É proposto um método de soldagem por feixe duplo, que é usado principalmente para melhorar a adaptabilidade da soldagem a laser à precisão da montagem, aumentar a estabilidade do processo de soldagem e melhorar a qualidade das soldas. É especialmente adequado para soldar placas finas, ligas de alumínio e outros materiais.
O método de soldagem por feixe duplo é proposto principalmente para melhorar a adaptabilidade da soldagem a laser à precisão da montagem, aumentar a estabilidade do processo de soldagem e melhorar a qualidade das soldas. É especialmente adequado para soldar placas finas e ligas de alumínio. A soldagem a laser de feixe duplo pode não apenas usar métodos ópticos para dividir o mesmo tipo de laser em dois feixes de laser independentes para soldagem, mas também usar dois tipos diferentes de lasers para soldagem combinada. Lasers de CO2, ND: lasers YAG, lasers de semicondutores de alta potência, etc. podem ser combinados entre si. Ao alterar a energia das vigas, a distância entre as vigas e até o modo de distribuição de energia dos dois feixes de laser, o campo de temperatura de soldagem pode ser conveniente e flexível ajustado, mudando assim a existência de orifícios e o fluxo de metal líquido na piscina fundida, proporcionando uma gama mais ampla de tecnologia de soldas. Não apenas as vantagens da penetração de soldagem a laser, velocidade rápida e alta precisão, mas também têm forte adaptabilidade a materiais e articulações difíceis de soldar com soldagem a laser convencional.
1. Princípio da soldagem a laser de feixe duplo
A soldagem por feixe duplo refere-se ao uso de duas vigas a laser simultaneamente durante o processo de soldagem. Arranjo do feixe, espaçamento do feixe, o ângulo formado pelos dois feixes, a posição de foco e a razão de energia dos dois feixes são parâmetros de configuração relevantes na soldagem a laser de feixe duplo. Geralmente, durante o processo de soldagem, geralmente existem duas maneiras de organizar as vigas duplas. Como mostrado na figura, é organizá -los em série ao longo da direção da soldagem. Esse arranjo pode reduzir a taxa de resfriamento do pool fundido, reduzir a tendência de endurecer a solda e a geração de poros. O outro é organizar as vigas lado a lado ou cruzar em ambos os lados da solda para aumentar a adaptabilidade à lacuna de solda.
Para o sistema de soldagem a laser de feixe duplo organizado em série, existem três mecanismos de soldagem diferentes de acordo com o espaçamento entre os dois feixes.
1)No primeiro mecanismo de soldagem, o espaçamento entre os dois feixes é grande, um feixe tem uma densidade de energia mais alta e se concentra na superfície da peça de trabalho, produzindo pequenos orifícios durante a soldagem; O outro feixe possui uma menor densidade de energia e é usado apenas como fonte de calor para tratamento térmico pré-liquidação ou pós-liquidação. Esse mecanismo de soldagem permite que a taxa de resfriamento do pool de soldagem seja controlada dentro de um determinado intervalo, o que é benéfico para a soldagem de materiais sensíveis à trinca, como aço de alto carbono e aço de liga e também pode melhorar a tenacidade da solda.
2)No segundo mecanismo de soldagem, a distância entre os dois focos a laser é relativamente pequena. Os dois feixes de laser produzem dois pequenos orifícios independentes em uma única piscina fundida, alterando assim o padrão de fluxo do metal fundido. Isso ajuda a impedir defeitos, como protrusão minúscula e solda, e melhorar a formação de solda.
3) No terceiro mecanismo de soldagem, a distância entre as duas vigas a laser é muito pequena e as duas vigas a laser produzem o mesmo buraco de fechadura no pool de soldagem. Comparado com a soldagem a laser de feixe único, este buraco da fechadura é maior em tamanho e não é fácil de fechar, tornando o processo de soldagem mais estável e mais fácil para descarregar gás. Isso é propício para reduzir os poros e respingos e obter soldas contínuas, uniformes e bonitas.
Durante o processo de soldagem, as duas vigas a laser também podem ser definidas em um determinado ângulo, e seu mecanismo de soldagem é semelhante ao mecanismo de soldagem paralelo de feixe duplo. Os resultados do teste mostram que, ao combinar dois feixes de laser OO de alta potência em um ângulo de 30 graus e um espaçamento de 1 ~ 2mm, um buraco de fechadura em forma de funil pode ser obtido. O buraco da fechadura é maior e mais estável, o que pode melhorar efetivamente a qualidade da soldagem. Em aplicações práticas, diferentes combinações de duas vigas a laser podem ser ajustadas de acordo com diferentes condições de soldagem para obter diferentes processos de soldagem.
2. Método de implementação de soldagem a laser com feixe duplo
A saída do feixe duplo pode ser alcançado combinando duas vigas a laser diferentes ou usando um sistema de divisão de feixe óptico para dividir uma viga a laser em duas vigas para soldagem. Para dividir um feixe de laser em duas vigas de diferentes potências, um laser paralelo, um divisor de feixe ou alguns sistemas ópticos especiais podem ser usados. A figura mostra dois princípios de divisão de feixe usando uma lente de foco como divisor de feixe.
Além disso, um refletor pode ser usado como divisor de feixe, e o último refletor no caminho óptico é usado como um divisor de feixe. Esse refletor também é chamado de refletor de cume. Sua superfície de reflexão não é um plano único, mas é composto por dois planos. A interseção das duas superfícies de reflexão está localizada no meio da superfície do espelho, que parece uma linha de crista, como mostrado na figura. Um feixe paralelo é projetado no divisor de feixe, refletido por dois planos em diferentes ângulos em dois feixes, irradiados a posições diferentes na lente de foco e focada para obter duas vigas com uma certa distância na superfície da peça. Alterando o ângulo entre as duas superfícies refletidas e a posição da linha de crista, podem ser obtidas vigas divididas com diferentes comprimentos e arranjos focais.
Quando dois tipos diferentes de vigas a laser são usados para formar um feixe duplo, existem muitas combinações. Um laser de CO2 de alta qualidade com uma distribuição de energia gaussiana pode ser usado para o principal trabalho de soldagem, complementado por um laser semicondutor com uma distribuição de energia retangular para tratamento térmico. Essa combinação é econômica, por um lado, e o poder das duas vigas a laser pode ser ajustado independentemente, por outro. Para diferentes formas de junta, um campo de temperatura ajustável pode ser obtido ajustando a posição sobreposta do laser e o laser semicondutor, que é muito adequado para o controle do processo de soldagem. Além disso, lasers YAG e lasers de CO2 podem ser combinados em vigas duplas para soldagem, lasers contínuos podem ser combinados com lasers pulsados para soldagem, e as vigas focadas podem ser combinadas com vigas desfocadas para soldagem.
3. Princípio da soldagem a laser de feixe duplo
3.1 Soldagem a laser de feixe duplo de folha galvanizada
A folha de aço galvanizada é o material mais usado na indústria automotiva. O ponto de fusão do aço é de cerca de 1500 graus, enquanto o ponto de ebulição do zinco é de apenas 906 graus. Portanto, quando o método de soldagem é adotado, geralmente é gerada uma grande quantidade de vapor de zinco, resultando em um processo de soldagem instável e na formação de poros na solda. Para as juntas da volta, a volatilização da camada galvanizada ocorre não apenas nas superfícies superior e inferior, mas também na interface articular. Durante o processo de soldagem, o vapor de zinco rapidamente se espalha na superfície da piscina derretida em algumas áreas, enquanto o vapor de zinco é difícil de escapar da superfície da piscina derretida em algumas áreas, resultando em qualidade de soldagem extremamente instável.
A soldagem a laser de feixe duplo pode resolver o problema da qualidade da soldagem causado pelo vapor de zinco. Um método é controlar o tempo de permanência e a taxa de resfriamento do pool fundido, combinando razoavelmente a energia dos dois feixes de laser, que são propícios à fuga do vapor de zinco; Outro método é permitir que o vapor de zinco escape através de pré-perfuração ou ranhura. Como mostrado na figura abaixo, um laser de CO2 é usado para soldagem, e um laser YAG na frente do laser de CO2 é usado para perfurar ou ranhura. Os orifícios ou ranhuras pré-processados fornecem um canal de fuga para o vapor de zinco gerado pela soldagem subsequente, impedindo que ele seja retido no pool fundido e formando defeitos.
3.2 Soldagem a laser de feixe duplo de liga de alumínio
Devido às propriedades únicas dos materiais de liga de alumínio, a soldagem a laser tem as seguintes dificuldades: a liga de alumínio tem uma baixa taxa de absorção para o laser, e a refletividade inicial da superfície do feixe de laser de CO2 excede 90%; As soldas a laser de liga de alumínio são propensas a poros e rachaduras durante a soldagem; E há uma perda de elementos de liga durante a soldagem. Quando a soldagem a laser de feixe único é usado, o buraco da fechadura é difícil de formar e difícil de manter a estabilidade. Quando a soldagem a laser de feixe duplo é usado, o tamanho do buraco da fechadura pode ser aumentado para dificultar o fechamento, o que é propício à descarga de gás. Ao mesmo tempo, a taxa de resfriamento pode ser reduzida para reduzir a geração de poros e rachaduras de soldagem. Como o processo de soldagem é mais estável e a quantidade de respingo é reduzida, a formação da superfície da solda obtida pela soldagem de feixe duplo da liga de alumínio também é significativamente melhor que o de feixe único. A figura abaixo mostra a morfologia de juntas de alínea de alumínio de 3 mm de espessura soldadas por feixe de laser de CO2 de feixe único e feixe de laser de feixe duplo.
Estudos mostraram que, quando soldagem de 2 mm de espessura 5 0 0 0, liga de alumínio da série, quando o espaçamento entre as duas feixes é de 0,6 ~ 1,0 mm, o processo de soldagem é relativamente estável, e a abertura do buraco é maior, que é conduciva para a evaporação. Se o espaçamento entre as duas vigas for muito pequeno, o processo de soldagem é semelhante à soldagem de feixe único e não é fácil de ser estável; Se o espaçamento for muito grande, afetará a penetração de soldagem, como mostrado na figura abaixo. Além disso, a razão de energia dos dois feixes também tem um efeito significativo na qualidade da soldagem. Quando os dois feixes são soldados em série com um espaçamento de 0,9 mm, é benéfico aumentar adequadamente a energia do feixe anterior, de modo que a razão de energia dos dois feixes seja maior que 1: 1, o que ajuda a melhorar a qualidade da solda e aumentar a área de fusão. Mesmo a uma velocidade de soldagem mais alta, uma solda suave e bonita pode ser obtida.
3.3 Soldagem por feixe duplo de placas de espessura desiguais
Na produção industrial, geralmente é necessário soldar duas ou mais placas de metal de diferentes espessuras e formas juntas para formar uma placa emendada. Especialmente na fabricação de automóveis, a aplicação de placas emendas está se tornando cada vez mais extensa.
Por placas de soldagem de diferentes especificações, revestimentos de superfície ou propriedades, a força pode ser melhorada, o consumo de energia pode ser reduzido e o peso pode ser reduzido. Na soldagem de placas emendadas, geralmente é usada soldagem a laser de placas de diferentes espessuras. O principal problema é que a peça a ser soldada precisa ser pré-processada com alta precisão de borda e garantir uma montagem de alta precisão. Para placas de espessura desigual, a soldagem de feixe duplo pode se adaptar às diferenças nas lacunas de placas, juntas de bunda, espessuras e materiais relativos e podem soldar placas com tolerâncias de borda e lacunas grandes, melhorando assim a velocidade de soldagem e a qualidade da solda.
Os principais parâmetros do processo de soldagem de feixe duplo de placas de espessura desigual podem ser divididos em parâmetros de soldagem e parâmetros da placa, conforme mostrado na figura. Os parâmetros de soldagem incluem a potência dos dois feixes de laser, velocidade de soldagem, posição focal, ângulo da cabeça de soldagem, ângulo de rotação de feixe das vigas duplas na junta de bunda e desvio de soldagem. Os parâmetros da placa incluem tamanho de material, desempenho, corte de borda e lacuna de placa. O poder dos dois feixes de laser pode ser ajustado separadamente de acordo com diferentes fins de soldagem.
Geralmente, quando o foco está na superfície da placa fina, o processo de soldagem é estável e eficiente. O ângulo da cabeça de soldagem é geralmente selecionado a cerca de 6 graus. Se a espessura das duas placas for grande, um ângulo positivo da cabeça de solda pode ser usado, ou seja, o laser é inclinado em direção à placa fina, como mostrado na figura. Quando a espessura da placa é pequena, um ângulo negativo na cabeça pode ser usado. O desvio de soldagem é definido como a distância entre o foco do laser e a borda da placa grossa. Ao ajustar o desvio de soldagem, a concavidade de solda pode ser reduzida para obter uma boa seção transversal de solda.
Quando as placas de soldagem com lacunas grandes, o diâmetro efetivo do aquecimento do feixe pode ser aumentado girando o ângulo de feixe duplo para obter boas capacidades de enchimento de lacunas. A largura do topo da solda é determinada pelo diâmetro efetivo do feixe dos dois feixes de laser, isto é, pelo ângulo de rotação do feixe. Quanto maior o ângulo de rotação, mais larga a faixa de aquecimento de feixe duplo e maior a largura superior da solda. Os dois feixes de laser desempenham papéis diferentes no processo de soldagem, um feixe é usado principalmente para penetrar na junta e o outro feixe é usado principalmente para derreter o material de placa grossa para preencher a lacuna. Como mostrado na figura abaixo, sob o ângulo de rotação do feixe positivo (a viga frontal atua na placa grossa e o feixe traseiro atua na solda), o feixe dianteiro atinge a placa grossa, aquece o material fundido e as vigas do laser subsequentes produzem penetração. O primeiro feixe de laser na frente pode derreter apenas parcialmente a placa grossa, mas contribui muito para o processo de soldagem, pois não apenas derrete o lado da placa grossa para melhor preencher a lacuna, mas também pré-conecta o material da articulação, facilitando o feixe subsequente para penetrar na articulação, aumentando a velocidade de soldagem. Na soldagem do feixe duplo com um ângulo de rotação negativo (o feixe frontal atua na solda e o feixe traseiro age na placa grossa), os dois vigas do laser atuam de maneiras opostas. O feixe frontal penetra na junta e a feixe traseira derrete a placa grossa e enche o espaço.
Nesse momento, o laser de feixe dianteiro precisa penetrar na placa fria e a velocidade de soldagem é menor que a do ângulo de rotação do feixe positivo. Ao mesmo tempo, devido ao efeito de pré -aquecimento do laser de feixe dianteiro, o laser de feixe traseiro derreterá mais materiais de placa espessa na mesma potência. Neste momento, o poder do segundo feixe de laser deve ser adequadamente reduzido. Em comparação, o ângulo de rotação do feixe positivo pode aumentar adequadamente a velocidade de soldagem, enquanto o ângulo de rotação do feixe negativo pode obter um melhor efeito de enchimento de gap. A figura abaixo mostra o efeito de diferentes ângulos de rotação do feixe na seção transversal da solda.
3.4 Soldagem a laser de feixe duplo de placas grossas
Com a melhoria do nível de potência do laser e da qualidade do feixe, a soldagem espessa a laser de placas se tornou realidade. No entanto, devido ao alto custo de lasers de alta potência e à necessidade geral de enchimento de metal na soldagem espessa de placas, ele está sujeito a certas limitações na produção real. O uso da tecnologia de soldagem a laser de feixe duplo não apenas melhora a potência do laser, mas também aumenta o diâmetro de aquecimento efetivo da viga, aumenta a capacidade de fusão do fio de enchimento, estabiliza o buraco da fechadura do laser, melhora a estabilidade da soldagem e, assim, melhora a qualidade da soldagem.
