Jämfört med traditionell svetsteknik,lasersvetsninghar oöverträffade fördelar inom svetsnoggrannhet, effektivitet, tillförlitlighet, automatisering och andra aspekter. Under senare år har den utvecklats snabbt inom områdena bilar, energi, elektronik och andra områden, och anses vara en av de mest lovande tillverkningsteknikerna under 2000-talet.
1. Översikt över dubbelbalklasersvetsning
Dubbelbalklasersvetsningär att använda optiska metoder för att separera samma laser i två separata ljusstrålar för svetsning, eller att använda två olika typer av lasrar för att kombinera, såsom CO2-laser, Nd:YAG-laser och högeffekts halvledarlaser. Alla kan kombineras. Det föreslogs främst för att lösa problemet med lasersvetsnings anpassningsförmåga till monteringsnoggrannhet, förbättra svetsprocessens stabilitet och förbättra svetskvaliteten. Dubbelstrålelasersvetsningkan bekvämt och flexibelt justera svetstemperaturfältet genom att ändra strålens energiförhållande, strålavståndet och till och med energifördelningsmönstret för de två laserstrålarna, vilket ändrar nyckelhålets existensmönster och flödesmönstret för flytande metall i smältbadet. Ger ett bredare urval av svetsprocesser. Det har inte bara fördelarna med storalasersvetsningpenetration, hög hastighet och hög precision, men är även lämplig för material och fogar som är svåra att svetsa med konventionellalasersvetsning.
För dubbelbalklasersvetsning, diskuterar vi först implementeringsmetoderna för dubbelstrålelaser. Omfattande litteratur visar att det finns två huvudsakliga sätt att uppnå dubbelstrålesvetsning: transmissionsfokusering och reflektionsfokusering. Mer specifikt uppnås det ena genom att justera vinkeln och avståndet mellan två lasrar genom fokuseringsspeglar och kollimeringsspeglar. Det andra uppnås genom att använda en laserkälla och sedan fokusera genom reflekterande speglar, transmissiva speglar och kilformade speglar för att uppnå dubbla strålar. För den första metoden finns det huvudsakligen tre former. Den första formen är att koppla två lasrar genom optiska fibrer och dela dem i två olika strålar under samma kollimeringsspegel och fokuseringsspegel. Den andra är att två lasrar matar ut laserstrålar genom sina respektive svetshuvuden, och en dubbelstråle bildas genom att justera svetshuvudens rumsliga position. Den tredje metoden är att laserstrålen först delas genom två speglar 1 och 2, och sedan fokuseras av två fokuseringsspeglar 3 respektive 4. Positionen och avståndet mellan de två fokuspunkterna kan justeras genom att justera vinklarna på de två fokuseringsspeglarna 3 och 4. Den andra metoden är att använda en fastfaslaser för att dela ljuset för att uppnå dubbla strålar, och justera vinkeln och avståndet genom en perspektivspegel och en fokuseringsspegel. De två sista bilderna i den första raden nedan visar det spektroskopiska systemet för en CO2-laser. Den plana spegeln är ersatt med en kilformad spegel och placerad framför fokuseringsspegeln för att dela ljuset för att uppnå parallellt ljus med dubbla strålar.
Efter att ha förstått implementeringen av dubbelbalkar, låt oss kortfattat presentera svetsprinciperna och metoderna. I dubbelbalkssvetsninglasersvetsningI den seriella svetsprocessen finns det tre vanliga strålarrangemang, nämligen seriellt arrangemang, parallellt arrangemang och hybridarrangemang. Duk, det vill säga att det finns ett avstånd i både svetsriktningen och svetsningens vertikala riktning. Som visas i den sista raden i figuren kan de, beroende på de olika formerna av små hål och smälta pooler som uppstår under olika punktavstånd under seriesvetsprocessen, delas in i enskilda smältor. Det finns tre tillstånd: pool, gemensam smält pool och separerad smält pool. Egenskaperna hos en enda smält pool och separerad smält pool liknar de hos en endalasersvetsning, som visas i det numeriska simuleringsdiagrammet. Det finns olika processeffekter för olika typer.
Typ 1: Under ett visst punktavstånd bildar två strålnyckelhål ett gemensamt stort nyckelhål i samma smälta pool; för typ 1 rapporteras det att en ljusstråle används för att skapa ett litet hål, och den andra ljusstrålen används för svetsvärmebehandling, vilket effektivt kan förbättra de strukturella egenskaperna hos högkolstål och legerat stål.
Typ 2: Öka punktavståndet i samma smälta bad, separera de två strålarna i två oberoende nyckelhål och ändra flödesmönstret för smälta badet; för typ 2 är dess funktion likvärdig med två elektronstrålesvetsning, minskar svetssprut och oregelbundna svetsar vid lämplig brännvidd.
Typ 3: Öka punktavståndet ytterligare och ändra energiförhållandet mellan de två strålarna, så att en av de två strålarna används som värmekälla för att utföra försvetsning eller eftersvetsning under svetsprocessen, och den andra strålen används för att generera små hål. För typ 3 fann studien att de två strålarna bildar ett nyckelhål, det lilla hålet är inte lätt att kollapsa och det är inte lätt att skapa porer i svetsen.
2. Svetsprocessens inverkan på svetskvaliteten
Effekt av seriellt strålenergiförhållande på svetsfogbildning
När lasereffekten är 2 kW, svetshastigheten är 45 mm/s, defokusmängden är 0 mm och strålavståndet är 3 mm. Svetsytans form vid ändring av RS (RS = 0,50, 0,67, 1,50, 2,00) är som visas i figuren. När RS = 0,50 och 2,00 är svetsen mer bucklig och det blir mer stänk på svetskanten, utan att regelbundna fiskfjällsmönster bildas. Detta beror på att när strålenergiförhållandet är för litet eller för stort är laserenergin för koncentrerad, vilket gör att laserhålet oscillerar mer under svetsprocessen, och ångans rekyltryck orsakar utstötning och stänk av smältmetallen i smältbadet. För hög värmeinmatning gör att smältbadets penetrationsdjup på aluminiumlegeringssidan blir för stort, vilket orsakar en fördjupning under gravitationens inverkan. När RS=0,67 och 1,50 är fiskfjällsmönstret på svetsytan enhetligt, svetsformen är vackrare och det finns inga synliga svetssprickor, porer eller andra svetsdefekter på svetsytan. Tvärsnittsformerna för svetsarna med olika strålenergiförhållanden RS är som visas i figuren. Tvärsnittet av svetsarna har en typisk "vinglasform", vilket indikerar att svetsprocessen utförs i laserdjupsvetsningsläge. RS har en viktig inverkan på svetsens penetrationsdjup P2 på aluminiumlegeringssidan. När strålenergiförhållandet RS=0,5 är P2 1203,2 mikron. När strålenergiförhållandet är RS=0,67 och 1,5 minskas P2 avsevärt, vilket är 403,3 mikron respektive 93,6 mikron. När strålenergiförhållandet är RS=2 är svetspenetrationsdjupet för fogens tvärsnitt 1151,6 mikron.
Effekt av parallell stråle-energiförhållande på svetsfogbildning
När lasereffekten är 2,8 kW, svetshastigheten 33 mm/s, defokusmängden 0 mm och strålavståndet 1 mm erhålls svetsytan genom att ändra strålenergiförhållandet (RS=0,25, 0,5, 0,67, 1,5, 2, 4). Utseendet visas i figuren. När RS=2 är fiskfjällsmönstret på svetsytan relativt oregelbundet. Svetsytan som erhålls med de andra fem olika strålenergiförhållandena är välformad och det finns inga synliga defekter som porer och stänk. Jämfört med seriell dubbelstrålesvetsninglasersvetsning, svetsytan med parallella dubbelbalkar är mer enhetlig och vacker. När RS = 0,25 finns det en liten fördjupning i svetsen; allt eftersom strålenergiförhållandet gradvis ökar (RS = 0,5, 0,67 och 1,5) är svetsytan enhetlig och ingen fördjupning bildas; men när strålenergiförhållandet ökar ytterligare (RS = 1,50, 2,00) finns det fördjupningar på svetsytan. När strålenergiförhållandet RS = 0,25, 1,5 och 2 är svetsens tvärsnittsform "vinglasformad"; när RS = 0,50, 0,67 och 1 är svetsens tvärsnittsform "trattformad". När RS = 4 genereras inte bara sprickor i svetsens botten, utan även några porer i mitten och nedre delen av svetsen. När RS = 2 uppstår stora processporer inuti svetsen, men inga sprickor uppstår. När RS=0,5, 0,67 och 1,5 är svetsens penetrationsdjup P2 på aluminiumlegeringssidan mindre, och svetsens tvärsnitt är välformat och inga uppenbara svetsfel bildas. Detta visar att strålenergiförhållandet under parallell dubbelstrålelasersvetsning också har en viktig inverkan på svetspenetrationen och svetsfel.
Parallellstråle – effekten av strålavstånd på svetsfogbildning
När lasereffekten är 2,8 kW, svetshastigheten 33 mm/s, defokusmängden 0 mm och strålenergiförhållandet RS=0,67, ändra strålavståndet (d=0,5 mm, 1 mm, 1,5 mm, 2 mm) för att få svetsytans morfologi som bilden visar. När d=0,5 mm, 1 mm, 1,5 mm, 2 mm är svetsytan slät och plan, och formen är vacker; svetsens fiskfjällsmönster är regelbundet och vackert, och det finns inga synliga porer, sprickor eller andra defekter. Därför är svetsytan välformad under förhållanden med fyra strålavstånd. Dessutom, när d=2 mm, bildas två olika svetsar, vilket visar att de två parallella laserstrålarna inte längre verkar på en smält pöl och inte kan bilda en effektiv dubbelstrålelaserhybridsvetsning. När strålavståndet är 0,5 mm är svetsen "trattformad", svetsens penetrationsdjup P2 på aluminiumlegeringssidan är 712,9 mikron, och det finns inga sprickor, porer eller andra defekter inuti svetsen. Allt eftersom strålavståndet fortsätter att öka minskar svetsens penetrationsdjup P2 på aluminiumlegeringssidan avsevärt. När strålavståndet är 1 mm är svetsens penetrationsdjup på aluminiumlegeringssidan endast 94,2 mikron. Allt eftersom strålavståndet ytterligare ökar bildar svetsen inte effektiv penetration på aluminiumlegeringssidan. Därför, när strålavståndet är 0,5 mm, är dubbelstrålerekombinationseffekten bäst. Allt eftersom strålavståndet ökar minskar svetsvärmeinmatningen kraftigt, och dubbelstrålelaserrekombinationseffekten försämras gradvis.
Skillnaden i svetsmorfologi orsakas av det olika flödet och kylningen av smältbadet under svetsprocessen. Den numeriska simuleringsmetoden kan inte bara göra spänningsanalysen av smältbadet mer intuitiv, utan också minska den experimentella kostnaden. Bilden nedan visar förändringarna i sidosmältbadet med en enda stråle, olika arrangemang och punktavstånd. De viktigaste slutsatserna inkluderar: (1) Under enstrålesvetsningenlasersvetsningI processen är djupet av smältbassängens hål det djupaste, det finns ett fenomen av hålkollaps, hålväggen är oregelbunden och flödesfältsfördelningen nära hålväggen är ojämn; nära smältbassängens bakre yta är återflödet starkt och det finns ett uppåtriktat återflöde vid botten av smältbassängen; flödesfältsfördelningen av smältbassängens yta är relativt jämn och långsam, och smältbassängens bredd är ojämn längs djupriktningen. Det finns störningar orsakade av väggens rekyltryck i smältbassängen mellan de små hålen i dubbelbalken.lasersvetsning, och den existerar alltid längs djupriktningen för de små hålen. Allt eftersom avståndet mellan de två strålarna fortsätter att öka, övergår strålens energitäthet gradvis från ett tillstånd med en enda topp till ett tillstånd med två toppar. Det finns ett minimivärde mellan de två topparna, och energitätheten minskar gradvis. (2) För dubbelstrålelasersvetsning, när punktavståndet är 0-0,5 mm, minskar djupet av de små hålen i smältbadet något, och det totala flödesbeteendet i smältbadet liknar det för enstråleslasersvetsning; när punktavståndet är över 1 mm är de små hålen helt separerade, och under svetsprocessen finns det nästan ingen interaktion mellan de två lasrarna, vilket motsvarar två på varandra följande/två parallella enkelstrålelasersvetsningar med en effekt på 1750 W. Det finns nästan ingen förvärmningseffekt, och smältbadets flödesbeteende liknar det vid enkelstrålelasersvetsning. (3) När punktavståndet är 0,5-1 mm är väggytan på de små hålen plattare i de två arrangemangen, djupet på de små hålen minskar gradvis och botten separeras gradvis. Störningen mellan de små hålen och flödet av smältbadets yta är 0,8 mm. Den starkaste. Vid seriesvetsning ökar smältbadets längd gradvis, bredden är störst när punktavståndet är 0,8 mm, och förvärmningseffekten är mest uppenbar när punktavståndet är 0,8 mm. Effekten av Marangonikraften försvagas gradvis, och mer metallvätska flödar till båda sidor av smältbadet. Gör smältbreddsfördelningen mer enhetlig. Vid parallellsvetsning ökar smältbassängens bredd gradvis, och längden är maximal vid 0,8 mm, men det finns ingen förvärmningseffekt; återflödet nära ytan orsakat av Marangoni-kraften finns alltid kvar, och det nedåtgående återflödet vid botten av det lilla hålet försvinner gradvis; tvärsnittsflödesfältet är inte lika bra som det är starkt i serie, störningen påverkar knappast flödet på båda sidor av smältbassängen, och smältans bredd är ojämnt fördelad.
Publiceringstid: 12 oktober 2023
