En comparación con la tecnología de soldadura tradicional,soldadura láserTiene ventajas incomparables en precisión, eficiencia, confiabilidad, automatización y otros aspectos de la soldadura. En los últimos años, se ha desarrollado rápidamente en los campos del automóvil, la energía, la electrónica y otros campos, y se considera una de las tecnologías de fabricación más prometedoras del siglo XXI.
1. Descripción general del doble hazsoldadura láser
doble hazsoldadura láserconsiste en utilizar métodos ópticos para separar el mismo láser en dos haces de luz separados para soldar, o utilizar dos tipos diferentes de láseres para combinar, como el láser de CO2, el láser Nd:YAG y el láser semiconductor de alta potencia. Todos se pueden combinar. Se propuso principalmente resolver la adaptabilidad de la soldadura láser a la precisión del ensamblaje, mejorar la estabilidad del proceso de soldadura y mejorar la calidad de la soldadura. doble hazsoldadura láserPuede ajustar de manera conveniente y flexible el campo de temperatura de soldadura cambiando la relación de energía del haz, el espaciado de los haces e incluso el patrón de distribución de energía de los dos rayos láser, cambiando el patrón de existencia del ojo de la cerradura y el patrón de flujo del metal líquido en el baño fundido. Proporciona una gama más amplia de procesos de soldadura. No sólo tiene las ventajas de grandessoldadura láserPenetración, alta velocidad y alta precisión, pero también es adecuado para materiales y uniones difíciles de soldar con métodos convencionales.soldadura láser.
Para doble hazsoldadura láserPrimero analizamos los métodos de implementación del láser de doble haz. Una amplia literatura muestra que hay dos formas principales de lograr la soldadura de doble haz: enfoque por transmisión y enfoque por reflexión. Específicamente, uno se logra ajustando el ángulo y el espaciado de dos láseres a través de espejos de enfoque y espejos de colimación. El otro se logra utilizando una fuente láser y luego enfocando a través de espejos reflectantes, espejos transmisivos y espejos en forma de cuña para lograr haces duales. Para el primer método, existen principalmente tres formas. La primera forma consiste en acoplar dos láseres a través de fibras ópticas y dividirlos en dos haces diferentes bajo el mismo espejo colimador y espejo de enfoque. La segunda es que dos láseres emiten rayos láser a través de sus respectivos cabezales de soldadura, y se forma un haz doble ajustando la posición espacial de los cabezales de soldadura. El tercer método consiste en que el rayo láser primero se divide a través de dos espejos 1 y 2, y luego se enfoca mediante dos espejos de enfoque 3 y 4 respectivamente. La posición y la distancia entre los dos puntos focales se pueden ajustar ajustando los ángulos de los dos espejos de enfoque 3 y 4. El segundo método consiste en utilizar un láser de estado sólido para dividir la luz para lograr haces duales y ajustar el ángulo y espaciado a través de un espejo de perspectiva y un espejo de enfoque. Las dos últimas imágenes de la primera fila a continuación muestran el sistema espectroscópico de un láser de CO2. El espejo plano se reemplaza por un espejo en forma de cuña y se coloca frente al espejo de enfoque para dividir la luz y lograr una luz paralela de doble haz.
Después de comprender la implementación de vigas dobles, introduzcamos brevemente los principios y métodos de soldadura. En la doble vigasoldadura láserEn este proceso, existen tres disposiciones de haces comunes: disposición en serie, disposición en paralelo y disposición híbrida. tela, es decir, hay una distancia tanto en la dirección de soldadura como en la dirección vertical de soldadura. Como se muestra en la última fila de la figura, de acuerdo con las diferentes formas de pequeños orificios y charcos de fusión que aparecen bajo diferentes espacios entre puntos durante el proceso de soldadura en serie, se pueden dividir en fusiones individuales. Hay tres estados: piscina, piscina fundida común y piscina fundida separada. Las características del baño fundido único y del baño fundido separado son similares a las del baño fundido único.soldadura láser, como se muestra en el diagrama de simulación numérica. Existen diferentes efectos de proceso para diferentes tipos.
Tipo 1: bajo un cierto espacio entre puntos, dos orificios de cerradura de viga forman un orificio de cerradura grande común en el mismo charco de fusión; para el tipo 1, se informa que un haz de luz se usa para crear un pequeño orificio y el otro haz de luz se usa para el tratamiento térmico de soldadura, lo que puede mejorar efectivamente las propiedades estructurales del acero con alto contenido de carbono y el acero aleado.
Tipo 2: aumentar el espacio entre puntos en el mismo baño fundido, separar las dos vigas en dos orificios independientes y cambiar el patrón de flujo del baño fundido; para el tipo 2, su función es equivalente a la soldadura con dos haces de electrones. Reduce las salpicaduras de soldadura y las soldaduras irregulares en la distancia focal adecuada.
Tipo 3: aumente aún más el espacio entre puntos y cambie la relación de energía de las dos vigas, de modo que una de las dos vigas se utilice como fuente de calor para realizar el procesamiento previo o posterior a la soldadura durante el proceso de soldadura, y la otra viga Se utiliza para generar pequeños agujeros. Para el tipo 3, el estudio encontró que las dos vigas forman un ojo de cerradura, el agujero pequeño no es fácil de colapsar y la soldadura no es fácil de producir poros.
2. La influencia del proceso de soldadura en la calidad de la soldadura.
Efecto de la relación serie haz-energía en la formación de cordones de soldadura
Cuando la potencia del láser es de 2 kW, la velocidad de soldadura es de 45 mm/s, la cantidad de desenfoque es de 0 mm y el espaciado del haz es de 3 mm, la forma de la superficie de soldadura al cambiar RS (RS = 0,50, 0,67, 1,50, 2,00) es como se muestra en la figura. Cuando RS = 0,50 y 2,00, la soldadura se abolla en mayor medida y hay más salpicaduras en el borde de la soldadura, sin formar patrones regulares de escamas de pez. Esto se debe a que cuando la relación de energía del haz es demasiado pequeña o demasiado grande, la energía del láser está demasiado concentrada, lo que hace que el orificio del láser oscile más seriamente durante el proceso de soldadura, y la presión de retroceso del vapor provoca la expulsión y salpicaduras del material fundido. charco de metal en el charco fundido; Un aporte excesivo de calor hace que la profundidad de penetración del baño fundido en el lado de la aleación de aluminio sea demasiado grande, provocando una depresión bajo la acción de la gravedad. Cuando RS = 0,67 y 1,50, el patrón de escamas de pescado en la superficie de la soldadura es uniforme, la forma de la soldadura es más hermosa y no hay grietas visibles en caliente, poros ni otros defectos de soldadura en la superficie de la soldadura. Las formas de las secciones transversales de las soldaduras con diferentes relaciones de energía del haz RS son como se muestran en la figura. La sección transversal de las soldaduras tiene la típica “forma de copa de vino”, lo que indica que el proceso de soldadura se lleva a cabo en modo de soldadura láser de penetración profunda. RS tiene una influencia importante en la profundidad de penetración P2 de la soldadura en el lado de la aleación de aluminio. Cuando la relación de energía del haz RS = 0,5, P2 es 1203,2 micrómetros. Cuando la relación de energía del haz es RS=0,67 y 1,5, P2 se reduce significativamente, que son 403,3 micras y 93,6 micras respectivamente. Cuando la relación de energía del haz es RS=2, la profundidad de penetración de la soldadura de la sección transversal de la junta es 1151,6 micras.
Efecto de la relación energía-haz paralelo en la formación de cordones de soldadura
Cuando la potencia del láser es de 2,8 kW, la velocidad de soldadura es de 33 mm/s, la cantidad de desenfoque es de 0 mm y el espaciado del haz es de 1 mm, la superficie de soldadura se obtiene cambiando la relación de energía del haz (RS = 0,25, 0,5, 0,67, 1,5). , 2, 4) La apariencia se muestra en la figura. Cuando RS=2, el patrón de escamas de pez en la superficie de la soldadura es relativamente irregular. La superficie de la soldadura obtenida mediante las otras cinco relaciones de energía del haz diferentes está bien formada y no hay defectos visibles como poros y salpicaduras. Por lo tanto, en comparación con el sistema de doble haz en seriesoldadura láser, la superficie de soldadura que utiliza vigas duales paralelas es más uniforme y hermosa. Cuando RS=0,25, hay una ligera depresión en la soldadura; a medida que la relación de energía del haz aumenta gradualmente (RS=0,5, 0,67 y 1,5), la superficie de la soldadura es uniforme y no se forma ninguna depresión; sin embargo, cuando la relación de energía del haz aumenta aún más (RS = 1,50, 2,00), hay depresiones en la superficie de la soldadura. Cuando la relación de energía del haz RS = 0,25, 1,5 y 2, la forma de la sección transversal de la soldadura tiene "forma de copa de vino"; cuando RS=0,50, 0,67 y 1, la forma de la sección transversal de la soldadura es “en forma de embudo”. Cuando RS=4, no solo se generan grietas en la parte inferior de la soldadura, sino que también se generan algunos poros en la parte media e inferior de la soldadura. Cuando RS=2, aparecen grandes poros de proceso dentro de la soldadura, pero no aparecen grietas. Cuando RS = 0,5, 0,67 y 1,5, la profundidad de penetración P2 de la soldadura en el lado de la aleación de aluminio es menor, y la sección transversal de la soldadura está bien formada y no se forman defectos de soldadura evidentes. Estos muestran que la relación de energía del haz durante la soldadura láser de doble haz paralelo también tiene un impacto importante en la penetración de la soldadura y los defectos de soldadura.
Haz paralelo: el efecto del espaciado de los haces en la formación de cordones de soldadura
Cuando la potencia del láser es de 2,8 kW, la velocidad de soldadura es de 33 mm/s, la cantidad de desenfoque es de 0 mm y la relación de energía del haz RS=0,67, cambie el espaciado del haz (d=0,5 mm, 1 mm, 1,5 mm, 2 mm) para obtener la morfología de la superficie de soldadura como se muestra en la imagen. Cuando d = 0,5 mm, 1 mm, 1,5 mm, 2 mm, la superficie de la soldadura es lisa y plana y la forma es hermosa; el patrón de escamas de pescado de la soldadura es regular y hermoso, y no hay poros, grietas ni otros defectos visibles. Por lo tanto, bajo las condiciones de separación de los cuatro haces, la superficie de soldadura está bien formada. Además, cuando d = 2 mm, se forman dos soldaduras diferentes, lo que muestra que los dos rayos láser paralelos ya no actúan sobre un baño fundido y no pueden formar una soldadura híbrida láser de doble haz eficaz. Cuando la separación entre vigas es de 0,5 mm, la soldadura tiene "forma de embudo", la profundidad de penetración P2 de la soldadura en el lado de la aleación de aluminio es de 712,9 micrones y no hay grietas, poros ni otros defectos dentro de la soldadura. A medida que la separación entre vigas continúa aumentando, la profundidad de penetración P2 de la soldadura en el lado de la aleación de aluminio disminuye significativamente. Cuando la separación entre haces es de 1 mm, la profundidad de penetración de la soldadura en el lado de la aleación de aluminio es de sólo 94,2 micras. A medida que aumenta aún más la separación entre haces, la soldadura no forma una penetración efectiva en el lado de la aleación de aluminio. Por lo tanto, cuando la separación entre haces es de 0,5 mm, el efecto de recombinación de doble haz es el mejor. A medida que aumenta la separación entre haces, la entrada de calor de soldadura disminuye drásticamente y el efecto de recombinación del láser de dos haces empeora gradualmente.
La diferencia en la morfología de la soldadura es causada por el diferente flujo y solidificación por enfriamiento del baño fundido durante el proceso de soldadura. El método de simulación numérica no sólo puede hacer que el análisis de tensión del baño fundido sea más intuitivo, sino que también puede reducir el costo experimental. La siguiente imagen muestra los cambios en el baño de fusión lateral con un solo haz, diferentes disposiciones y espaciado de puntos. Las principales conclusiones incluyen: (1) Durante el proceso de haz únicosoldadura láserproceso, la profundidad del pozo de la piscina fundida es la más profunda, hay un fenómeno de colapso del pozo, la pared del pozo es irregular y la distribución del campo de flujo cerca de la pared del pozo es desigual; cerca de la superficie trasera del baño fundido el reflujo es fuerte y hay reflujo ascendente en el fondo del baño fundido; la distribución del campo de flujo del baño fundido superficial es relativamente uniforme y lenta, y el ancho del baño fundido es desigual a lo largo de la dirección de profundidad. Hay perturbaciones causadas por la presión de retroceso de la pared en el charco fundido entre los pequeños orificios en la viga doble.soldadura láser, y siempre existe a lo largo de la dirección de profundidad de los agujeros pequeños. A medida que la distancia entre los dos haces continúa aumentando, la densidad de energía del haz pasa gradualmente de un estado de pico único a un estado de pico doble. Hay un valor mínimo entre los dos picos y la densidad de energía disminuye gradualmente. (2) Para doble hazsoldadura láser, cuando el espacio entre puntos es de 0-0,5 mm, la profundidad de los pequeños orificios del baño fundido disminuye ligeramente y el comportamiento general del flujo del baño fundido es similar al de un solo haz.soldadura láser; cuando el espacio entre puntos es superior a 1 mm, los pequeños orificios se separan completamente y durante el proceso de soldadura casi no hay interacción entre los dos láseres, lo que equivale a dos soldaduras láser de haz único consecutivas/dos paralelas con una potencia de 1750W. Casi no hay efecto de precalentamiento y el comportamiento del flujo del baño fundido es similar al de la soldadura láser de haz único. (3) Cuando el espacio entre puntos es de 0,5 a 1 mm, la superficie de la pared de los orificios pequeños es más plana en las dos disposiciones, la profundidad de los orificios pequeños disminuye gradualmente y el fondo se separa gradualmente. La perturbación entre los pequeños agujeros y el flujo del baño de fusión superficial es de 0,8 mm. El más fuerte. Para la soldadura en serie, la longitud del baño fundido aumenta gradualmente, el ancho es mayor cuando el espacio entre puntos es de 0,8 mm y el efecto de precalentamiento es más obvio cuando el espacio entre puntos es de 0,8 mm. El efecto de la fuerza de Marangoni se debilita gradualmente y fluye más líquido metálico a ambos lados del charco fundido. Haga que la distribución del ancho de la masa fundida sea más uniforme. Para la soldadura paralela, el ancho del baño fundido aumenta gradualmente y la longitud es máxima de 0,8 mm, pero no hay efecto de precalentamiento; el reflujo cerca de la superficie causado por la fuerza de Marangoni siempre existe, y el reflujo descendente en el fondo del pequeño agujero desaparece gradualmente; el campo de flujo de la sección transversal no es tan bueno como es fuerte en serie, la perturbación apenas afecta el flujo en ambos lados del baño fundido y el ancho del líquido fundido se distribuye de manera desigual.
Hora de publicación: 12 de octubre de 2023
