Predložena je metoda zavarivanja s dvostrukim snopom koja se uglavnom koristi za poboljšanje prilagodljivosti laserskog zavarivanja na točnost sastavljanja, povećanje stabilnosti procesa zavarivanja i poboljšanje kvalitete zavara. Posebno je pogodan za zavarivanje tankih ploča, aluminijskih legura i drugih materijala.
Metoda zavarivanja s dvostrukim snopom predlaže se uglavnom radi poboljšanja prilagodljivosti laserskog zavarivanja za točnost sastavljanja, povećanje stabilnosti procesa zavarivanja i poboljšanje kvalitete zavara. Posebno je pogodan za zavarivanje tankih ploča i aluminijskih legura. Lasersko zavarivanje s dvostrukim snopom ne može koristiti samo optičke metode za podjelu iste vrste lasera na dvije neovisne laserske grede za zavarivanje, već bi koristile i dvije različite vrste lasera za kombinirano zavarivanje. CO2 laseri, ND: YAG laseri, poluvodički laseri visoke snage itd. Mogu se kombinirati jedni s drugima. Promjenom energije greda, udaljenosti između greda, pa čak i načina raspodjele energije dviju laserskih greda, polje za zavarivanje može se prikladno i fleksibilno prilagoditi, mijenjajući postojanje rupa i protok tekućeg metala u rastopljenom bazenu, pružajući se za zavarivanje zavarivanja, koji je zavarivanje. Ne samo da ima prednosti prodiranja laserskog zavarivanja, brze brzine i velike preciznosti, već ima i snažnu prilagodljivost materijalima i spojevima koje je teško zavariti konvencionalnim laserskim zavarivanjem.
1. Princip laserskog zavarivanja dvostrukog snopa
Zavarivanje s dvostrukim snopom odnosi se na upotrebu dviju laserskih greda istovremeno tijekom postupka zavarivanja. Raspored snopa, razmak snopa, kut formiran u dvije grede, položaj fokusa i energetski omjer dviju greda svi su relevantni parametri postavljanja u laserskom zavarivanju dvostrukog snopa. Tijekom postupka zavarivanja obično postoje dva načina za raspoređivanje dvostrukih greda. Kao što je prikazano na slici, jedan je rasporediti ih u nizu duž smjera zavarivanja. Ovaj raspored može smanjiti brzinu hlađenja rastaljenog bazena, smanjiti tendenciju otvrdnjavanja zavarivanja i stvaranje pora. Drugi je raspoređivanje greda jedan pored drugog ili prelazak na obje strane zavarivanja kako bi se povećala prilagodljivost na zavarivanje.
Za sustav za zavarivanje dvostrukog snopa raspoređen u nizu, postoje tri različita mehanizma zavarivanja prema razmaku između dviju greda.
1)U prvom mehanizmu zavarivanja razmak između dviju greda je velik, jedna greda ima veću gustoću energije i usredotočena je na površinu radnog komada, stvarajući male rupe tijekom zavarivanja; Drugi snop ima manju gustoću energije i koristi se samo kao izvor topline za toplinsku obradu prije navijanja ili toplinskog tretmana. Ovaj mehanizam zavarivanja omogućuje kontrolu hlađenja bazena zavarivanja u određenom rasponu, što je korisno za zavarivanje materijala osjetljivih na pukotinu poput čelika s visokim ugljikom i legura, a također može poboljšati žilavost zavara.
2)U drugom mehanizmu zavarivanja udaljenost između dva žarišta lasera je relativno mala. Dvije laserske grede daju dvije neovisne male rupe u jednom rastopljenom bazenu, mijenjajući tako uzorak protoka rastaljenog metala. To pomaže u sprječavanju oštećenja poput protjerivanja podreza i zavarivanja i poboljšanje stvaranja zavara.
3) U trećem mehanizmu zavarivanja, udaljenost između dviju laserskih greda je vrlo mala, a dvije laserske zrake proizvode istu rupu za ključeve u bazenu zavarivanja. U usporedbi s laserskim zavarivanjem s jednim snopom, ova rupa je veća i nije lako zatvoriti, što postupak zavarivanja čini stabilnijim i lakšim za pražnjenje plina. To pogoduje smanjenju pora i prskanja i dobivanju kontinuiranih, ujednačenih i lijepih zavara.
Tijekom postupka zavarivanja, dvije laserske zrake mogu se postaviti i pod određenim kutom, a njegov mehanizam zavarivanja sličan je paralelnom mehanizmu zavarivanja dvostrukog snopa. Rezultati ispitivanja pokazuju da se kombiniranjem dvije OO laserske zrake visoke snage pod kutom od 30 stupnjeva i razmakom od 1 ~ 2 mm, može se dobiti rupa za ključeve u obliku lijevka. Ključna ruha je veća i stabilnija, što može učinkovito poboljšati kvalitetu zavarivanja. U praktičnim primjenama, različite kombinacije dviju laserskih greda mogu se prilagoditi u skladu s različitim uvjetima zavarivanja kako bi se postigli različiti procesi zavarivanja.
2. Metoda provedbe laserskog zavarivanja dvostrukog snopa
Izlaz s dvostrukim snopom može se postići kombiniranjem dvije različite laserske grede ili pomoću optičkog sustava za cijepanje snopa za podjelu laserske zrake na dvije grede za zavarivanje. Za podjelu laserske zrake na dvije grede različitih sila, može se koristiti paralelni laser, razdjelnik snopa ili neke posebne optičke sustave. Na slici se prikazuju dva principa za cijepanje grede koristeći leću za fokusiranje kao razdjelnik snopa.
Osim toga, reflektor se može koristiti kao razdjelnik snopa, a posljednji reflektor u optičkoj stazi koristi se kao razdjelnik snopa. Ovaj reflektor naziva se i greben reflektor. Njegova odrazna površina nije jedna ravnina, već se sastoji od dvije ravnine. Sjecište dviju reflektivnih površina nalazi se u sredini površine zrcala, koja izgleda poput grebena, kao što je prikazano na slici. Paralelna greda projicirana je na razdjelnik snopa, odražava se s dvije ravnine pod različitim kutovima u dvije grede, ozračene na različite položaje na fokusirajućoj leći i fokusirana je na dobivanje dvije grede s određenom udaljenom na površini radnog komada. Promjenom kuta između dviju reflektirajućih površina i položaja grebena, mogu se dobiti podijeljene grede s različitim žarišnim duljinama i rasporedima.
Kad se dvije različite vrste laserskih greda koriste za formiranje dvostruke grede, postoje mnoge kombinacije. Visokokvalitetni CO2 laser s Gaussovom raspodjelom energije može se koristiti za glavni rad zavarivanja, dopunjen poluvodičkim laserom s pravokutnom raspodjelom energije za toplinsku obradu. Ova je kombinacija s jedne strane ekonomična, a snaga dviju laserskih greda može se samostalno prilagoditi s druge strane. Za različite oblike zglobova, podesivo temperaturno polje može se dobiti podešavanjem položaja preklapanja lasera i poluvodičkog lasera, što je vrlo pogodno za kontrolu procesa zavarivanja. Osim toga, YAG laseri i CO2 laseri mogu se kombinirati u dvostruke grede za zavarivanje, kontinuirani laseri mogu se kombinirati s pulsiranim laserima za zavarivanje, a fokusirane grede mogu se kombinirati s defokusiranim gredama za zavarivanje.
3. Princip laserskog zavarivanja s dvostrukim snopom
3.1 Lasersko zavarivanje pocinčanog lima s dvostrukim snopom
Pocinčani čelični lim najčešće je korišteni materijal u automobilskoj industriji. Točka topljenja čelika je oko 1500 stupnjeva, dok je točka vrelišta cinka samo 906 stupnjeva. Stoga, kada je usvojena metoda zavarivanja, obično se generira velika količina pare cinka, što rezultira nestabilnim postupkom zavarivanja i stvaranjem pora u zavarivanju. Za spojeve u krugu, isparljiva pocinčana sloja javlja se ne samo na gornjoj i donjoj površini, već i na zajedničkom sučelju. Tijekom postupka zavarivanja, par cinka brzo se raspršiva iz rastopljene površine bazena u nekim područjima, dok je par cinka teško pobjeći s površine rastopljenog bazena u nekim područjima, što rezultira izuzetno nestabilnom kvalitetom zavarivanja.
Lasersko zavarivanje s dvostrukim snopom može riješiti problem kvalitete zavarivanja uzrokovanog parom cinka. Jedna je metoda kontrola vremena boravka i brzine hlađenja rastaljenog bazena razumnim usklađivanjem energije dviju laserskih greda, što pogoduje bijegu od cink pare; Druga metoda je omogućiti cinkovoj pari da pobjegne kroz prethodno bušenje ili umućivanje. Kao što je prikazano na slici dolje, za zavarivanje se koristi laser CO2, a za bušenje ili žljepanje koristi se laser YAG na prednjoj strani lasera CO2. Predodređene rupe ili žljebovi pružaju kanal za bijeg za cink paru generiranu naknadnim zavarivanjem, sprječavajući da se zadržava u rastaljenom bazenu i formira nedostatke.
3.2 Lasersko zavarivanje aluminijske legure s dvostrukim snopom
Zbog jedinstvenih svojstava materijala aluminijskih legura, lasersko zavarivanje ima sljedeće poteškoće: aluminijska legura ima nisku brzinu apsorpcije za laser, a početna reflektivnost površine laserskog snopa CO2 prelazi 90%; Laserski zavarivači aluminijske legure skloni su porama i pukotinama tijekom zavarivanja; A gubitak legirajućih elemenata tijekom zavarivanja. Kada se koristi lasersko zavarivanje s jednim snopom, otvor za ključeve teško je formirati i teško je održavati stabilnost. Kada se koristi lasersko zavarivanje s dvostrukim snopom, veličina ključanica može se povećati kako bi se otežala zatvaranje, što pogoduje pražnjenje plina. Istodobno, brzina hlađenja može se smanjiti kako bi se smanjila stvaranje pora i pukotina zavarivanja. Budući da je postupak zavarivanja stabilniji i količina prskanja je smanjena, stvaranje površine zavarivanja dobivena zavarivanjem aluminijske legure s dvostrukim snopom također je značajno bolje od one u jednom snopu. Na slici u nastavku prikazana je morfologija zglobova guzice aluminijske legure debljine 3 mm zavarene laserskom snopom CO2 i laserskom snopom s jednim snopom.
Studije su pokazale da je kada zavarivanje debljine 2 mm 5 0 0 0 aluminijska legura serije, kada je razmak između dviju greda 0,6 ~ 1,0 mm, postupak zavarivanja je relativno stabilan, a otvor za ključanice je veći tijekom evapuracije i bijega u evapuraciji. Ako je razmak između dviju greda premali, postupak zavarivanja sličan je zavarivanju s jednim snopom i nije lako biti stabilan; Ako je razmak prevelik, to će utjecati na penetraciju zavarivanja, kao što je prikazano na slici ispod. Pored toga, energetski omjer dviju greda također ima značajan utjecaj na kvalitetu zavarivanja. Kad su dvije grede zavarene u nizu s razmakom od 0,9 mm, korisno je na odgovarajući način povećati energiju prethodnog snopa, tako da je omjer energije dviju greda veći od 1: 1, što pomaže poboljšati kvalitetu zavarivanja i povećati područje topljenja. Čak i pri većoj brzini zavarivanja, može se dobiti gladak i lijep zavar.
3.3 Zavarivanje nejednake debljine dvostrukih snopa
U industrijskoj proizvodnji često je potrebno zavariti dvije ili više metalnih ploča različitih debljina i oblika zajedno kako bi se oblikovala začinjena ploča. Osobito u proizvodnji automobila, primjena začinjenih ploča postaje sve opsežnija.
Pločama za zavarivanje različitih specifikacija, površinskih premaza ili svojstava zajedno, čvrstoća se može poboljšati, potrošnja energije može se smanjiti, a težina se može smanjiti. U zavarivanju spojenih ploča obično se koristi lasersko zavarivanje ploča različitih debljina. Glavni problem je što se obrađivač koji treba zavariti treba unaprijed obraditi s visokom preciznošću i osigurati sklop visoke preciznosti. Za ploče nejednake debljine, zavarivanje s dvostrukim snopom može se prilagoditi razlikama u prazninama s pločama, spojevima stražnjice, relativnim debljinama i materijalima, a ploče zavarivaju velikim tolerancijama ruba i praznina, poboljšavajući tako brzinu zavarivanja i kvalitete zavarivanja.
Glavni parametri procesa zavarivanja dvostrukih snopa ploča nejednake debljine mogu se podijeliti u parametre zavarivanja i parametre ploče, kao što je prikazano na slici. Parametri zavarivanja uključuju snagu dviju laserskih zraka, brzinu zavarivanja, žarišni položaj, kut glave zavarivanja, kut rotacije snopa dvostruke grede na spojni stražnjice i odstupanje zavarivanja. Parametri ploča uključuju veličinu materijala, performanse, obrezivanje ruba i jaz ploče. Snaga dviju laserskih zraka može se prilagoditi odvojeno u skladu s različitim svrhama zavarivanja.
Obično, kada je fokus na površini tanke ploče, postupak zavarivanja je stabilan i učinkovit. Kut glave zavarivanja obično se odabire na oko 6 stupnjeva. Ako je debljina dviju ploča velika, može se upotrijebiti pozitivni kut glave zavarivanja, to jest, laser se naginje prema tankoj ploči kao što je prikazano na slici. Kad je debljina ploče mala, može se koristiti negativni kut glave zavarivanja. Odstupanje zavarivanja definirano je kao udaljenost između laserskog fokusa i ruba debele ploče. Podešavanjem odstupanja zavarivanja, konkavitet zavarivanja može se smanjiti kako bi se dobio dobar presjek zavarivanja.
Kada se ploče zavarivanja s velikim prazninama, efektivni promjer grijanja snopa može povećati rotiranjem dvostrukog kuta snopa kako bi se postigle dobre mogućnosti punjenja praznina. Širina vrha zavarivanja određuje se efektivnim promjerom snopa dviju laserskih zraka, to jest kutom rotacije snopa. Što je veći kut rotacije, širi je raspon zagrijavanja dvostrukog snopa i širi gornja širina zavara. Dvije laserske grede igraju različite uloge u postupku zavarivanja, jedna se greda uglavnom koristi za prodiranje u spoj, a druga greda se uglavnom koristi za rastojanje debelog materijala ploče za popunjavanje praznine. Kao što je prikazano na slici ispod, pod kutom rotacije pozitivnog snopa (prednja greda djeluje na debelu ploču, a stražnja greda djeluje na zavarivanje), prednja greda udara u gustu ploču, zagrijava rastaljeni materijal, a sljedeće laserske zrake proizvode prodiranje. Prvi laserski snop s prednje strane može samo djelomično rastopiti debelu ploču, ali uvelike doprinosi procesu zavarivanja, jer ne samo da otopi stranu debele ploče kako bi bolje popunio jaz, već i unaprijed povezuje zglobni materijal, što olakšava sljedeću snopu da prodre u spoj, povećavajući na taj način povećavajući brzinu zavarivanja. U zavarivanju s dvostrukim snopom s negativnim kutom rotacije (prednja greda djeluje na zavarivanje, a stražnja greda djeluje na gustu ploču), dvije laserske zrake djeluju na suprotno načine. Prednja greda prodire u spoj, a stražnja greda topi debelu ploču i ispunjava jaz.
U ovom trenutku, laser prednjeg snopa mora prodrijeti u hladnu ploču, a brzina zavarivanja je niža od one u kutu rotacije pozitivnog snopa. Istodobno, zbog učinka predgrijavanja lasera prednjeg snopa, laser stražnje grede rastopit će više debljine materijala s pločama istom snagom. U ovom trenutku, moć drugog laserskog snopa treba na odgovarajući način smanjiti. Za usporedbu, kut rotacije pozitivnog snopa može na odgovarajući način povećati brzinu zavarivanja, dok negativni kut rotacije snopa može postići bolji učinak punjenja praznina. Slika u nastavku prikazuje učinak različitih kutova rotacije snopa na presjeku zavarivanja.
3.4 Lasersko zavarivanje debelih ploča s dvostrukim snopom
Poboljšanjem razine laserske snage i kvalitete snopa, lasersko zavarivanje s debelim pločama postalo je stvarnost. Međutim, zbog visokih troškova lasera velike snage i opće potrebe za metalnim punjenjem u gustom zavarivanju ploče, podliježe određenim ograničenjima u stvarnoj proizvodnji. Upotreba tehnologije laserskog zavarivanja dvostrukog snopa ne samo da poboljšava lasersku snagu, već povećava i učinkovit promjer grijanja snopa, povećava kapacitet taljenja žice za punjenje, stabilizira lasersku ključanicu, poboljšava stabilnost zavarivanja i poboljšava kvalitetu zavarivanja.
