En comparación coa tecnoloxía de soldadura tradicional,soldadura láserten vantaxes sen parangón en canto á precisión, eficiencia, fiabilidade, automatización e outros aspectos da soldadura. Nos últimos anos, desenvolveuse rapidamente nos campos da automoción, a enerxía, a electrónica e outros campos, e considérase unha das tecnoloxías de fabricación máis prometedoras do século XXI.
1. Visión xeral da viga dobresoldadura láser
Dobre vigasoldadura láseré usar métodos ópticos para separar o mesmo láser en dous feixes de luz separados para soldar, ou usar dous tipos diferentes de láseres para combinalos, como o láser de CO2, o láser Nd: YAG e o láser de semicondutores de alta potencia. Todos poden combinarse. Propúxose principalmente para resolver a adaptabilidade da soldadura láser á precisión da montaxe, mellorar a estabilidade do proceso de soldadura e mellorar a calidade da soldadura. Dobre feixesoldadura láserpode axustar de forma cómoda e flexible o campo de temperatura de soldadura cambiando a relación de enerxía do feixe, o espazado do feixe e mesmo o patrón de distribución de enerxía dos dous feixes láser, cambiando o patrón de existencia do burato da fechadura e o patrón de fluxo do metal líquido na piscina fundida. Ofrece unha maior variedade de procesos de soldadura. Non só ten as vantaxes de grandessoldadura láserpenetración, velocidade rápida e alta precisión, pero tamén é axeitado para materiais e unións que son difíciles de soldar con materiais convencionaissoldadura láser.
Para viga dobresoldadura láser, primeiro analizamos os métodos de implementación do láser de dobre feixe. A ampla literatura mostra que existen dúas formas principais de lograr a soldadura de dobre feixe: o enfoque por transmisión e o enfoque por reflexión. Especificamente, unha conséguese axustando o ángulo e a separación de dous láseres mediante espellos de enfoque e espellos de colimación. A outra conséguese usando unha fonte láser e logo enfocando a través de espellos reflectores, espellos transmisores e espellos en forma de cuña para lograr feixes dobres. Para o primeiro método, hai principalmente tres formas. A primeira forma consiste en acoplar dous láseres a través de fibras ópticas e dividilos en dous feixes diferentes baixo o mesmo espello de colimación e espello de enfoque. A segunda é que dous láseres emiten feixes láser a través dos seus respectivos cabezales de soldadura e fórmase un feixe dobre axustando a posición espacial dos cabezales de soldadura. O terceiro método é que o feixe láser se divide primeiro a través de dous espellos 1 e 2 e logo se enfoca mediante dous espellos de enfoque 3 e 4 respectivamente. A posición e a distancia entre os dous puntos focais pódense axustar axustando os ángulos dos dous espellos de enfoque 3 e 4. O segundo método consiste en usar un láser de estado sólido para dividir a luz e conseguir feixes dobres, e axustar o ángulo e o espazado a través dun espello de perspectiva e un espello de enfoque. As dúas últimas imaxes da primeira fila a continuación mostran o sistema espectroscópico dun láser de CO2. O espello plano substitúese por un espello en forma de cuña e colócase diante do espello de enfoque para dividir a luz e conseguir luz paralela de feixe dobre.
Despois de comprender a implementación de vigas dobres, imos presentar brevemente os principios e métodos de soldadura. Na viga dobresoldadura láserNo proceso de soldadura en serie, existen tres disposicións comúns de vigas: a disposición en serie, a disposición en paralelo e a disposición híbrida. Tecido, é dicir, hai unha distancia tanto na dirección de soldadura como na dirección vertical de soldadura. Como se mostra na última fila da figura, segundo as diferentes formas de pequenos buratos e charcos fundidos que aparecen baixo diferentes espazamentos de puntos durante o proceso de soldadura en serie, pódense dividir aínda máis en masas fundidas individuais. Hai tres estados: charco, charco fundido común e charco fundido separado. As características do charco fundido único e do charco fundido separado son similares ás do charco fundido únicosoldadura láser, como se mostra no diagrama de simulación numérica. Existen diferentes efectos de proceso para os distintos tipos.
Tipo 1: Baixo un certo espazado entre puntos, dous buratos de chave de feixe forman un burato de chave grande común no mesmo baño fundido; para o tipo 1, infórmase de que un feixe de luz se usa para crear un pequeno burato e o outro feixe de luz se usa para o tratamento térmico de soldadura, o que pode mellorar eficazmente as propiedades estruturais do aceiro con alto contido en carbono e do aceiro de aliaxe.
Tipo 2: Aumentar o espazado dos puntos na mesma piscina fundida, separar os dous feixes en dous buratos de chave independentes e cambiar o patrón de fluxo da piscina fundida; para o tipo 2, a súa función é equivalente á soldadura por dous feixes de electróns, reduce as salpicaduras de soldadura e as soldaduras irregulares na distancia focal axeitada.
Tipo 3: Aumentar aínda máis o espazado entre puntos e modificar a relación de enerxía das dúas vigas, de xeito que unha das dúas vigas se utilice como fonte de calor para realizar o procesamento previo ou posterior á soldadura durante o proceso de soldadura e a outra viga se utilice para xerar pequenos orificios. Para o tipo 3, o estudo descubriu que as dúas vigas forman un burato de fechadura, o pequeno orificio non é doado de colapsar e a soldadura non é doada de producir poros.
2. A influencia do proceso de soldadura na calidade da soldadura
Efecto da relación feixe-enerxía en serie na formación de costuras de soldadura
Cando a potencia do láser é de 2 kW, a velocidade de soldadura é de 45 mm/s, a cantidade de desenfoque é de 0 mm e o espazado do feixe é de 3 mm, a forma da superficie de soldadura ao cambiar RS (RS = 0,50, 0,67, 1,50, 2,00) é como se mostra na figura. Cando RS = 0,50 e 2,00, a soldadura está máis abollada e hai máis salpicaduras no bordo da soldadura, sen formar patróns regulares de escamas de peixe. Isto débese a que cando a relación de enerxía do feixe é demasiado pequena ou demasiado grande, a enerxía do láser está demasiado concentrada, o que fai que o orificio do láser oscile máis seriamente durante o proceso de soldadura, e a presión de retroceso do vapor provoca a expulsión e salpicaduras do metal fundido na piscina fundida; A entrada excesiva de calor fai que a profundidade de penetración da piscina fundida no lado da aliaxe de aluminio sexa demasiado grande, causando unha depresión baixo a acción da gravidade. Cando RS=0,67 e 1,50, o patrón de escamas de peixe na superficie da soldadura é uniforme, a forma da soldadura é máis fermosa e non hai gretas quentes de soldadura visibles, poros e outros defectos de soldadura na superficie da soldadura. As formas da sección transversal das soldaduras con diferentes relacións de enerxía do feixe RS son como se mostra na figura. A sección transversal das soldaduras ten unha forma típica de "copa de viño", o que indica que o proceso de soldadura se leva a cabo en modo de soldadura de penetración profunda con láser. RS ten unha influencia importante na profundidade de penetración P2 da soldadura no lado da aliaxe de aluminio. Cando a relación de enerxía do feixe RS=0,5, P2 é de 1203,2 micras. Cando a relación de enerxía do feixe é RS=0,67 e 1,5, P2 redúcese significativamente, que son 403,3 micras e 93,6 micras respectivamente. Cando a relación de enerxía do feixe é RS=2, a profundidade de penetración da soldadura da sección transversal da unión é de 1151,6 micras.
Efecto da relación enerxía-feixe paralelo na formación de costuras de soldadura
Cando a potencia do láser é de 2,8 kW, a velocidade de soldadura é de 33 mm/s, a cantidade de desenfoque é de 0 mm e o espazado do feixe é de 1 mm, a superficie de soldadura obtense cambiando a relación de enerxía do feixe (RS=0,25, 0,5, 0,67, 1,5, 2, 4). O aspecto móstrase na figura. Cando RS=2, o patrón de escamas de peixe na superficie da soldadura é relativamente irregular. A superficie da soldadura obtida polas outras cinco relacións de enerxía do feixe diferentes está ben formada e non hai defectos visibles como poros e salpicaduras. Polo tanto, en comparación co dobre feixe en serie...soldadura láser, a superficie da soldadura usando vigas duplas paralelas é máis uniforme e fermosa. Cando RS=0,25, hai unha lixeira depresión na soldadura; a medida que a relación de enerxía do feixe aumenta gradualmente (RS=0,5, 0,67 e 1,5), a superficie da soldadura é uniforme e non se forma ningunha depresión; non obstante, cando a relación de enerxía do feixe aumenta aínda máis (RS=1,50, 2,00), pero hai depresións na superficie da soldadura. Cando a relación de enerxía do feixe RS=0,25, 1,5 e 2, a forma da sección transversal da soldadura ten "forma de copa de viño"; cando RS=0,50, 0,67 e 1, a forma da sección transversal da soldadura ten "forma de funil". Cando RS=4, non só se xeran gretas na parte inferior da soldadura, senón que tamén se xeran algúns poros na parte media e inferior da soldadura. Cando RS=2, aparecen grandes poros de proceso dentro da soldadura, pero non aparecen gretas. Cando RS=0,5, 0,67 e 1,5, a profundidade de penetración P2 da soldadura no lado da aliaxe de aluminio é menor, a sección transversal da soldadura está ben formada e non se forman defectos de soldadura evidentes. Isto demostra que a relación de enerxía do feixe durante a soldadura láser de feixe dual paralelo tamén ten un impacto importante na penetración da soldadura e nos defectos de soldadura.
Viga paralela: o efecto do espazado das vigas na formación das costuras de soldadura
Cando a potencia do láser é de 2,8 kW, a velocidade de soldadura é de 33 mm/s, a cantidade de desenfoque é de 0 mm e a relación de enerxía do feixe RS=0,67, cambie o espazado do feixe (d=0,5 mm, 1 mm, 1,5 mm, 2 mm) para obter a morfoloxía da superficie de soldadura como se mostra na imaxe. Cando d=0,5 mm, 1 mm, 1,5 mm, 2 mm, a superficie da soldadura é lisa e plana, e a forma é fermosa; o patrón de escamas de peixe da soldadura é regular e fermoso, e non hai poros, gretas nin outros defectos visibles. Polo tanto, nas catro condicións de espazado do feixe, a superficie da soldadura está ben formada. Ademais, cando d=2 mm, fórmanse dúas soldaduras diferentes, o que demostra que os dous feixes láser paralelos xa non actúan sobre un baño fundido e non poden formar unha soldadura híbrida láser de dobre feixe eficaz. Cando o espazado do feixe é de 0,5 mm, a soldadura ten forma de "funil", a profundidade de penetración P2 da soldadura no lado da aliaxe de aluminio é de 712,9 micras e non hai gretas, poros nin outros defectos dentro da soldadura. A medida que o espazado do feixe continúa a aumentar, a profundidade de penetración P2 da soldadura no lado da aliaxe de aluminio diminúe significativamente. Cando o espazado do feixe é de 1 mm, a profundidade de penetración da soldadura no lado da aliaxe de aluminio é de só 94,2 micras. A medida que o espazado do feixe aumenta aínda máis, a soldadura non forma unha penetración efectiva no lado da aliaxe de aluminio. Polo tanto, cando o espazado do feixe é de 0,5 mm, o efecto de recombinación de dobre feixe é o mellor. A medida que o espazado do feixe aumenta, a entrada de calor da soldadura diminúe drasticamente e o efecto de recombinación láser de dous feixes empeora gradualmente.
A diferenza na morfoloxía da soldadura débese ao diferente fluxo e solidificación por arrefriamento do baño de material fundido durante o proceso de soldadura. O método de simulación numérica non só pode facer que a análise de tensión do baño de material fundido sexa máis intuitiva, senón que tamén pode reducir o custo experimental. A imaxe seguinte mostra os cambios no baño de material fundido lateral cun só feixe, diferentes disposicións e espazado de puntos. As principais conclusións inclúen: (1) Durante o proceso de soldadura dun só feixesoldadura láserproceso, a profundidade do burato da piscina fundida é a máis profunda, hai un fenómeno de colapso do burato, a parede do burato é irregular e a distribución do campo de fluxo preto da parede do burato é desigual; preto da superficie traseira da piscina fundida, o refluxo é forte e hai un refluxo ascendente no fondo da piscina fundida; a distribución do campo de fluxo da piscina fundida superficial é relativamente uniforme e lenta, e o ancho da piscina fundida é desigual ao longo da dirección da profundidade. Hai perturbacións causadas pola presión de retroceso da parede na piscina fundida entre os pequenos buratos na viga dobre.soldadura láser, e sempre existe ao longo da dirección da profundidade dos pequenos buratos. A medida que a distancia entre os dous feixes continúa a aumentar, a densidade de enerxía do feixe pasa gradualmente dun pico único a un estado de pico dobre. Hai un valor mínimo entre os dous picos e a densidade de enerxía diminúe gradualmente. (2) Para feixe dobresoldadura láser, cando o espazamento dos puntos é de 0-0,5 mm, a profundidade dos pequenos buratos da piscina fundida diminúe lixeiramente e o comportamento xeral do fluxo da piscina fundida é similar ao dunha soa vigasoldadura láser; cando o espazado dos puntos é superior a 1 mm, os pequenos orificios sepáranse completamente e, durante o proceso de soldadura, case non hai interacción entre os dous láseres, o que equivale a dúas soldaduras láser dun só feixe consecutivas/dúas paralelas cunha potencia de 1750 W. Case non hai efecto de prequecemento e o comportamento do fluxo da piscina fundida é similar ao da soldadura láser dun só feixe. (3) Cando o espazado dos puntos é de 0,5-1 mm, a superficie da parede dos pequenos orificios é máis plana nas dúas disposicións, a profundidade dos pequenos orificios diminúe gradualmente e o fondo sepárase gradualmente. A perturbación entre os pequenos orificios e o fluxo da piscina fundida superficial é de 0,8 mm. O máis forte. Para a soldadura en serie, a lonxitude da piscina fundida aumenta gradualmente, o ancho é o maior cando o espazado dos puntos é de 0,8 mm e o efecto de prequecemento é máis obvio cando o espazado dos puntos é de 0,8 mm. O efecto da forza Marangoni debílase gradualmente e flúe máis líquido metálico a ambos os dous lados da piscina fundida. Fai que a distribución do ancho da masa fundida sexa máis uniforme. Para a soldadura paralela, o ancho da piscina fundida aumenta gradualmente e a lonxitude é máxima en 0,8 mm, pero non hai efecto de prequecemento; o refluxo preto da superficie causado pola forza de Marangoni sempre existe e o refluxo descendente no fondo do pequeno burato desaparece gradualmente; o campo de fluxo de sección transversal non é tan bo como é forte en serie, a perturbación apenas afecta o fluxo en ambos os lados da piscina fundida e o ancho fundido distribúese de forma desigual.
Data de publicación: 12 de outubro de 2023
