еквивалентно на две последователни/две паралелни еднолъчеви лазерни заварки с мощност 1750 W. Почти няма ефект на предварително нагряване и поведението на потока на разтопената вана е подобно на това при еднолъчево лазерно заваряване. (3) Когато разстоянието между точките е 0,5-1 мм, повърхността на стената на малките отвори е по-плоска и при двете подредби, дълбочината на малките отвори постепенно намалява и дъното постепенно се разделя. Смущенията между малките отвори и потока на повърхността на разтопената вана са най-силни при 0,8 мм. При серийно заваряване дължината на разтопената вана постепенно се увеличава, ширината е най-голяма, когато разстоянието между точките е 0,8 мм, а ефектът на предварително нагряване е най-очевиден, когато разстоянието между точките е 0,8 мм. Ефектът на силата на Марангони постепенно отслабва и повече метална течност тече от двете страни на разтопената вана. Това прави разпределението на ширината на стопилката по-равномерно. При паралелно заваряване ширината на разтопения басейн постепенно се увеличава, а дължината е максимална при 0,8 мм, но няма ефект на предварително нагряване; претопяването близо до повърхността, причинено от силата на Марангони, винаги съществува, а претопяването надолу в дъното на малкия отвор постепенно изчезва; полето на напречното сечение на потока не е толкова добро, колкото при последователно заваряване. То е силно, смущенията почти не влияят на потока от двете страни на разтопения басейн, а ширината на разтопенията е неравномерно разпределена.
Време на публикуване: 12 октомври 2023 г.
