یک روش جوشکاری پرتو دوتایی ارائه شده است ، که عمدتاً برای بهبود سازگاری جوش لیزر به دقت مونتاژ ، افزایش پایداری فرآیند جوش و بهبود کیفیت جوش ها استفاده می شود. این خصوصاً برای جوشکاری صفحات نازک ، آلیاژهای آلومینیوم و سایر مواد مناسب است.
روش جوشکاری پرتو دوتایی عمدتاً برای بهبود سازگاری جوش لیزر به دقت مونتاژ ، افزایش پایداری روند جوشکاری و بهبود کیفیت جوش ها ارائه شده است. مخصوصاً برای جوشکاری صفحات نازک و آلیاژهای آلومینیومی مناسب است. جوش لیزر دو پرتو نه تنها می تواند از روشهای نوری برای تقسیم همان نوع لیزر به دو پرتو لیزر مستقل برای جوشکاری استفاده کند ، بلکه از دو نوع لیزر مختلف برای جوشکاری ترکیبی نیز استفاده می کند. لیزرهای CO2 ، ND: لیزرهای YAG ، لیزرهای نیمه هادی با قدرت بالا و غیره را می توان با یکدیگر ترکیب کرد. با تغییر انرژی تیرها ، فاصله بین تیرها و حتی حالت توزیع انرژی دو پرتوی لیزر ، می توان میدان دمای جوشکاری را به راحتی و انعطاف پذیر تنظیم کرد ، در نتیجه وجود سوراخ ها و جریان فلز مایع در استخر مذاب را تغییر می دهد ، و طیف گسترده تری از گزینه های جوشکاری برای جوشکاری را فراهم می کند ، که توسط LaSer LaSer نابرابر است. این نه تنها از مزایای نفوذ جوشکاری لیزر ، سرعت سریع و دقت بالا برخوردار است ، بلکه سازگاری قوی با مواد و مفاصل دارد که جوشکاری آن با جوشکاری لیزر معمولی دشوار است.
1. اصل جوش لیزر دو پرتو
جوش دوگانه پرتو به استفاده از دو پرتو لیزر به طور همزمان در طی فرآیند جوشکاری اشاره می کند. چیدمان پرتو ، فاصله پرتو ، زاویه ای که توسط دو پرتو ، موقعیت تمرکز و نسبت انرژی این دو پرتو تشکیل شده است ، همه پارامترهای تنظیم مرتبط در جوشکاری لیزر دو پرتو هستند. معمولاً در طی فرآیند جوشکاری ، معمولاً دو روش برای ترتیب تیرهای دوگانه وجود دارد. همانطور که در شکل نشان داده شده است ، یکی این است که آنها را به صورت سری در امتداد جهت جوشکاری ترتیب دهید. این ترتیب می تواند میزان خنک کننده استخر مذاب را کاهش دهد ، تمایل سخت کننده جوش و تولید منافذ را کاهش دهد. مورد دیگر ترتیب دادن تیرها در کنار یا صلیب در هر دو طرف جوش برای افزایش سازگاری با شکاف جوش است.
برای سیستم جوشکاری لیزر دو پرتو که به صورت سری تنظیم شده است ، با توجه به فاصله بین دو تیره ، سه مکانیسم جوشکاری مختلف وجود دارد.
1)در اولین مکانیسم جوشکاری ، فاصله بین این دو پرتو بزرگ است ، یک پرتو دارای چگالی انرژی بالاتری است و روی سطح قطعه کار متمرکز است و سوراخ های کوچکی را در هنگام جوشکاری تولید می کند. پرتو دیگر دارای چگالی انرژی کمتری است و فقط به عنوان منبع گرما برای عملیات حرارتی قبل از جوش یا پس از جوش استفاده می شود. این مکانیسم جوش اجازه می دهد تا میزان خنک کننده استخر جوش در یک محدوده خاص کنترل شود ، که برای جوشکاری مواد حساس به ترک مانند فولاد کربن بالا و فولاد آلیاژ مفید است و همچنین می تواند چقرمگی جوش را بهبود بخشد.
2)در مکانیسم جوش دوم ، فاصله بین دو کانونهای لیزر نسبتاً اندک است. دو پرتو لیزر دو سوراخ کوچک مستقل در یک استخر مذاب منفرد تولید می کنند و از این طریق الگوی جریان فلز مذاب را تغییر می دهند. این امر به جلوگیری از نقص هایی مانند زیربنایی و برآمدگی جوش و بهبود شکل گیری جوش کمک می کند.
3) در مکانیسم جوشکاری سوم ، فاصله بین دو پرتو لیزر بسیار اندک است و دو پرتو لیزر در استخر جوش همان سوراخ کلید را تولید می کنند. در مقایسه با جوشکاری لیزر تک پرتوی ، این سوراخ کلید از نظر اندازه بزرگتر است و بسته شدن آن آسان نیست و باعث می شود روند جوشکاری پایدارتر و آسان تر برای تخلیه گاز باشد. این منجر به کاهش منافذ و پراکنده و به دست آوردن جوش های مداوم ، یکنواخت و زیبا می شود.
در طی فرآیند جوشکاری ، دو پرتو لیزر نیز می تواند با زاویه خاصی تنظیم شود و مکانیسم جوشکاری آن شبیه به مکانیسم جوشکاری دو پرتو موازی است. نتایج آزمایش نشان می دهد که با ترکیب دو پرتوی لیزر OO با قدرت بالا با زاویه 30 درجه و فاصله 1 ~ 2 میلی متر ، می توان یک سوراخ کلید قیف به دست آورد. سوراخ کلید بزرگتر و پایدار است که می تواند به طور موثری کیفیت جوشکاری را بهبود بخشد. در کاربردهای عملی ، ترکیبات مختلف دو پرتو لیزر با توجه به شرایط جوشکاری مختلف برای دستیابی به فرآیندهای مختلف جوشکاری قابل تنظیم است.
2. روش اجرای جوش لیزر دو پرتو
با ترکیب دو پرتوهای مختلف لیزر یا استفاده از یک سیستم تقسیم پرتو نوری برای تقسیم پرتو لیزر به دو تیر برای جوشکاری ، می توان خروجی پرتو دوگانه را بدست آورد. برای تقسیم پرتو لیزر به دو پرتو از قدرت های مختلف ، یک لیزر موازی ، یک شکاف پرتو یا برخی از سیستم های نوری خاص می توان استفاده کرد. شکل دو اصل تقسیم پرتو را با استفاده از لنزهای متمرکز به عنوان شکاف پرتو نشان می دهد.
علاوه بر این ، یک بازتابنده می تواند به عنوان یک تقسیم کننده پرتو استفاده شود و آخرین بازتاب در مسیر نوری به عنوان شکاف پرتو استفاده می شود. این بازتابنده نیز به عنوان بازتابنده ریج نامیده می شود. سطح بازتاب آن یک هواپیمای واحد نیست ، اما از دو هواپیما تشکیل شده است. تقاطع دو سطح بازتاب در وسط سطح آینه واقع شده است که به نظر می رسد مانند یک خط خط الراس است ، همانطور که در شکل نشان داده شده است. یک پرتوی موازی بر روی شکاف پرتو پیش بینی شده است ، که توسط دو هواپیما در زوایای مختلف به دو پرتو منعکس می شود ، به موقعیت های مختلف در لنزهای متمرکز تابش می شود و برای به دست آوردن دو پرتو با فاصله مشخصی در سطح قطعه کار متمرکز شده است. با تغییر زاویه بین دو سطح منعکس کننده و موقعیت خط خط الراس ، می توان پرتوهای تقسیم شده با فاصله و ترتیب کانونی مختلف را بدست آورد.
هنگامی که دو نوع پرتوهای لیزر برای تشکیل پرتو دوگانه استفاده می شود ، ترکیبات زیادی وجود دارد. لیزر CO2 با کیفیت بالا با توزیع انرژی گاوسی می تواند برای کار اصلی جوشکاری استفاده شود ، که توسط یک لیزر نیمه هادی با توزیع انرژی مستطیل شکل برای عملیات حرارتی تکمیل می شود. این ترکیب از یک طرف اقتصادی است و قدرت دو پرتو لیزر از طرف دیگر قابل تنظیم است. برای اشکال مختلف مفصل ، می توان با تنظیم موقعیت همپوشانی لیزر و لیزر نیمه هادی ، یک زمینه دمای قابل تنظیم به دست آورد ، که برای کنترل فرآیند جوشکاری بسیار مناسب است. علاوه بر این ، لیزرهای YAG و لیزرهای CO2 را می توان در پرتوهای دوگانه برای جوشکاری ترکیب کرد ، لیزرهای مداوم را می توان با لیزرهای پالس برای جوشکاری ترکیب کرد و پرتوهای متمرکز را می توان با تیرهای مدفوع برای جوشکاری ترکیب کرد.
3. اصل جوش لیزر دو پرتو
3.1 جوش لیزر دو پرتو از ورق گالوانیزه
ورق فولادی گالوانیزه رایج ترین مواد در صنعت خودرو است. نقطه ذوب فولاد در حدود 1500 درجه است ، در حالی که نقطه جوش روی تنها 906 درجه است. بنابراین ، هنگامی که روش جوشکاری اتخاذ می شود ، معمولاً مقدار زیادی از بخار روی تولید می شود که منجر به یک فرآیند جوشکاری ناپایدار و تشکیل منافذ در جوش می شود. برای اتصالات دامان ، فرار از لایه گالوانیزه نه تنها در سطوح فوقانی و پایین بلکه در رابط مشترک نیز رخ می دهد. در طی فرآیند جوشکاری ، بخار روی به سرعت از سطح استخر مذاب در برخی مناطق اسپری می شود ، در حالی که بخار روی برای فرار از سطح استخر مذاب در برخی مناطق دشوار است و در نتیجه کیفیت جوشکاری بسیار ناپایدار است.
جوش لیزر دو پرتو می تواند مشکل کیفیت جوشکاری ناشی از بخار روی را حل کند. یک روش کنترل زمان اقامت و میزان خنک کننده استخر مذاب با تطبیق معقول انرژی دو پرتوی لیزر است که این امر منجر به فرار بخار روی می شود. روش دیگر اجازه می دهد تا بخار روی از طریق قبل از حفاری یا شیار فرار کند. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است ، از لیزر CO2 برای جوشکاری استفاده می شود و از لیزر YAG در قسمت جلوی لیزر CO2 برای حفاری یا شیار استفاده می شود. سوراخ ها یا شیارهای از پیش پردازش شده کانال فرار برای بخار روی ایجاد شده توسط جوشکاری بعدی را فراهم می کند و از حفظ آن در استخر مذاب و ایجاد نقص جلوگیری می کند.
3.2 جوش لیزر دو پرتو آلیاژ آلومینیوم
با توجه به خواص منحصر به فرد مواد آلیاژ آلومینیوم ، جوشکاری لیزر مشکلات زیر را دارد: آلیاژ آلومینیوم میزان جذب کم برای لیزر دارد و بازتاب اولیه سطح پرتو لیزر CO2 از 90 ٪ است. جوش های لیزر آلیاژ آلومینیوم در هنگام جوشکاری مستعد منافذ و ترک ها هستند. و از بین رفتن عناصر آلیاژ در هنگام جوشکاری وجود دارد. هنگامی که از جوشکاری لیزر تک پرتو استفاده می شود ، شکل گیری کلید دشوار است و حفظ ثبات دشوار است. هنگامی که از جوشکاری لیزر دو پرتو استفاده می شود ، می توان اندازه سوراخ کلید را افزایش داد تا بسته شدن آن دشوار باشد ، که این امر منجر به تخلیه گاز می شود. در عین حال ، برای کاهش تولید منافذ و ترک های جوش ، می توان میزان خنک کننده را کاهش داد. از آنجا که فرآیند جوش پایدارتر است و میزان پراکندگی کاهش می یابد ، تشکیل سطح جوش به دست آمده توسط جوش دوتایی دوگانه آلیاژ آلومینیوم نیز به طور قابل توجهی بهتر از پرتوهای منفرد است. شکل زیر مورفولوژی اتصالات آلیاژ آلومینیوم ضخیم 3 میلی متر را نشان می دهد که توسط پرتو لیزر تک پرتوی CO2 و پرتو لیزر دو پرتو جوش داده شده است.
مطالعات نشان داده است که هنگام جوشکاری 2mm ضخامت 5 0 {5}} 0}}} آلیاژ آلومینیوم سری ، هنگامی که فاصله بین این دو تیره 0.6 ~ 1.0 میلی متر است ، روند جوشکاری نسبتاً پایدار است ، و باز شدن سوراخ کلید در طول جوشکاری در طول جوشکاری و فرار از منفعل است. اگر فاصله بین دو پرتو خیلی کوچک باشد ، روند جوشکاری شبیه به جوشکاری تک پرتو است و پایدار بودن آن آسان نیست. اگر فاصله خیلی بزرگ باشد ، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است ، بر نفوذ جوش تأثیر می گذارد. علاوه بر این ، نسبت انرژی این دو پرتو نیز تأثیر معنی داری بر کیفیت جوشکاری دارد. هنگامی که این دو پرتو به صورت سری با فاصله 0.9 میلی متر جوش داده می شوند ، افزایش مناسب انرژی پرتو قبلی مفید است به طوری که نسبت انرژی این دو پرتو بیشتر از 1: 1 است که به بهبود کیفیت جوش و افزایش ناحیه ذوب کمک می کند. حتی با سرعت جوشکاری بالاتر ، می توان جوش صاف و زیبایی را نیز بدست آورد.
3.3 جوش دو پرتو صفحات ضخامت نابرابر
در تولید صنعتی ، غالباً لازم است دو یا چند صفحه فلزی با ضخامت ها و اشکال مختلف را با هم جوش بخورید تا یک صفحه تقسیم شده ایجاد شود. به خصوص در ساخت خودرو ، استفاده از صفحات شکاف یافته بیشتر و گسترده تر می شود.
با جوشکاری صفحات از مشخصات مختلف ، پوشش های سطح یا خواص در کنار هم ، می توان قدرت را بهبود بخشید ، مصرف انرژی کاهش می یابد و وزن نیز می تواند کاهش یابد. در جوشکاری صفحات تقسیم شده ، معمولاً از جوشکاری لیزر صفحات با ضخامت های مختلف استفاده می شود. مشکل اصلی این است که قطعه کار برای جوشکاری باید با دقت لبه بالا از پیش پردازش شود و مونتاژ با دقت بالا را تضمین کند. برای صفحات با ضخامت نابرابر ، جوش دو پرتو می تواند با تفاوت در شکاف های صفحه ، اتصالات باسن ، ضخامت و مواد نسبی سازگار باشد و می تواند صفحات را با تحمل لبه و شکاف بزرگ جوش دهد ، در نتیجه سرعت جوش و کیفیت جوش را بهبود می بخشد.
پارامترهای اصلی فرآیند جوش دو پرتو دو صفحات با ضخامت نابرابر را می توان به پارامترهای جوش و پارامترهای صفحه تقسیم کرد ، همانطور که در شکل نشان داده شده است. پارامترهای جوش شامل قدرت دو پرتو لیزر ، سرعت جوشکاری ، موقعیت کانونی ، زاویه سر جوش ، زاویه چرخش پرتو از تیرهای دوگانه در مفصل باسن و انحراف جوش است. پارامترهای صفحه شامل اندازه مواد ، عملکرد ، پیرایش لبه و شکاف صفحه است. قدرت دو پرتو لیزر را می توان به طور جداگانه با توجه به اهداف مختلف جوش تنظیم کرد.
معمولاً وقتی تمرکز روی سطح صفحه نازک است ، فرآیند جوش پایدار و کارآمد است. زاویه سر جوش معمولاً در حدود 6 درجه انتخاب می شود. اگر ضخامت دو صفحه بزرگ باشد ، می توان از زاویه سر جوش مثبت استفاده کرد ، یعنی لیزر همانطور که در شکل نشان داده شده به سمت صفحه نازک کج می شود. هنگامی که ضخامت صفحه کوچک است ، می توان از زاویه سر جوش منفی استفاده کرد. انحراف جوش به عنوان فاصله بین فوکوس لیزر و لبه صفحه ضخیم تعریف می شود. با تنظیم انحراف جوشکاری ، می توان برای به دست آوردن یک مقطع جوش خوب ، مقدار جوش جوش را کاهش داد.
هنگام جوشکاری صفحات با شکاف های بزرگ ، با چرخاندن زاویه پرتو دوگانه برای دستیابی به قابلیت های پر کردن شکاف ، می توان قطر گرمایش پرتوی مؤثر را افزایش داد. عرض بالای جوش توسط قطر پرتو مؤثر دو پرتو لیزر ، یعنی با زاویه چرخش پرتو تعیین می شود. هرچه زاویه چرخش بزرگتر باشد ، دامنه گرمایش پرتو دوگانه و گسترده تر از عرض بالا جوش است. این دو پرتو لیزر در فرآیند جوشکاری نقش های مختلفی ایفا می کنند ، یک پرتو عمدتاً برای نفوذ به مفصل استفاده می شود و از پرتو دیگر عمدتاً برای ذوب شدن مواد صفحه ضخیم برای پر کردن شکاف استفاده می شود. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است ، در زیر زاویه چرخش پرتو مثبت (پرتو جلو روی صفحه ضخیم عمل می کند و پرتو عقب روی جوش عمل می کند) ، پرتو جلو به صفحه ضخیم برخورد می کند ، مواد مذاب را گرم می کند و پرتوهای لیزر متعاقب آن نفوذ می کند. اولین پرتو لیزر در جلو فقط می تواند تا حدی صفحه ضخیم را ذوب کند ، اما به فرآیند جوشکاری کمک زیادی می کند زیرا نه تنها طرف صفحه ضخیم را ذوب می کند تا شکاف را بهتر پر کند ، بلکه از قبل اتصال مواد مشترک را نیز به همراه دارد ، و همچنین باعث می شود که پرتوی بعدی برای نفوذ به مفصل آسان شود و در نتیجه سرعت جوش را افزایش می دهد. در جوش دوتایی با زاویه چرخش منفی (پرتو جلو بر روی جوش عمل می کند و پرتو عقب روی صفحه ضخیم عمل می کند) ، دو پرتو لیزر به روش های مخالف عمل می کنند. پرتو جلو به مفصل نفوذ می کند و پرتو عقب صفحه ضخیم را ذوب می کند و شکاف را پر می کند.
در این زمان ، لیزر پرتو جلو نیاز به نفوذ به صفحه سرد دارد و سرعت جوش از زاویه چرخش پرتو مثبت پایین تر است. در عین حال ، به دلیل اثر پیش گرم شدن لیزر پرتو جلو ، لیزر پرتو عقب مواد صفحه ضخیم تری را با همان قدرت ذوب می کند. در این زمان ، قدرت پرتو لیزر دوم باید به طور مناسب کاهش یابد. در مقایسه ، زاویه چرخش پرتو مثبت می تواند سرعت جوش را به طور مناسب افزایش دهد ، در حالی که زاویه چرخش پرتو منفی می تواند به اثر پر کردن شکاف بهتر برسد. شکل زیر تأثیر زاویه های مختلف چرخش پرتو را بر روی مقطع جوش نشان می دهد.
3.4 جوش لیزر دو پرتو صفحات ضخیم
با بهبود سطح قدرت لیزر و کیفیت پرتو ، جوشکاری لیزر صفحه ضخیم به واقعیت تبدیل شده است. با این حال ، با توجه به هزینه بالای لیزرهای با قدرت بالا و نیاز عمومی به پر شدن فلز در جوشکاری صفحه ضخیم ، در تولید واقعی محدودیت های خاصی دارد. استفاده از فناوری جوشکاری لیزر دو پرتو نه تنها قدرت لیزر را بهبود می بخشد بلکه قطر گرمایش مؤثر پرتو را افزایش می دهد ، ظرفیت ذوب سیم پرکننده را افزایش می دهد ، سوراخ کلید لیزر را تثبیت می کند ، ثبات جوش را بهبود می بخشد و در نتیجه کیفیت جوشکاری را بهبود می بخشد.
