По сравнению с традиционной технологией сварки,лазерная сваркаимеет беспрецедентные преимущества в точности сварки, эффективности, надежности, автоматизации и других аспектах. В последние годы она быстро развивалась в области автомобилестроения, энергетики, электроники и других областях и считается одной из наиболее перспективных производственных технологий 21 века.
1. Обзор двухбалочноголазерная сварка
Двойная балкалазерная сварказаключается в использовании оптических методов для разделения одного и того же лазера на два отдельных луча света для сварки или в сочетании двух разных типов лазеров, таких как CO2-лазер, Nd:YAG-лазер и мощный полупроводниковый лазер. Все можно объединить. Предлагалось в основном решить вопрос адаптируемости лазерной сварки к точности сборки, повысить стабильность сварочного процесса и улучшить качество сварного шва. Двойная балкалазерная сваркаможно удобно и гибко регулировать температурное поле сварки, изменяя соотношение энергий луча, расстояние между лучами и даже характер распределения энергии двух лазерных лучей, изменяя характер существования замочной скважины и характер течения жидкого металла в ванне расплава. Обеспечивает более широкий выбор сварочных процессов. Он не только имеет преимущества большоголазерная сваркапроникновение, высокая скорость и высокая точность, но также подходит для материалов и соединений, которые трудно сваривать обычными методами.лазерная сварка.
Для двухбалочноголазерная сваркаСначала мы обсудим методы реализации двухлучевого лазера. Обширная литература показывает, что существует два основных способа достижения двухлучевой сварки: фокусировка пропускания и фокусировка отражения. В частности, это достигается путем регулировки угла и расстояния между двумя лазерами с помощью фокусирующих и коллимирующих зеркал. Другой достигается за счет использования лазерного источника и последующей фокусировки через отражающие зеркала, пропускающие зеркала и клиновидные зеркала для получения двойных лучей. Для первого метода существуют в основном три формы. Первая форма заключается в соединении двух лазеров через оптические волокна и разделении их на два разных луча под одним и тем же коллимирующим и фокусирующим зеркалом. Во-вторых, два лазера выводят лазерные лучи через соответствующие сварочные головки, а двойной луч формируется путем регулирования пространственного положения сварочных головок. Третий метод заключается в том, что лазерный луч сначала разделяется двумя зеркалами 1 и 2, а затем фокусируется двумя фокусирующими зеркалами 3 и 4 соответственно. Положение и расстояние между двумя фокусными пятнами можно регулировать, регулируя углы двух фокусирующих зеркал 3 и 4. Второй метод заключается в использовании твердотельного лазера для разделения света для получения двойных лучей и регулировки угла и расстояния между двумя фокусирующими пятнами. расстояние через перспективное зеркало и фокусирующее зеркало. Последние два изображения в первом ряду ниже показывают спектроскопическую систему CO2-лазера. Плоское зеркало заменяется клиновидным зеркалом и помещается перед фокусирующим зеркалом, чтобы разделить свет и получить параллельный двухлучевой свет.
Разобравшись в реализации двойных балок, давайте кратко познакомимся с принципами и методами сварки. В двухлучевойлазерная сваркаСуществует три распространённых расположения пучков, а именно последовательное расположение, параллельное расположение и гибридное расположение. ткань, то есть существует расстояние как в направлении сварки, так и в вертикальном направлении сварки. Как показано в последнем ряду рисунка, в зависимости от различной формы небольших отверстий и ванн расплава, которые появляются под разным расстоянием между точками в процессе серийной сварки, их можно дополнительно разделить на отдельные расплавы. Существует три состояния: ванна, общая ванна расплава и отдельная ванна расплава. Характеристики одиночной ванны расплава и отдельной ванны расплава аналогичны характеристикам одиночной ванны расплава.лазерная сварка, как показано на диаграмме численного моделирования. Для разных типов существуют разные эффекты процесса.
Тип 1: при определенном расстоянии между точками две замочные скважины для балок образуют общую большую замочную скважину в одной и той же ванне расплава; для типа 1 сообщается, что один луч света используется для создания небольшого отверстия, а другой луч света используется для термообработки сварки, что может эффективно улучшить структурные свойства высокоуглеродистой и легированной стали.
Тип 2: Увеличьте расстояние между пятнами в одной и той же ванне расплава, разделите две балки на две независимые замочные скважины и измените структуру потока ванны расплава; для типа 2 его функция эквивалентна двухэлектронно-лучевой сварке. Уменьшает разбрызгивание и неравномерность сварных швов при соответствующем фокусном расстоянии.
Тип 3: Дальнейшее увеличение расстояния между точками и изменение соотношения энергии двух лучей так, чтобы один из двух лучей использовался в качестве источника тепла для выполнения предварительной или послесварочной обработки во время процесса сварки, а другой луч используется для создания небольших отверстий. Для типа 3 исследование показало, что две балки образуют замочную скважину, маленькое отверстие нелегко разрушить, а в сварном шве нелегко образовать поры.
2. Влияние сварочного процесса на качество сварки.
Влияние серийного соотношения энергии луча на формирование сварочного шва
При мощности лазера 2 кВт, скорости сварки 45 мм/с, величине расфокусировки 0 мм и расстоянии между лучами 3 мм форма поверхности сварного шва при изменении RS (RS= 0,50, 0,67, 1,50, 2,00) равна показано на рисунке. При RS=0,50 и 2,00 сварной шов вмятин в большей степени, и на кромке шва появляется больше брызг, без образования регулярного рисунка рыбьей чешуи. Это связано с тем, что, когда коэффициент энергии луча слишком мал или слишком велик, энергия лазера слишком концентрируется, что приводит к более серьезным колебаниям лазерного отверстия во время процесса сварки, а давление отдачи пара вызывает выброс и разбрызгивание расплавленного металла. металл ванны в ванне расплава; Избыточное тепловложение приводит к тому, что глубина проникновения расплавленной ванны со стороны алюминиевого сплава становится слишком большой, вызывая депрессию под действием силы тяжести. Когда RS = 0,67 и 1,50, рисунок рыбьей чешуи на поверхности сварного шва является однородным, форма сварного шва становится более красивой, и на поверхности сварного шва нет видимых горячих сварочных трещин, пор и других дефектов сварки. Формы поперечного сечения сварных швов с различными коэффициентами энергии пучка RS показаны на рисунке. Поперечное сечение сварных швов имеет типичную форму «бокала», что указывает на то, что процесс сварки осуществляется в режиме лазерной сварки с глубоким проплавлением. RS оказывает важное влияние на глубину провара P2 сварного шва со стороны алюминиевого сплава. При коэффициенте энергии пучка RS=0,5 P2 составляет 1203,2 мкм. При соотношении энергий пучка RS=0,67 и 1,5 значительно снижается P2, составляющий 403,3 мкм и 93,6 мкм соответственно. При соотношении энергий пучка RS=2 глубина проплавления поперечного сечения соединения составляет 1151,6 мкм.
Влияние соотношения энергий параллельного луча на формирование сварочного шва
Когда мощность лазера составляет 2,8 кВт, скорость сварки 33 мм/с, величина расфокусировки 0 мм и расстояние между лучами 1 мм, поверхность сварного шва получается путем изменения соотношения энергий луча (RS=0,25, 0,5, 0,67, 1,5). , 2, 4) Внешний вид представлен на рисунке. Когда RS=2, рисунок рыбьей чешуи на поверхности сварного шва является относительно неравномерным. Поверхность сварного шва, полученного при других пяти различных соотношениях энергии луча, имеет хорошую форму и не имеет видимых дефектов, таких как поры и брызги. Поэтому по сравнению с серийными двухлучевымилазерная сваркаПоверхность сварного шва с использованием параллельных двухлучевых балок становится более однородной и красивой. При RS=0,25 в шве имеется небольшая депрессия; при постепенном увеличении соотношения энергий пучка (RS=0,5, 0,67 и 1,5) поверхность сварного шва становится однородной и впадин не образуется; однако при дальнейшем увеличении коэффициента энергии луча (RS=1,50, 2,00) на поверхности сварного шва остаются впадины. При коэффициенте энергии луча RS=0,25, 1,5 и 2 форма поперечного сечения сварного шва имеет форму «бокала»; при RS=0,50, 0,67 и 1 форма поперечного сечения сварного шва является «воронкообразной». При RS=4 не только образуются трещины в нижней части сварного шва, но также образуются поры в средней и нижней части сварного шва. При RS=2 внутри сварного шва появляются крупные технологические поры, но трещины не появляются. При RS=0,5, 0,67 и 1,5 глубина провара Р2 сварного шва со стороны алюминиевого сплава меньше, поперечное сечение сварного шва формируется хорошо и явных сварочных дефектов не образуется. Они показывают, что соотношение энергий луча при параллельной двухлучевой лазерной сварке также оказывает важное влияние на проплавление сварного шва и дефекты сварки.
Параллельный луч – влияние расстояния между лучами на формирование сварочного шва
Когда мощность лазера составляет 2,8 кВт, скорость сварки — 33 мм/с, величина расфокусировки — 0 мм, а коэффициент энергии луча RS = 0,67, измените расстояние между лучами (d = 0,5 мм, 1 мм, 1,5 мм, 2 мм), чтобы получить Морфология поверхности сварного шва, как показано на рисунке. При d=0,5 мм, 1 мм, 1,5 мм, 2 мм поверхность сварного шва гладкая и ровная, форма красивая; Рисунок сварного шва в виде рыбьей чешуи ровный и красивый, видимых пор, трещин и других дефектов нет. Таким образом, при четырехкратном расстоянии между лучами поверхность сварного шва имеет хорошую форму. Кроме того, при d=2 мм образуются два разных сварных шва, что показывает, что два параллельных лазерных луча больше не действуют на ванну расплава и не могут образовывать эффективную двухлучевую лазерную гибридную сварку. При расстоянии между лучами 0,5 мм сварной шов имеет «воронкообразную форму», глубина провара Р2 шва со стороны алюминиевого сплава составляет 712,9 мкм, внутри шва отсутствуют трещины, поры и другие дефекты. Поскольку расстояние между лучами продолжает увеличиваться, глубина провара P2 сварного шва со стороны алюминиевого сплава значительно уменьшается. При расстоянии между лучами 1 мм глубина проплавления сварного шва со стороны алюминиевого сплава составляет всего 94,2 микрона. По мере дальнейшего увеличения расстояния между лучами сварной шов не обеспечивает эффективного проплавления со стороны алюминиевого сплава. Следовательно, когда расстояние между лучами составляет 0,5 мм, эффект двухлучевой рекомбинации является лучшим. По мере увеличения расстояния между лучами тепловложение при сварке резко снижается, и эффект рекомбинации двухлучевого лазера постепенно ухудшается.
Разница в морфологии сварного шва вызвана разным течением и охлаждением ванны расплава в процессе сварки. Метод численного моделирования может не только сделать анализ напряжений ванны расплава более интуитивным, но и снизить стоимость эксперимента. На рисунке ниже показаны изменения в боковой ванне расплава с одной балкой, различным расположением и расстоянием между точками. К основным выводам относятся: (1) При однолучевом режимелазерная сваркапроцесс, глубина отверстия расплавленной ванны самая глубокая, наблюдается явление коллапса отверстия, стенка отверстия неравномерная, а распределение поля потока возле стенки отверстия неравномерное; вблизи задней поверхности ванны расплава. Оплавление сильное, а внизу ванны расплава происходит оплавание вверх; Распределение поля течения поверхностной ванны расплава является относительно однородным и медленным, а ширина ванны расплава неравномерна в направлении глубины. Возникают возмущения, вызванные давлением отдачи стенки в ванне расплава между небольшими отверстиями в двойной балке.лазерная сварка, и он всегда существует вдоль направления глубины маленьких отверстий. Поскольку расстояние между двумя лучами продолжает увеличиваться, плотность энергии луча постепенно переходит от состояния с одним пиком к состоянию с двойным пиком. Между двумя пиками существует минимальное значение, и плотность энергии постепенно уменьшается. (2) Для двухбалочноголазерная сварка, когда расстояние между пятнами составляет 0-0,5 мм, глубина небольших отверстий расплавленной ванны немного уменьшается, и общее поведение потока расплавленной ванны аналогично поведению однолучевоголазерная сварка; когда расстояние между точками превышает 1 мм, небольшие отверстия полностью разделены, и в процессе сварки взаимодействие между двумя лазерами практически отсутствует, что эквивалентно двум последовательным/двум параллельным однолучевым лазерным сваркам мощностью 1750 Вт. Эффект предварительного нагрева практически отсутствует, а поведение потока расплавленной ванны аналогично поведению при однолучевой лазерной сварке. (3) Когда расстояние между точками составляет 0,5–1 мм, поверхность стенок маленьких отверстий в двух вариантах расположения становится более плоской, глубина маленьких отверстий постепенно уменьшается, а дно постепенно отделяется. Нарушение между маленькими отверстиями и течением поверхностной ванны расплава составляет 0,8 мм. Самый сильный. При серийной сварке длина ванны расплава постепенно увеличивается, ширина является наибольшей, когда расстояние между точками составляет 0,8 мм, а эффект предварительного нагрева наиболее очевиден, когда расстояние между точками составляет 0,8 мм. Действие силы Марангони постепенно ослабевает, и все больше металлической жидкости стекает по обе стороны ванны расплава. Сделайте распределение расплава по ширине более равномерным. При параллельной сварке ширина ванны расплава постепенно увеличивается, а длина достигает максимума 0,8 мм, но эффект предварительного нагрева отсутствует; оплавление у поверхности, вызванное силой Марангони, всегда существует, а оплавление вниз на дне небольшого отверстия постепенно исчезает; Поле потока в поперечном сечении не так хорошо, как в серии. Возмущение почти не влияет на поток по обе стороны ванны расплава, а ширина расплава распределяется неравномерно.
Время публикации: 12 октября 2023 г.
