Predlagana je metoda varjenja z dvojnim žarkom, ki se uporablja predvsem za izboljšanje prilagodljivosti laserskega varjenja za natančnost montaže, povečanje stabilnosti procesa varjenja in izboljšanje kakovosti zvar. Posebej je primeren za varjenje tankih plošč, aluminijevih zlitin in drugih materialov.
Metoda varjenja z dvojnim žarkom je predlagana predvsem za izboljšanje prilagodljivosti laserskega varjenja za natančnost montaže, povečanje stabilnosti procesa varjenja in izboljšanje kakovosti zvar. Še posebej je primeren za varjenje tankih plošč in aluminijevih zlitin. Lasersko varjenje z dvojnim žarkom ne more samo uporabiti optičnih metod za razdelitev iste vrste laserja na dva neodvisna laserska tramova za varjenje, ampak tudi uporabi dve različni vrsti laserjev za kombinirano varjenje. CO2 Lasers, ND: YAG laserji, polprevodniški laserji z visoko močjo itd. Se lahko med seboj kombinirajo. S spreminjanjem energije žarkov, razdalji med žarki in celo načinom porazdelitve energije obeh laserskih žarkov je lahko polje temperature varjenja priročno in prilagoditno prilagojeno, s čimer se spremeni obstoj lukenj in pretok tekoče kovine v stalnem bazenu, kar zagotavlja širšo izbiro za varjenje tehnologije za varjenje. Ne le da ima prednosti prodora laserskega varjenja, hitre hitrosti in visoke natančnosti, ampak ima tudi močno prilagodljivost materialom in sklepim, ki jih je težko variti z običajnim laserskim varjenjem.
1. načelo laserskega varjenja z dvojnim snopom
Varjenje z dvojnim žarkom se nanaša na uporabo dveh laserskih žarkov hkrati med postopkom varjenja. Razporeditev žarka, razmik snopa, kot, ki nastaneta z obema žarkoma, položaj fokusa in energijsko razmerje obeh žarkov, so ustrezni nastavitveni parametri v laserskem varjenju z dvojnim žarkom. Običajno med postopkom varjenja običajno obstajata dva načina za razporeditev dvojnih žarkov. Kot je prikazano na sliki, jih je treba razporediti zaporedno po smeri varjenja. Ta razporeditev lahko zmanjša hitrost hlajenja staljenega bazena, zmanjša težnjo z varjenjem in nastajanje pore. Drugi je, da se na obeh straneh zvara razporedimo v tramovi ob strani ali prečkamo, da povečate prilagodljivost vrzeli zvara.
Za laserski varilni sistem z dvojnim žarkom, razporejenim v seriji, obstajajo trije različni varilni mehanizmi glede na razmik med obema žarkoma.
1)V prvem mehanizmu varjenja je razmik med obema žarkoma velik, en žarek ima večjo energijsko gostoto in je osredotočen na površino obdelovanja, ki proizvaja majhne luknje med varjenjem; Drugi žarek ima nižjo gostoto energije in se uporablja le kot vir toplote za predhodno varanje ali toplotno obdelavo po varu. Ta varilni mehanizem omogoča, da se hitrost hlajenja varilnega bazena nadzoruje v določenem območju, kar je koristno za varjenje materialov, občutljivih na razpoke, kot sta visoko ogljikovo jeklo in jeklo z leglu, in lahko izboljša tudi žilavost zvara.
2)V drugem mehanizmu varjenja je razdalja med obema lasersko žariščih razmeroma majhna. Dva laserska žarka proizvajata dve neodvisni majhni luknji v enem samem staljenem bazenu in s tem spreminjata vzorec pretoka staljene kovine. To pomaga preprečiti okvare, kot sta podrezanje in izboklina z zvara, ter izboljšanje tvorbe zvara.
3) V tretjem mehanizmu varjenja je razdalja med obema laserskima žarkoma zelo majhna, dva laserska žarka pa proizvajata isto ključ v varilni bazeni. V primerjavi z laserskim varjenjem z enim žarkom je ta ključavnice večje velikosti in ga ni enostavno zapreti, zaradi česar je postopek varjenja bolj stabilen in lažji za praznjenje plina. To je ugodno za zmanjšanje pore in škropljenje ter pridobivanje neprekinjenih, enotnih in lepih zvarov.
Med postopkom varjenja lahko na določenem kotu nastavite tudi dva laserska žarka, njen varilni mehanizem pa je podoben vzporednemu mehanizmu varjenja z dvojnim žarkom. Rezultati testov kažejo, da lahko s kombiniranjem dveh laserskih žarkov z visoko močjo pod kotom 30 stopinj in razmikom 1 ~ 2 mm lahko dobite lijak v obliki črke. Ključavnice je večja in stabilnejša, kar lahko učinkovito izboljša kakovost varjenja. V praktičnih aplikacijah je mogoče prilagoditi različne kombinacije dveh laserskih žarkov glede na različne pogoje varjenja, da se dosežejo različni procesi varjenja.
2. Način izvajanja laserskega varjenja z dvojnim žarkom
Izhod z dvojnim žarkom je mogoče doseči s kombiniranjem dveh različnih laserskih žarkov ali z uporabo sistema za cepljenje optičnega žarka, da se laserski žarek razdeli na dva žarka za varjenje. Za razdelitev laserskega žarka na dva žarka različnih moči je mogoče uporabiti vzporedni laser, cepilnik snopa ali nekaj posebnih optičnih sistemov. Slika prikazujeta dva načela cepljenja žarka z uporabo fokusnega leče kot cepilnika snopa.
Poleg tega lahko reflektor uporabimo kot cepilnik žarka, zadnji reflektor na optični poti pa se uporablja kot cepilnik snopa. Ta reflektor se imenuje tudi greben reflektor. Njegova odsevna površina ni ena sama ravnina, ampak je sestavljena iz dveh ravnin. Presečišče obeh odsevnih površin je nameščeno na sredini površine ogledala, ki je videti kot greben, kot je prikazano na sliki. Vzporedni žarek se projicira na cepilnik žarka, ki ga odražata dve ravnini pod različnimi koti v dva žarka, obsevamo na različne položaje na fokusnem objektivu in osredotočen, da dobimo dva žarka z določeno razdaljo na površini obdelovanja. S spreminjanjem kota med dvema odsevnima površinama in položajem grebenske črte je mogoče dobiti razcepljene žarke z različnimi goriščnimi razdaljami in razporeditvami.
Ko se za oblikovanje dvojnega žarka uporabljata dve različni vrsti laserskih žarkov, je veliko kombinacij. Za glavno varilno delo se lahko uporabi visokokakovosten laser CO2 z Gaussovo porazdelitvijo energije, dopolnjen s polprevodniškim laserjem s pravokotno porazdelitvijo energije za toplotno obdelavo. Ta kombinacija je na eni strani ekonomična, moč obeh laserskih žarkov pa lahko na drugi strani prilagodimo neodvisno. Za različne oblike sklepov lahko dobimo nastavljivo temperaturno polje s prilagajanjem položaja prekrivanja laserja in polprevodniškega laserja, ki je zelo primeren za nadzor varjenja. Poleg tega lahko YAG laserji in CO2 laserji kombiniramo v dvojne žarke za varjenje, neprekinjene laserje je mogoče kombinirati z impulznimi laserji za varjenje, osredotočene žarke pa lahko kombiniramo z dekokusiranimi žarki za varjenje.
3. Načelo laserskega varjenja z dvojnim snopom
3.1 Lasersko varjenje z dvojnim žarkom pocinkanega lista
Pocinkani jekleni list je najpogosteje uporabljen material v avtomobilski industriji. Tališče jekla je približno 1500 stopinj, medtem ko je vrelišče cinka le 906 stopinj. Zato, ko je sprejeta metoda varjenja, običajno nastane velika količina cinkovih hlapov, kar ima za posledico nestabilen postopek varjenja in nastajanje pore v zvaru. Pri LAP sklepih se hlapna snovi pocinkane plasti pojavi ne le na zgornji in spodnji površini, ampak tudi na vmesniku sklepov. Med postopkom varjenja se cinkove hlape na nekaterih območjih hitro razkropijo s površine staljenega bazena, medtem ko je cinkove hlape na nekaterih območjih težko pobegniti s površine staljenega bazena, kar ima za posledico izjemno nestabilno kakovost varjenja.
Lasersko varjenje z dvojnim snopom lahko reši problem kakovosti varjenja, ki ga povzročajo cinkove hlape. Ena izmed metod je nadzor časa bivanja in hitrosti hlajenja staljenega bazena z razumnim ujemanjem energije obeh laserskih žarkov, ki vodi do pobega cinkove hlape; Druga metoda je omogočiti, da cinkove hlape pobegnejo skozi predhodno vrtanje ali žleb. Kot je prikazano na spodnji sliki, se za varjenje uporablja laser CO2, za vrtanje ali žleb se uporablja laser YAG na sprednji strani laserja CO2. Predhodno obdelane luknje ali utori zagotavljajo kanal za beg za cinkovo paro, ki nastane z naknadnim varjenjem, ki preprečuje, da bi se zadržal v staljenem bazenu in oblikoval okvare.
3.2 Lasersko varjenje aluminijeve zlitine z dvojnim žarkom
Zaradi edinstvenih lastnosti materialov aluminijeve zlitine ima lasersko varjenje naslednje težave: aluminijasta zlitina ima nizko hitrost absorpcije za laser, začetna odbojnost površine laserskega žarka CO2 pa presega 90%; Laserski zvari iz aluminijeve zlitine so nagnjeni k pore in razpokam med varjenjem; In med varjenjem je izguba zlitinskih elementov. Kadar se uporablja lasersko varjenje z enim žarkom, je ključavnico težko oblikovati in je težko vzdrževati stabilnost. Kadar se uporablja lasersko varjenje z dvojnim žarkom, lahko velikost ključavnice povečate, da se težko zapre, kar je pripomoglo k praznjenju plina. Hkrati lahko hitrost hlajenja zmanjšamo, da se zmanjša nastajanje pore in varilne razpoke. Ker je postopek varjenja bolj stabilen in se zmanjša količina škropljenja, je tvorba površine zvara, pridobljena z varjenjem z dvojnim žarkom aluminijeve zlitine, tudi bistveno boljši od procesa posameznega žarka. Spodnja slika prikazuje morfologijo 3 mm debelih aluminijevih zlitin zadnjic, ki jih varimo z laserskim žarkom z enim žarom CO2 in laserskim žarkom z dvojnim žarkom.
Študije so pokazale, da pri varjenju debeline 2 mm 5 0 0 0 aluminijasta zlitina, ko je razmik med obema žarkoma 0,6 ~ 1,0 mm, je varilni postopek razmeroma stabilen, in pobeg v magnetu. Če je razmik med obema žarkoma premajhen, je postopek varjenja podoben varjenju z enim žarkom in ni enostavno biti stabilen; Če je razmik prevelik, bo vplival na penetracijo varjenja, kot je prikazano na spodnji sliki. Poleg tega ima energijsko razmerje obeh žarkov pomembno vpliv tudi na kakovost varjenja. Kadar sta oba žarka z varjenimi seriji z razmikom 0,9 mm, je koristno, da ustrezno povečate energijo prejšnjega žarka, tako da je razmerje energije obeh žarkov večje od 1: 1, kar pomaga izboljšati kakovost zvara in povečati območje taljenja. Tudi pri večji hitrosti varjenja je mogoče dobiti gladko in lepo zvar.
3.3 Dvojnega varjenja neenakomernih plošč
V industrijski proizvodnji je pogosto potrebno privariti dve ali več kovinskih plošč različnih debeline in oblik skupaj, da tvorimo zlepljeno ploščo. Zlasti v avtomobilski proizvodnji je uporaba spojenih plošč vse bolj obsežna.
Z varjenjem plošč različnih specifikacij, površinskih premazov ali lastnosti skupaj lahko izboljšamo moč, porabo energije zmanjšamo in teža zmanjšamo. Pri varjenju spojenih plošč se običajno uporablja lasersko varjenje plošč različnih debeline. Glavna težava je, da je treba obdelovanca, ki ga je treba variti, predhodno obdelati z visoko natančnostjo robov in zagotoviti visoko natančno montažo. Za plošče neenakomerne debeline se lahko varjenje z dvojnim žarkom prilagodi razlikam v vrzeli plošče, zadnjice, relativne debeline in materialov ter lahko varijo plošče z velikimi robovi in vrzeli, s čimer izboljša hitrost varjenja in kakovost varjenja.
Glavne procesne parametre varjenja z dvojnim žarkom plošč neenakomerne debeline lahko razdelimo na parametre varjenja in parametre plošč, kot je prikazano na sliki. Parametri varjenja vključujejo moč obeh laserskih žarkov, hitrost varjenja, goriščni položaj, kota glave varjenja, kota vrtenja žarka dvojnih žarkov na zadnjici in odstopanje varjenja. Parametri plošče vključujejo velikost materiala, zmogljivost, obrezovanje robov in vrzel na plošči. Moč obeh laserskih žarkov je mogoče nastaviti ločeno glede na različne namene varjenja.
Običajno, ko je poudarek na površini tanke plošče, je postopek varjenja stabilen in učinkovit. Kota glave varjenja je običajno izbran pri približno 6 stopinjah. Če je debelina obeh plošč velika, lahko uporabimo pozitiven kot glave varjenja, to je, da se laser nagne proti tanki plošči, kot je prikazano na sliki. Kadar je debelina plošče majhna, lahko uporabimo negativni kot glave varjenja. Odstopanje varjenja je opredeljeno kot razdalja med laserskim fokusom in robom debele plošče. S prilagoditvijo odstopanja varjenja se lahko zvara zmanjša, da dobimo dober prerez zvara.
Pri varilnih ploščah z velikimi vrzeli lahko učinkovito premer ogrevanja snopa povečamo z vrtenjem kota dvojnega žarka, da dosežemo dobre zmogljivosti za polnjenje vrzeli. Širina vrha zvara je določena z efektivnim premerom žarka obeh laserskih žarkov, torej s kotom vrtenja žarka. Večji kot je kotni vrtenje, širši je območje ogrevanja z dvojnim žarkom in širše zgornjo širino zvara. Oba laserska žarka igrata različne vloge v procesu varjenja, en žarek se uporablja predvsem za prodiranje v sklep, drugi žarek pa se uporablja predvsem za taljenje debelega ploščama za zapolnitev vrzeli. Kot je prikazano na spodnji sliki, pod kotom vrtenja pozitivnega snopa (sprednji žarek deluje na debeli plošči in zadnji žarek deluje na zvarju), sprednji žarek zadene debelo ploščo, segreje staljeni material, naslednji laserski žarek pa penetracijo. Prvi laserski žarek spredaj lahko le delno stopi debelo ploščo, vendar močno prispeva k postopku varjenja, ker ne samo stopi na strani debele plošče, da bolje napolni vrzel, ampak tudi predhodno priključi sklepi, kar olajša, da bo naslednji žarek prodrl s sklepom in s tem povečal hitrost varjenja. Pri varjenju z dvojnim žarkom z negativnim kotom vrtenja (sprednji žarek deluje na zvarju in zadnji žarek deluje na debeli plošči), dva laserska žarka delujeta na nasprotne načine. Sprednji žarek prodre v spoj, zadnji žarek pa stopi debelo ploščo in napolni vrzel.
V tem času mora laser sprednjega žarka prodreti v hladno ploščo, hitrost varjenja pa je nižja od hitrosti pozitivnega kota vrtenja žarka. Hkrati bo zaradi predhodnega učinka laserja sprednjega žarka zadnji laser zadnjega žarka na isti moči talil bolj debele plošče. V tem času je treba moč drugega laserskega žarka ustrezno zmanjšati. V primerjavi s pozitivnim kotom vrtenja žarka lahko ustrezno poveča hitrost varjenja, medtem ko lahko kot vrtenja negativnega rotacije doseže boljši učinek polnjenja vrzeli. Spodnja slika prikazuje učinek različnih kotov vrtenja žarka na prerezu zvar.
3.4 Lasersko varjenje debelih plošč z dvojnim žarkom
Z izboljšanjem nivoja laserske moči in kakovosti žarka je debelo ploščo lasersko varjenje postalo resničnost. Vendar pa je zaradi visokih stroškov laserjev z visoko močjo in splošne potrebe po polnjenju kovine z varjenjem debele plošče določene omejitve v dejanski proizvodnji. Uporaba laserskega varjenja z dvojnim žarkom ne samo izboljša lasersko moč, ampak tudi poveča učinkovit premer ogrevanja žarka, poveča sposobnost taljenja žice polnila, stabilizira lasersko ključavnico, izboljša stabilnost varjenja in s tem izboljša kakovost varjenja.
