Se propone el método de soldadura de doble haz, principalmente para solucionar la adaptabilidad desoldadura láserpara la precisión del ensamblaje, mejorar la estabilidad del proceso de soldadura y mejorar la calidad de la soldadura, especialmente para la soldadura de placas delgadas y la soldadura de aleaciones de aluminio. La soldadura láser de doble haz puede utilizar métodos ópticos para separar el mismo láser en dos haces de luz separados para soldar. También puede utilizar dos tipos diferentes de láseres para combinar: láser de CO2, láser Nd:YAG y láser semiconductor de alta potencia. se puede combinar. Al cambiar la energía del haz, el espaciado de los haces e incluso el patrón de distribución de energía de los dos haces, el campo de temperatura de soldadura se puede ajustar de manera conveniente y flexible, cambiando el patrón de existencia de los orificios y el patrón de flujo del metal líquido en el baño fundido. , proporcionando una mejor solución para el proceso de soldadura. El amplio espacio de elección no tiene comparación con la soldadura láser de haz único. No solo tiene las ventajas de una gran penetración de soldadura láser, alta velocidad y alta precisión, sino que también tiene una gran adaptabilidad a materiales y uniones que son difíciles de soldar con soldadura láser convencional.
Principio desoldadura láser de doble haz
La soldadura de doble haz significa utilizar dos rayos láser al mismo tiempo durante el proceso de soldadura. La disposición de los haces, la distancia entre ellos, el ángulo entre los dos haces, la posición de enfoque y la relación de energía de los dos haces son ajustes relevantes en la soldadura láser de doble haz. parámetro. Normalmente, durante el proceso de soldadura, generalmente existen dos formas de disponer las vigas dobles. Como se muestra en la figura, uno está dispuesto en serie a lo largo de la dirección de soldadura. Esta disposición puede reducir la velocidad de enfriamiento del baño fundido. Reduce la tendencia a la templabilidad de la soldadura y la generación de poros. La otra es disponerlos uno al lado del otro o transversalmente a ambos lados de la soldadura para mejorar la adaptabilidad al espacio de soldadura.
Principio de soldadura láser de doble haz
La soldadura de doble haz significa utilizar dos rayos láser al mismo tiempo durante el proceso de soldadura. La disposición de los haces, la distancia entre ellos, el ángulo entre los dos haces, la posición de enfoque y la relación de energía de los dos haces son ajustes relevantes en la soldadura láser de doble haz. parámetro. Normalmente, durante el proceso de soldadura, generalmente existen dos formas de disponer las vigas dobles. Como se muestra en la figura, uno está dispuesto en serie a lo largo de la dirección de soldadura. Esta disposición puede reducir la velocidad de enfriamiento del baño fundido. Reduce la tendencia a la templabilidad de la soldadura y la generación de poros. La otra es disponerlos uno al lado del otro o transversalmente a ambos lados de la soldadura para mejorar la adaptabilidad al espacio de soldadura.
Para un sistema de soldadura láser de doble haz dispuesto en tándem, existen tres mecanismos de soldadura diferentes dependiendo de la distancia entre las vigas delantera y trasera, como se muestra en la siguiente figura.
1. En el primer tipo de mecanismo de soldadura, la distancia entre los dos haces de luz es relativamente grande. Un haz de luz tiene una mayor densidad de energía y se enfoca en la superficie de la pieza de trabajo para producir agujeros en la soldadura; el otro haz de luz tiene una densidad de energía menor. Se utiliza únicamente como fuente de calor para tratamientos térmicos previos o posteriores a la soldadura. Con este mecanismo de soldadura, la velocidad de enfriamiento del baño de soldadura se puede controlar dentro de un cierto rango, lo que es beneficioso para soldar algunos materiales con alta sensibilidad a las grietas, como acero con alto contenido de carbono, acero aleado, etc., y también puede mejorar la tenacidad. de la soldadura.
2. En el segundo tipo de mecanismo de soldadura, la distancia de enfoque entre los dos haces de luz es relativamente pequeña. Los dos haces de luz producen dos orificios independientes en un baño de soldadura, lo que cambia el patrón de flujo del metal líquido y ayuda a prevenir el agarrotamiento. Puede eliminar la aparición de defectos como bordes y abultamientos del cordón de soldadura y mejorar la formación de la soldadura.
3. En el tercer tipo de mecanismo de soldadura, la distancia entre los dos haces de luz es muy pequeña. En este momento, los dos haces de luz producen el mismo ojo de cerradura en el baño de soldadura. En comparación con la soldadura láser de un solo haz, debido a que el tamaño del ojo de la cerradura se vuelve más grande y no es fácil de cerrar, el proceso de soldadura es más estable y el gas es más fácil de descargar, lo que es beneficioso para reducir los poros y las salpicaduras, y obtener un proceso continuo, uniforme y hermosas soldaduras.
Durante el proceso de soldadura, los dos rayos láser también se pueden colocar en un ángulo determinado entre sí. El mecanismo de soldadura es similar al mecanismo de soldadura de doble haz paralelo. Los resultados de las pruebas muestran que al utilizar dos OO de alta potencia con un ángulo de 30° entre sí y una distancia de 1 a 2 mm, el rayo láser puede obtener un ojo de cerradura en forma de embudo. El tamaño del ojo de cerradura es más grande y más estable, lo que puede mejorar efectivamente la calidad de la soldadura. En aplicaciones prácticas, la combinación mutua de los dos haces de luz se puede cambiar según diferentes condiciones de soldadura para lograr diferentes procesos de soldadura.
6. Método de implementación de la soldadura láser de doble haz.
La adquisición de haces dobles se puede obtener combinando dos haces láser diferentes, o se puede dividir un haz láser en dos haces láser para soldar usando un sistema de espectrometría óptica. Para dividir un haz de luz en dos rayos láser paralelos de diferentes potencias, se puede utilizar un espectroscopio o algún sistema óptico especial. La imagen muestra dos diagramas esquemáticos de los principios de división de la luz utilizando espejos de enfoque como divisores de haz.
Además, también se puede utilizar un reflector como divisor de haz y el último reflector en el camino óptico como divisor de haz. Este tipo de reflector también se denomina reflector de techo. Su superficie reflectante no es una superficie plana, sino que consta de dos planos. La línea de intersección de las dos superficies reflectantes se encuentra en el centro de la superficie del espejo, similar a la cumbrera de un techo, como se muestra en la figura. Un haz de luz paralelo brilla sobre el espectroscopio, se refleja en dos planos en diferentes ángulos para formar dos haces de luz e brilla en diferentes posiciones del espejo de enfoque. Después del enfoque, se obtienen dos haces de luz a cierta distancia sobre la superficie de la pieza de trabajo. Cambiando el ángulo entre las dos superficies reflectantes y la posición del techo, se pueden obtener haces de luz divididos con diferentes distancias de enfoque y disposiciones.
Cuando se utilizan dos tipos diferentes derayos láser tPara formar una doble viga, existen muchas combinaciones. Se puede utilizar un láser de CO2 de alta calidad con una distribución de energía gaussiana para el trabajo de soldadura principal, y un láser semiconductor con una distribución de energía rectangular para ayudar en el trabajo de tratamiento térmico. Por un lado, esta combinación es más económica. Por otro lado, la potencia de los dos haces de luz se puede regular de forma independiente. Para diferentes formas de unión, se puede obtener un campo de temperatura ajustable ajustando la posición de superposición del láser y el láser semiconductor, lo cual es muy adecuado para soldar. Control de procesos. Además, el láser YAG y el láser de CO2 también se pueden combinar en un haz doble para soldar, el láser continuo y el láser de pulso se pueden combinar para soldar, y el haz enfocado y el haz desenfocado también se pueden combinar para soldar.
7. Principio de la soldadura láser de doble haz.
3.1 Soldadura láser de doble haz de chapa galvanizada
La chapa de acero galvanizada es el material más utilizado en la industria del automóvil. El punto de fusión del acero es de unos 1500°C, mientras que el punto de ebullición del zinc es de sólo 906°C. Por lo tanto, cuando se utiliza el método de soldadura por fusión, generalmente se genera una gran cantidad de vapor de zinc, lo que hace que el proceso de soldadura sea inestable. , formando poros en la soldadura. Para juntas traslapadas, la volatilización de la capa galvanizada no sólo ocurre en las superficies superior e inferior, sino que también ocurre en la superficie de la junta. Durante el proceso de soldadura, el vapor de zinc se expulsa rápidamente de la superficie del baño fundido en algunas áreas, mientras que en otras áreas es difícil que el vapor de zinc escape del baño fundido. En la superficie de la piscina, la calidad de la soldadura es muy inestable.
La soldadura láser de doble haz puede resolver los problemas de calidad de la soldadura causados por el vapor de zinc. Un método consiste en controlar el tiempo de existencia y la velocidad de enfriamiento del baño fundido haciendo coincidir razonablemente la energía de los dos haces para facilitar el escape del vapor de zinc; el otro método es liberar vapor de zinc mediante punzonado previo o ranurado. Como se muestra en la Figura 6-31, el láser de CO2 se utiliza para soldar. El láser YAG está delante del láser de CO2 y se utiliza para perforar agujeros o cortar ranuras. Los orificios o ranuras preprocesados proporcionan una vía de escape para el vapor de zinc generado durante la soldadura posterior, evitando que permanezca en el baño fundido y forme defectos.
3.2 Soldadura láser de doble haz de aleación de aluminio.
Debido a las características especiales de rendimiento de los materiales de aleación de aluminio, existen las siguientes dificultades al utilizar la soldadura láser [39]: la aleación de aluminio tiene una baja tasa de absorción del láser y la reflectividad inicial de la superficie del rayo láser de CO2 supera el 90%; las costuras de soldadura láser de aleación de aluminio son fáciles de producir Porosidad, grietas; quema de elementos de aleación durante la soldadura, etc. Cuando se utiliza soldadura por láser simple, es difícil establecer el ojo de la cerradura y mantener la estabilidad. La soldadura láser de doble haz puede aumentar el tamaño del ojo de la cerradura, dificultando su cierre, lo que favorece la descarga de gas. También puede reducir la velocidad de enfriamiento y reducir la aparición de poros y grietas de soldadura. Dado que el proceso de soldadura es más estable y se reduce la cantidad de salpicaduras, la forma de la superficie de soldadura obtenida mediante la soldadura de doble haz de aleaciones de aluminio también es significativamente mejor que la de la soldadura de un solo haz. La Figura 6-32 muestra la apariencia de la costura de soldadura de una soldadura a tope de aleación de aluminio de 3 mm de espesor utilizando soldadura láser de haz único de CO2 y soldadura láser de haz doble.
Las investigaciones muestran que cuando se suelda una aleación de aluminio de la serie 5000 de 2 mm de espesor, cuando la distancia entre las dos vigas es de 0,6 ~ 1,0 mm, el proceso de soldadura es relativamente estable y la abertura del ojo de cerradura formada es más grande, lo que favorece la evaporación y el escape de magnesio durante el proceso de soldadura. Si la distancia entre las dos vigas es demasiado pequeña, el proceso de soldadura de una sola viga no será estable. Si la distancia es demasiado grande, la penetración de la soldadura se verá afectada, como se muestra en la Figura 6-33. Además, la relación de energía de los dos haces también tiene un gran impacto en la calidad de la soldadura. Cuando los dos haces con una separación de 0,9 mm se disponen en serie para soldar, la energía del haz anterior debe aumentarse adecuadamente de modo que la relación de energía de los dos haces antes y después sea mayor que 1:1. Es útil mejorar la calidad de la costura de soldadura, aumentar el área de fusión y aún obtener una costura de soldadura suave y hermosa cuando la velocidad de soldadura es alta.
3.3 Soldadura por doble haz de placas de espesor desigual
En la producción industrial, a menudo es necesario soldar dos o más placas metálicas de diferentes espesores y formas para formar una placa empalmada. Especialmente en la producción de automóviles, la aplicación de piezas en bruto soldadas a medida está cada vez más extendida. Al soldar placas con diferentes especificaciones, revestimientos superficiales o propiedades, se puede aumentar la resistencia, reducir los consumibles y reducir la calidad. En la soldadura de paneles se suele utilizar la soldadura por láser de placas de diferentes espesores. Un problema importante es que las placas a soldar deben preformarse con bordes de alta precisión y garantizar un montaje de alta precisión. El uso de soldadura de doble haz de placas de espesor desigual puede adaptarse a diferentes cambios en los espacios de las placas, las juntas a tope, los espesores relativos y los materiales de las placas. Puede soldar placas con mayores tolerancias de bordes y espacios y mejorar la velocidad y la calidad de la soldadura.
Los principales parámetros del proceso de soldadura de placas de espesor desigual de Shuangguangdong se pueden dividir en parámetros de soldadura y parámetros de placa, como se muestra en la figura. Los parámetros de soldadura incluyen la potencia de los dos rayos láser, la velocidad de soldadura, la posición del enfoque, el ángulo del cabezal de soldadura, el ángulo de rotación del haz de la junta a tope de doble haz y la compensación de soldadura, etc. Los parámetros de la placa incluyen el tamaño del material, el rendimiento, las condiciones de recorte y los espacios entre las placas. , etc. La potencia de los dos rayos láser se puede ajustar por separado según los diferentes propósitos de soldadura. La posición de enfoque generalmente se ubica en la superficie de la placa delgada para lograr un proceso de soldadura estable y eficiente. El ángulo del cabezal de soldadura generalmente se selecciona alrededor de 6. Si el espesor de las dos placas es relativamente grande, se puede usar un ángulo del cabezal de soldadura positivo, es decir, el láser se inclina hacia la placa delgada, como se muestra en la imagen; cuando el espesor de la placa es relativamente pequeño, se puede utilizar un ángulo negativo del cabezal de soldadura. El offset de soldadura se define como la distancia entre el foco del láser y el borde de la placa gruesa. Al ajustar la compensación de soldadura, se puede reducir la cantidad de mella de soldadura y se puede obtener una buena sección transversal de soldadura.
Al soldar placas con espacios grandes, puede aumentar el diámetro efectivo de calentamiento del haz girando el ángulo doble del haz para obtener buenas capacidades de llenado de espacios. El ancho de la parte superior de la soldadura está determinado por el diámetro efectivo del haz de los dos rayos láser, es decir, el ángulo de rotación del haz. Cuanto mayor sea el ángulo de rotación, mayor será el rango de calentamiento del doble haz y mayor será el ancho de la parte superior de la soldadura. Los dos rayos láser desempeñan funciones diferentes en el proceso de soldadura. Uno se usa principalmente para penetrar la costura, mientras que el otro se usa principalmente para fundir el material de la placa gruesa para llenar el espacio. Como se muestra en la Figura 6-35, bajo un ángulo de rotación del haz positivo (el haz frontal actúa sobre la placa gruesa, el haz trasero actúa sobre la soldadura), el haz frontal incide sobre la placa gruesa para calentar y fundir el material, y el siguiente El rayo láser crea penetración. El primer rayo láser en la parte frontal sólo puede fundir parcialmente la placa gruesa, pero contribuye en gran medida al proceso de soldadura, ya que no sólo funde el lado de la placa gruesa para rellenar mejor los huecos, sino que también une previamente el material de la junta para que las siguientes vigas Es más fácil soldar a través de juntas, lo que permite una soldadura más rápida. En la soldadura de doble haz con ángulo de rotación negativo (el haz delantero actúa sobre la soldadura y el haz trasero actúa sobre la placa gruesa), los dos haces tienen exactamente el efecto contrario. La primera viga funde la junta y la segunda funde la placa gruesa para rellenarla. brecha. En este caso, se requiere que la viga frontal suelde a través de la placa fría y la velocidad de soldadura es más lenta que si se utiliza un ángulo de rotación de la viga positivo. Y debido al efecto de precalentamiento de la viga anterior, la última viga fundirá más material de placa gruesa con la misma potencia. En este caso se debería reducir correspondientemente la potencia de este último rayo láser. En comparación, usar un ángulo de rotación del haz positivo puede aumentar adecuadamente la velocidad de soldadura, y usar un ángulo de rotación del haz negativo puede lograr un mejor llenado de espacios. La Figura 6-36 muestra la influencia de diferentes ángulos de rotación del haz en la sección transversal de la soldadura.
3.4 Soldadura láser de doble haz de placas de gran espesor Con la mejora del nivel de potencia del láser y la calidad del haz, la soldadura láser de placas de gran espesor se ha convertido en una realidad. Sin embargo, debido a que los láseres de alta potencia son costosos y la soldadura de placas grandes y gruesas generalmente requiere metal de aportación, existen ciertas limitaciones en la producción real. El uso de la tecnología de soldadura láser de doble haz no solo puede aumentar la potencia del láser, sino también aumentar el diámetro efectivo de calentamiento del haz, aumentar la capacidad de fundir el alambre de relleno, estabilizar el ojo de la cerradura del láser, mejorar la estabilidad de la soldadura y mejorar la calidad de la soldadura.
Hora de publicación: 29 de abril de 2024
