A kétsugaras hegesztési módszert elsősorban az alkalmazkodóképesség megoldására javasoljáklézeres hegesztésaz összeszerelési pontossághoz, a hegesztési folyamat stabilitásának javításához és a hegesztés minőségének javításához, különösen vékonylemez-hegesztés és alumíniumötvözet-hegesztés esetén. A kétsugaras lézerhegesztés optikai módszereket alkalmazhat arra, hogy ugyanazt a lézert két különálló fénysugárra ossza szét a hegesztéshez. Két különböző típusú lézer kombinálható: CO2 lézer, Nd:YAG lézer és nagy teljesítményű félvezető lézer. A sugárenergia, a sugártávolság és a két sugár energiaeloszlásának változtatásával a hegesztési hőmérsékleti mező kényelmesen és rugalmasan állítható, megváltoztatva a furatok jelenlétének mintázatát és a folyékony fém áramlási mintázatát az olvadékmedencében, ami jobb megoldást kínál a hegesztési folyamathoz. A hatalmas választási lehetőség páratlan az egysugaras lézerhegesztéssel. Nemcsak a nagy lézerhegesztési behatolás, a gyors sebesség és a nagy pontosság előnyeivel rendelkezik, hanem nagyszerűen alkalmazkodik a hagyományos lézerhegesztéssel nehezen hegeszthető anyagokhoz és kötésekhez is.
Az alapelvkétsugaras lézerhegesztés
A kétsugaras hegesztés azt jelenti, hogy két lézersugarat használnak egyszerre a hegesztési folyamat során. A sugarak elrendezése, a sugarak távolsága, a két sugár közötti szög, a fókuszpozíció és a két sugár energiaaránya mind releváns beállítások a kétsugaras lézerhegesztésnél. Normális esetben a hegesztési folyamat során a kettős sugarak elrendezésére általában kétféleképpen van lehetőség. Amint az ábrán látható, az egyik sorban van elrendezve a hegesztési irány mentén. Ez az elrendezés csökkentheti az olvadékfürdő hűlési sebességét. Csökkenti a hegesztés edzhetőségét és a pórusok képződését. A másik az, hogy egymás mellé vagy keresztbe helyezik őket a hegesztési rés mindkét oldalán, hogy javítsák az alkalmazkodóképességüket a hegesztési réshez.
Dupla sugarú lézerhegesztési elv
A kétsugaras hegesztés azt jelenti, hogy két lézersugarat használnak egyszerre a hegesztési folyamat során. A sugarak elrendezése, a sugarak távolsága, a két sugár közötti szög, a fókuszpozíció és a két sugár energiaaránya mind releváns beállítások a kétsugaras lézerhegesztésnél. Normális esetben a hegesztési folyamat során a kettős sugarak elrendezésére általában kétféleképpen van lehetőség. Amint az ábrán látható, az egyik sorban van elrendezve a hegesztési irány mentén. Ez az elrendezés csökkentheti az olvadékfürdő hűlési sebességét. Csökkenti a hegesztés edzhetőségét és a pórusok képződését. A másik az, hogy egymás mellé vagy keresztbe helyezik őket a hegesztési rés mindkét oldalán, hogy javítsák az alkalmazkodóképességüket a hegesztési réshez.
Egy tandem elrendezésű kétsugaras lézerhegesztő rendszer esetében három különböző hegesztési mechanizmus létezik az első és a hátsó sugarak közötti távolságtól függően, ahogy az az alábbi ábrán is látható.
1. Az első típusú hegesztőmechanizmusnál a két fénysugár közötti távolság viszonylag nagy. Az egyik fénysugár nagyobb energiasűrűségű, és a munkadarab felületére fókuszálva lyukakat hoz létre a hegesztésben; a másik fénysugár kisebb energiasűrűségű. Csak hőforrásként használják hegesztés előtti vagy utáni hőkezeléshez. Ennél a hegesztőmechanizmusnál a hegesztőfürdő hűtési sebessége egy bizonyos tartományon belül szabályozható, ami előnyös bizonyos repedésérzékenységű anyagok, például magas széntartalmú acél, ötvözött acél stb. hegesztésekor, és javíthatja a hegesztés szívósságát is.
2. A második típusú hegesztőmechanizmusnál a két fénysugár közötti fókusztávolság viszonylag kicsi. A két fénysugár két független kulcslyukat hoz létre a hegesztőfürdőben, ami megváltoztatja a folyékony fém áramlási mintázatát és segít megelőzni a berágódást. Kiküszöbölheti az olyan hibák előfordulását, mint az élek és a hegesztési varrat kidudorodása, és javíthatja a hegesztés kialakulását.
3. A harmadik típusú hegesztőmechanizmusnál a két fénysugár közötti távolság nagyon kicsi. Ekkor a két fénysugár ugyanazt a kulcslyukat hozza létre a hegesztőfürdőben. Az egysugaras lézerhegesztéshez képest a kulcslyuk mérete nagyobb és nehezebben zárható, így a hegesztési folyamat stabilabb és a gáz könnyebben távozik, ami előnyös a pórusok és a fröccsenés csökkentésében, valamint a folyamatos, egyenletes és szép hegesztési varratok elérésében.
A hegesztési folyamat során a két lézersugár bizonyos szögben is létrehozható egymással. A hegesztőmechanizmus hasonló a párhuzamos duplasugaras hegesztőmechanizmushoz. A teszteredmények azt mutatják, hogy két nagy teljesítményű, egymással 30°-os szöget bezáró és 1~2 mm távolságra lévő lézersugár használatával a lézersugár tölcsér alakú kulcslyukat hozhat létre. A kulcslyuk mérete nagyobb és stabilabb, ami hatékonyan javíthatja a hegesztés minőségét. A gyakorlati alkalmazásokban a két fénysugár kölcsönös kombinációja a különböző hegesztési körülményeknek megfelelően módosítható, így különböző hegesztési folyamatokat lehet elérni.
6. A kétsugaras lézerhegesztés megvalósítási módja
Kettős nyalábok előállításához két különböző lézersugár kombinálható, vagy egy lézersugár két lézersugárra osztható hegesztéshez optikai spektrometriai rendszer segítségével. Egy fénysugár két különböző teljesítményű párhuzamos lézersugárra osztásához spektroszkóp vagy valamilyen speciális optikai rendszer használható. A képen a fényfelosztási elvek két vázlatos ábrája látható, fókuszáló tükrök használatával nyalábosztóként.
Ezenkívül egy reflektor is használható nyalábosztóként, és az optikai út utolsó reflektora is nyalábosztóként használható. Ezt a típusú reflektort tetőtípusú reflektornak is nevezik. Fényvisszaverő felülete nem sík felület, hanem két síkból áll. A két fényvisszaverő felület metszésvonala a tükörfelület közepén található, hasonlóan a tetőgerinchez, ahogy az ábrán is látható. Egy párhuzamos fénysugár esik a spektroszkópra, két különböző szögben elhelyezkedő síkról visszaverődik, így két fénysugarat alkotva, és a fókuszáló tükör különböző pozícióira esik. Fókuszálás után két fénysugarat kapunk a munkadarab felületén egy bizonyos távolságra. A két fényvisszaverő felület közötti szög és a tető helyzetének változtatásával különböző fókusztávolságú és elrendezésű osztott fénysugarak nyerhetők.
Két különböző típusú eszköz használata eseténlézersugarak tKettős sugár kialakításához számos kombináció lehetséges. A fő hegesztési munkákhoz kiváló minőségű, Gauss-energiaeloszlású CO2 lézer használható, míg a hőkezelési munkákhoz téglalap alakú energiaeloszlású félvezető lézer segíthet. Ez a kombináció egyrészt gazdaságosabb. Másrészt a két fénysugár teljesítménye egymástól függetlenül állítható. Különböző kötési formákhoz a lézer és a félvezető lézer átfedő helyzetének beállításával állítható hőmérsékleti mező érhető el, ami nagyon alkalmas hegesztésre. Folyamatvezérlés. Ezenkívül a YAG lézer és a CO2 lézer is kombinálható kettős sugárrá hegesztéshez, folyamatos lézer és impulzuslézer kombinálható hegesztéshez, valamint fókuszált sugár és defókuszált sugár is kombinálható hegesztéshez.
7. A kétsugaras lézerhegesztés alapelve
3.1 Horganyzott lemezek kétsugaras lézerhegesztése
A horganyzott acéllemez a leggyakrabban használt anyag az autóiparban. Az acél olvadáspontja körülbelül 1500°C, míg a cink forráspontja csak 906°C. Ezért a fúziós hegesztési módszer alkalmazásakor általában nagy mennyiségű cinkgőz keletkezik, ami a hegesztési folyamat instabillá válását okozza, pórusokat képezve a hegesztésben. Az átfedő kötéseknél a horganyzott réteg elpárolgása nemcsak a felső és alsó felületeken, hanem a csatlakozási felületen is bekövetkezik. A hegesztési folyamat során a cinkgőz egyes területeken gyorsan kiáramlik az olvadékfürdő felületéből, míg más területeken a cinkgőz nehezen tud távozni az olvadékfürdőből. Az olvadékfürdő felületén a hegesztés minősége nagyon ingadozó.
A kétsugaras lézerhegesztés megoldhatja a cinkgőz okozta hegesztési minőségi problémákat. Az egyik módszer az olvadékfürdő jelenlétének idejének és hűtési sebességének szabályozása a két sugár energiájának ésszerű összehangolásával, hogy elősegítse a cinkgőz távozását; a másik módszer a cinkgőz kiengedése előlyukasztással vagy hornyolással. Amint a 6-31. ábra mutatja, a CO2 lézert hegesztésre használják. A YAG lézer a CO2 lézer előtt helyezkedik el, és lyukak fúrására vagy hornyok vágására szolgál. Az előkezelt lyukak vagy hornyok menekülési utat biztosítanak a későbbi hegesztés során keletkező cinkgőz számára, megakadályozva, hogy az az olvadékfürdőben maradjon és hibákat képezzen.
3.2 Alumíniumötvözet kétsugaras lézerhegesztése
Az alumíniumötvözet anyagok speciális teljesítményjellemzői miatt a lézerhegesztés alkalmazása a következő nehézségekkel jár [39]: az alumíniumötvözet alacsony lézerelnyelési sebességgel rendelkezik, és a CO2 lézersugár felületének kezdeti visszaverődése meghaladja a 90%-ot; az alumíniumötvözet lézerhegesztési varratai könnyen kialakulnak, például porozitás, repedések, ötvözetelemek kiégése hegesztés közben stb. Egyszeres lézeres hegesztés esetén nehéz a kulcslyuk kialakítása és a stabilitás fenntartása. A kétsugaras lézerhegesztés növelheti a kulcslyuk méretét, ami megnehezíti a kulcslyuk bezárását, ami előnyös a gázkisülés szempontjából. Csökkentheti a hűtési sebességet, és csökkentheti a pórusok és hegesztési repedések előfordulását. Mivel a hegesztési folyamat stabilabb és a fröcskölés mennyisége csökken, az alumíniumötvözetek kétsugaras hegesztésével kapott hegesztési felület alakja is lényegesen jobb, mint az egysugaras hegesztésnél. A 6-32. ábra a 3 mm vastag alumíniumötvözet tompahegesztésének hegesztési varratát mutatja CO2 egysugaras lézerrel és kétsugaras lézerhegesztéssel.
Kutatások kimutatták, hogy 2 mm vastag 5000-es sorozatú alumíniumötvözet hegesztésekor, ha a két sugár közötti távolság 0,6–1,0 mm, a hegesztési folyamat viszonylag stabil, és a kialakított kulcslyuknyílás nagyobb, ami elősegíti a magnézium elpárolgását és kijutását a hegesztési folyamat során. Ha a két sugár közötti távolság túl kicsi, az egyetlen sugár hegesztési folyamata nem lesz stabil. Ha a távolság túl nagy, az befolyásolja a hegesztési penetrációt, amint az a 6-33. ábrán látható. Ezenkívül a két sugár energiaaránya is nagy hatással van a hegesztés minőségére. Ha a két 0,9 mm-es távolsággal rendelkező sugarat sorba rendezik a hegesztéshez, az előző sugár energiáját megfelelően növelni kell, hogy az előző és az utána lévő két sugár energiaaránya nagyobb legyen, mint 1:1. Ez segít javítani a hegesztési varrat minőségét, növelni az olvadási területet, és továbbra is sima és szép hegesztési varratot kapni nagy hegesztési sebesség mellett.
3.3 Egyenetlen vastagságú lemezek kettős sugaras hegesztése
Az ipari termelésben gyakran szükséges két vagy több különböző vastagságú és alakú fémlemezt hegeszteni egy illesztett lemez létrehozásához. Különösen az autógyártásban terjed el egyre szélesebb körben az egyedi hegesztésű lemezek alkalmazása. Különböző specifikációjú, felületi bevonatú vagy tulajdonságú lemezek hegesztésével növelhető a szilárdság, csökkenthető a fogyóeszközök mennyisége és rontható a minőség. A különböző vastagságú lemezek lézeres hegesztését általában a panelhegesztésnél alkalmazzák. A fő probléma, hogy a hegesztendő lemezeket nagy pontosságú élekkel kell előformázni, és nagy pontosságú összeszerelést kell biztosítani. Az egyenlőtlen vastagságú lemezek kétsugaras hegesztésének alkalmazása alkalmazkodni tud a lemezrések, illesztések, relatív vastagságok és lemezanyagok eltérő változásaihoz. Nagyobb él- és réstűrésű lemezeket lehet hegeszteni, és javítani lehet a hegesztési sebességet és a hegesztési minőséget.
A Shuangguangdong egyenlőtlen vastagságú lemezek hegesztésének fő folyamatparaméterei hegesztési paraméterekre és lemezparaméterekre oszthatók, amint az az ábrán látható. A hegesztési paraméterek közé tartozik a két lézersugár teljesítménye, a hegesztési sebesség, a fókuszpozíció, a hegesztőfej szöge, a kettős sugaras illesztés sugárforgási szöge és a hegesztési eltolás stb. A lemezparaméterek közé tartozik az anyagméret, a teljesítmény, a vágási feltételek, a lemezrések stb. A két lézersugár teljesítménye külön állítható a különböző hegesztési céloknak megfelelően. A fókuszpozíció általában a vékony lemez felületén található a stabil és hatékony hegesztési folyamat elérése érdekében. A hegesztőfej szögét általában 6 körüli értékre választják. Ha a két lemez vastagsága viszonylag nagy, pozitív hegesztőfej szög használható, azaz a lézer a vékony lemez felé dől, ahogy az a képen látható; ha a lemez vastagsága viszonylag kicsi, negatív hegesztőfej szög használható. A hegesztési eltolás a lézer fókuszpontja és a vastag lemez széle közötti távolságként definiálható. A hegesztési eltolás beállításával csökkenthető a hegesztési horpadás mértéke, és jó hegesztési keresztmetszet érhető el.
Nagy résű lemezek hegesztésekor a kettős sugárszög elforgatásával növelhető a sugár effektív fűtési átmérője a jó réskitöltési képesség elérése érdekében. A hegesztési varrat tetejének szélességét a két lézersugár effektív sugárátmérője, azaz a sugár elfordulási szöge határozza meg. Minél nagyobb az elfordulási szög, annál szélesebb a kettős sugár fűtési tartománya, és annál nagyobb a hegesztési varrat felső részének szélessége. A két lézersugár különböző szerepet játszik a hegesztési folyamatban. Az egyiket elsősorban a varratba való behatolásra, míg a másikat elsősorban a vastag lemezanyag megolvasztására használják a rés kitöltése érdekében. Amint a 6-35. ábrán látható, pozitív sugárelfordulási szög esetén (az első sugár a vastag lemezre, a hátsó sugár a hegesztési varratra hat) az első sugár a vastag lemezre esik, hogy felmelegítse és megolvasztsa az anyagot, majd a következő lézersugár behatolást hoz létre. Az elöl lévő első lézersugár csak részben tudja megolvasztani a vastag lemezt, de nagyban hozzájárul a hegesztési folyamathoz, mivel nemcsak a vastag lemez oldalát olvasztja meg a jobb réskitöltés érdekében, hanem előilleszti a hézaganyagot is, így a következő sugarak könnyebben áthegeszthetők a hézagokon, ami gyorsabb hegesztést tesz lehetővé. Kétsugaras hegesztésnél negatív elfordulási szöggel (az első sugár a hegesztési varratra, a hátsó sugár pedig a vastag lemezre hat) a két sugár pontosan ellentétes hatást fejt ki. Az előbbi sugár megolvasztja a hézagot, az utóbbi sugár pedig a vastag lemezt olvasztja meg a rés kitöltéséhez. Ebben az esetben az első sugárnak át kell hegesztenie a hideg lemezt, és a hegesztési sebesség lassabb, mint pozitív sugárelfordulási szöggel. Az előző sugár előmelegítő hatása miatt az utóbbi sugár ugyanazon teljesítmény mellett több vastag lemezanyagot olvaszt meg. Ebben az esetben az utóbbi lézersugár teljesítményét megfelelően csökkenteni kell. Összehasonlításképpen, pozitív sugárelfordulási szöggel megfelelően növelhető a hegesztési sebesség, negatív sugárelfordulási szöggel pedig jobb réskitöltés érhető el. A 6-36. ábra a különböző sugárelfordulási szögek hatását mutatja a hegesztés keresztmetszetére.
3.4 Nagy vastag lemezek kétsugaras lézerhegesztése A lézerteljesítmény és a sugárminőség javulásával a nagy vastag lemezek lézerhegesztése valósággá vált. Mivel azonban a nagy teljesítményű lézerek drágák, és a nagy vastag lemezek hegesztéséhez általában hozaganyag szükséges, a tényleges gyártásnak bizonyos korlátai vannak. A kétsugaras lézerhegesztési technológia alkalmazása nemcsak a lézerteljesítményt növelheti, hanem a sugárfűtés effektív átmérőjét, a hozaganyaghuzal megolvasztásának képességét, a lézer kulcslyukának stabilizálását, a hegesztés stabilitásának javítását és a hegesztés minőségének javítását is.
Közzététel ideje: 2024. április 29.
