در مقایسه با فناوری جوشکاری سنتی،جوشکاری لیزریمزایای بینظیری در دقت جوشکاری، کارایی، قابلیت اطمینان، اتوماسیون و سایر جنبهها دارد. در سالهای اخیر، در زمینههای خودرو، انرژی، الکترونیک و سایر زمینهها به سرعت توسعه یافته و به عنوان یکی از امیدوارکنندهترین فناوریهای تولید در قرن بیست و یکم در نظر گرفته میشود.
۱. بررسی اجمالی تیرهای دوتاییجوشکاری لیزری
دو پرتوجوشکاری لیزریاستفاده از روشهای نوری برای تفکیک یک لیزر به دو پرتو نور جداگانه برای جوشکاری، یا استفاده از دو نوع لیزر مختلف برای ترکیب، مانند لیزر CO2، لیزر Nd: YAG و لیزر نیمههادی پرقدرت است. همه میتوانند با هم ترکیب شوند. این روش عمدتاً برای حل مشکل سازگاری جوشکاری لیزری با دقت مونتاژ، بهبود پایداری فرآیند جوشکاری و بهبود کیفیت جوش پیشنهاد شده است. دو پرتوجوشکاری لیزریمیتواند به راحتی و انعطافپذیری میدان دمای جوشکاری را با تغییر نسبت انرژی پرتو، فاصله پرتوها و حتی الگوی توزیع انرژی دو پرتو لیزر تنظیم کند و الگوی وجود سوراخ کلید و الگوی جریان فلز مایع در حوضچه مذاب را تغییر دهد. انتخاب وسیعتری از فرآیندهای جوشکاری را فراهم میکند. این روش نه تنها مزایای اندازه بزرگ را دارد، بلکه...جوشکاری لیزرینفوذ، سرعت بالا و دقت بالا، اما همچنین برای مواد و اتصالاتی که جوشکاری آنها با روشهای مرسوم دشوار است، مناسب است.جوشکاری لیزری.
برای تیر دوجدارهجوشکاری لیزریدر ابتدا، روشهای پیادهسازی لیزر دو پرتویی را مورد بحث قرار میدهیم. منابع جامع نشان میدهند که دو روش اصلی برای دستیابی به جوشکاری دو پرتویی وجود دارد: تمرکز انتقالی و تمرکز بازتابی. به طور خاص، یکی با تنظیم زاویه و فاصله دو لیزر از طریق آینههای متمرکزکننده و آینههای موازیکننده حاصل میشود. روش دیگر با استفاده از یک منبع لیزر و سپس تمرکز از طریق آینههای بازتابنده، آینههای عبوری و آینههای گوهای شکل برای دستیابی به پرتوهای دوگانه حاصل میشود. برای روش اول، عمدتاً سه شکل وجود دارد. شکل اول، جفت کردن دو لیزر از طریق فیبرهای نوری و تقسیم آنها به دو پرتو مختلف تحت یک آینه موازیکننده و آینه متمرکزکننده یکسان است. روش دوم این است که دو لیزر، پرتوهای لیزر را از طریق سرهای جوشکاری مربوطه خود خارج میکنند و با تنظیم موقعیت مکانی سرهای جوشکاری، یک پرتو دوگانه تشکیل میشود. روش سوم این است که پرتو لیزر ابتدا از طریق دو آینه ۱ و ۲ تقسیم میشود و سپس به ترتیب توسط دو آینه متمرکزکننده ۳ و ۴ متمرکز میشود. موقعیت و فاصله بین دو نقطه کانونی را میتوان با تنظیم زاویه دو آینه کانونیکننده ۳ و ۴ تنظیم کرد. روش دوم استفاده از یک لیزر حالت جامد برای تقسیم نور جهت دستیابی به پرتوهای دوگانه و تنظیم زاویه و فاصله از طریق یک آینه پرسپکتیو و یک آینه کانونیکننده است. دو تصویر آخر در ردیف اول زیر، سیستم طیفسنجی لیزر CO2 را نشان میدهند. آینه تخت با یک آینه گوهای شکل جایگزین شده و در جلوی آینه کانونیکننده قرار میگیرد تا نور را تقسیم کند و به نور موازی دو پرتویی دست یابد.
پس از درک اجرای تیرهای دوبل، بیایید به طور خلاصه اصول و روشهای جوشکاری را معرفی کنیم. در تیرهای دوبلجوشکاری لیزریدر این فرآیند، سه چیدمان پرتو رایج وجود دارد، یعنی چیدمان سریالی، چیدمان موازی و چیدمان هیبریدی. پارچه، یعنی هم در جهت جوشکاری و هم در جهت عمودی جوشکاری فاصله وجود دارد. همانطور که در ردیف آخر شکل نشان داده شده است، با توجه به اشکال مختلف سوراخهای کوچک و حوضچههای مذاب که در طول فرآیند جوشکاری سریالی تحت فاصلههای مختلف نقطهای ظاهر میشوند، میتوان آنها را به مذابهای منفرد تقسیم کرد. سه حالت وجود دارد: حوضچه، حوضچه مذاب مشترک و حوضچه مذاب جدا شده. ویژگیهای حوضچه مذاب منفرد و حوضچه مذاب جدا شده مشابه ویژگیهای حوضچه مذاب منفرد است.جوشکاری لیزریهمانطور که در نمودار شبیهسازی عددی نشان داده شده است. اثرات فرآیندی متفاوتی برای انواع مختلف وجود دارد.
نوع ۱: تحت یک فاصله نقطهای مشخص، دو سوراخ کلید پرتو، یک سوراخ کلید بزرگ مشترک را در همان حوضچه مذاب تشکیل میدهند؛ برای نوع ۱، گزارش شده است که از یک پرتو نور برای ایجاد یک سوراخ کوچک و از پرتو نور دیگر برای عملیات حرارتی جوشکاری استفاده میشود که میتواند به طور موثری خواص ساختاری فولاد پرکربن و فولاد آلیاژی را بهبود بخشد.
نوع ۲: افزایش فاصله نقطهای در همان حوضچه مذاب، جدا کردن دو پرتو به دو سوراخ کلید مستقل و تغییر الگوی جریان حوضچه مذاب؛ برای نوع ۲، عملکرد آن معادل جوشکاری دو پرتو الکترونی است، پاشش جوش و جوشهای نامنظم را در فاصله کانونی مناسب کاهش میدهد.
نوع ۳: فاصله نقطهای را بیشتر افزایش داده و نسبت انرژی دو پرتو را تغییر دهید، به طوری که یکی از دو پرتو به عنوان منبع گرما برای انجام پیش جوشکاری یا پردازش پس از جوشکاری در طول فرآیند جوشکاری استفاده شود و پرتو دیگر برای تولید سوراخهای کوچک استفاده شود. برای نوع ۳، مطالعه نشان داد که دو پرتو یک سوراخ کلید تشکیل میدهند، سوراخ کوچک به راحتی فرو نمیریزد و جوش به راحتی منافذ ایجاد نمیکند.
۲. تأثیر فرآیند جوشکاری بر کیفیت جوش
تأثیر نسبت انرژی پرتو سریالی بر تشکیل درز جوشکاری
وقتی توان لیزر ۲ کیلووات، سرعت جوشکاری ۴۵ میلیمتر بر ثانیه، میزان عدم فوکوس ۰ میلیمتر و فاصله پرتوها ۳ میلیمتر باشد، شکل سطح جوش هنگام تغییر RS (RS= ۰.۵۰، ۰.۶۷، ۱.۵۰، ۲.۰۰) مطابق شکل است. وقتی RS=۰.۵۰ و ۲.۰۰ باشد، جوش به میزان بیشتری فرورفتگی دارد و پاشش بیشتری در لبه جوش وجود دارد، بدون اینکه الگوهای منظم فلس ماهی تشکیل شود. دلیل این امر این است که وقتی نسبت انرژی پرتو خیلی کوچک یا خیلی بزرگ باشد، انرژی لیزر خیلی متمرکز است و باعث میشود سوراخ سوزنی لیزر در طول فرآیند جوشکاری نوسان بیشتری داشته باشد و فشار پسزنی بخار باعث بیرون راندن و پاشیدن فلز حوضچه مذاب در حوضچه مذاب میشود. گرمای ورودی بیش از حد باعث میشود عمق نفوذ حوضچه مذاب در سمت آلیاژ آلومینیوم خیلی زیاد باشد و تحت تأثیر جاذبه باعث ایجاد فرورفتگی شود. وقتی RS=0.67 و 1.50 باشد، الگوی فلس ماهی روی سطح جوش یکنواخت است، شکل جوش زیباتر است و هیچ ترک داغ جوشکاری، منافذ و سایر عیوب جوشکاری روی سطح جوش قابل مشاهده نیست. شکل سطح مقطع جوشها با نسبتهای انرژی پرتو مختلف RS همانطور که در شکل نشان داده شده است، میباشد. سطح مقطع جوشها به شکل "لیوان شراب" معمولی است که نشان میدهد فرآیند جوشکاری در حالت جوشکاری نفوذ عمیق لیزری انجام شده است. RS تأثیر مهمی بر عمق نفوذ P2 جوش در سمت آلیاژ آلومینیوم دارد. وقتی نسبت انرژی پرتو RS=0.5 باشد، P2 برابر با 1203.2 میکرون است. وقتی نسبت انرژی پرتو RS=0.67 و 1.5 باشد، P2 به طور قابل توجهی کاهش مییابد که به ترتیب 403.3 میکرون و 93.6 میکرون هستند. وقتی نسبت انرژی پرتو RS=2 باشد، عمق نفوذ جوش در سطح مقطع اتصال 1151.6 میکرون است.
تأثیر نسبت انرژی پرتو موازی بر تشکیل درز جوشکاری
وقتی توان لیزر 2.8 کیلووات، سرعت جوشکاری 33 میلیمتر بر ثانیه، میزان عدم فوکوس 0 میلیمتر و فاصله پرتو 1 میلیمتر باشد، سطح جوش با تغییر نسبت انرژی پرتو (RS=0.25، 0.5، 0.67، 1.5، 2، 4) به دست میآید. ظاهر آن در شکل نشان داده شده است. وقتی RS=2 باشد، الگوی فلس ماهی روی سطح جوش نسبتاً نامنظم است. سطح جوش حاصل از پنج نسبت انرژی پرتو مختلف دیگر به خوبی شکل گرفته است و هیچ نقص قابل مشاهدهای مانند منافذ و پاشش وجود ندارد. بنابراین، در مقایسه با دو پرتوی سریالیجوشکاری لیزریسطح جوش با استفاده از دو پرتو موازی یکنواختتر و زیباتر است. وقتی RS=0.25 باشد، فرورفتگی کمی در جوش وجود دارد. با افزایش تدریجی نسبت انرژی پرتو (RS=0.5، 0.67 و 1.5)، سطح جوش یکنواخت است و هیچ فرورفتگی ایجاد نمیشود. با این حال، وقتی نسبت انرژی پرتو بیشتر افزایش مییابد (RS=1.50، 2.00)، اما فرورفتگیهایی روی سطح جوش وجود دارد. وقتی نسبت انرژی پرتو RS=0.25، 1.5 و 2 باشد، شکل مقطع جوش "به شکل لیوان شراب" است. وقتی RS=0.50، 0.67 و 1 باشد، شکل مقطع جوش "قیفی شکل" است. وقتی RS=4 باشد، نه تنها ترکهایی در پایین جوش ایجاد میشود، بلکه برخی منافذ در قسمت میانی و پایینی جوش نیز ایجاد میشوند. وقتی RS=2 باشد، منافذ فرآیندی بزرگی در داخل جوش ظاهر میشوند، اما هیچ ترکی ظاهر نمیشود. وقتی RS=0.5، 0.67 و 1.5 باشد، عمق نفوذ P2 جوش در سمت آلیاژ آلومینیوم کمتر است و سطح مقطع جوش به خوبی شکل گرفته و هیچ نقص جوشکاری آشکاری ایجاد نمیشود. این موارد نشان میدهد که نسبت انرژی پرتو در طول جوشکاری لیزر دو پرتوی موازی نیز تأثیر مهمی بر نفوذ جوش و نقصهای جوشکاری دارد.
تیرهای موازی - تأثیر فاصله تیرها بر تشکیل درز جوشکاری
وقتی توان لیزر ۲.۸ کیلووات، سرعت جوشکاری ۳۳ میلیمتر بر ثانیه، میزان عدم فوکوس ۰ میلیمتر و نسبت انرژی پرتو RS=0.67 باشد، فاصله پرتوها (d=0.5mm، ۱mm، ۱.۵mm، ۲mm) را تغییر دهید تا مورفولوژی سطح جوش مطابق تصویر به دست آید. وقتی d=0.5mm، ۱mm، ۱.۵mm، ۲mm باشد، سطح جوش صاف و مسطح است و شکل آن زیبا است. الگوی فلس ماهی جوش منظم و زیبا است و هیچ منافذ، ترک و نقص دیگری قابل مشاهده نیست. بنابراین، در شرایط فاصله چهار پرتو، سطح جوش به خوبی شکل میگیرد. علاوه بر این، وقتی d=2mm باشد، دو جوش متفاوت تشکیل میشود که نشان میدهد دو پرتو لیزر موازی دیگر بر روی حوضچه مذاب عمل نمیکنند و نمیتوانند یک جوشکاری هیبریدی لیزری دو پرتوی مؤثر تشکیل دهند. وقتی فاصله پرتوها 0.5 میلیمتر باشد، جوش "قیفی شکل" است، عمق نفوذ P2 جوش در سمت آلیاژ آلومینیوم 712.9 میکرون است و هیچ ترک، منافذ و نقص دیگری در داخل جوش وجود ندارد. با افزایش مداوم فاصله پرتوها، عمق نفوذ P2 جوش در سمت آلیاژ آلومینیوم به طور قابل توجهی کاهش مییابد. وقتی فاصله پرتوها 1 میلیمتر باشد، عمق نفوذ جوش در سمت آلیاژ آلومینیوم تنها 94.2 میکرون است. با افزایش بیشتر فاصله پرتوها، جوش نفوذ موثری در سمت آلیاژ آلومینیوم ایجاد نمیکند. بنابراین، وقتی فاصله پرتوها 0.5 میلیمتر باشد، اثر نوترکیبی دو پرتو در بهترین حالت خود قرار دارد. با افزایش فاصله پرتوها، ورودی گرمای جوشکاری به شدت کاهش مییابد و اثر نوترکیبی لیزر دو پرتو به تدریج بدتر میشود.
تفاوت در مورفولوژی جوش ناشی از جریان و انجماد متفاوت حوضچه مذاب در طول فرآیند جوشکاری است. روش شبیهسازی عددی نه تنها میتواند تحلیل تنش حوضچه مذاب را شهودیتر کند، بلکه هزینه آزمایش را نیز کاهش میدهد. تصویر زیر تغییرات در حوضچه مذاب جانبی را با یک پرتوی واحد، چیدمانها و فاصله نقاط مختلف نشان میدهد. نتایج اصلی عبارتند از: (1) در طول پرتوی واحدجوشکاری لیزریدر این فرآیند، عمق سوراخ حوضچه مذاب بیشترین عمق را دارد، پدیده فروپاشی سوراخ وجود دارد، دیواره سوراخ نامنظم است و توزیع میدان جریان در نزدیکی دیواره سوراخ ناهموار است؛ در نزدیکی سطح پشتی حوضچه مذاب، جریان برگشتی قوی است و در پایین حوضچه مذاب، جریان برگشتی به سمت بالا وجود دارد؛ توزیع میدان جریان حوضچه مذاب سطحی نسبتاً یکنواخت و کند است و عرض حوضچه مذاب در امتداد جهت عمق ناهموار است. در حوضچه مذاب بین سوراخهای کوچک در دو تیر، اختلالی ناشی از فشار برگشتی دیواره وجود دارد.جوشکاری لیزریو همیشه در امتداد جهت عمق سوراخهای کوچک وجود دارد. با افزایش فاصله بین دو پرتو، چگالی انرژی پرتو به تدریج از یک قله منفرد به حالت دو قلهای منتقل میشود. بین دو قله یک مقدار حداقل وجود دارد و چگالی انرژی به تدریج کاهش مییابد. (2) برای دو پرتوجوشکاری لیزریوقتی فاصله نقطهای ۰ تا ۰.۵ میلیمتر باشد، عمق سوراخهای کوچک حوضچه مذاب کمی کاهش مییابد و رفتار کلی جریان حوضچه مذاب مشابه تک پرتو است.جوشکاری لیزریوقتی فاصله نقطهای بالای 1 میلیمتر باشد، سوراخهای کوچک کاملاً از هم جدا میشوند و در طول فرآیند جوشکاری تقریباً هیچ برهمکنشی بین دو لیزر وجود ندارد که معادل دو جوشکاری لیزر تک پرتو متوالی/دو موازی با توان 1750 وات است. تقریباً هیچ اثر پیشگرمایشی وجود ندارد و رفتار جریان حوضچه مذاب مشابه جوشکاری لیزر تک پرتو است. (3) وقتی فاصله نقطهای 0.5 تا 1 میلیمتر باشد، سطح دیواره سوراخهای کوچک در دو چیدمان مسطحتر است، عمق سوراخهای کوچک به تدریج کاهش مییابد و کف آن به تدریج از هم جدا میشود. اختلال بین سوراخهای کوچک و جریان حوضچه مذاب سطحی در 0.8 میلیمتر است. قویترین حالت. برای جوشکاری سریالی، طول حوضچه مذاب به تدریج افزایش مییابد، وقتی فاصله نقطهای 0.8 میلیمتر باشد، عرض آن بزرگترین است و وقتی فاصله نقطهای 0.8 میلیمتر باشد، اثر پیشگرمایش آشکارتر است. اثر نیروی مارانگونی به تدریج ضعیف میشود و مایع فلزی بیشتری به دو طرف حوضچه مذاب جریان مییابد. توزیع عرض مذاب را یکنواختتر کنید. برای جوشکاری موازی، عرض حوضچه مذاب به تدریج افزایش مییابد و طول آن حداکثر 0.8 میلیمتر است، اما هیچ اثر پیشگرمایشی وجود ندارد؛ جریان برگشتی در نزدیکی سطح که توسط نیروی مارانگونی ایجاد میشود، همیشه وجود دارد و جریان برگشتی رو به پایین در پایین سوراخ کوچک به تدریج ناپدید میشود؛ میدان جریان مقطعی به خوبی میدان جریان سری نیست، اغتشاش به سختی بر جریان در دو طرف حوضچه مذاب تأثیر میگذارد و عرض مذاب به طور ناهموار توزیع میشود.
زمان ارسال: ۱۲ اکتبر ۲۰۲۳
