Предлага се методът на двулъчево заваряване, главно за решаване на проблема с адаптивностталазерно заваряванеза точност на сглобяване, подобряване на стабилността на процеса на заваряване и подобряване на качеството на заварката, особено при заваряване на тънки плочи и заваряване на алуминиеви сплави. Двулъчевото лазерно заваряване може да използва оптични методи за разделяне на един и същ лазер на два отделни светлинни лъча за заваряване. Може също така да се комбинират два различни вида лазери - CO2 лазер, Nd:YAG лазер и високомощен полупроводников лазер. Чрез промяна на енергията на лъча, разстоянието между лъчите и дори схемата на разпределение на енергията на двата лъча, температурното поле на заваряване може да се регулира удобно и гъвкаво, променяйки схемата на наличие на отвори и схемата на потока на течния метал в разтопената вана, осигурявайки по-добро решение за процеса на заваряване. Огромното пространство от възможности е несравнимо с еднолъчевото лазерно заваряване. То не само има предимствата на голямо проникване на лазерното заваряване, бърза скорост и висока прецизност, но също така има голяма адаптивност към материали и съединения, които са трудни за заваряване с конвенционално лазерно заваряване.
Принцип надвулъчево лазерно заваряване
Двулъчевото заваряване означава едновременно използване на два лазерни лъча по време на процеса на заваряване. Разположението на лъчите, разстоянието между тях, ъгълът между двата лъча, позицията на фокусиране и енергийното съотношение на двата лъча са важни параметри при двулъчевото лазерно заваряване. Обикновено по време на процеса на заваряване има два начина за разполагане на двойните лъчи. Както е показано на фигурата, единият е разположен последователно по посока на заваряване. Това разположение може да намали скоростта на охлаждане на разтопената вана. Намалява склонността на заваряване към закаляване и образуването на пори. Другият е да се разполагат един до друг или напречно от двете страни на заварката, за да се подобри адаптивността към заваръчната празнина.
Принцип на двулъчево лазерно заваряване
Двулъчевото заваряване означава едновременно използване на два лазерни лъча по време на процеса на заваряване. Разположението на лъчите, разстоянието между тях, ъгълът между двата лъча, позицията на фокусиране и енергийното съотношение на двата лъча са важни параметри при двулъчевото лазерно заваряване. Обикновено по време на процеса на заваряване има два начина за разполагане на двойните лъчи. Както е показано на фигурата, единият е разположен последователно по посока на заваряване. Това разположение може да намали скоростта на охлаждане на разтопената вана. Намалява склонността на заваряване към закаляване и образуването на пори. Другият е да се разполагат един до друг или напречно от двете страни на заварката, за да се подобри адаптивността към заваръчната празнина.
За тандемно разположена двулъчева лазерна заваръчна система има три различни механизма на заваряване в зависимост от разстоянието между предния и задния лъч, както е показано на фигурата по-долу.
1. При първия тип заваръчен механизъм разстоянието между двата светлинни лъча е сравнително голямо. Единият светлинен лъч има по-голяма енергийна плътност и е фокусиран върху повърхността на детайла, за да образува отвори в заварката; другият светлинен лъч има по-малка енергийна плътност. Използва се само като източник на топлина за термична обработка преди или след заваряване. С този заваръчен механизъм скоростта на охлаждане на заваръчната вана може да се контролира в определен диапазон, което е полезно за заваряване на някои материали с висока чувствителност към пукнатини, като например високовъглеродна стомана, легирана стомана и др., а също така може да подобри жилавостта на заваръчния шев.
2. При втория тип заваръчен механизъм, фокусното разстояние между двата светлинни лъча е сравнително малко. Двата светлинни лъча създават два независими отвора в заваръчната вана, което променя модела на потока на течния метал и помага за предотвратяване на заклинване. Това може да елиминира появата на дефекти като ръбове и издутини на заваръчните шевове и да подобри образуването на заваръчния шев.
3. При третия тип заваръчен механизъм разстоянието между двата светлинни лъча е много малко. В този момент двата светлинни лъча образуват един и същ отвор в заваръчната вана. В сравнение с еднолъчевото лазерно заваряване, тъй като размерът на отвора става по-голям и не е лесно да се затвори, процесът на заваряване е по-стабилен и газът се освобождава по-лесно, което е от полза за намаляване на порите и пръските и получаване на непрекъснати, равномерни и красиви заварки.
По време на процеса на заваряване, двата лазерни лъча могат да бъдат разположени под определен ъгъл един спрямо друг. Механизмът на заваряване е подобен на паралелния механизъм за двойно лъчево заваряване. Резултатите от тестовете показват, че чрез използване на два мощни лазерни лъча (OO) с ъгъл от 30° един спрямо друг и разстояние от 1~2 мм, лазерният лъч може да получи фуниевидна форма на ключалката. Размерът на ключалката е по-голям и по-стабилен, което може ефективно да подобри качеството на заваряване. В практически приложения взаимната комбинация на двата светлинни лъча може да се променя в зависимост от различните условия на заваряване, за да се постигнат различни процеси на заваряване.
6. Метод за изпълнение на двулъчево лазерно заваряване
Получаването на двойни лъчи може да се постигне чрез комбиниране на два различни лазерни лъча или един лазерен лъч може да бъде разделен на два лазерни лъча за заваряване, използвайки оптична спектрометрична система. За да се раздели светлинен лъч на два паралелни лазерни лъча с различна мощност, може да се използва спектроскоп или някаква специална оптична система. Фигурата показва две схематични диаграми на принципите на разделяне на светлината, използващи фокусиращи огледала като разделители на лъча.
Освен това, рефлекторът може да се използва и като разделител на лъча, а последният рефлектор в оптичния път може да се използва като разделител на лъча. Този тип рефлектор се нарича още рефлектор тип „покривен“. Неговата отразяваща повърхност не е плоска, а се състои от две равнини. Линията на пресичане на двете отразяващи повърхности е разположена в средата на огледалната повърхност, подобно на билото на покрива, както е показано на фигурата. Лъч от успоредна светлина пада върху спектроскопа, отразява се от две равнини под различни ъгли, за да образува два лъча светлина, и пада върху различни позиции на фокусиращото огледало. След фокусиране се получават два лъча светлина на определено разстояние върху повърхността на детайла. Чрез промяна на ъгъла между двете отразяващи повърхности и позицията на покрива могат да се получат разделени светлинни лъчи с различни фокусни разстояния и разположение.
При използване на два различни видалазерни лъчи tЗа да се образува двоен лъч, има много комбинации. За основната заваръчна работа може да се използва висококачествен CO2 лазер с Гаусово разпределение на енергията, а полупроводников лазер с правоъгълно разпределение на енергията може да се използва за подпомагане на работата по термична обработка. От една страна, тази комбинация е по-икономична. От друга страна, мощността на двата светлинни лъча може да се регулира независимо. За различни форми на съединение може да се получи регулируемо температурно поле чрез регулиране на позицията на припокриване на лазера и полупроводниковия лазер, което е много подходящо за заваряване. Контрол на процеса. Освен това, YAG лазерът и CO2 лазерът могат да се комбинират в двоен лъч за заваряване, непрекъснат лазер и импулсен лазер могат да се комбинират за заваряване, а фокусиран лъч и дефокусиран лъч също могат да се комбинират за заваряване.
7. Принцип на двулъчево лазерно заваряване
3.1 Двулъчево лазерно заваряване на поцинковани листове
Поцинкованата стоманена ламарина е най-често използваният материал в автомобилната индустрия. Точката на топене на стоманата е около 1500°C, докато точката на кипене на цинка е само 906°C. Следователно, при използване на метода на заваряване чрез стопяване обикновено се генерира голямо количество цинкови пари, което води до нестабилност на процеса на заваряване, образувайки пори в заваръчния шев. При припокриващите съединения изпаряването на поцинкования слой се случва не само на горната и долната повърхност, но и на повърхността на съединението. По време на процеса на заваряване цинковите пари бързо се изхвърлят от повърхността на разтопената вана в някои области, докато в други области е трудно за цинковите пари да излязат от разтопената вана. На повърхността на вана качеството на заваряване е много нестабилно.
Двулъчевото лазерно заваряване може да реши проблемите с качеството на заваряване, причинени от цинкови пари. Единият метод е да се контролира времето на съществуване и скоростта на охлаждане на разтопената вана чрез разумно съгласуване на енергията на двата лъча, за да се улесни излизането на цинковите пари; другият метод е освобождаване на цинковите пари чрез предварително пробиване или нарязване на канали. Както е показано на Фигура 6-31, за заваряване се използва CO2 лазер. YAG лазерът е пред CO2 лазера и се използва за пробиване на отвори или изрязване на канали. Предварително обработените отвори или канали осигуряват път за излизане на цинковите пари, генерирани по време на последващото заваряване, предотвратявайки тяхното задържане в разтопената вана и образуване на дефекти.
3.2 Двулъчево лазерно заваряване на алуминиева сплав
Поради специалните характеристики на алуминиевите сплави, съществуват следните трудности при използването на лазерно заваряване [39]: алуминиевата сплав има нисък коефициент на поглъщане на лазера, а началната отражателна способност на повърхността на CO2 лазерния лъч надвишава 90%; лазерните заваръчни шевове на алуминиевите сплави са лесни за образуване на порьозност, пукнатини; изгаряне на елементи от сплавта по време на заваряване и др. При използване на еднолъчево лазерно заваряване е трудно да се установи отворът за ключалката и да се поддържа стабилност. Двулъчевото лазерно заваряване може да увеличи размера на отвора за ключалката, което затруднява затварянето му, което е благоприятно за газовия разряд. То може също да намали скоростта на охлаждане и да намали появата на пори и пукнатини при заваряване. Тъй като процесът на заваряване е по-стабилен и количеството на пръските е намалено, формата на заваръчната повърхност, получена чрез двулъчево заваряване на алуминиеви сплави, също е значително по-добра от тази при еднолъчево заваряване. Фигура 6-32 показва външния вид на заваръчния шев при челно заваряване на алуминиева сплав с дебелина 3 мм, използвайки еднолъчево и двулъчево лазерно заваряване с CO2.
Изследванията показват, че при заваряване на алуминиева сплав серия 5000 с дебелина 2 мм, когато разстоянието между двата лъча е 0,6~1,0 мм, процесът на заваряване е относително стабилен и образуваният отвор за ключалка е по-голям, което благоприятства изпаряването и излизането на магнезий по време на процеса на заваряване. Ако разстоянието между двата лъча е твърде малко, процесът на заваряване на един лъч няма да бъде стабилен. Ако разстоянието е твърде голямо, проникването на заварката ще бъде засегнато, както е показано на Фигура 6-33. Освен това, енергийното съотношение на двата лъча също оказва голямо влияние върху качеството на заваряване. Когато двата лъча с разстояние 0,9 мм са подредени последователно за заваряване, енергията на предишния лъч трябва да се увеличи съответно, така че енергийното съотношение на двата лъча преди и след това да е по-голямо от 1:1. Полезно е да се подобри качеството на заваръчния шев, да се увеличи площта на топене и същевременно да се получи гладък и красив заваръчен шев, когато скоростта на заваряване е висока.
3.3 Двулъчево заваряване на плочи с неравна дебелина
В промишленото производство често е необходимо да се заваряват две или повече метални плочи с различна дебелина и форма, за да се образува снаждана плоча. Особено в автомобилното производство, приложението на заварени по поръчка заготовки става все по-широко разпространено. Чрез заваряване на плочи с различни спецификации, повърхностни покрития или свойства може да се увеличи якостта, да се намалят консумативите и да се намали качеството. Лазерното заваряване на плочи с различна дебелина обикновено се използва при заваряване на панели. Основен проблем е, че плочите, които ще се заваряват, трябва да бъдат предварително оформени с високопрецизни ръбове и да се осигури високопрецизен монтаж. Използването на двулъчево заваряване на плочи с неравна дебелина може да се адаптира към различни промени в фугите на плочите, челните съединения, относителните дебелини и материалите на плочите. То може да заварява плочи с по-големи допуски на ръбове и фуги и да подобри скоростта на заваряване и качеството на заварката.
Основните параметри на процеса на заваряване на плочи с неравна дебелина в Shuangguangdong могат да бъдат разделени на параметри на заваряване и параметри на плочата, както е показано на фигурата. Параметрите на заваряване включват мощността на двата лазерни лъча, скоростта на заваряване, позицията на фокуса, ъгъла на заваръчната глава, ъгъла на завъртане на лъча на челното съединение на двойната греда и отместването на заваряването и др. Параметрите на плочата включват размер на материала, производителност, условия на подрязване, фуги на плочата и др. Мощността на двата лазерни лъча може да се регулира отделно според различните цели на заваряване. Позицията на фокуса обикновено се намира върху повърхността на тънката плоча, за да се постигне стабилен и ефективен процес на заваряване. Ъгълът на заваръчната глава обикновено се избира около 6. Ако дебелината на двете плочи е сравнително голяма, може да се използва положителен ъгъл на заваръчната глава, т.е. лазерът е наклонен към тънката плоча, както е показано на фигурата; когато дебелината на плочата е сравнително малка, може да се използва отрицателен ъгъл на заваръчната глава. Отместването на заваряването се определя като разстоянието между фокуса на лазера и ръба на дебелата плоча. Чрез регулиране на отместването на заваряването може да се намали количеството на вдлъбнатината на заварката и да се получи добро напречно сечение на заварката.
При заваряване на плочи с големи фуги, можете да увеличите ефективния диаметър на нагряване на лъча чрез завъртане на двойния ъгъл на лъча, за да постигнете добри възможности за запълване на фугите. Ширината на горната част на заваръчния шев се определя от ефективния диаметър на лъча на двата лазерни лъча, т.е. ъгълът на въртене на лъча. Колкото по-голям е ъгълът на въртене, толкова по-широк е обхватът на нагряване на двойния лъч и толкова по-голяма е ширината на горната част на заваръчния шев. Двата лазерни лъча играят различни роли в процеса на заваряване. Единият се използва главно за проникване в шева, докато другият се използва главно за разтопяване на дебелия листов материал, за да запълни фугите. Както е показано на Фигура 6-35, под положителен ъгъл на въртене на лъча (предният лъч действа върху дебелата плоча, задният лъч действа върху заваръчния шев), предният лъч пада върху дебелата плоча, за да нагрее и разтопи материала, а следващият лазерен лъч създава проникване. Първият лазерен лъч отпред може само частично да разтопи дебелата плоча, но допринася значително за процеса на заваряване, тъй като не само разтопля страната на дебелата плоча за по-добро запълване на празнината, но и предварително съединява материала на фугата, така че следващите лъчи да са по-лесни за заваряване през фугите, което позволява по-бързо заваряване. При двулъчево заваряване с отрицателен ъгъл на завъртане (предният лъч действа върху заваръчния шев, а задният лъч върху дебелата плоча), двата лъча имат точно обратен ефект. Първият лъч разтопля фугата, а вторият лъч разтопля дебелата плоча, за да я запълни. В този случай, предният лъч е необходим за заваряване през студената плоча и скоростта на заваряване е по-бавна, отколкото при използване на положителен ъгъл на завъртане на лъча. И поради ефекта на предварителното нагряване на предишния лъч, вторият лъч ще разтопи повече материал от дебела плоча при същата мощност. В този случай, мощността на втория лазерен лъч трябва да бъде съответно намалена. За сравнение, използването на положителен ъгъл на завъртане на лъча може съответно да увеличи скоростта на заваряване, а използването на отрицателен ъгъл на завъртане на лъча може да постигне по-добро запълване на празнината. Фигура 6-36 показва влиянието на различните ъгли на завъртане на лъча върху напречното сечение на заваръчния шев.
3.4 Двулъчево лазерно заваряване на големи дебели плочи С подобряването на нивото на мощност на лазера и качеството на лъча, лазерното заваряване на големи дебели плочи се превърна в реалност. Тъй като обаче високомощните лазери са скъпи и заваряването на големи дебели плочи обикновено изисква добавъчен метал, съществуват определени ограничения в реалното производство. Използването на технология за двулъчево лазерно заваряване може не само да увеличи мощността на лазера, но и да увеличи ефективния диаметър на нагряване на лъча, да увеличи способността за разтопяване на добавъчна тел, да стабилизира лазерния отвор, да подобри стабилността на заваряването и да подобри качеството на заваряване.
Време на публикуване: 29 април 2024 г.
