雙光束焊接方法提出，主要是用于解決激光焊接對(duì)裝配精度的適應(yīng)性及提高焊接過程穩(wěn)定性、改善焊縫質(zhì)量，尤其是對(duì)于薄板焊接及鋁合金的焊接。雙光束激光焊接，可將同一種激光采用光學(xué)方法分離成兩束單獨(dú)的光來進(jìn)行焊接，也可以采用兩束不同類型的激光進(jìn)行組合，CO2激光、Nd:YAG激光和高功率半導(dǎo)體激光相互之間都可以進(jìn)行組合。通過改變光束能量、光束間距，甚至是兩束光的能量分布模式，對(duì)焊接溫度場(chǎng)進(jìn)行方便、靈活地調(diào)節(jié)，改變孔的存在模式與熔池中液態(tài)金屬的流動(dòng)方式，為焊接工藝提供了更廣闊的選擇空間，這是單光束激光焊接無法比擬的。它不僅擁有激光焊接熔深大、速度快、精度高的優(yōu)點(diǎn)，而且對(duì)于常規(guī)激光焊接難以焊接的材料與接頭也有很大的適應(yīng)性。
一、雙束激光焊接原理
雙光束焊接意味著在焊接過程中同時(shí)使用兩束激光，光束排布方式、光束間距、兩束光所成的角度、聚焦位置以及兩束光的能量比都是雙光束激光焊接中的相關(guān)設(shè)置參數(shù)。通常情況下，在焊接過程，雙束光的排布方式一般有兩種，如圖所示，一種是沿焊接方向呈串列式排布，這種排布方式可以降低熔池冷卻速率，減少了焊縫的淬硬性傾向和氣孔的產(chǎn)生。另一種是在焊縫兩側(cè)并列排布或交叉排布，以提高對(duì)焊縫間隙的適應(yīng)性。
對(duì)于串列式排布的雙光束激光焊接系統(tǒng)，根據(jù)前后兩個(gè)光束間距的不同，存在三種不同的焊接機(jī)制，如下圖所示。
1、第一類焊接機(jī)制中，兩束光的間隔距離較大，一束光的能量密度較大，聚焦于工件表面，用于在焊接中產(chǎn)生匙孔;另一束光能量密度較小，只作為焊前或焊后熱處理的熱源。采用這種焊接機(jī)制，焊接熔池的冷卻速度在一定范圍內(nèi)可以控制，有利于焊接一些高裂紋敏感性的材料，如高碳鋼、合金鋼等，同時(shí)可以提高焊縫的韌性。
2、第二類焊接機(jī)制中，兩束光焦點(diǎn)間距相對(duì)較小，兩束光在一個(gè)焊接熔池中產(chǎn)生兩個(gè)相互獨(dú)立的匙孔，使得液態(tài)金屬的流動(dòng)模式發(fā)生改變，有助于防止咬邊、焊道凸起等缺陷的產(chǎn)生，改善焊縫成形。
3、第三類焊接機(jī)制中，兩束光間距很小，此時(shí)兩束光在焊接熔池中產(chǎn)生同一個(gè)匙孔。與單束激光焊接相比，由于此匙孔尺寸變大，不易閉合，焊接過程更加穩(wěn)定，氣體也更容易排出，有利于減少氣孔、飛濺，獲得連續(xù)、均勻、美觀的焊縫。
焊接過程中，也可以讓兩束激光互成一定角度，其焊接機(jī)制與平行雙光束焊接機(jī)制相類似。有試驗(yàn)結(jié)果表明，采用兩個(gè)互成30°，間距為1~2mm的高功率OO,激光束可以獲得漏斗形匙孔，匙孔尺寸更大而且更加穩(wěn)定，可以有效提高焊接質(zhì)量。實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)不同的焊接條件改變兩束光的相互組合情況實(shí)現(xiàn)不同的焊接過程。
二、雙束激光焊接的實(shí)現(xiàn)方法
雙光束的獲取可以將兩個(gè)不同的激光束進(jìn)行組合得到，也可以將一束激光采用光學(xué)分光系統(tǒng)，分成兩束激光進(jìn)行焊接。要將一束光分為兩束不同功率、相互平行的激光，可以使用分光鏡或一些特殊的光學(xué)系統(tǒng)。圖為采用聚焦鏡為分光鏡的兩種分光原理示意圖。
此外，也可以采用反射鏡作為分光鏡，以光路中的最后一個(gè)反射鏡作為分光鏡。這種反射鏡也稱為屋脊式反射鏡，其反射面不是一個(gè)平面，而由兩個(gè)平面組成，兩反射面的相交線位于鏡面中間，類似一個(gè)屋脊，如圖所示。一束平行光照射在分光鏡上，被不同角度的兩個(gè)平面反射形成兩束光，照射到聚焦鏡的不同位置，聚焦后在工件表面得到一定間距的兩個(gè)光束。通過改變兩個(gè)反射面的夾角和屋脊位置，可以得到不同焦點(diǎn)間距和排布方式的分光光束。
采用兩種不同類型的激光束組成雙光束時(shí)，有多種組合方式。可以使用一臺(tái)能量呈高斯分布的高質(zhì)量CO2激光進(jìn)行主要焊接工作，輔助一臺(tái)能量呈矩形分布的半導(dǎo)體激光進(jìn)行熱處理工作。這種組合方式，一方面比較經(jīng)濟(jì)，另一方面兩束光的功率能獨(dú)立調(diào)節(jié)，可針對(duì)不同的接頭形式，通過調(diào)節(jié)激光與半導(dǎo)體激光的重疊位置獲得一個(gè)可調(diào)的溫度場(chǎng)，非常適合于焊接過程控制。另外，也可將 YAG 激光與CO2激光組合成雙光束進(jìn)行焊接，將連續(xù)激光和脈沖激光組合進(jìn)行焊接，還可以將聚焦光束和散焦光束組合進(jìn)行焊接。
三、雙束激光焊接原理
3.1 雙光束激光焊接鍍鋅板
鍍鋅鋼板是汽車工業(yè)中最常用的一種材料，鋼的熔點(diǎn)在1500℃左右，而鋅的沸點(diǎn)只有906℃，因此采用熔焊方法，通常會(huì)有大量的鋅蒸氣產(chǎn)生，造成焊接過程不穩(wěn)定，在焊縫中形成氣孔。對(duì)于搭接接頭，鍍鋅層的揮發(fā)不僅發(fā)生在上下表面，同時(shí)也出現(xiàn)在接頭結(jié)合面處，焊接過程中有的區(qū)域鋅蒸氣快速噴出熔池表面，有的區(qū)域鋅蒸氣又難以逸出熔池表面，焊接質(zhì)量很不穩(wěn)定。
雙光束激光焊接可以解決鋅蒸氣帶來的焊接質(zhì)量問題，一種方法是通過合理匹配兩束光的能量來控制熔池存在時(shí)間和冷卻速度，以利于鋅蒸氣的逸出;另一種方法是通過預(yù)打孔或切槽處理來釋放鋅蒸氣。如圖6-31所示，采用CO2激光進(jìn)行焊接，YAG 激光在CO2激光前側(cè)，用來打孔或切槽。預(yù)先處理出的孔或槽，給隨后焊接時(shí)產(chǎn)生的鋅蒸氣提供了逸出的通道，防止其滯留在熔池內(nèi)形成缺陷。
3.2 雙光束激光焊接鋁合金
由于鋁合金材料特殊的性能特點(diǎn)，采用激光焊接存在如下困難:鋁合金對(duì)激光的吸收率較低，對(duì)CO2激光束表面初始反射率超過90%以上;鋁合金激光焊焊縫易產(chǎn)生氣孔、裂紋;焊接過程合金元素?zé)龘p等。采用單激光焊接時(shí)，匙孔建立較難，且不易保持穩(wěn)定。雙光束激光焊接時(shí)可以增大匙孔尺寸，使得匙孔不易閉合有利于氣體排出，同時(shí)可以降低冷卻速率，減少氣孔和焊接裂紋的產(chǎn)生。由于焊接過程更加穩(wěn)定，飛濺量減小，所以雙光束焊接鋁合金獲得的焊縫表面成形也明顯優(yōu)于單光束。圖6-32 所示為CO2單東激光與雙束激光焊接3mm 厚鋁合金對(duì)接焊縫的焊縫外觀
研究表明，焊接2mm厚的5000系列鋁合金時(shí)，兩光束間距在0.6~1.0mm時(shí)，焊接過程較為穩(wěn)定，形成的匙孔開口較大，利于焊接過程中鎂元素的蒸發(fā)、逸出。兩束光的間距過小，類似單光束焊接過程不易穩(wěn)定;間距過大，會(huì)影響焊接熔深，如圖6-33所示。此外，兩束光的能量配比對(duì)焊接質(zhì)量也有較大影響，當(dāng)間距為0.9mm的兩光束串行排布焊接時(shí)，適當(dāng)增加前一個(gè)光束的能量，使前后兩個(gè)光束的能量比大于1:1，有利于改善焊縫質(zhì)量，增大熔化區(qū)域，在焊接速度較高時(shí)仍然可以得到光滑美觀焊縫。
3.3 雙光束焊接不等厚板
在工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常需要將兩塊或者多塊不同厚度和形狀的金屬板材焊接起來制成一塊拼接板材，特別是在汽車生產(chǎn)中，拼焊板的應(yīng)用越來越廣泛。通過把不同規(guī)格、表面鍍層或性能不同的板材焊接起來，由此可提高強(qiáng)度、降低耗材、減小質(zhì)量。拼板焊接中通常采用激光焊接不同厚度的板材，一個(gè)主要問題就是必須將待焊板材預(yù)制成具有高精度的邊緣，并保證高精度的裝配。采用雙光束焊接不等厚板，可以適應(yīng)板材間隙、對(duì)接部位、相對(duì)厚度和板件材料的不同變化，可焊接具有更大邊緣和縫隙公差的板件，提高焊接速度和焊縫質(zhì)量。
雙光東焊接不等厚板的主要工藝參數(shù)可分為焊接參數(shù)和板材參數(shù)，如圖所示。焊接參數(shù)包括兩束激光的功率、焊接速度、焦點(diǎn)位置、焊頭角度、雙光束對(duì)接頭的光束旋轉(zhuǎn)角度及焊偏量等。板材參數(shù)包括材料尺寸、性能、裁邊情況及板的間隙等。兩束激光的功率可根據(jù)不同的焊接目的分別進(jìn)行調(diào)整。焦點(diǎn)位置一般位于薄板表面可得到穩(wěn)定高效的焊接工藝。焊頭角度通常選擇6左右，若兩塊板的厚度比較大，可采用正的焊頭角度，即激光向薄板傾斜，圖中所示;板厚度比較小時(shí)，可采用負(fù)的焊頭角度。焊偏量定義為激光焦點(diǎn)與厚板邊緣的距離，通過調(diào)節(jié)焊偏量可以減少焊縫凹陷量，獲得好的焊縫橫截面。
在焊接大間隙的板材時(shí)，可通過旋轉(zhuǎn)雙光束角度來增大有效光束加熱直徑獲得良好的縫隙填充能力。焊縫頂部寬度由兩束激光的有效光束直徑?jīng)Q定，即由光束旋轉(zhuǎn)角度決定，旋轉(zhuǎn)角度越大，雙光束加熱范圍越寬，焊縫上部寬度越大。兩束激光在焊接過程中起不同的作用，一個(gè)主要用于焊透接縫，而另一個(gè)主要用于熔化厚板材料以填充間隙。如圖6-35所示，在正的光束旋轉(zhuǎn)角度下(前束光作用于厚板，后束光作用于焊縫)，前面的光束入射到厚板上加熱、熔化材料，后一個(gè)跟隨的激光束產(chǎn)生穿透。前面的第一束激光束只能部分熔化厚板，但對(duì)焊接工藝有很大貢獻(xiàn)，因?yàn)樗粌H融化了厚板側(cè)來更好地進(jìn)行縫隙填充，而且預(yù)接了接頭材料，使后面的光束更容易焊透接頭，從而可以提高焊接速度。負(fù)的旋轉(zhuǎn)角度的雙光束焊接中(前束光作用于焊縫，后束光作用于厚板)，兩束光的作用正好相反，前一個(gè)光束熔透接頭，后一個(gè)光束熔化厚板來填充縫隙。在這種情況下，前光束要焊透冷態(tài)的板件，焊接速度要比采用正光束旋轉(zhuǎn)角度要低。并且由于前一個(gè)光束的預(yù)熱作用，后一個(gè)光束在相同功率下會(huì)熔化更多的厚板材料。這種情況下應(yīng)適當(dāng)減少后一個(gè)激光束的功率。相比而言，采用正的光束旋轉(zhuǎn)角度可適當(dāng)提高焊接速度，采用負(fù)的光束旋轉(zhuǎn)角度可獲得更好的縫隙填充。圖6-36給出了不同光束旋轉(zhuǎn)角度對(duì)焊縫橫截面的影響情況。
3.4 雙光束激光焊接大厚板
隨著激光器功率等級(jí)和光束質(zhì)量的提高采用激光焊接大厚板已經(jīng)成為了現(xiàn)實(shí)。但是由于大功率激光器價(jià)格昂貴，而且大厚板焊接一般還需要填充金屬，在實(shí)際的生產(chǎn)中受到了一定的限制。采用雙光束激光焊接技術(shù)不僅可以提高激光功率，而且還可以提高有效光束加熱直徑，增加熔化填充焊絲的能力，同時(shí)能穩(wěn)定激光匙孔，提高焊接穩(wěn)定性，提高了焊接質(zhì)量。
來源：激光制造網(wǎng)
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