Hogyan befolyásolja a defókuszáltság mennyisége a lézersugár minőségét és a hegesztési teljesítményt 304-es rozsdamentes acélban

A lézertechnológia a 20. század négy meghatározó áttörésének egyike a számítástechnika, a félvezetők és az atomenergia mellett, és ma már az optikai kommunikációban, az orvosi rendszerekben, az ellenőrzésben és az anyagfeldolgozásban is használják. Az anyagfeldolgozáson belül a lézeres jelölés, a vágás, a fúrás és a hegesztés mind megbízható gyártási technológiákká érlelődött. Közülük a lézeres hegesztés egyre nagyobb figyelmet kapott, mert a hőbevitel, a hegesztési profil és az automatizálási potenciál tekintetében egyértelmű előnyöket kínál a TIG- és ellenálláshegesztéssel szemben.

A lézeres hegesztés fő előnyei a következők:

• Nagyon kicsihőhatás{0}}zóna (HAZ)
• Magasmélység-–-szélesség aránya hegesztésben
• Magas ízületi szilárdság
• Fugaszilárdság az alapfémnél vagy felette
• Könnyű sugártovábbítás rugalmas szálon keresztül az automatizálás érdekében

A gyakori lézerforrások közé tartoznak a CO₂ lézerek, a lemezes lézerek, az Nd:YAG lézerek, a szálas lézerek és a dióda lézerek. Ezek közül aszálas lézera legmodernebb irány, amely a következőket kínálja:

• Magas elektromos -optikai{1}}hatékonyság (akár ~30%)
• Kompakt lábnyom
• Alacsony karbantartás és hosszú élettartam
• Erős illeszkedés rozsdamentes acél és alumíniumötvözetek hegesztéséhez

Akvázi-folyamatos (QCW) impulzusos szálas lézeraz IPG Photonics által kifejlesztett források határosztályát képviseli, nagy csúcsteljesítményt biztosítva az ezredmásodperces tartományba - terjedő impulzusszélességekkel, amely jól illeszkedik a fémhegesztéshez és a vékony alkatrészek mikro{1}}hegesztéséhez. Bár az elektronikában és a precíziós hegesztésben széles körben alkalmazzák, a QCW szálas lézerek folyamatablaka még mindig korlátozott publikált figyelmet kap. Ez a cikk az egyik legkritikusabb folyamatváltozóra összpontosít -fókuszhelyzet, defókusz mennyiségben kifejezve-, és ellenőrzött kísérleteken keresztül bemutatja, hogy a defókusz hogyan alakítja a gerenda minőségét, a hegesztési varrat megjelenését, a hegesztési áthatolást és a kötés szilárdságát egy 304-es rozsdamentes acél átlapolt kötésen. A lézeres hegesztési környezet tágabb áttekintéséért tekintse meg a következő útmutatónkatlézeres hegesztési elvek és módok.

2.1 Hegesztőberendezések

A 150 W QCW impulzusos szálas lézera vizsgálat hegesztési forrásaként szolgált. Az alábbiakban foglaljuk össze ennek a forrásosztálynak a reprezentatív műszaki paramétereit (tipikus iparági értékek; a tényleges adatok modellenként, konfigurációnként és alkalmazásonként változnak - a garantált értékeket a szállítói adatlapon találja).

Táblázat 1 - Tipikus specifikációk egy 150 W-os osztályú QCW impulzusos szálas lézerhez (ipari-tipikus referenciaértékek, nem garantált)

A fent látható értékek a 150 W-os osztályú QCW impulzusos szálas lézer iparági-jellemző referenciaértékei, nem pedig egyetlen King's Laser egység garantált specifikációi. A pontos specifikációkért forduljon a következőhöz: info@kingslaser.com, vagy látogasson el a King's Laser termékoldalára az osztály aktuális modelljéhez.

A lézeres megmunkáló fejet a munkadarabhoz képest egy X/Y/Z mozgási platformon keresztül mozgatják a varrathegesztés végrehajtásához. A mozgásvezérlő szinkronizálja a fej helyzetét a lézeres tüzeléssel, így a kibocsátás csak akkor indul el, ha a fej elér egy programozott helyet.

Ha többet szeretne megtudni arról, hogy mi határozza meg ezt a lézerosztályt és hol használják, lásdmi az a QCW szálas lézerhegesztés, a szélesebb körű vitátQCW lézeres hegesztés ipari alkalmazások átalakítására, és a mögötteskvázi-folyamatos szálas lézerforrás. A reprezentatív gyártóegység megtekintéséhez tekintse meg a King's Laser-t6 tengelyes QCW szálas lézeres hegesztőgép.

2.2 Anyagok és előkészítés

Ennek a tanulmánynak az alapanyaga az volt304 rozsdamentes acélátlapolt kötésként: felső lap 0,2 mm vastag, alsó lap 0,5 mm vastag, mindegyik 100 mm × 50 mm-re vágva.

A felület előkészítése két oldószeres lépésben történt: először acetonnal, majd izopropanollal törlővel, hogy eltávolítsák az olajokat, oxidokat és egyéb szennyeződéseket, amelyek veszélyeztethetik a hegesztési varrat integritását. Egy dedikált rögzítés egyenletes nyomást fejtett ki a csatlakozáson, hogy minimalizálja a határfelületi hézagot. Ez a lépés azért fontos, mert:

• Javítja a hőátadást a két lemez között hegesztés közben
• Elősegíti az egyenletes behatolási mélységet
• Csökkenti a fúzió és a porozitás hiányának kockázatát

Kifejezetten a 304-es rozsdamentes acél esetében kritikus fontosságú a megfelelő védőgáz párosítása a felület előkészítésével - lásd az útmutatótvédőgáz kiválasztása rozsdamentes acél hegesztéshez. És mivel a legtöbb hegesztési hiba a felületen kezdődik, a hegesztés előtti tisztítással önmagában akár 70%-uk is eltávolítható - vizsgálja meg az adatokata lézeres tisztítás a hegesztési hibák 70%-át megoldja.

2.3 A lézer fókuszpozíciójának meghatározása

A lézerhegesztés eredményét meghatározó fő tényezők a csúcsteljesítmény, az impulzusszélesség és a defókusz mértéke (a fókuszpont és a munkadarab felülete közötti rés). Ezek közül a defókusz mennyisége a legérzékenyebb.

Meghatározás - Defókusz:A pozitív defókusz azt jelenti, hogy a fókuszpont a munkadarab felülete felett van; A negatív defókusz azt jelenti, hogy a fókuszpont a felszín alatt van.

A fókuszpont meghatározásának legmegbízhatóbb módja a háromszög alakú rozsdamentes acél kalibrációs módszer:

1. Kis{0}}energiájú lézerimpulzust (körülbelül 50 W) gyújtson meg egy rozsdamentes acéllemezen; a legfényesebb szikra a fókuszsíkot jelzi.
2. Helyezzen egy háromszög alakú rozsdamentes acél tömböt a fókuszsík közelébe, és 0,5 mm-től kezdve ~2 mm-enként írjon be vonalakat. Mikroszkóp alatt a legkeskenyebb vonal jelzi a fókuszhelyzetet.

A sugár minőségét sugárprofilozóval, lézerszondával és sugárcsillapítóval mértük. Amikor a szonda kezdetben a fókuszpontban volt, a feldolgozófejet 1 mm-es lépésekben megemelték, hogy beállítsák a 0, 1, 2, 3 és 4 mm-es defókuszálási értékeket.

1 - ábra A lézersugár minősége (pontenergia-eloszlás) a defókuszáltság mértékével szemben.

• 0 mm-es defókusznál a lézerenergia a folt közepén koncentrálódik.
• A defókusz növekedésével a spot energiaeloszlás fokozatosan egyenletesebbé válik.
• 3 mm-es defókusznál az eloszlás a legkiegyensúlyozottabb.
• 4 mm-es defókusznál az eloszlás terjedni kezd, és ismét elveszti egyenletességét.

A gyakorlatban a 3 mm-es tok kínálja a legjobb kompromisszumot-a pontméret és a csúcsteljesítménysűrűség között vékony-laphegesztés esetén.

4.1 A hegesztési pontok morfológiájára gyakorolt ​​hatás

A munkadarabot a fókuszpontba helyezték úgy, hogy a csúcsteljesítményt és az impulzusszélességet felfelé emelték, amíg az alsó lap hátoldalán egyértelmű jel nem jelent meg. Ebben a tesztben a csúcsteljesítmény 500 W és az impulzusszélesség 3 ms volt. Ezeket a paramétereket ezután állandó értéken tartottuk, miközben a defókuszálást 1 mm-es lépésekben változtattuk; a hegesztési pont megjelenését minden lépésnél feljegyeztük.

2 - ábra A hegesztési pont megjelenése a defókuszáltság mértékével szemben.

Észrevételek:

• 0 – 1 mm-es defókusznál a hegesztési pont a legkisebb, és látható fröccsenés látható. Ennek oka az energiakoncentráció a foltközpontban, ami nagy helyi teljesítménysűrűséget és anyagkidobást eredményez.
• Ahogy a defókusz tovább növekszik, a hegesztési pont egyenletesebbé válik és a fröccsenés eltűnik, ami az egyenletesebb sugárprofilból következik.
• 4 mm-es defókusz felett a kerekség leromlik, és a folt enyhén összezsugorodik - valószínűleg azért, mert a sugárenergia szétterül a folt szélein.

A 0-3 mm-es defókusznál a hegesztési pont átmérője 0,4 mm-ről 0,5 mm-re nőtt: a nagyobb defókusz nagyobb felületi foltot, és ezáltal nagyobb hegesztési pontot eredményez. 4 mm-es defókusznál a folt átmérője ismét csökkent, mivel a folt szélén lévő energia már nem elegendő az anyag teljes megolvadásához, pedig a folt geometriailag nagyobb.

3 - ábra A hegesztési pont átmérője a defókuszáltság mértékével szemben.

4.2 A hegesztési varrat behatolási mélységére gyakorolt ​​hatás

A keresztmetszetek a hegesztési pont széle mentén történő vágással készültek, majd durva köszörülés, finom köszörülés és polírozás következett. A hegesztési központot a polírozás során ellenőrizték, majd salétromsav + alkohol oldattal maratták, hogy minden defókuszálási értéknél feltárják a behatolási mélységet.

Észrevételek:

• 0 – 1 mm-es defókusznál a behatolási mélység a legnagyobb, az alsó lapba ér.
• 2-3 mm-es defókusznál a behatolási mélység kisebb lesz, az alsó lap vastagságának csak a felét éri el.
• 4 mm-es defókusznál a behatolás élesen csökken, és az alsó lap vastagságának csak körülbelül egyharmadát éri el.

4 - ábra A hegesztési varrat behatolási mélysége a defókuszáltság mértékével szemben.

4.3 A hegesztési varrat szakítószilárdságára gyakorolt ​​hatás

Az egyetlen-pont szakítószilárdságát szakítószilárdság-vizsgáló gépen mértük úgy, hogy az alsó lapot rögzítették, a felső lapot pedig felfelé húzták. A pontosság biztosítása érdekében minden paraméterkészletnél három mintát teszteltek, és az eredményeket átlagolták.

A 0, 1, 2, 3 és 4 mm-es defocus értékek húzószilárdságot eredményeztek7 N, 8 N, 11 N, 15 N és 6 N, ill.

Az általános trend: a szakítószilárdság a defókuszálással növekszik, mivel a nagyobb defókusz megnöveli a hegesztési pontot és - ami a legfontosabb - a két lemez közötti érintkezési szélességet, ami közvetlenül befolyásolja a kötés szilárdságát. 4 mm-es defókusznál az erő ismét csökken, valószínűleg azért, mert a sugár minősége romlik, és a folt nagyobb lesz, de az erősűrűség csökken, ami csökkenti a behatolást és az erősséget is.

Alapvető megállapítás:A 304-es rozsdamentes acél egyetlen-pontos szakítószilárdsága tetőzött15 N 3 mm-es defókusznál, ahol a hegesztési pontok morfológiája is a legkonzisztensebb volt.

2 - táblázat A defókuszálás hatásának összefoglalása a hegesztési pontra, a behatolásra és a szakítószilárdságra

A fenti ábrák az eredeti kínai tanulmányban közölt mért értékeket tükrözik egy 150 W-os QCW szálas lézeren, 304 rozsdamentes acél átlapolt csatlakozással, 500 W csúcs/3 ms impulzusszélesség mellett. Ezek referenciaadatok a folyamatmérnökök számára, nem garantált elfogadási kritériumok egyetlen konkrét alkalmazáshoz sem. Mindig érvényesítse a tényleges anyag, vastagság és rögzítés mintavizsgálatával a gyártás kiadása előtt.

Ha fröcskölés, porozitás vagy a fúzió hiánya jelenik meg a gyártás során, a kiváltó ok általában a paraméterek eltérése, a védőgáz megválasztása vagy a felületi szennyeződés. Befolyik a diagnosztikagyakori lézerhegesztési hibák és megoldásokvégigvezeti, hogyan azonosítható a felelős tényező.

Ez a tanulmány a lézersugár profilját mérte a különböző defókuszálási értékek között, és azt találta, hogy a defókusz növekedésével a folt energiaeloszlása ​​egyenletesebbé válik -, de 4 mm felett az eloszlás újra terjedni kezd.

A 304-es rozsdamentes acél átlapolt hegesztéssel, minden más tényező állandó értéke mellett, a defókusz mértékének változtatása megváltoztatja a hegesztési pont megjelenését, méretét, behatolási mélységét és szakítószilárdságát. A legjobb eljárási ablaknak egyszerre kell kielégítenie a megjelenést és a szilárdságot.

A legfontosabb elvitelek:

• A defókusz növekedésével javul a hegesztés minősége és nő a szakítószilárdság.
• at3 mm-es defókusz, a hegesztési pont egyenletessége és a szakítószilárdsága egyaránt a legjobb ebben a geometriában.
• A 3 mm-es defókuszon túl ismét romlik az erő és a minőség is.

A hegesztési források, módok és alkalmazások szélesebb áttekintéséhez -, beleértve a kulcslyuk-hegesztést, a szálas lézerek kiválasztását, valamint azt, hogy hogyan válasszon kézi, automatizált és QCW-rendszerek között az üzletében - tekintse meg a teljeslézeres hegesztőgépekkategóriában, vagy lépjen kapcsolatba a King's Laser Engineering-vel a címeninfo@kingslaser.comminta{0}}kiértékeléshez a tényleges anyagon.