Metoda svařování dvojitým paprskem je navržena, zejména k řešení adaptabilitylaserové svařováníPro přesnost montáže, zlepšení stability svařovacího procesu a zlepšení kvality svaru, zejména pro svařování tenkých plechů a svařování hliníkových slitin. Dvoupaprskové laserové svařování umožňuje pomocí optických metod rozdělit stejný laser na dva samostatné paprsky světla pro svařování. Lze také kombinovat dva různé typy laserů: CO2 laser, Nd:YAG laser a vysoce výkonný polovodičový laser. Změnou energie paprsku, rozteče paprsků a dokonce i vzoru rozložení energie obou paprsků lze pohodlně a flexibilně upravovat teplotní pole svařování, měnit vzorec existence otvorů a vzorec proudění tekutého kovu v roztavené lázni, což poskytuje lepší řešení pro svařovací proces. Široký výběr možností je u jednopaprskového laserového svařování bezkonkurenční. Má nejen výhody velkého laserového pronikání, vysoké rychlosti a vysoké přesnosti, ale také velkou přizpůsobivost materiálům a spojům, které je obtížné svařovat konvenčním laserovým svařováním.
Principdvojité laserové svařování
Dvoupaprskové svařování znamená použití dvou laserových paprsků současně během svařovacího procesu. Uspořádání paprsků, rozteč paprsků, úhel mezi oběma paprsky, poloha zaostření a energetický poměr obou paprsků jsou relevantní parametry pro dvoupaprskové laserové svařování. Během svařovacího procesu obvykle existují dva způsoby uspořádání dvojitých paprsků. Jak je znázorněno na obrázku, jeden je uspořádán sériově podél směru svařování. Toto uspořádání může snížit rychlost chlazení roztavené lázně. Snižuje tendenci svaru ke kalení a tvorbu pórů. Druhým je uspořádání vedle sebe nebo napříč po obou stranách svaru pro zlepšení přizpůsobivosti svarové mezeře.
Princip dvojitého laserového svařování
Dvoupaprskové svařování znamená použití dvou laserových paprsků současně během svařovacího procesu. Uspořádání paprsků, rozteč paprsků, úhel mezi oběma paprsky, poloha zaostření a energetický poměr obou paprsků jsou relevantní parametry pro dvoupaprskové laserové svařování. Během svařovacího procesu obvykle existují dva způsoby uspořádání dvojitých paprsků. Jak je znázorněno na obrázku, jeden je uspořádán sériově podél směru svařování. Toto uspořádání může snížit rychlost chlazení roztavené lázně. Snižuje tendenci svaru ke kalení a tvorbu pórů. Druhým je uspořádání vedle sebe nebo napříč po obou stranách svaru pro zlepšení přizpůsobivosti svarové mezeře.
Pro tandemově uspořádaný systém laserového svařování s dvojitým paprskem existují tři různé svařovací mechanismy v závislosti na vzdálenosti mezi předním a zadním paprskem, jak je znázorněno na obrázku níže.
1. U prvního typu svařovacího mechanismu je vzdálenost mezi dvěma světelnými paprsky relativně velká. Jeden světelný paprsek má větší hustotu energie a je zaostřen na povrch obrobku, čímž vytváří klíčové dírky ve svaru; druhý světelný paprsek má menší hustotu energie. Používá se pouze jako zdroj tepla pro tepelné zpracování před nebo po svařování. Pomocí tohoto svařovacího mechanismu lze v určitém rozsahu regulovat rychlost chlazení tavné lázně, což je výhodné pro svařování některých materiálů s vysokou citlivostí na trhliny, jako je vysoce uhlíková ocel, legovaná ocel atd., a může také zlepšit houževnatost svaru.
2. U druhého typu svařovacího mechanismu je ohnisková vzdálenost mezi dvěma světelnými paprsky relativně malá. Dva světelné paprsky vytvářejí dva nezávislé klíčové otvory ve svařovací lázni, což mění vzorec proudění tekutého kovu a pomáhá předcházet zadření. Může to eliminovat výskyt vad, jako jsou hrany a vyboulení svarových housenek, a zlepšit tvorbu svaru.
3. U třetího typu svařovacího mechanismu je vzdálenost mezi dvěma světelnými paprsky velmi malá. V tomto okamžiku oba světelné paprsky vytvářejí stejnou klíčovou díru ve svarové lázni. Ve srovnání s jednopaprskovým laserovým svařováním je klíčová díra stabilnější, protože se zvětšuje a není snadné ji uzavřít, což vede k větší stabilitě svaru a snadnějšímu vypouštění plynu. To je výhodné pro snížení pórů a rozstřiku a dosažení souvislých, rovnoměrných a krásných svarů.
Během svařovacího procesu mohou být dva laserové paprsky také vytvořeny pod určitým úhlem vůči sobě. Svařovací mechanismus je podobný mechanismu paralelního dvojitého paprskového svařování. Výsledky testů ukazují, že použitím dvou vysoce výkonných OO s úhlem 30° vůči sobě a vzdáleností 1~2 mm může laserový paprsek vytvořit trychtýřovitý klíčový otvor. Velikost klíčového otvoru je větší a stabilnější, což může účinně zlepšit kvalitu svařování. V praktických aplikacích lze vzájemnou kombinaci dvou světelných paprsků měnit podle různých svařovacích podmínek a dosáhnout tak různých svařovacích procesů.
6. Způsob implementace dvojitého laserového svařování
Získání dvojitých paprsků lze dosáhnout kombinací dvou různých laserových paprsků nebo lze jeden laserový paprsek rozdělit na dva laserové paprsky pro svařování pomocí optického spektrometrického systému. Pro rozdělení světelného paprsku na dva paralelní laserové paprsky s různým výkonem lze použít spektroskop nebo nějaký speciální optický systém. Obrázek ukazuje dva schematické diagramy principů dělení světla s použitím zaostřovacích zrcadel jako děličů paprsku.
Kromě toho lze reflektor použít také jako dělič paprsku a poslední reflektor v optické dráze lze použít jako dělič paprsku. Tento typ reflektoru se také nazývá střešní reflektor. Jeho reflexní plocha není plochá, ale skládá se ze dvou rovin. Průsečík dvou reflexních ploch se nachází uprostřed zrcadlové plochy, podobně jako hřeben střechy, jak je znázorněno na obrázku. Paprsek světla dopadající na spektroskop je odrážen dvěma rovinami v různých úhlech a vytváří dva světelné paprsky, které dopadají na různé polohy zaostřovacího zrcadla. Po zaostření se na povrchu obrobku získají dva světelné paprsky v určité vzdálenosti. Změnou úhlu mezi dvěma reflexními plochami a polohy střechy lze získat rozdělené světelné paprsky s různými ohniskovými vzdálenostmi a uspořádáním.
Při použití dvou různých typůlaserové paprsky tPro vytvoření dvojitého paprsku existuje mnoho kombinací. Pro hlavní svařování lze použít vysoce kvalitní CO2 laser s Gaussovým rozložením energie a pro tepelné zpracování lze použít polovodičový laser s obdélníkovým rozložením energie. Tato kombinace je jednak ekonomičtější. Na druhou stranu lze výkon obou světelných paprsků nastavit nezávisle. Pro různé tvary spojů lze dosáhnout nastavitelného teplotního pole nastavením překrývající se polohy laseru a polovodičového laseru, což je velmi vhodné pro svařování. Řízení procesu. Kromě toho lze YAG laser a CO2 laser kombinovat také do dvojitého paprsku pro svařování, kontinuální laser a pulzní laser lze kombinovat pro svařování a také zaostřený a rozostřený paprsek.
7. Princip dvojitého laserového svařování
3.1 Dvoupaprskové laserové svařování pozinkovaných plechů
Pozinkovaný ocelový plech je nejčastěji používaným materiálem v automobilovém průmyslu. Bod tání oceli je kolem 1500 °C, zatímco bod varu zinku je pouze 906 °C. Proto se při použití metody tavného svařování obvykle vytváří velké množství zinkových par, což způsobuje nestabilitu svařovacího procesu a vytváří póry ve svaru. U přeplátovaných spojů dochází k odpařování pozinkované vrstvy nejen na horním a spodním povrchu, ale také na povrchu spoje. Během svařovacího procesu se zinkové páry v některých oblastech rychle vymršťují z povrchu roztavené lázně, zatímco v jiných oblastech je pro zinkové páry obtížné z roztavené lázně unikat. Na povrchu lázně je kvalita svařování velmi nestabilní.
Dvoupaprskové laserové svařování může vyřešit problémy s kvalitou svařování způsobené zinkovými parami. Jednou z metod je řízení doby existence a rychlosti chlazení roztavené lázně přiměřeným sladěním energie obou paprsků, aby se usnadnil únik zinkových par; druhou metodou je uvolnění zinkových par předběžným děrováním nebo drážkováním. Jak je znázorněno na obrázku 6-31, pro svařování se používá CO2 laser. YAG laser je umístěn před CO2 laserem a používá se k vrtání otvorů nebo řezání drážek. Předběžně zpracované otvory nebo drážky poskytují únikovou cestu pro zinkové páry generované během následného svařování, což brání jejich zůstávat v roztavené lázni a tvořit vady.
3.2 Dvoupaprskové laserové svařování hliníkové slitiny
Vzhledem ke zvláštním výkonnostním vlastnostem materiálů z hliníkových slitin existují při laserovém svařování následující obtíže [39]: hliníková slitina má nízkou míru absorpce laseru a počáteční odrazivost povrchu CO2 laserového paprsku přesahuje 90 %; svary hliníkových slitin laserového svařování se snadno vytvářejí: pórovitost, praskliny, spálení prvků slitiny během svařování atd. Při použití jednopaprskového laserového svařování je obtížné vytvořit klíčovou díru a udržet stabilitu. Dvoupaprskové laserové svařování může zvětšit velikost klíčové díry, což ztěžuje její uzavření, což je výhodné pro výboj plynu. Může také snížit rychlost chlazení a snížit výskyt pórů a trhlin při svařování. Vzhledem k tomu, že proces svařování je stabilnější a množství rozstřiku je sníženo, je tvar svarového povrchu získaný dvoupaprskovým svařováním hliníkových slitin také výrazně lepší než u jednopaprskového svařování. Obrázek 6-32 znázorňuje vzhled svarového švu tupého svařování hliníkové slitiny o tloušťce 3 mm pomocí jednopaprskového a dvoupaprskového laserového svařování CO2.
Výzkum ukazuje, že při svařování 2 mm silné hliníkové slitiny řady 5000, když je vzdálenost mezi dvěma paprsky 0,6~1,0 mm, je proces svařování relativně stabilní a vytvořený otvor klíčové díry je větší, což vede k odpařování a úniku hořčíku během svařování. Pokud je vzdálenost mezi dvěma paprsky příliš malá, nebude proces svařování jednoho paprsku stabilní. Pokud je vzdálenost příliš velká, bude ovlivněn průvar svaru, jak je znázorněno na obrázku 6-33. Kromě toho má poměr energií obou paprsků také velký vliv na kvalitu svařování. Pokud jsou dva paprsky s roztečí 0,9 mm uspořádány pro svařování do série, měla by se energie předchozího paprsku vhodně zvýšit tak, aby poměr energií obou paprsků před a po byl větší než 1:1. Je užitečné zlepšit kvalitu svaru, zvětšit plochu tavení a stále dosáhnout hladkého a krásného svaru při vysoké rychlosti svařování.
3.3 Svařování plechů nestejné tloušťky dvojitým paprskem
V průmyslové výrobě je často nutné svařovat dva nebo více kovových plechů různých tlouštěk a tvarů, aby se vytvořil spojovaný plech. Zejména v automobilové výrobě se stále více rozšiřuje používání na míru svařovaných polotovarů. Svařováním plechů s různými specifikacemi, povrchovými úpravami nebo vlastnostmi lze zvýšit pevnost, snížit spotřební materiál a snížit kvalitu. Laserové svařování plechů různých tlouštěk se obvykle používá při svařování panelů. Hlavním problémem je, že svařované plechy musí být předtvarovány s vysoce přesnými hranami a musí zajistit vysoce přesnou montáž. Použití dvojitého svařování plechů o nestejné tloušťce se může přizpůsobit různým změnám v mezerách plechů, tupých spojích, relativních tloušťkách a materiálech plechů. Dokáže svařovat plechy s většími tolerancemi hran a mezer a zlepšit rychlost svařování a kvalitu svaru.
Hlavní procesní parametry svařování plechů o nestejné tloušťce v Shuangguangdongu lze rozdělit na parametry svařování a parametry plechu, jak je znázorněno na obrázku. Mezi parametry svařování patří výkon dvou laserových paprsků, rychlost svařování, poloha ohniska, úhel svařovací hlavy, úhel natočení paprsku dvojitého tupého spoje a svařovací ofset atd. Mezi parametry desky patří velikost materiálu, výkon, podmínky ořezávání, mezery mezi deskami atd. Výkon dvou laserových paprsků lze nastavit samostatně podle různých svařovacích účelů. Poloha ohniska se obvykle nachází na povrchu tenkého plechu, aby se dosáhlo stabilního a efektivního svařovacího procesu. Úhel svařovací hlavy se obvykle volí kolem 6. Pokud je tloušťka obou plechů relativně velká, lze použít kladný úhel svařovací hlavy, tj. laser je nakloněn směrem k tenkému plechu, jak je znázorněno na obrázku; pokud je tloušťka plechu relativně malá, lze použít záporný úhel svařovací hlavy. Svařovací ofset je definován jako vzdálenost mezi ohniskem laseru a okrajem tlustého plechu. Úpravou svařovacího ofsetu lze zmenšit množství promáčknutí svaru a dosáhnout dobrého průřezu svaru.
Při svařování plechů s velkými mezerami můžete zvětšit efektivní průměr ohřevu paprsku otáčením úhlu dvojitého paprsku, čímž dosáhnete dobrého vyplnění mezery. Šířka horní části svaru je určena efektivním průměrem paprsku obou laserových paprsků, tj. úhlem natočení paprsku. Čím větší je úhel natočení, tím širší je rozsah ohřevu dvojitého paprsku a tím větší je šířka horní části svaru. Oba laserové paprsky hrají v procesu svařování různé role. Jeden se používá hlavně k pronikání švu, zatímco druhý se používá hlavně k tavení materiálu tlustého plechu a vyplnění mezery. Jak je znázorněno na obrázku 6-35, pod kladným úhlem natočení paprsku (přední paprsek působí na tlustý plech, zadní paprsek působí na svar) dopadá přední paprsek na tlustý plech, aby jej zahřál a roztavil, a následující laserový paprsek vytváří pronikání. První laserový paprsek vpředu dokáže tlustý plech roztavit pouze částečně, ale významně přispívá ke svařovacímu procesu, protože nejen roztaví boční stranu tlustého plechu pro lepší vyplnění mezery, ale také předběžně spojí materiál spoje, takže následující paprsky snáze procházejí spoji, což umožňuje rychlejší svařování. Při dvojitém svařování s negativním úhlem natočení (přední paprsek působí na svar a zadní paprsek na tlustý plech) mají oba paprsky přesně opačný účinek. První paprsek roztaví spoj a druhý paprsek roztaví tlustý plech, aby ho vyplnil. V tomto případě musí přední paprsek projít studeným plechem a rychlost svařování je pomalejší než při použití kladného úhlu natočení paprsku. A díky předehřívacímu účinku předchozího paprsku roztaví druhý paprsek více tlustého plechu při stejném výkonu. V tomto případě by měl být výkon druhého laserového paprsku přiměřeně snížen. Naproti tomu použití kladného úhlu natočení paprsku může přiměřeně zvýšit rychlost svařování a použití záporného úhlu natočení paprsku může dosáhnout lepšího vyplnění mezery. Obrázek 6-36 ukazuje vliv různých úhlů natočení paprsku na průřez svaru.
3.4 Dvoupaprskové laserové svařování velkých tlustých plechů Se zlepšením výkonu laseru a kvality paprsku se stalo laserové svařování velkých tlustých plechů realitou. Vzhledem k tomu, že vysoce výkonné lasery jsou drahé a svařování velkých tlustých plechů obvykle vyžaduje přídavný materiál, existují v reálné výrobě určitá omezení. Použití technologie dvoupaprskového laserového svařování může nejen zvýšit výkon laseru, ale také zvýšit efektivní průměr ohřevu paprsku, zvýšit schopnost tavení přídavného drátu, stabilizovat laserový otvor, zlepšit stabilitu svařování a zlepšit kvalitu svařování.
Čas zveřejnění: 29. dubna 2024
