V porovnaní s tradičnou technológiou zvárania,laserové zváraniemá bezkonkurenčné výhody v presnosti zvárania, účinnosti, spoľahlivosti, automatizácii a ďalších aspektoch. V posledných rokoch sa rýchlo rozvíja v oblasti automobilov, energetiky, elektroniky a ďalších oblastí a považuje sa za jednu z najsľubnejších výrobných technológií 21. storočia.
1. Prehľad dvojitého nosníkalaserové zváranie
Dvojitý lúčlaserové zváranieCieľom je použiť optické metódy na rozdelenie toho istého laseru na dva samostatné svetelné lúče na zváranie alebo použiť dva rôzne typy laserov na ich kombináciu, ako napríklad CO2 laser, Nd:YAG laser a vysokovýkonný polovodičový laser. Všetky je možné kombinovať. Navrhnuté bolo hlavne na riešenie prispôsobivosti laserového zvárania presnosti montáže, zlepšenie stability procesu zvárania a zlepšenie kvality zvaru. Dvojlúčovýlaserové zváranieumožňuje pohodlne a flexibilne upravovať teplotné pole zvárania zmenou pomeru energie lúča, rozostupu lúčov a dokonca aj vzoru rozloženia energie dvoch laserových lúčov, čím sa mení vzorec existencie kľúčovej dierky a vzorec prúdenia tekutého kovu v roztavenom kúpeli. Poskytuje širší výber zváracích procesov. Má nielen výhody veľkéholaserové zváraniepenetrácia, vysoká rýchlosť a vysoká presnosť, ale je vhodný aj pre materiály a spoje, ktoré sa ťažko zvárajú konvenčnými metódamilaserové zváranie.
Pre dvojitý nosníklaserové zváranieNajprv sa budeme venovať metódam implementácie dvojlúčového laseru. Rozsiahla literatúra ukazuje, že existujú dva hlavné spôsoby, ako dosiahnuť dvojlúčové zváranie: transmisné zaostrovanie a reflexné zaostrovanie. Jeden sa konkrétne dosahuje nastavením uhla a rozostupu dvoch laserov pomocou zaostrovacích zrkadiel a kolimačných zrkadiel. Druhý sa dosahuje použitím laserového zdroja a následným zaostrením pomocou odrazových zrkadiel, transmisných zrkadiel a klinovitých zrkadiel na dosiahnutie dvojitých lúčov. Prvá metóda má tri hlavné formy. Prvou formou je spojenie dvoch laserov cez optické vlákna a ich rozdelenie na dva rôzne lúče pod rovnakým kolimačným zrkadlom a zaostrovacím zrkadlom. Druhou formou je, že dva lasery vysielajú laserové lúče cez svoje príslušné zváracie hlavy a dvojitý lúč sa vytvorí nastavením priestorovej polohy zváracích hláv. Treťou metódou je, že laserový lúč sa najprv rozdelí cez dve zrkadlá 1 a 2 a potom sa zaostrí dvoma zaostrovacími zrkadlami 3 a 4. Polohu a vzdialenosť medzi dvoma ohniskovými bodmi je možné upraviť nastavením uhlov dvoch zaostrovacích zrkadiel 3 a 4. Druhou metódou je použitie laseru v pevnej fáze na rozdelenie svetla, čím sa dosiahne dvojitý lúč, a nastavenie uhla a rozostupu pomocou perspektívneho zrkadla a zaostrovacieho zrkadla. Posledné dva obrázky v prvom riadku nižšie zobrazujú spektroskopický systém CO2 lasera. Ploché zrkadlo je nahradené klinovitým zrkadlom a umiestnené pred zaostrovacim zrkadlom, aby sa svetlo rozdelilo a dosiahlo sa dvojité paralelné svetlo.
Po pochopení implementácie dvojitých nosníkov si stručne predstavme princípy a metódy zvárania. V prípade dvojitého nosníkalaserové zváranieV procese sériového zvárania existujú tri bežné usporiadania lúčov, a to sériové usporiadanie, paralelné usporiadanie a hybridné usporiadanie. Tkanina, to znamená, že existuje vzdialenosť v smere zvárania aj vo vertikálnom smere zvárania. Ako je znázornené v poslednom riadku obrázku, podľa rôznych tvarov malých otvorov a taveninových kúpeľov, ktoré sa objavujú pod rôznymi bodmi počas procesu sériového zvárania, ich možno ďalej rozdeliť na jednotlivé taveniny. Existujú tri stavy: kúpeľ, spoločný taveninový kúpeľ a oddelený taveninový kúpeľ. Charakteristiky jedného taveninového kúpeľa a oddeleného taveninového kúpeľa sú podobné charakteristikám jednotlivých tavenín.laserové zváranie, ako je znázornené na diagrame numerickej simulácie. Pre rôzne typy existujú rôzne procesné efekty.
Typ 1: Pri určitej bodovej vzdialenosti tvoria dva kľúčové otvory lúča spoločný veľký kľúčový otvor v tom istom roztavenom kúpeli; v prípade typu 1 sa uvádza, že jeden svetelný lúč sa používa na vytvorenie malého otvoru a druhý svetelný lúč sa používa na tepelné spracovanie zváraním, čo môže účinne zlepšiť štrukturálne vlastnosti vysoko uhlíkovej ocele a legovanej ocele.
Typ 2: Zväčšenie rozostupu bodov v tom istom roztavenom kúpeli, oddelenie dvoch lúčov do dvoch nezávislých kľúčových otvorov a zmena prúdenia roztaveného kúpeľa; pre typ 2 je jeho funkcia ekvivalentná zváraniu dvoma elektrónovými lúčmi, znižuje rozstrek zvaru a nepravidelné zvary pri vhodnej ohniskovej vzdialenosti.
Typ 3: Ďalšie zväčšenie rozostupu bodov a zmena energetického pomeru dvoch lúčov tak, aby jeden z dvoch lúčov slúžil ako zdroj tepla na vykonávanie predzváracieho alebo pozváracieho spracovania počas procesu zvárania a druhý lúč slúžil na vytváranie malých otvorov. Štúdia zistila, že pri type 3 dva lúče tvoria kľúčovú dierku, malý otvor sa ľahko nezrúti a zvar sa ťažko vytvárajú póry.
2. Vplyv zváracieho procesu na kvalitu zvárania
Vplyv pomeru sériového lúča a energie na tvorbu zvarového švu
Keď je výkon laseru 2 kW, rýchlosť zvárania je 45 mm/s, miera rozostrenia je 0 mm a rozostup lúča je 3 mm, tvar zvarového povrchu pri zmene RS (RS = 0,50, 0,67, 1,50, 2,00) je znázornený na obrázku. Pri RS = 0,50 a 2,00 je zvar viac preliačený a na okraji zvaru je viac rozstreku bez vytvárania pravidelných vzorov rybích šupin. Je to preto, že keď je pomer energie lúča príliš malý alebo príliš veľký, laserová energia je príliš koncentrovaná, čo spôsobuje, že laserový otvor počas zvárania silnejšie kmitá, a spätný tlak pary spôsobuje vystrekovanie a rozstrekovanie roztaveného kovu v roztavenom kúpeli. Nadmerný vstup tepla spôsobuje, že hĺbka prieniku roztaveného kúpeľa na strane hliníkovej zliatiny je príliš veľká, čo spôsobuje priehlbinu pôsobením gravitácie. Pri RS=0,67 a 1,50 je vzor rybích šupín na zvarovom povrchu rovnomerný, tvar zvaru je krajší a na zvarovom povrchu nie sú viditeľné žiadne horúce trhliny, póry a iné chyby zvaru. Tvary prierezov zvarov s rôznymi pomermi energie lúča RS sú znázornené na obrázku. Prierez zvarov má typický tvar „pohára na víno“, čo naznačuje, že zvárací proces sa vykonáva v režime laserového hlbokého prevarenia. RS má dôležitý vplyv na hĺbku prevarenia P2 zvaru na strane hliníkovej zliatiny. Pri pomere energie lúča RS=0,5 je P2 1203,2 mikrónov. Pri pomere energie lúča RS=0,67 a 1,5 je P2 výrazne znížený, pričom dosahuje 403,3 mikrónov a 93,6 mikrónov. Pri pomere energie lúča RS=2 je hĺbka prevarenia zvaru v priereze spoja 1151,6 mikrónov.
Vplyv pomeru paralelného lúča a energie na tvorbu zvarového švu
Keď je výkon laseru 2,8 kW, rýchlosť zvárania je 33 mm/s, miera rozostrenia je 0 mm a rozostup lúčov je 1 mm, povrch zvaru sa získa zmenou pomeru energie lúča (RS = 0,25, 0,5, 0,67, 1,5, 2, 4). Vzhľad je znázornený na obrázku. Keď je RS = 2, vzor rybích šupin na povrchu zvaru je relatívne nerovnomerný. Povrch zvaru získaný ďalšími piatimi rôznymi pomermi energie lúča je dobre tvarovaný a nie sú na ňom žiadne viditeľné chyby, ako sú póry a rozstrek. Preto v porovnaní so sériovým dvojitým lúčom...laserové zváranieZvarový povrch s použitím paralelných dvojitých lúčov je rovnomernejší a krajší. Keď RS=0,25, vo zvare je mierna priehlbina; s postupným zvyšovaním pomeru energie lúča (RS=0,5, 0,67 a 1,5) je povrch zvaru rovnomerný a netvorí sa žiadna priehlbina; avšak s ďalším zvýšením pomeru energie lúča (RS=1,50, 2,00) sa na povrchu zvaru vyskytujú priehlbiny. Keď je pomer energie lúča RS=0,25, 1,5 a 2, tvar prierezu zvaru je „v tvare pohára na víno“; keď je RS=0,50, 0,67 a 1, tvar prierezu zvaru je „lievikovitý“. Keď je RS=4, nielenže sa v spodnej časti zvaru vytvárajú trhliny, ale aj póry v strednej a dolnej časti zvaru. Keď je RS=2, vo vnútri zvaru sa objavujú veľké procesné póry, ale žiadne trhliny sa neobjavujú. Pri RS=0,5, 0,67 a 1,5 je hĺbka prieniku P2 zvaru na strane hliníkovej zliatiny menšia a prierez zvaru je dobre tvarovaný a netvoria sa žiadne zjavné zvarové chyby. Tieto ukazujú, že pomer energie lúča počas paralelného dvojlúčového laserového zvárania má tiež dôležitý vplyv na prienik zvaru a zvarové chyby.
Rovnobežný lúč – vplyv rozostupu lúčov na tvorbu zvarového švu
Pri výkone laseru 2,8 kW, rýchlosti zvárania 33 mm/s, stupni rozostrenia 0 mm a pomere energie lúča RS = 0,67 zmeňte rozostup lúčov (d = 0,5 mm, 1 mm, 1,5 mm, 2 mm), aby ste dosiahli morfológiu povrchu zvaru, ako je znázornené na obrázku. Pri d = 0,5 mm, 1 mm, 1,5 mm, 2 mm je povrch zvaru hladký a plochý a tvar je krásny; vzor rybích šupin na zvare je pravidelný a krásny a nie sú na ňom viditeľné póry, trhliny ani iné chyby. Preto je za podmienok rozostupu štyroch lúčov povrch zvaru dobre tvarovaný. Okrem toho, pri d = 2 mm sa vytvoria dva rôzne zvary, čo ukazuje, že dva paralelné laserové lúče už nepôsobia na roztavený kúpeľ a nemôžu vytvoriť účinné hybridné zváranie s dvoma lúčmi. Keď je rozostup lúčov 0,5 mm, zvar má „lievikovitý tvar“, hĺbka prieniku P2 zvaru na strane hliníkovej zliatiny je 712,9 mikrónov a vo vnútri zvaru nie sú žiadne trhliny, póry ani iné chyby. S rastúcim rozostupom lúčov sa hĺbka prieniku P2 zvaru na strane hliníkovej zliatiny výrazne znižuje. Keď je rozostup lúčov 1 mm, hĺbka prieniku zvaru na strane hliníkovej zliatiny je iba 94,2 mikrónov. S ďalším rastúcim rozostupom lúčov nedochádza k účinnému prieniku zvaru na strane hliníkovej zliatiny. Preto, keď je rozostup lúčov 0,5 mm, je najlepší efekt dvojlúčovej rekombinácie. So zväčšujúcim sa rozostupom lúčov sa prudko znižuje príkon tepla zvárania a postupne sa zhoršuje efekt dvojlúčovej laserovej rekombinácie.
Rozdiel v morfológii zvaru je spôsobený rozdielnym prúdením a chladením a tuhnutím roztaveného kúpeľa počas procesu zvárania. Metóda numerickej simulácie môže nielen uľahčiť analýzu napätia v roztavenom kúpeli, ale aj znížiť náklady na experiment. Obrázok nižšie zobrazuje zmeny v bočnom tavenom kúpeli s jedným lúčom, rôznym usporiadaním a rozostupom bodov. Hlavné závery zahŕňajú: (1) Počas zvárania jedným lúčomlaserové zváranieV priebehu procesu je hĺbka otvoru roztaveného bazéna najväčšia, dochádza k javu kolapsu otvoru, stena otvoru je nepravidelná a rozloženie prúdového poľa v blízkosti steny otvoru je nerovnomerné; v blízkosti zadného povrchu roztaveného bazéna je pretavenie silné a na dne roztaveného bazéna dochádza k pretaveniu smerom nahor; rozloženie prúdového poľa na povrchu roztaveného bazéna je relatívne rovnomerné a pomalé a šírka roztaveného bazéna je nerovnomerná pozdĺž smeru hĺbky. V roztavenom bazéne medzi malými otvormi v dvojitom nosníku dochádza k rušeniu spôsobenému spätným tlakom steny.laserové zváranie, a vždy existuje pozdĺž smeru hĺbky malých otvorov. S rastúcou vzdialenosťou medzi dvoma lúčmi sa hustota energie lúča postupne mení z jedného vrcholu do stavu s dvoma vrcholmi. Medzi týmito dvoma vrcholmi je minimálna hodnota a hustota energie postupne klesá. (2) Pre dvojitý lúčlaserové zváranie, keď je rozostup bodov 0-0,5 mm, hĺbka malých otvorov v roztavenom kúpeli mierne klesá a celkové správanie sa prúdenia roztaveného kúpeľa je podobné ako pri jednolúčovomlaserové zváranie; keď je rozostup bodov väčší ako 1 mm, malé otvory sú úplne oddelené a počas procesu zvárania takmer nedochádza k žiadnej interakcii medzi dvoma lasermi, čo zodpovedá dvom po sebe idúcim/dvom paralelným jednolúčovým laserovým zváraniam s výkonom 1750 W. Takmer neexistuje žiadny predhrievací efekt a správanie sa prúdenia roztaveného kúpeľa je podobné ako pri jednolúčovom laserovom zváraní. (3) Keď je rozostup bodov 0,5 – 1 mm, povrch stien malých otvorov je v oboch usporiadaniach plochejší, hĺbka malých otvorov sa postupne zmenšuje a dno sa postupne oddeľuje. Porucha medzi malými otvormi a prúdením povrchového roztaveného kúpeľa je najsilnejšia pri 0,8 mm. Pri sériovom zváraní sa dĺžka roztaveného kúpeľa postupne zväčšuje, šírka je najväčšia, keď je rozostup bodov 0,8 mm, a predhrievací efekt je najzreteľnejší, keď je rozostup bodov 0,8 mm. Účinok Marangoniho sily postupne slabne a viac kovovej kvapaliny prúdi na obe strany roztaveného kúpeľa. Rozloženie šírky taveniny je rovnomernejšie. Pri paralelnom zváraní sa šírka roztaveného kúpeľa postupne zväčšuje a dĺžka je maximálna pri 0,8 mm, ale nedochádza k predhrievaniu; pretavenie v blízkosti povrchu spôsobené Marangoniho silou vždy existuje a pretavenie smerom nadol na dne malého otvoru postupne mizne; prierezové pole prúdenia nie je také dobré, je silné v sérii, rušenie sotva ovplyvňuje prúdenie na oboch stranách roztaveného kúpeľa a šírka roztaveného materiálu je nerovnomerne rozložená.
Čas uverejnenia: 12. októbra 2023
