En comparación con la tecnología de soldadura tradicional,soldadura láserOfrece ventajas inigualables en precisión, eficiencia, fiabilidad, automatización y otros aspectos de la soldadura. En los últimos años, se ha desarrollado rápidamente en los sectores de la automoción, la energía, la electrónica y otros, y se considera una de las tecnologías de fabricación más prometedoras del siglo XXI.
1. Descripción general del sistema de doble hazsoldadura láser
Doble vigasoldadura láserSe trata de utilizar métodos ópticos para separar el mismo láser en dos haces de luz separados para la soldadura, o utilizar dos tipos diferentes de láseres para combinarlos, como el láser de CO2, el láser Nd:YAG y el láser semiconductor de alta potencia. Todos se pueden combinar. Se propuso principalmente para resolver la adaptabilidad de la soldadura láser a la precisión de ensamblaje, mejorar la estabilidad del proceso de soldadura y mejorar la calidad de la soldadura. Doble hazsoldadura láserPuede ajustar de forma conveniente y flexible el campo de temperatura de soldadura cambiando la relación de energía del haz, el espaciado del haz e incluso el patrón de distribución de energía de los dos haces láser, cambiando el patrón de existencia del orificio y el patrón de flujo del metal líquido en el baño fundido. Proporciona una gama más amplia de procesos de soldadura. No solo tiene las ventajas de gransoldadura láserpenetración, alta velocidad y alta precisión, pero también es adecuado para materiales y uniones que son difíciles de soldar con métodos convencionales.soldadura láser.
Para doble vigasoldadura láserPrimero, analizamos los métodos de implementación del láser de doble haz. La literatura especializada muestra que existen dos formas principales de lograr la soldadura de doble haz: enfoque por transmisión y enfoque por reflexión. Específicamente, una se logra ajustando el ángulo y la separación de dos láseres mediante espejos de enfoque y espejos colimadores. La otra se logra utilizando una fuente láser y luego enfocándola mediante espejos reflectantes, espejos transmisivos y espejos en forma de cuña para obtener haces duales. Para el primer método, existen principalmente tres formas. La primera forma consiste en acoplar dos láseres mediante fibras ópticas y dividirlos en dos haces diferentes bajo el mismo espejo colimador y espejo de enfoque. La segunda consiste en que los dos láseres emitan haces láser a través de sus respectivos cabezales de soldadura, y se forme un haz doble ajustando la posición espacial de los cabezales de soldadura. El tercer método consiste en que el haz láser se divida primero a través de dos espejos 1 y 2, y luego se enfoque mediante dos espejos de enfoque 3 y 4 respectivamente. La posición y la distancia entre los dos puntos focales se pueden ajustar modificando los ángulos de los espejos de enfoque 3 y 4. El segundo método consiste en utilizar un láser de estado sólido para dividir la luz y obtener dos haces, ajustando el ángulo y la separación mediante un espejo de perspectiva y un espejo de enfoque. Las dos últimas imágenes de la primera fila muestran el sistema espectroscópico de un láser de CO2. El espejo plano se sustituye por un espejo en forma de cuña, colocado delante del espejo de enfoque para dividir la luz y obtener dos haces paralelos.
Después de comprender la implementación de vigas dobles, introduzcamos brevemente los principios y métodos de soldadura. En la viga doblesoldadura láserEn el proceso, existen tres disposiciones comunes de haces, a saber, 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, según las diferentes formas de pequeños agujeros y baños fundidos que aparecen bajo diferentes espaciamientos de puntos durante el proceso de soldadura en serie, se pueden dividir aún más en fusiones individuales. Hay tres estados: baño, baño fundido común y baño fundido separado. Las características del baño fundido individual y del baño fundido separado son similares a las de un solosoldadura láser, como se muestra en el diagrama de simulación numérica. Hay diferentes efectos de proceso para diferentes tipos.
Tipo 1: Bajo una determinada separación entre puntos, dos haces de luz forman un gran orificio común en el mismo baño de fusión; para el tipo 1, se informa que un haz de luz se utiliza para crear un pequeño orificio y el otro haz de luz se utiliza para el tratamiento térmico de soldadura, lo que puede mejorar eficazmente las propiedades estructurales del acero con alto contenido de carbono y del acero aleado.
Tipo 2: Aumenta la distancia entre los puntos en el mismo baño de fusión, separa los dos haces en dos orificios independientes y cambia el patrón de flujo del baño de fusión; para el tipo 2, su función es equivalente a la soldadura por dos haces de electrones, lo que reduce las salpicaduras de soldadura y las soldaduras irregulares a la distancia focal adecuada.
Tipo 3: Aumentar aún más la distancia entre los puntos de soldadura y modificar la relación de energía de los dos haces, de manera que uno de ellos se utilice como fuente de calor para realizar el pre-soldadura o el post-soldadura durante el proceso, y el otro para generar pequeños orificios. En el tipo 3, el estudio reveló que los dos haces forman un orificio en forma de ojo de cerradura, lo que dificulta el colapso de la soldadura y reduce la formación de poros.
2. La influencia del proceso de soldadura en la calidad de la soldadura
Efecto de la relación de energía del haz en serie sobre la formación de la costura 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 láser oscile más seriamente durante el proceso de soldadura, y la presión de retroceso del vapor hace que la eyección y salpicadura del metal fundido en el baño de fusión; el aporte excesivo de calor hace que la profundidad de penetración del baño de fusión en el lado de la aleación de aluminio sea demasiado grande, lo que causa una depresión por la acción de la gravedad. Cuando RS=0,67 y 1,50, el patrón de escamas de pez en la superficie de soldadura es uniforme, la forma de soldadura es más hermosa y no hay grietas calientes de soldadura visibles, poros y otros defectos de soldadura en la superficie de soldadura. Las formas de sección transversal de las soldaduras con diferentes relaciones de energía del haz RS se muestran como en la figura. La sección transversal de las soldaduras tiene una forma típica 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 micras. 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 de energía del haz paralelo en la formación de la costura 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 con 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 doble haz en seriesoldadura láserLa superficie de soldadura utilizando haces dobles paralelos 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 depresión; sin embargo, cuando la relación de energía del haz aumenta aún más (RS=1.50, 2.00), pero 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 es "en 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 observan defectos de soldadura evidentes. Esto demuestra que la relación de energía del haz durante la soldadura láser de doble haz paralelo también tiene un impacto importante en la penetración y los defectos de soldadura.
Viga paralela: el efecto del espaciado de las vigas en la formación de la costura 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 que muestra 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 pez de la soldadura es regular y hermoso, y hay poros, grietas u otros defectos visibles. Por lo tanto, bajo las cuatro condiciones de espaciado del haz, la superficie de soldadura está bien formada. Además, cuando d=2 mm, se forman dos soldaduras diferentes, lo que muestra que los dos haces láser paralelos ya no actúan sobre un baño de fusión, y no pueden formar una soldadura híbrida láser de doble haz efectiva. Cuando la separación entre haces es de 0,5 mm, la soldadura tiene forma de embudo, la profundidad de penetración P2 en el lado de la aleación de aluminio es de 712,9 micras y no presenta grietas, poros ni otros defectos. A medida que la separación entre haces aumenta, la profundidad de penetración P2 disminuye significativamente. Con una separación de 1 mm, la profundidad de penetración es de tan solo 94,2 micras. Si la separación aumenta aún más, la soldadura no alcanza una penetración efectiva en el lado de la aleación de aluminio. Por lo tanto, con una separación de 0,5 mm, el efecto de recombinación de doble haz es óptimo. A medida que aumenta la separación, el aporte térmico de la soldadura disminuye drásticamente y el efecto de recombinación láser de doble haz se deteriora gradualmente.
La diferencia en la morfología de la soldadura se debe al diferente flujo y solidificación por enfriamiento del baño de fusión durante el proceso de soldadura. El método de simulación numérica no solo puede hacer que el análisis de tensiones del baño de fusión sea más intuitivo, sino que también reduce el costo experimental. La imagen a continuación muestra los cambios en el baño de fusión lateral con un solo haz, diferentes disposiciones y espaciamiento de puntos. Las principales conclusiones incluyen: (1) Durante el haz únicosoldadura láserEn el proceso, la profundidad del agujero del baño de fusión es la más profunda, hay un fenómeno de colapso del agujero, la pared del agujero es irregular y la distribución del campo de flujo cerca de la pared del agujero es desigual; cerca de la superficie posterior del baño de fusión, el reflujo es fuerte y hay un reflujo ascendente en el fondo del baño de fusión; la distribución del campo de flujo de la superficie del baño de fusión es relativamente uniforme y lenta, y el ancho del baño de fusión es desigual a lo largo de la dirección de la profundidad. Hay una perturbación causada por la presión de retroceso de la pared en el baño de fusión entre los pequeños agujeros en el haz doble.soldadura lásery siempre existe a lo largo de la dirección de profundidad de los pequeños agujeros. A medida que la distancia entre los dos haces continúa aumentando, la densidad de energía del haz transita gradualmente de un pico único a un estado de doble pico. Hay un valor mínimo entre los dos picos, y la densidad de energía disminuye gradualmente. (2) Para doble hazsoldadura láserCuando el espaciado entre puntos es de 0 a 0,5 mm, la profundidad de los pequeños orificios del baño de fusión disminuye ligeramente y el comportamiento general del flujo del baño de fusión es similar al de un solo haz.soldadura láser; cuando el espaciado del punto es superior a 1 mm, los pequeños orificios están completamente separados, y durante el proceso de soldadura hay casi ninguna interacción entre los dos láseres, lo que es equivalente a dos soldaduras láser de haz único consecutivas/dos paralelas con una potencia de 1750 W. Hay casi ningún efecto de precalentamiento, y el comportamiento del flujo del baño fundido es similar al de la soldadura láser de haz único. (3) Cuando el espaciado del punto es de 0,5-1 mm, la superficie de la pared de los pequeños orificios es más plana en las dos disposiciones, la profundidad de los pequeños orificios disminuye gradualmente y el fondo se separa gradualmente. La perturbación entre los pequeños orificios y el flujo del baño fundido superficial es más fuerte a 0,8 mm. Para la soldadura en serie, la longitud del baño fundido aumenta gradualmente, el ancho es mayor cuando el espaciado del punto es de 0,8 mm, y el efecto de precalentamiento es más evidente cuando el espaciado del punto es de 0,8 mm. El efecto de la fuerza de Marangoni se debilita gradualmente, y fluye más metal líquido a ambos lados del baño fundido. Hacer que la distribución del ancho del fundido sea más uniforme. Para la soldadura paralela, el ancho del baño de fusión aumenta gradualmente y la longitud es máxima en 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 hacia abajo en el fondo del pequeño orificio desaparece gradualmente; el campo de flujo de sección transversal no es tan bueno como es fuerte en serie, la perturbación apenas afecta el flujo en ambos lados del baño de fusión y el ancho del fundido está distribuido de manera desigual.
Fecha de publicación: 12 de octubre de 2023
