Kaip defokusavimo kiekis veikia lazerio spindulio kokybę ir suvirinimo našumą iš 304 nerūdijančio plieno

Lazerinė technologija yra vienas iš keturių esminių XX amžiaus proveržių, greta kompiuterijos, puslaidininkių ir branduolinės energijos, ir dabar naudojama optiniuose ryšiuose, medicinos sistemose, tikrinant ir apdorojant medžiagas. Medžiagų apdirbimo srityje lazerinis žymėjimas, pjovimas, gręžimas ir suvirinimas tapo patikimomis gamybos technologijomis. Suvirinimas lazeriu susilaukė vis didesnio dėmesio, nes jis turi aiškių pranašumų, palyginti su TIG ir varžiniu suvirinimu, atsižvelgiant į šilumos įvedimą, suvirinimo profilį ir automatizavimo galimybes.

Pagrindiniai lazerinio suvirinimo pranašumai yra šie:

• Labai mažaskarščio{0}}paveikta zona (HAZ)
• Aukštasgylio-ir-pločio santykissuvirinimo siūlėje
• Didelis sąnario stiprumas
• Jungties stiprumas ties pagrindiniu metalu arba virš jo
• Lengvas pluošto tiekimas per lankstų pluoštą automatizavimui

Įprasti lazerių šaltiniai yra CO₂ lazeriai, diskiniai lazeriai, Nd:YAG lazeriai, skaiduliniai lazeriai ir diodiniai lazeriai. Tarp jų,pluošto lazerisyra moderniausia kryptis, siūlanti:

• Didelis elektros{0}}iki-optinis efektyvumas (iki ~30 %)
• Kompaktiškas pėdsakas
• Maža priežiūra ir ilgas tarnavimo laikas
• Tvirtai tinka nerūdijančio plieno ir aliuminio lydinių suvirinimui

Thekvazi-nepertraukiamas (QCW) impulsinis skaidulinis lazeris„IPG Photonics“ sukurtas šaltinis yra pasienio klasė, užtikrinanti didelę didžiausią galią, o impulsų plotis siekia milisekundžių diapazoną -, puikiai suderintą su metalo suvirinimu ir mikro{1}} plonų dalių suvirinimu. Nors QCW pluošto lazerių proceso langas plačiai naudojamas elektronikos ir tikslaus suvirinimo srityse, vis dar sulaukiama riboto dėmesio. Šiame straipsnyje pagrindinis dėmesys skiriamas vienam iš svarbiausių proceso kintamųjų -židinio padėtis, išreikšta defokusavimo kiekiu- ir kontroliuojamais eksperimentais parodo, kaip 304 nerūdijančio plieno juostos jungties defokusas formuoja sijos kokybę, suvirinimo išvaizdą, suvirinimo įsiskverbimą ir jungties stiprumą. Norėdami pamatyti platesnį lazerinio suvirinimo kraštovaizdį, žr. mūsų vadovąlazerinio suvirinimo principai ir režimai.

2.1 Suvirinimo įranga

A 150 W QCW impulsinis skaidulinis lazerisbuvo šio tyrimo suvirinimo šaltinis. Tipiniai šios šaltinio klasės techniniai parametrai yra apibendrinti toliau (tipinės pramonės vertės; faktiniai skaičiai skiriasi priklausomai nuo modelio, konfigūracijos ir taikymo - garantuotų verčių ieškokite tiekėjo duomenų lape).

Lentelė 1 - Tipinės 150 W klasės QCW impulsinio pluošto lazerio specifikacijos (pramonės-tipinės pamatinės vertės, negarantuojama)

Aukščiau pateiktos reikšmės yra tipinės pramonės-referencinės 150 W klasės QCW impulsinio pluošto lazerio skaičiai, o ne garantuotos bet kurio konkretaus „King's Laser“ įrenginio specifikacijos. Norėdami gauti tikslių specifikacijų, susisiekite su info@kingslaser.com arba apsilankykite King's Laser produkto puslapyje, kuriame rasite dabartinį šios klasės modelį.

Lazerinio apdorojimo galvutė perkeliama ruošinio atžvilgiu per X/Y/Z judesio platformą, kad būtų galima suvirinti siūlę. Judesio valdiklis sinchronizuoja galvos padėtį su lazeriu, kad spinduliavimas prasidėtų tik tada, kai galva pasiekia užprogramuotą vietą.

Daugiau apie tai, kas apibrėžia šią lazerio klasę ir kur ji naudojama, žrkas yra QCW pluošto lazerinis suvirinimas, platesnė diskusijaQCW lazerinis suvirinimas keičiant pramoninius pritaikymus, ir pagrindinėbeveik{0}}nepertraukiamo pluošto lazerio šaltinis. Norėdami pamatyti reprezentatyvų gamybos padalinį, žr. King's Laser6 ašių QCW pluošto lazerinio suvirinimo aparatas.

2.2 Medžiagos ir paruošimas

Šio tyrimo pagrindinė medžiaga buvo304 nerūdijantis plienasišdėstyti kaip juosmens jungtis: viršutinis lakštas 0,2 mm storio, apatinis lakštas 0,5 mm storio, kiekvienas iškirptas iki 100 mm × 50 mm.

Paviršius buvo paruoštas dviem tirpiklio etapais: pirmiausia acetonu, paskui izopropanoliu, kad būtų pašalintos alyvos, oksidai ir kiti teršalai, galintys pakenkti suvirinimo vientisumui. Speciali armatūra tolygiai slėgė jungtį, kad būtų sumažintas tarpas tarp paviršių. Šis žingsnis yra svarbus, nes:

• Pagerina šilumos perdavimą tarp dviejų lakštų suvirinimo metu
• Skatina pastovų įsiskverbimo gylį
• Sumažina susiliejimo ir poringumo trūkumo riziką

Konkrečiai 304 nerūdijančiam plienui labai svarbu suderinti tinkamas apsaugines dujas su paviršiaus paruošimu - žr.apsauginių dujų pasirinkimas nerūdijančio plieno suvirinimui. Kadangi dauguma suvirinimo defektų prasideda paviršiuje, vien tik išankstinis suvirinimo siūlės valymas gali pašalinti iki 70 % jų - ištirkite duomenisvalymas lazeriu išsprendžia 70% suvirinimo defektų.

2.3 Lazerio židinio padėties nustatymas

Pagrindiniai veiksniai, lemiantys suvirinimo lazeriu rezultatus, yra didžiausia galia, impulso plotis ir defokuso dydis (tarpas tarp židinio taško ir ruošinio paviršiaus). Iš jų jautriausias yra defokuso kiekis.

Apibrėžimas - Defocus:Teigiamas defokusavimas reiškia, kad židinio taškas yra virš ruošinio paviršiaus; neigiamas defokusavimas reiškia, kad židinio taškas yra žemiau paviršiaus.

Patikimiausias būdas nustatyti židinio tašką yra trikampio nerūdijančio plieno kalibravimo metodas:

1. Nerūdijančio plieno plokštėje paleiskite mažos-energijos lazerio impulsą (apie 50 W); ryškiausia kibirkštis rodo židinio plokštumą.
2. Padėkite trikampį nerūdijančio plieno bloką netoli šios židinio plokštumos ir nubrėžkite linijas kas ~ 2 mm, pradedant nuo 0,5 mm. Žiūrint mikroskopu, siauriausia nubrėžta linija žymi židinio padėtį.

Spindulio kokybė buvo matuojama pluošto profiliatoriumi, lazeriniu zondu ir spindulio slopintuvu. Kai zondas iš pradžių buvo židinio taške, apdorojimo galvutė buvo pakelta 1 mm žingsniais, kad būtų nustatytos 0, 1, 2, 3 ir 4 mm defokusavimo reikšmės.

Paveikslas 1 - Lazerio spindulio kokybė (taškinės energijos pasiskirstymas) ir defokusavimo kiekis.

• Esant 0 mm defokusavimui, lazerio energija koncentruojama dėmės centre.
• Didėjant defokusavimui, taškinės energijos pasiskirstymas tampa vis tolygesnis.
• Esant 3 mm defokusavimui, paskirstymas yra labiausiai subalansuotas.
• Esant 4 mm defokusavimui, paskirstymas pradeda plisti ir vėl praranda vienodumą.

Praktiškai 3 mm dėklas siūlo geriausią kompromisą- tarp taško dydžio ir didžiausio galios tankio suvirinant plonus{2}} lakštus.

4.1 Poveikis suvirinimo taško morfologijai

Ruošinys buvo dedamas į židinio tašką, kai didžiausia galia ir impulso plotis buvo didinamas, kol apatinio lapo gale atsirado aiški žymė. Šiame bandyme didžiausia galia buvo 500 W, o impulso plotis - 3 ms. Tada šie parametrai buvo pastovūs, o defokusavimas buvo keičiamas 1 mm žingsniais; suvirinimo taško išvaizda buvo registruojama kiekviename žingsnyje.

Pav. 2 - Suvirinimo taško išvaizda ir defokusavimo kiekis.

Pastebėjimai:

• Esant 0–1 mm defokusavimui, suvirinimo vieta yra mažiausia ir matomi purslai. Priežastis yra energijos koncentracija dėmės centre, dėl kurios susidaro didelis vietinis galios tankis ir medžiagos išmetimas.
• Defokusuojant ir toliau didėjant, suvirinimo taškas tampa tolygesnis, o purslai išnyksta, o tai atsiranda dėl tolygesnio pluošto profilio.
• Jei fokusavimas viršija 4 mm, apvalumas pablogėja ir dėmė šiek tiek susitraukia -, nes spindulio energija pasklinda dėmės kraštuose.

0–3 mm defokusuojant suvirinimo taško skersmuo išaugo nuo 0,4 mm iki 0,5 mm: didesnis defokusavimas sukuria didesnę paviršiaus dėmę, taigi ir didesnę suvirinimo tašką. Esant 4 mm defokusavimui, dėmės skersmuo vėl sumažėjo, nes taško krašto energijos nebeužtenka, kad medžiaga visiškai ištirptų, nors dėmė geometriškai didesnė.

Pav. 3 - Suvirinimo taško skersmuo ir defokusuoto dydžio santykis.

4.2 Poveikis suvirinimo siūlės įsiskverbimo gyliui

Skerspjūviai buvo paruošti pjaunant išilgai suvirinimo taško krašto, po to buvo atliktas grubus šlifavimas, smulkus šlifavimas ir poliravimas. Suvirinimo centras buvo patikrintas poliravimo metu, tada išgraviruotas azoto rūgšties + alkoholio tirpalu, kad būtų parodytas įsiskverbimo gylis esant kiekvienai defokusavimo vertei.

Pastebėjimai:

• Esant 0–1 mm defokusavimui, įsiskverbimo gylis yra didžiausias ir pasiekia apatinį lapą.
• Esant 2–3 mm defokusavimui, įsiskverbimo gylis tampa mažesnis ir pasiekia tik maždaug pusę apatinio lakšto storio.
• Esant 4 mm defokusavimui, įsiskverbimas smarkiai sumažėja ir pasiekia tik maždaug trečdalį apatinio lakšto storio.

4 - pav. Suvirinimo įsiskverbimo gylis ir defokusavimo dydis.

4.3 Poveikis suvirinimo tempimui

Vieno{0}}taško tempiamasis stipris buvo išmatuotas tempimo bandymo mašina, pritvirtinus apatinį lakštą, o viršutinį patraukus į viršų. Siekiant užtikrinti tikslumą, kiekviename parametrų rinkinyje buvo išbandyti trys bandiniai, o rezultatų vidurkis.

0, 1, 2, 3 ir 4 mm defokusavimo vertės sukuria tempimo stiprius7 N, 8 N, 11 N, 15 N ir 6 N, atitinkamai.

Bendra tendencija: tempimo stipris didėja defokusuojant, nes dėl didesnio defokusavimo padidėja suvirinimo vieta ir -, svarbiausia, - kontakto plotis tarp dviejų lakštų, o tai tiesiogiai lemia jungties stiprumą. Esant 4 mm defokusavimui, stiprumas vėl krenta, greičiausiai dėl to, kad prastėja spindulio kokybė ir taškas tampa didesnis, bet mažesnis galios tankis, todėl sumažėja prasiskverbimas ir stiprumas.

Pagrindinis atradimas:304 nerūdijančio plieno vienos vietos{0}}tempiamasis stipris pasiekė aukščiausią tašką15 N esant 3 mm defokusavimui, kur suvirinimo taško morfologija taip pat buvo nuosekliausia.

Lentelė 2 - Defokusavimo poveikio suvirinimo vietai, įsiskverbimui ir tempimo stipriui suvestinė

Aukščiau pateikti skaičiai atkartoja išmatuotas vertes, nurodytas pradiniame Kinijos tyrime naudojant 150 W QCW skaidulinį lazerį su 304 nerūdijančio plieno juosmeninėmis jungtimis, esant 500 W didžiausiai / 3 ms impulso pločiui. Tai yra informaciniai duomenys procesų inžinieriams, o ne garantuoti priimtinumo kriterijai jokiai konkrečiai programai. Prieš išleidžiant produkciją, visada patikrinkite faktinę medžiagą, storį ir tvirtinimo detales.

Kai gamyboje atsiranda purslų, poringumo arba nesusiliejimo, pagrindinė priežastis dažniausiai yra parametrų neatitikimas, apsauginių dujų pasirinkimas arba paviršiaus užterštumas. Diagnostikos srautasdažni lazerinio suvirinimo defektai ir sprendimaipaaiškina, kaip nustatyti, kuris veiksnys yra atsakingas.

Šiame tyrime buvo išmatuotas lazerio spindulio profilis skirtingomis defokusavimo reikšmėmis ir nustatyta, kad padidėjus defokusavimui, taško energijos pasiskirstymas tampa tolygesnis -, bet daugiau nei 4 mm pasiskirstymas vėl pradeda plisti.

Suvirinant 304 nerūdijančio plieno juosmeninę jungtį, kai visi kiti veiksniai išlieka pastovūs, kintant defokusavimo kiekiui, keičiasi suvirinimo taško išvaizda, dėmės dydis, įsiskverbimo gylis ir tempiamasis stiprumas. Geriausias proceso langas turi atitikti išvaizdą ir stiprumą vienu metu.

Pagrindiniai pasiėmimai:

• Didėjant defokusavimui, pagerėja suvirinimo kokybė ir didėja atsparumas tempimui.
• At3 mm defokusas, suvirinimo taško vienodumas ir atsparumas tempimui yra geriausi šiai geometrijai.
• Virš 3 mm defokusavimo vėl prastėja ir stiprumas, ir kokybė.

Norėdami sužinoti daugiau apie suvirinimo šaltinius, režimus ir programas -, įskaitant rakto skylučių suvirinimą, pluošto lazerio pasirinkimą ir kaip pasirinkti rankines, automatines ir QCW sistemas savo parduotuvėje - peržiūrėkite visąlazerinio suvirinimo aparataikategorijoje arba susisiekite su King's Laser engineering adresuinfo@kingslaser.comkad galėtumėte pavyzdį{0}}padaryti jūsų tikrosios medžiagos įvertinimą.