V primerjavi s tradicionalno tehnologijo varjenja,lasersko varjenjeima neprimerljive prednosti v natančnosti varjenja, učinkovitosti, zanesljivosti, avtomatizaciji in drugih vidikih. V zadnjih letih se je hitro razvil na področju avtomobilizma, energetike, elektronike in drugih področij ter velja za eno najbolj obetavnih proizvodnih tehnologij v 21. stoletju.
1. Pregled dvojnega žarkalasersko varjenje
Dvojni žareklasersko varjenjeje uporaba optičnih metod za ločevanje istega laserja na dva ločena svetlobna žarka za varjenje ali uporaba dveh različnih vrst laserjev za kombiniranje, kot so CO2 laser, Nd:YAG laser in visokozmogljivi polprevodniški laser. Vse je mogoče kombinirati. Predlagano je bilo predvsem za rešitev prilagodljivosti laserskega varjenja natančnosti montaže, izboljšanje stabilnosti varilnega procesa in izboljšanje kakovosti varjenja. Dvojni žareklasersko varjenjelahko priročno in prilagodljivo prilagodi temperaturno polje varjenja s spreminjanjem razmerja energije žarka, razmika med žarki in celo vzorca porazdelitve energije obeh laserskih žarkov, s čimer spremeni vzorec obstoja ključavnice in vzorec pretoka tekoče kovine v staljeni talini. Omogoča širšo izbiro varilnih postopkov. Ima ne le prednosti velikegalasersko varjenjepenetracija, velika hitrost in visoka natančnost, primeren pa je tudi za materiale in spoje, ki jih je težko variti s konvencionalnimilasersko varjenje.
Za dvojni žareklasersko varjenjeNajprej bomo obravnavali metode izvedbe dvojnega laserskega žarka. Obsežna literatura kaže, da obstajata dva glavna načina za doseganje dvojnega varjenja z žarkom: prepustno fokusiranje in odbojno fokusiranje. Natančneje, prvi se doseže s prilagajanjem kota in razmika dveh laserjev s pomočjo fokusnih ogledal in kolimacijskih ogledal. Drugi se doseže z uporabo laserskega vira in nato fokusiranjem s pomočjo odsevnih ogledal, prepustnih ogledal in klinastih ogledal za doseganje dvojnih žarkov. Za prvo metodo obstajajo predvsem tri oblike. Prva oblika je združitev dveh laserjev skozi optična vlakna in njihova razdelitev v dva različna žarka pod istim kolimacijskim ogledalom in fokusnim ogledalom. Druga je, da dva laserja oddajata laserske žarke skozi svoji varilni glavi, dvojni žarek pa se oblikuje s prilagajanjem prostorskega položaja varilnih glav. Tretja metoda je, da se laserski žarek najprej razdeli skozi dve ogledali 1 in 2, nato pa ga fokusirata dve fokusni ogledali 3 oziroma 4. Položaj in razdaljo med obema goriščnima točkama je mogoče prilagoditi z nastavitvijo kotov obeh fokusnih ogledal 3 in 4. Druga metoda je uporaba trdno-telesnega laserja za razdelitev svetlobe za doseganje dvojnih žarkov ter prilagajanje kota in razmika s perspektivnim ogledalom in fokusnim ogledalom. Zadnji dve sliki v prvi vrstici spodaj prikazujeta spektroskopski sistem CO2 laserja. Ravno ogledalo je zamenjano s klinastim ogledalom in postavljeno pred fokusno ogledalo za razdelitev svetlobe za doseganje dvojnega vzporednega žarka svetlobe.
Ko razumemo izvedbo dvojnih nosilcev, na kratko predstavimo načela in metode varjenja. Pri dvojnem nosilculasersko varjenjePostopek varjenja vključuje tri pogoste razporeditve žarkov, in sicer serijska razporeditev, vzporedna razporeditev in hibridna razporeditev. Tkanina, kar pomeni, da obstaja razdalja tako v smeri varjenja kot v navpični smeri varjenja. Kot je prikazano v zadnji vrstici slike, jih lahko glede na različne oblike majhnih lukenj in talin, ki se pojavijo pod različnim razmikom točk med postopkom serijskega varjenja, nadalje razdelimo na posamezne taline. Obstajajo tri stanja: talina, skupna talina in ločena talina. Značilnosti posamezne taline in ločene taline so podobne značilnostim posameznih talin.lasersko varjenje, kot je prikazano na diagramu numerične simulacije. Za različne tipe obstajajo različni procesni učinki.
Tip 1: Pod določenim razmikom točk dve odprtini za žarke tvorita skupno veliko odprtino za žarke v istem staljenem bazenu; pri tipu 1 se poroča, da se en svetlobni žarek uporablja za ustvarjanje majhne odprtine, drugi svetlobni žarek pa za varilno toplotno obdelavo, kar lahko učinkovito izboljša strukturne lastnosti visokoogljičnega jekla in legiranega jekla.
Tip 2: Povečajte razmik med točkami v istem staljenem bazenu, ločite oba žarka v dve neodvisni ključavnici in spremenite vzorec toka staljenega bazena; pri tipu 2 je njegova funkcija enakovredna varjenju z dvema elektronskima žarkoma, zmanjšajte brizganje varjenja in nepravilne vare pri ustrezni goriščni razdalji.
Tip 3: Nadaljnje povečanje razmika med točkami in sprememba energijskega razmerja obeh žarkov, tako da se eden od obeh žarkov uporablja kot vir toplote za izvedbo predvarilne ali naknadne obdelave med varjenjem, drugi žarek pa se uporablja za ustvarjanje majhnih lukenj. Pri tipu 3 je študija pokazala, da oba žarka tvorita ključavnico, majhna luknja se ne zruši zlahka in v varu se ne tvorijo pore.
2. Vpliv varilnega postopka na kakovost varjenja
Vpliv razmerja med energijo in serijskim žarkom na nastanek varilnega šiva
Ko je moč laserja 2 kW, hitrost varjenja 45 mm/s, stopnja defokusiranja 0 mm in razmik žarka 3 mm, je oblika varjene površine pri spreminjanju RS (RS = 0,50, 0,67, 1,50, 2,00) takšna, kot je prikazano na sliki. Ko je RS = 0,50 in 2,00, je var bolj vdolben in na robu varjenja je več brizganja, ne da bi se oblikovali pravilni vzorci ribjih lusk. To je zato, ker je laserska energija preveč koncentrirana, ko je razmerje energije žarka premajhno ali preveliko, kar povzroči močnejše nihanje laserske luknjice med varjenjem, povratni tlak pare pa povzroči izmet in brizganje staljene kovine v talino. Prekomerni dovod toplote povzroči preveliko globino prodiranja staljene kovine na strani aluminijeve zlitine, kar povzroči depresijo pod vplivom gravitacije. Pri RS=0,67 in 1,50 je vzorec ribjih lusk na varjeni površini enakomeren, oblika varjenja je lepša in na varjeni površini ni vidnih vročih razpok, por in drugih napak pri varjenju. Oblike prečnega prereza varjenih spojev z različnimi razmerji energije žarka RS so prikazane na sliki. Prečni prerez varjenih spojev ima tipično obliko "vinskega kozarca", kar kaže, da se varilni postopek izvaja v načinu laserskega globokega prodiranja. RS ima pomemben vpliv na globino prodiranja P2 varjenja na strani aluminijeve zlitine. Pri razmerju energije žarka RS=0,5 je P2 1203,2 mikrona. Pri razmerju energije žarka RS=0,67 in 1,5 se P2 znatno zmanjša, in sicer na 403,3 mikrona oziroma 93,6 mikrona. Pri razmerju energije žarka RS=2 je globina prodiranja varjenja v prečnem prerezu spoja 1151,6 mikrona.
Vpliv razmerja med energijo vzporednega žarka in njo na nastanek varilnega šiva
Ko je moč laserja 2,8 kW, hitrost varjenja 33 mm/s, stopnja defokusiranja 0 mm in razmik med žarki 1 mm, se varjena površina doseže s spreminjanjem razmerja energije žarka (RS=0,25, 0,5, 0,67, 1,5, 2, 4). Videz je prikazan na sliki. Ko je RS=2, je vzorec ribjih lusk na površini varjenega spoja relativno neenakomeren. Površina varjenega spoja, dobljena z ostalimi petimi različnimi razmerji energije žarka, je dobro oblikovana in ni vidnih napak, kot so pore in brizganje. Zato je v primerjavi s serijskim dvojnim žarkom ...lasersko varjenje, površina zvara z vzporednimi dvojnimi žarki je bolj enakomerna in lepa. Pri RS=0,25 je v zvaru rahla vdolbina; ko se razmerje energije žarka postopoma povečuje (RS=0,5, 0,67 in 1,5), je površina zvara enakomerna in se vdolbina ne tvori; ko pa se razmerje energije žarka še poveča (RS=1,50, 2,00), so na površini zvara vdolbine. Pri razmerju energije žarka RS=0,25, 1,5 in 2 je oblika prečnega prereza zvara "vinskega kozarca"; pri RS=0,50, 0,67 in 1 je oblika prečnega prereza zvara "lijakasta". Pri RS=4 se na dnu zvara ne pojavijo le razpoke, temveč tudi nekaj por v srednjem in spodnjem delu zvara. Pri RS=2 se znotraj zvara pojavijo velike procesne pore, vendar se razpoke ne pojavijo. Pri RS=0,5, 0,67 in 1,5 je globina prodiranja P2 zvara na strani aluminijeve zlitine manjša, prečni prerez zvara pa je dobro oblikovan in ne nastanejo očitne varilne napake. To kaže, da ima razmerje energij žarka med vzporednim dvožarčnim laserskim varjenjem pomemben vpliv tudi na prodiranje zvara in varilne napake.
Vzporedni žarek – vpliv razmika žarkov na nastanek varilnega šiva
Ko je moč laserja 2,8 kW, hitrost varjenja 33 mm/s, stopnja defokusiranja 0 mm in razmerje energije žarka RS = 0,67, spremenite razmik žarkov (d = 0,5 mm, 1 mm, 1,5 mm, 2 mm), da dobite morfologijo varjene površine, kot je prikazano na sliki. Ko je d = 0,5 mm, 1 mm, 1,5 mm, 2 mm, je površina varjenja gladka in ravna, oblika pa lepa; vzorec ribjih lusk na varu je pravilen in lep ter ni vidnih por, razpok in drugih napak. Zato je varjena površina pod pogoji razmika štirih žarkov dobro oblikovana. Poleg tega se pri d = 2 mm tvorita dva različna varjenja, kar kaže, da dva vzporedna laserska žarka ne delujeta več na talino in ne moreta tvoriti učinkovitega hibridnega varjenja z dvema laserskima žarkoma. Ko je razmik med žarki 0,5 mm, je zvar "lijakaste oblike", globina prodiranja P2 zvara na strani aluminijeve zlitine je 712,9 mikrona in v zvaru ni razpok, por in drugih napak. Z naraščanjem razmika med žarki se globina prodiranja P2 zvara na strani aluminijeve zlitine znatno zmanjša. Ko je razmik med žarki 1 mm, je globina prodiranja zvara na strani aluminijeve zlitine le 94,2 mikrona. Z nadaljnjim povečanjem razmika med žarki zvar ne tvori učinkovitega prodiranja na strani aluminijeve zlitine. Zato je pri razmiku med žarki 0,5 mm učinek dvojne rekombinacije žarkov najboljši. Z naraščanjem razmika med žarki se vnos toplote pri varjenju močno zmanjša, učinek dvojne laserske rekombinacije pa se postopoma poslabša.
Razlika v morfologiji zvara je posledica različnega pretoka in ohlajanja ter strjevanja staljene taline med varjenjem. Metoda numerične simulacije ne le olajša analizo napetosti v staljeni talini, temveč tudi zmanjša stroške eksperimenta. Spodnja slika prikazuje spremembe v stranski talini z enim žarkom, različnimi razporeditvami in razmiki med točkami. Glavni sklepi vključujejo: (1) Med varjenjem z enim žarkomlasersko varjenjePostopek je, ko je globina luknje v staljenem bazenu največja, pride do pojava porušitve luknje, stena luknje je nepravilna in porazdelitev tokovnega polja v bližini stene luknje je neenakomerna; v bližini zadnje površine staljenega bazena je pretakanje močno, na dnu staljenega bazena pa je pretakanje navzgor; porazdelitev tokovnega polja na površini staljenega bazena je relativno enakomerna in počasna, širina staljenega bazena pa je neenakomerna vzdolž smeri globine. V staljenem bazenu med majhnimi luknjami v dvojnem snopu prihaja do motenj zaradi tlaka odboja stene.lasersko varjenje, in vedno obstaja vzdolž smeri globine majhnih lukenj. Ko se razdalja med obema žarkoma še naprej povečuje, gostota energije žarka postopoma prehaja iz enega vrha v stanje z dvema vrhoma. Med obema vrhovoma je minimalna vrednost, gostota energije pa se postopoma zmanjšuje. (2) Za dvojni žareklasersko varjenje, ko je razmik med točkami 0-0,5 mm, se globina majhnih lukenj v staljeni talini nekoliko zmanjša, celotno obnašanje toka staljene taline pa je podobno kot pri enojnem žarkulasersko varjenje; ko je razmik med točkami večji od 1 mm, so majhne luknje popolnoma ločene in med varjenjem skoraj ni interakcije med obema laserjema, kar je enakovredno dvema zaporednima/dvema vzporednima enožarkovnima laserskima varjenjema z močjo 1750 W. Predgrevanja skoraj ni, pretok taline pa je podoben varjenju z enožarkovnim laserjem. (3) Ko je razmik med točkami 0,5–1 mm, je površina sten majhnih lukenj v obeh razporeditvah bolj ravna, globina majhnih lukenj se postopoma zmanjšuje, dno pa se postopoma loči. Motnje med majhnimi luknjami in pretok površinske taline so pri 0,8 mm največje. Pri serijskem varjenju se dolžina taline postopoma povečuje, širina je največja, ko je razmik med točkami 0,8 mm, učinek predgrevanja pa je najbolj očiten, ko je razmik med točkami 0,8 mm. Učinek Marangonijeve sile postopoma slabi in več kovinske tekočine teče na obe strani taline. Porazdelitev širine taline je bolj enakomerna. Pri vzporednem varjenju se širina staljenega bazena postopoma povečuje, dolžina pa je največja pri 0,8 mm, vendar ni učinka predgrevanja; pretakanje blizu površine, ki ga povzroča Marangonijeva sila, vedno obstaja, pretakanje navzdol na dnu majhne luknje pa postopoma izgine; prečno pretočno polje ni tako dobro kot pri serijskem varjenju, motnje komajda vplivajo na pretok na obeh straneh staljenega bazena, širina staljene plasti pa je neenakomerno porazdeljena.
Čas objave: 12. oktober 2023
