Предлагается метод двухлучевой сварки, главным образом для решения вопроса адаптации.лазерная сваркаДвухлучевая лазерная сварка позволяет повысить точность сборки, улучшить стабильность процесса сварки и качество сварного шва, особенно при сварке тонких пластин и алюминиевых сплавов. Она использует оптические методы для разделения одного и того же лазерного луча на два отдельных световых пучка. Также возможно комбинирование двух различных типов лазеров: CO2-лазера, Nd:YAG-лазера и мощного полупроводникового лазера. Изменяя энергию луча, расстояние между лучами и даже распределение энергии двух лучей, можно удобно и гибко регулировать температурное поле сварки, изменяя характер образования отверстий и характер течения жидкого металла в расплавленной ванне, обеспечивая лучшее решение для процесса сварки. Однолучевая лазерная сварка обладает широкими возможностями выбора, недоступными для других методов. Она не только имеет преимущества большой глубины проплавления, высокой скорости и точности, но и обладает отличной адаптивностью к материалам и соединениям, которые трудно сваривать с помощью традиционной лазерной сварки.
Принципдвухлучевая лазерная сварка
Двухлучевая сварка подразумевает использование двух лазерных лучей одновременно в процессе сварки. Расположение лучей, расстояние между ними, угол между ними, положение фокусировки и соотношение энергии двух лучей — все это важные параметры двухлучевой лазерной сварки. Обычно в процессе сварки используются два способа расположения двух лучей. Как показано на рисунке, один из них — расположение лучей последовательно вдоль направления сварки. Такое расположение позволяет снизить скорость охлаждения расплавленной ванны, уменьшить склонность сварного шва к закаливанию и образование пор. Другой способ — расположение лучей бок о бок или крест-накрест по обеим сторонам сварного шва для улучшения адаптации к зазору.
Принцип двухлучевой лазерной сварки
Двухлучевая сварка подразумевает использование двух лазерных лучей одновременно в процессе сварки. Расположение лучей, расстояние между ними, угол между ними, положение фокусировки и соотношение энергии двух лучей — все это важные параметры двухлучевой лазерной сварки. Обычно в процессе сварки используются два способа расположения двух лучей. Как показано на рисунке, один из них — расположение лучей последовательно вдоль направления сварки. Такое расположение позволяет снизить скорость охлаждения расплавленной ванны, уменьшить склонность сварного шва к закаливанию и образование пор. Другой способ — расположение лучей бок о бок или крест-накрест по обеим сторонам сварного шва для улучшения адаптации к зазору.
В системе лазерной сварки с тандемным расположением двухлучевых лазеров существует три различных механизма сварки в зависимости от расстояния между передним и задним лучами, как показано на рисунке ниже.
1. В первом типе сварочного механизма расстояние между двумя световыми лучами относительно велико. Один световой луч обладает большей плотностью энергии и фокусируется на поверхности заготовки для образования сквозных отверстий в сварном шве; другой световой луч имеет меньшую плотность энергии и используется только в качестве источника тепла для предварительной или последующей термообработки сварного шва. Использование этого сварочного механизма позволяет контролировать скорость охлаждения сварочной ванны в определенном диапазоне, что полезно при сварке некоторых материалов с высокой чувствительностью к растрескиванию, таких как высокоуглеродистая сталь, легированная сталь и т. д., а также может повысить ударную вязкость сварного шва.
2. Во втором типе сварочного механизма фокусное расстояние между двумя световыми лучами относительно невелико. Два световых луча создают две независимые сварочные ванны, что изменяет характер течения жидкого металла и помогает предотвратить заклинивание. Это позволяет устранить такие дефекты, как неровности кромок и выпуклости сварочного шва, и улучшить качество сварного шва.
3. В третьем типе сварочного механизма расстояние между двумя световыми лучами очень мало. В этом случае оба световых луча создают одинаковую сквозную ванну в сварочной прослойке. По сравнению с однолучевой лазерной сваркой, поскольку размер сквозной ванны становится больше и ее сложнее закрыть, процесс сварки более стабилен, а газ легче отводится, что способствует уменьшению пор и брызг, а также получению непрерывных, равномерных и красивых сварных швов.
В процессе сварки два лазерных луча также могут быть расположены под определенным углом друг к другу. Механизм сварки аналогичен механизму параллельной двухлучевой сварки. Результаты испытаний показывают, что при использовании двух мощных лазерных лучей, расположенных под углом 30° друг к другу на расстоянии 1–2 мм, лазерный луч может получить воронкообразную сквозную полость. Размер сквозной полости больше и стабильнее, что позволяет эффективно улучшить качество сварки. В практических приложениях взаимное сочетание двух световых лучей может изменяться в зависимости от условий сварки для достижения различных процессов сварки.
6. Способ выполнения двухлучевой лазерной сварки
Получение двойных лучей может быть достигнуто путем объединения двух разных лазерных лучей, или же один лазерный луч может быть разделен на два лазерных луча для сварки с помощью системы оптической спектрометрии. Для разделения светового луча на два параллельных лазерных луча разной мощности может использоваться спектроскоп или специальная оптическая система. На рисунке показаны две схематические диаграммы принципов разделения света с использованием фокусирующих зеркал в качестве разделителей лучей.
Кроме того, отражатель может также использоваться в качестве разделителя лучей, причем последний отражатель в оптическом тракте может выступать в роли разделителя лучей. Такой тип отражателя также называется отражателем типа «крыша». Его отражающая поверхность не является плоской, а состоит из двух плоскостей. Линия пересечения двух отражающих поверхностей расположена посередине зеркальной поверхности, подобно коньку крыши, как показано на рисунке. Пучок параллельного света падает на спектроскоп, отражается от двух плоскостей под разными углами, образуя два световых пучка, и падает на разные положения фокусирующего зеркала. После фокусировки на поверхности заготовки на определенном расстоянии образуются два световых пучка. Изменяя угол между двумя отражающими поверхностями и положение «крыши», можно получить разделенные световые пучки с различными фокусными расстояниями и конфигурациями.
При использовании двух разных типовлазерные лучи тДля формирования двойного луча существует множество комбинаций. Для основных сварочных работ можно использовать высококачественный CO2-лазер с гауссовым распределением энергии, а для вспомогательной термообработки — полупроводниковый лазер с прямоугольным распределением энергии. С одной стороны, такая комбинация более экономична. С другой стороны, мощность двух световых лучей можно регулировать независимо. Для различных форм соединений можно получить регулируемое температурное поле, регулируя положение перекрытия лазера и полупроводникового лазера, что очень удобно для управления сварочным процессом. Кроме того, для сварки можно комбинировать YAG-лазер и CO2-лазер в двойной луч, можно комбинировать непрерывный и импульсный лазеры, а также сфокусированный и расфокусированный лучи.
7. Принцип двухлучевой лазерной сварки
3.1 Двухлучевая лазерная сварка оцинкованных листов
Оцинкованная сталь является наиболее распространенным материалом в автомобильной промышленности. Температура плавления стали составляет около 1500 °C, в то время как температура кипения цинка всего 906 °C. Поэтому при использовании метода сварки плавлением обычно образуется большое количество паров цинка, что делает процесс сварки нестабильным и приводит к образованию пор в сварном шве. В случае нахлесточных соединений испарение оцинкованного слоя происходит не только на верхней и нижней поверхностях, но и на поверхности соединения. В процессе сварки пары цинка быстро выбрасываются из расплавленной ванны в некоторых областях, в то время как в других областях выход паров цинка из расплавленной ванны затруднен. На поверхности ванны качество сварки очень нестабильно.
Двухлучевая лазерная сварка позволяет решить проблемы качества сварки, вызванные парами цинка. Один из методов заключается в контроле времени существования и скорости охлаждения расплавленной ванны путем разумного согласования энергии двух лучей для облегчения выхода паров цинка; другой метод — высвобождение паров цинка путем предварительной пробивки или нарезки канавок. Как показано на рисунке 6-31, для сварки используется CO2-лазер. YAG-лазер расположен перед CO2-лазером и используется для сверления отверстий или нарезки канавок. Предварительно обработанные отверстия или канавки обеспечивают путь выхода паров цинка, образующихся во время последующей сварки, предотвращая их задержку в расплавленной ванне и образование дефектов.
3.2 Двухлучевая лазерная сварка алюминиевого сплава
Из-за особых характеристик алюминиевых сплавов при использовании лазерной сварки возникают следующие трудности [39]: алюминиевый сплав имеет низкую степень поглощения лазера, а начальная отражательная способность поверхности лазерного луча CO2 превышает 90%; в сварных швах из алюминиевого сплава легко образуются пористость, трещины; происходит пригорание легирующих элементов во время сварки и т. д. При использовании однолучевой лазерной сварки трудно создать сквозное отверстие и поддерживать его стабильность. Двухлучевая лазерная сварка позволяет увеличить размер сквозного отверстия, что затрудняет его закрытие и способствует отводу газа. Она также позволяет снизить скорость охлаждения и уменьшить образование пор и сварочных трещин. Поскольку процесс сварки более стабилен, а количество брызг уменьшается, форма сварного шва, полученная при двухлучевой сварке алюминиевых сплавов, также значительно лучше, чем при однолучевой сварке. На рисунке 6-32 показан внешний вид сварного шва стыковой сварки алюминиевого сплава толщиной 3 мм с использованием однолучевой и двухлучевой лазерной сварки CO2.
Исследования показывают, что при сварке алюминиевого сплава серии 5000 толщиной 2 мм, если расстояние между двумя лучами составляет 0,6–1,0 мм, процесс сварки относительно стабилен, а образующееся отверстие в форме замочной скважины больше, что способствует испарению и выходу магния в процессе сварки. Если расстояние между двумя лучами слишком мало, процесс сварки одним лучом будет нестабильным. Если расстояние слишком велико, это повлияет на проплавление, как показано на рисунке 6-33. Кроме того, соотношение энергии двух лучей также оказывает большое влияние на качество сварки. При последовательной сварке двух лучей с расстоянием 0,9 мм энергию предыдущего луча следует соответствующим образом увеличить, чтобы соотношение энергии двух лучей до и после было больше 1:1. Это помогает улучшить качество сварочного шва, увеличить площадь плавления и при этом получить гладкий и красивый сварочный шов при высокой скорости сварки.
3.3 Двухлучевая сварка пластин неравной толщины
В промышленном производстве часто возникает необходимость сваривать две или более металлических пластин различной толщины и формы для образования стыкового соединения. Особенно в автомобилестроении все более распространенным становится применение сварных заготовок, изготовленных по индивидуальным требованиям. Сварка пластин с различными характеристиками, поверхностными покрытиями или свойствами позволяет повысить прочность, сократить расход материалов и снизить качество. Лазерная сварка пластин различной толщины обычно используется при сварке панелей. Основная проблема заключается в том, что свариваемые пластины должны быть предварительно обработаны с высокоточной обработкой кромок и обеспечивать высокоточную сборку. Использование двухлучевой сварки пластин неравной толщины позволяет адаптироваться к различным изменениям зазоров между пластинами, стыковых соединений, относительной толщины и материалов пластин. Это позволяет сваривать пластины с большими допусками по кромкам и зазорам, а также повышать скорость и качество сварки.
Основные параметры процесса сварки пластин неравной толщины в Шуангуандуне можно разделить на параметры сварки и параметры пластины, как показано на рисунке. Параметры сварки включают мощность двух лазерных лучей, скорость сварки, положение фокуса, угол наклона сварочной головки, угол поворота луча при двухлучевом стыковом соединении и смещение сварки и т. д. Параметры пластины включают размер материала, характеристики, условия обрезки, зазоры пластины и т. д. Мощность двух лазерных лучей может регулироваться отдельно в зависимости от цели сварки. Положение фокуса обычно располагается на поверхности тонкой пластины для достижения стабильного и эффективного процесса сварки. Угол наклона сварочной головки обычно выбирается около 6°. Если толщина двух пластин относительно велика, можно использовать положительный угол наклона сварочной головки, то есть лазер наклоняется в сторону тонкой пластины, как показано на рисунке; когда толщина пластины относительно мала, можно использовать отрицательный угол наклона сварочной головки. Смещение сварки определяется как расстояние между фокусом лазера и краем толстой пластины. Регулируя сварочный вылет, можно уменьшить величину сварочной вмятины и получить качественное поперечное сечение сварного шва.
При сварке пластин с большими зазорами можно увеличить эффективный диаметр нагрева луча, повернув угол двойного луча, чтобы добиться хорошего заполнения зазора. Ширина верхней части сварного шва определяется эффективным диаметром двух лазерных лучей, то есть углом поворота луча. Чем больше угол поворота, тем шире диапазон нагрева двойным лучом и тем больше ширина верхней части сварного шва. Два лазерных луча играют разные роли в процессе сварки. Один в основном используется для проплавления шва, а другой — для расплавления толстого листового материала с целью заполнения зазора. Как показано на рисунке 6-35, при положительном угле поворота луча (передний луч воздействует на толстую пластину, задний луч — на сварной шов), передний луч падает на толстую пластину, нагревая и расплавляя материал, а следующий лазерный луч создает проплавление. Первый лазерный луч спереди может лишь частично расплавить толстую пластину, но он вносит значительный вклад в процесс сварки, поскольку не только расплавляет боковые стороны толстой пластины для лучшего заполнения зазоров, но и предварительно соединяет материал шва, благодаря чему последующие лучи легче сваривают швы, обеспечивая более быструю сварку. При двухлучевой сварке с отрицательным углом поворота (передний луч воздействует на шов, а задний — на толстую пластину) два луча оказывают прямо противоположное воздействие. Первый луч расплавляет шов, а второй — толстую пластину, заполняя зазор. В этом случае передний луч должен сваривать холодную пластину, и скорость сварки ниже, чем при использовании положительного угла поворота луча. Кроме того, из-за эффекта предварительного нагрева предыдущего луча, второй луч расплавит больше материала толстой пластины при той же мощности. В этом случае мощность второго лазерного луча следует соответствующим образом уменьшить. В сравнении с этим, использование положительного угла поворота луча позволяет соответствующим образом увеличить скорость сварки, а использование отрицательного угла поворота луча обеспечивает лучшее заполнение зазоров. На рисунке 6-36 показано влияние различных углов поворота луча на поперечное сечение сварного шва.
3.4 Двухлучевая лазерная сварка толстых листов больших размеров. Благодаря повышению мощности лазера и улучшению качества луча, лазерная сварка толстых листов больших размеров стала реальностью. Однако, поскольку мощные лазеры дороги, а сварка толстых листов больших размеров обычно требует использования присадочного металла, в реальном производстве существуют определенные ограничения. Использование технологии двухлучевой лазерной сварки позволяет не только увеличить мощность лазера, но и увеличить эффективный диаметр нагрева луча, повысить способность расплавлять присадочную проволоку, стабилизировать лазерное отверстие, улучшить стабильность сварки и повысить ее качество.
Дата публикации: 29 апреля 2024 г.
