従来の溶接技術と比較して、レーザー溶接溶接の精度、効率、信頼性、自動化などの面で比類のない利点を持っています。近年、自動車、エネルギー、エレクトロニクス等の分野で急速に発展しており、21世紀で最も期待される製造技術の一つと考えられています。
1. ダブルビームの概要レーザー溶接
ダブルビームレーザー溶接溶接には、光学的方法を使用して同じレーザーを 2 つの別々の光ビームに分離するか、CO2 レーザー、Nd:YAG レーザー、高出力半導体レーザーなどの 2 つの異なる種類のレーザーを組み合わせて使用します。すべて組み合わせることができます。これは主に、アセンブリ精度に対するレーザー溶接の適合性を解決し、溶接プロセスの安定性を向上させ、溶接の品質を向上させるために提案されました。ダブルビームレーザー溶接2 つのレーザー ビームのビーム エネルギー比、ビーム間隔、さらにはエネルギー分布パターンを変更することで、キーホールの存在パターンと溶融池内の液体金属の流動パターンを変更することで、溶接温度場を便利かつ柔軟に調整できます。溶接プロセスの幅広い選択肢を提供します。大きいというメリットだけではなく、レーザー溶接溶け込み、高速、高精度を実現しながら、従来の溶接では困難な材質や継手にも適しています。レーザー溶接.
ダブルビーム用レーザー溶接では、まずダブルビームレーザーの実装方法について説明します。包括的な文献によると、ダブルビーム溶接を実現するには、透過集束と反射集束という 2 つの主な方法があることが示されています。具体的には、1 つは集束ミラーとコリメート ミラーを介して 2 つのレーザーの角度と間隔を調整することによって実現されます。もう 1 つは、レーザー光源を使用し、反射ミラー、透過ミラー、くさび形ミラーを介して集束してデュアル ビームを実現することによって実現されます。最初の方法には、主に 3 つの形式があります。最初の形式は、光ファイバーを介して 2 つのレーザーを結合し、同じコリメート ミラーと集束ミラーの下で 2 つの異なるビームに分割します。 2つ目は、2つのレーザーがそれぞれの溶接ヘッドからレーザービームを出力し、溶接ヘッドの空間的位置を調整することでダブルビームを形成することです。 3 番目の方法は、レーザー ビームが最初に 2 つのミラー 1 および 2 を通して分割され、次に 2 つの集束ミラー 3 および 4 によってそれぞれ集束されます。 2 つの焦点間の位置と距離は、2 つの集光ミラー 3 と 4 の角度を調整することによって調整できます。2 番目の方法は、固体レーザーを使用して光を分割してデュアルビームを実現し、角度と角度を調整することです。透視鏡と集光鏡を介した間隔。以下の最初の行の最後の 2 つの写真は、CO2 レーザーの分光システムを示しています。平面ミラーをくさび形ミラーに置き換え、集光ミラーの前に配置して光を分割し、デュアルビーム平行光を実現します。
ダブルビームの実装を理解した後、溶接の原理と方法を簡単に紹介しましょう。ダブルビームでレーザー溶接このプロセスでは、3 つの一般的なビーム配置、つまり直列配置、並列配置、およびハイブリッド配置があります。つまり、溶接方向と溶接垂直方向の両方に距離があります。図の最後の行に示すように、連続溶接プロセス中にさまざまなスポット間隔で現れる小さな穴と溶融池のさまざまな形状に応じて、それらはさらに単一の溶融物に分割できます。プール、共通溶融プール、分離溶融プールの 3 つの状態があります。単一溶融池と分離溶融池の特性は単一溶融池の特性と類似しています。レーザー溶接数値シミュレーション図に示すように。タイプごとに異なるプロセス効果があります。
タイプ 1: 特定のスポット間隔の下で、2 つのビーム鍵穴が同じ溶融池内に共通の大きな鍵穴を形成します。タイプ 1 の場合、一方の光ビームは小さな穴を作成するために使用され、もう一方の光ビームは溶接熱処理に使用され、高炭素鋼および合金鋼の構造特性を効果的に改善できることが報告されています。
タイプ 2: 同じ溶融池内のスポット間隔を増やし、2 本のビームを 2 つの独立した鍵穴に分離し、溶融池の流れパターンを変更します。タイプ 2 の場合、その機能は 2 電子ビーム溶接と同等であり、適切な焦点距離で溶接スパッタと不規則な溶接を低減します。
タイプ 3: スポット間隔をさらに広げて 2 つのビームのエネルギー比を変更し、2 つのビームの一方を溶接プロセス中に溶接前または溶接後処理を実行するための熱源として使用し、もう一方のビームを熱源として使用します。小さな穴を生成するために使用されます。タイプ 3 の場合、研究では 2 本の梁が鍵穴を形成し、小さな穴は崩れにくく、溶接部に気孔が発生しにくいことがわかりました。
2. 溶接プロセスが溶接品質に及ぼす影響
溶接シーム形成に対するシリアルビームエネルギー比の影響
レーザパワー2kW、溶接速度45mm/s、デフォーカス量0mm、ビーム間隔3mmのとき、RS(RS=0.50、0.67、1.50、2.00)を変化させたときの溶接面形状は以下のようになります。図に示されています。 RS=0.50、2.00の場合、溶接部のへこみが大きくなり、溶接部端のスパッタが多くなり、規則的な魚鱗模様が形成されなくなります。これは、ビームエネルギー比が小さすぎたり大きすぎたりすると、レーザーエネルギーが集中しすぎて、溶接プロセス中にレーザーピンホールの振動が大きくなり、蒸気の反動圧力によって溶融金属の噴出や飛散が発生するためです。溶融池内の金属をプールします。入熱が過剰になると、アルミニウム合金側の溶融池の溶け込み深さが大きくなりすぎ、重力の作用により凹みが発生します。 RS=0.67、1.50の場合、溶接面の魚鱗模様が均一になり、溶接形状がより美しくなり、溶接面に溶接熱割れや気孔などの溶接欠陥が目立ちません。ビームエネルギー比 RS が異なる溶接部の断面形状は図のようになります。溶接の断面は典型的な「ワイングラスの形状」になっており、溶接プロセスがレーザー深溶け込み溶接モードで実行されたことを示しています。 RS は、アルミニウム合金側の溶接の溶け込み深さ P2 に重要な影響を与えます。ビームエネルギー比ＲＳ＝０．５の場合、Ｐ２は１２０３．２ミクロンである。ビームエネルギー比が RS=0.67 および 1.5 の場合、P2 は大幅に減少し、それぞれ 403.3 ミクロンおよび 93.6 ミクロンになります。ビームエネルギー比 RS=2 の場合、継手断面の溶け込み深さは 1151.6 ミクロンです。
平行ビームのエネルギー比が溶接シームの形成に及ぼす影響
レーザ出力2.8kW、溶接速度33mm/s、デフォーカス量0mm、ビーム間隔1mmのとき、ビームエネルギー比（RS=0.25、0.5、0.67、1.5）を変化させて溶接面を求めます。 , 2, 4) 外観は図のとおりです。 RS=2 の場合、溶接表面の魚鱗模様は比較的不規則になります。他の 5 つの異なるビーム エネルギー比で得られた溶接の表面は良好に形成されており、気孔やスパッタなどの目に見える欠陥はありません。したがって、シリアルデュアルビームと比較して、レーザー溶接、平行デュアルビームを使用した溶接表面はより均一で美しいです。 RS=0.25 の場合、溶接部にわずかな窪みが生じます。ビームエネルギー比が徐々に増加するにつれて (RS=0.5、0.67、1.5)、溶接の表面は均一になり、凹みは形成されません。ただし、ビームエネルギー比がさらに増加すると（RS=1.50、2.00）、溶接の表面にくぼみが生じます。ビームエネルギー比 RS=0.25、1.5、2 の場合、溶接部の断面形状は「ワイングラス形状」になります。 RS=0.50、0.67、1の場合、溶接部の断面形状は「漏斗状」になります。 RS=4の場合、溶接部底部に亀裂が発生するだけでなく、溶接部中下部に気孔が発生します。 RS=2の場合、溶接部内部に大きな加工気孔が発生しますが、亀裂は発生しません。 ＲＳ＝０．５、０．６７、１．５では、アルミニウム合金側の溶接部の溶け込み深さＰ２が小さく、溶接部の断面形状が良好であり、目立った溶接欠陥は発生していない。これらは、平行デュアルビームレーザー溶接中のビームエネルギー比も溶接溶け込みと溶接欠陥に重要な影響を与えることを示しています。
平行ビーム – 溶接シームの形成に対するビーム間隔の影響
レーザ出力2.8kW、溶接速度33mm/s、デフォーカス量0mm、ビームエネルギー比RS=0.67のとき、ビーム間隔（d=0.5mm、1mm、1.5mm、2mm）を変化させて求めます。写真が示すような溶接表面形態。 d=0.5mm、1mm、1.5mm、2mmの場合、溶接面は滑らかで平坦で形状が美しくなります。溶接部の魚鱗模様は規則的で美しく、目に見える気孔や亀裂などの欠陥はありません。したがって、4 つのビーム間隔条件では、溶接面が良好に形成されます。さらに、d = 2 mm の場合、2 つの異なる溶接が形成されます。これは、2 つの平行なレーザー ビームがもはや溶融池に作用せず、効果的なデュアル ビーム レーザー ハイブリッド溶接を形成できないことを示しています。ビーム間隔が 0.5 mm の場合、溶接は「漏斗状」であり、アルミニウム合金側の溶接の溶け込み深さ P2 は 712.9 ミクロンであり、溶接内部に亀裂、気孔、その他の欠陥はありません。ビーム間隔が増加し続けると、アルミニウム合金側の溶接の溶け込み深さ P2 が大幅に減少します。ビーム間隔が 1 mm の場合、アルミニウム合金側の溶接の溶け込み深さはわずか 94.2 ミクロンです。ビーム間隔がさらに増加すると、溶接はアルミニウム合金側に効果的な溶け込みを形成しなくなります。したがって、ビーム間隔が 0.5 mm の場合に、ダブルビーム再結合効果が最も高くなります。ビーム間隔が大きくなると溶接入熱は急激に減少し、2ビームレーザの再結合効果は徐々に悪化します。
溶接形態の違いは、溶接プロセス中の溶融池の流れと冷却凝固の違いによって引き起こされます。数値シミュレーション手法により、溶融池の応力解析がより直観的に行えるだけでなく、実験コストも削減できます。下の写真は、単一のビーム、さまざまな配置およびスポット間隔による側面溶融プールの変化を示しています。主な結論は次のとおりです。 (1) シングルビーム中レーザー溶接プロセス、溶融池穴の深さは最も深く、穴崩壊現象があり、穴壁は不規則で、穴壁付近の流れ場の分布は不均一です。溶融池裏面付近 リフローが強く、溶融池底部では上向きリフローが発生している。表面溶融池の流れ場分布は比較的均一かつゆっくりであり、溶融池の幅は深さ方向に沿って不均一である。ダブルビームの小さな穴の間の溶融池の壁の反動圧力によって引き起こされる乱れがあるレーザー溶接であり、小穴の深さ方向に沿って必ず存在します。 2 つのビーム間の距離が増加し続けると、ビームのエネルギー密度は単一ピーク状態から二重ピーク状態に徐々に移行します。 2つのピークの間には極小値があり、エネルギー密度は徐々に減少します。 (2) ダブルビームの場合レーザー溶接、スポット間隔が 0 ～ 0.5 mm の場合、溶融池の小さな穴の深さはわずかに減少し、全体的な溶融池の流れの挙動はシングルビームの挙動と同様になります。レーザー溶接;スポット間隔が 1 mm 以上の場合、小さな穴は完全に分離され、溶接プロセス中に 2 つのレーザー間の相互作用はほとんどなくなります。これは、1750 W の出力で 2 つの連続/2 つの並列のシングルビームレーザー溶接に相当します。予熱効果はほとんどなく、溶融池流動挙動はシングルビームレーザー溶接と同様です。 (3) スポット間隔が 0.5 ～ 1 mm の場合、小穴の壁面は 2 つの配置の方が平坦になり、小穴の深さは徐々に浅くなり、底部は徐々に分離します。小孔間の乱れと表面溶融池の流れは0.8mmである。最強。連続溶接の場合、溶融池の長さは徐々に増加し、スポット間隔が 0.8 mm のときに幅が最大になり、スポット間隔が 0.8 mm のときに予熱効果が最も顕著になります。マランゴニ力の影響は徐々に弱まり、より多くの金属液体が溶融池の両側に流れます。溶融幅の分布をより均一にします。平行溶接の場合、溶融池の幅は徐々に増加し、長さは最大0.8mmになりますが、予熱効果はありません。マランゴニ力による表面付近のリフローは常に存在し、小穴底部の下向きリフローは徐々に消失する。断面の流れ場はそれほど良好ではありません。直列に強く、外乱は溶融池の両側の流れにほとんど影響を与えず、溶融幅は不均一に分布しています。
投稿日時: 2023 年 10 月 12 日
