روش جوشکاری دو پرتویی عمدتاً برای حل مشکل سازگاری پیشنهاد شده است.جوشکاری لیزریبرای دقت مونتاژ، بهبود پایداری فرآیند جوشکاری و بهبود کیفیت جوش، به ویژه برای جوشکاری صفحات نازک و جوشکاری آلیاژ آلومینیوم. جوشکاری لیزر دو پرتویی میتواند از روشهای نوری برای جداسازی یک لیزر به دو پرتو نور جداگانه برای جوشکاری استفاده کند. همچنین میتواند از دو نوع لیزر مختلف برای ترکیب لیزر CO2، لیزر Nd:YAG و لیزر نیمههادی پرقدرت استفاده کند. با تغییر انرژی پرتو، فاصله پرتوها و حتی الگوی توزیع انرژی دو پرتو، میتوان میدان دمای جوشکاری را به راحتی و انعطافپذیری تنظیم کرد و الگوی وجود سوراخها و الگوی جریان فلز مایع در حوضچه مذاب را تغییر داد و راهحل بهتری برای فرآیند جوشکاری ارائه داد. فضای وسیع مورد نظر با جوشکاری لیزر تک پرتوی قابل مقایسه نیست. این روش نه تنها از مزایای نفوذ زیاد جوشکاری لیزر، سرعت سریع و دقت بالا برخوردار است، بلکه سازگاری زیادی با مواد و اتصالاتی دارد که جوشکاری آنها با جوشکاری لیزر معمولی دشوار است.
جوشکاری دو پرتویی به معنای استفاده از دو پرتو لیزر به طور همزمان در طول فرآیند جوشکاری است. چیدمان پرتو، فاصله پرتوها، زاویه بین دو پرتو، موقعیت کانونی و نسبت انرژی دو پرتو، همگی از تنظیمات مرتبط در جوشکاری لیزری دو پرتویی هستند. پارامتر. به طور معمول، در طول فرآیند جوشکاری، عموماً دو روش برای چیدمان پرتوهای دوتایی وجود دارد. همانطور که در شکل نشان داده شده است، یکی به صورت سری در امتداد جهت جوشکاری چیده میشود. این چیدمان میتواند سرعت خنک شدن حوضچه مذاب را کاهش دهد. تمایل به سخت شدن جوش و ایجاد منافذ را کاهش میدهد. روش دیگر، چیدمان آنها در کنار هم یا به صورت ضربدری در دو طرف جوش است تا سازگاری با شکاف جوش بهبود یابد.
اصل جوشکاری لیزر دو پرتو
جوشکاری دو پرتویی به معنای استفاده از دو پرتو لیزر به طور همزمان در طول فرآیند جوشکاری است. چیدمان پرتو، فاصله پرتوها، زاویه بین دو پرتو، موقعیت کانونی و نسبت انرژی دو پرتو، همگی از تنظیمات مرتبط در جوشکاری لیزری دو پرتویی هستند. پارامتر. به طور معمول، در طول فرآیند جوشکاری، عموماً دو روش برای چیدمان پرتوهای دوتایی وجود دارد. همانطور که در شکل نشان داده شده است، یکی به صورت سری در امتداد جهت جوشکاری چیده میشود. این چیدمان میتواند سرعت خنک شدن حوضچه مذاب را کاهش دهد. تمایل به سخت شدن جوش و ایجاد منافذ را کاهش میدهد. روش دیگر، چیدمان آنها در کنار هم یا به صورت ضربدری در دو طرف جوش است تا سازگاری با شکاف جوش بهبود یابد.
برای یک سیستم جوشکاری لیزری دو پرتویی پشت سر هم، بسته به فاصله بین پرتوهای جلو و عقب، سه مکانیزم جوشکاری مختلف وجود دارد، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است.
۱. در مکانیزم جوشکاری نوع اول، فاصله بین دو پرتو نور نسبتاً زیاد است. یک پرتو نور چگالی انرژی بیشتری دارد و روی سطح قطعه کار متمرکز میشود تا سوراخهای کلیدی در جوشکاری ایجاد کند؛ پرتو نور دیگر چگالی انرژی کمتری دارد. فقط به عنوان منبع گرما برای عملیات حرارتی قبل یا بعد از جوشکاری استفاده میشود. با استفاده از این مکانیزم جوشکاری، سرعت خنک شدن حوضچه جوش را میتوان در یک محدوده خاص کنترل کرد که برای جوشکاری برخی از مواد با حساسیت بالای ترک، مانند فولاد پرکربن، فولاد آلیاژی و غیره مفید است و همچنین میتواند چقرمگی جوش را بهبود بخشد.
۲. در مکانیزم جوشکاری نوع دوم، فاصله کانونی بین دو پرتو نور نسبتاً کم است. دو پرتو نور، دو سوراخ کلید مستقل در حوضچه جوش ایجاد میکنند که الگوی جریان فلز مایع را تغییر داده و به جلوگیری از گرفتگی جوش کمک میکند. این امر میتواند بروز عیوبی مانند لبهها و برآمدگیهای مهره جوش را از بین برده و شکلگیری جوش را بهبود بخشد.
۳. در مکانیزم جوشکاری نوع سوم، فاصله بین دو پرتو نور بسیار کم است. در این زمان، دو پرتو نور سوراخ کلید یکسانی را در حوضچه جوش ایجاد میکنند. در مقایسه با جوشکاری لیزری تک پرتو، به دلیل اینکه اندازه سوراخ کلید بزرگتر میشود و بستن آن آسان نیست، فرآیند جوشکاری پایدارتر و تخلیه گاز آسانتر است که برای کاهش منافذ و پاشش و دستیابی به جوشهای پیوسته، یکنواخت و زیبا مفید است.
در طول فرآیند جوشکاری، دو پرتو لیزر میتوانند با زاویه مشخصی نسبت به یکدیگر نیز تابانده شوند. مکانیزم جوشکاری مشابه مکانیزم جوشکاری دو پرتو موازی است. نتایج آزمایش نشان میدهد که با استفاده از دو پرتو لیزر پرقدرت با زاویه 30 درجه نسبت به یکدیگر و فاصله 1 تا 2 میلیمتر، پرتو لیزر میتواند یک سوراخ کلید قیفی شکل ایجاد کند. اندازه سوراخ کلید بزرگتر و پایدارتر است که میتواند کیفیت جوشکاری را به طور مؤثر بهبود بخشد. در کاربردهای عملی، ترکیب متقابل دو پرتو نور را میتوان با توجه به شرایط مختلف جوشکاری تغییر داد تا به فرآیندهای جوشکاری متفاوتی دست یافت.
۶. روش اجرای جوشکاری لیزر دو پرتویی
دستیابی به پرتوهای دوتایی را میتوان با ترکیب دو پرتو لیزر مختلف به دست آورد، یا میتوان یک پرتو لیزر را با استفاده از یک سیستم طیفسنجی نوری به دو پرتو لیزر برای جوشکاری تقسیم کرد. برای تقسیم یک پرتو نور به دو پرتو لیزر موازی با توانهای مختلف، میتوان از یک طیفسنج یا یک سیستم نوری خاص استفاده کرد. تصویر دو نمودار شماتیک از اصول تقسیم نور با استفاده از آینههای متمرکزکننده به عنوان تقسیمکنندههای پرتو را نشان میدهد.
علاوه بر این، یک بازتابنده میتواند به عنوان تقسیمکننده پرتو نیز استفاده شود و آخرین بازتابنده در مسیر نوری میتواند به عنوان تقسیمکننده پرتو استفاده شود. این نوع بازتابنده، بازتابنده نوع سقفی نیز نامیده میشود. سطح بازتابنده آن یک سطح صاف نیست، بلکه از دو صفحه تشکیل شده است. خط تقاطع دو سطح بازتابنده در وسط سطح آینه، شبیه به یک برآمدگی سقف، همانطور که در شکل نشان داده شده است، قرار دارد. یک پرتو نور موازی به طیفسنج تابیده میشود، توسط دو صفحه با زوایای مختلف منعکس میشود تا دو پرتو نور تشکیل دهد و بر موقعیتهای مختلف آینه کانونی کننده بتابد. پس از کانونی کردن، دو پرتو نور در فاصله مشخصی روی سطح قطعه کار به دست میآید. با تغییر زاویه بین دو سطح بازتابنده و موقعیت سقف، میتوان پرتوهای نور شکافته شده با فواصل کانونی و چیدمانهای مختلف را به دست آورد.
هنگام استفاده از دو نوع مختلفپرتوهای لیزربرای تشکیل یک پرتو دوتایی، ترکیبات زیادی وجود دارد. یک لیزر CO2 با کیفیت بالا با توزیع انرژی گاوسی میتواند برای کار اصلی جوشکاری استفاده شود و یک لیزر نیمههادی با توزیع انرژی مستطیلی میتواند برای کمک به کار عملیات حرارتی استفاده شود. از یک طرف، این ترکیب اقتصادیتر است. از طرف دیگر، میتوان قدرت دو پرتو نور را به طور مستقل تنظیم کرد. برای اشکال مختلف اتصال، میتوان با تنظیم موقعیت همپوشانی لیزر و لیزر نیمههادی، یک میدان دمایی قابل تنظیم به دست آورد که برای جوشکاری بسیار مناسب است. کنترل فرآیند. علاوه بر این، لیزر YAG و لیزر CO2 را میتوان برای جوشکاری به صورت یک پرتو دوتایی ترکیب کرد، لیزر پیوسته و لیزر پالسی را میتوان برای جوشکاری ترکیب کرد و پرتو متمرکز و پرتو غیرمتمرکز را نیز میتوان برای جوشکاری ترکیب کرد.
۷. اصول جوشکاری لیزر دو پرتویی
۳.۱ جوشکاری لیزری دو پرتویی ورقهای گالوانیزه
ورق فولادی گالوانیزه رایجترین ماده مورد استفاده در صنعت خودرو است. نقطه ذوب فولاد حدود ۱۵۰۰ درجه سانتیگراد است، در حالی که نقطه جوش روی تنها ۹۰۶ درجه سانتیگراد است. بنابراین، هنگام استفاده از روش جوشکاری ذوبی، معمولاً مقدار زیادی بخار روی تولید میشود که باعث ناپایداری فرآیند جوشکاری و تشکیل منافذ در جوش میشود. برای اتصالات لبه روی هم، تبخیر لایه گالوانیزه نه تنها در سطوح بالایی و پایینی، بلکه در سطح اتصال نیز رخ میدهد. در طول فرآیند جوشکاری، بخار روی در برخی مناطق به سرعت از سطح حوضچه مذاب خارج میشود، در حالی که در مناطق دیگر فرار بخار روی از حوضچه مذاب دشوار است. در سطح حوضچه، کیفیت جوش بسیار ناپایدار است.
جوشکاری لیزری دو پرتویی میتواند مشکلات کیفیت جوشکاری ناشی از بخار روی را حل کند. یک روش، کنترل زمان وجود و سرعت خنک شدن حوضچه مذاب با تطبیق منطقی انرژی دو پرتو برای تسهیل خروج بخار روی است؛ روش دیگر، آزادسازی بخار روی با پیشسوراخکاری یا شیارزنی است. همانطور که در شکل 6-31 نشان داده شده است، از لیزر CO2 برای جوشکاری استفاده میشود. لیزر YAG در جلوی لیزر CO2 قرار دارد و برای ایجاد سوراخ یا برش شیار استفاده میشود. سوراخها یا شیارهای پیشپردازششده، مسیر فرار بخار روی تولید شده در حین جوشکاری بعدی را فراهم میکنند و از باقی ماندن آن در حوضچه مذاب و ایجاد نقص جلوگیری میکنند.
۳.۲ جوشکاری لیزری دو پرتویی آلیاژ آلومینیوم
با توجه به ویژگیهای عملکردی ویژه مواد آلیاژ آلومینیوم، مشکلات زیر در استفاده از جوشکاری لیزری وجود دارد [39]: آلیاژ آلومینیوم میزان جذب لیزر پایینی دارد و بازتاب اولیه سطح پرتو لیزر CO2 از 90٪ فراتر میرود؛ درزهای جوشکاری لیزری آلیاژ آلومینیوم به راحتی ایجاد تخلخل، ترک؛ سوختن عناصر آلیاژی در حین جوشکاری و غیره میشوند. هنگام استفاده از جوشکاری لیزری تک پرتو، ایجاد سوراخ کلید و حفظ پایداری دشوار است. جوشکاری لیزری دو پرتو میتواند اندازه سوراخ کلید را افزایش دهد و بسته شدن سوراخ کلید را دشوار کند که برای تخلیه گاز مفید است. همچنین میتواند سرعت خنک شدن را کاهش داده و از بروز منافذ و ترکهای جوشکاری بکاهد. از آنجایی که فرآیند جوشکاری پایدارتر است و میزان پاشش کاهش مییابد، شکل سطح جوش حاصل از جوشکاری دو پرتو آلیاژهای آلومینیوم نیز به طور قابل توجهی بهتر از جوشکاری تک پرتو است. شکل 6-32 ظاهر درز جوش جوشکاری لب به لب آلیاژ آلومینیوم با ضخامت 3 میلیمتر را با استفاده از لیزر تک پرتو CO2 و جوشکاری لیزر دو پرتو نشان میدهد.
تحقیقات نشان میدهد که هنگام جوشکاری آلیاژ آلومینیوم سری ۵۰۰۰ با ضخامت ۲ میلیمتر، وقتی فاصله بین دو تیر ۰.۶ تا ۱.۰ میلیمتر باشد، فرآیند جوشکاری نسبتاً پایدار است و دهانه سوراخ کلید تشکیل شده بزرگتر است که این امر منجر به تبخیر و فرار منیزیم در طول فرآیند جوشکاری میشود. اگر فاصله بین دو تیر خیلی کم باشد، فرآیند جوشکاری یک تیر واحد پایدار نخواهد بود. اگر فاصله خیلی زیاد باشد، نفوذ جوش تحت تأثیر قرار میگیرد، همانطور که در شکل ۶-۳۳ نشان داده شده است. علاوه بر این، نسبت انرژی دو تیر نیز تأثیر زیادی بر کیفیت جوشکاری دارد. وقتی دو تیر با فاصله ۰.۹ میلیمتر برای جوشکاری به صورت سری قرار میگیرند، انرژی تیر قبلی باید به طور مناسب افزایش یابد تا نسبت انرژی دو تیر قبل و بعد از آن بیشتر از ۱:۱ باشد. بهبود کیفیت درز جوشکاری، افزایش ناحیه ذوب و همچنین دستیابی به درز جوشکاری صاف و زیبا در سرعت جوشکاری بالا مفید است.
۳.۳ جوشکاری دو تیری صفحات با ضخامت نابرابر
در تولید صنعتی، اغلب لازم است دو یا چند صفحه فلزی با ضخامتها و شکلهای مختلف برای تشکیل یک صفحه متصل به هم جوش داده شوند. به خصوص در تولید خودرو، استفاده از صفحات خام جوش داده شده سفارشی روز به روز گستردهتر میشود. با جوشکاری صفحات با مشخصات، پوششهای سطحی یا خواص مختلف، میتوان استحکام را افزایش، مواد مصرفی را کاهش و کیفیت را پایین آورد. جوشکاری لیزری صفحات با ضخامتهای مختلف معمولاً در جوشکاری پنل استفاده میشود. مشکل اصلی این است که صفحاتی که قرار است جوش داده شوند باید با لبههای با دقت بالا از قبل ساخته شده و مونتاژ با دقت بالا را تضمین کنند. استفاده از جوشکاری دو پرتویی صفحات با ضخامت نابرابر میتواند با تغییرات مختلف در شکافهای صفحه، اتصالات لب به لب، ضخامتهای نسبی و جنس صفحات سازگار شود. این روش میتواند صفحاتی با تلرانسهای لبه و شکاف بزرگتر را جوش دهد و سرعت جوشکاری و کیفیت جوش را بهبود بخشد.
پارامترهای اصلی فرآیند جوشکاری صفحات با ضخامت نابرابر در شرکت شوانگگوانگدونگ را میتوان به پارامترهای جوشکاری و پارامترهای صفحه تقسیم کرد، همانطور که در شکل نشان داده شده است. پارامترهای جوشکاری شامل قدرت دو پرتو لیزر، سرعت جوشکاری، موقعیت فوکوس، زاویه سر جوشکاری، زاویه چرخش پرتو اتصال لب به لب دو پرتو و افست جوشکاری و غیره است. پارامترهای تخته شامل اندازه مواد، عملکرد، شرایط برش، شکافهای تخته و غیره است. قدرت دو پرتو لیزر را میتوان به طور جداگانه با توجه به اهداف مختلف جوشکاری تنظیم کرد. موقعیت فوکوس معمولاً روی سطح صفحه نازک قرار دارد تا به یک فرآیند جوشکاری پایدار و کارآمد دست یابیم. زاویه سر جوشکاری معمولاً حدود ۶ انتخاب میشود. اگر ضخامت دو صفحه نسبتاً بزرگ باشد، میتوان از زاویه سر جوشکاری مثبت استفاده کرد، یعنی لیزر به سمت صفحه نازک کج میشود، همانطور که در تصویر نشان داده شده است. وقتی ضخامت صفحه نسبتاً کوچک باشد، میتوان از زاویه سر جوشکاری منفی استفاده کرد. افست جوشکاری به عنوان فاصله بین فوکوس لیزر و لبه صفحه ضخیم تعریف میشود. با تنظیم آفست جوشکاری، میتوان میزان فرورفتگی جوش را کاهش داد و سطح مقطع جوش خوبی به دست آورد.
هنگام جوشکاری صفحات با شکافهای بزرگ، میتوانید با چرخاندن زاویه پرتو دوتایی، قطر گرمایش مؤثر پرتو را افزایش دهید تا قابلیتهای پر کردن شکاف خوبی به دست آورید. عرض بالای جوش توسط قطر پرتو مؤثر دو پرتو لیزر، یعنی زاویه چرخش پرتو، تعیین میشود. هرچه زاویه چرخش بیشتر باشد، محدوده گرمایش پرتو دوتایی وسیعتر و عرض قسمت بالایی جوش بیشتر است. دو پرتو لیزر نقشهای متفاوتی در فرآیند جوشکاری ایفا میکنند. یکی عمدتاً برای نفوذ به درز استفاده میشود، در حالی که دیگری عمدتاً برای ذوب کردن مواد صفحه ضخیم برای پر کردن شکاف استفاده میشود. همانطور که در شکل 6-35 نشان داده شده است، تحت زاویه چرخش پرتو مثبت (پرتو جلویی روی صفحه ضخیم و پرتو عقبی روی جوش عمل میکند)، پرتو جلویی برای گرم کردن و ذوب کردن مواد به صفحه ضخیم تابیده میشود و پرتو لیزر بعدی نفوذ ایجاد میکند. اولین پرتو لیزر در جلو فقط میتواند تا حدی صفحه ضخیم را ذوب کند، اما به فرآیند جوشکاری کمک زیادی میکند، زیرا نه تنها کناره صفحه ضخیم را برای پر کردن بهتر شکاف ذوب میکند، بلکه مواد اتصال را نیز از قبل به هم متصل میکند تا پرتوهای زیرین راحتتر از طریق اتصالات جوش داده شوند و جوشکاری سریعتری را فراهم کنند. در جوشکاری دو پرتویی با زاویه چرخش منفی (پرتو جلو روی جوش و پرتو عقب روی صفحه ضخیم عمل میکند)، دو پرتو دقیقاً اثر معکوس دارند. پرتو اول اتصال را ذوب میکند و پرتو دوم صفحه ضخیم را برای پر کردن شکاف آن ذوب میکند. در این حالت، پرتو جلو برای جوشکاری از طریق صفحه سرد لازم است و سرعت جوشکاری کندتر از استفاده از زاویه چرخش پرتو مثبت است. و به دلیل اثر پیش گرمایش پرتو قبلی، پرتو دوم مواد صفحه ضخیمتری را تحت همان توان ذوب میکند. در این حالت، توان پرتو لیزر دوم باید به طور مناسب کاهش یابد. در مقایسه، استفاده از زاویه چرخش پرتو مثبت میتواند به طور مناسب سرعت جوشکاری را افزایش دهد و استفاده از زاویه چرخش پرتو منفی میتواند به پر کردن بهتر شکاف دست یابد. شکل 6-36 تأثیر زوایای مختلف چرخش پرتو را بر سطح مقطع جوش نشان میدهد.
۳.۴ جوشکاری لیزری دو پرتویی صفحات ضخیم بزرگ با بهبود سطح توان لیزر و کیفیت پرتو، جوشکاری لیزری صفحات ضخیم بزرگ به واقعیت تبدیل شده است. با این حال، از آنجا که لیزرهای پرقدرت گران هستند و جوشکاری صفحات ضخیم بزرگ عموماً به فلز پرکننده نیاز دارد، محدودیتهای خاصی در تولید واقعی وجود دارد. استفاده از فناوری جوشکاری لیزری دو پرتویی نه تنها میتواند توان لیزر را افزایش دهد، بلکه قطر گرمایش مؤثر پرتو را نیز افزایش میدهد، توانایی ذوب سیم پرکننده را افزایش میدهد، سوراخ کلید لیزر را تثبیت میکند، پایداری جوشکاری را بهبود میبخشد و کیفیت جوشکاری را بهبود میبخشد.
زمان ارسال: ۲۹ آوریل ۲۰۲۴
