Σε σύγκριση με την παραδοσιακή τεχνολογία συγκόλλησης,συγκόλληση με λέιζερέχει απαράμιλλα πλεονεκτήματα στην ακρίβεια, την αποτελεσματικότητα, την αξιοπιστία, τον αυτοματισμό και άλλες πτυχές της συγκόλλησης. Τα τελευταία χρόνια, έχει αναπτυχθεί ραγδαία στους τομείς της αυτοκινητοβιομηχανίας, της ενέργειας, της ηλεκτρονικής και άλλων τομέων και θεωρείται μία από τις πιο πολλά υποσχόμενες τεχνολογίες κατασκευής στον 21ο αιώνα.
1. Επισκόπηση διπλής δοκούσυγκόλληση με λέιζερ
Διπλή δοκόςσυγκόλληση με λέιζερείναι η χρήση οπτικών μεθόδων για τον διαχωρισμό του ίδιου λέιζερ σε δύο ξεχωριστές δέσμες φωτός για συγκόλληση ή η χρήση δύο διαφορετικών τύπων λέιζερ για συνδυασμό, όπως λέιζερ CO2, λέιζερ Nd:YAG και λέιζερ ημιαγωγών υψηλής ισχύος. Όλα μπορούν να συνδυαστούν. Προτάθηκε κυρίως για την επίλυση του προβλήματος της προσαρμοστικότητας της συγκόλλησης με λέιζερ στην ακρίβεια συναρμολόγησης, τη βελτίωση της σταθερότητας της διαδικασίας συγκόλλησης και τη βελτίωση της ποιότητας της συγκόλλησης. Διπλή δέσμησυγκόλληση με λέιζερμπορεί εύκολα και ευέλικτα να ρυθμίσει το πεδίο θερμοκρασίας συγκόλλησης αλλάζοντας την αναλογία ενέργειας της δέσμης, την απόσταση μεταξύ των δέσμων, ακόμη και το μοτίβο κατανομής ενέργειας των δύο ακτίνων λέιζερ, αλλάζοντας το μοτίβο ύπαρξης της κλειδαρότρυπας και το μοτίβο ροής του υγρού μετάλλου στην τετηγμένη λίμνη. Παρέχει μια ευρύτερη επιλογή διαδικασιών συγκόλλησης. Δεν έχει μόνο τα πλεονεκτήματα των μεγάλωνσυγκόλληση με λέιζερδιείσδυση, γρήγορη ταχύτητα και υψηλή ακρίβεια, αλλά είναι επίσης κατάλληλο για υλικά και αρμούς που είναι δύσκολο να συγκολληθούν με συμβατικάσυγκόλληση με λέιζερ.
Για διπλή δοκόσυγκόλληση με λέιζερ, συζητάμε πρώτα τις μεθόδους εφαρμογής του λέιζερ διπλής δέσμης. Η εκτενής βιβλιογραφία δείχνει ότι υπάρχουν δύο κύριοι τρόποι για να επιτευχθεί συγκόλληση διπλής δέσμης: η εστίαση με μετάδοση και η εστίαση με ανάκλαση. Συγκεκριμένα, ο ένας επιτυγχάνεται ρυθμίζοντας τη γωνία και την απόσταση δύο λέιζερ μέσω κατόπτρων εστίασης και κατόπτρων ευθυγράμμισης. Ο άλλος επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας μια πηγή λέιζερ και στη συνέχεια εστιάζοντας μέσω ανακλαστικών κατόπτρων, διαπερατών κατόπτρων και κατόπτρων σφηνοειδούς σχήματος για την επίτευξη διπλών δεσμών. Για την πρώτη μέθοδο, υπάρχουν κυρίως τρεις μορφές. Η πρώτη μορφή είναι η σύζευξη δύο λέιζερ μέσω οπτικών ινών και ο διαχωρισμός τους σε δύο διαφορετικές δέσμες κάτω από τον ίδιο καθρέφτη ευθυγράμμισης και καθρέφτη εστίασης. Η δεύτερη είναι ότι δύο λέιζερ εξάγουν δέσμες λέιζερ μέσω των αντίστοιχων κεφαλών συγκόλλησης και σχηματίζεται μια διπλή δέσμη ρυθμίζοντας τη χωρική θέση των κεφαλών συγκόλλησης. Η τρίτη μέθοδος είναι ότι η δέσμη λέιζερ διαχωρίζεται πρώτα μέσω δύο κατόπτρων 1 και 2 και στη συνέχεια εστιάζεται από δύο καθρέφτες εστίασης 3 και 4 αντίστοιχα. Η θέση και η απόσταση μεταξύ των δύο εστιακών σημείων μπορούν να ρυθμιστούν ρυθμίζοντας τις γωνίες των δύο κατόπτρων εστίασης 3 και 4. Η δεύτερη μέθοδος είναι η χρήση ενός λέιζερ στερεάς κατάστασης για τη διαίρεση του φωτός για την επίτευξη διπλών δεσμών και η ρύθμιση της γωνίας και της απόστασης μέσω ενός κατόπτρου προοπτικής και ενός κατόπτρου εστίασης. Οι δύο τελευταίες εικόνες στην πρώτη σειρά παρακάτω δείχνουν το φασματοσκοπικό σύστημα ενός λέιζερ CO2. Ο επίπεδος καθρέφτης αντικαθίσταται με έναν σφηνοειδή καθρέφτη και τοποθετείται μπροστά από τον καθρέφτη εστίασης για τη διαίρεση του φωτός για την επίτευξη παράλληλου φωτός διπλής δέσμης.
Αφού κατανοήσουμε την εφαρμογή των διπλών δοκών, ας παρουσιάσουμε σύντομα τις αρχές και τις μεθόδους συγκόλλησης. Στη διπλή δοκόσυγκόλληση με λέιζερΣτη διαδικασία συγκόλλησης, υπάρχουν τρεις κοινές διατάξεις δοκών, δηλαδή σειριακή διάταξη, παράλληλη διάταξη και υβριδική διάταξη. ύφασμα, δηλαδή, υπάρχει μια απόσταση τόσο στην κατεύθυνση συγκόλλησης όσο και στην κατακόρυφη κατεύθυνση συγκόλλησης. Όπως φαίνεται στην τελευταία σειρά του σχήματος, ανάλογα με τα διαφορετικά σχήματα των μικρών οπών και των λιμνών τήξης που εμφανίζονται υπό διαφορετική απόσταση σημείων κατά τη διάρκεια της σειριακής διαδικασίας συγκόλλησης, μπορούν να χωριστούν περαιτέρω σε μονά τήγματα. Υπάρχουν τρεις καταστάσεις: λίμνη, κοινή λιωμένη λίμνη και διαχωρισμένη λιωμένη λίμνη. Τα χαρακτηριστικά της μονής λιωμένης λίμνης και της διαχωρισμένης λιωμένης λίμνης είναι παρόμοια με αυτά της μονήςσυγκόλληση με λέιζερ, όπως φαίνεται στο διάγραμμα αριθμητικής προσομοίωσης. Υπάρχουν διαφορετικά εφέ διεργασίας για διαφορετικούς τύπους.
Τύπος 1: Κάτω από μια συγκεκριμένη απόσταση σημείων, δύο οπές κλειδαριών δέσμης σχηματίζουν μια κοινή μεγάλη οπή κλειδαριών στην ίδια λιωμένη δεξαμενή. Για τον τύπο 1, αναφέρεται ότι η μία δέσμη φωτός χρησιμοποιείται για τη δημιουργία μιας μικρής οπής και η άλλη δέσμη φωτός χρησιμοποιείται για θερμική επεξεργασία συγκόλλησης, η οποία μπορεί να βελτιώσει αποτελεσματικά τις δομικές ιδιότητες του χάλυβα υψηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα και του κραματοποιημένου χάλυβα.
Τύπος 2: Αυξήστε την απόσταση των σημείων στην ίδια λιωμένη δεξαμενή, διαχωρίστε τις δύο δέσμες σε δύο ανεξάρτητες οπές κλειδαριών και αλλάξτε το μοτίβο ροής της λιωμένης δεξαμενής. Για τον τύπο 2, η λειτουργία του είναι ισοδύναμη με συγκόλληση με δύο δέσμες ηλεκτρονίων, μειώνοντας τα πιτσιλίσματα συγκόλλησης και τις ακανόνιστες συγκολλήσεις στο κατάλληλο εστιακό μήκος.
Τύπος 3: Περαιτέρω αύξηση της απόστασης των σημείων και αλλαγή της αναλογίας ενέργειας των δύο δοκών, έτσι ώστε η μία από τις δύο δοκούς να χρησιμοποιείται ως πηγή θερμότητας για την εκτέλεση επεξεργασίας πριν ή μετά τη συγκόλληση κατά τη διάρκεια της διαδικασίας συγκόλλησης και η άλλη δοκός να χρησιμοποιείται για τη δημιουργία μικρών οπών. Για τον τύπο 3, η μελέτη διαπίστωσε ότι οι δύο δοκοί σχηματίζουν μια κλειδαρότρυπα, η μικρή οπή δεν είναι εύκολο να συμπτυχθεί και η συγκόλληση δεν είναι εύκολο να παράγει πόρους.
2. Η επίδραση της διαδικασίας συγκόλλησης στην ποιότητα συγκόλλησης
Επίδραση του λόγου σειριακής ενέργειας δοκού στον σχηματισμό ραφής συγκόλλησης
Όταν η ισχύς του λέιζερ είναι 2kW, η ταχύτητα συγκόλλησης είναι 45 mm/s, η ποσότητα αποεστίασης είναι 0mm και η απόσταση μεταξύ των δεσμών είναι 3 mm, το σχήμα της επιφάνειας συγκόλλησης κατά την αλλαγή του RS (RS= 0,50, 0,67, 1,50, 2,00) είναι όπως φαίνεται στο σχήμα. Όταν RS=0,50 και 2,00, η συγκόλληση είναι βαθουλωμένη σε μεγαλύτερο βαθμό και υπάρχει περισσότερο πιτσίλισμα στην άκρη της συγκόλλησης, χωρίς να σχηματίζονται κανονικά μοτίβα λέπια ψαριού. Αυτό συμβαίνει επειδή όταν ο λόγος ενέργειας της δέσμης είναι πολύ μικρός ή πολύ μεγάλος, η ενέργεια του λέιζερ είναι πολύ συγκεντρωμένη, προκαλώντας πιο σοβαρή ταλάντωση της οπής του λέιζερ κατά τη διάρκεια της διαδικασίας συγκόλλησης και η πίεση ανάκρουσης του ατμού προκαλεί την εκτόξευση και το πιτσίλισμα του τηγμένου μετάλλου της λίμνης στη λίμνη. Η υπερβολική είσοδος θερμότητας προκαλεί πολύ μεγάλο βάθος διείσδυσης της τηγμένης λίμνης στην πλευρά του κράματος αλουμινίου, προκαλώντας μια κοιλότητα υπό την επίδραση της βαρύτητας. Όταν RS=0,67 και 1,50, το μοτίβο λέπια ψαριού στην επιφάνεια συγκόλλησης είναι ομοιόμορφο, το σχήμα της συγκόλλησης είναι πιο όμορφο και δεν υπάρχουν ορατές θερμές ρωγμές συγκόλλησης, πόροι και άλλα ελαττώματα συγκόλλησης στην επιφάνεια συγκόλλησης. Τα σχήματα διατομής των συγκολλήσεων με διαφορετικές αναλογίες ενέργειας δέσμης RS φαίνονται στο σχήμα. Η διατομή των συγκολλήσεων έχει τυπικό σχήμα "ποτηριού κρασιού", υποδεικνύοντας ότι η διαδικασία συγκόλλησης πραγματοποιείται σε λειτουργία συγκόλλησης βαθιάς διείσδυσης με λέιζερ. Η RS έχει σημαντική επίδραση στο βάθος διείσδυσης P2 της συγκόλλησης στην πλευρά του κράματος αλουμινίου. Όταν ο λόγος ενέργειας δέσμης RS=0,5, το P2 είναι 1203,2 μικρά. Όταν ο λόγος ενέργειας δέσμης είναι RS=0,67 και 1,5, το P2 μειώνεται σημαντικά, που είναι 403,3 μικρά και 93,6 μικρά αντίστοιχα. Όταν ο λόγος ενέργειας δέσμης είναι RS=2, το βάθος διείσδυσης συγκόλλησης της διατομής της σύνδεσης είναι 1151,6 μικρά.
Επίδραση του λόγου παράλληλης δέσμης προς ενέργεια στον σχηματισμό ραφής συγκόλλησης
Όταν η ισχύς του λέιζερ είναι 2,8kW, η ταχύτητα συγκόλλησης είναι 33mm/s, η ποσότητα αποεστίασης είναι 0mm και η απόσταση μεταξύ των δεσμών είναι 1mm, η επιφάνεια συγκόλλησης επιτυγχάνεται αλλάζοντας την αναλογία ενέργειας της δέσμης (RS=0,25, 0,5, 0,67, 1,5, 2, 4). Η εμφάνιση φαίνεται στο σχήμα. Όταν RS=2, το μοτίβο λέπια ψαριού στην επιφάνεια της συγκόλλησης είναι σχετικά ακανόνιστο. Η επιφάνεια της συγκόλλησης που επιτυγχάνεται με τις άλλες πέντε διαφορετικές αναλογίες ενέργειας της δέσμης είναι καλά σχηματισμένη και δεν υπάρχουν ορατά ελαττώματα όπως πόροι και πιτσιλιές. Επομένως, σε σύγκριση με τη σειριακή διπλή δέσμησυγκόλληση με λέιζερ, η επιφάνεια συγκόλλησης με χρήση παράλληλων διπλών δοκών είναι πιο ομοιόμορφη και όμορφη. Όταν RS=0,25, υπάρχει μια μικρή κοιλότητα στη συγκόλληση. Καθώς ο λόγος ενέργειας της δέσμης αυξάνεται σταδιακά (RS=0,5, 0,67 και 1,5), η επιφάνεια της συγκόλλησης είναι ομοιόμορφη και δεν σχηματίζεται κοιλότητα. Ωστόσο, όταν ο λόγος ενέργειας της δέσμης αυξάνεται περαιτέρω (RS=1,50, 2,00), υπάρχουν κοιλότητες στην επιφάνεια της συγκόλλησης. Όταν ο λόγος ενέργειας της δέσμης RS=0,25, 1,5 και 2, το σχήμα της διατομής της συγκόλλησης είναι "σχήμα ποτηριού κρασιού". Όταν RS=0,50, 0,67 και 1, το σχήμα της διατομής της συγκόλλησης είναι "σχήμα χωνιού". Όταν RS=4, όχι μόνο δημιουργούνται ρωγμές στο κάτω μέρος της συγκόλλησης, αλλά και ορισμένοι πόροι δημιουργούνται στο μεσαίο και κάτω μέρος της συγκόλλησης. Όταν RS=2, εμφανίζονται μεγάλοι πόροι διεργασίας μέσα στη συγκόλληση, αλλά δεν εμφανίζονται ρωγμές. Όταν RS=0,5, 0,67 και 1,5, το βάθος διείσδυσης P2 της συγκόλλησης στην πλευρά του κράματος αλουμινίου είναι μικρότερο και η διατομή της συγκόλλησης είναι καλά σχηματισμένη και δεν σχηματίζονται εμφανή ελαττώματα συγκόλλησης. Αυτά δείχνουν ότι ο λόγος ενέργειας δέσμης κατά τη διάρκεια παράλληλης συγκόλλησης με λέιζερ διπλής δέσμης έχει επίσης σημαντικό αντίκτυπο στη διείσδυση της συγκόλλησης και στα ελαττώματα συγκόλλησης.
Παράλληλη δοκός – η επίδραση της απόστασης των δοκών στον σχηματισμό ραφής συγκόλλησης
Όταν η ισχύς λέιζερ είναι 2,8kW, η ταχύτητα συγκόλλησης είναι 33mm/s, η ποσότητα αποεστίασης είναι 0mm και ο λόγος ενέργειας δέσμης RS=0,67, αλλάξτε την απόσταση μεταξύ των δεσμών (d=0,5mm, 1mm, 1,5mm, 2mm) για να λάβετε τη μορφολογία της επιφάνειας συγκόλλησης όπως φαίνεται στην εικόνα. Όταν d=0,5mm, 1mm, 1,5mm, 2mm, η επιφάνεια της συγκόλλησης είναι λεία και επίπεδη και το σχήμα είναι όμορφο. Το μοτίβο λέπια ψαριού της συγκόλλησης είναι κανονικό και όμορφο και δεν υπάρχουν ορατοί πόροι, ρωγμές ή άλλα ελαττώματα. Επομένως, υπό τις συνθήκες απόστασης τεσσάρων δεσμών, η επιφάνεια συγκόλλησης είναι καλά σχηματισμένη. Επιπλέον, όταν d=2 mm, σχηματίζονται δύο διαφορετικές συγκολλήσεις, γεγονός που δείχνει ότι οι δύο παράλληλες δέσμες λέιζερ δεν δρουν πλέον σε μια λιωμένη λίμνη και δεν μπορούν να σχηματίσουν μια αποτελεσματική υβριδική συγκόλληση λέιζερ διπλής δέσμης. Όταν η απόσταση μεταξύ των δοκών είναι 0,5 mm, η συγκόλληση έχει σχήμα "χωνιού", το βάθος διείσδυσης P2 της συγκόλλησης στην πλευρά του κράματος αλουμινίου είναι 712,9 μικρά και δεν υπάρχουν ρωγμές, πόροι ή άλλα ελαττώματα στο εσωτερικό της συγκόλλησης. Καθώς η απόσταση μεταξύ των δοκών συνεχίζει να αυξάνεται, το βάθος διείσδυσης P2 της συγκόλλησης στην πλευρά του κράματος αλουμινίου μειώνεται σημαντικά. Όταν η απόσταση μεταξύ των δοκών είναι 1 mm, το βάθος διείσδυσης της συγκόλλησης στην πλευρά του κράματος αλουμινίου είναι μόνο 94,2 μικρά. Καθώς η απόσταση μεταξύ των δοκών αυξάνεται περαιτέρω, η συγκόλληση δεν σχηματίζει αποτελεσματική διείσδυση στην πλευρά του κράματος αλουμινίου. Επομένως, όταν η απόσταση μεταξύ των δοκών είναι 0,5 mm, το αποτέλεσμα ανασυνδυασμού διπλής δέσμης είναι το καλύτερο. Καθώς η απόσταση μεταξύ των δοκών αυξάνεται, η εισερχόμενη θερμότητα συγκόλλησης μειώνεται απότομα και το αποτέλεσμα ανασυνδυασμού λέιζερ δύο δεσμών σταδιακά επιδεινώνεται.
Η διαφορά στη μορφολογία της συγκόλλησης προκαλείται από τη διαφορετική ροή και ψύξη στερεοποίησης της λιωμένης δεξαμενής κατά τη διάρκεια της διαδικασίας συγκόλλησης. Η μέθοδος αριθμητικής προσομοίωσης μπορεί όχι μόνο να κάνει την ανάλυση τάσεων της λιωμένης δεξαμενής πιο διαισθητική, αλλά και να μειώσει το πειραματικό κόστος. Η παρακάτω εικόνα δείχνει τις αλλαγές στην πλευρική λιμνούλα τήξης με μία μόνο δοκό, διαφορετικές διατάξεις και απόσταση σημείων. Τα κύρια συμπεράσματα περιλαμβάνουν: (1) Κατά τη διάρκεια της μονής δοκούσυγκόλληση με λέιζερΚατά τη διάρκεια της διαδικασίας, το βάθος της οπής της λιωμένης λίμνης είναι το βαθύτερο, υπάρχει ένα φαινόμενο κατάρρευσης της οπής, το τοίχωμα της οπής είναι ακανόνιστο και η κατανομή του πεδίου ροής κοντά στο τοίχωμα της οπής είναι ανομοιόμορφη. Κοντά στην πίσω επιφάνεια της λιωμένης λίμνης, η επαναροή είναι ισχυρή και υπάρχει επαναροή προς τα πάνω στον πυθμένα της λιωμένης λίμνης. Η κατανομή του πεδίου ροής της επιφανειακής λιωμένης λίμνης είναι σχετικά ομοιόμορφη και αργή και το πλάτος της λιωμένης λίμνης είναι ανομοιόμορφο κατά μήκος της κατεύθυνσης του βάθους. Υπάρχει διαταραχή που προκαλείται από την πίεση ανάκρουσης του τοιχώματος στη λιωμένη λίμνη μεταξύ των μικρών οπών στη διπλή δοκό.συγκόλληση με λέιζερ, και υπάρχει πάντα κατά μήκος της κατεύθυνσης του βάθους των μικρών οπών. Καθώς η απόσταση μεταξύ των δύο δεσμών συνεχίζει να αυξάνεται, η ενεργειακή πυκνότητα της δέσμης μεταβαίνει σταδιακά από κατάσταση μίας κορυφής σε κατάσταση διπλής κορυφής. Υπάρχει μια ελάχιστη τιμή μεταξύ των δύο κορυφών και η ενεργειακή πυκνότητα μειώνεται σταδιακά. (2) Για διπλή δέσμησυγκόλληση με λέιζερ, όταν η απόσταση μεταξύ των σημείων είναι 0-0,5 mm, το βάθος των μικρών οπών της λιωμένης δεξαμενής μειώνεται ελαφρώς και η συνολική συμπεριφορά ροής της λιωμένης δεξαμενής είναι παρόμοια με αυτή της μονής δοκού.συγκόλληση με λέιζερΌταν η απόσταση μεταξύ των σημείων είναι πάνω από 1 mm, οι μικρές οπές διαχωρίζονται πλήρως και κατά τη διάρκεια της διαδικασίας συγκόλλησης δεν υπάρχει σχεδόν καμία αλληλεπίδραση μεταξύ των δύο λέιζερ, η οποία ισοδυναμεί με δύο διαδοχικές/δύο παράλληλες συγκολλήσεις λέιζερ μονής δέσμης με ισχύ 1750 W. Δεν υπάρχει σχεδόν καθόλου φαινόμενο προθέρμανσης και η συμπεριφορά ροής της λιωμένης δεξαμενής είναι παρόμοια με αυτή της συγκόλλησης λέιζερ μονής δέσμης. (3) Όταν η απόσταση μεταξύ των σημείων είναι 0,5-1 mm, η επιφάνεια του τοιχώματος των μικρών οπών είναι πιο επίπεδη στις δύο διατάξεις, το βάθος των μικρών οπών μειώνεται σταδιακά και ο πυθμένας διαχωρίζεται σταδιακά. Η διαταραχή μεταξύ των μικρών οπών και της ροής της επιφανειακής λιωμένης δεξαμενής είναι στα 0,8 mm. Η ισχυρότερη. Για τη σειριακή συγκόλληση, το μήκος της λιωμένης δεξαμενής αυξάνεται σταδιακά, το πλάτος είναι το μεγαλύτερο όταν η απόσταση μεταξύ των σημείων είναι 0,8 mm και το φαινόμενο προθέρμανσης είναι πιο εμφανές όταν η απόσταση μεταξύ των σημείων είναι 0,8 mm. Η επίδραση της δύναμης Marangoni εξασθενεί σταδιακά και περισσότερο μεταλλικό υγρό ρέει και στις δύο πλευρές της λιωμένης δεξαμενής. Κάντε την κατανομή πλάτους τήγματος πιο ομοιόμορφη. Για παράλληλη συγκόλληση, το πλάτος της λιωμένης δεξαμενής αυξάνεται σταδιακά και το μήκος φτάνει στο μέγιστο στα 0,8 mm, αλλά δεν υπάρχει φαινόμενο προθέρμανσης. Η επαναροή κοντά στην επιφάνεια που προκαλείται από τη δύναμη Marangoni υπάρχει πάντα και η προς τα κάτω επαναροή στον πυθμένα της μικρής οπής εξαφανίζεται σταδιακά. Το πεδίο ροής διατομής δεν είναι τόσο καλό όσο είναι ισχυρό σε σειρά, η διαταραχή επηρεάζει ελάχιστα τη ροή και στις δύο πλευρές της λιωμένης δεξαμενής και το πλάτος του λιωμένου υλικού κατανέμεται άνισα.
Ώρα δημοσίευσης: 12 Οκτωβρίου 2023
