W porównaniu z tradycyjną technologią spawania,spawanie laseroweTechnologia ta oferuje niezrównane zalety w zakresie dokładności spawania, wydajności, niezawodności, automatyzacji i innych aspektów. W ostatnich latach dynamicznie rozwija się w przemyśle motoryzacyjnym, energetycznym, elektronicznym i innych dziedzinach i jest uważana za jedną z najbardziej obiecujących technologii produkcyjnych XXI wieku.
1. Przegląd dwuwiązkowejspawanie laserowe
Podwójna belkaspawanie laserowePolega ona na wykorzystaniu metod optycznych do rozdzielenia tego samego lasera na dwie oddzielne wiązki światła do spawania lub na połączeniu dwóch różnych typów laserów, takich jak laser CO2, laser Nd:YAG i laser półprzewodnikowy dużej mocy. Wszystkie te metody można łączyć. Zaproponowano je głównie w celu dostosowania spawania laserowego do dokładności montażu, poprawy stabilności procesu spawania i poprawy jakości spoiny.spawanie laseroweUmożliwia wygodną i elastyczną regulację pola temperatury spawania poprzez zmianę współczynnika energii wiązki, odstępu między wiązkami, a nawet rozkładu energii dwóch wiązek laserowych, zmieniając wzór otworu i przepływ ciekłego metalu w jeziorku spawalniczym. Zapewnia szerszy wybór procesów spawania. Ma nie tylko zalety dużejspawanie laserowepenetracja, duża prędkość i wysoka precyzja, ale nadaje się również do materiałów i połączeń, które trudno spawać konwencjonalnymi metodamispawanie laserowe.
Do podwójnej belkispawanie laseroweNajpierw omówimy metody realizacji lasera dwuwiązkowego. Obszerna literatura pokazuje, że istnieją dwa główne sposoby uzyskania spawania dwuwiązkowego: ogniskowanie transmisyjne i ogniskowanie odbiciowe. Pierwszy z nich osiąga się poprzez regulację kąta i odstępu dwóch laserów za pomocą zwierciadeł skupiających i kolimujących. Drugi sposób uzyskuje się poprzez użycie źródła laserowego, a następnie ogniskowanie za pomocą zwierciadeł odbijających, zwierciadeł transmisyjnych i zwierciadeł klinowych w celu uzyskania podwójnych wiązek. Pierwsza metoda występuje w trzech głównych formach. Pierwsza polega na sprzężeniu dwóch laserów za pomocą światłowodów i rozdzieleniu ich na dwie różne wiązki pod tym samym zwierciadłem kolimującym i zwierciadłem skupiającym. Druga metoda polega na tym, że dwa lasery emitują wiązki laserowe przez odpowiednie głowice spawalnicze, a podwójna wiązka powstaje poprzez regulację położenia przestrzennego głowic spawalniczych. Trzecia metoda polega na tym, że wiązka laserowa jest najpierw rozdzielana przez dwa zwierciadła 1 i 2, a następnie ogniskowana odpowiednio przez dwa zwierciadła skupiające 3 i 4. Położenie i odległość między dwoma ogniskami można regulować, regulując kąty nachylenia dwóch luster skupiających 3 i 4. Druga metoda polega na użyciu lasera półprzewodnikowego do rozdzielenia światła w celu uzyskania podwójnych wiązek oraz regulacji kąta i odstępu za pomocą lustra perspektywicznego i lustra skupiającego. Dwa ostatnie zdjęcia w pierwszym rzędzie poniżej przedstawiają układ spektroskopowy lasera CO2. Płaskie lustro jest zastępowane lustrem klinowym i umieszczane przed lustrem skupiającym, aby rozdzielić światło i uzyskać światło o podwójnej, równoległej wiązce.
Po zapoznaniu się z zastosowaniem belek podwójnych, krótko omówimy zasady i metody spawania. W przypadku belek podwójnychspawanie laseroweW procesie spawania szeregowego występują trzy popularne układy wiązek, a mianowicie układ szeregowy, układ równoległy i układ hybrydowy. W przypadku tkaniny, odległość występuje zarówno w kierunku spawania, jak i w kierunku pionowym. Jak pokazano w ostatnim rzędzie rysunku, ze względu na różne kształty małych otworów i jeziorek stopionego metalu, które pojawiają się w różnych odstępach punktowych podczas procesu spawania szeregowego, można je dalej podzielić na pojedyncze stopy. Istnieją trzy stany: jeziorko, wspólne jeziorko stopionego metalu i oddzielne jeziorko stopionego metalu. Charakterystyka pojedynczego jeziorka stopionego metalu i oddzielnego jeziorka stopionego metalu jest podobna do charakterystyki pojedynczego jeziorka stopionego metalu.spawanie laserowe, jak pokazano na schemacie symulacji numerycznej. Różne typy procesów mają różne skutki.
Typ 1: W pewnej odległości od siebie dwa otwory wiązki tworzą wspólny duży otwór w tym samym jeziorku stopionego metalu; w przypadku typu 1 podaje się, że jedna wiązka światła jest używana do utworzenia małego otworu, a druga wiązka światła jest używana do obróbki cieplnej spawania, co może skutecznie poprawić właściwości konstrukcyjne stali wysokowęglowej i stali stopowej.
Typ 2: Zwiększenie odstępu między punktami w tym samym jeziorku stopionego metalu, rozdzielenie dwóch wiązek na dwa niezależne otwory i zmiana schematu przepływu jeziorka stopionego metalu; w przypadku typu 2 jego funkcja jest równoważna spawaniu dwoma wiązkami elektronów. Zmniejsza odpryski spawalnicze i nieregularne spoiny przy odpowiedniej ogniskowej.
Typ 3: Dalsze zwiększenie odstępu między punktami i zmiana współczynnika energii obu wiązek, tak aby jedna z nich była używana jako źródło ciepła do obróbki przed lub po spawaniu, a druga do generowania małych otworów. W przypadku typu 3 badanie wykazało, że obie belki tworzą otwór o kształcie dziurki od klucza, mały otwór nie ulega łatwo zapadnięciu, a spoina nie tworzy porów.
2. Wpływ procesu spawania na jakość spawania
Wpływ szeregowego stosunku energii wiązki do tworzenia spoiny
Gdy moc lasera wynosi 2 kW, prędkość spawania wynosi 45 mm/s, wielkość rozogniskowania wynosi 0 mm, a odstęp między wiązkami wynosi 3 mm, kształt powierzchni spoiny przy zmianie RS (RS = 0,50, 0,67, 1,50, 2,00) jest taki, jak pokazano na rysunku. Gdy RS = 0,50 i 2,00, spoina jest wgnieciona w większym stopniu, a na krawędzi spoiny pojawia się więcej odprysków, bez tworzenia regularnych wzorów łusek rybich. Dzieje się tak, ponieważ gdy stosunek energii wiązki jest zbyt mały lub zbyt duży, energia lasera jest zbyt skoncentrowana, powodując poważniejsze oscylacje otworu laserowego podczas procesu spawania, a odrzut ciśnienia pary powoduje wyrzucanie i rozpryskiwanie stopionego metalu w jeziorku; Nadmierne ciepło wejściowe powoduje, że głębokość penetracji stopionego jeziorka po stronie stopu aluminium jest zbyt duża, powodując obniżenie pod wpływem grawitacji. Gdy RS=0,67 i 1,50, wzór łuski rybiej na powierzchni spoiny jest jednolity, kształt spoiny jest piękniejszy, a na powierzchni spoiny nie widać pęknięć na gorąco, porów ani innych wad spawalniczych. Kształty przekrojów spoin o różnych stosunkach energii wiązki RS są pokazane na rysunku. Przekrój spoin ma typowy kształt „kieliszka do wina”, co wskazuje, że proces spawania jest przeprowadzany w trybie spawania laserowego z głębokim wtopieniem. RS ma istotny wpływ na głębokość wtopienia P2 spoiny po stronie stopu aluminium. Gdy stosunek energii wiązki RS=0,5, P2 wynosi 1203,2 mikrona. Gdy stosunek energii wiązki wynosi RS=0,67 i 1,5, P2 ulega znacznemu zmniejszeniu, które wynoszą odpowiednio 403,3 mikrona i 93,6 mikrona. Gdy stosunek energii wiązki wynosi RS=2, głębokość wtopienia spoiny w przekroju złącza wynosi 1151,6 mikrona.
Wpływ równoległego stosunku energii wiązki na tworzenie spoiny
Przy mocy lasera 2,8 kW, prędkości spawania 33 mm/s, rozogniskowaniu 0 mm i odstępie między wiązkami 1 mm, powierzchnia spoiny jest uzyskiwana poprzez zmianę współczynnika energii wiązki (RS = 0,25, 0,5, 0,67, 1,5, 2, 4). Wygląd pokazano na rysunku. Przy RS = 2 wzór łuski rybiej na powierzchni spoiny jest stosunkowo nieregularny. Powierzchnia spoiny uzyskana przy użyciu pięciu innych współczynników energii wiązki jest dobrze uformowana i nie ma widocznych defektów, takich jak pory i odpryski. Dlatego w porównaniu z seryjnym spawaniem dwuwiązkowymspawanie laserowe, powierzchnia spoiny przy użyciu równoległych podwójnych belek jest bardziej jednolita i piękniejsza. Gdy RS=0,25, w spoinie występuje niewielkie wgłębienie; wraz ze stopniowym wzrostem wskaźnika energii wiązki (RS=0,5, 0,67 i 1,5) powierzchnia spoiny jest jednolita i nie tworzy się żadne wgłębienie; jednak gdy wskaźnik energii wiązki dalej wzrasta (RS=1,50, 2,00), na powierzchni spoiny pojawiają się wgłębienia. Gdy wskaźnik energii wiązki RS=0,25, 1,5 i 2, kształt przekroju spoiny ma kształt „kieliszka do wina”; gdy RS=0,50, 0,67 i 1, kształt przekroju spoiny ma kształt „lejka”. Gdy RS=4, nie tylko pęknięcia powstają na dole spoiny, ale także pewne pory w środkowej i dolnej części spoiny. Przy RS=2, wewnątrz spoiny pojawiają się duże pory procesowe, ale nie występują pęknięcia. Przy RS=0,5, 0,67 i 1,5, głębokość wtopienia P2 spoiny po stronie stopu aluminium jest mniejsza, a przekrój spoiny jest dobrze uformowany i nie powstają widoczne wady spawalnicze. Dowodzi to, że stosunek energii wiązki podczas równoległego spawania laserowego dwuwiązkowego ma również istotny wpływ na wtopienia i wady spawalnicze.
Belka równoległa – wpływ odstępu między belkami na powstawanie spoiny
Gdy moc lasera wynosi 2,8 kW, prędkość spawania wynosi 33 mm/s, wartość rozogniskowania wynosi 0 mm, a stosunek energii wiązki RS=0,67, zmień odstęp między wiązkami (d=0,5 mm, 1 mm, 1,5 mm, 2 mm), aby uzyskać morfologię powierzchni spoiny, jak pokazano na rysunku. Gdy d=0,5 mm, 1 mm, 1,5 mm, 2 mm, powierzchnia spoiny jest gładka i płaska, a kształt jest piękny; wzór łuski rybiej spoiny jest regularny i piękny, a nie ma widocznych porów, pęknięć i innych defektów. Dlatego w czterech warunkach odstępu wiązek powierzchnia spoiny jest dobrze uformowana. Ponadto, gdy d=2 mm, powstają dwie różne spoiny, co pokazuje, że dwie równoległe wiązki laserowe nie działają już na jeziorko stopionego materiału i nie mogą utworzyć efektywnego hybrydowego spawania laserowego z dwiema wiązkami. Gdy odstęp między wiązkami wynosi 0,5 mm, spoina ma kształt lejka, głębokość penetracji P2 spoiny po stronie stopu aluminium wynosi 712,9 mikrometra, a wewnątrz spoiny nie występują pęknięcia, pory ani inne defekty. Wraz ze wzrostem odstępu między wiązkami, głębokość penetracji P2 spoiny po stronie stopu aluminium znacznie się zmniejsza. Gdy odstęp między wiązkami wynosi 1 mm, głębokość penetracji spoiny po stronie stopu aluminium wynosi zaledwie 94,2 mikrometra. Wraz z dalszym wzrostem odstępu między wiązkami, spoina nie tworzy efektywnej penetracji po stronie stopu aluminium. Dlatego, gdy odstęp między wiązkami wynosi 0,5 mm, efekt rekombinacji podwójnej wiązki jest najlepszy. Wraz ze wzrostem odstępu między wiązkami, wprowadzane ciepło spawania gwałtownie spada, a efekt rekombinacji lasera dwuwiązkowego stopniowo się pogarsza.
Różnica w morfologii spoiny wynika z odmiennego przepływu i krzepnięcia jeziorka stopowego podczas procesu spawania. Metoda symulacji numerycznej może nie tylko uczynić analizę naprężeń jeziorka stopowego bardziej intuicyjną, ale także obniżyć koszty eksperymentów. Poniższy rysunek przedstawia zmiany w bocznym jeziorku stopowym przy zastosowaniu pojedynczej belki, różnych układów i odstępów punktowych. Główne wnioski obejmują: (1) Podczas spawania pojedynczą wiązkąspawanie laseroweProces, głębokość otworu w jeziorku stopionego metalu jest największa, występuje zjawisko zapadania się otworu, ściana otworu jest nieregularna, a rozkład pola przepływu w pobliżu ściany otworu jest nierównomierny; w pobliżu tylnej powierzchni jeziorka stopionego metalu. Reflow jest silny, a na dnie jeziorka stopionego metalu występuje reflow skierowany ku górze; rozkład pola przepływu powierzchniowego jeziorka stopionego metalu jest stosunkowo równomierny i powolny, a szerokość jeziorka stopionego metalu jest nierównomierna wzdłuż kierunku głębokości. Występują zaburzenia spowodowane ciśnieniem odrzutu ściany w jeziorku stopionego metalu między małymi otworami w podwójnej wiązce.spawanie laserowe, i zawsze występuje wzdłuż kierunku głębokości małych otworów. Wraz ze wzrostem odległości między dwiema wiązkami, gęstość energii wiązki stopniowo przechodzi od stanu pojedynczego piku do stanu podwójnego piku. Pomiędzy dwoma pikami występuje wartość minimalna, a gęstość energii stopniowo maleje. (2) W przypadku wiązki podwójnejspawanie laserowegdy odstęp między punktami wynosi 0–0,5 mm, głębokość małych otworów w jeziorku stopionego metalu nieznacznie się zmniejsza, a ogólne zachowanie przepływu jeziorka stopionego metalu jest podobne do zachowania w przypadku pojedynczej wiązkispawanie laserowe; gdy odstęp między punktami wynosi powyżej 1 mm, małe otwory są całkowicie rozdzielone, a podczas procesu spawania nie ma prawie żadnej interakcji między dwoma laserami, co jest równoważne dwóm kolejnym/dwóm równoległym spawaniom laserowym pojedynczą wiązką o mocy 1750 W. Nie ma prawie żadnego efektu podgrzewania wstępnego, a zachowanie przepływu jeziorka stopionego jest podobne do zachowania w przypadku spawania laserowego pojedynczą wiązką. (3) Gdy odstęp między punktami wynosi 0,5-1 mm, powierzchnia ścianek małych otworów jest bardziej płaska w obu układach, głębokość małych otworów stopniowo się zmniejsza, a dno stopniowo się oddziela. Zakłócenie między małymi otworami a przepływem powierzchniowego jeziorka stopionego wynosi 0,8 mm. Najsilniejsze. W przypadku spawania seryjnego długość jeziorka stopionego stopniowo wzrasta, szerokość jest największa, gdy odstęp między punktami wynosi 0,8 mm, a efekt podgrzewania jest najbardziej widoczny, gdy odstęp między punktami wynosi 0,8 mm. Efekt siły Marangoniego stopniowo słabnie, a więcej ciekłego metalu przepływa po obu stronach jeziorka. Powoduje to bardziej równomierny rozkład szerokości roztopionego materiału. W przypadku spawania równoległego szerokość jeziorka stopniowo wzrasta, a jego długość osiąga maksimum 0,8 mm, ale nie występuje efekt podgrzewania wstępnego. Zanikanie stopu w pobliżu powierzchni spowodowane siłą Marangoniego zawsze występuje, a zanikanie stopu w dół na dnie małego otworu stopniowo zanika. Pole przepływu w przekroju poprzecznym nie jest tak dobre, jak w przypadku spawania szeregowego. Zakłócenia prawie nie wpływają na przepływ po obu stronach jeziorka, a szerokość roztopionego materiału jest nierównomierna.
Czas publikacji: 12 października 2023 r.
