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(guò)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(lái)進(jìn)行焊接，也可以采用兩束不同類(lèi)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(guò)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(wú)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(guò)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(guò)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?xún)A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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(guò)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(guò)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(lèi)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(guò)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(chēng)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(lèi)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(guò)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(lèi)型的激光束組成雙光束時(shí)，有多種組合方式�？梢允褂靡慌_(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(guò)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(guò)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(chē)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(guò)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(guò)程中有的區(qū)域鋅蒸氣快速?lài)姵鋈鄢乇砻�，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(lái)的焊接質(zhì)量問(wèn)題，一種方法是通過(guò)合理匹配兩束光的能量來(lái)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(guò)預(yù)打孔或切槽處理來(lái)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(lái)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(guò)90%以上;鋁合金激光焊焊縫易產(chǎn)生氣孔、裂紋;焊接過(guò)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(guò)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(guò)程較為穩(wěn)定，形成的匙孔開(kāi)口較大，利于焊接過(guò)程中鎂元素的蒸發(fā)、逸出。兩束光的間距過(guò)小，類(lèi)似單光束焊接過(guò)程不易穩(wěn)定;間距過(guò)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(lái)制成一塊拼接板材，特別是在汽車(chē)生產(chǎn)中，拼焊板的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。通過(guò)把不同規(guī)格、表面鍍層或性能不同的板材焊接起來(lái)，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(wèn)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(guò)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(guò)旋轉(zhuǎn)雙光束角度來(lái)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(guò)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(lái)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(lái)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(lái)源：激光制造網(wǎng)
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