Vergeleken met traditionele lastechnologie,laserlassenHet heeft ongeëvenaarde voordelen op het gebied van lasnauwkeurigheid, efficiëntie, betrouwbaarheid, automatisering en andere aspecten. De afgelopen jaren heeft het zich snel ontwikkeld in de automobielindustrie, energiesector, elektronica en andere sectoren, en wordt het beschouwd als een van de meest veelbelovende productietechnologieën van de 21e eeuw.
1. Overzicht van dubbelstraals verlichtinglaserlassen
Dubbele balklaserlassenHet doel is om met optische methoden dezelfde laser in twee afzonderlijke lichtbundels te splitsen voor het lassen, of om twee verschillende soorten lasers te combineren, zoals een CO2-laser, een Nd:YAG-laser en een krachtige halfgeleiderlaser. Al deze combinaties zijn mogelijk. Het is met name bedoeld om de aanpasbaarheid van laserlassen aan de assemblageprecisie te verbeteren, de stabiliteit van het lasproces te verhogen en de kwaliteit van de las te verbeteren. Dubbele laserbundellaserlassenHet lastemperatuurveld kan gemakkelijk en flexibel worden aangepast door de energieverhouding van de laserbundels, de afstand tussen de bundels en zelfs het energieverdelingspatroon van de twee laserbundels te wijzigen. Hierdoor verandert het patroon van de sleutelgatvorming en het stromingspatroon van het vloeibare metaal in het smeltbad. Dit biedt een bredere keuze aan lasprocessen. Het heeft niet alleen de voordelen van een grotelaserlassenHet biedt een hoge penetratiediepte, snelheid en precisie, maar is ook geschikt voor materialen en verbindingen die moeilijk te lassen zijn met conventionele lasmethoden.laserlassen.
Voor dubbelstraalslaserlassenWe bespreken eerst de implementatiemethoden van dubbelstraallasers. Uit de literatuur blijkt dat er twee belangrijke manieren zijn om dubbelstraallassen te realiseren: transmissiefocussering en reflectiefocussering. De eerste methode wordt bereikt door de hoek en de afstand tussen twee lasers aan te passen met behulp van focusseer- en collimatiespiegels. De tweede methode maakt gebruik van een laserbron die vervolgens wordt gefocusseerd door middel van reflecterende, transmissie- en wigvormige spiegels om een dubbele straal te verkrijgen. Voor de eerste methode zijn er hoofdzakelijk drie varianten. De eerste variant is het koppelen van twee lasers via optische vezels en het splitsen ervan in twee verschillende stralen onder dezelfde collimatiespiegel en focusseerspiegel. De tweede variant is dat twee lasers laserstralen uitzenden via hun respectievelijke laskoppen, en een dubbele straal wordt gevormd door de positie van de laskoppen aan te passen. De derde variant is dat de laserstraal eerst wordt gesplitst door twee spiegels 1 en 2, en vervolgens respectievelijk wordt gefocusseerd door twee focusseerspiegels 3 en 4. De positie en afstand tussen de twee focuspunten kunnen worden aangepast door de hoeken van de twee focusspiegels 3 en 4 te verstellen. De tweede methode maakt gebruik van een solid-state laser om het licht te splitsen en zo twee bundels te creëren, waarbij de hoek en de afstand tussen de bundels worden aangepast met behulp van een perspectiefspiegel en een focusspiegel. De laatste twee afbeeldingen in de eerste rij hieronder tonen het spectroscopische systeem van een CO2-laser. De vlakke spiegel is vervangen door een wigvormige spiegel die voor de focusspiegel is geplaatst om het licht te splitsen en zo twee parallelle lichtbundels te verkrijgen.
Na het begrijpen van de implementatie van dubbele balken, zullen we de lasprincipes en -methoden kort toelichten. Bij de dubbele balklaserlassenBij dit proces zijn er drie gangbare straalconfiguraties, namelijk seriële, parallelle en hybride configuraties. Er is een afstand in zowel de lasrichting als de verticale lasrichting. Zoals weergegeven in de laatste rij van de afbeelding, kunnen de verschillende vormen van de kleine gaatjes en smeltbaden die ontstaan bij verschillende puntafstanden tijdens het seriële lasproces verder worden onderverdeeld in afzonderlijke smeltbaden. Er zijn drie toestanden: smeltbad, gemeenschappelijk smeltbad en gescheiden smeltbad. De kenmerken van een enkel smeltbad en een gescheiden smeltbad zijn vergelijkbaar met die van een enkel smeltbad.laserlassenZoals weergegeven in het diagram van de numerieke simulatie. Er zijn verschillende proceseffecten voor verschillende typen.
Type 1: Bij een bepaalde afstand tussen de lichtbundels vormen twee sleutelgaten één groot sleutelgat in hetzelfde smeltbad; bij type 1 wordt naar verluidt één lichtbundel gebruikt om een klein gat te creëren en de andere lichtbundel voor de warmtebehandeling tijdens het lassen, wat de structurele eigenschappen van koolstofstaal en gelegeerd staal effectief kan verbeteren.
Type 2: Vergroot de afstand tussen de punten in hetzelfde smeltbad, scheid de twee stralen in twee onafhankelijke sleutelgaten en verander het stromingspatroon van het smeltbad; de functie van type 2 is equivalent aan lassen met twee elektronenstralen, waardoor lasspatten en onregelmatige lassen bij de juiste brandpuntsafstand worden verminderd.
Type 3: Vergroot de afstand tussen de laserstralen verder en verander de energieverhouding van de twee stralen, zodat één van de twee stralen als warmtebron wordt gebruikt voor voor- of nabewerking tijdens het lasproces, en de andere straal wordt gebruikt om kleine gaatjes te creëren. Bij type 3 bleek uit onderzoek dat de twee stralen een sleutelgat vormen, dat het kleine gaatje niet snel instort en dat er minder snel poriën in de las ontstaan.
2. De invloed van het lasproces op de laskwaliteit
Effect van de seriële bundelenergieverhouding op de vorming van de lasnaad
Bij een laservermogen van 2 kW, een lassnelheid van 45 mm/s, een defocus van 0 mm en een straalafstand van 3 mm, is de vorm van het lasoppervlak bij variërende RS (RS = 0,50, 0,67, 1,50, 2,00) zoals weergegeven in de afbeelding. Bij RS = 0,50 en 2,00 is de las sterker ingedeukt en is er meer spatvorming aan de rand van de las, zonder dat er een regelmatig visschubpatroon ontstaat. Dit komt doordat bij een te kleine of te grote straalenergieverhouding de laserenergie te geconcentreerd is, waardoor de laseropening tijdens het lasproces sterker gaat oscilleren. Bovendien zorgt de terugslagdruk van de stoom ervoor dat het gesmolten metaal uit het smeltbad wordt gespoten en opspatten. Een te hoge warmte-input zorgt ervoor dat de indringdiepte van het smeltbad aan de aluminiumlegeringszijde te groot is, waardoor er onder invloed van de zwaartekracht een deuk ontstaat. Bij RS=0,67 en 1,50 is het visschubpatroon op het lasoppervlak uniform, is de lasvorm mooier en zijn er geen zichtbare lasscheuren, poriën of andere lasdefecten op het lasoppervlak. De dwarsdoorsnedevormen van de lassen met verschillende bundelenergieverhoudingen RS zijn weergegeven in de afbeelding. De dwarsdoorsnede van de lassen heeft een typische "wijnglasvorm", wat aangeeft dat het lasproces wordt uitgevoerd in de laser-diepdoorlamodus. RS heeft een belangrijke invloed op de indringdiepte P2 van de las aan de aluminiumlegeringszijde. Bij een bundelenergieverhouding RS=0,5 is P2 1203,2 micrometer. Bij bundelenergieverhoudingen RS=0,67 en 1,5 is P2 aanzienlijk kleiner, respectievelijk 403,3 micrometer en 93,6 micrometer. Bij een bundelenergieverhouding RS=2 is de indringdiepte van de las in de dwarsdoorsnede 1151,6 micrometer.
Effect van de verhouding tussen parallelle bundelenergie en de vorming van de lasnaad.
Bij een laservermogen van 2,8 kW, een lassnelheid van 33 mm/s, een defocus van 0 mm en een straalafstand van 1 mm, wordt het lasoppervlak verkregen door de straalenergieverhouding te variëren (RS=0,25, 0,5, 0,67, 1,5, 2, 4). Het uiterlijk is weergegeven in de afbeelding. Bij RS=2 is het visschubpatroon op het lasoppervlak relatief onregelmatig. Het lasoppervlak verkregen met de andere vijf verschillende straalenergieverhoudingen is goed gevormd en vertoont geen zichtbare defecten zoals poriën en spatten. Daarom is deze methode, vergeleken met serieel dubbelstraallassen, beter.laserlassenBij gebruik van parallelle dubbele laserstralen is het lasoppervlak uniformer en mooier. Bij RS=0,25 is er een lichte deuk in de las; naarmate de energieverhouding van de laserstralen geleidelijk toeneemt (RS=0,5, 0,67 en 1,5), wordt het lasoppervlak uniformer en ontstaan er geen deuken; echter, wanneer de energieverhouding van de laserstralen verder toeneemt (RS=1,50, 2,00), ontstaan er wel deuken op het lasoppervlak. Bij een energieverhouding van de laserstralen van RS=0,25, 1,5 en 2 heeft de dwarsdoorsnede van de las de vorm van een wijnglas; bij RS=0,50, 0,67 en 1 heeft de dwarsdoorsnede de vorm van een trechter. Bij RS=4 ontstaan er niet alleen scheuren aan de onderkant van de las, maar ook poriën in het midden en onderste deel van de las. Bij RS=2 verschijnen er grote procesporiën in de las, maar geen scheuren. Bij RS=0,5, 0,67 en 1,5 is de indringdiepte P2 van de las aan de aluminiumlegeringszijde kleiner, is de dwarsdoorsnede van de las goed gevormd en zijn er geen duidelijke lasfouten. Dit toont aan dat de energieverhouding van de laserbundels tijdens parallel dubbelstraals laserlassen ook een belangrijke invloed heeft op de laspenetratie en de lasfouten.
Parallelle balk – het effect van de balkafstand op de vorming van de lasnaad
Bij een laservermogen van 2,8 kW, een lassnelheid van 33 mm/s, een defocus van 0 mm en een bundelenergieverhouding RS = 0,67, wordt de lasoppervlakmorfologie verkregen door de bundelafstand te variëren (d = 0,5 mm, 1 mm, 1,5 mm, 2 mm). Bij d = 0,5 mm, 1 mm, 1,5 mm en 2 mm is het lasoppervlak glad en vlak, met een mooie vorm. Het visgraatpatroon van de las is regelmatig en fraai, zonder zichtbare poriën, scheuren of andere defecten. Onder deze vier bundelafstanden is het lasoppervlak dus goed gevormd. Bij d = 2 mm ontstaan er twee verschillende lassen, wat aangeeft dat de twee parallelle laserbundels niet langer op een smeltbad inwerken en geen effectief hybride laserlassen met dubbele bundel mogelijk maken. Bij een straalafstand van 0,5 mm is de las "trechtervormig", de indringdiepte P2 van de las aan de aluminiumlegeringszijde is 712,9 micron en er zijn geen scheuren, poriën of andere defecten in de las. Naarmate de straalafstand verder toeneemt, neemt de indringdiepte P2 van de las aan de aluminiumlegeringszijde aanzienlijk af. Bij een straalafstand van 1 mm is de indringdiepte van de las aan de aluminiumlegeringszijde slechts 94,2 micron. Bij een verdere toename van de straalafstand vormt de las geen effectieve indringing meer aan de aluminiumlegeringszijde. Daarom is het dubbele-straalrecombinatie-effect het beste bij een straalafstand van 0,5 mm. Naarmate de straalafstand toeneemt, neemt de warmte-inbreng tijdens het lassen sterk af en wordt het dubbele-straalrecombinatie-effect geleidelijk slechter.
Het verschil in lasmorfologie wordt veroorzaakt door de verschillende stroming en afkoeling van het smeltbad tijdens het lasproces. De numerieke simulatiemethode kan niet alleen de spanningsanalyse van het smeltbad intuïtiever maken, maar ook de experimentele kosten verlagen. De onderstaande afbeelding toont de veranderingen in het smeltbad aan de zijkant bij een enkele lasstraal, verschillende opstellingen en puntafstanden. De belangrijkste conclusies zijn: (1) Tijdens de enkele lasstraallaserlassenTijdens het proces is de diepte van het smeltbadgat het grootst, er treedt een fenomeen van gatinstorting op, de gatwand is onregelmatig en de stromingsveldverdeling nabij de gatwand is ongelijkmatig; nabij het achteroppervlak van het smeltbad is de terugvloei sterk en is er opwaartse terugvloei aan de bodem van het smeltbad; de stromingsveldverdeling van het smeltbadoppervlak is relatief uniform en traag, en de breedte van het smeltbad is ongelijkmatig in de diepterichting. Er is verstoring door wandterugstootdruk in het smeltbad tussen de kleine gaten in de dubbelbalk.laserlassenen het bestaat altijd langs de diepterichting van de kleine gaten. Naarmate de afstand tussen de twee bundels blijft toenemen, gaat de energiedichtheid van de bundel geleidelijk over van een enkele piek naar een dubbele piek. Er is een minimumwaarde tussen de twee pieken, en de energiedichtheid neemt geleidelijk af. (2) Voor dubbele bundellaserlassenWanneer de afstand tussen de spots 0-0,5 mm is, neemt de diepte van de kleine gaatjes in het smeltbad iets af en is het algehele stromingsgedrag van het smeltbad vergelijkbaar met dat van een enkele straal.laserlassenWanneer de spotafstand groter is dan 1 mm, zijn de kleine gaten volledig gescheiden en is er tijdens het lasproces vrijwel geen interactie tussen de twee lasers, wat overeenkomt met twee opeenvolgende/twee parallelle laserlassen met een vermogen van 1750 W. Er is vrijwel geen voorverwarmingseffect en het stromingsgedrag van het smeltbad is vergelijkbaar met dat van laserlassen met een enkele straal. (3) Wanneer de spotafstand 0,5-1 mm is, is het wandoppervlak van de kleine gaten in beide opstellingen vlakker, neemt de diepte van de kleine gaten geleidelijk af en scheidt de bodem zich geleidelijk. De verstoring tussen de kleine gaten en de stroming van het smeltbad aan het oppervlak is het sterkst bij 0,8 mm. Bij serielassen neemt de lengte van het smeltbad geleidelijk toe, de breedte is het grootst bij een spotafstand van 0,8 mm en het voorverwarmingseffect is het duidelijkst bij een spotafstand van 0,8 mm. Het effect van de Marangoni-kracht neemt geleidelijk af en er stroomt meer vloeibaar metaal naar beide zijden van het smeltbad. Zorg voor een gelijkmatigere verdeling van de smeltbreedte. Bij parallel lassen neemt de breedte van het smeltbad geleidelijk toe en bereikt de lengte een maximum van 0,8 mm, maar er is geen voorverwarmingseffect; de terugvloei nabij het oppervlak, veroorzaakt door de Marangoni-kracht, blijft aanwezig en de neerwaartse terugvloei onderin het kleine gat verdwijnt geleidelijk; het dwarsdoorsnede-stromingsveld is niet zo goed als bij serielassen, verstoringen hebben nauwelijks invloed op de stroming aan beide zijden van het smeltbad en de smeltbreedte is ongelijkmatig verdeeld.
Geplaatst op: 12 oktober 2023
