Cum afectează cantitatea de focalizare calitatea fasciculului laser și performanța sudurii în oțel inoxidabil 304

Tehnologia laser este una dintre cele patru descoperiri definitorii ale secolului al XX-lea, alături de calculatoare, semiconductori și energia nucleară, și este acum utilizată în comunicațiile optice, sisteme medicale, inspecție și procesarea materialelor. În cadrul procesării materialelor, marcarea cu laser, tăierea, găurirea și sudarea s-au maturizat în tehnologii de producție fiabile. Printre acestea, sudarea cu laser a câștigat o atenție din ce în ce mai mare, deoarece oferă avantaje clare față de sudarea TIG și prin rezistență în ceea ce privește aportul de căldură, profilul de sudare și potențialul de automatizare.

Principalele beneficii ale sudării cu laser sunt:

• Foarte miczona afectată de căldură{0}(HAZ)
• Ridicatraportul adâncime-la-lățimeîn sudură
• Rezistență ridicată a articulațiilor
• Rezistența îmbinării la sau deasupra metalului de bază
• Livrare ușoară a fasciculului printr-o fibră flexibilă pentru automatizare

Sursele laser comune includ lasere CO₂, lasere cu disc, lasere Nd:YAG, lasere cu fibră și lasere cu diode. Printre acestea, cellaser cu fibrăeste cea mai modernă direcție, oferind:

• Eficiență electrică-și-optică ridicată (până la ~30%)
• Amprentă compactă
• Întreținere redusă și durată lungă de viață
• Potrivire puternică pentru sudarea oțelului inoxidabil și a aliajelor de aluminiu

Thelaser cu fibră pulsat cvasi-continuu (QCW).dezvoltat de IPG Photonics reprezintă o clasă de sursă de frontieră, oferind putere de vârf ridicată, cu lățimi ale impulsului extinzându-se în intervalul de milisecunde - bine potrivite cu sudarea metalelor și micro-sudarea pieselor subțiri. Deși adoptată pe scară largă în electronică și sudarea de precizie, fereastra de proces pentru laserele cu fibră QCW primește încă o atenție limitată publicată. Acest articol se concentrează pe una dintre cele mai critice variabile de proces -poziţia focală, exprimată ca valoare de focalizare- și arată, prin experimente controlate, modul în care defocalizarea modelează calitatea fasciculului, aspectul sudurii, pătrunderea sudurii și rezistența îmbinării pe o îmbinare de oțel inoxidabil 304. Pentru o vedere mai largă a peisajului sudării cu laser, consultați ghidul nostruprincipii și moduri de sudare cu laser.

2.1 Echipamente de sudare

A 150 W Laser cu fibră pulsată QCWa servit drept sursă de sudare pentru acest studiu. Parametrii tehnici reprezentativi ai acestei clase de surse sunt rezumați mai jos (valorile tipice ale industriei; cifrele reale variază în funcție de model, configurație și aplicație - consultați fișa de date a furnizorului pentru valorile garantate).

Tabel 1 - Specificații tipice pentru un laser cu fibră pulsată QCW de 150 W (valori de referință tipice-industriei, negarantate)

Valorile prezentate mai sus sunt cifre de referință tipice-industriei pentru un laser cu fibră pulsată QCW de clasă 150 W, nu specificațiile garantate ale unei anumite unități King's Laser. Pentru specificații exacte, contactați info@kingslaser.com sau vizitați pagina de produse King's Laser pentru modelul actual din această clasă.

Capul de prelucrare cu laser este mutat în raport cu piesa de prelucrat printr-o platformă de mișcare X/Y/Z pentru a efectua sudarea cusăturii. Controlerul de mișcare sincronizează poziția capului cu tragere cu laser, astfel încât emisia să înceapă numai atunci când capul ajunge la o locație programată.

Pentru mai multe despre ce definește această clasă laser și unde este utilizată, consultațice este sudarea cu laser cu fibre QCW, discuția mai largă despresudare cu laser QCW remodelare aplicații industriale, și subiacentsursă laser cu fibră cvasi-continuă. Pentru a vedea o unitate de producție reprezentativă, consultați Laserul RegeluiMașină de sudat cu laser cu fibre QCW cu 6 axe.

2.2 Materiale și pregătire

Materialul de bază în acest studiu a fostotel inoxidabil 304aranjate sub formă de îmbinare: foaia superioară de 0,2 mm grosime, foaia inferioară de 0,5 mm grosime, fiecare tăiată la 100 mm × 50 mm.

Pregătirea suprafeței s-a făcut în două etape de solvent: mai întâi acetonă, apoi ștergere cu izopropanol, pentru a îndepărta uleiurile, oxizii și alți contaminanți care pot compromite integritatea sudurii. Un dispozitiv dedicat a aplicat o presiune uniformă peste articulație pentru a minimiza jocul interfacial. Acest pas contează deoarece:

• Îmbunătățește transferul de căldură între cele două foi în timpul sudării
• Promovează adâncimea constantă de penetrare
• Reduce riscul lipsei de fuziune și porozitate

În special pentru oțelul inoxidabil 304, asocierea gazului de protecție potrivit cu pregătirea suprafeței este esențială - consultați îndrumările privindselectarea gazului de protecție pentru sudarea oțelului inoxidabil. Și deoarece majoritatea defectelor de sudură încep de la suprafață, curățarea pre-pre sudare poate elimina până la 70% dintre ele - explora datele dincurățarea cu laser rezolvă 70% din defectele de sudare.

2.3 Determinarea poziției focale laser

Principalii factori care determină rezultatele sudării cu laser sunt puterea de vârf, lățimea impulsului și cantitatea de defocalizare (decalajul dintre punctul focal și suprafața piesei de prelucrat). Dintre acestea, cantitatea de defocalizare este cea mai sensibilă.

Definiție - Defocalizare:Defocalizarea pozitivă înseamnă că punctul focal se află deasupra suprafeței piesei de prelucrat; Defocalizarea negativă înseamnă că punctul focal se află sub suprafață.

Cea mai fiabilă metodă de a localiza punctul focal este metoda de calibrare triunghiulară din oțel inoxidabil:

1. Trageți un impuls laser cu energie redusă-(aproximativ 50 W) pe o placă de oțel inoxidabil; cea mai strălucitoare scânteie indică planul focal.
2. Așezați un bloc triunghiular din oțel inoxidabil lângă acel plan focal și marcați linii la fiecare ~2 mm, începând de la 0,5 mm. La microscop, cea mai îngustă linie trasată marchează poziția focală.

Calitatea fasciculului a fost măsurată cu un profiler de fascicul, o sondă laser și un atenuator al fasciculului. Cu sonda inițial la punctul focal, capul de procesare a fost ridicat în pași de 1 mm pentru a seta valori de defocalizare de 0, 1, 2, 3 și 4 mm.

Figura 1 - Calitatea fasciculului laser (distribuția spot a energiei) față de cantitatea de focalizare.

• La o defocalizare de 0 mm, energia laserului este concentrată în centrul spotului.
• Pe măsură ce defocalizarea crește, distribuția energiei spot devine progresiv mai uniformă.
• La defocalizarea de 3 mm, distribuția este cel mai echilibrată.
• La o defocalizare de 4 mm, distribuția începe să se răspândească și să-și piardă din nou uniformitatea.

În practică, carcasa de 3 mm oferă cel mai bun schimb-între dimensiunea punctului și densitatea de putere de vârf pentru sudarea în tablă subțire-.

4.1 Efectul asupra morfologiei punctelor de sudură

Piesa de prelucrat a fost plasată la punctul focal cu puterea de vârf și lățimea impulsului crescută în sus până când un semn clar a apărut pe spatele foii de jos. În acest test, puterea de vârf a fost de 500 W și lățimea impulsului a fost de 3 ms. Acești parametri au fost apoi menținuți constanți în timp ce defocalizarea a fost variată în trepte de 1 mm; aspectul punctului de sudură a fost înregistrat la fiecare pas.

Figura 2 - Aspectul punctului de sudură față de cantitatea de defocalizare.

Observatii:

• La o defocalizare de 0 – 1 mm, punctul de sudură este cel mai mic și prezintă stropi vizibile. Cauza este concentrarea energiei în centrul punctului, producând o densitate mare de putere locală și ejecție de material.
• Pe măsură ce defocalizarea continuă să crească, punctul de sudură devine mai uniform și stropii dispar, ceea ce decurge din profilul fasciculului mai uniform.
• Defocalizarea peste 4 mm, rotunjimea se degradează, iar spotul se micșorează ușor - probabil deoarece energia fasciculului se răspândește la marginile spotului.

Pe o defocalizare de 0 – 3 mm, diametrul punctului de sudură a crescut de la 0,4 mm la 0,5 mm: o defocalizare mai mare produce un punct de suprafață mai mare și, prin urmare, un punct de sudură mai mare. La 4 mm defocalizare diametrul spotului a scăzut din nou, deoarece energia de la marginea spotului nu mai este suficientă pentru a topi complet materialul, chiar dacă spotul este mai mare din punct de vedere geometric.

Figura 3 - Diametrul punctului de sudură în funcție de cantitatea de focalizare.

4.2 Efectul asupra adâncimii de penetrare a sudurii

-Secțiunile transversale au fost pregătite prin tăierea de-a lungul marginii punctului de sudură, urmată de șlefuire grosieră, șlefuire fină și lustruire. Centrul de sudare a fost inspectat în timpul lustruirii, apoi gravat cu o soluție de acid azotic + alcool pentru a dezvălui adâncimea de penetrare la fiecare valoare de defocalizare.

Observatii:

• La 0 – 1 mm defocalizare, adâncimea de penetrare este maximă, ajungând în foaia de jos.
• La o defocalizare de 2 – 3 mm, adâncimea de penetrare devine mai mică, atingând doar aproximativ jumătate din grosimea foii de jos.
• La o defocalizare de 4 mm, penetrarea scade brusc, ajungând doar la aproximativ o-treime din grosimea foii de jos.

Figura 4 - Adâncimea de penetrare a sudurii în funcție de cantitatea de focalizare.

4.3 Efectul asupra rezistenței la tracțiune a sudurii

Rezistența la tracțiune la un singur punct-a fost măsurată pe o mașină de testare la tracțiune cu foaia de jos fixată și foaia de sus trasă în sus. Pentru a asigura acuratețea, au fost testate trei eșantioane la fiecare set de parametri, iar rezultatele au fost mediate.

Valorile de defocalizare de 0, 1, 2, 3 și 4 mm au produs rezistențe la tracțiune de7 N, 8 N, 11 N, 15 N și 6 N, respectiv.

Tendința generală: rezistența la tracțiune crește odată cu defocalizarea, deoarece defocalizarea mai mare mărește punctul de sudură și - cel mai important - lățimea de contact dintre cele două foi, care determină direct rezistența îmbinării. La o defocalizare de 4 mm, puterea scade din nou, cel mai probabil pentru că calitatea fasciculului se degradează și spotul devine mai mare, dar mai mic ca densitate de putere, reducând atât penetrarea, cât și rezistența.

Constatare de bază:Rezistența la tracțiune cu un singur punct-pe oțel inoxidabil 304 a atins vârful la15 N la defocalizare de 3 mm, unde morfologia punctului de sudură a fost și cea mai consistentă.

Tabel 2 - Rezumatul efectului defocalizării asupra punctului de sudură, penetrare și rezistență la tracțiune

Cifrele de mai sus reproduc valorile măsurate raportate în studiul original chinezesc pe un laser cu fibră QCW de 150 W cu 304 îmbinări din oțel inoxidabil la vârf de 500 W / lățime de impuls de 3 ms. Sunt date de referință pentru inginerii de proces, nu sunt garantate criterii de acceptare pentru nicio aplicație specifică. Validați întotdeauna prin testarea eșantionului pe materialul, grosimea și fixarea dvs. reale înainte de lansarea în producție.

Atunci când în producție apar stropire, porozitate sau lipsă de fuziune, cauza principală este de obicei nepotrivirea parametrilor, alegerea gazului de protecție sau contaminarea suprafeței. Fluxul de diagnostic îndefecte și soluții comune de sudare cu laserparcurge modul de identificare a factorului responsabil.

Acest studiu a măsurat profilul fasciculului laser în diferite valori de defocalizare și a constatat că, pe măsură ce defocalizarea crește, distribuția energiei spot devine mai uniformă -, dar peste 4 mm distribuția începe să se răspândească din nou.

Prin sudarea îmbinării prin suprapunere din oțel inoxidabil 304, cu toți ceilalți factori menținuți constant, variarea cantității de defocalizare modifică aspectul punctului de sudură, dimensiunea spotului, adâncimea de penetrare și rezistența la tracțiune. Cea mai bună fereastră de proces trebuie să satisfacă atât aspectul, cât și rezistența simultan.

Recomandări cheie:

• Pe măsură ce defocalizarea crește, calitatea sudurii se îmbunătățește și rezistența la tracțiune crește.
• LaDefocalizare de 3 mm, uniformitatea punctului de sudură și rezistența la tracțiune sunt ambele cele mai bune pentru această geometrie.
• Dincolo de focalizarea de 3 mm, atât puterea, cât și calitatea scad din nou.

Pentru o vedere mai amplă a surselor, modurilor și aplicațiilor de sudare -, inclusiv sudarea prin gaura cheii, selecția laserului cu fibre și modul de a alege între sistemele portabile, automate și QCW pentru magazinul dvs. - explorați întregulaparate de sudat cu lasercategorie sau contactați King's Laser engineering lainfo@kingslaser.compentru un eșantion de evaluare-cutare a materialului dvs. real.