Kako količina defokusiranja vpliva na kakovost laserskega žarka in učinkovitost zvara v nerjavnem jeklu 304

Laserska tehnologija je poleg računalništva, polprevodnikov in jedrske energije eden od štirih opredeljujočih prebojev 20. stoletja in se zdaj uporablja v optičnih komunikacijah, medicinskih sistemih, pregledih in obdelavi materialov. Znotraj obdelave materialov so lasersko označevanje, rezanje, vrtanje in varjenje dozoreli v zanesljive proizvodne tehnologije. Med njimi si je vse večjo pozornost pritegnilo lasersko varjenje, saj ponuja jasne prednosti pred TIG in uporovnim varjenjem pri vnosu toplote, profilu zvara in potencialu avtomatizacije.

Glavne prednosti laserskega varjenja so:

• Zelo majhentoplotno{0}}prizadeta cona (HAZ)
• visokorazmerje med-globino in-širinov zvaru
• Visoka trdnost spoja
• Trdnost spoja na ali nad osnovno kovino
• Enostavna dostava žarka skozi fleksibilna vlakna za avtomatizacijo

Pogosti laserski viri vključujejo CO₂ laserje, disk laserje, Nd:YAG laserje, vlaknene laserje in diodne laserje. Med temi jefiber laserje najsodobnejša smer, ki ponuja:

• Visoka električna-do-optična učinkovitost (do ~30 %)
• Kompakten odtis
• Nizko vzdrževanje in dolga življenjska doba
• Močno prileganje za varjenje nerjavnega jekla in aluminijevih zlitin

Thekvazi{0}}zvezni (QCW) impulzni vlakneni laserki ga je razvilo podjetje IPG Photonics, predstavlja mejni razred vira, ki zagotavlja visoko konično moč s širino impulza, ki sega v milisekundno območje - in se dobro ujema z varjenjem kovin in mikro-varjenjem tankih delov. Čeprav je procesno okno za laserje z vlakni QCW široko sprejeto v elektroniki in natančnem varjenju, je še vedno deležno omejene objavljene pozornosti. Ta članek se osredotoča na eno najbolj kritičnih procesnih spremenljivk -položaj žarišča, izražen kot količina defokusa- in z nadzorovanimi poskusi prikazuje, kako defokus oblikuje kakovost žarka, videz zvara, preboj zvara in trdnost spoja na prekrivnem spoju iz nerjavečega jekla 304. Za širši pogled na področje laserskega varjenja si oglejte naš vodnik nanačela in načini laserskega varjenja.

2.1 Varilna oprema

A 150 W QCW impulzni laser z vlaknislužil kot vir varjenja za to študijo. Reprezentativni tehnični parametri tega razreda vira so povzeti spodaj (tipične industrijske vrednosti; dejanske številke se razlikujejo glede na model, konfiguracijo in aplikacijo - za zajamčene vrednosti glejte podatkovni list dobavitelja).

Tabela 1 - Tipične specifikacije za impulzni vlakenski laser QCW razreda 150 W (-tipične referenčne vrednosti za industrijo, niso zajamčene)

Zgoraj prikazane vrednosti so tipične-industrijske referenčne številke za 150 W impulzni laser z vlakni QCW razreda in ne zajamčene specifikacije katere koli posamezne enote King's Laser. Za točne specifikacije se obrnite na info@kingslaser.com ali obiščite stran izdelka King's Laser za trenutni model v tem razredu.

Laserska obdelovalna glava se premakne relativno glede na obdelovanec prek platforme za premikanje X/Y/Z za izvedbo varjenja šivov. Krmilnik gibanja sinhronizira položaj glave z laserskim proženjem, tako da se emisija začne šele, ko glava doseže programirano lokacijo.

Več o tem, kaj opredeljuje ta laserski razred in kje se uporablja, glejtekaj je QCW lasersko varjenje vlaken, širša razprava oQCW lasersko varjenje, preoblikovanje industrijskih aplikacij, in podlagokvazi-laserski vir z neprekinjenimi vlakni. Za ogled reprezentativne proizvodne enote se obrnite na King's Laser6-osni QCW laserski varilni stroj za vlakna.

2.2 Materiali in priprava

Osnovni material v tej študiji je bil304 nerjavno jeklourejeno kot prekrivni spoj: zgornji list debeline 0,2 mm, spodnji list debeline 0,5 mm, vsak razrezan na 100 mm × 50 mm.

Priprava površine je bila izvedena v dveh korakih s topilom: najprej z acetonom, nato z izopropanolom, da odstranimo olja, okside in druge onesnaževalce, ki lahko ogrozijo celovitost zvara. Namensko vpenjalo je enakomerno pritiskalo na spoj, da se zmanjša medfazna razdalja. Ta korak je pomemben, ker:

• Izboljša prenos toplote med obema ploščama med varjenjem
• Spodbuja dosledno globino penetracije
• Zmanjša tveganje pomanjkanja fuzije in poroznosti

Posebej za nerjavno jeklo 304 je ključnega pomena združitev pravega zaščitnega plina s pripravo površine - glejte smernice naizbira zaščitnega plina za varjenje nerjavnega jekla. In ker se večina napak pri varjenju začne na površini, jih lahko samo čiščenje pred -varjem odstrani do 70 % - raziščite podatke vlasersko čiščenje odpravi 70% napak pri varjenju.

2.3 Določanje položaja žarišča laserja

Glavni dejavniki, ki določajo rezultate laserskega varjenja, so največja moč, širina impulza in količina defokusiranja (vrzel med goriščem in površino obdelovanca). Od teh je najbolj občutljiva stopnja zamegljenosti.

Definicija - Defocus:Pozitivno defokusiranje pomeni, da žariščna točka leži nad površino obdelovanca; negativna defokusacija pomeni, da žarišče leži pod površjem.

Najbolj zanesljiva metoda za lociranje žariščne točke je trikotna metoda kalibracije iz nerjavečega jekla:

1. Sprožite-nizkoenergijski laserski impulz (približno 50 W) na ploščo iz nerjavečega jekla; najsvetlejša iskra označuje goriščno ravnino.
2. Blizu te goriščne ravnine postavite trikotni blok iz nerjavečega jekla in začrtajte črte vsakih ~2 mm, začenši z 0,5 mm. Pod mikroskopom najožja začrtana črta označuje položaj žarišča.

Kakovost žarka je bila izmerjena s profilatorjem žarka, lasersko sondo in dušilcem žarka. Ko je bila sonda na začetku v žarišču, se je obdelovalna glava dvignila v korakih po 1 mm, da se nastavijo vrednosti defokusiranja 0, 1, 2, 3 in 4 mm.

Slika 1 - Kakovost laserskega žarka (točkovna porazdelitev energije) glede na stopnjo zamegljenosti.

• Pri defokusu 0 mm je laserska energija koncentrirana v središču točke.
• Ko se izostritev poveča, postane porazdelitev energije točke postopoma bolj enakomerna.
• Pri 3 mm defocusu je porazdelitev najbolj uravnotežena.
• Pri defokusu 4 mm se porazdelitev začne širiti in spet izgubi enakomernost.

V praksi 3 mm ohišje ponuja najboljši-razkorak med velikostjo točke in največjo gostoto moči za varjenje tanke{2}}pločevine.

4.1 Vpliv na morfologijo zvara

Obdelovanec je bil postavljen v žariščno točko z največjo močjo in širino impulza, ki se je povečevala navzgor, dokler se na zadnji strani spodnjega lista ni pojavila jasna oznaka. V tem testu je bila največja moč 500 W in širina impulza 3 ms. Ti parametri so bili nato konstantni, medtem ko se je defokus spreminjal v korakih po 1 mm; videz zvarne točke je bil zabeležen pri vsakem koraku.

Slika 2 - Videz zvarnega mesta v primerjavi s količino zamegljenosti.

Opažanja:

• Pri defokusiranju 0 – 1 mm je zvar najmanjši in kaže vidne brizganje. Vzrok je koncentracija energije v središču točke, ki povzroča visoko lokalno gostoto moči in izmet materiala.
• Ko se izostritev še naprej povečuje, postane mesto zvara bolj enotno in brizganje izgine, kar izhaja iz enakomernejšega profila žarka.
• Pri izostritvi nad 4 mm se okroglost poslabša in pika se rahlo skrči - verjetno zato, ker se energija žarka razširi na robovih točke.

Pri defokusu 0–3 mm se je premer zvara povečal z 0,4 mm na 0,5 mm: večja defokus povzroči večjo površinsko liso in s tem večjo liso zvara. Pri defokusu 4 mm se je premer pike ponovno zmanjšal, saj energija na robu pike ne zadošča več za popolno taljenje materiala, čeprav je pika geometrično večja.

Slika 3 - Premer zvarne točke v primerjavi s stopnjo zamegljenosti.

4.2 Vpliv na globino preboja zvara

Prečni-prerezi so bili pripravljeni z rezanjem vzdolž roba zvarnega mesta, čemur je sledilo grobo brušenje, fino brušenje in poliranje. Središče zvara je bilo pregledano med poliranjem, nato jedkano z raztopino dušikove kisline + alkohola, da se razkrije globina penetracije pri vsaki vrednosti defokusiranja.

Opažanja:

• Pri defokusu 0 – 1 mm je globina prodiranja največja in sega v spodnjo plast.
• Pri defokusu 2–3 mm postane globina penetracije manjša in doseže le približno polovico debeline spodnjega lista.
• Pri defokusu 4 mm penetracija močno pade in doseže le približno-tretjino debeline spodnjega lista.

Slika 4 - Globina preboja zvara glede na količino defokusa.

4.3 Vpliv na natezno trdnost zvara

En-točkovna natezna trdnost je bila izmerjena na napravi za natezno preskušanje s pritrjeno spodnjo ploščo in vlečeno zgornjo ploščo. Da bi zagotovili točnost, so bili pri vsakem nizu parametrov testirani trije vzorci in rezultati povprečni.

Vrednosti defokusiranja 0, 1, 2, 3 in 4 mm so povzročile natezno trdnost7 N, 8 N, 11 N, 15 N in 6 N, oz.

Splošni trend: natezna trdnost narašča z defokusom, ker večja defokus poveča zvarno mesto in - kar je najpomembneje - širino stika med dvema ploščama, kar neposredno vpliva na trdnost spoja. Pri defokusu 4 mm moč spet pade, najverjetneje zato, ker se kakovost žarka poslabša in točka postane večja, vendar nižja v gostoti moči, kar zmanjša prodor in moč.

Glavna ugotovitev:Eno-točkovna natezna trdnost na nerjavnem jeklu 304 je dosegla vrh15 N pri 3 mm defokusiranju, kjer je bila morfologija zvara tudi najbolj dosledna.

Tabela 2 - Povzetek učinka defokusiranja na mesto varjenja, preboj in natezno trdnost

Zgornje številke ponazarjajo izmerjene vrednosti, sporočene v izvirni kitajski študiji o 150 W QCW laserju z vlakni s 304 prekrivnimi spoji iz nerjavečega jekla pri 500 W vrha/širini impulza 3 ms. So referenčni podatki za procesne inženirje, niso pa zajamčena merila sprejemljivosti za katero koli specifično aplikacijo. Pred začetkom proizvodnje vedno potrdite s testiranjem vzorcev vašega dejanskega materiala, debeline in pritrditve.

Ko se med proizvodnjo pojavijo brizganje, poroznost ali pomanjkanje fuzije, je glavni vzrok običajno neusklajenost parametrov, izbira zaščitnega plina ali površinska kontaminacija. Diagnostični tok vpogoste napake pri laserskem varjenju in rešitveopisuje, kako ugotoviti, kateri dejavnik je odgovoren.

Ta študija je izmerila profil laserskega žarka pri različnih vrednostih defokusiranja in ugotovila, da ko se defokusiranje poveča, postane porazdelitev energije točke bolj enakomerna -, vendar se porazdelitev nad 4 mm ponovno začne širiti.

S prekrivnim varjenjem iz nerjavečega jekla 304, pri čemer so vsi drugi dejavniki nespremenjeni, spreminjanje stopnje defokusiranja spremeni videz zvarnega mesta, velikost mesta, globino penetracije in natezno trdnost. Najboljše procesno okno mora hkrati zadovoljiti videz in trdnost.

Ključni zaključki:

• Ko se defokus poveča, se izboljša kakovost zvara in poveča natezna trdnost.
• pri3 mm defokus, enakomernost zvarnih točk in natezna trdnost sta najboljši za to geometrijo.
• Nad 3 mm zamegljenostjo tako moč kot kakovost spet upadeta.

Za širši pogled na varilne vire, načine in aplikacije -, vključno z varjenjem v ključavnico, izbiro optičnega laserja in izbiro med ročnimi, avtomatiziranimi in QCW sistemi za vašo trgovino - raziščite celotnolaserski varilni strojikategorijo ali kontaktirajte King's Laser Engineering nainfo@kingslaser.comza vzorčno-oceno izreza na vašem dejanskem materialu.