Geleneksel kaynak teknolojisiyle karşılaştırıldığında,lazer kaynağıKaynaklama hassasiyeti, verimliliği, güvenilirliği, otomasyonu ve diğer yönlerden benzersiz avantajlara sahiptir. Son yıllarda otomotiv, enerji, elektronik ve diğer alanlarda hızla gelişmiş olup, 21. yüzyılın en umut vadeden üretim teknolojilerinden biri olarak kabul edilmektedir.
1. Çift kirişli sistemin genel görünümülazer kaynağı
Çift ışınlılazer kaynağıAynı lazeri kaynak için iki ayrı ışın demetine ayırmak için optik yöntemler kullanmak veya CO2 lazeri, Nd:YAG lazeri ve yüksek güçlü yarı iletken lazer gibi iki farklı lazer türünü birleştirmek mümkündür. Hepsi birleştirilebilir. Esas olarak lazer kaynağının montaj doğruluğuna uyarlanabilirliğini çözmek, kaynak işleminin kararlılığını artırmak ve kaynak kalitesini iyileştirmek için önerilmiştir. Çift ışınlı kaynaklazer kaynağıLazer ışınlarının enerji oranını, ışın aralığını ve hatta iki lazer ışınının enerji dağılım modelini değiştirerek kaynak sıcaklık alanını rahat ve esnek bir şekilde ayarlayabilir, kaynak havuzundaki sıvı metalin akış modelini ve kaynak deliğinin oluşum modelini değiştirebilir. Daha geniş bir kaynak işlemi seçeneği sunar. Sadece geniş bir yelpazede avantaj sağlamakla kalmaz.lazer kaynağıYüksek nüfuz gücü, hızlı kaynak hızı ve yüksek hassasiyetinin yanı sıra, geleneksel yöntemlerle kaynak yapılması zor olan malzemeler ve bağlantılar için de uygundur.lazer kaynağı.
çift ışınlı içinlazer kaynağıÖncelikle çift ışınlı lazerin uygulama yöntemlerini ele alacağız. Kapsamlı literatür, çift ışınlı kaynak elde etmenin iki ana yolu olduğunu göstermektedir: iletim odaklama ve yansıtma odaklama. Spesifik olarak, bunlardan biri, odaklama aynaları ve kolimatör aynaları aracılığıyla iki lazerin açısını ve aralığını ayarlayarak elde edilir. Diğeri ise, bir lazer kaynağı kullanarak ve ardından çift ışın elde etmek için yansıtıcı aynalar, geçirgen aynalar ve kama şeklindeki aynalar aracılığıyla odaklama yaparak elde edilir. Birinci yöntem için, esas olarak üç biçim vardır. Birinci biçim, iki lazeri optik fiberler aracılığıyla birleştirmek ve aynı kolimatör aynası ve odaklama aynası altında iki farklı ışına ayırmaktır. İkincisi, iki lazerin kendi kaynak başlıklarından lazer ışınları çıkarması ve kaynak başlıklarının uzamsal konumunu ayarlayarak çift ışın oluşturulmasıdır. Üçüncü yöntem ise, lazer ışınının önce 1 ve 2 numaralı iki ayna aracılığıyla ayrılması ve ardından sırasıyla 3 ve 4 numaralı iki odaklama aynası tarafından odaklanmasıdır. İki odak noktası arasındaki konum ve mesafe, 3 ve 4 numaralı iki odaklama aynasının açıları ayarlanarak düzenlenebilir. İkinci yöntem ise, çift ışın elde etmek için ışığı bölmek üzere katı hal lazeri kullanmak ve açıyı ve aralığı bir perspektif aynası ve bir odaklama aynası aracılığıyla ayarlamaktır. Aşağıdaki ilk satırdaki son iki resim, bir CO2 lazerinin spektroskopik sistemini göstermektedir. Düz ayna, kama şeklinde bir ayna ile değiştirilir ve ışığı bölmek ve çift ışınlı paralel ışık elde etmek için odaklama aynasının önüne yerleştirilir.
Çift kirişlerin uygulanmasını anladıktan sonra, kaynak prensipleri ve yöntemlerine kısaca değinelim. Çift kiriştelazer kaynağıKaynak işleminde, seri düzenleme, paralel düzenleme ve hibrit düzenleme olmak üzere üç yaygın kaynak demeti düzenlemesi vardır. Kumaşta, yani hem kaynak yönünde hem de kaynak dikey yönünde bir mesafe vardır. Şeklin son satırında gösterildiği gibi, seri kaynak işlemi sırasında farklı nokta aralıklarında ortaya çıkan küçük deliklerin ve erimiş havuzların farklı şekillerine göre, bunlar daha da tekli erimiş havuzlara ayrılabilir. Üç durum vardır: ortak erimiş havuz, ortak erimiş havuz ve ayrılmış erimiş havuz. Tekli erimiş havuz ve ayrılmış erimiş havuzun özellikleri, tekli erimiş havuzun özelliklerine benzerdir.lazer kaynağıSayısal simülasyon diyagramında gösterildiği gibi, farklı tipler için farklı işlem etkileri vardır.
Tip 1: Belirli bir nokta aralığı altında, iki ışın deliği aynı erimiş havuzda ortak büyük bir delik oluşturur; Tip 1 için, bir ışının küçük bir delik oluşturmak için, diğer ışının ise kaynak ısıl işlemi için kullanıldığı ve bunun yüksek karbonlu çelik ve alaşımlı çeliğin yapısal özelliklerini etkili bir şekilde iyileştirebileceği bildirilmiştir.
Tip 2: Aynı erimiş havuzda nokta aralığını artırın, iki ışını iki bağımsız anahtar deliğine ayırın ve erimiş havuzun akış düzenini değiştirin; Tip 2 için, işlevi iki elektron ışınlı kaynak işlemine eşdeğerdir, uygun odak uzaklığında kaynak sıçramasını ve düzensiz kaynakları azaltır.
Tip 3: Nokta aralığını daha da artırın ve iki ışının enerji oranını değiştirin; böylece iki ışından biri kaynak işlemi sırasında ön kaynak veya son kaynak işlemlerini gerçekleştirmek için ısı kaynağı olarak kullanılırken, diğer ışın küçük delikler oluşturmak için kullanılır. Tip 3 için yapılan çalışmada, iki ışının bir anahtar deliği oluşturduğu, küçük deliğin kolayca çökmediği ve kaynakta gözenek oluşmasının kolay olmadığı tespit edilmiştir.
2. Kaynak işleminin kaynak kalitesi üzerindeki etkisi
Seri ışın-enerji oranının kaynak dikişi oluşumuna etkisi
Lazer gücü 2 kW, kaynak hızı 45 mm/s, odaklama miktarı 0 mm ve ışın aralığı 3 mm olduğunda, RS (RS= 0,50, 0,67, 1,50, 2,00) değiştirildiğinde kaynak yüzeyinin şekli şekilde gösterilmiştir. RS=0,50 ve 2,00 olduğunda, kaynak daha fazla çukurlaşır ve kaynak kenarında daha fazla sıçrama olur, düzenli balık pulu desenleri oluşmaz. Bunun nedeni, ışın enerji oranı çok küçük veya çok büyük olduğunda, lazer enerjisinin çok yoğunlaşması, kaynak işlemi sırasında lazer iğne deliğinin daha ciddi şekilde salınmasına neden olması ve buharın geri tepme basıncının erimiş havuzdaki metalin dışarı atılmasına ve sıçramasına neden olmasıdır; aşırı ısı girişi, alüminyum alaşım tarafındaki erimiş havuzun penetrasyon derinliğinin çok büyük olmasına ve yerçekimi etkisi altında bir çöküntüye neden olur. RS=0,67 ve 1,50 olduğunda, kaynak yüzeyindeki balık pulu deseni düzgündür, kaynak şekli daha güzeldir ve kaynak yüzeyinde görünür sıcak kaynak çatlakları, gözenekler ve diğer kaynak kusurları yoktur. Farklı ışın enerjisi oranları RS'ye sahip kaynakların kesit şekilleri şekilde gösterilmiştir. Kaynakların kesiti tipik bir "şarap kadehi" şeklindedir ve bu da kaynak işleminin lazer derin penetrasyon kaynak modunda gerçekleştirildiğini gösterir. RS, alüminyum alaşım tarafındaki kaynağın penetrasyon derinliği P2 üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Işın enerjisi oranı RS=0,5 olduğunda, P2 1203,2 mikrondur. Işın enerjisi oranı RS=0,67 ve 1,5 olduğunda, P2 önemli ölçüde azalır ve sırasıyla 403,3 mikron ve 93,6 mikrondur. Işın enerjisi oranı RS=2 olduğunda, birleşim kesitinin kaynak penetrasyon derinliği 1151,6 mikrondur.
Paralel ışın-enerji oranının kaynak dikişi oluşumuna etkisi
Lazer gücü 2,8 kW, kaynak hızı 33 mm/s, odaklama miktarı 0 mm ve ışın aralığı 1 mm olduğunda, ışın enerji oranı (RS=0,25, 0,5, 0,67, 1,5, 2, 4) değiştirilerek elde edilen kaynak yüzeyinin görünümü şekilde gösterilmiştir. RS=2 olduğunda, kaynak yüzeyindeki balık pulu deseni nispeten düzensizdir. Diğer beş farklı ışın enerji oranıyla elde edilen kaynak yüzeyi iyi şekillendirilmiştir ve gözenek ve sıçrama gibi görünür kusurlar yoktur. Bu nedenle, seri çift ışınlı kaynakla karşılaştırıldığında,lazer kaynağıParalel çift ışınlar kullanılarak elde edilen kaynak yüzeyi daha düzgün ve güzeldir. RS=0,25 olduğunda kaynakta hafif bir çöküntü oluşur; ışın enerjisi oranı kademeli olarak arttıkça (RS=0,5, 0,67 ve 1,5), kaynak yüzeyi düzgünleşir ve çöküntü oluşmaz; ancak ışın enerjisi oranı daha da arttığında (RS=1,50, 2,00), kaynak yüzeyinde çöküntüler oluşur. Işın enerjisi oranı RS=0,25, 1,5 ve 2 olduğunda, kaynağın kesit şekli "şarap kadehi şeklinde"dir; RS=0,50, 0,67 ve 1 olduğunda, kaynağın kesit şekli "huni şeklinde"dir. RS=4 olduğunda, kaynağın alt kısmında çatlaklar oluşmasının yanı sıra, kaynağın orta ve alt kısımlarında da bazı gözenekler oluşur. RS=2 olduğunda, kaynak içinde büyük işlem gözenekleri oluşur, ancak çatlak oluşmaz. RS=0,5, 0,67 ve 1,5 olduğunda, alüminyum alaşım tarafındaki kaynak penetrasyon derinliği P2 daha küçüktür ve kaynak kesiti iyi şekillenmiştir ve belirgin kaynak kusurları oluşmamıştır. Bu durum, paralel çift ışınlı lazer kaynağı sırasında ışın enerji oranının kaynak penetrasyonu ve kaynak kusurları üzerinde de önemli bir etkiye sahip olduğunu göstermektedir.
Paralel kiriş – kiriş aralığının kaynak dikişi oluşumuna etkisi
Lazer gücü 2,8 kW, kaynak hızı 33 mm/s, odaklama miktarı 0 mm ve ışın enerji oranı RS=0,67 iken, ışın aralığı (d=0,5 mm, 1 mm, 1,5 mm, 2 mm) değiştirilerek resimde gösterilen kaynak yüzeyi morfolojisi elde edilmiştir. d=0,5 mm, 1 mm, 1,5 mm, 2 mm değerlerinde kaynak yüzeyi pürüzsüz ve düz olup şekli güzeldir; kaynak üzerindeki balık pulu deseni düzenli ve güzeldir ve görünür gözenek, çatlak ve diğer kusurlar yoktur. Bu nedenle, dört ışın aralığı koşulu altında kaynak yüzeyi iyi bir şekilde oluşturulmuştur. Ayrıca, d=2 mm olduğunda iki farklı kaynak oluşmuştur; bu da iki paralel lazer ışınının artık erimiş bir havuz üzerinde etkili olmadığını ve etkili bir çift ışınlı lazer hibrit kaynağı oluşturamadığını göstermektedir. Işın aralığı 0,5 mm olduğunda, kaynak "huni şeklinde" olur, alüminyum alaşım tarafındaki kaynak penetrasyon derinliği P2 712,9 mikrondur ve kaynak içinde çatlak, gözenek ve diğer kusurlar bulunmaz. Işın aralığı artmaya devam ettikçe, alüminyum alaşım tarafındaki kaynak penetrasyon derinliği P2 önemli ölçüde azalır. Işın aralığı 1 mm olduğunda, alüminyum alaşım tarafındaki kaynak penetrasyon derinliği sadece 94,2 mikrondur. Işın aralığı daha da arttıkça, kaynak alüminyum alaşım tarafında etkili bir penetrasyon oluşturmaz. Bu nedenle, ışın aralığı 0,5 mm olduğunda, çift ışınlı rekombinasyon etkisi en iyidir. Işın aralığı arttıkça, kaynak ısı girdisi keskin bir şekilde azalır ve çift ışınlı lazer rekombinasyon etkisi giderek kötüleşir.
Kaynak morfolojisindeki farklılık, kaynak işlemi sırasında erimiş havuzun farklı akış ve soğuma katılaşmasından kaynaklanmaktadır. Sayısal simülasyon yöntemi, erimiş havuzun gerilim analizini daha sezgisel hale getirmekle kalmaz, aynı zamanda deney maliyetini de azaltır. Aşağıdaki resim, tek ışınlı, farklı düzenlemeler ve nokta aralıklarıyla yan erimiş havuzdaki değişiklikleri göstermektedir. Başlıca sonuçlar şunlardır: (1) Tek ışınlı kaynak sırasındalazer kaynağıBu süreçte, erimiş havuz deliğinin derinliği en fazla olduğunda, delik çökmesi fenomeni meydana gelir, delik duvarı düzensizdir ve delik duvarına yakın akış alanı dağılımı eşit değildir; erimiş havuzun arka yüzeyine yakın yerlerde geri akış güçlüdür ve erimiş havuzun dibinde yukarı doğru geri akış vardır; yüzey erimiş havuzunun akış alanı dağılımı nispeten düzgün ve yavaştır ve erimiş havuzun genişliği derinlik yönünde eşit değildir. Çift ışınlı yapıda küçük delikler arasındaki erimiş havuzda duvar geri tepme basıncından kaynaklanan bir bozulma vardır.lazer kaynağıve her zaman küçük deliklerin derinlik yönü boyunca mevcuttur. İki ışın arasındaki mesafe artmaya devam ettikçe, ışının enerji yoğunluğu kademeli olarak tek tepeden çift tepe durumuna geçer. İki tepe arasında minimum bir değer vardır ve enerji yoğunluğu kademeli olarak azalır. (2) Çift ışın içinlazer kaynağıNokta aralığı 0-0,5 mm olduğunda, erimiş havuzdaki küçük deliklerin derinliği biraz azalır ve genel erimiş havuz akış davranışı tek ışınlı akışa benzer.lazer kaynağı(3) Nokta aralığı 1 mm'nin üzerinde olduğunda, küçük delikler tamamen ayrılır ve kaynak işlemi sırasında iki lazer arasında neredeyse hiç etkileşim olmaz; bu, 1750 W gücünde iki ardışık/iki paralel tek ışınlı lazer kaynağına eşdeğerdir. Neredeyse hiç ön ısıtma etkisi yoktur ve erimiş havuzun akış davranışı tek ışınlı lazer kaynağına benzer. (3) Nokta aralığı 0,5-1 mm olduğunda, iki düzenlemede de küçük deliklerin duvar yüzeyi daha düzdür, küçük deliklerin derinliği kademeli olarak azalır ve taban kademeli olarak ayrılır. Küçük delikler ile yüzey erimiş havuzunun akışı arasındaki bozulma 0,8 mm'de en güçlüdür. Seri kaynak için, erimiş havuzun uzunluğu kademeli olarak artar, genişliği nokta aralığı 0,8 mm olduğunda en büyüktür ve ön ısıtma etkisi nokta aralığı 0,8 mm olduğunda en belirgindir. Marangoni kuvvetinin etkisi kademeli olarak zayıflar ve daha fazla metal sıvısı erimiş havuzun her iki tarafına akar. Erime genişliği dağılımını daha homojen hale getirin. Paralel kaynak için, erime havuzunun genişliği kademeli olarak artar ve uzunluğu 0,8 mm'de maksimuma ulaşır, ancak ön ısıtma etkisi yoktur; Marangoni kuvveti nedeniyle yüzeye yakın geri akış her zaman mevcuttur ve küçük deliğin dibindeki aşağı doğru geri akış kademeli olarak kaybolur; kesitsel akış alanı seri kaynaklardaki kadar iyi değildir, bozulma erime havuzunun her iki tarafındaki akışı neredeyse hiç etkilemez ve erime genişliği düzensiz dağılır.
Yayın tarihi: 12 Ekim 2023
