En svetsmetod med dubbla strålar föreslås, som huvudsakligen används för att förbättra anpassningsförmågan för lasersvetsning till monteringsnoggrannhet, öka stabiliteten i svetsprocessen och förbättra svetsens kvalitet. Det är särskilt lämpligt för svetsning av tunna plattor, aluminiumlegeringar och andra material.
Metoden med dubbla strålar föreslås främst för att förbättra anpassningsförmågan för lasersvetsning till monteringsnoggrannhet, öka stabiliteten i svetsprocessen och förbättra svetsens kvalitet. Det är särskilt lämpligt för svetsning av tunna plattor och aluminiumlegeringar. Lasersvetsning med dubbla strålar kan inte bara använda optiska metoder för att dela upp samma typ av laser i två oberoende laserstrålar för svetsning, utan använder också två olika typer av lasrar för kombinerad svetsning. CO2-lasrar, ND: YAG-lasrar, halvledarlasrar med hög effekt, etc. kan kombineras med varandra. Genom att ändra strålens energi, avståndet mellan balkarna och till och med energidistributionsläget för de två laserstrålarna, kan svetstemperaturfältet vara bekvämt och flexibelt justerat, och därigenom förändras förekomsten av hål och flödet av flytande metall i den molna poolen, vilket ger ett bredare utbud av val för svetsningsteknologi, som är obemärkt med enstaka strålar. Det har inte bara fördelarna med lasersvetsning penetration, snabb hastighet och hög precision, utan har också stark anpassningsförmåga till material och leder som är svåra att svetsa med konventionell lasersvetsning.
1. Principen om dubbelstrålslasersvetsning
Svetsning med dubbla strålar avser användning av två laserstrålar samtidigt under svetsprocessen. Strålarrangemang, strålavstånd, vinkeln som bildas av de två strålarna, fokuspositionen och energikvoten för de två strålarna är alla relevanta inställningsparametrar i dubbelstrålslasersvetsning. Vanligtvis under svetsprocessen finns det vanligtvis två sätt att ordna de dubbla balkarna. Som visas i figuren är en att ordna dem i serie längs svetsriktningen. Detta arrangemang kan minska kylningshastigheten för den smälta poolen, minska svetsens härdningstendens och generering av porer. Den andra är att ordna balkarna sida vid sida eller korsa på båda sidor av svetsen för att öka anpassningsförmågan till svetsgapet.
För det dubbla strålens lasersvetsningssystem arrangerat i serie finns det tre olika svetsmekanismer enligt avståndet mellan de två balkarna.
1)I den första svetsmekanismen är avståndet mellan de två balkarna stort, en balk har en högre energitäthet och är inriktad på ytan på arbetsstycket och producerar små hål under svetsning; Den andra strålen har en lägre energitäthet och används endast som värmekälla för försvetsning eller värmebehandling efter svetsning. Denna svetsmekanism gör det möjligt att styra kylningshastigheten för svetspoolen inom ett visst område, vilket är fördelaktigt för svetsning av sprickkänsliga material såsom högt kolstål och legeringsstål, och kan också förbättra svetsens seghet.
2)I den andra svetsmekanismen är avståndet mellan de två laserfocierna relativt litet. De två laserstrålarna producerar två oberoende små hål i en enda smält pool och därmed ändrar flödesmönstret för den smälta metallen. Detta hjälper till att förhindra defekter såsom underskurna och svetskrinning och förbättra svetsbildning.
3) I den tredje svetsmekanismen är avståndet mellan de två laserstrålarna mycket litet, och de två laserstrålarna producerar samma nyckelhål i svetspoolen. Jämfört med lasersvetsning med enkelstrålar är detta nyckelhål större i storlek och är inte lätt att stänga, vilket gör svetsprocessen mer stabil och lättare att ladda bort gas. Detta bidrar till att minska porerna och stänk och erhålla kontinuerliga, enhetliga och vackra svetsar.
Under svetsprocessen kan de två laserstrålarna också ställas in i en viss vinkel, och dess svetsmekanism liknar den parallella dubbelstrålssvetsmekanismen. Testresultaten visar att genom att kombinera två högeffekt OO-laserstrålar i en vinkel på 30 grader och ett avstånd på 1 ~ 2 mm kan ett trattformat nyckelhål erhållas. Keyhole är större och mer stabilt, vilket effektivt kan förbättra svetskvaliteten. I praktiska tillämpningar kan olika kombinationer av två laserstrålar justeras enligt olika svetsförhållanden för att uppnå olika svetsprocesser.
2. Implementeringsmetod för lasersvets med dubbla strålar
Dual-stråle-utgång kan uppnås genom att kombinera två olika laserstrålar eller använda ett optiskt strålsdelningssystem för att dela en laserstråle i två strålar för svetsning. För att dela en laserstråle i två strålar med olika krafter kan en parallell laser, en stråldelare eller några speciella optiska system användas. Figuren visar två stråldelningsprinciper med hjälp av en fokuserande lins som en stråldelare.
Dessutom kan en reflektor användas som en stråldelare, och den sista reflektorn i den optiska vägen används som en stråldelare. Denna reflektor kallas också en åsreflektor. Dess reflektionsyta är inte ett enda plan utan består av två plan. Korsningen mellan de två reflektionsytorna är beläget i mitten av spegelytan, som ser ut som en åsens linje, som visas i figuren. En parallell stråle projiceras på stråldelaren, reflekteras av två plan i olika vinklar i två balkar, bestrålade till olika positioner på fokuslinsen och fokuseras för att få två balkar med ett visst avstånd på arbetsstyckets yta. Genom att ändra vinkeln mellan de två reflekterande ytorna och kammarens läge kan delade balkar med olika brännvidder och arrangemang erhållas.
När två olika typer av laserstrålar används för att bilda en dubbel stråle finns det många kombinationer. En högkvalitativ CO2-laser med en Gaussisk energidistribution kan användas för det huvudsakliga svetsarbetet, kompletterat av en halvledarlaser med en rektangulär energidistribution för värmebehandling. Denna kombination är ekonomisk å ena sidan, och kraften hos de två laserstrålarna kan justeras oberoende å andra sidan. För olika ledformer kan ett justerbart temperaturfält erhållas genom att justera laserens överlappande position och halvledarlaser, vilket är mycket lämpligt för svetsprocesskontroll. Dessutom kan YAG -lasrar och CO2 -lasrar kombineras till dubbla balkar för svetsning, kontinuerliga lasrar kan kombineras med pulserade lasrar för svetsning och fokuserade balkar kan kombineras med defokuserade balkar för svetsning.
3. Princip för lasersvetsning med dubbla strålar
3.1 Lasersvetsning av dubbelstrålar av galvaniserat ark
Galvaniserat stålplåt är det mest använda materialet i bilindustrin. Smältpunkten för stål är cirka 1500 grader, medan kokpunkten för zink bara är 906 grader. Därför, när svetsmetoden antas, genereras vanligtvis en stor mängd zinkånga, vilket resulterar i en instabil svetsprocess och bildning av porer i svetsen. För varvförbindningar förekommer flyktigheten av det galvaniserade skiktet inte bara på de övre och nedre ytorna, utan också vid foggränssnittet. Under svetsprocessen sprutar zinkånga snabbt ut ur den smälta poolytan i vissa områden, medan zinkånga är svårt att fly från den smälta poolytan i vissa områden, vilket resulterar i extremt instabil svetskvalitet.
Lasersvetsning med dubbla strålar kan lösa svetskvalitetsproblemet orsakat av zinkånga. En metod är att kontrollera uppehållstiden och kylningshastigheten för den smälta poolen genom att rimligen matcha energin från de två laserstrålarna, vilket bidrar till flykten av zinkånga; En annan metod är att låta zinkånga fly genom förborrning eller spår. Som visas i figuren nedan används en CO2 -laser för svetsning, och en YAG -laser på framsidan av CO2 -lasern används för borrning eller spår. De förbehandlade hålen eller spåren ger en flyktkanal för zinkånga som genereras genom efterföljande svetsning, vilket förhindrar att den behålls i den smälta poolen och bildar defekter.
3.2 Lasersvetsning med två strålar av aluminiumlegering
På grund av de unika egenskaperna hos aluminiumlegeringsmaterial har lasersvetsning följande svårigheter: aluminiumlegering har en låg absorptionshastighet för laser, och den initiala reflektiviteten hos CO2 -laserstrålytan överstiger 90%; Aluminiumlegeringslasersvetsar är benägna att porerna och sprickor under svetsning; Och det är en förlust av legeringselement under svetsning. När lasersvetsning av enkelstrålar används är nyckelhålet svårt att bilda och svårt att upprätthålla stabilitet. När lasersvetsning med dubbla strålar används kan nyckelhålstorleken ökas för att göra det svårt att stänga, vilket bidrar till gasutsläpp. Samtidigt kan kylningshastigheten reduceras för att minska genereringen av porer och svetssprickor. Eftersom svetsprocessen är mer stabil och mängden stänk reduceras är svetsytbildningen erhållen genom dubbelstrålsvetsning av aluminiumlegering också betydligt bättre än för enkelstrålen. Figuren nedan visar morfologin hos 3 mm tjocka aluminiumlegeringsfogar svetsade av CO2-laserstråle med en strål och dubbelstråle.
Studies have shown that when welding 2mm thick 5000 series aluminum alloy, when the spacing between the two beams is 0.6~1.0mm, the welding process is relatively stable, and the keyhole opening formed is larger, which is conducive to the evaporation and escape of magnesium during welding. Om avståndet mellan de två balkarna är för litet liknar svetsprocessen en enkelstrålsvetsning och är inte lätt att vara stabil; Om avståndet är för stort kommer det att påverka svetspenetrationen, såsom visas i figuren nedan. Dessutom har energikvoten för de två balkarna också en betydande effekt på svetskvaliteten. När de två balkarna svetsas i serie med ett avstånd på 0,9 mm är det fördelaktigt att på lämpligt sätt öka energin i föregående stråle så att energibiten för de två balkarna är större än 1: 1, vilket hjälper till att förbättra svetsens kvalitet och öka smältområdet. Även med en högre svetshastighet kan en slät och vacker svets erhållas.
3.3 Svetsning av dubbla strålar av ojämlika tjockleksplattor
I industriell produktion är det ofta nödvändigt att svetsa två eller flera metallplattor med olika tjocklekar och former tillsammans för att bilda en skarvad platta. Speciellt vid biltillverkning blir appliceringen av skarvade plattor mer och mer omfattande.
Genom att svetsa plattor med olika specifikationer, ytbeläggningar eller egenskaper tillsammans kan styrka förbättras, energiförbrukningen kan minskas och vikten kan minskas. Vid svetsning av skarvade plattor används lasersvetsning av plattor med olika tjocklekar vanligtvis. Det största problemet är att arbetsstycket som ska svetsas måste förbehandlas med högkantens noggrannhet och säkerställa högprecisionsmontering. För plattor med ojämlik tjocklek kan svetsning med dubbla strålar anpassa sig till skillnaderna i plattgap, rumpa, relativa tjocklekar och material och kan svetsa plattor med stora kant- och gaptoleranser, vilket förbättrar svetshastigheten och svetskvaliteten.
Huvudprocessparametrarna för svetsning med dubbla strålar av plattor med ojämlik tjocklek kan delas upp i svetsparametrar och plattparametrar, såsom visas i figuren. Svetsparametrar inkluderar kraften hos de två laserstrålarna, svetshastigheten, fokalposition, svetshuvudvinkel, strålrotationsvinkel för dubbla strålar vid rumpfogen och svetsavvikelse. Plattparametrar inkluderar materialstorlek, prestanda, kantklippning och plattgap. Kraften hos de två laserstrålarna kan justeras separat enligt olika svetsändamål.
Vanligtvis, när fokus ligger på ytan på den tunna plattan, är svetsprocessen stabil och effektiv. Svetshuvudvinkeln väljs vanligtvis vid cirka 6 grader. Om tjockleken på de två plattorna är stor, kan en positiv svetshuvudvinkel användas, det vill säga lasern lutas mot den tunna plattan som visas i figuren. När plattans tjocklek är liten kan en negativ svetshuvudvinkel användas. Svetsavvikelsen definieras som avståndet mellan laserfokus och kanten på den tjocka plattan. Genom att justera svetsavvikelsen kan svetskonkaviteten reduceras för att få ett bra svetskorsavsnitt.
Vid svetsplattor med stora luckor kan den effektiva stråluppvärmningsdiametern ökas genom att rotera den dubbla strålvinkeln för att uppnå god gapfyllningsförmåga. Bredden på svetsens topp bestäms av den effektiva stråldiametern för de två laserstrålarna, det vill säga med strålrotationsvinkeln. Ju större rotationsvinkeln, desto bredare är det dubbla stråleuppvärmningsområdet och desto bredare svetsens övre bredd. De två laserstrålarna spelar olika roller i svetsprocessen, en stråle används huvudsakligen för att penetrera fogen, och den andra strålen används huvudsakligen för att smälta det tjocka plattmaterialet för att fylla luckan. Som visas i figuren nedan, under den positiva strålrotationsvinkeln (främre strålen verkar på den tjocka plattan och den bakre strålen verkar på svetsen), träffar den främre strålen den tjocka plattan, värmer det smälta materialet och de efterföljande laserstrålarna ger penetration. Den första laserstrålen framtill kan bara delvis smälta den tjocka plattan, men den bidrar starkt till svetsprocessen eftersom den inte bara smälter sidan av den tjocka plattan för att bättre fylla gapet, utan också förbehåller ledmaterialet, vilket gör det lättare för den efterföljande balken att penetrera fogen och därmed öka svetshastigheten. I svetsning med dubbla strålar med en negativ rotationsvinkel (framstrålen verkar på svetsen och den bakre strålen verkar på den tjocka plattan) verkar de två laserstrålarna på motsatta sätt. Den främre strålen penetrerar fogen, och den bakre strålen smälter den tjocka plattan och fyller gapet.
För närvarande måste den främre strålelasern tränga in i den kalla plattan, och svetshastigheten är lägre än den för den positiva strålrotationsvinkeln. Samtidigt, på grund av förvärmningseffekten av den främre strålen, kommer den bakre strålen att smälta mer tjocka plattmaterial med samma kraft. För närvarande bör kraften i den andra laserstrålen minskas på lämpligt sätt. Som jämförelse kan den positiva strålrotationsvinkeln på lämpligt sätt öka svetshastigheten, medan den negativa strålrotationsvinkeln kan uppnå bättre gapfyllningseffekt. Figuren nedan visar effekten av olika strålrotationsvinklar på svetstvärsnittet.
3.4 Lasersvetsning med dubbla strålar
Med förbättringen av lasereffektnivå och strålkvalitet har tjock platta -lasersvetsning blivit verklighet. På grund av de höga kostnaderna för högeffektiva lasrar och det allmänna behovet av metallfyllning i tjock plattsvetsning är det emellertid föremål för vissa begränsningar i den faktiska produktionen. Användningen av dubbelstrålslasersvetsningsteknologi förbättrar inte bara laserkraften, utan ökar också den effektiva uppvärmningsdiametern för strålen, förbättrar smältkapaciteten för fyllningstråden, stabiliserar lasernyckeln, förbättrar svetstabiliteten och förbättrar därmed svetskvaliteten.
