Verrattuna perinteiseen hitsaustekniikkaan,laserhitsaussillä on vertaansa vailla olevia etuja hitsaustarkkuuden, tehokkuuden, luotettavuuden, automaation ja muiden näkökohtien suhteen. Viime vuosina se on kehittynyt nopeasti autoteollisuudessa, energia-alalla, elektroniikassa ja muilla aloilla, ja sitä pidetään yhtenä 2000-luvun lupaavimmista valmistusteknologioista.
1. Yleiskatsaus kaksoispalkkiinlaserhitsaus
Kaksinkertainen palkkilaserhitsauson käyttää optisia menetelmiä saman laserin erottamiseen kahdeksi erilliseksi valonsäteeksi hitsausta varten tai käyttää kahta erityyppistä laseria yhdistämällä ne, kuten CO2-laser, Nd:YAG-laser ja suuritehoinen puolijohdelaser. Kaikkia voidaan yhdistää. Ehdotettiin pääasiassa laserhitsauksen sopeutumiskyvyn ratkaisemiseksi kokoonpanotarkkuuteen, hitsausprosessin vakauden parantamiseksi ja hitsin laadun parantamiseksi. Kaksoissädelaserhitsausvoi kätevästi ja joustavasti säätää hitsauslämpötilakenttää muuttamalla säteen energiasuhdetta, säteiden välistä etäisyyttä ja jopa kahden lasersäteen energian jakautumiskuviota, mikä muuttaa avaimenreiän olemassaolokuviota ja nestemäisen metallin virtauskuviota sulassa altaassa. Tarjoaa laajemman valikoiman hitsausprosesseja. Sillä ei ole vain suurten etujen mukaisialaserhitsaustunkeutumisnopeus ja korkea tarkkuus, mutta sopii myös materiaaleille ja liitoksille, joita on vaikea hitsata perinteisillä hitsausmenetelmillälaserhitsaus.
KaksoispalkkiinlaserhitsausSeuraavassa käsitellään ensin kaksoissädelaserin toteutusmenetelmiä. Kattava kirjallisuus osoittaa, että kaksoissädehitsaukseen on kaksi päätapaa: läpäisyfokusointi ja heijastusfokusointi. Tarkemmin sanottuna toinen saavutetaan säätämällä kahden laserin kulmaa ja etäisyyttä tarkennuspeilien ja kollimoivien peilien avulla. Toinen saavutetaan käyttämällä laserlähdettä ja sitten fokusoimalla heijastavien peilien, läpäisevien peilien ja kiilamaisen peilien avulla kaksoissäteiden aikaansaamiseksi. Ensimmäisessä menetelmässä on pääasiassa kolme tapaa. Ensimmäinen tapa on kytkeä kaksi laseria optisten kuitujen kautta ja jakaa ne kahdeksi eri säteeksi saman kollimoivan peilin ja tarkennuspeilin alle. Toinen tapa on, että kaksi laseria tuottaa lasersäteitä omien hitsauspäidensä läpi, ja kaksoissäde muodostetaan säätämällä hitsauspäiden avaruudellista sijaintia. Kolmas menetelmä on, että lasersäde jaetaan ensin kahden peilin 1 ja 2 läpi ja sitten fokusoidaan kahdella tarkennuspeilillä 3 ja 4. Kahden polttopisteen sijaintia ja etäisyyttä voidaan säätää säätämällä kahden tarkennuspeilin 3 ja 4 kulmia. Toinen menetelmä on käyttää puolijohdelaseria valon jakamiseen kahden säteen aikaansaamiseksi ja säätää kulmaa ja etäisyyttä perspektiivipeilin ja tarkennuspeilin avulla. Ensimmäisen rivin kaksi viimeistä kuvaa alla esittävät CO2-laserin spektroskooppista järjestelmää. Litteä peili korvataan kiilamaisella peilillä ja asetetaan tarkennuspeilin eteen valon jakamiseksi kahden säteen rinnakkaisvalon aikaansaamiseksi.
Kun olemme ymmärtäneet kaksoispalkkien toteutuksen, esittelemme lyhyesti hitsausperiaatteet ja -menetelmät. Kaksoispalkissalaserhitsausprosessissa on kolme yleistä palkkijärjestelyä: sarjajärjestely, rinnakkaisjärjestely ja hybridijärjestely. Kangas, eli sekä hitsaussuunnassa että hitsauksen pystysuunnassa on etäisyys. Kuten kuvan viimeisellä rivillä on esitetty, sarjahitsausprosessin aikana eri pistevälein esiintyvien pienten reikien ja sula-altaiden eri muotojen mukaan ne voidaan jakaa edelleen yksittäisiin sula-altaisiin. On olemassa kolme tilaa: allas, yhteinen sula-allas ja erillinen sula-allas. Yksittäisen sula-altaan ja erillisen sula-altaan ominaisuudet ovat samanlaiset kuin yksittäisen sula-altaan.laserhitsaus, kuten numeerisessa simulaatiokaaviossa on esitetty. Eri tyypeillä on erilaisia prosessivaikutuksia.
Tyyppi 1: Tietyllä pistevälillä kaksi säteen avaimenreikää muodostavat yhteisen suuren avaimenreiän samaan sulaan altaaseen; tyypin 1 tapauksessa on raportoitu, että toista valonsädettä käytetään pienen reiän luomiseen ja toista valonsädettä käytetään hitsauksen lämpökäsittelyyn, mikä voi tehokkaasti parantaa korkean hiilipitoisuuden omaavan teräksen ja seosteräksen rakenteellisia ominaisuuksia.
Tyyppi 2: Suurenna hitsauspisteiden välistä etäisyyttä samassa sulassa altaassa, erota kaksi sädettä kahdeksi itsenäiseksi avaimenreiäksi ja muuta sulan altaan virtauskuviota; tyypissä 2 sen toiminta vastaa kahden elektronisuihkuhitsauksen toimintaa, vähentää hitsausroiskeita ja epäsäännöllisiä hitsejä sopivalla polttovälillä.
Tyyppi 3: Kahden palkin pisteiden välistä etäisyyttä lisätään ja energiasuhdetta muutetaan siten, että toista palkista käytetään lämmönlähteenä hitsausta edeltävään tai jälkihitsaukseen hitsauksen aikana ja toista palkia käytetään pienten reikien muodostamiseen. Tyypissä 3 tutkimuksessa havaittiin, että kaksi palkkia muodostavat avaimenreiän, jota ei ole helppo tiivistää, eikä hitsissä ole helppo muodostaa huokosia.
2. Hitsausprosessin vaikutus hitsauksen laatuun
Sarjapalkin energiasuhteen vaikutus hitsaussauman muodostumiseen
Kun laserin teho on 2 kW, hitsausnopeus on 45 mm/s, epätarkkuuden määrä on 0 mm ja säteiden välinen etäisyys on 3 mm, hitsauspinnan muoto RS:n muuttuessa (RS = 0,50, 0,67, 1,50, 2,00) on kuvan mukainen. Kun RS = 0,50 ja 2,00, hitsaus on lommoisempaa ja hitsin reunalla on enemmän roiskeita, eikä säännöllisiä suomukuvioita muodostu. Tämä johtuu siitä, että kun säteen energiasuhde on liian pieni tai liian suuri, laserin energia on liian keskittynyttä, mikä aiheuttaa laserin neulanreiän voimakkaampaa värähtelyä hitsausprosessin aikana, ja höyryn palautuspaine aiheuttaa sulan metallilammen sinkoutumista ja roiskumista sulaan altaaseen. Liiallinen lämmönsyöttö aiheuttaa sulan altaan tunkeutumissyvyyden alumiiniseoksen puolella liian suureksi, mikä aiheuttaa painovoiman vaikutuksesta syvennyksen. Kun RS = 0,67 ja 1,50, hitsauspinnan suomukuvio on tasainen, hitsausmuoto on kauniimpi eikä hitsauspinnassa ole näkyviä hitsauskuumia halkeamia, huokosia tai muita hitsausvirheitä. Eri sädeenergiasuhteilla RS tehtyjen hitsien poikkileikkausmuodot ovat kuvan mukaiset. Hitsien poikkileikkaus on tyypillinen "viinilasin" muotoinen, mikä osoittaa, että hitsausprosessi suoritetaan lasersyvähitsaustilassa. RS:llä on tärkeä vaikutus hitsin tunkeutumissyvyyteen P2 alumiiniseoksen puolella. Kun sädeenergiasuhde RS = 0,5, P2 on 1203,2 mikronia. Kun sädeenergiasuhde on RS = 0,67 ja 1,5, P2 pienenee merkittävästi, jolloin arvot ovat vastaavasti 403,3 mikronia ja 93,6 mikronia. Kun sädeenergiasuhde on RS = 2, liitoksen poikkileikkauksen hitsin tunkeutumissyvyys on 1151,6 mikronia.
Yhdensuuntaisen säteen ja energian suhteen vaikutus hitsaussauman muodostumiseen
Kun laserin teho on 2,8 kW, hitsausnopeus on 33 mm/s, epätarkkuuden määrä on 0 mm ja säteiden välinen etäisyys on 1 mm, hitsauspinta saadaan muuttamalla säteen energiasuhdetta (RS = 0,25, 0,5, 0,67, 1,5, 2, 4). Ulkonäkö on esitetty kuvassa. Kun RS = 2, hitsauspinnan suomukuvio on suhteellisen epäsäännöllinen. Muilla viidellä eri säteen energiasuhteella saadun hitsin pinta on hyvin muodostunut, eikä siinä ole näkyviä vikoja, kuten huokosia tai roiskeita. Siksi verrattuna sarjamuotoiseen kaksoissäteeseenlaserhitsausYhdensuuntaisilla kaksoispalkeilla hitsatun hitsin pinta on tasaisempi ja kauniimpi. Kun RS = 0,25, hitsissä on pieni painauma; sädeenergiasuhteen vähitellen kasvaessa (RS = 0,5, 0,67 ja 1,5), hitsin pinta on tasainen eikä painaumaa muodostu. Kuitenkin, kun sädeenergiasuhde edelleen kasvaa (RS = 1,50, 2,00), hitsin pinnalla on painaumia. Kun sädeenergiasuhde RS = 0,25, 1,5 ja 2, hitsin poikkileikkausmuoto on "viinilasin muotoinen"; kun RS = 0,50, 0,67 ja 1, hitsin poikkileikkausmuoto on "suppilon muotoinen". Kun RS = 4, hitsin pohjalle syntyy paitsi halkeamia, myös huokosia hitsin keski- ja alaosaan. Kun RS = 2, hitsin sisään ilmestyy suuria prosessihuokosia, mutta halkeamia ei synny. Kun RS = 0,5, 0,67 ja 1,5, alumiiniseoksen puoleisen hitsin tunkeutumissyvyys P2 on pienempi ja hitsin poikkileikkaus on hyvin muodostunut eikä ilmeisiä hitsausvirheitä synny. Nämä osoittavat, että säteen energiasuhteella rinnakkaislaserhitsauksessa on myös tärkeä vaikutus hitsin tunkeumaan ja hitsausvirheisiin.
Yhdensuuntainen palkki – palkkien välistyksen vaikutus hitsaussauman muodostumiseen
Kun laserin teho on 2,8 kW, hitsausnopeus on 33 mm/s, epätarkkuuden määrä on 0 mm ja säteen energiasuhde RS = 0,67, muuta säteiden välistä etäisyyttä (d = 0,5 mm, 1 mm, 1,5 mm, 2 mm) saadaksesi kuvan mukaisen hitsauspinnan morfologian. Kun d = 0,5 mm, 1 mm, 1,5 mm, 2 mm, hitsauspinta on sileä ja tasainen, ja muoto on kaunis; hitsausjäljen suomukuvio on säännöllinen ja kaunis, eikä siinä ole näkyviä huokosia, halkeamia tai muita vikoja. Näin ollen neljän säteen etäisyydellä hitsauspinta on hyvin muodostunut. Lisäksi, kun d = 2 mm, muodostuu kaksi erilaista hitsausta, mikä osoittaa, että kaksi rinnakkaista lasersädettä eivät enää vaikuta sulaan altaaseen eivätkä voi muodostaa tehokasta kaksoissädelaserhybridihitsausta. Kun sädeväli on 0,5 mm, hitsaus on "suppilonmuotoinen", alumiiniseoksen puoleisen hitsin tunkeutumissyvyys P2 on 712,9 mikronia, eikä hitsin sisällä ole halkeamia, huokosia tai muita vikoja. Sädevälin kasvaessa alumiiniseoksen puoleisen hitsin tunkeutumissyvyys P2 pienenee merkittävästi. Kun sädeväli on 1 mm, alumiiniseoksen puoleisen hitsin tunkeutumissyvyys on vain 94,2 mikronia. Sädevälin kasvaessa hitsi ei enää muodosta tehokasta tunkeutumista alumiiniseoksen puolella. Siksi, kun sädeväli on 0,5 mm, kaksoissäde-rekombinaatiovaikutus on paras. Sädevälin kasvaessa hitsauksen lämmöntuonti laskee jyrkästi ja kaksoissäde-laser-rekombinaatiovaikutus heikkenee vähitellen.
Hitsausmuodon ero johtuu sulan altaan erilaisesta virtauksesta ja jäähdytyksestä, jähmettymisestä hitsausprosessin aikana. Numeerinen simulointimenetelmä voi paitsi tehdä sulan altaan jännitysanalyysistä intuitiivisempaa, myös vähentää kokeellisia kustannuksia. Alla oleva kuva näyttää sivusula-altaan muutokset yhdellä palkilla, erilaisilla järjestelyillä ja hitsauspisteiden välistyksillä. Tärkeimmät johtopäätökset ovat: (1) Yhden palkin aikanalaserhitsausprosessissa sulan altaan reiän syvyys on suurin, reiän romahdusilmiö on läsnä, reiän seinämä on epäsäännöllinen ja virtauskentän jakauma reiän seinämän lähellä on epätasainen; sulan altaan takapinnan lähellä takaisinvirtaus on voimakasta ja sulan altaan pohjalla on ylöspäin suuntautuvaa takaisinvirtausta; pintasulan virtauskentän jakauma on suhteellisen tasainen ja hidas, ja sulan altaan leveys on epätasainen syvyyssuunnassa. Sulan altaan seinämän palautumispaine aiheuttaa häiriöitä pienten reikien välissä kaksoispalkissa.laserhitsaus, ja se on aina olemassa pienten reikien syvyyssuunnassa. Kun kahden säteen välinen etäisyys kasvaa, säteen energiatiheys siirtyy vähitellen yhden piikin tilasta kahden piikin tilaan. Kahden piikin välillä on minimiarvo, ja energiatiheys pienenee vähitellen. (2) Kaksoissäteellelaserhitsaus, kun pisteiden välinen etäisyys on 0–0,5 mm, sulan altaan pienten reikien syvyys pienenee hieman ja sulan altaan virtauskäyttäytyminen on kokonaisuudessaan samanlainen kuin yksipalkkijärjestelmässälaserhitsausKun pisteväli on yli 1 mm, pienet reiät erottuvat täysin toisistaan, ja hitsausprosessin aikana kahden laserin välillä ei ole juurikaan vuorovaikutusta, mikä vastaa kahta peräkkäistä/kahta rinnakkaista yksisädelaserhitsausta 1750 W:n teholla. Esilämmitysvaikutusta ei ole juurikaan, ja sulan altaan virtauskäyttäytyminen on samanlainen kuin yksisädelaserhitsauksessa. (3) Kun pisteväli on 0,5–1 mm, pienten reikien seinämäpinta on litteämpi kahdessa järjestelyssä, pienten reikien syvyys pienenee vähitellen ja pohja erottuu vähitellen. Pienten reikien ja pintasulan virtauksen välinen häiriö on 0,8 mm. Voimakkain. Sarjahitsauksessa sulan altaan pituus kasvaa vähitellen, leveys on suurin, kun pisteväli on 0,8 mm, ja esilämmitysvaikutus on ilmeisin, kun pisteväli on 0,8 mm. Marangonin voiman vaikutus heikkenee vähitellen ja enemmän metallinestettä virtaa sulan altaan molemmille puolille. Tämä tekee sulan leveyden jakaumasta tasaisemman. Rinnakkaishitsauksessa sulan altaan leveys kasvaa vähitellen ja pituus on suurimmillaan 0,8 mm, mutta esilämmitysvaikutusta ei ole; Marangonin voiman aiheuttama takaisinvirtaus pinnan lähellä on aina olemassa, ja pienen reiän pohjalla alaspäin suuntautuva takaisinvirtaus häviää vähitellen; poikkileikkauksen virtauskenttä ei ole yhtä hyvä kuin sarjassa, häiriöt tuskin vaikuttavat virtaukseen sulan altaan molemmilla puolilla, ja sulan leveys jakautuu epätasaisesti.
Julkaisun aika: 12.10.2023
