Rispetto alla tecnologia di saldatura tradizionale,saldatura laserPresenta vantaggi ineguagliabili 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 ambiti, ed è considerata una delle tecnologie di produzione più promettenti del XXI secolo.
1. Panoramica del doppio raggiosaldatura laser
Doppio raggiosaldatura laserSi tratta di utilizzare metodi ottici per separare lo stesso laser in due fasci di luce separati per la saldatura, oppure di utilizzare due diversi tipi di laser da combinare, come il laser a CO2, il laser Nd:YAG e il laser a semiconduttore ad alta potenza. Tutti possono essere combinati. È stato proposto principalmente per risolvere l'adattabilità della saldatura laser alla precisione di assemblaggio, migliorare la stabilità del processo di saldatura e migliorare la qualità della saldatura. Doppio fasciosaldatura laserpuò regolare in modo comodo e flessibile il campo di temperatura di saldatura modificando il rapporto di energia del fascio, la spaziatura del fascio e persino il modello di distribuzione dell'energia dei due fasci laser, modificando il modello di presenza del keyhole e il modello di flusso del metallo liquido nel bagno fuso. Offre una scelta più ampia di processi di saldatura. Non solo ha i vantaggi di grandisaldatura laserpenetrazione, velocità elevata e alta precisione, ma è anche adatto a materiali e giunzioni difficili da saldare con metodi convenzionalisaldatura laser.
Per il doppio raggiosaldatura laserInnanzitutto, esaminiamo 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: la focalizzazione per trasmissione e la focalizzazione per riflessione. Nello specifico, il primo si ottiene regolando l'angolo e la distanza tra i due laser tramite specchi di focalizzazione e specchi di collimazione. Il secondo si ottiene utilizzando una sorgente laser e focalizzandola poi attraverso specchi riflettenti, specchi trasmissivi e specchi a cuneo per ottenere un doppio raggio. Per il primo metodo, esistono principalmente tre varianti. La prima consiste nell'accoppiare due laser tramite fibre ottiche e dividerli in due raggi distinti sotto lo stesso specchio di collimazione e specchio di focalizzazione. La seconda prevede che i due laser emettano raggi laser attraverso le rispettive teste di saldatura e che si formi 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 di focalizzazione 3 e 4. La posizione e la distanza tra i due punti focali possono essere regolate modificando 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 e ottenere due fasci, regolandone l'angolo e la spaziatura tramite uno specchio prospettico e uno specchio di focalizzazione. Le ultime due immagini nella prima riga sottostante mostrano il sistema spettroscopico di un laser a CO2. Lo specchio piano viene sostituito con uno specchio a forma di cuneo, posizionato davanti allo specchio di focalizzazione, per dividere la luce e ottenere due fasci di luce paralleli.
Dopo aver compreso l'implementazione 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, cioè, c'è una distanza sia nella direzione di saldatura che nella direzione verticale di saldatura. Come mostrato nell'ultima riga della figura, in base alle diverse forme di piccoli fori e pozze di fusione che appaiono sotto diverse distanze tra i punti durante il processo di saldatura seriale, possono essere ulteriormente suddivisi in singole fusioni. Ci sono tre stati: pozza, pozza di fusione comune e pozza di fusione separata. Le caratteristiche della singola pozza di fusione e della pozza di fusione separata sono simili a quelle della singolasaldatura laser, come mostrato nel diagramma di simulazione numerica. Esistono diversi effetti di processo per i diversi tipi.
Tipo 1: Con una certa spaziatura dei punti, due fori di penetrazione del fascio formano un unico grande foro di penetrazione nello stesso bagno di fusione; per il tipo 1, si riporta che un fascio di luce viene utilizzato per creare un piccolo foro e l'altro fascio 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: Aumenta la spaziatura dei punti nello stesso bagno di fusione, separa i due fasci in due fori di penetrazione indipendenti e modifica il modello di flusso del bagno di fusione; per il tipo 2, la sua funzione è equivalente a quella di una saldatura a 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 fasci, in modo che uno dei due fasci venga utilizzato come fonte di calore per eseguire la pre-saldatura o la post-saldatura durante il processo di saldatura, e l'altro fascio venga utilizzato per generare piccoli fori. Per il tipo 3, lo studio ha rilevato che i due fasci formano un foro a chiave, il piccolo foro non tende a collassare e la saldatura non tende a produrre porosità.
2. L'influenza del processo di saldatura sulla qualità della saldatura
Effetto del rapporto di energia del fascio seriale sulla formazione del cordone di saldatura
Quando la potenza del laser è di 2 kW, la velocità di saldatura è di 45 mm/s, la defocalizzazione è di 0 mm e la spaziatura del fascio è di 3 mm, la forma della superficie di saldatura al variare di RS (RS = 0,50, 0,67, 1,50, 2,00) è come mostrato in figura. Quando RS = 0,50 e 2,00, la saldatura risulta più ammaccata e presenta più spruzzi sul bordo, senza formare regolari motivi a squame di pesce. Questo accade perché, quando il rapporto di energia del fascio è troppo piccolo o troppo grande, l'energia del laser è troppo concentrata, causando un'oscillazione più marcata del foro del laser durante il processo di saldatura, e la pressione di rinculo del vapore provoca l'espulsione e gli schizzi del metallo fuso nel bagno di fusione; un eccessivo apporto di calore causa una profondità di penetrazione eccessiva del bagno di fusione sul lato della lega di alluminio, provocando una depressione per effetto della gravità. Quando RS=0,67 e 1,50, il motivo a squame di pesce sulla superficie di saldatura è uniforme, la forma della saldatura è più bella e non sono visibili cricche a caldo, pori o altri difetti di saldatura sulla superficie. Le forme della sezione trasversale delle saldature con diversi rapporti di energia del fascio RS sono mostrate in figura. La sezione trasversale delle saldature ha la tipica forma a "calice di vino", indicando che il processo di saldatura è stato 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 fascio RS=0,5, P2 è di 1203,2 micron. Quando il rapporto di energia del fascio è RS=0,67 e 1,5, P2 si riduce significativamente, risultando rispettivamente di 403,3 micron e 93,6 micron. Quando il rapporto di energia del fascio è RS=2, la profondità di penetrazione della saldatura nella sezione trasversale del giunto è di 1151,6 micron.
Effetto del rapporto di energia del fascio parallelo sulla formazione del cordone di saldatura
Quando la potenza del laser è di 2,8 kW, la velocità di saldatura è di 33 mm/s, la quantità di defocus è di 0 mm e la spaziatura del fascio è di 1 mm, la superficie di saldatura ottenuta modificando il rapporto di energia del fascio (RS=0,25, 0,5, 0,67, 1,5, 2, 4) L'aspetto è mostrato in figura. Quando RS=2, il motivo a squame di pesce sulla superficie della saldatura è relativamente irregolare. La superficie della saldatura ottenuta con gli altri cinque diversi rapporti di energia del fascio è ben formata e non ci sono difetti visibili come pori e spruzzi. Pertanto, rispetto al doppio fascio serialesaldatura laserLa superficie di saldatura ottenuta con doppi fasci paralleli è più uniforme e gradevole. Quando RS=0,25, si osserva una leggera depressione nella saldatura; con l'aumento graduale del rapporto di energia del fascio (RS=0,5, 0,67 e 1,5), la superficie della saldatura risulta uniforme e non si formano depressioni; tuttavia, con un ulteriore aumento del rapporto di energia del fascio (RS=1,50, 2,00), si osservano delle depressioni sulla superficie della saldatura. Quando il rapporto di energia del fascio RS=0,25, 1,5 e 2, la sezione trasversale della saldatura ha una forma a "calice di vino"; quando RS=0,50, 0,67 e 1, la sezione trasversale della saldatura ha una forma a "imbuto". Quando RS=4, non solo si generano crepe sul fondo della saldatura, ma anche alcuni pori nella parte centrale e inferiore. Quando RS=2, all'interno della saldatura compaiono grandi pori di processo, ma non si osservano crepe. Quando RS=0,5, 0,67 e 1,5, la profondità di penetrazione P2 della saldatura sul lato della lega di alluminio è minore e la sezione trasversale della saldatura è ben formata e non si formano difetti di saldatura evidenti. Ciò dimostra che il rapporto di energia del fascio durante la saldatura laser a doppio fascio parallelo ha un impatto importante anche sulla penetrazione della saldatura e sui difetti di saldatura.
Travi parallele: l'effetto della spaziatura delle travi sulla formazione del cordone di saldatura.
Quando la potenza del laser è di 2,8 kW, la velocità di saldatura è di 33 mm/s, la defocalizzazione è di 0 mm e il rapporto di energia del fascio RS=0,67, variando la spaziatura del fascio (d=0,5 mm, 1 mm, 1,5 mm, 2 mm) si ottiene la morfologia della superficie di saldatura come mostrato in figura. Quando d=0,5 mm, 1 mm, 1,5 mm, 2 mm, la superficie della saldatura è liscia e piatta, e la forma è gradevole; il motivo a squame di pesce della saldatura è regolare e bello, e non sono visibili pori, crepe o altri difetti. Pertanto, nelle quattro condizioni di spaziatura del fascio, la superficie di saldatura è ben formata. Inoltre, quando d=2 mm, si formano due saldature diverse, il che dimostra che i due fasci laser paralleli non agiscono più su un bagno fuso e non possono formare un'efficace saldatura ibrida laser a doppio fascio. Quando la distanza tra i fasci è di 0,5 mm, la saldatura ha una forma a 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 o altri difetti all'interno della saldatura. Man mano che la distanza tra i fasci continua ad aumentare, la profondità di penetrazione P2 della saldatura sul lato della lega di alluminio diminuisce significativamente. Quando la distanza tra i fasci è di 1 mm, la profondità di penetrazione della saldatura sul lato della lega di alluminio è di soli 94,2 micron. Con un ulteriore aumento della distanza tra i fasci, la saldatura non raggiunge una penetrazione efficace sul lato della lega di alluminio. Pertanto, quando la distanza tra i fasci è di 0,5 mm, l'effetto di ricombinazione a doppio fascio è ottimale. Con l'aumentare della distanza tra i fasci, l'apporto termico di saldatura diminuisce drasticamente e l'effetto di ricombinazione laser a doppio fascio 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 fuso, ma anche ridurre i costi sperimentali. L'immagine seguente mostra i cambiamenti nel bagno di fusione laterale con un singolo fascio, diverse disposizioni e spaziatura dei punti. Le conclusioni principali includono: (1) Durante il singolo fasciosaldatura laserprocesso, la profondità del foro del bagno fuso 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 è irregolare; vicino alla superficie posteriore del bagno fuso il riflusso è forte e c'è un riflusso verso l'alto sul fondo del bagno fuso; la distribuzione del campo di flusso del bagno fuso superficiale è relativamente uniforme e lenta e la larghezza del bagno fuso è irregolare lungo la direzione della profondità. C'è disturbo causato dalla pressione di rinculo della parete nel bagno fuso tra i piccoli fori nel doppio fasciosaldatura laser, ed esiste sempre lungo la direzione della profondità dei piccoli fori. Man mano che la distanza tra i due fasci continua ad aumentare, la densità di energia del fascio passa gradualmente da uno stato a picco singolo a uno stato a doppio picco. C'è un valore minimo tra i due picchi e la densità di energia diminuisce gradualmente. (2) Per il doppio fasciosaldatura laser, quando la spaziatura dei punti è 0-0,5 mm, la profondità dei piccoli fori del bagno fuso diminuisce leggermente e il comportamento complessivo del flusso del bagno fuso è simile a quello del singolo fasciosaldatura laser; quando la spaziatura dei punti è superiore a 1 mm, i piccoli fori sono completamente separati e durante il processo di saldatura non c'è quasi nessuna interazione tra i due laser, il che equivale a due saldature laser a singolo raggio consecutive/in parallelo con una potenza di 1750 W. Non c'è quasi nessun effetto di preriscaldamento e il comportamento del flusso del bagno fuso è simile a quello della saldatura laser a singolo raggio. (3) Quando la spaziatura dei punti è di 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. La perturbazione tra i piccoli fori e il flusso del bagno fuso superficiale è a 0,8 mm. La più forte. Per la saldatura in serie, la lunghezza del bagno fuso aumenta gradualmente, la larghezza è la più grande quando la spaziatura dei punti è di 0,8 mm e l'effetto di preriscaldamento è più evidente quando la spaziatura dei punti è di 0,8 mm. L'effetto della forza di Marangoni si indebolisce gradualmente e più metallo liquido scorre su entrambi i lati del bagno fuso. Rendere più uniforme la distribuzione della larghezza di fusione. Per la saldatura parallela, la larghezza del bagno fuso aumenta gradualmente e la lunghezza è massima a 0,8 mm, ma non c'è effetto di preriscaldamento; il riflusso vicino alla superficie causato dalla forza di Marangoni è sempre presente e il riflusso verso il basso sul fondo del piccolo foro scompare gradualmente; il campo di flusso trasversale non è buono come è forte in serie, la perturbazione difficilmente influenza il flusso su entrambi i lati del bagno fuso e la larghezza di fusione è distribuita in modo non uniforme.
Data di pubblicazione: 12 ottobre 2023
