Kaksoispalkkihitsausmenetelmää ehdotetaan pääasiassa ratkaisemaan sopeutumiskykyälaserhitsauskokoonpanon tarkkuutta, hitsausprosessin vakautta ja hitsin laatua, erityisesti ohutlevyjen ja alumiiniseosten hitsauksessa. Kaksoissädelaserhitsauksessa voidaan käyttää optisia menetelmiä saman laserin erottamiseen kahdeksi erilliseksi valonsäteeksi hitsausta varten. Se voi myös yhdistää kahta erityyppistä laseria: CO2-laseria, Nd:YAG-laseria ja suuritehoista puolijohdelaseria. Muuttamalla säteen energiaa, säteiden välistä etäisyyttä ja jopa kahden säteen energian jakautumiskuviota, hitsauslämpötilakenttää voidaan säätää kätevästi ja joustavasti, mikä muuttaa reikien olemassaolokuviota ja nestemäisen metallin virtauskuviota sulassa altaassa, mikä tarjoaa paremman ratkaisun hitsausprosessiin. Yksisädelaserhitsauksen laaja valikoima on vertaansa vailla. Sillä on paitsi suuren laserhitsausläpäisykyvyn, nopean nopeuden ja suuren tarkkuuden edut, myös erinomainen sopeutumiskyky materiaaleihin ja liitoksiin, joita on vaikea hitsata perinteisellä laserhitsauksella.
Periaatekaksoissädelaserhitsaus
Kaksoissädehitsaus tarkoittaa kahden lasersäteen samanaikaista käyttöä hitsausprosessin aikana. Säteiden järjestely, säteiden välinen etäisyys, säteiden välinen kulma, tarkennusasento ja säteiden energiasuhde ovat kaikki tärkeitä asetuksia kaksoissädelaserhitsauksessa. Normaalisti hitsausprosessin aikana on kaksi tapaa järjestää kaksoissäteet. Kuten kuvassa on esitetty, toinen on järjestetty sarjaan hitsaussuunnassa. Tämä järjestely voi hidastaa hitsaussulan jäähtymisnopeutta. Se vähentää hitsin karkenemistaipumusta ja huokosten muodostumista. Toinen tapa on järjestää ne vierekkäin tai poikittain hitsin molemmille puolille, jotta ne mukautuvat hitsausrakoon paremmin.
Kaksoissädelaserhitsauksen periaate
Kaksoissädehitsaus tarkoittaa kahden lasersäteen samanaikaista käyttöä hitsausprosessin aikana. Säteiden järjestely, säteiden välinen etäisyys, säteiden välinen kulma, tarkennusasento ja säteiden energiasuhde ovat kaikki tärkeitä asetuksia kaksoissädelaserhitsauksessa. Normaalisti hitsausprosessin aikana on kaksi tapaa järjestää kaksoissäteet. Kuten kuvassa on esitetty, toinen on järjestetty sarjaan hitsaussuunnassa. Tämä järjestely voi hidastaa hitsaussulan jäähtymisnopeutta. Se vähentää hitsin karkenemistaipumusta ja huokosten muodostumista. Toinen tapa on järjestää ne vierekkäin tai poikittain hitsin molemmille puolille, jotta ne mukautuvat hitsausrakoon paremmin.
Tandem-asennossa olevassa kaksoissädelaserhitsausjärjestelmässä on kolme erilaista hitsausmekanismia etu- ja takasäteiden välisen etäisyyden mukaan, kuten alla olevassa kuvassa on esitetty.
1. Ensimmäisen tyyppisessä hitsausmekanismissa kahden valonsäteen välinen etäisyys on suhteellisen suuri. Toisella valonsäteellä on suurempi energiatiheys ja se kohdistetaan työkappaleen pintaan muodostaen hitsaukseen avaimenreikiä; toisella valonsäteellä on pienempi energiatiheys. Sitä käytetään vain lämmönlähteenä hitsausta edeltävässä tai hitsauksen jälkeisessä lämpökäsittelyssä. Tämän hitsausmekanismin avulla hitsaussulan jäähdytysnopeutta voidaan säätää tietyllä alueella, mikä on hyödyllistä hitsattaessa joitakin erittäin halkeamaherkkiä materiaaleja, kuten korkean hiilipitoisuuden omaavaa terästä, seosterästä jne., ja se voi myös parantaa hitsin sitkeyttä.
2. Toisessa hitsausmekanismityypissä kahden valonsäteen välinen tarkennusetäisyys on suhteellisen pieni. Kaksi valonsädettä tuottavat hitsauslammikkoon kaksi erillistä avaimenreikää, mikä muuttaa nestemäisen metallin virtauskuviota ja auttaa estämään kiinnileikkautumista. Se voi poistaa vikojen, kuten reunojen ja hitsauspalon pullistumien, esiintymisen ja parantaa hitsin muodostumista.
3. Kolmannessa hitsausmekanismissa kahden valonsäteen välinen etäisyys on hyvin pieni. Tällöin kaksi valonsädettä tuottavat saman avaimenreiän hitsausaltaaseen. Yhden säteen laserhitsaukseen verrattuna avaimenreiän koko on suurempi eikä sitä ole helppo sulkea, joten hitsausprosessi on vakaampi ja kaasu poistuu helpommin. Tämä on hyödyllistä huokosten ja roiskeiden vähentämiseksi sekä jatkuvien, tasaisten ja kauniiden hitsien aikaansaamiseksi.
Hitsausprosessin aikana kaksi lasersädettä voidaan myös tehdä tietyssä kulmassa toisiinsa nähden. Hitsausmekanismi on samanlainen kuin rinnakkaisessa kaksoissädehitsausmekanismissa. Testitulokset osoittavat, että käyttämällä kahta tehokasta lasersädettä, jotka ovat 30° kulmassa toisiinsa nähden ja 1–2 mm:n etäisyydellä toisistaan, lasersäde voi saada aikaan suppilonmuotoisen avaimenreiän. Avaimenreiän koko on suurempi ja vakaampi, mikä voi tehokkaasti parantaa hitsauksen laatua. Käytännön sovelluksissa kahden valonsäteen keskinäistä yhdistelmää voidaan muuttaa eri hitsausolosuhteiden mukaan erilaisten hitsausprosessien saavuttamiseksi.
6. Kaksoissädelaserhitsauksen toteutusmenetelmä
Kaksoissäteitä voidaan saada yhdistämällä kaksi erilaista lasersädettä, tai yksi lasersäde voidaan jakaa kahdeksi lasersäteeksi hitsausta varten käyttämällä optista spektrometriajärjestelmää. Valonsäteen jakamiseen kahdeksi rinnakkaiseksi, eri tehoiseksi lasersäteeksi voidaan käyttää spektroskooppia tai jotain erityistä optista järjestelmää. Kuvassa on kaksi kaaviokuvaa valonjakamisperiaatteista, joissa käytetään tarkennuspeilejä säteenjakajina.
Lisäksi heijastinta voidaan käyttää myös säteenjakajana, ja optisen reitin viimeistä heijastinta voidaan käyttää säteenjakajana. Tämän tyyppistä heijastinta kutsutaan myös kattotyyppiseksi heijastimeksi. Sen heijastava pinta ei ole tasainen pinta, vaan se koostuu kahdesta tasosta. Kahden heijastavan pinnan leikkausviiva sijaitsee peilipinnan keskellä, kuten katon harjalla, kuten kuvassa on esitetty. Spektroskooppiin osuu yhdensuuntainen valonsäde, joka heijastuu kahdesta eri kulmassa olevasta tasosta muodostaen kaksi valonsädettä ja osuu tarkennuspeilin eri kohtiin. Tarkennuksen jälkeen työkappaleen pinnalle saadaan tietylle etäisyydelle kaksi valonsädettä. Muuttamalla kahden heijastavan pinnan välistä kulmaa ja katon sijaintia voidaan saada jaettuja valonsäteitä, joilla on eri tarkennusetäisyydet ja -järjestelyt.
Kun käytetään kahta erityyppistälasersäteet tKaksoissäteen muodostamiseksi on monia yhdistelmiä. Päähitsaustyöhön voidaan käyttää korkealaatuista Gaussisen energiajakauman omaavaa CO2-laseria, ja lämpökäsittelytyössä voidaan käyttää suorakaiteen muotoisen energiajakauman omaavaa puolijohdelaseria. Toisaalta tämä yhdistelmä on taloudellisempi. Toisaalta kahden valonsäteen tehoa voidaan säätää erikseen. Erilaisille liitosmuodoille voidaan saada säädettävä lämpötilakenttä säätämällä laserin ja puolijohdelaserin päällekkäisyyttä, mikä sopii erittäin hyvin hitsaukseen. Prosessinohjaus. Lisäksi YAG-laser ja CO2-laser voidaan yhdistää myös kaksoissäteeksi hitsausta varten, jatkuva laser ja pulssilaser voidaan yhdistää hitsausta varten, ja myös fokusoitu säde ja epäfokusoitu säde voidaan yhdistää hitsausta varten.
7. Kaksoissädelaserhitsauksen periaate
3.1 Sinkittyjen levyjen kaksoissädelaserhitsaus
Sinkitty teräslevy on autoteollisuudessa yleisimmin käytetty materiaali. Teräksen sulamispiste on noin 1500 °C, kun taas sinkin kiehumispiste on vain 906 °C. Siksi sulahitsausmenetelmää käytettäessä syntyy yleensä suuri määrä sinkkihöyryä, mikä tekee hitsausprosessista epävakaan ja muodostaa huokosia hitsiin. Limitysliitoksissa sinkityn kerroksen haihtuminen tapahtuu paitsi ylä- ja alapinnoissa, myös liitoksen pinnalla. Hitsausprosessin aikana sinkkihöyry purkautuu nopeasti sulan pinnasta joillakin alueilla, kun taas toisilla alueilla sinkkihöyryn on vaikea poistua sulasta. Altaan pinnalla hitsauksen laatu on erittäin epävakaa.
Kaksoissädelaserhitsaus voi ratkaista sinkkihöyryn aiheuttamat hitsauslaatuongelmat. Yksi menetelmä on hallita sulan altaan olemassaoloaikaa ja jäähdytysnopeutta sovittamalla kohtuullisesti kahden säteen energiaa sinkkihöyryn poistumisen helpottamiseksi; toinen menetelmä on sinkkihöyryn vapauttaminen esirei'ityksellä tai urituksella. Kuten kuvassa 6-31 on esitetty, CO2-laseria käytetään hitsaukseen. YAG-laser on CO2-laserin edessä ja sitä käytetään reikien poraamiseen tai urien leikkaamiseen. Esikäsitellyt reiät tai urat tarjoavat poistumisreitin myöhemmän hitsauksen aikana syntyvälle sinkkihöyrylle estäen sen jäämisen sulaan altaaseen ja vikojen muodostumisen.
3.2 Alumiiniseoksen kaksoissädelaserhitsaus
Alumiiniseosmateriaalien erityisten suorituskykyominaisuuksien vuoksi laserhitsauksessa on seuraavia vaikeuksia [39]: alumiiniseoksella on alhainen laserin absorptionopeus, ja CO2-lasersäteen pinnan alkuheijastavuus ylittää 90 %; alumiiniseosten laserhitsaussaumoja on helppo tuottaa, kuten huokoisuutta, halkeamia, seosaineiden palamista hitsauksen aikana jne. Yksittäisellä laserhitsauksella on vaikea muodostaa täysreikää ja ylläpitää sen vakautta. Kaksoispalkeilla tehtävä laserhitsaus voi suurentaa täysreiän kokoa, mikä vaikeuttaa sen sulkeutumista, mikä on hyödyllistä kaasupurkauksen kannalta. Se voi myös hidastaa jäähtymisnopeutta ja vähentää huokosten ja hitsaushalkeamien esiintymistä. Koska hitsausprosessi on vakaampi ja roiskeiden määrä vähenee, alumiiniseosten kaksoispalkeilla tehtävällä hitsauspinnan muoto on myös huomattavasti parempi kuin yksipalkeilla tehtävällä hitsauksella. Kuva 6-32 esittää 3 mm paksun alumiiniseoksen puskuhitsauksen hitsaussauman ulkonäköä käytettäessä CO2-yksipalkeilla tehtävää laserhitsausta ja kaksoispalkeilla tehtävää laserhitsausta.
Tutkimukset osoittavat, että hitsattaessa 2 mm paksua 5000-sarjan alumiiniseosta ja kun kahden säteen välinen etäisyys on 0,6–1,0 mm, hitsausprosessi on suhteellisen vakaa ja muodostuva avainreikä on suurempi, mikä edistää magnesiumin haihtumista ja poistumista hitsausprosessin aikana. Jos kahden säteen välinen etäisyys on liian pieni, yksittäisen säteen hitsausprosessi ei ole vakaa. Jos etäisyys on liian suuri, se vaikuttaa hitsaustunkeumaan, kuten kuvassa 6-33 on esitetty. Lisäksi kahden säteen energiasuhteella on suuri vaikutus hitsauksen laatuun. Kun kaksi sädettä, joiden välinen etäisyys on 0,9 mm, on kytketty sarjaan hitsausta varten, edellisen säteen energiaa tulisi lisätä asianmukaisesti siten, että kahden säteen energiasuhde ennen ja jälkeen on suurempi kuin 1:1. Tämä auttaa parantamaan hitsaussauman laatua, lisäämään sulamispinta-alaa ja saavuttamaan silti sileän ja kauniin hitsaussauman, kun hitsausnopeus on suuri.
3.3 Epätasaisen paksuisten levyjen kaksoispalkkihitsaus
Teollisuustuotannossa on usein tarpeen hitsata kaksi tai useampia eri paksuisia ja muotoisia metallilevyjä liitoslevyn muodostamiseksi. Erityisesti autoteollisuudessa mittatilaustyönä hitsattujen aihioiden käyttö yleistyy. Hitsaamalla eri ominaisuuksilla, pinnoitteilla tai ominaisuuksilla varustettuja levyjä voidaan lisätä lujuutta, vähentää kulutusta ja heikentää laatua. Eri paksuisten levyjen laserhitsausta käytetään yleensä paneelien hitsauksessa. Suuri ongelma on, että hitsattavat levyt on esivalmistettava erittäin tarkkoilla reunoilla ja varmistettava tarkka kokoonpano. Epätasaisen paksuisten levyjen kaksoispalkkihitsauksen käyttö voi mukautua levyjen rakojen, puskuliitosten, suhteellisten paksuuksien ja levymateriaalien erilaisiin muutoksiin. Se voi hitsata levyjä, joilla on suuremmat reuna- ja rakotoleranssit, ja parantaa hitsausnopeutta ja hitsauksen laatua.
Shuangguangdongin epätasaisen paksuuden omaavien levyjen hitsauksen pääprosessiparametrit voidaan jakaa hitsausparametreihin ja levyparametreihin, kuten kuvassa on esitetty. Hitsausparametreihin kuuluvat kahden lasersäteen teho, hitsausnopeus, tarkennusasento, hitsauspään kulma, kaksoissäteen liitoskohdan säteen kiertokulma ja hitsaussiirtymä jne. Levyn parametreihin kuuluvat materiaalin koko, suorituskyky, leikkausolosuhteet, levyjen raot jne. Kahden lasersäteen tehoa voidaan säätää erikseen eri hitsaustarkoitusten mukaan. Tarkennusasento sijaitsee yleensä ohuen levyn pinnalla vakaan ja tehokkaan hitsausprosessin saavuttamiseksi. Hitsauspään kulma valitaan yleensä noin 6:een. Jos kahden levyn paksuus on suhteellisen suuri, voidaan käyttää positiivista hitsauspään kulmaa, eli laser kallistuu ohutta levyä kohti, kuten kuvassa on esitetty; kun levyn paksuus on suhteellisen pieni, voidaan käyttää negatiivista hitsauspään kulmaa. Hitsaussiirtymä määritellään laserin tarkennuspisteen ja paksun levyn reunan väliseksi etäisyydeksi. Hitsaussiirtymää säätämällä voidaan vähentää hitsauskolmion määrää ja saada hyvä hitsauspoikkileikkaus.
Kun hitsataan levyjä, joissa on suuria rakoja, voit suurentaa säteen tehollista lämmityshalkaisijaa kiertämällä kaksoissäteen kulmaa, jotta saavutetaan hyvät rakojen täyttöominaisuudet. Hitsauksen yläosan leveys määräytyy kahden lasersäteen tehollisen säteen halkaisijan eli säteen pyörimiskulman mukaan. Mitä suurempi pyörimiskulma, sitä laajempi kaksoissäteen lämmitysalue ja sitä suurempi hitsin yläosan leveys. Kahdella lasersäteellä on eri roolit hitsausprosessissa. Toista käytetään pääasiassa sauman läpäisemiseen, kun taas toista käytetään pääasiassa paksun levymateriaalin sulattamiseen raon täyttämiseksi. Kuten kuvassa 6-35 on esitetty, positiivisen säteen pyörimiskulman aikana (etumainen säde vaikuttaa paksuun levyyn, takimmainen säde vaikuttaa hitsiin) etummainen säde osuu paksuun levyyn lämmittäen ja sulattaen materiaalia, ja seuraava lasersäde luo läpäisyn. Edessä oleva ensimmäinen lasersäde voi sulattaa paksun levyn vain osittain, mutta se edistää merkittävästi hitsausprosessia, koska se ei ainoastaan sulata paksun levyn sivua paremman raon täyttämiseksi, vaan myös esiliittää liitosmateriaalin, jolloin seuraavat säteet helpottavat liitosten läpi hitsausta ja mahdollistavat nopeamman hitsauksen. Kaksoissätehitsauksessa, jossa on negatiivinen pyörimiskulma (etummainen säde vaikuttaa hitsiin ja takimmainen säde paksuun levyyn), kahdella säteellä on täsmälleen päinvastainen vaikutus. Edellinen säde sulattaa liitoksen ja jälkimmäinen säde sulattaa paksun levyn täyttääkseen sen. Tässä tapauksessa etummaisen säteen on hitsattava kylmän levyn läpi, ja hitsausnopeus on hitaampi kuin positiivista säteen pyörimiskulmaa käytettäessä. Ja edellisen säteen esilämmitysvaikutuksen vuoksi jälkimmäinen säde sulattaa enemmän paksua levymateriaalia samalla teholla. Tässä tapauksessa jälkimmäisen lasersäteen tehoa tulisi pienentää asianmukaisesti. Vertailun vuoksi positiivisen säteen pyörimiskulman käyttö voi lisätä hitsausnopeutta asianmukaisesti, ja negatiivisen säteen pyörimiskulman käyttö voi saavuttaa paremman raon täyttämisen. Kuva 6-36 esittää eri säteen kiertokulmien vaikutuksen hitsin poikkileikkaukseen.
3.4 Suurten paksujen levyjen kaksoissädelaserhitsaus Lasertehotason ja säteen laadun parantuessa suurten paksujen levyjen laserhitsaus on tullut todellisuudeksi. Koska tehokkaat laserit ovat kuitenkin kalliita ja suurten paksujen levyjen hitsaus vaatii yleensä lisäainemetallia, todellisessa tuotannossa on tiettyjä rajoituksia. Kaksoissädelaserhitsaustekniikan käyttö voi paitsi lisätä laserin tehoa, myös lisätä säteen tehokasta lämmityshalkaisijaa, lisätä lisäainelangan sulatuskykyä, vakauttaa laserin tähystysreiän, parantaa hitsauksen vakautta ja parantaa hitsauksen laatua.
Julkaisuaika: 29.4.2024
