Kuidas defookuse kogus mõjutab laserkiire kvaliteeti ja keevisõmbluse jõudlust roostevabast terasest 304

Lasertehnoloogia on üks neljast 20. sajandi läbimurdest kõrvuti andmetöötluse, pooljuhtide ja tuumaenergiaga ning seda kasutatakse nüüd optilises sides, meditsiinisüsteemides, kontrollides ja materjalide töötlemises. Materjalide töötlemisel on lasermärgistamine, lõikamine, puurimine ja keevitamine muutunud usaldusväärseteks tootmistehnoloogiateks. Nende hulgas on laserkeevitus pälvinud järjest suuremat tähelepanu, kuna see pakub selgeid eeliseid TIG- ja takistuskeevituse ees soojussisendi, keevisprofiili ja automatiseerimispotentsiaali osas.

Laserkeevituse peamised eelised on järgmised:

• Väga väikesoojus{0}}mõjutatud tsoon (HAZ)
• Kõrgesügavuse{0}} ja-laiuse suhekeevisõmbluses
• Kõrge liigeste tugevus
• Vuugitugevus põhimetalli juures või sellest kõrgemal
• Lihtne kiire kohaletoimetamine läbi paindliku kiu automatiseerimiseks

Levinud laseriallikate hulka kuuluvad CO₂-laserid, ketaslaserid, Nd:YAG-laserid, kiudlaserid ja dioodlaserid. Nende hulgas onkiudlaseron kõige kaasaegsem suund, mis pakub:

• Kõrge elektriline{0}}kuni-optiline efektiivsus (kuni ~30%)
• Kompaktne jalajälg
• Madal hooldus ja pikk kasutusiga
• Tugev sobivus roostevaba terase ja alumiiniumisulamite keevitamiseks

Thekvaasi-pidev (QCW) impulsskiudlaserIPG Photonicsi poolt välja töötatud allikas esindab piiripealset allikaklassi, pakkudes suurt tippvõimsust, mille impulsi laiused ulatuvad millisekundivahemikku -, mis sobivad hästi metallikeevituse ja õhukeste osade mikro{1}}keevitusega. Kuigi QCW kiudlaserite protsessiaken on elektroonikas ja täppiskeevitamises laialdaselt kasutusele võetud, pälvib see siiski piiratud tähelepanu. See artikkel keskendub ühele kõige kriitilisemale protsessimuutujale -fookusasend, väljendatuna defookuse summana- ja näitab kontrollitud katsetega, kuidas defookus kujundab tala kvaliteeti, keevisõmbluse välimust, keevisõmbluse läbitungimist ja vuugi tugevust 304 roostevabast terasest vööühendusel. Laserkeevitusmaastiku laiema ülevaate saamiseks vaadake meie juhenditlaserkeevituse põhimõtted ja režiimid.

2.1 Keevitusseadmed

A 150 W QCW impulsskiudlaseroli selle uuringu keevitusallikaks. Allpool on kokku võetud selle allikaklassi tüüpilised tehnilised parameetrid (tüüpilised tööstusharu väärtused; tegelikud arvud varieeruvad olenevalt mudelist, konfiguratsioonist ja rakendusest -, garanteeritud väärtuste kohta vaadake tarnija andmelehte).

Tabel 1 - 150 W klassi QCW impulsskiudlaseri tüüpilised spetsifikatsioonid (tööstuse-tüüpilised võrdlusväärtused, pole garanteeritud)

Ülaltoodud väärtused on tööstusharu-tüüpilised võrdlusarvud 150 W klassi QCW impulsskiudlaseri jaoks, mitte ühegi konkreetse King's Laseri seadme garanteeritud spetsifikatsioonid. Täpsete tehniliste andmete saamiseks võtke ühendust info@kingslaser.com või külastage selle klassi praeguse mudeli King's Laseri tootelehte.

Lasertöötluspead liigutatakse töödeldava detaili suhtes X/Y/Z liikumisplatvormi kaudu õmbluse keevitamiseks. Liikumiskontroller sünkroniseerib pea asendi laseriga, nii et kiirgus algab alles siis, kui pea jõuab programmeeritud asukohta.

Lisateavet selle laseriklassi määratlemise ja kasutamise kohta leiate artiklistmis on QCW kiudlaserkeevitus, laiem aruteluQCW laserkeevitus tööstuslike rakenduste ümberkujundamiseksja selle aluseks olevkvaasi-pidev kiudlaserallikas. Esindusliku tootmisüksuse nägemiseks vaadake King's Laserit6-teljeline QCW kiudlaserkeevitusmasin.

2.2 Materjalid ja ettevalmistus

Selle uuringu alusmaterjal oli304 roostevaba teraspaigutatud vuugühendusena: ülemine leht paksusega 0,2 mm, alumine leht paksusega 0,5 mm, iga lõigatud 100 mm × 50 mm.

Pinna ettevalmistamine viidi läbi kahes lahustietapis: esmalt atsetoon, seejärel isopropanoolilapp, et eemaldada õlid, oksiidid ja muud saasteained, mis võivad kahjustada keevisõmbluse terviklikkust. Spetsiaalne kinnitus avaldas ühenduskohale ühtlast survet, et minimeerida liidese kliirensit. See samm on oluline, sest see:

• Parandab soojusülekannet kahe lehe vahel keevitamise ajal
• Edendab ühtlast läbitungimissügavust
• Vähendab sulandumise ja poorsuse puudumise ohtu

Täpsemalt 304 roostevaba terase puhul on õige kaitsegaasi sidumine pinna ettevalmistusega kriitiline - vt juhiseidkaitsegaasi valik roostevaba terase keevitamiseks. Ja kuna enamik keevisõmbluse defekte saab alguse pinnalt, võib ainult keevisõmbluse eelpuhastus eemaldada kuni 70% neist - uurida andmeidlaserpuhastus lahendab 70% keevitusvigadest.

2.3 Laseri fookusasendi määramine

Peamised tegurid, mis määravad laserkeevituse tulemusi, on tippvõimsus, impulsi laius ja defookuse suurus (vahe fookuspunkti ja tooriku pinna vahel). Neist kõige tundlikum on defookuse hulk.

Definitsioon - Defocus:Positiivne defokuseerimine tähendab, et fookuspunkt asub tooriku pinnast kõrgemal; negatiivne defookus tähendab, et fookuspunkt asub pinna all.

Kõige usaldusväärsem meetod fookuspunkti leidmiseks on kolmnurkne roostevabast terasest kalibreerimismeetod:

1. Laske roostevabast terasest plaadil madala-energiaga laserimpulss (umbes 50 W); eredaim säde näitab fookustasandit.
2. Asetage kolmnurkne roostevabast terasest plokk selle fookustasandi lähedale ja kirjutage jooned iga ~ 2 mm järel alates 0,5 mm. Mikroskoobi all tähistab kõige kitsam joon fookusasendit.

Kiirekvaliteeti mõõdeti kiirprofiili, lasersondi ja kiire summutiga. Kui sond oli algselt fookuspunktis, tõsteti töötlemispead 1 mm sammuga, et seada defookuse väärtused 0, 1, 2, 3 ja 4 mm.

Joonis 1 - Laserkiire kvaliteet (punktenergia jaotus) versus defokuseerimise hulk.

• 0 mm defokuseerimisel koondub laseri energia täpi keskele.
• Defookuse suurenedes muutub punktienergia jaotus järk-järgult ühtlasemaks.
• 3 mm defokuseerimisel on jaotus kõige tasakaalustatum.
• 4 mm defokuseerimisel hakkab jaotus levima ja kaotab uuesti ühtluse.

Praktikas pakub 3 mm ümbris parimat kompromissi-täpi suuruse ja tippvõimsustiheduse vahel õhukese lehe keevitamiseks.

4.1 Mõju keevispunktide morfoloogiale

Toorik asetati fookuspunkti tippvõimsuse ja impulsi laiusega ülespoole, kuni alumise lehe tagaküljele ilmus selge märk. Selles testis oli tippvõimsus 500 W ja impulsi laius 3 ms. Seejärel hoiti neid parameetreid konstantsena, samal ajal kui defokuseerimist muudeti 1 mm sammuga; keevispunkti välimus registreeriti igal etapil.

Joonis 2 - Keevispunkti välimus versus defookuse hulk.

Tähelepanekud:

• 0–1 mm defokuseerimisel on keeviskoht väikseim ja sellel on nähtavad pritsmed. Põhjuseks on energia kontsentratsioon punkti keskpunktis, mis tekitab suure lokaalse võimsustiheduse ja materjali väljutamise.
• Defookuse suurenedes muutub keeviskoht ühtlasemaks ja pritsmed kaovad, mis tuleneb ühtlasemast tala profiilist.
• Üle 4 mm defokuseerimisel ümarus halveneb ja täpp kahaneb veidi -, kuna kiire energia levib laigu servades.

0–3 mm defokuseerimisel kasvas keevispunkti läbimõõt 0,4 mm-lt 0,5 mm-le: suurem defookus tekitab suurema pinnatäpi ja seega ka suurema keevispunkti. 4 mm defokuseerimisel vähenes täpi läbimõõt taas, kuna punkti serva energiast ei piisa enam materjali täielikuks sulatamiseks, kuigi koht on geomeetriliselt suurem.

Joonis 3 - Keevituspunkti läbimõõt versus defookuse suurus.

4.2 Mõju keevisõmbluse läbitungimissügavusele

Ristlõiked valmistati ette, lõigates piki keevispunkti serva, millele järgnes jäme lihvimine, peenlihvimine ja poleerimine. Keevituskeskust kontrolliti poleerimise ajal, seejärel söövitati lämmastikhappe + alkoholi lahusega, et paljastada läbitungimissügavus iga defookuse väärtuse juures.

Tähelepanekud:

• 0–1 mm defokuseerimisel on läbitungimissügavus maksimaalne, ulatudes põhjalehe sisse.
• 2–3 mm defokuseerimisel muutub läbitungimissügavus madalamaks, ulatudes vaid umbes poole põhja lehe paksusest.
• 4 mm defokuseerimisel langeb läbitung järsult, ulatudes vaid umbes ühe-kolmandiku alumise lehe paksusest.

Joonis 4 - Keevisõmbluse läbitungimissügavus versus defokuseerimise hulk.

4.3 Mõju keevisõmbluse tõmbetugevusele

Üksiku-punkti tõmbetugevust mõõdeti tõmbekatse masinaga, mille alumine leht oli fikseeritud ja ülemine leht tõmmatud ülespoole. Täpsuse tagamiseks testiti iga parameetrikomplekti juures kolme proovi ja tulemuste keskmine.

Defocus väärtused 0, 1, 2, 3 ja 4 mm andsid tõmbetugevuse7 N, 8 N, 11 N, 15 N ja 6 N, vastavalt.

Üldine suundumus: tõmbetugevus suureneb koos defokuseerimisega, kuna suurem defookus suurendab keevisõmbluse kohta ja - mis kõige tähtsam - kahe lehe kontakti laiust, mis mõjutab otseselt liite tugevust. 4 mm defokuseerimisel langeb tugevus uuesti, tõenäoliselt seetõttu, et tala kvaliteet halveneb ja koht muutub suuremaks, kuid väiksema võimsustihedusega, vähendades nii läbitungimist kui ka tugevust.

Põhiline leid:Roostevaba terase 304 ühe-punkti tõmbetugevus saavutas haripunkti15 N 3 mm defokuseerimisel, kus keevispunkti morfoloogia oli samuti kõige ühtlasem.

Tabel 2 - Kokkuvõte defookuse mõjust keevisõmbluse punktile, läbitungimisele ja tõmbetugevusele

Ülaltoodud joonised kordavad mõõdetud väärtusi, mis on esitatud Hiina esialgses uuringus 150 W QCW kiudlaseriga, millel on 304 roostevabast terasest ristliigendit 500 W tipu / 3 ms impulsi laiuse juures. Need on protsessiinseneride võrdlusandmed, mitte ühegi konkreetse rakenduse jaoks garanteeritud aktsepteerimiskriteeriumid. Kinnitage alati oma tegeliku materjali, paksuse ja kinnituse näidistestidega enne tootmise väljalaskmist.

Kui tootmisel ilmnevad pritsmed, poorsus või sulandumise puudumine, on algpõhjus tavaliselt parameetrite mittevastavus, kaitsegaasi valik või pinna saastumine. Diagnostika sissevoollevinumad laserkeevitusvead ja -lahendusedkirjeldab, kuidas teha kindlaks, milline tegur on vastutav.

Selles uuringus mõõdeti laserkiire profiili erinevate defookuse väärtuste lõikes ja leiti, et kui defokuseerimine suureneb, muutub punkti energiajaotus ühtlasemaks -, kuid üle 4 mm hakkab jaotus uuesti levima.

Roostevabast terasest 304 ristliidese keevitamise abil, kusjuures kõik muud tegurid on konstantsed, muudab defookuse määra muutmine keevispunkti välimust, punkti suurust, läbitungimissügavust ja tõmbetugevust. Parim protsessiaken peab rahuldama üheaegselt nii välimust kui ka tugevust.

Peamised pakkumised:

• Defookuse suurenedes paraneb keevisõmbluse kvaliteet ja suureneb tõmbetugevus.
• Kell3 mm defokuseerimine, on keevispunktide ühtlus ja tõmbetugevus selle geomeetria jaoks parimad.
• Peale 3 mm defookuse langevad taas nii tugevus kui kvaliteet.

Keevitusallikate, -režiimide ja -rakenduste laiema ülevaate saamiseks -, sealhulgas võtmeaukude keevitamine, kiudlaseri valik ja kuidas valida oma poe jaoks pihuarvutite, automatiseeritud ja QCW-süsteemide vahel, - uurige täielikku teavetlaserkeevitusmasinadkategooriasse või võtke ühendust Kingi lasertehnikaga aadressilinfo@kingslaser.comoma tegeliku materjali{0}}kärjehinnangu näidiseks.