Ve srovnání s tradiční svařovací technologií,laserové svařovánímá bezkonkurenční výhody v přesnosti svařování, účinnosti, spolehlivosti, automatizaci a dalších aspektech. V posledních letech se rychle rozvíjí v automobilovém průmyslu, energetice, elektronice a dalších oborech a je považována za jednu z nejslibnějších výrobních technologií 21. století.
1. Přehled dvojitého nosníkulaserové svařování
Dvojitý paprseklaserové svařováníSpočívá v použití optických metod k rozdělení stejného laseru do dvou samostatných paprsků světla pro svařování nebo v použití dvou různých typů laserů ke kombinaci, jako je CO2 laser, Nd:YAG laser a vysoce výkonný polovodičový laser. Všechny lze kombinovat. Bylo navrženo hlavně pro řešení adaptability laserového svařování na přesnost montáže, zlepšení stability svařovacího procesu a zlepšení kvality svaru. Dvojitý paprseklaserové svařováníumožňuje pohodlně a flexibilně upravovat teplotní pole svařování změnou poměru energie paprsku, rozteče paprsků a dokonce i vzoru rozložení energie obou laserových paprsků, čímž se mění vzorec existence klíčové díry a vzorec proudění tekutého kovu v roztavené lázni. Poskytuje širší výběr svařovacích procesů. Má nejen výhody velkéholaserové svařovánípenetrace, vysoká rychlost a vysoká přesnost, ale je vhodný i pro materiály a spoje, které se obtížně svařují konvenčnímilaserové svařování.
Pro dvojitý paprseklaserové svařováníNejprve se budeme zabývat metodami implementace dvojitého laseru. Rozsáhlá literatura ukazuje, že existují dva hlavní způsoby, jak dosáhnout dvojitého svařování: transmisní zaostřování a reflexní zaostřování. Konkrétně se jeden dosahuje nastavením úhlu a rozteče dvou laserů pomocí zaostřovacích zrcadel a kolimačních zrcadel. Druhý se dosahuje použitím laserového zdroje a následným zaostřováním pomocí odrazových zrcadel, transmisních zrcadel a klínových zrcadel k dosažení dvojitých paprsků. První metoda má tři hlavní formy. První formou je propojení dvou laserů optickými vlákny a jejich rozdělení na dva různé paprsky pod stejným kolimačním zrcadlem a zaostřovacím zrcadlem. Druhou metodou je, že dva lasery vydávají laserové paprsky prostřednictvím svých příslušných svařovacích hlav a dvojitý paprsek se vytvoří nastavením prostorové polohy svařovacích hlav. Třetí metodou je, že laserový paprsek je nejprve rozdělen dvěma zrcadly 1 a 2 a poté zaostřován dvěma zaostřovacími zrcadly 3 a 4. Polohu a vzdálenost mezi dvěma ohnisky lze upravit nastavením úhlů dvou zaostřovacích zrcadel 3 a 4. Druhou metodou je použití pevnolátkového laseru k rozdělení světla za účelem dosažení dvojitého paprsku a nastavení úhlu a rozteče pomocí perspektivního zrcadla a zaostřovacího zrcadla. Poslední dva obrázky v prvním řádku níže ukazují spektroskopický systém CO2 laseru. Ploché zrcadlo je nahrazeno klínovým zrcadlem a umístěno před zaostřovací zrcadlo pro rozdělení světla a dosažení dvojitého paralelního světla.
Po pochopení implementace dvojitých nosníků si stručně představme principy a metody svařování. U dvojitého nosníkulaserové svařováníV tomto procesu existují tři běžná uspořádání paprsků, a to sériové uspořádání, paralelní uspořádání a hybridní uspořádání. Tkanina, to znamená, že existuje vzdálenost jak ve směru svařování, tak ve svislém směru svařování. Jak je znázorněno v posledním řádku obrázku, podle různých tvarů malých otvorů a taveninových kaluží, které se objevují pod různými roztečemi bodů během sériového svařování, lze je dále rozdělit na jednotlivé taveniny. Existují tři stavy: lázeň, společná tavenina a oddělená tavenina. Charakteristiky jedné taveniny a oddělené taveniny jsou podobné charakteristikám jednotlivých tavenin.laserové svařování, jak je znázorněno v diagramu numerické simulace. Pro různé typy existují různé procesní efekty.
Typ 1: Při určité bodové rozteči tvoří dva klíčové otvory paprsku společný velký klíčový otvor ve stejné roztavené lázni; u typu 1 se uvádí, že jeden paprsek světla se používá k vytvoření malého otvoru a druhý paprsek světla se používá pro tepelné zpracování svařováním, což může účinně zlepšit strukturální vlastnosti vysoce uhlíkové oceli a legované oceli.
Typ 2: Zvětšení rozteče bodů ve stejné roztavené lázni, oddělení dvou paprsků do dvou nezávislých otvorů a změna proudění v roztavené lázni; u typu 2 je jeho funkce ekvivalentní svařování dvěma elektronovými paprsky, snížení rozstřiku svaru a nepravidelných svarů při vhodné ohniskové vzdálenosti.
Typ 3: Další zvětšení bodové rozteče a změna energetického poměru obou paprsků tak, aby jeden ze dvou paprsků sloužil jako zdroj tepla pro provádění předsvařovacích nebo posvařovacích úprav během svařovacího procesu a druhý paprsek sloužil k vytváření malých otvorů. U typu 3 studie zjistila, že oba paprsky tvoří klíčovou díru, malý otvor se snadno nezhroutí a svar se snadno netvoří póry.
2. Vliv svařovacího procesu na kvalitu svařování
Vliv poměru sériového paprsku k energii na tvorbu svarového švu
Pokud je výkon laseru 2 kW, rychlost svařování je 45 mm/s, míra rozostření je 0 mm a rozteč paprsku je 3 mm, tvar svarové plochy při změně RS (RS = 0,50, 0,67, 1,50, 2,00) je znázorněn na obrázku. Při RS = 0,50 a 2,00 je svar více promáčknutý a na okraji svaru je více rozstřiku, aniž by se vytvářely pravidelné vzory rybích šupin. Je to proto, že když je poměr energie paprsku příliš malý nebo příliš velký, laserová energie je příliš koncentrovaná, což způsobuje, že laserová dírka během svařování silněji kmitá, a zpětný ráz páry způsobuje vymrštění a rozstřikování roztaveného kovu v roztavené lázni. Nadměrný přívod tepla způsobuje, že hloubka průniku roztaveného kovu na straně hliníkové slitiny je příliš velká, což způsobuje prohlubeň vlivem gravitace. Při RS=0,67 a 1,50 je vzor rybích šupin na povrchu svaru rovnoměrný, tvar svaru je krásnější a na povrchu svaru nejsou žádné viditelné horké trhliny, póry a další vady svaru. Tvary průřezů svarů s různými poměry energie paprsku RS jsou znázorněny na obrázku. Průřez svarů má typický tvar „sklenice na víno“, což naznačuje, že svařovací proces se provádí v režimu laserového hlubokého provařování. RS má důležitý vliv na hloubku provaření P2 svaru na straně hliníkové slitiny. Při poměru energie paprsku RS=0,5 je P2 1203,2 mikronu. Při poměru energie paprsku RS=0,67 a 1,5 je P2 výrazně snížen, což je 403,3 mikronu, respektive 93,6 mikronu. Při poměru energie paprsku RS=2 je hloubka provaření svaru v průřezu spoje 1151,6 mikronu.
Vliv poměru energie paralelního paprsku na tvorbu svarového švu
Při výkonu laseru 2,8 kW, rychlosti svařování 33 mm/s, míře rozostření 0 mm a rozteči paprsků 1 mm se svařovaný povrch získá změnou poměru energie paprsku (RS=0,25, 0,5, 0,67, 1,5, 2, 4). Vzhled je znázorněn na obrázku. Při RS=2 je vzor rybích šupin na povrchu svaru relativně nerovnoměrný. Povrch svaru získaný dalšími pěti různými poměry energie paprsku je dobře tvarovaný a nejsou na něm žádné viditelné vady, jako jsou póry a rozstřik. Proto ve srovnání se sériovým dvojitým paprskem...laserové svařováníSvarový povrch s paralelními dvojitými paprsky je rovnoměrnější a krásnější. Při RS=0,25 je ve svaru mírná prohlubeň; s postupným zvyšováním poměru energií paprsku (RS=0,5, 0,67 a 1,5) je povrch svaru rovnoměrný a netvoří se žádná prohlubeň; při dalším zvyšování poměru energií paprsku (RS=1,50, 2,00) se však na povrchu svaru prohlubně objevují. Při poměru energií paprsku RS=0,25, 1,5 a 2 je tvar průřezu svaru „sklenice na víno“; při RS=0,50, 0,67 a 1 je tvar průřezu svaru „trychtýřovitý“. Při RS=4 se nejen trhliny vytvářejí ve spodní části svaru, ale také se vytvářejí póry ve střední a spodní části svaru. Při RS=2 se uvnitř svaru objevují velké procesní póry, ale žádné trhliny se neobjevují. Při RS=0,5, 0,67 a 1,5 je hloubka průvaru P2 svaru na straně hliníkové slitiny menší, průřez svaru je dobře tvarovaný a nevznikají žádné zjevné vady svaru. To ukazuje, že poměr energií paprsku během paralelního dvojitého laserového svařování má také důležitý vliv na průvar svaru a vady svaru.
Rovnoběžný nosník – vliv rozteče nosníků na tvorbu svarového švu
Při výkonu laseru 2,8 kW, rychlosti svařování 33 mm/s, stupni rozostření 0 mm a poměru energie paprsku RS=0,67 změňte rozteč paprsků (d=0,5 mm, 1 mm, 1,5 mm, 2 mm) tak, aby se dosáhlo morfologie povrchu svaru, jak je znázorněno na obrázku. Při d=0,5 mm, 1 mm, 1,5 mm, 2 mm je povrch svaru hladký a plochý a tvar je krásný; vzor rybích šupin na svaru je pravidelný a krásný a nejsou na něm žádné viditelné póry, trhliny ani jiné vady. Proto je za podmínek čtyř roztečí paprsků povrch svaru dobře tvarovaný. Navíc při d=2 mm se vytvoří dva různé svary, což ukazuje, že dva paralelní laserové paprsky již nepůsobí na roztavenou lázeň a nemohou vytvořit účinné hybridní svařování dvojitým laserem. Pokud je rozteč paprsků 0,5 mm, svar má „trychtýřovitý tvar“, hloubka průniku P2 svaru na straně hliníkové slitiny je 712,9 mikronů a uvnitř svaru nejsou žádné trhliny, póry ani jiné vady. S rostoucí roztečí paprsků se hloubka průniku P2 svaru na straně hliníkové slitiny výrazně snižuje. Pokud je rozteč paprsků 1 mm, hloubka průniku svaru na straně hliníkové slitiny je pouze 94,2 mikronů. S dalším zvětšováním rozteče paprsků nedochází k efektivnímu průniku svaru na straně hliníkové slitiny. Proto je při rozteči paprsků 0,5 mm nejlepší efekt dvojité rekombinace paprsků. Se zvětšující se roztečí paprsků prudce klesá příkon svařovacího tepla a efekt dvoupaprskové laserové rekombinace se postupně zhoršuje.
Rozdíl v morfologii svaru je způsoben rozdílným prouděním a ochlazováním a tuhnutím roztavené lázně během svařovacího procesu. Metoda numerické simulace může nejen usnadnit analýzu napětí v roztavené lázni, ale také snížit náklady na experiment. Obrázek níže ukazuje změny v boční tavenině s jedním paprskem, různým uspořádáním a roztečí bodů. Hlavní závěry zahrnují: (1) Během svařování jedním paprskemlaserové svařováníV průběhu procesu je hloubka otvoru roztavené lázně největší, dochází k jevu kolapsu otvoru, stěna otvoru je nepravidelná a rozložení proudového pole v blízkosti stěny otvoru je nerovnoměrné; v blízkosti zadního povrchu roztavené lázně je přetavení silné a na dně roztavené lázně dochází k přetavení směrem nahoru; rozložení proudového pole na povrchu roztavené lázně je relativně rovnoměrné a pomalé a šířka roztavené lázně je nerovnoměrná podél směru hloubky. V roztavené lázni dochází k poruchám způsobeným tlakem zpětného rázu stěny mezi malými otvory ve dvojitém nosníku.laserové svařování, a vždy existuje ve směru hloubky malých otvorů. S rostoucí vzdáleností mezi dvěma paprsky se hustota energie paprsku postupně mění z jednoho vrcholu do stavu s dvojitým vrcholem. Mezi oběma vrcholy je minimální hodnota a hustota energie postupně klesá. (2) Pro dvojitý paprseklaserové svařování, když je rozteč bodů 0-0,5 mm, hloubka malých otvorů v roztavené lázni mírně klesá a celkové chování proudění v roztavené lázni je podobné jako u jednoho paprskulaserové svařování; pokud je rozteč bodů větší než 1 mm, malé otvory jsou zcela odděleny a během svařování nedochází téměř k žádné interakci mezi oběma lasery, což odpovídá dvěma po sobě jdoucím/dvou paralelním svařováním jedním paprskem laseru o výkonu 1750 W. Nedochází k téměř žádnému předehřívacímu efektu a chování proudění taveniny je podobné jako u svařování jedním paprskem laseru. (3) Pokud je rozteč bodů 0,5-1 mm, povrch stěny malých otvorů je v obou uspořádáních plošší, hloubka malých otvorů se postupně zmenšuje a dno se postupně odděluje. Porucha mezi malými otvory a prouděním povrchu taveniny je 0,8 mm. Nejsilnější je. U sériového svařování se délka taveniny postupně zvětšuje, šířka je největší při rozteči bodů 0,8 mm a předehřívací efekt je nejzřetelnější při rozteči bodů 0,8 mm. Vliv Marangoniho síly postupně slábne a více kovové kapaliny proudí na obě strany taveniny. Rozložení šířky taveniny je rovnoměrnější. Při paralelním svařování se šířka roztavené lázně postupně zvětšuje a délka je maximální 0,8 mm, ale nedochází k žádnému předehřívacímu efektu; přetavení v blízkosti povrchu způsobené Marangoniho silou je vždy přítomno a přetavení směrem dolů na dně malého otvoru postupně mizí; průřezové proudové pole není tak dobré, je silné v sérii, rušení sotva ovlivňuje proudění na obou stranách roztavené lázně a šířka roztavené látky je nerovnoměrně rozložena.
Čas zveřejnění: 12. října 2023
