Kā defokusa daudzums ietekmē lāzera stara kvalitāti un metināšanas veiktspēju 304 nerūsējošajā tēraudā

Lāzera tehnoloģija ir viens no četriem noteicošajiem 20. gadsimta atklājumiem līdzās skaitļošanai, pusvadītājiem un kodolenerģijai, un tagad to izmanto optiskajos sakaros, medicīnas sistēmās, pārbaudēs un materiālu apstrādē. Materiālu apstrādē lāzera marķēšana, griešana, urbšana un metināšana ir kļuvušas par uzticamām ražošanas tehnoloģijām. Lāzermetināšana ir izpelnījusies arvien lielāku uzmanību, jo tai ir skaidras priekšrocības salīdzinājumā ar TIG un pretestības metināšanu siltuma ievades, metināšanas profila un automatizācijas potenciāla ziņā.

Lāzermetināšanas galvenās priekšrocības ir:

• Ļoti mazskarstuma{0}}ietekmētā zona (HAZ)
• Augstsdziļuma-līdz-platuma attiecībametinātajā šuvē
• Augsta locītavas izturība
• Savienojuma stiprība pie pamatmetāla vai virs tā
• Viegla stara piegāde caur elastīgu šķiedru automatizācijai

Parastie lāzeru avoti ir CO₂ lāzeri, disku lāzeri, Nd:YAG lāzeri, šķiedru lāzeri un diožu lāzeri. Starp tiem,šķiedru lāzersir modernākais virziens, kas piedāvā:

• Augsta elektriskā{0}}līdz-optiskā efektivitāte (līdz ~30%)
• Kompakts nospiedums
• Zema apkope un ilgs kalpošanas laiks
• Spēcīgi piemērots nerūsējošā tērauda un alumīnija sakausējumu metināšanai

Thekvazi{0}}nepārtraukta (QCW) impulsu šķiedru lāzeraIPG Photonics izstrādātā avota robežšķirtne, kas nodrošina augstu maksimālo jaudu ar impulsu platumu, kas sniedzas līdz milisekundes diapazonam -, kas labi atbilst metāla metināšanai un plānu detaļu mikro{1}}metināšanai. Lai gan QCW šķiedru lāzeru procesa logs tiek plaši izmantots elektronikā un precīzajā metināšanā, joprojām tiek publicēta ierobežota uzmanība. Šajā rakstā uzmanība tiek pievērsta vienam no vissvarīgākajiem procesa mainīgajiem -fokusa pozīcija, kas izteikta kā defokusa daudzums- un, izmantojot kontrolētus eksperimentus, parāda, kā defokuss ietekmē siju kvalitāti, metinājuma izskatu, metinājuma caurlaidību un savienojuma stiprību 304 nerūsējošā tērauda pārloka savienojumā. Lai iegūtu plašāku priekšstatu par lāzermetināšanas ainavu, skatiet mūsu ceļvedilāzermetināšanas principi un režīmi.

2.1. Metināšanas iekārtas

A 150 W QCW impulsu šķiedru lāzerskalpoja par šī pētījuma metināšanas avotu. Šīs avota klases reprezentatīvie tehniskie parametri ir apkopoti tālāk (tipiskas nozares vērtības; faktiskie skaitļi atšķiras atkarībā no modeļa, konfigurācijas un lietojuma -, lai iegūtu garantijas vērtības, skatiet piegādātāja datu lapā).

Tabula 1 - Tipiskās specifikācijas 150 W klases QCW impulsu šķiedru lāzeram (nozarei-tipiskās atsauces vērtības, netiek garantētas)

Iepriekš norādītās vērtības ir nozarei-raksturīgi atsauces skaitļi 150 W klases QCW impulsu šķiedru lāzeram, nevis kādas konkrētas King's Laser ierīces garantētās specifikācijas. Lai iegūtu precīzas specifikācijas, lūdzu, sazinieties ar info@kingslaser.com vai apmeklējiet King's Laser produkta lapu par pašreizējo šīs klases modeli.

Lāzera apstrādes galviņa tiek pārvietota attiecībā pret apstrādājamo priekšmetu, izmantojot X/Y/Z kustības platformu, lai veiktu šuves metināšanu. Kustības kontrolieris sinhronizē galvas stāvokli ar lāzera starojumu, lai emisija sākas tikai tad, kad galva sasniedz ieprogrammēto vietu.

Lai uzzinātu vairāk par to, kas nosaka šo lāzera klasi un kur tā tiek izmantota, skkas ir QCW šķiedru lāzermetināšana, plašāka diskusija parQCW lāzermetināšana rūpniecisko lietojumu pārveidošanai, un pamatā esošogandrīz{0}}nepārtrauktas šķiedras lāzera avots. Lai redzētu reprezentatīvu ražošanas vienību, skatiet King's Laser6 asu QCW šķiedru lāzera metināšanas iekārta.

2.2. Materiāli un sagatavošana

Bāzes materiāls šajā pētījumā bija304 nerūsējošais tēraudssakārtots kā klēpja savienojums: augšējā loksne 0,2 mm bieza, apakšējā loksne 0,5 mm bieza, katra nogriezta līdz 100 mm × 50 mm.

Virsmas sagatavošana tika veikta divos šķīdinātāja posmos: vispirms acetons, pēc tam izopropanola salvete, lai noņemtu eļļas, oksīdus un citus piesārņotājus, kas var apdraudēt metinājuma integritāti. Speciāla armatūra pielika vienmērīgu spiedienu pāri savienojumam, lai samazinātu saskarnes atstarpi. Šis solis ir svarīgs, jo tas:

• Uzlabo siltuma pārnesi starp abām loksnēm metināšanas laikā
• Veicina konsekventu iespiešanās dziļumu
• Samazina saplūšanas un porainības trūkuma risku

Īpaši 304 nerūsējošajam tēraudam ir ļoti svarīgi savienot pareizo aizsarggāzi ar virsmas sagatavošanu - skatiet norādījumus paraizsarggāzes izvēle nerūsējošā tērauda metināšanai. Un tā kā lielākā daļa metināšanas defektu sākas no virsmas, tikai pirms-metināšanas šuves tīrīšana var novērst līdz pat 70% no tiem, - izpētiet datuslāzera tīrīšana atrisina 70% metināšanas defektu.

2.3. Lāzera fokusa pozīcijas noteikšana

Galvenie faktori, kas nosaka lāzermetināšanas rezultātus, ir maksimālā jauda, ​​impulsa platums un defokusa apjoms (atstarpe starp fokusa punktu un sagataves virsmu). No tiem defokusa daudzums ir visjutīgākais.

Definīcija - Defocus:Pozitīvs defokuss nozīmē, ka fokusa punkts atrodas virs sagataves virsmas; negatīvs defokuss nozīmē, ka fokusa punkts atrodas zem virsmas.

Visdrošākā metode fokusa punkta noteikšanai ir trīsstūrveida nerūsējošā tērauda kalibrēšanas metode:

1. Iedarbiniet zemas-enerģijas lāzera impulsu (apmēram 50 W) uz nerūsējošā tērauda plāksnes; spožākā dzirkstele norāda fokusa plakni.
2. Novietojiet trīsstūrveida nerūsējošā tērauda bloku šīs fokusa plaknes tuvumā un iezīmējiet līnijas ik pēc ~ 2 mm, sākot no 0,5 mm. Zem mikroskopa šaurākā iezīmētā līnija iezīmē fokusa stāvokli.

Stara kvalitāte tika mērīta ar stara profilētāju, lāzera zondi un staru kūļa vājinātāju. Kad zonde sākotnēji atradās fokusa punktā, apstrādes galviņa tika pacelta ar 1 mm soli, lai iestatītu defokusa vērtības 0, 1, 2, 3 un 4 mm.

Attēls 1 - Lāzera stara kvalitāte (punkta enerģijas sadalījums) pret defokusa apjomu.

• Pie 0 mm defokusēšanas lāzera enerģija tiek koncentrēta vietas centrā.
• Palielinoties defokusam, punkta enerģijas sadalījums kļūst arvien vienmērīgāks.
• Pie 3 mm defokusa sadalījums ir vislīdzsvarotākais.
• Pie 4 mm defokusēšanas sadalījums sāk izplatīties un atkal zaudē vienmērīgumu.

Praksē 3 mm korpuss piedāvā vislabāko-kompromisu starp plankuma izmēru un maksimālo jaudas blīvumu plānu lokšņu metināšanai.

4.1. Ietekme uz metināšanas vietas morfoloģiju

Apstrādājamā detaļa tika novietota fokusa punktā ar maksimālo jaudu un impulsa platumu, kas tika palielināts, līdz apakšējās lapas aizmugurē parādījās skaidra atzīme. Šajā testā maksimālā jauda bija 500 W un impulsa platums bija 3 ms. Pēc tam šie parametri tika saglabāti nemainīgi, kamēr defokuss tika mainīts ar 1 mm soli; metināšanas vietas izskats tika reģistrēts katrā solī.

Attēls 2 - Metināšanas vietas izskats pret defokusa daudzumu.

Novērojumi:

• Pie 0–1 mm defokusēšanas metinājuma vieta ir mazākā, un tajā ir redzamas šļakatas. Iemesls ir enerģijas koncentrācija vietas centrā, radot augstu lokālo jaudas blīvumu un materiāla izmešanu.
• Defokusam turpinot palielināties, metināšanas vieta kļūst vienmērīgāka un pazūd šļakatas, kas izriet no vienmērīgāka staru kūļa profila.
• Ja defokuss pārsniedz 4 mm, apaļums pasliktinās un plankums nedaudz sarūk -, iespējams, jo staru kūļa enerģija izkliedējas plankuma malās.

0–3 mm defokusā metināšanas vietas diametrs pieauga no 0,4 mm līdz 0,5 mm: lielāks defokuss rada lielāku virsmas plankumu un tādējādi lielāku metināšanas punktu. Pie 4 mm defokusa plankuma diametrs atkal samazinājās, jo enerģija pie vietas malas vairs nav pietiekama, lai pilnībā izkausētu materiālu, lai gan plankums ir ģeometriski lielāks.

Attēls 3 - Metināšanas vietas diametrs pret defokusa daudzumu.

4.2. Ietekme uz metinājuma iespiešanās dziļumu

Šķērsgriezumi tika sagatavoti, griežot gar metinājuma vietas malu, kam sekoja rupja slīpēšana, smalka slīpēšana un pulēšana. Metināšanas centrs tika pārbaudīts pulēšanas laikā, pēc tam iegravēts ar slāpekļskābes + spirta šķīdumu, lai atklātu iespiešanās dziļumu katrā defokusa vērtībā.

Novērojumi:

• Pie 0 – 1 mm defokusa iespiešanās dziļums ir maksimālais, sasniedzot apakšējo loksni.
• Pie 2–3 mm defokusa iespiešanās dziļums kļūst mazāks, sasniedzot tikai aptuveni pusi no apakšējās loksnes biezuma.
• Pie 4 mm defokusa iespiešanās strauji samazinās, sasniedzot tikai aptuveni vienu-trešdaļu no apakšējās loksnes biezuma.

Attēls 4 - Metināšanas iespiešanās dziļums pret defokusa apjomu.

4.3. Ietekme uz metinājuma stiepes izturību

Viena -punkta stiepes izturība tika mērīta ar stiepes pārbaudes iekārtu, kurā apakšējā loksne bija fiksēta un augšējā loksne bija pavilkta uz augšu. Lai nodrošinātu precizitāti, katrā parametru komplektā tika pārbaudīti trīs paraugi un iegūti vidējie rezultāti.

Defokusa vērtības 0, 1, 2, 3 un 4 mm radīja stiepes stiprību7 N, 8 N, 11 N, 15 N un 6 N, attiecīgi.

Vispārējā tendence: stiepes izturība palielinās līdz ar defokusēšanu, jo lielāks defokuss palielina metināšanas vietu un - vissvarīgāk - kontakta platumu starp abām loksnēm, kas tieši ietekmē savienojuma izturību. Pie 4 mm defokusēšanas spēks atkal samazinās, visticamāk, tāpēc, ka pasliktinās staru kūļa kvalitāte un plankums kļūst lielāks, bet mazāks jaudas blīvums, samazinot gan iespiešanos, gan izturību.

Pamata atradums:Viena-punkta stiepes izturība 304 nerūsējošajam tēraudam sasniedza maksimumu15 N pie 3 mm defokusa, kur arī metināšanas vietas morfoloģija bija viskonsekventākā.

Tabula 2 - Kopsavilkums par defokusēšanas ietekmi uz metināšanas vietu, iespiešanos un stiepes izturību

Iepriekš minētie skaitļi atveido izmērītās vērtības, kas norādītas sākotnējā Ķīnas pētījumā ar 150 W QCW šķiedru lāzeru ar 304 nerūsējošā tērauda pārloku savienojumiem ar 500 W maksimumu / 3 ms impulsa platumu. Tie ir atsauces dati procesu inženieriem, nevis garantēti pieņemšanas kritēriji nevienam konkrētam lietojumam. Pirms produkcijas izlaišanas vienmēr apstipriniet, pārbaudot faktisko materiālu, biezumu un stiprinājumu.

Ja ražošanā parādās šļakatas, porainība vai saplūšanas trūkums, galvenais iemesls parasti ir parametru neatbilstība, aizsarggāzes izvēle vai virsmas piesārņojums. Diagnostikas ieplūdeizplatītākie lāzermetināšanas defekti un risinājumiiet cauri, kā noteikt, kurš faktors ir atbildīgs.

Šajā pētījumā tika mērīts lāzera stara profils dažādās defokusa vērtībās un konstatēts, ka, palielinoties defokusam, punkta enerģijas sadalījums kļūst vienmērīgāks -, bet tālāk par 4 mm sadalījums atkal sāk izplatīties.

Izmantojot 304 nerūsējošā tērauda lokšņu savienojumu metināšanu, visiem pārējiem faktoriem paliekot nemainīgiem, mainot defokusēšanas apjomu, mainās metināšanas vietas izskats, vietas izmērs, iespiešanās dziļums un stiepes izturība. Labākajam procesa logam vienlaikus ir jāapmierina gan izskats, gan izturība.

Galvenās līdzņemšanas iespējas:

• Palielinoties defokusam, uzlabojas metināšanas kvalitāte un palielinās stiepes izturība.
• Plkst3 mm defokuss, metināšanas punktu viendabīgums un stiepes izturība ir vislabākie šai ģeometrijai.
• Pārsniedzot 3 mm defokusu, atkal samazinās gan izturība, gan kvalitāte.

Lai iegūtu plašāku priekšstatu par metināšanas avotiem, režīmiem un lietojumiem -, tostarp par atslēgas caurumu metināšanu, šķiedru lāzera izvēli un to, kā izvēlēties starp rokas, automatizētajām un QCW sistēmām savam veikalam, - izpētiet visulāzera metināšanas iekārtaskategorijā vai sazinieties ar King's Laser engineering pa tālrinfo@kingslaser.comlai iegūtu parauga-novērtējumu jūsu faktiskajam materiālam.