Rispetto alla tecnologia di saldatura tradizionale,saldatura laserpresenta vantaggi senza precedenti in termini di precisione, efficienza, affidabilità, automazione e altri aspetti della saldatura. Negli ultimi anni si è sviluppata rapidamente nei settori automobilistico, energetico, elettronico e in altri settori ed è considerata una delle tecnologie di produzione più promettenti del 21° secolo.
1. Panoramica della doppia travesaldatura laser
Doppio raggiosaldatura laserconsiste nell'utilizzare metodi ottici per separare lo stesso laser in due fasci di luce separati per la saldatura o nell'utilizzare due diversi tipi di laser per combinare, come il laser CO2, il laser Nd: YAG e il laser a semiconduttore ad alta potenza. Tutto può essere combinato. È stato proposto principalmente per risolvere l'adattabilità della saldatura laser alla precisione dell'assemblaggio, migliorare la stabilità del processo di saldatura e migliorare la qualità della saldatura. Doppio raggiosaldatura laserpuò regolare in modo conveniente e flessibile il campo della temperatura di saldatura modificando il rapporto di energia del raggio, la spaziatura del raggio e persino il modello di distribuzione dell'energia dei due raggi laser, modificando il modello di esistenza del buco della serratura e il modello di flusso del metallo liquido nel bagno fuso. Fornisce una scelta più ampia di processi di saldatura. Non ha solo i vantaggi del grandesaldatura laserpenetrazione, elevata velocità ed elevata precisione, ma è adatto anche per materiali e giunti difficili da saldare con i convenzionalisaldatura laser.
Per doppia travesaldatura laser, discutiamo innanzitutto i metodi di implementazione del laser a doppio raggio. Un'ampia letteratura mostra che esistono due modi principali per ottenere la saldatura a doppio raggio: focalizzazione della trasmissione e focalizzazione della riflessione. Nello specifico, uno si ottiene regolando l'angolo e la spaziatura di due laser attraverso specchi focalizzatori e specchi collimatori. L'altro si ottiene utilizzando una sorgente laser e quindi focalizzando attraverso specchi riflettenti, specchi trasmissivi e specchi a forma di cuneo per ottenere fasci doppi. Per il primo metodo esistono principalmente tre forme. La prima forma consiste nell'accoppiare due laser attraverso fibre ottiche e dividerli in due fasci diversi sotto lo stesso specchio di collimazione e specchio di focalizzazione. Il secondo è che due laser emettono raggi laser attraverso le rispettive teste di saldatura e si forma un doppio raggio regolando la posizione spaziale delle teste di saldatura. Il terzo metodo prevede che il raggio laser venga prima diviso attraverso due specchi 1 e 2 e poi focalizzato rispettivamente da due specchi focalizzatori 3 e 4. La posizione e la distanza tra i due punti focali possono essere regolate regolando gli angoli dei due specchi di focalizzazione 3 e 4. Il secondo metodo consiste nell'utilizzare un laser a stato solido per dividere la luce per ottenere fasci doppi e regolare l'angolo e spaziatura attraverso uno specchio prospettico e uno specchio focalizzante. Le ultime due immagini nella prima riga sotto mostrano il sistema spettroscopico di un laser CO2. Lo specchio piatto viene sostituito con uno specchio a forma di cuneo e posizionato davanti allo specchio di focalizzazione per dividere la luce e ottenere una luce parallela a doppio fascio.
Dopo aver compreso la realizzazione delle doppie travi, introduciamo brevemente i principi e i metodi di saldatura. Nella doppia travesaldatura laserprocesso, ci sono tre disposizioni comuni del fascio, vale a dire disposizione seriale, disposizione parallela e disposizione ibrida. tessuto, ovvero esiste una distanza sia nella direzione di saldatura che nella direzione verticale di saldatura. Come mostrato nell'ultima riga della figura, a seconda delle diverse forme di piccoli fori e pozze di metallo fuso che appaiono sotto diverse spaziature tra i punti durante il processo di saldatura in serie, possono essere ulteriormente suddivisi in singole fusioni. Esistono tre stati: pool, pool fuso comune e pool fuso separato. Le caratteristiche del pool fuso singolo e del pool fuso separato sono simili a quelle del singolosaldatura laser, come mostrato nel diagramma di simulazione numerica. Esistono diversi effetti di processo per diversi tipi.
Tipo 1: sotto una certa distanza tra i punti, due buchi della serratura del raggio formano un grande buco della serratura comune nella stessa pozza fusa; per il tipo 1, è stato riferito che un raggio di luce viene utilizzato per creare un piccolo foro e l'altro raggio di luce viene utilizzato per il trattamento termico di saldatura, che può migliorare efficacemente le proprietà strutturali dell'acciaio ad alto tenore di carbonio e dell'acciaio legato.
Tipo 2: aumentare la spaziatura dei punti nella stessa vasca fusa, separare i due raggi in due serrature indipendenti e modificare il modello di flusso della vasca fusa; per il tipo 2, la sua funzione è equivalente alla saldatura con due fasci di elettroni. Riduce gli spruzzi di saldatura e le saldature irregolari alla lunghezza focale appropriata.
Tipo 3: aumentare ulteriormente la spaziatura dei punti e modificare il rapporto energetico dei due raggi, in modo che uno dei due raggi venga utilizzato come fonte di calore per eseguire il processo di pre-saldatura o post-saldatura durante il processo di saldatura e l'altro raggio viene utilizzato per generare piccoli fori. Per il tipo 3, lo studio ha rilevato che le due travi formano un buco della serratura, il piccolo foro non è facile da collassare e la saldatura non è facile da produrre pori.
2. Influenza del processo di saldatura sulla qualità della saldatura
Effetto del rapporto seriale-energia sulla formazione del cordone di saldatura
Quando la potenza del laser è 2kW, la velocità di saldatura è 45 mm/s, la quantità di sfocatura è 0 mm e la spaziatura del raggio è 3 mm, la forma della superficie di saldatura quando si cambia RS (RS= 0,50, 0,67, 1,50, 2,00) è come mostrato nella figura. Quando RS=0,50 e 2,00, la saldatura risulta più ammaccata e vi sono più schizzi sul bordo della saldatura, senza formare squame di pesce regolari. Questo perché quando il rapporto di energia del raggio è troppo piccolo o troppo grande, l'energia laser è troppo concentrata, causando un'oscillazione più grave del foro stenopeico durante il processo di saldatura, e la pressione di ritorno del vapore provoca l'espulsione e gli spruzzi del fuso pool di metallo nella piscina fusa; Un eccessivo apporto di calore fa sì che la profondità di penetrazione del bagno di fusione sul lato della lega di alluminio sia eccessiva, provocando una depressione sotto l'azione della gravità. Quando RS=0,67 e 1,50, il disegno a squama di pesce sulla superficie di saldatura è uniforme, la forma della saldatura è più bella e non sono presenti incrinature calde, pori e altri difetti di saldatura visibili sulla superficie di saldatura. Le forme della sezione trasversale delle saldature con diversi rapporti di energia del fascio RS sono come mostrato in figura. La sezione trasversale delle saldature ha la tipica “forma di bicchiere di vino”, indicando che il processo di saldatura viene eseguito in modalità di saldatura laser a penetrazione profonda. RS ha un'influenza importante sulla profondità di penetrazione P2 della saldatura sul lato della lega di alluminio. Quando il rapporto di energia del raggio RS=0,5, P2 è 1203,2 micron. Quando il rapporto di energia del fascio è RS=0,67 e 1,5, P2 è significativamente ridotto, rispettivamente a 403,3 micron e 93,6 micron. Quando il rapporto di energia della trave è RS=2, la profondità di penetrazione della saldatura della sezione trasversale del giunto è 1151,6 micron.
Effetto del rapporto fascio-energia parallelo sulla formazione del cordone di saldatura
Quando la potenza del laser è 2,8 kW, la velocità di saldatura è 33 mm/s, la quantità di sfocatura è 0 mm e la spaziatura del raggio è 1 mm, la superficie di saldatura si ottiene modificando il rapporto di energia del raggio (RS=0,25, 0,5, 0,67, 1,5 , 2, 4) L'aspetto è mostrato in figura. Quando RS=2, il disegno a squama di pesce sulla superficie della saldatura è relativamente irregolare. La superficie della saldatura ottenuta dagli altri cinque diversi rapporti di energia del fascio è ben formata e non sono presenti difetti visibili come pori e spruzzi. Pertanto, rispetto al doppio raggio serialesaldatura laser, la superficie di saldatura che utilizza doppi raggi paralleli è più uniforme e bella. Quando RS=0,25 si ha una leggera depressione nella saldatura; man mano che il rapporto dell'energia del fascio aumenta (RS=0,5, 0,67 e 1,5), la superficie della saldatura è uniforme e non si formano depressioni; tuttavia, quando il rapporto dell'energia del raggio aumenta ulteriormente (RS=1,50, 2,00), si verificano però delle depressioni sulla superficie della saldatura. Quando il rapporto di energia del fascio RS=0,25, 1,5 e 2, la forma della sezione trasversale della saldatura è “a forma di bicchiere di vino”; quando RS=0,50, 0,67 e 1, la forma della sezione trasversale della saldatura è “a imbuto”. Quando RS=4, non solo si generano cricche sul fondo della saldatura, ma si generano anche alcuni pori nella parte centrale e inferiore della saldatura. Quando RS=2, all'interno della saldatura compaiono pori di processo di grandi dimensioni, ma non compaiono crepe. Quando RS=0,5, 0,67 e 1,5, la profondità di penetrazione P2 della saldatura sul lato della lega di alluminio è inferiore e la sezione trasversale della saldatura è ben formata e non si formano evidenti difetti di saldatura. Questi mostrano che il rapporto di energia del raggio durante la saldatura laser parallela a doppio raggio ha anche un impatto importante sulla penetrazione della saldatura e sui difetti di saldatura.
Trave parallela: l'effetto della spaziatura tra le travi sulla formazione del cordone di saldatura
Quando la potenza del laser è 2,8 kW, la velocità di saldatura è 33 mm/s, la quantità di sfocatura è 0 mm e il rapporto di energia del raggio RS=0,67, modificare la spaziatura del raggio (d=0,5 mm, 1 mm, 1,5 mm, 2 mm) per ottenere la morfologia della superficie di saldatura come mostra l'immagine. Quando d=0,5 mm, 1 mm, 1,5 mm, 2 mm, la superficie della saldatura è liscia e piatta e la forma è bella; il disegno a squama della saldatura è regolare e bello e non sono presenti pori, crepe e altri difetti visibili. Pertanto, nelle condizioni di spaziatura dei quattro raggi, la superficie di saldatura è ben formata. Inoltre, quando d=2 mm, si formano due saldature diverse, il che dimostra che i due raggi laser paralleli non agiscono più su un bagno di fusione e non possono formare un'efficace saldatura ibrida laser a doppio raggio. Quando la distanza tra i raggi è di 0,5 mm, la saldatura è “a forma di imbuto”, la profondità di penetrazione P2 della saldatura sul lato della lega di alluminio è di 712,9 micron e non sono presenti crepe, pori e altri difetti all'interno della saldatura. Man mano che la distanza tra i raggi continua ad aumentare, la profondità di penetrazione P2 della saldatura sul lato della lega di alluminio diminuisce significativamente. Quando l'interasse tra i raggi è di 1 mm, la profondità di penetrazione della saldatura sul lato della lega di alluminio è di soli 94,2 micron. Quando la spaziatura tra i raggi aumenta ulteriormente, la saldatura non forma una penetrazione efficace sul lato della lega di alluminio. Pertanto, quando la spaziatura dei raggi è 0,5 mm, l'effetto di ricombinazione a doppio raggio è il migliore. All’aumentare della spaziatura dei raggi, l’apporto di calore della saldatura diminuisce drasticamente e l’effetto di ricombinazione laser a due raggi peggiora gradualmente.
La differenza nella morfologia della saldatura è causata dal diverso flusso e dalla solidificazione del raffreddamento del bagno fuso durante il processo di saldatura. Il metodo di simulazione numerica può non solo rendere più intuitiva l'analisi delle sollecitazioni del bagno di fusione, ma anche ridurre i costi sperimentali. L'immagine sotto mostra i cambiamenti nella vasca di fusione laterale con un unico raggio, diverse disposizioni e spaziatura dei punti. Le principali conclusioni includono: (1) Durante il raggio singolosaldatura laserprocesso, la profondità del foro della pozza fusa è la più profonda, c'è un fenomeno di collasso del foro, la parete del foro è irregolare e la distribuzione del campo di flusso vicino alla parete del foro non è uniforme; vicino alla superficie posteriore della piscina fusa Il riflusso è forte e c'è un riflusso verso l'alto sul fondo della piscina fusa; la distribuzione del campo di flusso della vasca fusa superficiale è relativamente uniforme e lenta e la larghezza della vasca fusa non è uniforme lungo la direzione della profondità. C'è un disturbo causato dalla pressione di ritorno della parete nella pozza di metallo fuso tra i piccoli fori nella doppia travesaldatura laser, ed esiste sempre lungo la direzione della profondità dei piccoli fori. Man mano che la distanza tra i due raggi continua ad aumentare, la densità di energia del raggio passa gradualmente da uno stato di picco singolo a uno di picco doppio. C'è un valore minimo tra i due picchi e la densità di energia diminuisce gradualmente. (2) Per doppia travesaldatura laser, quando la spaziatura dei punti è 0-0,5 mm, la profondità dei piccoli fori del bagno di fusione diminuisce leggermente e il comportamento complessivo del flusso del bagno di fusione è simile a quello del raggio singolosaldatura laser; quando la distanza tra i punti è superiore a 1 mm, i piccoli fori sono completamente separati e durante il processo di saldatura non c'è quasi alcuna interazione tra i due laser, il che equivale a due saldature laser a raggio singolo consecutive/due parallele con una potenza di 1750 W. Non c'è quasi alcun effetto di preriscaldamento e il comportamento del flusso del bagno di fusione è simile a quello della saldatura laser a raggio singolo. (3) Quando la spaziatura tra i punti è 0,5-1 mm, la superficie della parete dei piccoli fori è più piatta nelle due disposizioni, la profondità dei piccoli fori diminuisce gradualmente e il fondo si separa gradualmente. Il disturbo tra i piccoli fori e il flusso del bagno di fusione superficiale è di 0,8 mm. Il più forte. Per la saldatura in serie, la lunghezza del bagno di fusione aumenta gradualmente, la larghezza è maggiore quando la spaziatura tra i punti è di 0,8 mm e l'effetto di preriscaldamento è più evidente quando la spaziatura tra i punti è di 0,8 mm. L'effetto della forza Marangoni si indebolisce gradualmente e più liquido metallico scorre su entrambi i lati del bagno fuso. Rendere la distribuzione della larghezza di fusione più uniforme. Per la saldatura parallela, la larghezza del bagno di fusione aumenta gradualmente e la lunghezza raggiunge un massimo di 0,8 mm, ma non vi è alcun effetto di preriscaldamento; il riflusso in prossimità della superficie provocato dalla forza Marangoni esiste sempre, ed il riflusso verso il basso sul fondo del forellino gradualmente scompare; il campo di flusso della sezione trasversale non è buono quanto è intenso in serie, il disturbo difficilmente influisce sul flusso su entrambi i lati del bagno di fusione e la larghezza del fuso è distribuita in modo non uniforme.
Orario di pubblicazione: 12 ottobre 2023
