Im Vergleich zur herkömmlichen SchweißtechnikLaserschweißenbietet beispiellose Vorteile in Bezug auf Schweißgenauigkeit, Effizienz, Zuverlässigkeit, Automatisierung und andere Aspekte. In den letzten Jahren hat sie sich in den Bereichen Automobil, Energie, Elektronik und anderen Bereichen rasant weiterentwickelt und gilt als eine der vielversprechendsten Fertigungstechnologien des 21. Jahrhunderts.
1. Übersicht über den DoppelbalkenLaserschweißen
DoppelstrahlLaserschweißenbesteht darin, mithilfe optischer Methoden denselben Laser zum Schweißen in zwei separate Lichtstrahlen aufzuteilen oder zwei verschiedene Lasertypen zu kombinieren, z. B. CO2-Laser, Nd:YAG-Laser und Hochleistungshalbleiterlaser. Alles ist kombinierbar. Es wurde hauptsächlich vorgeschlagen, die Anpassungsfähigkeit des Laserschweißens an die Montagegenauigkeit zu lösen, die Stabilität des Schweißprozesses zu verbessern und die Qualität der Schweißnaht zu verbessern. DoppelstrahlLaserschweißenSie können das Schweißtemperaturfeld bequem und flexibel anpassen, indem Sie das Strahlenergieverhältnis, den Strahlabstand und sogar das Energieverteilungsmuster der beiden Laserstrahlen ändern und so das Existenzmuster des Schlüssellochs und das Fließmuster des flüssigen Metalls im Schmelzbad ändern. Bietet eine größere Auswahl an Schweißverfahren. Es hat nicht nur die Vorteile von großLaserschweißenEindringtiefe, hohe Geschwindigkeit und hohe Präzision, eignet sich aber auch für Materialien und Verbindungen, die mit herkömmlichen Verfahren schwer zu schweißen sindLaserschweißen.
Für DoppelbalkenLaserschweißen, diskutieren wir zunächst die Implementierungsmethoden des Doppelstrahllasers. Umfangreiche Literatur zeigt, dass es zwei Hauptwege zum Doppelstrahlschweißen gibt: Transmissionsfokussierung und Reflexionsfokussierung. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass der Winkel und der Abstand zweier Laser durch Fokussierungsspiegel und Kollimationsspiegel angepasst werden. Das andere wird durch die Verwendung einer Laserquelle und die anschließende Fokussierung durch reflektierende Spiegel, durchlässige Spiegel und keilförmige Spiegel erreicht, um Doppelstrahlen zu erzielen. Für die erste Methode gibt es hauptsächlich drei Formen. Die erste Form besteht darin, zwei Laser über optische Fasern zu koppeln und sie unter demselben Kollimationsspiegel und Fokussierungsspiegel in zwei verschiedene Strahlen aufzuteilen. Die zweite besteht darin, dass zwei Laser Laserstrahlen durch ihre jeweiligen Schweißköpfe aussenden und durch Anpassen der räumlichen Position der Schweißköpfe ein Doppelstrahl gebildet wird. Die dritte Methode besteht darin, dass der Laserstrahl zunächst durch zwei Spiegel 1 und 2 geteilt und dann durch zwei Fokussierspiegel 3 bzw. 4 fokussiert wird. Die Position und der Abstand zwischen den beiden Brennflecken können durch Anpassen der Winkel der beiden Fokussierspiegel 3 und 4 angepasst werden. Die zweite Methode besteht darin, das Licht mit einem Festkörperlaser zu teilen, um Doppelstrahlen zu erzielen, und den Winkel anzupassen Abstand durch einen Perspektivspiegel und einen Fokussierspiegel. Die letzten beiden Bilder in der ersten Reihe unten zeigen das spektroskopische System eines CO2-Lasers. Der flache Spiegel wird durch einen keilförmigen Spiegel ersetzt und vor dem Fokussierspiegel platziert, um das Licht zu teilen und ein paralleles Doppelstrahllicht zu erzielen.
Nachdem wir die Implementierung von Doppelträgern verstanden haben, stellen wir kurz die Schweißprinzipien und -methoden vor. Im DoppelbalkenLaserschweißenIm Prozess gibt es drei übliche Strahlanordnungen, nämlich serielle Anordnung, parallele Anordnung und hybride Anordnung. Stoff, das heißt, es gibt einen Abstand sowohl in der Schweißrichtung als auch in der vertikalen Schweißrichtung. Wie in der letzten Reihe der Abbildung dargestellt, können kleine Löcher und Schmelzbäder entsprechend den unterschiedlichen Formen, die während des Serienschweißprozesses bei unterschiedlichen Punktabständen auftreten, weiter in einzelne Schmelzen unterteilt werden. Es gibt drei Zustände: Becken, gemeinsames Schmelzbecken und getrenntes Schmelzbecken. Die Eigenschaften eines einzelnen Schmelzbades und eines getrennten Schmelzbades ähneln denen eines einzelnen SchmelzbadesLaserschweißen, wie im numerischen Simulationsdiagramm dargestellt. Für verschiedene Typen gibt es unterschiedliche Prozesseffekte.
Typ 1: Bei einem bestimmten Punktabstand bilden zwei Strahlschlüssellöcher ein gemeinsames großes Schlüsselloch im selben Schmelzbad; Für Typ 1 wird berichtet, dass ein Lichtstrahl zum Erzeugen eines kleinen Lochs und der andere Lichtstrahl zur Schweißwärmebehandlung verwendet wird, wodurch die strukturellen Eigenschaften von Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt und legiertem Stahl effektiv verbessert werden können.
Typ 2: Erhöhen Sie den Punktabstand im gleichen Schmelzbad, trennen Sie die beiden Strahlen in zwei unabhängige Schlüssellöcher und ändern Sie das Strömungsmuster des Schmelzbades. Bei Typ 2 entspricht seine Funktion dem Zwei-Elektronenstrahl-Schweißen. Reduziert Schweißspritzer und unregelmäßige Schweißnähte bei der entsprechenden Brennweite.
Typ 3: Erhöhen Sie den Punktabstand weiter und ändern Sie das Energieverhältnis der beiden Strahlen, sodass einer der beiden Strahlen als Wärmequelle für die Vor- oder Nachschweißbearbeitung während des Schweißprozesses und der andere Strahl als Wärmequelle verwendet wird wird verwendet, um kleine Löcher zu erzeugen. Bei Typ 3 ergab die Studie, dass die beiden Balken ein Schlüsselloch bilden, das kleine Loch nicht leicht zusammenbricht und die Schweißnaht nicht leicht Poren erzeugt.
2. Der Einfluss des Schweißprozesses auf die Schweißqualität
Einfluss des seriellen Strahl-Energie-Verhältnisses auf die Schweißnahtbildung
Wenn die Laserleistung 2 kW beträgt, die Schweißgeschwindigkeit 45 mm/s beträgt, der Defokusbetrag 0 mm beträgt und der Strahlabstand 3 mm beträgt, beträgt die Form der Schweißoberfläche bei Änderung von RS (RS = 0,50, 0,67, 1,50, 2,00). in der Abbildung dargestellt. Bei RS = 0,50 und 2,00 ist die Schweißnaht stärker verbeult und es bilden sich mehr Spritzer am Rand der Schweißnaht, ohne dass sich regelmäßige Fischschuppenmuster bilden. Denn wenn das Strahlenergieverhältnis zu klein oder zu groß ist, ist die Laserenergie zu konzentriert, was dazu führt, dass die Laserlochblende während des Schweißvorgangs stärker schwingt und der Rückstoßdruck des Dampfes zum Ausstoßen und Spritzen der Schmelze führt Poolmetall im geschmolzenen Pool; Eine zu hohe Wärmezufuhr führt dazu, dass die Eindringtiefe des Schmelzbades auf der Seite der Aluminiumlegierung zu groß wird und es zu einem Tiefdruck unter der Wirkung der Schwerkraft kommt. Bei RS=0,67 und 1,50 ist das Fischschuppenmuster auf der Schweißoberfläche gleichmäßig, die Schweißnahtform ist schöner und es sind keine sichtbaren Schweißrisse, Poren und andere Schweißfehler auf der Schweißoberfläche vorhanden. Die Querschnittsformen der Schweißnähte mit unterschiedlichen Strahlenergieverhältnissen RS sind in der Abbildung dargestellt. Der Querschnitt der Schweißnähte weist eine typische „Weinglasform“ auf, was darauf hindeutet, dass der Schweißprozess im Laser-Tiefschweißmodus durchgeführt wird. RS hat einen wichtigen Einfluss auf die Eindringtiefe P2 der Schweißnaht auf der Seite der Aluminiumlegierung. Wenn das Strahlenergieverhältnis RS = 0,5 ist, beträgt P2 1203,2 Mikrometer. Wenn das Strahlenergieverhältnis RS = 0,67 und 1,5 beträgt, wird P2 deutlich reduziert, nämlich 403,3 Mikrometer bzw. 93,6 Mikrometer. Bei einem Strahlenergieverhältnis von RS=2 beträgt die Schweißeindringtiefe des Verbindungsquerschnitts 1151,6 Mikrometer.
Einfluss des Parallelstrahl-Energieverhältnisses auf die Schweißnahtbildung
Wenn die Laserleistung 2,8 kW beträgt, die Schweißgeschwindigkeit 33 mm/s beträgt, der Defokusbetrag 0 mm beträgt und der Strahlabstand 1 mm beträgt, wird die Schweißoberfläche durch Ändern des Strahlenergieverhältnisses (RS=0,25, 0,5, 0,67, 1,5) erhalten , 2, 4) Das Erscheinungsbild ist in der Abbildung dargestellt. Bei RS=2 ist das Fischschuppenmuster auf der Oberfläche der Schweißnaht relativ unregelmäßig. Die durch die anderen fünf verschiedenen Strahlenergieverhältnisse erhaltene Oberfläche der Schweißnaht ist gut geformt und weist keine sichtbaren Defekte wie Poren und Spritzer auf. Daher im Vergleich zum seriellen Dual-BeamLaserschweißen, ist die Schweißoberfläche bei Verwendung paralleler Doppelstrahlen gleichmäßiger und schöner. Bei RS=0,25 gibt es eine leichte Vertiefung in der Schweißnaht; Wenn das Strahlenergieverhältnis allmählich zunimmt (RS=0,5, 0,67 und 1,5), ist die Oberfläche der Schweißnaht gleichmäßig und es bilden sich keine Vertiefungen. Wenn jedoch das Strahlenergieverhältnis weiter ansteigt (RS=1,50, 2,00), entstehen auf der Oberfläche der Schweißnaht Vertiefungen. Wenn das Strahlenergieverhältnis RS = 0,25, 1,5 und 2 ist, ist die Querschnittsform der Schweißnaht „weinglasförmig“; Bei RS=0,50, 0,67 und 1 ist die Querschnittsform der Schweißnaht „trichterförmig“. Bei RS=4 entstehen nicht nur Risse am unteren Ende der Schweißnaht, sondern auch einige Poren im mittleren und unteren Teil der Schweißnaht. Bei RS=2 treten große Prozessporen in der Schweißnaht auf, aber keine Risse. Bei RS=0,5, 0,67 und 1,5 ist die Eindringtiefe P2 der Schweißnaht auf der Seite der Aluminiumlegierung kleiner und der Querschnitt der Schweißnaht ist gut geformt und es entstehen keine offensichtlichen Schweißfehler. Diese zeigen, dass das Strahlenergieverhältnis beim parallelen Zweistrahl-Laserschweißen auch einen wichtigen Einfluss auf die Einschweißtiefe und Schweißfehler hat.
Parallelstrahl – der Einfluss des Strahlabstands auf die Schweißnahtbildung
Wenn die Laserleistung 2,8 kW beträgt, die Schweißgeschwindigkeit 33 mm/s beträgt, der Defokusbetrag 0 mm beträgt und das Strahlenergieverhältnis RS = 0,67 ist, ändern Sie den Strahlabstand (d = 0,5 mm, 1 mm, 1,5 mm, 2 mm), um zu erhalten Die Morphologie der Schweißoberfläche wie im Bild dargestellt. Wenn d = 0,5 mm, 1 mm, 1,5 mm, 2 mm, ist die Oberfläche der Schweißnaht glatt und flach und die Form ist schön; Das Fischschuppenmuster der Schweißnaht ist regelmäßig und schön und es gibt keine sichtbaren Poren, Risse und andere Mängel. Daher ist die Schweißoberfläche unter den vier Strahlabstandsbedingungen gut geformt. Darüber hinaus entstehen bei d = 2 mm zwei unterschiedliche Schweißnähte, was zeigt, dass die beiden parallelen Laserstrahlen nicht mehr auf ein Schmelzbad einwirken und kein effektives Zweistrahl-Laser-Hybridschweißen bilden kann. Bei einem Strahlabstand von 0,5 mm ist die Schweißnaht „trichterförmig“, die Eindringtiefe P2 der Schweißnaht auf der Aluminiumlegierungsseite beträgt 712,9 Mikrometer und es gibt keine Risse, Poren und andere Defekte in der Schweißnaht. Mit zunehmendem Strahlabstand nimmt die Eindringtiefe P2 der Schweißnaht auf der Aluminiumlegierungsseite deutlich ab. Bei einem Strahlabstand von 1 mm beträgt die Eindringtiefe der Schweißnaht auf der Seite der Aluminiumlegierung nur 94,2 Mikrometer. Wenn der Strahlabstand weiter zunimmt, bildet die Schweißnaht keine wirksame Durchdringung auf der Seite der Aluminiumlegierung. Daher ist der Doppelstrahl-Rekombinationseffekt am besten, wenn der Strahlabstand 0,5 mm beträgt. Mit zunehmendem Strahlabstand nimmt der Schweißwärmeeintrag stark ab und der Zweistrahl-Laser-Rekombinationseffekt wird allmählich schlechter.
Der Unterschied in der Schweißnahtmorphologie wird durch die unterschiedliche Strömung und Abkühlungserstarrung des Schmelzbades während des Schweißprozesses verursacht. Die numerische Simulationsmethode kann nicht nur die Spannungsanalyse des Schmelzbades intuitiver gestalten, sondern auch die experimentellen Kosten senken. Das Bild unten zeigt die Veränderungen im seitlichen Schmelzbad mit einem einzelnen Strahl, verschiedenen Anordnungen und Punktabständen. Zu den wichtigsten Schlussfolgerungen gehören: (1) Während des EinzelstrahlsLaserschweißenIm Prozess ist die Tiefe des Schmelzbadlochs am tiefsten, es kommt zum Phänomen des Lochkollapses, die Lochwand ist unregelmäßig und die Strömungsfeldverteilung in der Nähe der Lochwand ist ungleichmäßig; In der Nähe der hinteren Oberfläche des Schmelzbades ist der Rückfluss stark, und am Boden des Schmelzbades kommt es zu einem Rückfluss nach oben. Die Strömungsfeldverteilung des Oberflächenschmelzbads ist relativ gleichmäßig und langsam, und die Breite des Schmelzbads ist entlang der Tiefenrichtung ungleichmäßig. Es kommt zu Störungen, die durch den Wandrückstoßdruck im Schmelzbad zwischen den kleinen Löchern im Doppelbalken verursacht werdenLaserschweißen, und es existiert immer entlang der Tiefenrichtung der kleinen Löcher. Wenn der Abstand zwischen den beiden Strahlen weiter zunimmt, geht die Energiedichte des Strahls allmählich von einem Einzelpeak-Zustand in einen Doppelpeak-Zustand über. Zwischen den beiden Peaks liegt ein Minimalwert und die Energiedichte nimmt allmählich ab. (2) Für DoppelträgerLaserschweißenWenn der Punktabstand 0–0,5 mm beträgt, nimmt die Tiefe der kleinen Löcher im Schmelzbad leicht ab und das Gesamtströmungsverhalten des Schmelzbads ähnelt dem eines EinzelstrahlsLaserschweißen; Wenn der Punktabstand über 1 mm liegt, werden die kleinen Löcher vollständig getrennt und während des Schweißvorgangs gibt es nahezu keine Wechselwirkung zwischen den beiden Lasern, was zwei aufeinanderfolgenden/zwei parallelen Einzelstrahl-Laserschweißungen mit einer Leistung von 1750 W entspricht. Es gibt nahezu keinen Vorwärmeffekt und das Fließverhalten des Schmelzbades ähnelt dem beim Einstrahl-Laserschweißen. (3) Wenn der Punktabstand 0,5–1 mm beträgt, ist die Wandoberfläche der kleinen Löcher in den beiden Anordnungen flacher, die Tiefe der kleinen Löcher nimmt allmählich ab und der Boden trennt sich allmählich. Die Störung zwischen den kleinen Löchern und der Strömung des oberflächlichen Schmelzbades beträgt 0,8 mm. Der Stärkste. Beim Serienschweißen nimmt die Länge des Schmelzbades allmählich zu, die Breite ist am größten, wenn der Punktabstand 0,8 mm beträgt, und der Vorwärmeffekt ist am deutlichsten, wenn der Punktabstand 0,8 mm beträgt. Die Wirkung der Marangoni-Kraft lässt allmählich nach und mehr Metallflüssigkeit fließt zu beiden Seiten des Schmelzbads. Machen Sie die Breitenverteilung der Schmelze gleichmäßiger. Beim Parallelschweißen nimmt die Breite des Schmelzbades allmählich zu und die Länge beträgt maximal 0,8 mm, es gibt jedoch keinen Vorwärmeffekt; Der durch die Marangoni-Kraft verursachte Rückfluss in der Nähe der Oberfläche ist immer vorhanden, und der nach unten gerichtete Rückfluss am Boden des kleinen Lochs verschwindet allmählich. Das Querschnittsströmungsfeld ist nicht so gut wie es in Reihe stark ist, die Störung beeinflusst die Strömung auf beiden Seiten des Schmelzbades kaum und die Schmelzbreite ist ungleichmäßig verteilt.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 12. Okt. 2023
