По сравнению с традиционными технологиями сварки,лазерная сваркаОбладает непревзойденными преимуществами в точности сварки, эффективности, надежности, автоматизации и других аспектах. В последние годы она стремительно развивается в автомобильной, энергетической, электронной и других отраслях и считается одной из наиболее перспективных производственных технологий XXI века.
1. Обзор двухлучевой системылазерная сварка
Двухлучевойлазерная сваркаПредлагается использовать оптические методы для разделения одного и того же лазерного луча на два отдельных световых пучка для сварки, или комбинировать два разных типа лазеров, таких как CO2-лазер, Nd:YAG-лазер и мощный полупроводниковый лазер. Все они могут быть объединены. Предложение было выдвинуто главным образом для решения проблемы адаптации лазерной сварки к точности сборки, повышения стабильности процесса сварки и улучшения качества сварного шва. Двухлучевая сваркалазерная сваркаПозволяет удобно и гибко регулировать температурное поле сварки, изменяя соотношение энергии лучей, расстояние между лучами и даже схему распределения энергии двух лазерных лучей, изменяя характер образования сварочной ванны и характер течения жидкого металла в расплавленной ванне. Это обеспечивает более широкий выбор сварочных процессов. Преимущества заключаются не только в большом количестве вариантов.лазерная сваркаОбладает высокой проницаемостью, высокой скоростью и точностью сварки, а также подходит для материалов и соединений, которые трудно сваривать традиционными методами.лазерная сварка.
Для двухлучевой системылазерная сваркаВначале мы обсудим методы реализации двухлучевой лазерной сварки. Обширная литература показывает, что существует два основных способа достижения двухлучевой сварки: фокусировка в проходящем свете и фокусировка в отражающем свете. В частности, один из них достигается путем регулирования угла и расстояния между двумя лазерами с помощью фокусирующих и коллимирующих зеркал. Другой способ достигается путем использования лазерного источника и последующей фокусировки с помощью отражающих, пропускающих и клиновидных зеркал для получения двух лучей. Для первого метода существует три основных варианта. Первый вариант заключается в соединении двух лазеров через оптические волокна и разделении их на два разных луча с помощью одного и того же коллимирующего и фокусирующего зеркал. Второй вариант заключается в том, что два лазера выводят лазерные лучи через свои сварочные головки, и двойной луч формируется путем регулирования пространственного положения сварочных головок. Третий вариант заключается в том, что лазерный луч сначала разделяется с помощью двух зеркал 1 и 2, а затем фокусируется двумя фокусирующими зеркалами 3 и 4 соответственно. Положение и расстояние между двумя фокусными пятнами можно регулировать, изменяя углы двух фокусирующих зеркал 3 и 4. Второй метод заключается в использовании твердотельного лазера для разделения света с целью получения двух пучков, а также в регулировке угла и расстояния между ними с помощью перспективного зеркала и фокусирующего зеркала. На последних двух рисунках в первом ряду ниже показана спектроскопическая система CO2-лазера. Плоское зеркало заменено клиновидным зеркалом и размещено перед фокусирующим зеркалом для разделения света и получения двух параллельных пучков света.
После ознакомления с принципами работы двухбалочной сварки, кратко рассмотрим принципы и методы сварки. В двухбалочной сваркелазерная сваркаВ процессе сварки существует три распространенных варианта расположения сварочных лучей: последовательное, параллельное и гибридное. Как показано в последней строке рисунка, в зависимости от формы небольших отверстий и расплавленных ванн, появляющихся при различном расстоянии между точками во время последовательной сварки, их можно разделить на три состояния: расплавленная ванна, общая расплавленная ванна и разделенная расплавленная ванна. Характеристики одной расплавленной ванны и разделенной расплавленной ванны аналогичны характеристикам одной расплавленной ванны.лазерная сваркаКак показано на диаграмме численного моделирования. Для разных типов наблюдаются различные эффекты процесса.
Тип 1: При определенном расстоянии между точками два световых луча образуют в одной расплавленной ванне общее большое отверстие; для типа 1 сообщается, что один световой луч используется для создания небольшого отверстия, а другой — для термообработки при сварке, что может эффективно улучшить структурные свойства высокоуглеродистой и легированной стали.
Тип 2: Увеличение расстояния между точками облучения в одной и той же электронно-лучевой ванне, разделение двух лучей на две независимые сварочные ванны и изменение характера течения расплавленной ванны; для типа 2 его функция эквивалентна сварке двумя электронными лучами, уменьшает разбрызгивание металла и неровности сварных швов при соответствующем фокусном расстоянии.
Тип 3: Дальнейшее увеличение расстояния между точками сварки и изменение соотношения энергии двух лучей, так что один из лучей используется в качестве источника тепла для предварительной или последующей обработки во время сварки, а другой луч используется для создания небольших отверстий. В случае типа 3 исследование показало, что два луча образуют сквозное отверстие, которое нелегко разрушить, и в сварном шве нелегко образуются поры.
2. Влияние процесса сварки на качество сварки.
Влияние последовательного 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) показана на рисунке. При RS = 0,50 и 2,00 сварной шов деформируется сильнее, и на его краях образуется больше брызг, без формирования регулярных узоров в виде рыбьей чешуи. Это происходит потому, что при слишком малом или слишком большом соотношении энергии луча энергия лазера слишком концентрируется, вызывая более сильные колебания лазерного точечного отверстия во время сварки, а давление пара вызывает выброс и разбрызгивание расплавленного металла в расплавленной ванне; чрезмерный подвод тепла приводит к слишком большой глубине проплавления расплавленной ванны со стороны алюминиевого сплава, вызывая деформацию под действием силы тяжести. При RS = 0,67 и 1,50 рисунок «рыбья чешуя» на поверхности сварного шва однородный, форма шва более красивая, и на поверхности шва отсутствуют видимые сварочные трещины, поры и другие дефекты. Формы поперечного сечения сварных швов с различными соотношениями энергии лазерного луча RS показаны на рисунке. Поперечное сечение сварных швов имеет типичную форму «бокала», что указывает на то, что процесс сварки проводился в режиме глубокопроплавной лазерной сварки. RS оказывает важное влияние на глубину проплавления P2 сварного шва со стороны алюминиевого сплава. При соотношении энергии луча RS = 0,5 глубина проплавления P2 составляет 1203,2 мкм. При соотношении энергии луча RS = 0,67 и 1,5 глубина проплавления P2 значительно уменьшается и составляет 403,3 мкм и 93,6 мкм соответственно. При соотношении энергии луча RS = 2 глубина проплавления поперечного сечения сварного шва составляет 1151,6 мкм.
Влияние соотношения энергии параллельного пучка на формирование сварочного шва
При мощности лазера 2,8 кВт, скорости сварки 33 мм/с, величине расфокусировки 0 мм и расстоянии между лучами 1 мм, поверхность сварного шва, полученная путем изменения соотношения энергии лучей (RS = 0,25, 0,5, 0,67, 1,5, 2, 4), показана на рисунке. При RS = 2 рисунок в виде рыбьей чешуи на поверхности сварного шва имеет относительно неровную форму. Поверхность сварного шва, полученная при других пяти различных соотношениях энергии лучей, хорошо сформирована, и отсутствуют видимые дефекты, такие как поры и брызги. Поэтому, по сравнению с последовательным двухлучевым лазером, поверхность сварного шва имеет более четкую форму, без видимых дефектов, таких как поры и брызги.лазерная сваркаПри использовании параллельных двухлучевых печатных плат поверхность сварного шва получается более однородной и красивой. При RS=0,25 в сварном шве наблюдается небольшое углубление; по мере постепенного увеличения отношения энергии печатной платы (RS=0,5, 0,67 и 1,5) поверхность сварного шва становится однородной, углублений не образуется; однако при дальнейшем увеличении отношения энергии печатной платы (RS=1,50, 2,00) на поверхности сварного шва появляются углубления. При отношении энергии печатной платы RS=0,25, 1,5 и 2 поперечное сечение сварного шва имеет форму «бокала»; при RS=0,50, 0,67 и 1 поперечное сечение сварного шва имеет форму «воронки». При RS=4 образуются не только трещины в нижней части сварного шва, но и поры в средней и нижней части. При RS=2 внутри сварного шва появляются крупные технологические поры, но трещины отсутствуют. При RS = 0,5, 0,67 и 1,5 глубина проплавления P2 сварного шва со стороны алюминиевого сплава меньше, а поперечное сечение сварного шва хорошо сформировано и не образуются явные дефекты сварки. Это показывает, что соотношение энергии пучка при параллельной двухлучевой лазерной сварке также оказывает важное влияние на проплавление сварного шва и образование дефектов сварки.
Параллельный луч – влияние расстояния между лучами на формирование сварочного шва.
При мощности лазера 2,8 кВт, скорости сварки 33 мм/с, величине расфокусировки 0 мм и коэффициенте энергии луча RS = 0,67, изменение расстояния между лучами (d = 0,5 мм, 1 мм, 1,5 мм, 2 мм) позволяет получить морфологию поверхности сварного шва, показанную на рисунке. При d = 0,5 мм, 1 мм, 1,5 мм, 2 мм поверхность сварного шва гладкая и ровная, имеет красивую форму; рисунок «рыбья чешуя» на сварном шве ровный и красивый, без видимых пор, трещин и других дефектов. Таким образом, при всех четырех значениях расстояния между лучами поверхность сварного шва хорошо сформирована. Кроме того, при d = 2 мм образуются два разных сварных шва, что свидетельствует о том, что два параллельных лазерных луча больше не воздействуют на расплавленную ванну и не могут обеспечить эффективную гибридную двухлучевую лазерную сварку. При расстоянии между лучами 0,5 мм сварной шов имеет «воронкообразную» форму, глубина проплавления P2 сварного шва со стороны алюминиевого сплава составляет 712,9 микрон, и внутри сварного шва отсутствуют трещины, поры и другие дефекты. По мере дальнейшего увеличения расстояния между лучами глубина проплавления 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 микрон. При дальнейшем увеличении расстояния между лучами сварной шов не обеспечивает эффективного проплавления со стороны алюминиевого сплава. Поэтому при расстоянии между лучами 0,5 мм эффект рекомбинации двух лучей является наилучшим. По мере увеличения расстояния между лучами тепловая энергия сварки резко снижается, и эффект рекомбинации двух лучей лазера постепенно ухудшается.
Различия в морфологии сварного шва обусловлены разным течением и охлаждением расплавленной ванны в процессе сварки. Метод численного моделирования позволяет не только сделать анализ напряжений в расплавленной ванне более наглядным, но и снизить экспериментальные затраты. На рисунке ниже показаны изменения в боковой расплавленной ванне при использовании одного луча, различных конфигураций и расстояния между точками. Основные выводы включают: (1) При использовании одного лучалазерная сваркаВ процессе, когда глубина отверстия в расплавленной ванне максимальна, наблюдается явление схлопывания отверстия, стенки отверстия неровные, а распределение поля потока вблизи стенок отверстия неравномерное; вблизи задней поверхности расплавленной ванны происходит сильное обратное течение, и наблюдается восходящее обратное течение в нижней части расплавленной ванны; распределение поля потока на поверхности расплавленной ванны относительно равномерное и медленное, а ширина расплавленной ванны неравномерна по глубине. Между небольшими отверстиями в двухлучевой установке возникает возмущение, вызванное давлением отдачи стенки расплавленной ванны.лазерная сваркаи она всегда существует вдоль направления глубины малых отверстий. По мере увеличения расстояния между двумя пучками плотность энергии пучка постепенно переходит из состояния с одним пиком в состояние с двумя пиками. Между двумя пиками существует минимальное значение, и плотность энергии постепенно уменьшается. (2) Для двух пучковлазерная сваркаПри расстоянии между пятнами 0-0,5 мм глубина небольших отверстий в расплавленной ванне незначительно уменьшается, и общее поведение потока расплавленной ванны аналогично поведению при однолучевом напылении.лазерная сваркаКогда расстояние между точками превышает 1 мм, мелкие отверстия полностью разделяются, и в процессе сварки практически отсутствует взаимодействие между двумя лазерами, что эквивалентно двум последовательным/двум параллельным однолучевым лазерным сваркам мощностью 1750 Вт. Эффект предварительного нагрева практически отсутствует, и поведение потока расплавленной ванны аналогично поведению при однолучевой лазерной сварке. (3) Когда расстояние между точками составляет 0,5-1 мм, поверхность стенок мелких отверстий становится более плоской в обоих вариантах расположения, глубина мелких отверстий постепенно уменьшается, а дно постепенно отделяется. Возмущение между мелкими отверстиями и потоком расплавленной ванны на поверхности наиболее сильное при 0,8 мм. При последовательной сварке длина расплавленной ванны постепенно увеличивается, ширина наибольшая при расстоянии между точками 0,8 мм, и эффект предварительного нагрева наиболее очевиден при расстоянии между точками 0,8 мм. Эффект силы Марангони постепенно ослабевает, и больше жидкого металла поступает по обе стороны расплавленной ванны. Это делает распределение ширины расплава более равномерным. При параллельной сварке ширина расплавленной ванны постепенно увеличивается, достигая максимума при длине 0,8 мм, но предварительного нагрева не происходит; всегда присутствует оплавление вблизи поверхности, вызванное силой Марангони, а нисходящее оплавление в нижней части небольшого отверстия постепенно исчезает; поперечное поле потока не такое хорошее, как при сильной последовательной сварке, возмущения практически не влияют на поток по обе стороны расплавленной ванны, и ширина расплава распределяется неравномерно.
Дата публикации: 12 октября 2023 г.
