Како количина дефокусирања утиче на квалитет ласерског зрака и перформансе заваривања у нерђајућем челику 304

Ласерска технологија је једно од четири дефинишућа открића 20. века поред рачунарства, полупроводника и нуклеарне енергије, а сада се користи у оптичким комуникацијама, медицинским системима, инспекцијама и обради материјала. У оквиру обраде материјала, ласерско обележавање, сечење, бушење и заваривање су сазрели у поуздане производне технологије. Међу њима, ласерско заваривање је задобило све већу пажњу јер нуди јасне предности у односу на ТИГ и отпорно заваривање у уносу топлоте, профилу завара и потенцијалу аутоматизације.

Основне предности ласерског заваривања су:

• Веома мализона -захваћена топлотом (ХАЗ)
• ВисокоОднос дубине{0}}на-ширинеу завару
• Висока чврстоћа зглоба
• Чврстоћа зглоба на или изнад основног метала
• Лака испорука зрака кроз флексибилно влакно за аутоматизацију

Уобичајени ласерски извори укључују ЦО₂ ласере, диск ласере, Нд:ИАГ ласере, влакнасте ласере и диодне ласере. Међу овима,фибер ласерје најсавременији правац, који нуди:

• Висока електрична-до-оптичка ефикасност (до ~30%)
• Компактан отисак
• Ниско одржавање и дуг радни век
• Чврсто одговара за заваривање нерђајућег челика и легура алуминијума

Тхеквази{0}}континуални (КЦВ) импулсни ласер са влакнимакоју је развио ИПГ Пхотоницс представља граничну класу извора, испоручујући високу вршну снагу са ширинама импулса који се протежу у опсегу милисекунди - добро усклађен са заваривањем метала и микро-заваривањем танких делова. Иако је широко прихваћен у електроници и прецизном заваривању, процесни прозор за КЦВ ласере са влакнима и даље добија ограничену објављену пажњу. Овај чланак се фокусира на једну од најкритичнијих варијабли процеса -фокусна позиција, изражена као количина дефокуса- и показује, кроз контролисане експерименте, како дефокус обликује квалитет зрака, изглед завара, продор завара и чврстоћу споја на преклопном споју од нерђајућег челика 304. За шири поглед на пејзаж ласерског заваривања, погледајте наш водичпринципи и начини ласерског заваривања.

2.1 Опрема за заваривање

A 150 W КЦВ импулсни ласер са влакнимапослужио као извор заваривања за ову студију. Репрезентативни технички параметри ове класе извора су резимирани у наставку (типичне индустријске вредности; стварне бројке варирају у зависности од модела, конфигурације и примене - погледајте спецификацију добављача за гарантоване вредности).

Табела 1 - Типичне спецификације за КЦВ импулсни ласер са влакнима класе 150 В (индустријске-типичне референтне вредности, није гарантовано)

Вредности приказане изнад су индустријске{1}}типичне референтне бројке за КЦВ импулсни ласер са влакнима класе 150 В, а не загарантоване спецификације било које одређене Кинг'с ласерске јединице. За тачне спецификације контактирајте info@kingslaser.com или посетите страницу производа Кинг'с Ласер за тренутни модел у овој класи.

Глава за ласерску обраду се помера у односу на радни предмет преко Кс/И/З платформе за кретање да би се извршило заваривање шавова. Контролер покрета синхронизује положај главе са ласерским паљењем тако да емисија почиње тек када глава достигне програмирану локацију.

Више о томе шта дефинише ову ласерску класу и где се користи, погледајтешта је КЦВ ласерско заваривање влакана, шира расправа оКЦВ ласерско заваривање преобликује индустријске примене, и основниквази{0}}континуирани ласерски извор са влакнима. Да бисте видели репрезентативну производну јединицу, погледајте Кинг'с Ласер6-осна КЦВ машина за ласерско заваривање влакана.

2.2 Материјали и припрема

Основни материјал у овој студији био је304 нерђајући челикраспоређени као спој у преклопу: горњи лист дебљине 0,2 мм, доњи лист дебљине 0,5 мм, сваки сече на 100 мм × 50 мм.

Припрема површине је обављена у два корака растварача: прво ацетоном, затим изопропанолом, да би се уклонила уља, оксиди и други загађивачи који могу угрозити интегритет завара. Наменски учвршћивач је применио уједначен притисак на спој да би се минимизирао међуфазни зазор. Овај корак је важан јер:

• Побољшава пренос топлоте између два листа током заваривања
• Промовише доследну дубину продирања
• Смањује ризик од недостатка фузије и порозности

Посебно за нерђајући челик 304, упаривање правог заштитног гаса са припремом површине је критично - погледајте упутства наизбор заштитног гаса за заваривање нерђајућег челика. А пошто већина дефеката завара почиње на површини,-само чишћење завара може да уклони до 70% њих - истражи податке уласерско чишћење решава 70% грешака у заваривању.

2.3 Одређивање фокусне позиције ласера

Главни фактори који одређују резултате ласерског заваривања су вршна снага, ширина импулса и количина дефокусирања (размак између фокусне тачке и површине радног предмета). Од њих, количина дефокусирања је најосетљивија.

Дефиниција - Дефокусирање:Позитиван дефокус значи да фокусна тачка лежи изнад површине радног предмета; негативан дефокус значи да фокусна тачка лежи испод површине.

Најпоузданији метод за лоцирање жаришне тачке је троугласта метода калибрације од нерђајућег челика:

1. Испалите{0}}нискоенергетски ласерски импулс (око 50 В) на плочу од нерђајућег челика; најсјајнија искра указује на жижну раван.
2. Поставите троугласти блок од нерђајућег челика близу те фокалне равни и линије писача сваких ~2 мм почевши од 0,5 мм. Под микроскопом, најужа исписана линија означава фокусну позицију.

Квалитет зрака је мерен профилатором зрака, ласерском сондом и атенуатором снопа. Са сондом у почетку у фокусној тачки, глава за обраду је подизана у корацима од 1 мм да би се подесиле вредности дефокуса од 0, 1, 2, 3 и 4 мм.

Слика 1 - Квалитет ласерског зрака (дистрибуција енергије тачке) у односу на количину дефокусирања.

• При дефокусу од 0 мм, ласерска енергија је концентрисана у центру тачке.
• Како се дефокус повећава, дистрибуција енергије тачке постаје све уједначенија.
• При дефокусу од 3 мм, дистрибуција је најуравнотеженија.
• При дефокусу од 4 мм, дистрибуција почиње да се шири и поново губи уједначеност.

У пракси, кућиште од 3 мм нуди најбољи компромис-између величине тачке и вршне густине снаге за заваривање танких-лимова.

4.1 Утицај на морфологију места заваривања

Радни предмет је постављен на жаришну тачку са вршном снагом и ширином импулса навише док се не појави јасна ознака на полеђини доњег листа. У овом тесту, вршна снага је била 500 В, а ширина импулса 3 мс. Ови параметри су затим остали константни док је дефокус варирао у корацима од 1 мм; изглед тачке заваривања је забележен у сваком кораку.

Слика 2 - Изглед тачке заваривања у односу на количину дефокусирања.

запажања:

• При дефокусу од 0 – 1 мм, тачка вара је најмања и показује видљиво прскање. Узрок је концентрација енергије у центру тачке, што производи високу локалну густину снаге и избацивање материјала.
• Како дефокус наставља да се повећава, место вара постаје уједначеније и прскање нестаје, што следи из уједначенијег профила снопа.
• Изнад 4 мм дефокуса, заобљеност се смањује и тачка се благо смањује - вероватно зато што се енергија зрака шири на ивицама тачке.

Преко дефокуса од 0 – 3 мм, пречник тачке завара је порастао са 0,4 мм на 0,5 мм: већи дефокус ствара већу површинску тачку, а самим тим и већу тачку завара. При дефокусу од 4 мм, пречник тачке се поново смањио, јер енергија на ивици тачке више није довољна да потпуно отопи материјал иако је тачка геометријски већа.

Слика 3 - Пречник тачке заваривања у односу на количину дефокусирања.

4.2 Утицај на дубину продирања завара

Попречни{0}} пресеци су припремљени резањем дуж ивице места вара, након чега је уследило грубо брушење, фино брушење и полирање. Центар заваривања је прегледан током полирања, а затим угравиран раствором азотне киселине + алкохола да би се открила дубина пенетрације при свакој вредности дефокусирања.

запажања:

• При дефокусу од 0 – 1 мм, дубина продирања је на максимуму, досежући у доњи лист.
• При дефокусу од 2 – 3 мм, дубина продирања постаје плића, достижући само половину дебљине доњег листа.
• При дефокусу од 4 мм, пенетрација нагло опада, достижући само око једну-трећину дебљине доњег слоја.

Слика 4 - Дубина продирања завара у зависности од количине дефокусирања.

4.3 Утицај на затезну чврстоћу завара

Затезна чврстоћа у једној-тачки мерена је на машини за испитивање затезања са фиксираним доњим листом и повученим горњим према горе. Да би се осигурала тачност, три узорка су тестирана на сваком скупу параметара и резултати су усредњени.

Вредности дефокусирања од 0, 1, 2, 3 и 4 мм произвеле су затезне чврстоће7 Н, 8 Н, 11 Н, 15 Н и 6 С, односно.

Општи тренд: затезна чврстоћа расте са дефокусирањем, јер већи дефокус повећава место заваривања и - што је најважније - ширину контакта између два листа, што директно утиче на снагу споја. При дефокусу од 4 мм, снага поново опада, највероватније зато што се квалитет зрака погоршава и тачка постаје већа, али нижа густина снаге, смањујући и пенетрацију и снагу.

Основни налаз:Затезна чврстоћа у једној-тачки на нерђајућем челику 304 достигла је максимум15 Н при дефокусу од 3 мм, где је морфологија места вара такође била најконзистентнија.

Табела 2 - Резиме утицаја дефокуса на место заваривања, продор и затезну чврстоћу

Горе наведене бројке репродукују измерене вредности пријављене у оригиналној кинеској студији на 150 В КЦВ ласеру са влакнима са 304 преклопних спојева од нерђајућег челика при 500 В вршној / 3 мс ширини импулса. Они су референтни подаци за инжењере процеса, а не гарантовани критеријуми прихватања за било коју специфичну примену. Увек проверите тестирањем узорка вашег стварног материјала, дебљине и причвршћивања пре пуштања у производњу.

Када се прскање, порозност или недостатак фузије појаве у производњи, основни узрок је обично неусклађеност параметара, избор заштитног гаса или површинска контаминација. Дијагностички ток ууобичајени дефекти ласерског заваривања и решењаобјашњава како да идентификујете који је фактор одговоран.

Ова студија је измерила профил ласерског зрака у различитим вредностима дефокусирања и открила да како се дефокус повећава, дистрибуција енергије тачке постаје равномернија -, али преко 4 мм дистрибуција поново почиње да се шири.

Кроз заваривање преклопних спојева од нерђајућег челика 304, са свим осталим факторима који су константни, варирање количине дефокуса мења изглед места заваривања, величину тачке, дубину продирања и затезну чврстоћу. Најбољи процесни прозор мора истовремено задовољити и изглед и снагу.

Кључне ствари за понети:

• Како се дефокус повећава, квалитет завара се побољшава, а затезна чврстоћа расте.
• Ат3 мм дефокус, униформност места заваривања и затезна чврстоћа су најбољи за ову геометрију.
• Изнад дефокуса од 3 мм, и снага и квалитет поново опадају.

За шири поглед на изворе, режиме и апликације заваривања - укључујући заваривање кључаоница, избор ласера ​​са влакнима и како да изаберете између ручних, аутоматизованих и КЦВ система за своју радњу - истражите свемашине за ласерско заваривањекатегорију или контактирајте Кинг'с Ласер Енгинееринг наinfo@kingslaser.comза процену{0}}сечења вашег стварног материјала.