Viene proposto il metodo di saldatura a doppio fascio, principalmente per risolvere l'adattabilità disaldatura laserLa saldatura laser a doppio raggio consente di aumentare la precisione di assemblaggio, migliorare la stabilità del processo di saldatura e ottimizzare la qualità del cordone, soprattutto per la saldatura di lamiere sottili e leghe di alluminio. È possibile utilizzare metodi ottici per separare lo stesso laser in due fasci di luce distinti per la saldatura. In alternativa, è possibile combinare due diversi tipi di laser: laser a CO2, laser Nd:YAG e laser a semiconduttore ad alta potenza. Modificando l'energia del fascio, la spaziatura e persino la distribuzione energetica dei due fasci, è possibile regolare in modo semplice e flessibile il campo di temperatura di saldatura, modificando la formazione dei fori e il flusso del metallo fuso nel bagno di fusione, offrendo così una soluzione ottimale per il processo di saldatura. La vasta gamma di applicazioni non ha eguali nella saldatura laser a singolo raggio. Oltre a garantire un'elevata penetrazione, velocità e precisione, offre una grande adattabilità a materiali e giunzioni difficili da saldare con i metodi tradizionali.
Principio disaldatura laser a doppio raggio
La saldatura a doppio raggio consiste nell'utilizzo simultaneo di due raggi laser durante il processo di saldatura. La disposizione dei raggi, la loro spaziatura, l'angolo tra i due raggi, la posizione di focalizzazione e il rapporto energetico tra i due raggi sono tutti parametri rilevanti nella saldatura laser a doppio raggio. Normalmente, durante il processo di saldatura, esistono due modi per disporre i due raggi. Come mostrato in figura, uno prevede la disposizione in serie lungo la direzione di saldatura. Questa disposizione può ridurre la velocità di raffreddamento del bagno fuso, diminuendo la tendenza all'indurimento della saldatura e la formazione di porosità. L'altro consiste nel disporli uno accanto all'altro o trasversalmente su entrambi i lati della saldatura per migliorare l'adattabilità al gap di saldatura.
Principio della saldatura laser a doppio raggio
La saldatura a doppio raggio consiste nell'utilizzo simultaneo di due raggi laser durante il processo di saldatura. La disposizione dei raggi, la loro spaziatura, l'angolo tra i due raggi, la posizione di focalizzazione e il rapporto energetico tra i due raggi sono tutti parametri rilevanti nella saldatura laser a doppio raggio. Normalmente, durante il processo di saldatura, esistono due modi per disporre i due raggi. Come mostrato in figura, uno prevede la disposizione in serie lungo la direzione di saldatura. Questa disposizione può ridurre la velocità di raffreddamento del bagno fuso, diminuendo la tendenza all'indurimento della saldatura e la formazione di porosità. L'altro consiste nel disporli uno accanto all'altro o trasversalmente su entrambi i lati della saldatura per migliorare l'adattabilità al gap di saldatura.
Per un sistema di saldatura laser a doppio raggio disposto in tandem, esistono tre diversi meccanismi di saldatura a seconda della distanza tra i raggi anteriore e posteriore, come mostrato nella figura seguente.
1. Nel primo tipo di meccanismo di saldatura, la distanza tra i due fasci di luce è relativamente grande. Un fascio di luce ha una maggiore densità di energia e viene focalizzato sulla superficie del pezzo per creare i fori di penetrazione nella saldatura; l'altro fascio di luce ha una densità di energia inferiore e viene utilizzato solo come fonte di calore per il trattamento termico pre o post-saldatura. Utilizzando questo meccanismo di saldatura, la velocità di raffreddamento del bagno di saldatura può essere controllata entro un certo intervallo, il che è vantaggioso per la saldatura di alcuni materiali con elevata sensibilità alla criccabilità, come acciaio ad alto tenore di carbonio, acciaio legato, ecc., e può anche migliorare la tenacità della saldatura.
2. Nel secondo tipo di meccanismo di saldatura, la distanza focale tra i due fasci luminosi è relativamente piccola. I due fasci luminosi creano due fori di penetrazione indipendenti nel bagno di saldatura, modificando il flusso del metallo fuso e contribuendo a prevenire il grippaggio. Ciò consente di eliminare difetti come bordi irregolari e rigonfiamenti del cordone di saldatura, migliorando la qualità della saldatura.
3. Nel terzo tipo di meccanismo di saldatura, la distanza tra i due fasci di luce è molto piccola. In questo caso, i due fasci di luce producono lo stesso foro di penetrazione nel bagno di saldatura. Rispetto alla saldatura laser a singolo fascio, poiché la dimensione del foro di penetrazione diventa maggiore e non tende a richiudersi, il processo di saldatura risulta più stabile e il gas viene scaricato più facilmente, il che contribuisce a ridurre porosità e spruzzi, ottenendo saldature continue, uniformi e di bell'aspetto.
Durante il processo di saldatura, i due fasci laser possono anche essere orientati con una certa angolazione l'uno rispetto all'altro. Il meccanismo di saldatura è simile a quello della saldatura a doppio fascio parallelo. I risultati dei test dimostrano che, utilizzando due laser ad alta potenza con un angolo di 30° l'uno rispetto all'altro e una distanza di 1-2 mm, il fascio laser può ottenere un foro di penetrazione a forma di imbuto. Le dimensioni del foro di penetrazione sono maggiori e più stabili, il che può migliorare efficacemente la qualità della saldatura. Nelle applicazioni pratiche, la combinazione reciproca dei due fasci di luce può essere modificata in base alle diverse condizioni di saldatura per ottenere diversi processi di saldatura.
6. Metodo di implementazione della saldatura laser a doppio raggio
L'acquisizione di doppi fasci può essere ottenuta combinando due fasci laser differenti, oppure un singolo fascio laser può essere diviso in due fasci laser per la saldatura utilizzando un sistema di spettrometria ottica. Per suddividere un fascio di luce in due fasci laser paralleli di diversa potenza, si può utilizzare uno spettroscopio o un sistema ottico speciale. L'immagine mostra due schemi dei principi di divisione della luce mediante specchi focalizzanti come divisori di fascio.
Inoltre, un riflettore può essere utilizzato anche come divisore di fascio, e l'ultimo riflettore nel percorso ottico può svolgere questa funzione. Questo tipo di riflettore è anche chiamato riflettore a tetto. La sua superficie riflettente non è piana, ma è costituita da due piani. La linea di intersezione delle due superfici riflettenti si trova al centro della superficie dello specchio, in modo simile al colmo di un tetto, come mostrato in figura. Un fascio di luce parallela incide sullo spettroscopio, viene riflesso dai due piani con angoli diversi per formare due fasci di luce, che colpiscono posizioni diverse dello specchio di focalizzazione. Dopo la focalizzazione, si ottengono due fasci di luce a una certa distanza sulla superficie del pezzo. Modificando l'angolo tra le due superfici riflettenti e la posizione del tetto, è possibile ottenere fasci di luce divisi con diverse distanze di messa a fuoco e configurazioni.
Quando si utilizzano due tipi diversi diraggi laser tPer formare un doppio fascio, esistono numerose combinazioni. Un laser CO2 di alta qualità con distribuzione energetica gaussiana può essere utilizzato per la saldatura principale, mentre un laser a semiconduttore con distribuzione energetica rettangolare può essere impiegato per coadiuvare il trattamento termico. Da un lato, questa combinazione risulta più economica. Dall'altro, la potenza dei due fasci luminosi può essere regolata indipendentemente. Per diverse forme di giunzione, è possibile ottenere un campo di temperatura regolabile modificando la posizione di sovrapposizione del laser e del laser a semiconduttore, il che risulta particolarmente adatto al controllo del processo di saldatura. Inoltre, è possibile combinare un laser YAG e un laser CO2 in un doppio fascio per la saldatura, oppure un laser continuo e un laser pulsato, o ancora un fascio focalizzato e un fascio defocalizzato.
7. Principio della saldatura laser a doppio raggio
3.1 Saldatura laser a doppio raggio di lamiere zincate
La lamiera di acciaio zincato è il materiale più comunemente utilizzato nell'industria automobilistica. Il punto di fusione dell'acciaio si aggira intorno ai 1500 °C, mentre il punto di ebollizione dello zinco è di soli 906 °C. Pertanto, quando si utilizza il metodo di saldatura per fusione, si genera solitamente una grande quantità di vapore di zinco, che rende il processo di saldatura instabile e causa la formazione di porosità nella saldatura. Nel caso di giunzioni a sovrapposizione, la volatilizzazione dello strato di zincatura non si verifica solo sulle superfici superiore e inferiore, ma anche sulla superficie di giunzione. Durante il processo di saldatura, il vapore di zinco fuoriesce rapidamente dalla superficie del bagno di fusione in alcune aree, mentre in altre la sua fuoriuscita è difficoltosa. Sulla superficie del bagno di fusione, la qualità della saldatura risulta molto instabile.
La saldatura laser a doppio raggio può risolvere i problemi di qualità della saldatura causati dal vapore di zinco. Un metodo consiste nel controllare il tempo di permanenza e la velocità di raffreddamento del bagno fuso, bilanciando opportunamente l'energia dei due raggi per facilitare la fuoriuscita del vapore di zinco; l'altro metodo consiste nel rilasciare il vapore di zinco mediante preforatura o scanalatura. Come mostrato nella Figura 6-31, per la saldatura viene utilizzato un laser a CO2. Il laser YAG è posizionato davanti al laser a CO2 e viene utilizzato per praticare fori o incidere scanalature. I fori o le scanalature pre-lavorati forniscono un percorso di fuga per il vapore di zinco generato durante la successiva saldatura, impedendogli di rimanere nel bagno fuso e di formare difetti.
3.2 Saldatura laser a doppio raggio di leghe di alluminio
A causa delle particolari caratteristiche prestazionali dei materiali in lega di alluminio, si riscontrano le seguenti difficoltà nell'utilizzo della saldatura laser [39]: la lega di alluminio ha un basso tasso di assorbimento del laser e la riflettività iniziale della superficie del raggio laser CO2 supera il 90%; le saldature laser su leghe di alluminio tendono a produrre porosità, crepe, bruciature degli elementi della lega durante la saldatura, ecc. Quando si utilizza la saldatura laser singola, è difficile stabilire il keyhole e mantenerne la stabilità. La saldatura laser a doppio raggio può aumentare le dimensioni del keyhole, rendendo difficile la sua chiusura, il che è vantaggioso per lo scarico del gas. Può anche ridurre la velocità di raffreddamento e ridurre la formazione di pori e crepe di saldatura. Poiché il processo di saldatura è più stabile e la quantità di spruzzi è ridotta, la forma della superficie di saldatura ottenuta con la saldatura a doppio raggio di leghe di alluminio è anche significativamente migliore di quella ottenuta con la saldatura a raggio singolo. La Figura 6-32 mostra l'aspetto del cordone di saldatura di una saldatura di testa di lega di alluminio spessa 3 mm utilizzando un laser CO2 a raggio singolo e una saldatura laser a doppio raggio.
La ricerca dimostra che, durante la saldatura di leghe di alluminio serie 5000 di 2 mm di spessore, quando la distanza tra i due fasci è compresa tra 0,6 e 1,0 mm, il processo di saldatura risulta relativamente stabile e l'apertura del foro di saldatura è maggiore, favorendo l'evaporazione e la fuoriuscita del magnesio durante il processo. Se la distanza tra i due fasci è troppo piccola, il processo di saldatura di un singolo fascio non sarà stabile. Se la distanza è troppo grande, la penetrazione della saldatura ne risentirà, come mostrato nella Figura 6-33. Inoltre, anche il rapporto energetico dei due fasci ha un grande impatto sulla qualità della saldatura. Quando due fasci con una spaziatura di 0,9 mm vengono disposti in serie per la saldatura, l'energia del fascio precedente dovrebbe essere opportunamente aumentata in modo che il rapporto energetico tra i due fasci prima e dopo sia maggiore di 1:1. Ciò contribuisce a migliorare la qualità del cordone di saldatura, ad aumentare l'area di fusione e a ottenere comunque un cordone di saldatura liscio e uniforme anche ad alte velocità di saldatura.
3.3 Saldatura a doppio fascio di lamiere di diverso spessore
Nella produzione industriale, è spesso necessario saldare due o più lamiere metalliche di diverso spessore e forma per formare una piastra giuntata. In particolare, nella produzione automobilistica, l'applicazione di lamiere saldate su misura sta diventando sempre più diffusa. Saldando lamiere con specifiche, rivestimenti superficiali o proprietà diverse, è possibile aumentare la resistenza, ridurre i materiali di consumo e migliorare la qualità. La saldatura laser di lamiere di diverso spessore è comunemente utilizzata nella saldatura di pannelli. Un problema principale è che le lamiere da saldare devono essere preformate con bordi di alta precisione e garantire un assemblaggio altrettanto preciso. L'utilizzo della saldatura a doppio raggio di lamiere di diverso spessore consente di adattarsi a diverse variazioni di intercapedine, giunzioni di testa, spessori relativi e materiali delle lamiere. Permette di saldare lamiere con tolleranze di bordo e intercapedine maggiori, migliorando la velocità e la qualità della saldatura.
I principali parametri di processo della saldatura di lamiere di diverso spessore secondo il metodo Shuangguangdong possono essere suddivisi in parametri di saldatura e parametri della lamiera, come mostrato in figura. I parametri di saldatura includono la potenza dei due raggi laser, la velocità di saldatura, la posizione del fuoco, l'angolo della testa di saldatura, l'angolo di rotazione del raggio del giunto di testa a doppio raggio e l'offset di saldatura, ecc. I parametri della lamiera includono le dimensioni del materiale, le prestazioni, le condizioni di rifilatura, gli spazi tra le lamiere, ecc. La potenza dei due raggi laser può essere regolata separatamente in base alle diverse esigenze di saldatura. La posizione del fuoco è generalmente situata sulla superficie della lamiera sottile per ottenere un processo di saldatura stabile ed efficiente. L'angolo della testa di saldatura viene solitamente scelto intorno a 6°. Se lo spessore delle due lamiere è relativamente grande, è possibile utilizzare un angolo positivo della testa di saldatura, ovvero il laser è inclinato verso la lamiera sottile, come mostrato in figura; quando lo spessore della lamiera è relativamente piccolo, è possibile utilizzare un angolo negativo della testa di saldatura. L'offset di saldatura è definito come la distanza tra il fuoco del laser e il bordo della lamiera spessa. Regolando l'offset di saldatura, è possibile ridurre l'entità dell'ammaccatura di saldatura e ottenere una buona sezione trasversale della saldatura.
Quando si saldano lamiere con ampi spazi vuoti, è possibile aumentare il diametro di riscaldamento effettivo del fascio ruotando l'angolo del doppio fascio per ottenere una buona capacità di riempimento dello spazio. La larghezza della parte superiore della saldatura è determinata dal diametro effettivo dei due fasci laser, ovvero dall'angolo di rotazione del fascio. Maggiore è l'angolo di rotazione, più ampio è il campo di riscaldamento del doppio fascio e maggiore è la larghezza della parte superiore della saldatura. I due fasci laser svolgono ruoli diversi nel processo di saldatura. Uno viene utilizzato principalmente per penetrare la giunzione, mentre l'altro viene utilizzato principalmente per fondere il materiale della lamiera spessa e riempire lo spazio vuoto. Come mostrato nella Figura 6-35, con un angolo di rotazione del fascio positivo (il fascio anteriore agisce sulla lamiera spessa, il fascio posteriore agisce sulla saldatura), il fascio anteriore incide sulla lamiera spessa per riscaldare e fondere il materiale, mentre il fascio laser successivo crea la penetrazione. Il primo raggio laser frontale può fondere solo parzialmente la piastra spessa, ma contribuisce notevolmente al processo di saldatura, perché non solo fonde il lato della piastra spessa per un migliore riempimento dello spazio, ma pre-unisce anche il materiale del giunto in modo che i raggi successivi possano saldare più facilmente attraverso i giunti, consentendo una saldatura più rapida. Nella saldatura a doppio raggio con un angolo di rotazione negativo (il raggio anteriore agisce sulla saldatura e il raggio posteriore agisce sulla piastra spessa), i due raggi hanno esattamente l'effetto opposto. Il primo raggio fonde il giunto e il secondo raggio fonde la piastra spessa per riempire lo spazio. In questo caso, il raggio anteriore deve saldare attraverso la piastra fredda e la velocità di saldatura è inferiore rispetto all'utilizzo di un angolo di rotazione del raggio positivo. Inoltre, a causa dell'effetto di preriscaldamento del raggio precedente, il raggio successivo fonderà più materiale della piastra spessa a parità di potenza. In questo caso, la potenza del raggio laser successivo dovrebbe essere opportunamente ridotta. Al contrario, l'utilizzo di un angolo di rotazione del raggio positivo può aumentare opportunamente la velocità di saldatura, mentre l'utilizzo di un angolo di rotazione del raggio negativo può ottenere un migliore riempimento dello spazio. La Figura 6-36 mostra l'influenza dei diversi angoli di rotazione del fascio sulla sezione trasversale della saldatura.
3.4 Saldatura laser a doppio raggio di lamiere spesse di grandi dimensioni Con il miglioramento del livello di potenza laser e della qualità del raggio, la saldatura laser di lamiere spesse di grandi dimensioni è diventata una realtà. Tuttavia, poiché i laser ad alta potenza sono costosi e la saldatura di lamiere spesse di grandi dimensioni richiede generalmente materiale d'apporto, esistono alcune limitazioni nella produzione effettiva. L'utilizzo della tecnologia di saldatura laser a doppio raggio non solo può aumentare la potenza del laser, ma anche aumentare il diametro di riscaldamento effettivo del raggio, aumentare la capacità di fusione del filo d'apporto, stabilizzare il foro di penetrazione del laser, migliorare la stabilità della saldatura e migliorare la qualità della saldatura.
Data di pubblicazione: 29 aprile 2024
