Πώς η ποσότητα αποεστίασης επηρεάζει την ποιότητα της δέσμης λέιζερ και την απόδοση συγκόλλησης σε ανοξείδωτο χάλυβα 304

Η τεχνολογία λέιζερ είναι μία από τις τέσσερις καθοριστικές ανακαλύψεις του 20ου αιώνα μαζί με τους υπολογιστές, τους ημιαγωγούς και την πυρηνική ενέργεια, και χρησιμοποιείται πλέον σε οπτικές επικοινωνίες, ιατρικά συστήματα, επιθεώρηση και επεξεργασία υλικών. Στο πλαίσιο της επεξεργασίας υλικών, η σήμανση με λέιζερ, η κοπή, η διάτρηση και η συγκόλληση έχουν όλα ωριμάσει σε αξιόπιστες τεχνολογίες παραγωγής. Μεταξύ αυτών, η συγκόλληση με λέιζερ έχει κερδίσει αυξανόμενη προσοχή επειδή προσφέρει σαφή πλεονεκτήματα έναντι της συγκόλλησης TIG και αντίστασης στην εισαγωγή θερμότητας, στο προφίλ συγκόλλησης και στο δυναμικό αυτοματισμού.

Τα βασικά οφέλη της συγκόλλησης με λέιζερ είναι:

• Πολύ μικρόθερμότητα-επηρεασμένη ζώνη (HAZ)
• Ψηλάαναλογία βάθους-προς-πλάτουςστη συγκόλληση
• Υψηλή αντοχή στην άρθρωση
• Αντοχή αρμού πάνω ή πάνω από το μητρικό μέταλλο
• Εύκολη παράδοση δέσμης μέσω μιας εύκαμπτης ίνας για αυτοματισμό

Οι κοινές πηγές λέιζερ περιλαμβάνουν λέιζερ CO2, λέιζερ δίσκου, λέιζερ Nd:YAG, λέιζερ ινών και λέιζερ διόδου. Μεταξύ αυτών, τολέιζερ ινώνείναι η πιο σύγχρονη κατεύθυνση, προσφέροντας:

• Υψηλή ηλεκτρική-έως-οπτική απόδοση (έως ~30%)
• Συμπαγές αποτύπωμα
• Χαμηλή συντήρηση και μεγάλη διάρκεια ζωής
• Ισχυρή εφαρμογή για συγκόλληση ανοξείδωτου χάλυβα και κραμάτων αλουμινίου

Οοιονεί-συνεχές (QCW) παλμικό λέιζερ ινώνπου αναπτύχθηκε από την IPG Photonics αντιπροσωπεύει μια συνοριακή κατηγορία πηγής, παρέχοντας υψηλή ισχύ αιχμής με πλάτη παλμών που εκτείνονται στο εύρος χιλιοστών του δευτερολέπτου - που ταιριάζουν καλά με τη συγκόλληση μετάλλων και τη μικροσυγκόλληση λεπτών εξαρτημάτων. Αν και υιοθετείται ευρέως στα ηλεκτρονικά είδη και τη συγκόλληση ακριβείας, το παράθυρο διεργασίας για λέιζερ ινών QCW εξακολουθεί να λαμβάνει περιορισμένη δημοσιευμένη προσοχή. Αυτό το άρθρο εστιάζει σε μία από τις πιο κρίσιμες μεταβλητές διαδικασίας -εστιακή θέση, που εκφράζεται ως ποσότητα αποεστίασης- και δείχνει, μέσω ελεγχόμενων πειραμάτων, πώς η αποεστίαση διαμορφώνει την ποιότητα της δέσμης, την εμφάνιση συγκόλλησης, τη διείσδυση συγκόλλησης και την αντοχή της άρθρωσης σε μια άρθρωση περιτύλιξης από ανοξείδωτο χάλυβα 304. Για μια ευρύτερη άποψη του τοπίου της συγκόλλησης με λέιζερ, ανατρέξτε στον οδηγό μαςΑρχές και τρόποι συγκόλλησης με λέιζερ.

2.1 Εξοπλισμός συγκόλλησης

A 150 W QCW παλμικό λέιζερ ινώνχρησίμευσε ως πηγή συγκόλλησης για αυτή τη μελέτη. Οι αντιπροσωπευτικές τεχνικές παράμετροι αυτής της κατηγορίας πηγών συνοψίζονται παρακάτω (τυπικές τιμές του κλάδου, τα πραγματικά στοιχεία ποικίλλουν ανάλογα με το μοντέλο, τη διαμόρφωση και την εφαρμογή - αναφέρονται στο φύλλο δεδομένων προμηθευτή για εγγυημένες τιμές).

Πίνακας 1 - Τυπικές προδιαγραφές για λέιζερ παλμικής ίνας QCW κατηγορίας 150 W (βιομηχανίας-τυπικές τιμές αναφοράς, μη εγγυημένες)

Οι τιμές που εμφανίζονται παραπάνω είναι τυπικά στοιχεία αναφοράς του κλάδου-για ένα λέιζερ παλμικής ίνας QCW κατηγορίας 150 W και όχι οι εγγυημένες προδιαγραφές οποιασδήποτε συγκεκριμένης μονάδας λέιζερ King's. Για ακριβείς προδιαγραφές, επικοινωνήστε με την info@kingslaser.com ή επισκεφτείτε τη σελίδα προϊόντος King's Laser για το τρέχον μοντέλο αυτής της κατηγορίας.

Η κεφαλή επεξεργασίας λέιζερ μετακινείται σε σχέση με το τεμάχιο εργασίας μέσω μιας πλατφόρμας κίνησης X/Y/Z για να πραγματοποιηθεί συγκόλληση ραφής. Ο ελεγκτής κίνησης συγχρονίζει τη θέση της κεφαλής με την πυροδότηση λέιζερ, έτσι ώστε η εκπομπή να ξεκινά μόνο όταν η κεφαλή φτάσει σε μια προγραμματισμένη θέση.

Για περισσότερα σχετικά με το τι ορίζει αυτήν την κατηγορία λέιζερ και πού χρησιμοποιείται, βλτι είναι η συγκόλληση με λέιζερ ινών QCW, η ευρύτερη συζήτηση γιαΒιομηχανικές εφαρμογές αναμόρφωσης συγκόλλησης με λέιζερ QCW, και το υποκείμενοσχεδόν-συνεχής πηγή λέιζερ ινών. Για να δείτε μια αντιπροσωπευτική μονάδα παραγωγής, ανατρέξτε στο King's LaserΜηχανή συγκόλλησης με λέιζερ ινών QCW 6 αξόνων.

2.2 Υλικά & Παρασκευή

Το βασικό υλικό σε αυτή τη μελέτη ήταν304 από ανοξείδωτο χάλυβαδιατεταγμένο ως σύνδεσμος στην αγκαλιά: επάνω φύλλο πάχους 0,2 mm, κάτω φύλλο πάχους 0,5 mm, κάθε κομμένο σε 100 mm × 50 mm.

Η προετοιμασία της επιφάνειας πραγματοποιήθηκε σε δύο στάδια διαλύτη: πρώτα με ακετόνη, μετά σκούπισμα με ισοπροπανόλη, για την απομάκρυνση των ελαίων, των οξειδίων και άλλων ρύπων που μπορούν να θέσουν σε κίνδυνο την ακεραιότητα της συγκόλλησης. Ένα ειδικό εξάρτημα άσκησε ομοιόμορφη πίεση στην άρθρωση για να ελαχιστοποιήσει το διάκενο της διεπιφάνειας. Αυτό το βήμα έχει σημασία γιατί:

• Βελτιώνει τη μεταφορά θερμότητας μεταξύ των δύο φύλλων κατά τη συγκόλληση
• Προωθεί το σταθερό βάθος διείσδυσης
• Μειώνει τον κίνδυνο έλλειψης σύντηξης και πορώδους

Ειδικά για τον ανοξείδωτο χάλυβα 304, ο συνδυασμός του σωστού προστατευτικού αερίου με την προετοιμασία της επιφάνειας είναι κρίσιμος - δείτε τις οδηγίες γιαεπιλογή προστατευτικού αερίου για συγκόλληση ανοξείδωτου χάλυβα. Και επειδή τα περισσότερα ελαττώματα συγκόλλησης ξεκινούν από την επιφάνεια, ο προ{1}}καθαρισμός συγκόλλησης από μόνος του μπορεί να αφαιρέσει έως και το 70% από αυτά - εξερευνήσει τα δεδομένα στοΟ καθαρισμός με λέιζερ λύνει το 70% των ελαττωμάτων συγκόλλησης.

2.3 Προσδιορισμός της εστιακής θέσης λέιζερ

Οι κύριοι παράγοντες που καθορίζουν τα αποτελέσματα της συγκόλλησης με λέιζερ είναι η μέγιστη ισχύς, το πλάτος παλμού και η ποσότητα αποεστίασης (το κενό μεταξύ του εστιακού σημείου και της επιφάνειας του τεμαχίου εργασίας). Από αυτά, η ποσότητα αποεστίασης είναι η πιο ευαίσθητη.

Ορισμός - Αποεστίαση:Θετική αποεστίαση σημαίνει ότι το εστιακό σημείο βρίσκεται πάνω από την επιφάνεια του τεμαχίου εργασίας. αρνητική αποεστίαση σημαίνει ότι το εστιακό σημείο βρίσκεται κάτω από την επιφάνεια.

Η πιο αξιόπιστη μέθοδος για τον εντοπισμό του εστιακού σημείου είναι η τριγωνική μέθοδος βαθμονόμησης από ανοξείδωτο χάλυβα:

1. Πυροδοτήστε έναν παλμό λέιζερ χαμηλής-ενέργειας (περίπου 50 W) σε μια πλάκα από ανοξείδωτο χάλυβα. η πιο φωτεινή σπίθα δείχνει το εστιακό επίπεδο.
2. Τοποθετήστε ένα τριγωνικό μπλοκ από ανοξείδωτο χάλυβα κοντά σε αυτό το εστιακό επίπεδο και εγγράψτε τις γραμμές κάθε ~2 mm ξεκινώντας από 0,5 mm. Κάτω από ένα μικροσκόπιο, η στενότερη χαραγμένη γραμμή σηματοδοτεί την εστιακή θέση.

Η ποιότητα της δέσμης μετρήθηκε με προφίλτρο δέσμης, καθετήρα λέιζερ και εξασθενητή δέσμης. Με τον ανιχνευτή αρχικά στο εστιακό σημείο, η κεφαλή επεξεργασίας ανυψώθηκε σε βήματα 1 mm για να οριστούν τιμές αποεστίασης 0, 1, 2, 3 και 4 mm.

Σχήμα 1 - Ποιότητα δέσμης λέιζερ (κατανομή ενέργειας σημείου) σε σχέση με την ποσότητα αποεστίασης.

• Στην αποεστίαση 0 mm, η ενέργεια λέιζερ συγκεντρώνεται στο κέντρο του σημείου.
• Καθώς η αποεστίαση αυξάνεται, η κατανομή της ενέργειας στο σημείο γίνεται προοδευτικά πιο ομοιόμορφη.
• Στην αποεστίαση 3 mm, η κατανομή είναι στο μέγιστο ισορροπημένο.
• Στην αποεστίαση 4 mm, η κατανομή αρχίζει να εξαπλώνεται και να χάνει ξανά την ομοιομορφία.

Στην πράξη, η θήκη των 3 mm προσφέρει την καλύτερη-ανταλλαγή μεταξύ του μεγέθους κηλίδας και της πυκνότητας μέγιστης ισχύος για συγκόλληση λεπτών-φύλλων.

4.1 Επίδραση στη Μορφολογία Κηλίδων Συγκόλλησης

Το τεμάχιο εργασίας τοποθετήθηκε στο εστιακό σημείο με μέγιστη ισχύ και πλάτος παλμού ανοδικά μέχρι να εμφανιστεί ένα καθαρό σημάδι στο πίσω μέρος του κάτω φύλλου. Σε αυτή τη δοκιμή, η μέγιστη ισχύς ήταν 500 W και το πλάτος παλμού ήταν 3 ms. Αυτές οι παράμετροι στη συνέχεια διατηρήθηκαν σταθερές ενώ η αποεστίαση μεταβλήθηκε σε βήματα του 1 mm. η εμφάνιση του σημείου συγκόλλησης καταγράφηκε σε κάθε βήμα.

Σχήμα 2 - Εμφάνιση κηλίδων συγκόλλησης έναντι ποσότητας αποεστίασης.

Παρατηρήσεις:

• Σε αποεστίαση 0 – 1 mm, το σημείο συγκόλλησης είναι το μικρότερο και εμφανίζει ορατό πιτσίλισμα. Η αιτία είναι η συγκέντρωση ενέργειας στο σημείο του κέντρου, που παράγει υψηλή τοπική πυκνότητα ισχύος και εκτόξευση υλικού.
• Καθώς η αποεστίαση συνεχίζει να αυξάνεται, το σημείο συγκόλλησης γίνεται πιο ομοιόμορφο και το πιτσίλισμα εξαφανίζεται, κάτι που προκύπτει από το πιο ομοιόμορφο προφίλ δέσμης.
• Πάνω από 4 mm αποεστίαση, η στρογγυλότητα μειώνεται και η κηλίδα συρρικνώνεται ελαφρώς - πιθανόν επειδή η ενέργεια της δέσμης απλώνεται στις ακμές του σημείου.

Σε αποεστίαση 0 – 3 mm, η διάμετρος της κηλίδας συγκόλλησης αυξήθηκε από 0,4 mm σε 0,5 mm: η μεγαλύτερη αποεστίαση δημιουργεί ένα μεγαλύτερο επιφανειακό σημείο και επομένως μεγαλύτερο σημείο συγκόλλησης. Στην αποεστίαση 4 mm, η διάμετρος της κηλίδας μειώθηκε ξανά, επειδή η ενέργεια στην άκρη του σημείου δεν επαρκεί πλέον για να λιώσει πλήρως το υλικό, παρόλο που το σημείο είναι γεωμετρικά μεγαλύτερο.

Σχήμα 3 - Διάμετρος κηλίδας συγκόλλησης σε σχέση με την ποσότητα αποεστίασης.

4.2 Επίδραση στο βάθος διείσδυσης συγκόλλησης

Οι διατομές προετοιμάστηκαν με κοπή κατά μήκος της ακμής του σημείου συγκόλλησης, ακολουθούμενη από χονδρό τρίψιμο, λεπτή λείανση και στίλβωση. Το κέντρο συγκόλλησης επιθεωρήθηκε κατά τη διάρκεια της στίλβωσης, στη συνέχεια χαράχθηκε με διάλυμα νιτρικού οξέος + αλκοόλης για να αποκαλυφθεί το βάθος διείσδυσης σε κάθε τιμή αποεστίασης.

Παρατηρήσεις:

• Σε αποεστίαση 0 – 1 mm, το βάθος διείσδυσης είναι στο μέγιστο, φτάνοντας μέχρι το κάτω φύλλο.
• Σε αποεστίαση 2 – 3 mm, το βάθος διείσδυσης γίνεται μικρότερο, φτάνοντας μόνο το μισό περίπου πάχος του κάτω φύλλου.
• Στην αποεστίαση 4 mm, η διείσδυση μειώνεται απότομα, φτάνοντας μόνο το ένα-ένα τρίτο του πάχους του κάτω φύλλου.

Σχήμα 4 - Βάθος διείσδυσης συγκόλλησης σε σχέση με την ποσότητα αποεστίασης.

4.3 Επίδραση στην αντοχή εφελκυσμού συγκόλλησης

Η αντοχή εφελκυσμού ενός σημείου-μετρήθηκε σε μια μηχανή δοκιμής εφελκυσμού με το κάτω φύλλο σταθερό και το επάνω φύλλο τραβηγμένο προς τα πάνω. Για να εξασφαλιστεί η ακρίβεια, δοκιμάστηκαν τρία δείγματα σε κάθε σετ παραμέτρων και υπολογίστηκε ο μέσος όρος των αποτελεσμάτων.

Οι τιμές αποεστίασης 0, 1, 2, 3 και 4 mm παρήγαγαν αντοχές εφελκυσμού7 Ν, 8 Ν, 11 Ν, 15 Ν και 6 Ν, αντίστοιχα.

Η συνολική τάση: η αντοχή σε εφελκυσμό αυξάνεται με την αποεστίαση, επειδή η μεγαλύτερη αποεστίαση μεγεθύνει το σημείο συγκόλλησης και - το πιο σημαντικό - το πλάτος επαφής μεταξύ των δύο φύλλων, γεγονός που οδηγεί άμεσα στην αντοχή της άρθρωσης. Στην αποεστίαση 4 mm, η αντοχή πέφτει ξανά, πιθανότατα επειδή υποβαθμίζεται η ποιότητα της δέσμης και το σημείο γίνεται μεγαλύτερο αλλά χαμηλότερο σε πυκνότητα ισχύος, μειώνοντας τόσο τη διείσδυση όσο και την αντοχή.

Βασικό εύρημα:Η αντοχή σε εφελκυσμό ενός σημείου σε ανοξείδωτο χάλυβα 304 έφτασε στο μέγιστο15 N στα 3 mm αποεστίαση, όπου η μορφολογία κηλίδων συγκόλλησης ήταν επίσης η πιο συνεπής.

Πίνακας 2 - Σύνοψη της επίδρασης της αποεστίασης στο σημείο συγκόλλησης, τη διείσδυση και την αντοχή σε εφελκυσμό

Τα παραπάνω σχήματα αναπαράγουν τις τιμές μέτρησης που αναφέρθηκαν στην αρχική κινεζική μελέτη σε ένα λέιζερ ινών QCW 150 W με 304 ενώσεις περιτύλιξης από ανοξείδωτο χάλυβα σε κορυφή 500 W / πλάτος παλμού 3 ms. Είναι δεδομένα αναφοράς για μηχανικούς διεργασιών, όχι εγγυημένα κριτήρια αποδοχής για οποιαδήποτε συγκεκριμένη εφαρμογή. Πάντα να επικυρώνετε με δειγματοληπτικές δοκιμές για το πραγματικό υλικό, το πάχος και τη στερέωσή σας πριν από την κυκλοφορία της παραγωγής.

Όταν εμφανίζονται πιτσίλισμα, πορώδες ή έλλειψη σύντηξης στην παραγωγή, η βασική αιτία είναι συνήθως η αναντιστοιχία παραμέτρων, η επιλογή προστατευτικού αερίου ή η μόλυνση της επιφάνειας. Η διαγνωστική ροή σεκοινά ελαττώματα συγκόλλησης με λέιζερ και λύσειςπεριγράφει πώς να προσδιορίσει ποιος παράγοντας είναι υπεύθυνος.

Αυτή η μελέτη μέτρησε το προφίλ δέσμης λέιζερ σε διαφορετικές τιμές αποεστίασης και διαπίστωσε ότι όσο αυξάνεται η αποεστίαση, η κατανομή της ενέργειας κηλίδας γίνεται πιο ομοιόμορφη - αλλά πέρα ​​από τα 4 mm η κατανομή αρχίζει να εξαπλώνεται ξανά.

Μέσω της συγκόλλησης 304 από ανοξείδωτο ατσάλι, με όλους τους άλλους παράγοντες να παραμένουν σταθεροί, η διαφοροποίηση της ποσότητας αποεστίασης αλλάζει την εμφάνιση του σημείου συγκόλλησης, το μέγεθος της κηλίδας, το βάθος διείσδυσης και την αντοχή εφελκυσμού. Το καλύτερο παράθυρο διεργασίας πρέπει να ικανοποιεί τόσο την εμφάνιση όσο και τη δύναμη ταυτόχρονα.

Βασικά φαγητά:

• Καθώς η αποεστίαση αυξάνεται, η ποιότητα της συγκόλλησης βελτιώνεται και η αντοχή σε εφελκυσμό αυξάνεται.
• Στο3 mm αποεστίαση, η ομοιομορφία του σημείου συγκόλλησης και η αντοχή σε εφελκυσμό είναι και τα δύο στα καλύτερά τους για αυτήν τη γεωμετρία.
• Πέρα από την αποεστίαση 3 mm, τόσο η αντοχή όσο και η ποιότητα μειώνονται ξανά.

Για μια ευρύτερη εικόνα των πηγών, των τρόπων και των εφαρμογών συγκόλλησης -, συμπεριλαμβανομένης της συγκόλλησης με κλειδαρότρυπα, της επιλογής λέιζερ ινών και του τρόπου επιλογής μεταξύ φορητών, αυτοματοποιημένων και συστημάτων QCW για το κατάστημά σας - εξερευνήστε την πλήρημηχανές συγκόλλησης με λέιζερκατηγορία ή επικοινωνήστε με την King's Laser engineering στοinfo@kingslaser.comγια ένα δείγμα-αξιολόγησης του πραγματικού σας υλικού.