De dubbele-straallasmethode wordt voorgesteld, voornamelijk om de aanpasbaarheidsproblemen op te lossen.laserlassenVoor nauwkeurigere assemblage, een betere stabiliteit van het lasproces en een hogere laskwaliteit, met name bij het lassen van dunne platen en aluminiumlegeringen, maakt dubbelstraals laserlassen gebruik van optische methoden om dezelfde laser in twee afzonderlijke lichtbundels te splitsen. Ook kunnen twee verschillende lasertypes gecombineerd worden, zoals een CO2-laser, een Nd:YAG-laser of een krachtige halfgeleiderlaser. Door de energie, de afstand tussen de bundels en zelfs het energieverdelingspatroon van de twee bundels aan te passen, kan het lastemperatuurveld eenvoudig en flexibel worden geregeld. Hierdoor verandert het patroon van de gaten en de stroming van het vloeibare metaal in het smeltbad, wat een betere oplossing biedt voor het lasproces. De enorme keuzevrijheid is ongeëvenaard door enkelstraals laserlassen. Dubbelstraals laserlassen biedt niet alleen de voordelen van een grote laserpenetratie, hoge snelheid en precisie, maar is ook zeer geschikt voor materialen en verbindingen die moeilijk te lassen zijn met conventioneel laserlassen.
Principe vandubbelstraals laserlassen
Dubbelstraallassen betekent dat er tijdens het lasproces twee laserstralen tegelijkertijd worden gebruikt. De opstelling van de stralen, de afstand tussen de stralen, de hoek tussen de twee stralen, de focuspositie en de energieverhouding van de twee stralen zijn allemaal relevante instellingen bij dubbelstraallaserlassen. Normaal gesproken zijn er tijdens het lasproces twee manieren om de dubbele stralen op te stellen. Zoals in de afbeelding te zien is, worden ze in serie langs de lasrichting geplaatst. Deze opstelling kan de afkoelsnelheid van het smeltbad verminderen, waardoor de neiging tot uitharding van de las en de vorming van poriën afneemt. De andere manier is om ze naast elkaar of kruislings aan beide zijden van de las te plaatsen om de aanpassing aan de lasnaad te verbeteren.
Principe van dubbelstraals laserlassen
Dubbelstraallassen betekent dat er tijdens het lasproces twee laserstralen tegelijkertijd worden gebruikt. De opstelling van de stralen, de afstand tussen de stralen, de hoek tussen de twee stralen, de focuspositie en de energieverhouding van de twee stralen zijn allemaal relevante instellingen bij dubbelstraallaserlassen. Normaal gesproken zijn er tijdens het lasproces twee manieren om de dubbele stralen op te stellen. Zoals in de afbeelding te zien is, worden ze in serie langs de lasrichting geplaatst. Deze opstelling kan de afkoelsnelheid van het smeltbad verminderen, waardoor de neiging tot uitharding van de las en de vorming van poriën afneemt. De andere manier is om ze naast elkaar of kruislings aan beide zijden van de las te plaatsen om de aanpassing aan de lasnaad te verbeteren.
Bij een tandem-opstelling van een dubbelstraals laserlassysteem zijn er drie verschillende lasmechanismen, afhankelijk van de afstand tussen de voorste en achterste straal, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding.
1. Bij het eerste type lasmechanisme is de afstand tussen de twee lichtbundels relatief groot. De ene lichtbundel heeft een hogere energiedichtheid en wordt gefocusseerd op het oppervlak van het werkstuk om sleutelgaten in de las te creëren; de andere lichtbundel heeft een lagere energiedichtheid en wordt alleen gebruikt als warmtebron voor voor- of nabewerking. Met dit lasmechanisme kan de afkoelsnelheid van het smeltbad binnen een bepaald bereik worden geregeld, wat gunstig is voor het lassen van materialen met een hoge scheurgevoeligheid, zoals koolstofstaal, gelegeerd staal, enz., en kan ook de taaiheid van de las verbeteren.
2. Bij het tweede type lasmechanisme is de focusafstand tussen de twee lichtbundels relatief klein. De twee lichtbundels creëren twee onafhankelijke sleutelgaten in het smeltbad, waardoor het stromingspatroon van het vloeibare metaal verandert en vastlopen wordt voorkomen. Dit elimineert defecten zoals randen en uitstulpingen in de lasrups en verbetert de lasvorming.
3. Bij het derde type lasmechanisme is de afstand tussen de twee lichtbundels zeer klein. Hierdoor produceren beide lichtbundels hetzelfde sleutelgat in het smeltbad. In vergelijking met laserlassen met één bundel is het sleutelgat groter en sluit het zich minder snel, waardoor het lasproces stabieler is en de gassen gemakkelijker kunnen worden afgevoerd. Dit is gunstig voor het verminderen van poriën en spatten, en het verkrijgen van continue, uniforme en fraaie lassen.
Tijdens het lasproces kunnen de twee laserstralen ook onder een bepaalde hoek ten opzichte van elkaar worden geplaatst. Het lasmechanisme is vergelijkbaar met dat van parallelle dubbele laserstralen. Testresultaten tonen aan dat door gebruik te maken van twee krachtige optische lasers onder een hoek van 30° ten opzichte van elkaar en op een afstand van 1-2 mm, de laserstraal een trechtervormig sleutelgat kan creëren. De sleutelgatgrootte is groter en stabieler, wat de laskwaliteit aanzienlijk verbetert. In de praktijk kan de onderlinge combinatie van de twee lichtstralen worden aangepast aan de verschillende lasomstandigheden om diverse lasprocessen te realiseren.
6. Implementatiemethode van dubbelstraals laserlassen
Het verkrijgen van dubbele lichtbundels kan worden bereikt door twee verschillende laserbundels te combineren, of door één laserbundel te splitsen in twee laserbundels voor lassen met behulp van een optisch spectrometriesysteem. Om een lichtbundel te splitsen in twee parallelle laserbundels met verschillende vermogens, kan een spectroscoop of een speciaal optisch systeem worden gebruikt. De afbeelding toont twee schematische diagrammen van het principe van lichtsplitsing met behulp van focusserende spiegels als bundelsplitsers.
Bovendien kan een reflector ook als straalsplitser worden gebruikt, en de laatste reflector in het optische pad kan als straalsplitser fungeren. Dit type reflector wordt ook wel een dakreflector genoemd. Het reflecterende oppervlak is geen vlak oppervlak, maar bestaat uit twee vlakken. De snijlijn van de twee reflecterende oppervlakken bevindt zich in het midden van het spiegeloppervlak, vergelijkbaar met een daknok, zoals weergegeven in de afbeelding. Een parallelle lichtbundel valt op de spectroscoop, wordt door de twee vlakken onder verschillende hoeken gereflecteerd en vormt twee lichtbundels die op verschillende posities van de focusspiegel vallen. Na focussering worden twee lichtbundels verkregen die zich op een bepaalde afstand van elkaar op het oppervlak van het werkstuk bevinden. Door de hoek tussen de twee reflecterende oppervlakken en de positie van het dak te variëren, kunnen gesplitste lichtbundels met verschillende focusafstanden en configuraties worden verkregen.
Bij gebruik van twee verschillende typenlaserstralen tOm een dubbele laserstraal te vormen, zijn er veel combinaties mogelijk. Een hoogwaardige CO2-laser met een Gaussische energieverdeling kan worden gebruikt voor het hoofdlaswerk, terwijl een halfgeleiderlaser met een rechthoekige energieverdeling kan worden ingezet ter ondersteuning van de warmtebehandeling. Deze combinatie is enerzijds economischer en anderzijds kan het vermogen van de twee lichtstralen onafhankelijk van elkaar worden geregeld. Voor verschillende lasverbindingen kan een regelbaar temperatuurveld worden verkregen door de overlappingspositie van de laser en de halfgeleiderlaser aan te passen, wat zeer geschikt is voor procescontrole bij het lassen. Daarnaast kunnen ook een YAG-laser en een CO2-laser worden gecombineerd tot een dubbele laserstraal, evenals een continue laser en een pulslaser, en een gefocusseerde en een gedefocusseerde laserstraal.
7. Principe van dubbelstraalslaserlassen
3.1 Dubbelstraalslaserlassen van gegalvaniseerde platen
Verzinkt plaatstaal is het meest gebruikte materiaal in de auto-industrie. Het smeltpunt van staal ligt rond de 1500 °C, terwijl het kookpunt van zink slechts 906 °C is. Daarom ontstaat er bij het gebruik van smeltlassen doorgaans een grote hoeveelheid zinkdamp, wat het lasproces instabiel maakt en poriën in de lasnaad vormt. Bij overlappende verbindingen vindt de verdamping van de verzinkte laag niet alleen plaats aan de boven- en onderkant, maar ook aan het lasoppervlak. Tijdens het lasproces ontsnapt de zinkdamp in sommige gebieden snel uit het smeltbad, terwijl het in andere gebieden moeilijk is voor de zinkdamp om te ontsnappen. Aan het oppervlak van het smeltbad is de laskwaliteit daardoor zeer instabiel.
Dubbelstraals laserlassen kan de problemen met de laskwaliteit die worden veroorzaakt door zinkdamp oplossen. Een methode is om de verblijftijd en afkoelsnelheid van het smeltbad te beheersen door de energie van de twee stralen op een redelijke manier op elkaar af te stemmen, waardoor de zinkdamp gemakkelijker kan ontsnappen. Een andere methode is het afvoeren van zinkdamp door middel van voorboren of groeven. Zoals weergegeven in figuur 6-31, wordt een CO2-laser gebruikt voor het lassen. De YAG-laser bevindt zich vóór de CO2-laser en wordt gebruikt om gaten te boren of groeven te snijden. De voorgeboorde gaten of groeven bieden een ontsnappingsroute voor de zinkdamp die tijdens het daaropvolgende lassen ontstaat, waardoor wordt voorkomen dat deze in het smeltbad achterblijft en defecten veroorzaakt.
3.2 Dubbelstraalslaserlassen van aluminiumlegering
Vanwege de speciale prestatie-eigenschappen van aluminiumlegeringen zijn er de volgende moeilijkheden bij het gebruik van laserlassen [39]: aluminiumlegeringen hebben een lage absorptiesnelheid van lasers en de initiële reflectiviteit van het CO2-laserstraaloppervlak is meer dan 90%; laserlasnaden van aluminiumlegeringen vertonen gemakkelijk porositeit en scheuren; verbranding van legeringselementen tijdens het lassen, enz. Bij enkelstraals laserlassen is het moeilijk om een sleutelgat te creëren en de stabiliteit te behouden. Dubbelstraals laserlassen kan de grootte van het sleutelgat vergroten, waardoor het moeilijker wordt om het sleutelgat te sluiten, wat gunstig is voor de gasafvoer. Het kan ook de afkoelsnelheid verlagen en het ontstaan van poriën en lasscheuren verminderen. Omdat het lasproces stabieler is en de hoeveelheid spatten wordt verminderd, is de vorm van het lasoppervlak dat wordt verkregen door dubbelstraals lassen van aluminiumlegeringen ook aanzienlijk beter dan die van enkelstraals lassen. Figuur 6-32 toont het uiterlijk van de lasnaad van 3 mm dikke aluminiumlegering stomplassen met behulp van een CO2-laser met enkele straal en een dubbelstraals laser.
Onderzoek toont aan dat bij het lassen van 2 mm dikke aluminiumlegering uit de 5000-serie, een afstand van 0,6 tot 1,0 mm tussen de twee laserstralen zorgt voor een relatief stabiel lasproces en een grotere sleutelgatopening. Dit bevordert de verdamping en afvoer van magnesium tijdens het lasproces. Bij een te kleine afstand tussen de twee laserstralen is het lasproces van een enkele straal instabiel. Een te grote afstand heeft daarentegen invloed op de laspenetratie, zoals weergegeven in figuur 6-33. Ook de energieverhouding tussen de twee laserstralen heeft een grote invloed op de laskwaliteit. Wanneer twee laserstralen met een tussenruimte van 0,9 mm in serie worden gebruikt, moet de energie van de voorgaande straal zodanig worden verhoogd dat de energieverhouding tussen de twee voorgaande en volgende stralen groter is dan 1:1. Dit draagt bij aan een betere lasnaadkwaliteit, een groter smeltgebied en een gladde, nette lasnaad, zelfs bij een hoge lassnelheid.
3.3 Dubbelstraallassen van platen met ongelijke dikte
In de industriële productie is het vaak nodig om twee of meer metalen platen van verschillende diktes en vormen aan elkaar te lassen om een samengestelde plaat te vormen. Vooral in de automobielindustrie wordt het gebruik van op maat gelaste platen steeds gangbaarder. Door platen met verschillende specificaties, oppervlaktecoatings of eigenschappen aan elkaar te lassen, kan de sterkte worden verhoogd, het materiaalverbruik worden verminderd en de kwaliteit worden verbeterd. Laserlassen van platen van verschillende diktes wordt vaak gebruikt bij het lassen van panelen. Een belangrijk probleem is dat de te lassen platen vooraf moeten worden gevormd met zeer nauwkeurige randen en een zeer nauwkeurige montage moeten garanderen. Het gebruik van dubbelstraallassen van platen met ongelijke diktes maakt het mogelijk om verschillende variaties in plaatafstanden, stompe verbindingen, relatieve diktes en plaatmaterialen op te vangen. Het maakt het mogelijk om platen met grotere rand- en spleettoleranties te lassen en verbetert de lassnelheid en de laskwaliteit.
De belangrijkste procesparameters voor het lassen van platen met ongelijke dikte bij Shuangguangdong kunnen worden onderverdeeld in lasparameters en plaatparameters, zoals weergegeven in de afbeelding. Lasparameters omvatten het vermogen van de twee laserstralen, de lassnelheid, de focuspositie, de hoek van de laskop, de rotatiehoek van de dubbele laserlas en de lasoffset, enz. Plaatparameters omvatten materiaalafmetingen, eigenschappen, afwerkingscondities, plaatopeningen, enz. Het vermogen van de twee laserstralen kan afzonderlijk worden aangepast aan de verschillende lasdoelen. De focuspositie bevindt zich over het algemeen op het oppervlak van de dunne plaat om een stabiel en efficiënt lasproces te bereiken. De hoek van de laskop wordt meestal gekozen rond de 6°. Als de dikte van de twee platen relatief groot is, kan een positieve hoek van de laskop worden gebruikt, dat wil zeggen dat de laser naar de dunne plaat is gekanteld, zoals weergegeven in de afbeelding; wanneer de plaatdikte relatief klein is, kan een negatieve hoek van de laskop worden gebruikt. De lasoffset wordt gedefinieerd als de afstand tussen de laserfocus en de rand van de dikke plaat. Door de lasoffset aan te passen, kan de hoeveelheid lasdeukjes worden verminderd en een goede lasdoorsnede worden verkregen.
Bij het lassen van platen met grote spleten kan de effectieve verwarmingsdiameter van de laserbundel worden vergroot door de hoek van de dubbele laserbundel te roteren, waardoor een goede vulling van de spleten wordt verkregen. De breedte van de bovenkant van de las wordt bepaald door de effectieve diameter van de twee laserbundels, oftewel de rotatiehoek van de bundel. Hoe groter de rotatiehoek, hoe groter het verwarmingsbereik van de dubbele bundel en hoe groter de breedte van het bovenste deel van de las. De twee laserbundels spelen verschillende rollen in het lasproces. De ene wordt voornamelijk gebruikt om de lasnaad te penetreren, terwijl de andere voornamelijk wordt gebruikt om het dikke plaatmateriaal te smelten en de spleten te vullen. Zoals weergegeven in figuur 6-35, valt bij een positieve bundelrotatiehoek (de voorste bundel werkt op de dikke plaat, de achterste bundel op de las) de voorste bundel op de dikke plaat om het materiaal te verwarmen en te smelten, en zorgt de achterste laserbundel voor de penetratie. De eerste laserstraal aan de voorzijde kan de dikke plaat slechts gedeeltelijk smelten, maar draagt aanzienlijk bij aan het lasproces. Deze straal smelt niet alleen de zijkant van de dikke plaat voor een betere vulling van de spleet, maar zorgt ook voor een voorverhitting van het lasmateriaal, waardoor de volgende stralen gemakkelijker door de spleet kunnen lassen en het lasproces sneller verloopt. Bij dubbelstraallassen met een negatieve rotatiehoek (de voorste straal werkt op de las en de achterste straal op de dikke plaat) hebben de twee stralen precies het tegenovergestelde effect. De eerste straal smelt de spleet en de tweede straal smelt de dikke plaat om deze te vullen. In dit geval moet de voorste straal door de koude plaat lassen, waardoor de lassnelheid lager is dan bij gebruik van een positieve rotatiehoek. Bovendien zal de tweede straal, door het voorverwarmingseffect van de eerste straal, bij hetzelfde vermogen meer materiaal van de dikke plaat smelten. In dit geval moet het vermogen van de tweede laserstraal dus worden verlaagd. Kortom, het gebruik van een positieve rotatiehoek kan de lassnelheid verhogen en het gebruik van een negatieve rotatiehoek zorgt voor een betere vulling van de spleet. Figuur 6-36 toont de invloed van verschillende hoekstanden van de laserstraal op de dwarsdoorsnede van de las.
3.4 Dubbelstraals laserlassen van grote, dikke platen Met de verbetering van het laservermogen en de straalkwaliteit is laserlassen van grote, dikke platen een realiteit geworden. Omdat lasers met een hoog vermogen echter duur zijn en het lassen van grote, dikke platen over het algemeen toevoegmateriaal vereist, zijn er bepaalde beperkingen in de praktijk. Het gebruik van dubbelstraals laserlastechnologie kan niet alleen het laservermogen verhogen, maar ook de effectieve straalverwarmingsdiameter vergroten, het vermogen om toevoegmateriaal te smelten verbeteren, het lasergat stabiliseren, de lasstabiliteit verbeteren en de laskwaliteit verhogen.
Geplaatst op: 29 april 2024
