Zaproponowano metodę spawania dwuwiązkowego, głównie w celu rozwiązania problemu adaptacyjnościspawanie laseroweDokładność montażu, poprawa stabilności procesu spawania i poprawa jakości spoiny, szczególnie w przypadku spawania cienkich blach i stopów aluminium. Spawanie laserowe dwuwiązkowe może wykorzystywać metody optyczne do rozdzielenia tego samego lasera na dwie oddzielne wiązki światła do spawania. Można również łączyć dwa różne typy laserów: laser CO2, laser Nd:YAG i laser półprzewodnikowy dużej mocy. Zmieniając energię wiązki, odstęp między wiązkami, a nawet wzór rozkładu energii obu wiązek, można wygodnie i elastycznie regulować pole temperatury spawania, zmieniając wzór występowania otworów i wzór przepływu ciekłego metalu w jeziorku stopionego metalu, zapewniając lepsze rozwiązanie dla procesu spawania. Szeroki wybór jest nieporównywalny z jednowiązkowym spawaniem laserowym. Ma ono nie tylko zalety dużego wtopienia, dużej prędkości i wysokiej precyzji, ale także dużą adaptację do materiałów i połączeń, które są trudne do spawania konwencjonalnym spawaniem laserowym.
Zasadaspawanie laserowe dwuwiązkowe
Spawanie dwuwiązkowe oznacza jednoczesne użycie dwóch wiązek laserowych. Układ wiązek, odstęp między nimi, kąt między nimi, położenie ogniska oraz stosunek energii obu wiązek to istotne parametry spawania dwuwiązkowego. Zazwyczaj podczas spawania stosuje się dwa sposoby rozmieszczenia podwójnych wiązek. Jak pokazano na rysunku, jeden z nich jest ułożony szeregowo wzdłuż kierunku spawania. Takie ułożenie może zmniejszyć szybkość chłodzenia jeziorka spawalniczego, a także zmniejszyć tendencję spoiny do hartowania i tworzenia porów. Drugim sposobem jest ułożenie ich obok siebie lub na krzyż po obu stronach spoiny, aby poprawić ich dopasowanie do szczeliny spawalniczej.
Zasada spawania laserowego podwójną wiązką
Spawanie dwuwiązkowe oznacza jednoczesne użycie dwóch wiązek laserowych. Układ wiązek, odstęp między nimi, kąt między nimi, położenie ogniska oraz stosunek energii obu wiązek to istotne parametry spawania dwuwiązkowego. Zazwyczaj podczas spawania stosuje się dwa sposoby rozmieszczenia podwójnych wiązek. Jak pokazano na rysunku, jeden z nich jest ułożony szeregowo wzdłuż kierunku spawania. Takie ułożenie może zmniejszyć szybkość chłodzenia jeziorka spawalniczego, a także zmniejszyć tendencję spoiny do hartowania i tworzenia porów. Drugim sposobem jest ułożenie ich obok siebie lub na krzyż po obu stronach spoiny, aby poprawić ich dopasowanie do szczeliny spawalniczej.
W przypadku tandemowego systemu spawania laserowego z dwiema wiązkami występują trzy różne mechanizmy spawania w zależności od odległości między belkami przednią i tylną, jak pokazano na poniższym rysunku.
1. W pierwszym typie mechanizmu spawalniczego odległość między dwiema wiązkami światła jest stosunkowo duża. Jedna wiązka światła ma większą gęstość energii i jest skupiona na powierzchni przedmiotu spawanego, tworząc w ten sposób „dziurki” w spoinie; druga wiązka światła ma mniejszą gęstość energii. Jest ona wykorzystywana wyłącznie jako źródło ciepła do obróbki cieplnej przed lub po spawaniu. Dzięki temu mechanizmowi spawalniczemu można kontrolować tempo chłodzenia jeziorka spawalniczego w określonym zakresie, co jest korzystne w przypadku spawania niektórych materiałów o wysokiej podatności na pęknięcia, takich jak stal wysokowęglowa, stal stopowa itp., a także może poprawić wytrzymałość spoiny.
2. W drugim typie mechanizmu spawalniczego odległość między dwiema wiązkami światła jest stosunkowo niewielka. Dwie wiązki światła tworzą dwa niezależne otwory w jeziorku spawalniczym, co zmienia przepływ ciekłego metalu i pomaga zapobiegać zatarciom. Pozwala to wyeliminować występowanie wad, takich jak krawędzie i wybrzuszenia ściegu spoiny, a także poprawić jakość spoiny.
3. W trzecim typie mechanizmu spawalniczego odległość między dwiema wiązkami światła jest bardzo mała. W tym momencie dwie wiązki światła tworzą ten sam otwór w jeziorku spawalniczym. W porównaniu ze spawaniem laserowym z pojedynczą wiązką, otwór staje się większy i trudniej go zamknąć, co przekłada się na większą stabilność procesu spawania i łatwiejsze odprowadzanie gazu, co sprzyja redukcji porów i odprysków oraz uzyskiwaniu ciągłych, równomiernych i estetycznych spoin.
Podczas procesu spawania dwie wiązki laserowe mogą być również ustawione pod pewnym kątem względem siebie. Mechanizm spawania jest podobny do mechanizmu spawania równoległego dwuwiązkowego. Wyniki testów pokazują, że użycie dwóch laserów OO o dużej mocy, ustawionych pod kątem 30° względem siebie i w odległości 1-2 mm, pozwala uzyskać otwór w kształcie lejka. Otwór jest większy i bardziej stabilny, co skutecznie poprawia jakość spawania. W praktyce, wzajemne połączenie dwóch wiązek światła można modyfikować w zależności od warunków spawania, aby uzyskać różne procesy spawania.
6. Sposób realizacji spawania laserowego dwuwiązkowego
Uzyskanie podwójnej wiązki można uzyskać poprzez połączenie dwóch różnych wiązek laserowych lub poprzez podział jednej wiązki na dwie wiązki laserowe do spawania za pomocą optycznego systemu spektrometrii. Aby rozdzielić wiązkę światła na dwie równoległe wiązki laserowe o różnych mocach, można użyć spektroskopu lub specjalnego układu optycznego. Rysunek przedstawia dwa schematyczne diagramy zasad rozszczepiania światła z wykorzystaniem zwierciadeł skupiających jako dzielników wiązki.
Ponadto reflektor może być również używany jako rozdzielacz wiązki, a ostatni reflektor na ścieżce optycznej może być używany jako rozdzielacz wiązki. Ten typ reflektora jest również nazywany reflektorem dachowym. Jego powierzchnia odbijająca nie jest płaską powierzchnią, ale składa się z dwóch płaszczyzn. Linia przecięcia dwóch powierzchni odbijających znajduje się pośrodku powierzchni lustra, podobnie jak grzbiet dachu, jak pokazano na rysunku. Wiązka równoległego światła pada na spektroskop, jest odbijana przez dwie płaszczyzny pod różnymi kątami, tworząc dwie wiązki światła i pada na różne położenia lustra skupiającego. Po zogniskowaniu, dwie wiązki światła są uzyskiwane w pewnej odległości od powierzchni przedmiotu obrabianego. Zmieniając kąt między dwiema powierzchniami odbijającymi i położenie dachu, można uzyskać podzielone wiązki światła o różnych odległościach ogniskowania i układach.
W przypadku korzystania z dwóch różnych typówwiązki laserowe tAby utworzyć podwójną wiązkę, istnieje wiele kombinacji. Wysokiej jakości laser CO2 z rozkładem energii Gaussa może być użyty do głównych prac spawalniczych, a laser półprzewodnikowy z prostokątnym rozkładem energii może być użyty do wspomagania obróbki cieplnej. Z jednej strony taka kombinacja jest bardziej ekonomiczna. Z drugiej strony, moc obu wiązek światła może być regulowana niezależnie. Dla różnych kształtów spoin, regulowane pole temperatury można uzyskać poprzez regulację położenia nakładania się lasera i lasera półprzewodnikowego, co jest bardzo przydatne w spawaniu. Kontrola procesu. Ponadto laser YAG i laser CO2 można również połączyć w podwójną wiązkę do spawania, laser ciągły i laser impulsowy można połączyć do spawania, a także wiązkę skupioną i rozogniskowaną do spawania.
7. Zasada spawania laserowego dwuwiązkowego
3.1 Spawanie laserowe dwuwiązkowe blach ocynkowanych
Ocynkowana blacha stalowa jest najczęściej stosowanym materiałem w przemyśle motoryzacyjnym. Temperatura topnienia stali wynosi około 1500°C, podczas gdy temperatura wrzenia cynku to zaledwie 906°C. Dlatego podczas spawania metodą topienia zazwyczaj wytwarzana jest duża ilość oparów cynku, co powoduje niestabilność procesu spawania i powstawanie porów w spoinie. W przypadku połączeń zakładkowych, ulatnianie się warstwy ocynkowanej występuje nie tylko na górnej i dolnej powierzchni, ale również na powierzchni złącza. Podczas spawania opary cynku szybko wydostają się z powierzchni jeziorka stopowego w niektórych miejscach, podczas gdy w innych trudno jest im wydostać się z jeziorka stopowego. Na powierzchni jeziorka jakość spawania jest bardzo niestabilna.
Spawanie laserowe dwuwiązką może rozwiązać problemy z jakością spawania spowodowane oparami cynku. Jedną z metod jest kontrola czasu trwania i szybkości chłodzenia jeziorka stopowego poprzez odpowiednie dopasowanie energii obu wiązek, aby ułatwić ucieczkę oparów cynku; drugą metodą jest uwalnianie oparów cynku poprzez wstępne dziurkowanie lub rowkowanie. Jak pokazano na rysunku 6-31, do spawania używany jest laser CO2. Laser YAG znajduje się przed laserem CO2 i służy do wiercenia otworów lub wycinania rowków. Wstępnie obrobione otwory lub rowki zapewniają drogę ucieczki dla oparów cynku wytwarzanych podczas późniejszego spawania, zapobiegając ich pozostawaniu w jeziorku stopowym i powstawaniu wad.
3.2 Spawanie laserowe dwuwiązkowe stopów aluminium
Ze względu na szczególne właściwości stopów aluminium, występują następujące trudności w stosowaniu spawania laserowego [39]: stop aluminium ma niski współczynnik absorpcji lasera, a początkowy współczynnik odbicia powierzchni wiązki lasera CO2 przekracza 90%; szwy spawalnicze stopów aluminium są łatwe do wykonania Porowatość, pęknięcia; wypalanie elementów stopu podczas spawania itp. Podczas stosowania pojedynczego spawania laserowego trudno jest ustalić otwór klucza i utrzymać stabilność. Spawanie laserowe podwójną wiązką może zwiększyć rozmiar otworu klucza, utrudniając jego zamknięcie, co jest korzystne dla wyładowania gazowego. Może również zmniejszyć szybkość chłodzenia i zmniejszyć występowanie porów i pęknięć spawalniczych. Ponieważ proces spawania jest bardziej stabilny, a ilość odprysków jest zmniejszona, kształt powierzchni spoiny uzyskany przez spawanie stopów aluminium podwójną wiązką jest również znacznie lepszy niż w przypadku spawania pojedynczą wiązką. Rysunek 6-32 przedstawia wygląd spoiny 3 mm grubości stopu aluminium spawanego doczołowo za pomocą pojedynczego lasera CO2 i podwójnego spawania laserowego.
Badania pokazują, że podczas spawania stopu aluminium serii 5000 o grubości 2 mm, gdy odległość między dwiema belkami wynosi 0,6~1,0 mm, proces spawania jest stosunkowo stabilny, a utworzony otwór w kształcie dziurki od klucza jest większy, co sprzyja parowaniu i ucieczce magnezu podczas procesu spawania. Jeśli odległość między dwiema belkami jest zbyt mała, proces spawania pojedynczej belki nie będzie stabilny. Jeśli odległość jest zbyt duża, wpłynie to na penetrację spawania, jak pokazano na rysunku 6-33. Ponadto, stosunek energii dwóch belek ma również duży wpływ na jakość spawania. Gdy dwie belki o odstępie 0,9 mm są ułożone szeregowo do spawania, energia poprzedniej belki powinna zostać odpowiednio zwiększona, tak aby stosunek energii dwóch belek przed i za był większy niż 1:1. Jest to pomocne w poprawie jakości spoiny, zwiększeniu obszaru topienia, a jednocześnie uzyskaniu gładkiej i pięknej spoiny, gdy prędkość spawania jest wysoka.
3.3 Spawanie dwubelkowe blach o różnej grubości
W produkcji przemysłowej często zachodzi konieczność spawania dwóch lub więcej blach o różnych grubościach i kształtach w celu utworzenia sklejonej blachy. Szczególnie w produkcji samochodów, zastosowanie spawanych na wymiar wykrojów staje się coraz powszechniejsze. Spawanie blach o różnych parametrach, powłokach powierzchniowych lub właściwościach pozwala na zwiększenie wytrzymałości, zmniejszenie zużycia materiałów eksploatacyjnych i obniżenie jakości. Spawanie laserowe blach o różnych grubościach jest zazwyczaj stosowane w spawaniu paneli. Głównym problemem jest to, że spawane blachy muszą być wstępnie obrobione z wysoką precyzją krawędzi i zapewniać precyzyjny montaż. Zastosowanie spawania dwuwiązkowego blach o nierównej grubości pozwala na dostosowanie się do różnych zmian odstępów między blachami, połączeń doczołowych, grubości względnych i materiałów blach. Umożliwia ono spawanie blach o większych tolerancjach krawędzi i odstępów, a także poprawia prędkość spawania i jakość spoiny.
Główne parametry procesu spawania blach o nierównej grubości metodą Shuangguangdong można podzielić na parametry spawania i parametry blachy, jak pokazano na rysunku. Parametry spawania obejmują moc dwóch wiązek laserowych, prędkość spawania, położenie ogniska, kąt głowicy spawalniczej, kąt obrotu wiązki w złączu doczołowym dwuwiązkowym oraz przesunięcie spawalnicze itp. Parametry płyty obejmują rozmiar materiału, wydajność, warunki przycinania, odstępy między płytami itp. Moc dwóch wiązek laserowych można regulować niezależnie w zależności od potrzeb spawania. Ognisko jest zazwyczaj zlokalizowane na powierzchni cienkiej płyty, aby zapewnić stabilny i wydajny proces spawania. Kąt głowicy spawalniczej jest zazwyczaj dobierany na około 6. Jeśli grubość dwóch płyt jest stosunkowo duża, można zastosować dodatni kąt głowicy spawalniczej, tzn. laser jest pochylony w kierunku cienkiej płyty, jak pokazano na rysunku; gdy grubość płyty jest stosunkowo mała, można zastosować ujemny kąt głowicy spawalniczej. Przesunięcie spawalnicze definiuje się jako odległość między ogniskiem lasera a krawędzią grubej płyty. Dzięki regulacji przesunięcia spawalniczego można zmniejszyć wielkość wgniecenia spoiny i uzyskać odpowiedni przekrój spoiny.
Podczas spawania płyt z dużymi szczelinami, można zwiększyć efektywną średnicę nagrzewania wiązki, obracając kąt podwójnej wiązki, aby uzyskać dobre możliwości wypełniania szczelin. Szerokość górnej części spoiny jest określana przez efektywną średnicę wiązki dwóch wiązek laserowych, czyli kąt obrotu wiązki. Im większy kąt obrotu, tym szerszy zakres nagrzewania podwójnej wiązki i większa szerokość górnej części spoiny. Dwie wiązki laserowe odgrywają różne role w procesie spawania. Jedna jest używana głównie do penetracji spoiny, podczas gdy druga jest używana głównie do topienia grubego materiału płyty w celu wypełnienia szczeliny. Jak pokazano na rysunku 6-35, przy dodatnim kącie obrotu wiązki (przednia wiązka działa na grubą płytę, tylna wiązka działa na spoinę), przednia wiązka pada na grubą płytę, aby ogrzać i stopić materiał, a następna wiązka laserowa tworzy penetrację. Pierwsza wiązka laserowa z przodu może jedynie częściowo stopić grubą płytę, ale w znacznym stopniu przyczynia się do procesu spawania, ponieważ nie tylko topi boczną część grubej płyty, zapewniając lepsze wypełnienie szczeliny, ale także wstępnie łączy materiał spoiny, dzięki czemu kolejne wiązki łatwiej przechodzą przez spoiny, co pozwala na szybsze spawanie. W spawaniu podwójną wiązką z ujemnym kątem obrotu (przednia wiązka działa na spoinę, a tylna na grubą płytę) obie wiązki działają dokładnie odwrotnie. Pierwsza wiązka topi spoinę, a druga topi grubą płytę, wypełniając ją. W tym przypadku przednia wiązka musi spawać przez zimną płytę, a prędkość spawania jest niższa niż przy dodatnim kącie obrotu wiązki. Ze względu na efekt podgrzewania wstępnego poprzedniej wiązki, druga wiązka stopi więcej grubszej płyty przy tej samej mocy. W takim przypadku moc drugiej wiązki laserowej powinna zostać odpowiednio zmniejszona. Dla porównania, użycie dodatniego kąta obrotu wiązki może odpowiednio zwiększyć prędkość spawania, a użycie ujemnego kąta obrotu wiązki może zapewnić lepsze wypełnienie szczeliny. Rysunek 6-36 przedstawia wpływ różnych kątów obrotu belki na przekrój spoiny.
3.4 Spawanie laserowe dużych, grubych blach podwójną wiązką laserową. Dzięki poprawie mocy lasera i jakości wiązki, spawanie laserowe dużych, grubych blach stało się rzeczywistością. Jednak ze względu na koszt laserów dużej mocy i konieczność stosowania spoiwa, spawanie dużych, grubych blach wiąże się z pewnymi ograniczeniami w rzeczywistej produkcji. Zastosowanie technologii spawania laserowego podwójną wiązką laserową pozwala nie tylko zwiększyć moc lasera, ale także efektywną średnicę nagrzewania wiązki, zwiększyć zdolność topienia drutu spawalniczego, ustabilizować otwór w źródle światła lasera, poprawić stabilność spawania i jakość spawania.
Czas publikacji: 29-04-2024
