Phương pháp hàn hai chùm tia được đề xuất chủ yếu nhằm giải quyết khả năng thích ứng củahàn laserđể lắp ráp chính xác, nâng cao tính ổn định của quá trình hàn và nâng cao chất lượng mối hàn, đặc biệt là hàn tấm mỏng và hàn hợp kim nhôm. Hàn laser hai chùm tia có thể sử dụng phương pháp quang học để tách cùng một tia laser thành hai chùm ánh sáng riêng biệt để hàn. Nó cũng có thể sử dụng hai loại laser khác nhau để kết hợp, laser CO2, laser Nd: YAG và laser bán dẫn công suất cao. có thể được kết hợp. Bằng cách thay đổi năng lượng chùm tia, khoảng cách chùm tia và thậm chí cả kiểu phân bố năng lượng của hai chùm tia, trường nhiệt độ hàn có thể được điều chỉnh một cách thuận tiện và linh hoạt, thay đổi kiểu tồn tại của các lỗ và kiểu dòng chảy của kim loại lỏng trong bể nóng chảy. , mang lại giải pháp tốt hơn cho quá trình hàn. Không gian lựa chọn rộng lớn không thể so sánh được với phương pháp hàn laser chùm tia đơn. Nó không chỉ có ưu điểm là độ xuyên hàn laser lớn, tốc độ nhanh và độ chính xác cao mà còn có khả năng thích ứng tuyệt vời với các vật liệu và mối nối khó hàn bằng hàn laser thông thường.
Nguyên tắc củahàn laser hai chùm tia
Hàn chùm tia kép nghĩa là sử dụng hai chùm tia laser cùng một lúc trong quá trình hàn. Sự sắp xếp chùm tia, khoảng cách chùm tia, góc giữa hai chùm tia, vị trí lấy nét và tỷ lệ năng lượng của hai chùm tia đều là những cài đặt có liên quan trong hàn laser hai chùm tia. tham số. Thông thường, trong quá trình hàn thường có hai cách bố trí dầm đôi. Như thể hiện trong hình, một cái được sắp xếp nối tiếp dọc theo hướng hàn. Sự sắp xếp này có thể làm giảm tốc độ làm mát của bể nóng chảy. Giảm xu hướng cứng lại của mối hàn và sự hình thành các lỗ rỗng. Cách khác là sắp xếp chúng cạnh nhau hoặc chéo trên hai mặt của mối hàn để nâng cao khả năng thích ứng với khe hở mối hàn.
Nguyên lý hàn laser chùm tia đôi
Hàn chùm tia kép nghĩa là sử dụng hai chùm tia laser cùng một lúc trong quá trình hàn. Sự sắp xếp chùm tia, khoảng cách chùm tia, góc giữa hai chùm tia, vị trí lấy nét và tỷ lệ năng lượng của hai chùm tia đều là những cài đặt có liên quan trong hàn laser hai chùm tia. tham số. Thông thường, trong quá trình hàn thường có hai cách bố trí dầm đôi. Như thể hiện trong hình, một cái được sắp xếp nối tiếp dọc theo hướng hàn. Sự sắp xếp này có thể làm giảm tốc độ làm mát của bể nóng chảy. Giảm xu hướng cứng lại của mối hàn và sự hình thành các lỗ rỗng. Cách khác là sắp xếp chúng cạnh nhau hoặc chéo trên hai mặt của mối hàn để nâng cao khả năng thích ứng với khe hở mối hàn.
Đối với hệ thống hàn laser hai chùm tia được sắp xếp song song, có ba cơ chế hàn khác nhau tùy thuộc vào khoảng cách giữa chùm tia phía trước và phía sau, như minh họa trong hình bên dưới.
1. Trong cơ chế hàn loại thứ nhất, khoảng cách giữa hai chùm ánh sáng tương đối lớn. Một chùm ánh sáng có mật độ năng lượng lớn hơn và tập trung vào bề mặt phôi để tạo ra các lỗ khóa trong mối hàn; chùm ánh sáng kia có mật độ năng lượng nhỏ hơn. Chỉ được sử dụng làm nguồn nhiệt để xử lý nhiệt trước hoặc sau hàn. Sử dụng cơ chế hàn này, tốc độ làm mát của bể hàn có thể được kiểm soát trong một phạm vi nhất định, điều này có lợi cho việc hàn một số vật liệu có độ nhạy nứt cao, chẳng hạn như thép cacbon cao, thép hợp kim, v.v., đồng thời cũng có thể cải thiện độ dẻo dai của mối hàn.
2. Ở loại cơ cấu hàn thứ hai, khoảng cách lấy nét giữa hai chùm sáng tương đối nhỏ. Hai chùm ánh sáng tạo ra hai lỗ khóa độc lập trong bể hàn, làm thay đổi mô hình dòng chảy của kim loại lỏng và giúp ngăn ngừa hiện tượng kẹt. Nó có thể loại bỏ sự xuất hiện của các khuyết tật như các cạnh và chỗ phồng của mối hàn và cải thiện sự hình thành mối hàn.
3. Trong cơ chế hàn loại thứ ba, khoảng cách giữa hai chùm ánh sáng rất nhỏ. Lúc này, hai chùm ánh sáng tạo ra cùng một lỗ khóa trong bể hàn. So với hàn laser chùm tia đơn, do kích thước lỗ khóa trở nên lớn hơn và không dễ đóng nên quá trình hàn ổn định hơn và khí thoát ra dễ dàng hơn, có lợi cho việc giảm lỗ chân lông và văng tung tóe, đồng thời thu được liên tục, đồng đều và mối hàn đẹp.
Trong quá trình hàn, hai chùm tia laser cũng có thể được chế tạo ở một góc nhất định với nhau. Cơ chế hàn tương tự như cơ chế hàn dầm đôi song song. Kết quả thử nghiệm cho thấy bằng cách sử dụng hai OO công suất cao có góc 30° với nhau và khoảng cách 1 ~ 2 mm, chùm tia laser có thể thu được lỗ khóa hình phễu. Kích thước lỗ khóa lớn hơn và ổn định hơn, có thể cải thiện hiệu quả chất lượng hàn. Trong các ứng dụng thực tế, sự kết hợp lẫn nhau của hai chùm ánh sáng có thể được thay đổi tùy theo các điều kiện hàn khác nhau để đạt được các quy trình hàn khác nhau.
6. Phương pháp thực hiện hàn laser hai chùm tia
Việc thu được chùm tia kép có thể thu được bằng cách kết hợp hai chùm tia laser khác nhau hoặc một chùm tia laser có thể được chia thành hai chùm tia laser để hàn bằng hệ thống quang phổ quang học. Để tách một chùm ánh sáng thành hai chùm tia laser song song có công suất khác nhau, có thể sử dụng máy quang phổ hoặc một hệ thống quang học đặc biệt nào đó. Hình ảnh thể hiện hai sơ đồ nguyên lý phân tách ánh sáng sử dụng gương hội tụ làm bộ tách chùm tia.
Ngoài ra, tấm phản xạ cũng có thể được sử dụng làm bộ tách chùm và tấm phản xạ cuối cùng trong đường quang có thể được sử dụng làm bộ tách chùm. Loại gương phản xạ này còn được gọi là gương phản xạ kiểu mái nhà. Bề mặt phản chiếu của nó không phải là một bề mặt phẳng mà bao gồm hai mặt phẳng. Đường giao nhau của hai bề mặt phản chiếu nằm ở giữa mặt gương, giống như một đường gờ mái nhà như hình vẽ. Một chùm ánh sáng song song chiếu lên máy quang phổ, bị phản xạ bởi hai mặt phẳng ở các góc khác nhau tạo thành hai chùm ánh sáng và chiếu vào các vị trí khác nhau của gương hội tụ. Sau khi tập trung, hai chùm ánh sáng thu được ở một khoảng cách nhất định trên bề mặt phôi. Bằng cách thay đổi góc giữa hai bề mặt phản xạ và vị trí của mái nhà, có thể thu được các chùm ánh sáng phân tách với khoảng cách lấy nét và cách sắp xếp khác nhau.
Khi sử dụng hai loại khác nhauchùm tia lasero tạo thành chùm đôi, có nhiều cách kết hợp. Có thể sử dụng laser CO2 chất lượng cao với phân bố năng lượng Gaussian cho công việc hàn chính và có thể sử dụng laser bán dẫn có phân bổ năng lượng hình chữ nhật để hỗ trợ công việc xử lý nhiệt. Một mặt, sự kết hợp này kinh tế hơn. Mặt khác, công suất của hai chùm sáng có thể được điều chỉnh độc lập. Đối với các dạng khớp khác nhau, có thể thu được trường nhiệt độ có thể điều chỉnh bằng cách điều chỉnh vị trí chồng chéo của tia laser và tia laser bán dẫn, rất phù hợp cho hàn. Kiểm soát quá trình. Ngoài ra, laser YAG và laser CO2 cũng có thể được kết hợp thành chùm tia kép để hàn, laser liên tục và laser xung có thể được kết hợp để hàn, và cũng có thể kết hợp chùm tia hội tụ và chùm tia lệch tâm để hàn.
7. Nguyên lý hàn laser hai chùm tia
3.1 Hàn laser hai chùm tia cho tấm mạ kẽm
Thép tấm mạ kẽm là vật liệu được sử dụng phổ biến nhất trong ngành công nghiệp ô tô. Điểm nóng chảy của thép là khoảng 1500°C, trong khi điểm sôi của kẽm chỉ là 906°C. Vì vậy, khi sử dụng phương pháp hàn nóng chảy thường sinh ra một lượng lớn hơi kẽm khiến quá trình hàn không ổn định. , hình thành lỗ rỗng trong mối hàn. Đối với các mối nối chồng, sự bay hơi của lớp mạ kẽm không chỉ xảy ra ở bề mặt trên và dưới mà còn xảy ra ở bề mặt mối nối. Trong quá trình hàn, hơi kẽm nhanh chóng thoát ra khỏi bề mặt bể nóng chảy ở một số khu vực, trong khi ở một số khu vực khác hơi kẽm khó thoát ra khỏi bể nóng chảy. Trên bề mặt bể, chất lượng mối hàn rất không ổn định.
Hàn laser chùm tia đôi có thể giải quyết các vấn đề về chất lượng hàn do hơi kẽm gây ra. Một phương pháp là kiểm soát thời gian tồn tại và tốc độ làm nguội của bể nóng chảy bằng cách kết hợp hợp lý năng lượng của hai chùm tia để tạo điều kiện cho hơi kẽm thoát ra ngoài; phương pháp khác là Giải phóng hơi kẽm bằng cách đục lỗ trước hoặc tạo rãnh. Như minh họa trong Hình 6-31, laser CO2 được sử dụng để hàn. Laser YAG nằm phía trước laser CO2 và được sử dụng để khoan lỗ hoặc cắt rãnh. Các lỗ hoặc rãnh được xử lý trước cung cấp đường thoát cho hơi kẽm sinh ra trong quá trình hàn tiếp theo, ngăn không cho nó tồn tại trong bể nóng chảy và hình thành các khuyết tật.
3.2 Hàn laser hợp kim nhôm hai chùm tia
Do đặc tính hiệu suất đặc biệt của vật liệu hợp kim nhôm, nên có những khó khăn sau khi sử dụng hàn laser [39]: hợp kim nhôm có tỷ lệ hấp thụ tia laser thấp và độ phản xạ ban đầu của bề mặt chùm tia laser CO2 vượt quá 90%; đường hàn laser hợp kim nhôm dễ tạo ra độ xốp, vết nứt; đốt cháy các nguyên tố hợp kim trong quá trình hàn, v.v. Khi sử dụng hàn laser đơn lẻ, rất khó để thiết lập lỗ khóa và duy trì sự ổn định. Hàn laser hai chùm tia có thể làm tăng kích thước lỗ khóa, khiến lỗ khóa khó đóng lại, có lợi cho việc xả khí. Nó cũng có thể làm giảm tốc độ làm mát và giảm sự xuất hiện của lỗ chân lông và vết nứt hàn. Do quá trình hàn ổn định hơn và lượng tia bắn tung tóe giảm nên hình dạng bề mặt mối hàn thu được khi hàn hợp kim nhôm hai chùm tia cũng tốt hơn đáng kể so với hàn một chùm tia. Hình 6-32 thể hiện hình dáng đường hàn của hàn giáp mép hợp kim nhôm dày 3 mm sử dụng tia laser đơn CO2 và hàn laser hai chùm tia.
Nghiên cứu cho thấy khi hàn hợp kim nhôm dòng 5000 dày 2mm, khi khoảng cách giữa hai dầm là 0,6 ~ 1,0mm, quá trình hàn tương đối ổn định và lỗ khóa hình thành lớn hơn, có lợi cho sự bay hơi và thoát ra của magie trong quá trình hàn. quá trình hàn. Nếu khoảng cách giữa hai dầm quá nhỏ thì quá trình hàn một dầm sẽ không ổn định. Nếu khoảng cách quá lớn, độ xuyên thấu của mối hàn sẽ bị ảnh hưởng, như trong Hình 6-33. Ngoài ra, tỷ số năng lượng của hai chùm tia cũng ảnh hưởng lớn đến chất lượng mối hàn. Khi hai dầm có khoảng cách 0,9 mm được bố trí nối tiếp để hàn thì năng lượng của dầm trước phải được tăng thích hợp sao cho tỷ số năng lượng của hai dầm trước và sau lớn hơn 1 : 1. Giúp cải thiện chất lượng đường hàn, tăng diện tích nóng chảy mà vẫn thu được đường hàn mịn, đẹp khi tốc độ hàn cao.
3.3 Hàn dầm đôi các tấm có độ dày không bằng nhau
Trong sản xuất công nghiệp thường phải hàn hai hoặc nhiều tấm kim loại có độ dày và hình dạng khác nhau để tạo thành một tấm ghép. Đặc biệt trong sản xuất ô tô, việc ứng dụng phôi hàn theo yêu cầu ngày càng trở nên phổ biến. Bằng cách hàn các tấm có thông số kỹ thuật, lớp phủ bề mặt hoặc đặc tính khác nhau, độ bền có thể tăng lên, giảm vật tư tiêu hao và giảm chất lượng. Hàn laser các tấm có độ dày khác nhau thường được sử dụng trong hàn bảng. Một vấn đề lớn là các tấm được hàn phải được tạo hình trước với các cạnh có độ chính xác cao và đảm bảo lắp ráp có độ chính xác cao. Việc sử dụng phương pháp hàn hai chùm tia cho các tấm có độ dày không đồng đều có thể thích ứng với những thay đổi khác nhau về khe hở tấm, mối nối đối đầu, độ dày tương đối và vật liệu tấm. Nó có thể hàn các tấm có dung sai cạnh và khe hở lớn hơn, đồng thời cải thiện tốc độ hàn và chất lượng mối hàn.
Các thông số quy trình chính của quá trình hàn các tấm có độ dày không bằng nhau của Shuangguangdong có thể được chia thành các thông số hàn và thông số tấm, như trong hình. Các thông số hàn bao gồm công suất của hai chùm tia laser, tốc độ hàn, vị trí lấy nét, góc đầu hàn, góc quay chùm tia của mối nối giáp mép hai chùm tia và độ lệch hàn, v.v. Các thông số của bảng bao gồm kích thước vật liệu, hiệu suất, điều kiện cắt tỉa, các khe hở của bảng , v.v. Công suất của hai chùm tia laser có thể được điều chỉnh riêng biệt tùy theo các mục đích hàn khác nhau. Vị trí lấy nét thường nằm trên bề mặt của tấm mỏng để đạt được quá trình hàn ổn định và hiệu quả. Góc đầu hàn thường được chọn khoảng 6. Nếu độ dày của hai tấm tương đối lớn, có thể sử dụng góc đầu hàn dương, tức là tia laser nghiêng về phía tấm mỏng như trong hình; khi độ dày tấm tương đối nhỏ, có thể sử dụng góc đầu hàn âm. Khoảng bù hàn được định nghĩa là khoảng cách giữa tiêu điểm laser và mép của tấm dày. Bằng cách điều chỉnh độ lệch hàn, có thể giảm bớt vết lõm mối hàn và có thể thu được mặt cắt ngang mối hàn tốt.
Khi hàn các tấm có khe hở lớn, bạn có thể tăng đường kính gia nhiệt chùm tia hiệu quả bằng cách xoay góc chùm tia kép để có được khả năng lấp đầy khe hở tốt. Chiều rộng của đỉnh mối hàn được xác định bởi đường kính chùm tia hiệu dụng của hai chùm tia laser, tức là góc quay của chùm tia. Góc quay càng lớn thì phạm vi gia nhiệt của dầm đôi càng rộng và chiều rộng của phần trên của mối hàn càng lớn. Hai chùm tia laser đóng vai trò khác nhau trong quá trình hàn. Một loại chủ yếu được sử dụng để xuyên qua đường may, trong khi loại còn lại chủ yếu được sử dụng để làm tan chảy vật liệu tấm dày để lấp đầy khoảng trống. Như trên Hình 6-35, dưới góc quay của chùm tia dương (dầm trước tác dụng lên tấm dày, chùm tia phía sau tác dụng lên mối hàn), chùm tia phía trước chiếu vào tấm dày để làm nóng và làm nóng chảy vật liệu, và sau đây Chùm tia laser tạo ra sự xuyên thấu. Chùm tia laser đầu tiên ở phía trước chỉ có thể làm nóng chảy một phần tấm dày, nhưng nó góp phần rất lớn vào quá trình hàn, bởi vì nó không chỉ làm nóng chảy mặt bên của tấm dày để lấp đầy khe hở tốt hơn mà còn nối trước vật liệu mối nối sao cho các dầm sau Việc hàn qua các mối nối sẽ dễ dàng hơn, cho phép hàn nhanh hơn. Trong hàn hai chùm tia có góc quay âm (dầm trước tác dụng lên mối hàn, chùm tia sau tác dụng lên tấm dày) thì hai chùm tia có tác dụng hoàn toàn trái ngược nhau. Chùm trước làm nóng chảy mối nối, và chùm sau làm tan chảy tấm dày để lấp đầy nó. khoảng cách. Trong trường hợp này, chùm tia phía trước bắt buộc phải hàn qua tấm nguội và tốc độ hàn chậm hơn so với sử dụng góc quay chùm tia dương. Và do hiệu ứng làm nóng trước của chùm tia trước, chùm tia sau sẽ làm nóng chảy vật liệu tấm dày hơn dưới cùng một công suất. Trong trường hợp này, công suất của chùm tia laser sau phải được giảm đi một cách thích hợp. So sánh, sử dụng góc xoay chùm tia dương có thể tăng tốc độ hàn một cách thích hợp và sử dụng góc xoay chùm tia âm có thể đạt được khả năng lấp đầy khoảng trống tốt hơn. Hình 6-36 cho thấy ảnh hưởng của các góc quay khác nhau của chùm tia lên mặt cắt ngang của mối hàn.
3.4 Hàn laser hai chùm tia cho các tấm dày lớn Với sự cải thiện về mức công suất và chất lượng chùm tia laser, việc hàn laser các tấm dày lớn đã trở thành hiện thực. Tuy nhiên, do laser công suất cao đắt tiền và việc hàn các tấm dày lớn thường yêu cầu kim loại phụ nên có một số hạn chế nhất định trong sản xuất thực tế. Việc sử dụng công nghệ hàn laser chùm tia kép không chỉ có thể tăng công suất laser mà còn tăng đường kính gia nhiệt chùm tia hiệu quả, tăng khả năng làm nóng chảy dây phụ, ổn định lỗ khóa laser, cải thiện độ ổn định hàn và cải thiện chất lượng hàn.
Thời gian đăng: 29-04-2024
