Predlagana je metoda varjenja z dvema žarkoma, predvsem za rešitev prilagodljivostilasersko varjenjeza natančnost montaže, izboljšanje stabilnosti varilnega procesa in izboljšanje kakovosti varjenja, zlasti pri varjenju tankih plošč in aluminijevih zlitin. Dvožarkovno lasersko varjenje lahko z optičnimi metodami loči isti laser na dva ločena svetlobna žarka za varjenje. Lahko se kombinirata tudi dve različni vrsti laserjev: CO2 laser, Nd:YAG laser in visokozmogljivi polprevodniški laser. S spreminjanjem energije žarka, razmika žarkov in celo vzorca porazdelitve energije obeh žarkov je mogoče priročno in prilagodljivo prilagajati temperaturno polje varjenja, s čimer se spremeni vzorec prisotnosti lukenj in vzorec pretoka tekoče kovine v staljeni talini, kar zagotavlja boljšo rešitev za varilni proces. Enožarkovno lasersko varjenje ima ogromen nabor možnosti, ki ga ni mogoče primerjati z enožarkovnim laserskim varjenjem. Ne le da ima prednosti velike penetracije laserskega varjenja, hitre hitrosti in visoke natančnosti, temveč se odlično prilagaja materialom in spojem, ki jih je težko variti s konvencionalnim laserskim varjenjem.
Načelodvojno lasersko varjenje
Dvožarkovno varjenje pomeni hkratno uporabo dveh laserskih žarkov med varjenjem. Razporeditev žarkov, razmik žarkov, kot med žarkoma, položaj ostrenja in energijsko razmerje obeh žarkov so pomembni parametri pri dvožarkovnem laserskem varjenju. Običajno med varjenjem obstajata dva načina razporeditve dvojnih žarkov. Kot je prikazano na sliki, je eden razporejen zaporedno vzdolž smeri varjenja. Ta razporeditev lahko zmanjša hitrost ohlajanja staljene taline. Zmanjša nagnjenost zvara k kaljenju in nastajanju por. Drugi način je, da se žarki razporedijo drug ob drugem ali prečno na obeh straneh zvara, da se izboljša prilagodljivost varilni reži.
Princip dvojnega laserskega varjenja
Dvožarkovno varjenje pomeni hkratno uporabo dveh laserskih žarkov med varjenjem. Razporeditev žarkov, razmik žarkov, kot med žarkoma, položaj ostrenja in energijsko razmerje obeh žarkov so pomembni parametri pri dvožarkovnem laserskem varjenju. Običajno med varjenjem obstajata dva načina razporeditve dvojnih žarkov. Kot je prikazano na sliki, je eden razporejen zaporedno vzdolž smeri varjenja. Ta razporeditev lahko zmanjša hitrost ohlajanja staljene taline. Zmanjša nagnjenost zvara k kaljenju in nastajanju por. Drugi način je, da se žarki razporedijo drug ob drugem ali prečno na obeh straneh zvara, da se izboljša prilagodljivost varilni reži.
Za tandemsko razporejen sistem laserskega varjenja z dvema žarkoma obstajajo trije različni varilni mehanizmi, odvisno od razdalje med sprednjim in zadnjim žarkom, kot je prikazano na spodnji sliki.
1. Pri prvi vrsti varilnega mehanizma je razdalja med dvema svetlobnima žarkoma relativno velika. En svetlobni žarek ima večjo gostoto energije in je usmerjen na površino obdelovanca, da ustvari ključavnice v varjenju; drugi svetlobni žarek ima manjšo gostoto energije. Uporablja se le kot vir toplote za toplotno obdelavo pred ali po varjenju. S tem varilnim mehanizmom je mogoče nadzorovati hitrost hlajenja varilne kadi v določenem območju, kar je koristno pri varjenju nekaterih materialov z visoko občutljivostjo na razpoke, kot so visokoogljično jeklo, legirano jeklo itd., in lahko izboljša tudi žilavost zvara.
2. Pri drugi vrsti varilnega mehanizma je razdalja ostrenja med dvema svetlobnima žarkoma relativno majhna. Dva svetlobna žarka ustvarita dve neodvisni odprtini v varilni topi, kar spremeni vzorec pretoka tekoče kovine in pomaga preprečiti zatikanje. To lahko odpravi pojav napak, kot so robovi in izbokline varilnih kroglic, ter izboljša nastanek zvara.
3. Pri tretji vrsti varilnega mehanizma je razdalja med obema svetlobnima žarkoma zelo majhna. V tem primeru oba svetlobna žarka ustvarita isto ključavnico v varilnem bazenu. V primerjavi z enožarkovnim laserskim varjenjem je zaradi večje ključavnice, ki jo ni enostavno zapreti, varilni postopek bolj stabilen in plin se lažje sprošča, kar je koristno za zmanjšanje por in brizganja ter doseganje neprekinjenih, enakomernih in lepih zvarov.
Med varjenjem sta lahko dva laserska žarka postavljena pod določenim kotom drug do drugega. Mehanizem varjenja je podoben vzporednemu mehanizmu za varjenje z dvema žarkoma. Rezultati testov kažejo, da lahko z uporabo dveh visokozmogljivih laserskih žarkov (OO) pod kotom 30° drug do drugega in razdaljo 1~2 mm laserski žarek ustvari lijakasto obliko ključavnice. Velikost ključavnice je večja in stabilnejša, kar lahko učinkovito izboljša kakovost varjenja. V praktičnih aplikacijah se lahko medsebojna kombinacija obeh svetlobnih žarkov spreminja glede na različne pogoje varjenja, da se dosežejo različni postopki varjenja.
6. Metoda izvedbe dvožarkovnega laserskega varjenja
Dvojne žarke je mogoče pridobiti z združevanjem dveh različnih laserskih žarkov ali pa en laserski žarek razdelimo na dva laserska žarka za varjenje z uporabo optičnega spektrometričnega sistema. Za razdelitev svetlobnega žarka na dva vzporedna laserska žarka različnih moči lahko uporabimo spektroskop ali poseben optični sistem. Slika prikazuje dva shematska diagrama načel delitve svetlobe z uporabo fokusnih ogledal kot delilnikov žarka.
Poleg tega se lahko reflektor uporablja tudi kot delilnik žarka, zadnji reflektor na optični poti pa kot delilnik žarka. Ta vrsta reflektorja se imenuje tudi reflektor strešnega tipa. Njegova odsevna površina ni ravna, temveč je sestavljena iz dveh ravnin. Presečišče obeh odsevnih površin se nahaja na sredini zrcalne površine, podobno kot strešni slemen, kot je prikazano na sliki. Vzporedni svetlobni žarek sije na spektroskop, se odbija od dveh ravnin pod različnimi koti in tvori dva svetlobna žarka, ki sije na različnih položajih fokusirnega zrcala. Po fokusiranju se na površini obdelovanca na določeni razdalji dobita dva svetlobna žarka. S spreminjanjem kota med obema odsevnima površinama in položajem strehe je mogoče dobiti razdeljene svetlobne žarke z različnimi goriščnimi razdaljami in razporeditvami.
Pri uporabi dveh različnih vrstlaserski žarki tZa tvorbo dvojnega žarka obstaja veliko kombinacij. Za glavno varjenje se lahko uporabi visokokakovosten CO2 laser z Gaussovo porazdelitvijo energije, za pomoč pri toplotni obdelavi pa polprevodniški laser s pravokotno porazdelitvijo energije. Po eni strani je ta kombinacija bolj ekonomična. Po drugi strani pa je mogoče moč obeh svetlobnih žarkov prilagajati neodvisno. Za različne oblike spojev je mogoče doseči nastavljivo temperaturno polje z nastavitvijo prekrivnega položaja laserja in polprevodniškega laserja, kar je zelo primerno za varjenje. Nadzor procesa. Poleg tega se lahko YAG laser in CO2 laser kombinirata tudi v dvojni žarek za varjenje, neprekinjeni laser in pulzni laser za varjenje, fokusiran in defokusiran žarek pa za varjenje.
7. Princip dvožarkovnega laserskega varjenja
3.1 Dvožarkovno lasersko varjenje pocinkanih pločevin
Pocinkana jeklena pločevina je najpogosteje uporabljen material v avtomobilski industriji. Tališče jekla je okoli 1500 °C, vrelišče cinka pa le 906 °C. Zato se pri uporabi metode taljenja običajno ustvari velika količina cinkove pare, zaradi česar je varilni proces nestabilen, kar povzroči nastanek por v varu. Pri prekrivajočih se spojih do izhlapevanja pocinkane plasti ne pride le na zgornji in spodnji površini, temveč tudi na površini spoja. Med varjenjem se cinkova para na nekaterih območjih hitro izbruhne iz površine staljene kadi, na drugih pa je cinkovi pari težko uhajati iz staljene kadi. Na površini kadi je kakovost varjenja zelo nestabilna.
Dvožarkovno lasersko varjenje lahko reši težave s kakovostjo varjenja, ki jih povzročajo cinkove pare. Ena od metod je nadzor časa obstoja in hitrosti hlajenja staljene kadi z ustreznim usklajevanjem energije obeh žarkov, da se olajša uhajanje cinkovih hlapov; druga metoda je sproščanje cinkovih hlapov s predhodnim prebijanjem ali žlebljenjem. Kot je prikazano na sliki 6-31, se za varjenje uporablja CO2 laser. YAG laser je pred CO2 laserjem in se uporablja za vrtanje lukenj ali rezanje utorov. Predhodno obdelane luknje ali utori zagotavljajo pot za uhajanje cinkovih hlapov, ki nastanejo med nadaljnjim varjenjem, in preprečujejo, da bi ostali v staljeni kadi in nastajali napake.
3.2 Dvožarkovno lasersko varjenje aluminijeve zlitine
Zaradi posebnih lastnosti aluminijevih zlitin se pri laserskem varjenju pojavljajo naslednje težave [39]: aluminijeva zlitina ima nizko stopnjo absorpcije laserja, začetna odbojnost površine CO2 laserskega žarka pa presega 90 %; varjenje z laserskim varjenjem aluminijeve zlitine zlahka povzroči poroznost, razpoke, med varjenjem pa se elementi zlitine zažgejo itd. Pri varjenju z enim laserjem je težko vzpostaviti odprtino za ključavnico in ohraniti stabilnost. Varjenje z dvojnim laserjem lahko poveča velikost odprtine za ključavnico, zaradi česar se težje zapre, kar je koristno za plinski izpust. Prav tako lahko zmanjša hitrost hlajenja in zmanjša pojav por in razpok pri varjenju. Ker je postopek varjenja bolj stabilen in se količina brizganja zmanjša, je oblika varjene površine, pridobljena z varjenjem z dvojnim laserjem aluminijevih zlitin, bistveno boljša kot pri varjenju z enim laserjem. Slika 6-32 prikazuje videz varjenega šiva pri čelnem varjenju 3 mm debele aluminijeve zlitine z enojnim in dvojnim laserjem za CO2.
Raziskave kažejo, da je pri varjenju 2 mm debele aluminijeve zlitine serije 5000, ko je razdalja med obema žarkoma 0,6~1,0 mm, varilni postopek relativno stabilen in je nastala odprtina za ključavnico večja, kar prispeva k izhlapevanju in uhajanju magnezija med varjenjem. Če je razdalja med obema žarkoma premajhna, varilni postopek enega žarka ne bo stabilen. Če je razdalja prevelika, bo to vplivalo na penetracijo varjenja, kot je prikazano na sliki 6-33. Poleg tega ima razmerje energije obeh žarkov velik vpliv na kakovost varjenja. Ko sta dva žarka z razmikom 0,9 mm razporejena zaporedno za varjenje, je treba energijo prejšnjega žarka ustrezno povečati, tako da je razmerje energije obeh žarkov pred in po varjenju večje od 1:1. To je koristno za izboljšanje kakovosti varilnega šiva, povečanje talilnega območja in še vedno doseganje gladkega in lepega varilnega šiva pri visoki hitrosti varjenja.
3.3 Dvožarkovno varjenje plošč neenake debeline
V industrijski proizvodnji je pogosto potrebno variti dve ali več kovinskih plošč različnih debelin in oblik, da se tvori spojena plošča. Še posebej v avtomobilski proizvodnji postaja uporaba po meri varjenih surovcev vse bolj razširjena. Z varjenjem plošč z različnimi specifikacijami, površinskimi premazi ali lastnostmi se lahko poveča trdnost, zmanjša potrošni material in zmanjša kakovost. Lasersko varjenje plošč različnih debelin se običajno uporablja pri varjenju plošč. Glavna težava je, da morajo biti plošče, ki jih je treba variti, predhodno oblikovane z visoko natančnimi robovi in zagotavljati visoko natančno montažo. Uporaba dvojnega žarka za varjenje plošč neenake debeline se lahko prilagodi različnim spremembam v režah plošč, čelnih spojih, relativnih debelinah in materialih plošč. Omogoča varjenje plošč z večjimi tolerancami robov in rež ter izboljša hitrost varjenja in kakovost varjenja.
Glavne procesne parametre varjenja plošč neenake debeline v podjetju Shuangguangdong lahko razdelimo na varilne parametre in parametre plošče, kot je prikazano na sliki. Varilni parametri vključujejo moč obeh laserskih žarkov, hitrost varjenja, položaj fokusa, kot varilne glave, kot vrtenja žarka dvojnega žarka in varilni odmik itd. Parametri plošče vključujejo velikost materiala, zmogljivost, pogoje obrezovanja, vrzeli med ploščami itd. Moč obeh laserskih žarkov je mogoče ločeno prilagoditi glede na različne namene varjenja. Položaj fokusa je običajno nameščen na površini tanke plošče, da se doseže stabilen in učinkovit postopek varjenja. Kot varilne glave je običajno izbran okoli 6. Če je debelina obeh plošč relativno velika, se lahko uporabi pozitiven kot varilne glave, to pomeni, da je laser nagnjen proti tanki plošči, kot je prikazano na sliki; ko je debelina plošče relativno majhna, se lahko uporabi negativen kot varilne glave. Varilni odmik je opredeljen kot razdalja med laserskim fokusom in robom debele plošče. Z nastavitvijo varilnega odmika se lahko zmanjša količina varilne vdolbine in doseže dober prečni prerez varjenja.
Pri varjenju plošč z velikimi režami lahko povečate efektivni premer segrevanja žarka z vrtenjem kota dvojnega žarka, da dosežete dobro zapolnitev reže. Širina vrha zvara je določena z efektivnim premerom žarka obeh laserskih žarkov, to je kotom vrtenja žarka. Večji kot je kot vrtenja, širše je območje segrevanja dvojnega žarka in večja je širina zgornjega dela zvara. Dva laserska žarka imata v varilnem procesu različni vlogi. Eden se uporablja predvsem za prodiranje v šiv, drugi pa za taljenje materiala debele plošče za zapolnitev reže. Kot je prikazano na sliki 6-35, pod pozitivnim kotom vrtenja žarka (sprednji žarek deluje na debelo ploščo, zadnji žarek na zvar) sprednji žarek pada na debelo ploščo, da segreje in stopi material, naslednji laserski žarek pa ustvari penetracijo. Prvi laserski žarek spredaj lahko le delno stopi debelo ploščo, vendar močno prispeva k varilnemu procesu, saj ne samo stopi stran debele plošče za boljše zapolnitev reže, ampak tudi predhodno združi material spoja, tako da naslednji žarki lažje varijo skozi spoje, kar omogoča hitrejše varjenje. Pri varjenju z dvema žarkoma z negativnim kotom vrtenja (sprednji žarek deluje na zvar, zadnji žarek pa na debelo ploščo) imata oba žarka ravno nasproten učinek. Prvi žarek stopi spoj, drugi žarek pa debelo ploščo, da jo zapolni. V tem primeru mora sprednji žarek variti skozi hladno ploščo, hitrost varjenja pa je počasnejša kot pri uporabi pozitivnega kota vrtenja žarka. Zaradi učinka predgrevanja prejšnjega žarka bo drugi žarek stalil več debele plošče z enako močjo. V tem primeru je treba moč drugega laserskega žarka ustrezno zmanjšati. V primerjavi s tem lahko uporaba pozitivnega kota vrtenja žarka ustrezno poveča hitrost varjenja, uporaba negativnega kota vrtenja žarka pa doseže boljše zapolnitev reže. Slika 6-36 prikazuje vpliv različnih kotov vrtenja žarka na prečni prerez zvara.
3.4 Dvožarkovno lasersko varjenje velikih debelih plošč Z izboljšanjem ravni moči laserja in kakovosti žarka je lasersko varjenje velikih debelih plošč postalo resničnost. Ker pa so visokozmogljivi laserji dragi in varjenje velikih debelih plošč običajno zahteva dodaten material, obstajajo določene omejitve v dejanski proizvodnji. Uporaba tehnologije dvožarkovnega laserskega varjenja ne more le povečati moči laserja, temveč tudi povečati efektivni premer segrevanja žarka, povečati sposobnost taljenja polnilne žice, stabilizirati lasersko ključavnico, izboljšati stabilnost varjenja in izboljšati kakovost varjenja.
Čas objave: 29. april 2024
