Kako količina defokusiranja utječe na kvalitetu laserskog snopa i performanse zavarivanja u nehrđajućem čeliku 304

Laserska tehnologija je jedno od četiri definirajuća otkrića 20. stoljeća uz računarstvo, poluvodiče i nuklearnu energiju, a sada se koristi u optičkim komunikacijama, medicinskim sistemima, inspekcijama i obradi materijala. U okviru obrade materijala, lasersko označavanje, rezanje, bušenje i zavarivanje su sazreli u pouzdane proizvodne tehnologije. Među njima, lasersko zavarivanje je zavrijedilo sve veću pažnju jer nudi jasne prednosti u odnosu na TIG i otporno zavarivanje u unosu topline, profilu zavara i potencijalu automatizacije.

Osnovne prednosti laserskog zavarivanja su:

• Veoma malizona{0}zahvaćena toplinom (HAZ)
• Visokoomjer dubine{0}}i{1}}širineu zavaru
• Visoka čvrstoća zgloba
• Čvrstoća spoja na ili iznad osnovnog metala
• Jednostavna isporuka zraka kroz fleksibilno vlakno za automatizaciju

Uobičajeni laserski izvori uključuju CO₂ lasere, disk lasere, Nd:YAG lasere, vlaknaste lasere i diodne lasere. Među njima,fiber laserje najmoderniji pravac, koji nudi:

• Visoka električna-do-optička efikasnost (do ~30%)
• Kompaktan otisak
• Nisko održavanje i dug vijek trajanja
• Čvrsto pristaje za zavarivanje nehrđajućeg čelika i aluminijskih legura

Thekvazi{0}}kontinualni (QCW) impulsni laser sa vlaknimarazvijen od strane IPG Photonics predstavlja graničnu klasu izvora, isporučujući visoku vršnu snagu sa širinama impulsa koji se protežu u rasponu milisekundi - dobro usklađen sa zavarivanjem metala i mikro-zavarivanjem tankih dijelova. Iako je široko prihvaćen u elektronici i preciznom zavarivanju, procesni prozor za QCW lasere sa vlaknima i dalje dobija ograničenu objavljenu pažnju. Ovaj članak se fokusira na jednu od najkritičnijih varijabli procesa -fokusna pozicija, izražena kao količina defokusa- i pokazuje, kroz kontrolirane eksperimente, kako defokus oblikuje kvalitet zraka, izgled zavara, prodor zavara i čvrstoću spoja na preklopnom spoju od nehrđajućeg čelika 304. Za širi pogled na pejzaž laserskog zavarivanja, pogledajte naš vodičprincipi i načini laserskog zavarivanja.

2.1 Oprema za zavarivanje

A 150 W QCW impulsni laser sa vlaknimaposlužio kao izvor zavarivanja za ovu studiju. Reprezentativni tehnički parametri ove klase izvora su sumirani u nastavku (tipične industrijske vrijednosti; stvarne brojke variraju ovisno o modelu, konfiguraciji i primjeni - pogledajte tablicu podataka dobavljača za zagarantovane vrijednosti).

Tabela 1 - Tipične specifikacije za QCW impulsni laser sa vlaknima klase 150 W (industrijske-tipične referentne vrijednosti, nije garantovano)

Vrijednosti prikazane iznad su industrijske{1}}tipične referentne brojke za QCW impulsni laser sa vlaknima klase 150 W, a ne zagarantovane specifikacije bilo koje određene King's laserske jedinice. Za tačne specifikacije, kontaktirajte info@kingslaser.com ili posjetite stranicu proizvoda King's Laser za trenutni model u ovoj klasi.

Glava za lasersku obradu se pomiče u odnosu na radni komad preko X/Y/Z platforme za kretanje kako bi se izvršilo zavarivanje šavova. Kontroler pokreta sinhronizuje položaj glave sa laserskim paljenjem tako da emisija počinje tek kada glava dostigne programiranu lokaciju.

Za više o tome šta definira ovu klasu lasera i gdje se koristi, pogledajtešta je QCW fiber lasersko zavarivanje, šira rasprava oQCW lasersko zavarivanje preoblikuje industrijske aplikacije, i osnovnikvazi{0}}kontinuirani laserski izvor sa vlaknima. Da vidite reprezentativnu proizvodnu jedinicu, pogledajte King's Laser6-osni QCW aparat za lasersko zavarivanje vlakana.

2.2 Materijali i priprema

Osnovni materijal u ovoj studiji bio je304 nerđajući čelikraspoređeni u preklopu: gornji lim debljine 0,2 mm, donji lim debljine 0,5 mm, svaki seče na 100 mm × 50 mm.

Priprema površine obavljena je u dva koraka rastvarača: prvo acetonom, zatim izopropanolom, kako bi se uklonila ulja, oksidi i drugi zagađivači koji mogu ugroziti integritet zavara. Namjensko pričvršćenje vršilo je ujednačen pritisak na spoj kako bi se minimizirao međufazni zazor. Ovaj korak je važan jer:

• Poboljšava prenos toplote između dva lima tokom zavarivanja
• Promoviše dosljednu dubinu prodiranja
• Smanjuje rizik od nedostatka fuzije i poroznosti

Posebno za nehrđajući čelik 304, uparivanje pravog zaštitnog plina sa pripremom površine je kritično - pogledajte smjernice naizbor zaštitnog plina za zavarivanje nehrđajućeg čelika. A budući da većina defekata zavarivanja počinje na površini, samo pre-čišćenje zavara može ukloniti do 70% njih - istražiti podatke ulasersko čišćenje rješava 70% grešaka u zavarivanju.

2.3 Određivanje fokusne pozicije lasera

Glavni faktori koji određuju rezultate laserskog zavarivanja su vršna snaga, širina impulsa i količina defokusa (razmak između žarišne tačke i površine obratka). Od njih, količina defokusa je najosetljivija.

Definicija - Defokusiranje:Pozitivan defokus znači da fokusna tačka leži iznad površine obratka; negativan defokus znači da fokusna tačka leži ispod površine.

Najpouzdanija metoda za lociranje žarišne točke je trokutna metoda kalibracije od nehrđajućeg čelika:

1. Ispalite laserski impuls niske{0}}e energije (oko 50 W) na ploču od nehrđajućeg čelika; najsjajnija iskra označava fokalnu ravan.
2. Postavite trouglasti blok od nehrđajućeg čelika blizu te fokalne ravni i napišite linije svakih ~2 mm počevši od 0,5 mm. Pod mikroskopom, najuža ispisana linija označava fokusnu poziciju.

Kvalitet zraka mjeren je profilatorom zraka, laserskom sondom i atenuatorom snopa. Sa sondom koja je prvobitno bila u fokusnoj tački, glava za obradu je podizana u koracima od 1 mm da bi se postavile vrednosti defokusa od 0, 1, 2, 3 i 4 mm.

Slika 1 - Kvalitet laserskog zraka (distribucija energije tačke) u odnosu na količinu defokusiranja.

• Pri defokusu od 0 mm, laserska energija je koncentrisana u centru tačke.
• Kako se defokus povećava, distribucija energije tačke postaje sve ujednačenija.
• Pri defokusu od 3 mm, distribucija je najuravnoteženija.
• Pri defokusu od 4 mm, distribucija se počinje širiti i ponovo gubi ujednačenost.

U praksi, kućište od 3 mm nudi najbolji kompromis-između veličine tačke i vršne gustine snage za zavarivanje tankih-limova.

4.1 Utjecaj na morfologiju mjesta zavarivanja

Radni komad je postavljen na žarišnu tačku sa vršnom snagom i širinom impulsa koji se povećavao sve dok se na poleđini donjeg lista nije pojavila jasna oznaka. U ovom testu, vršna snaga je bila 500 W, a širina impulsa 3 ms. Ovi parametri su tada ostali konstantni dok je defokus varirao u koracima od 1 mm; izgled mjesta zavara je zabilježen u svakom koraku.

Slika 2 - Izgled mjesta zavarivanja u odnosu na količinu defokusiranja.

Zapažanja:

• Pri defokusu od 0 – 1 mm, tačka vara je najmanja i pokazuje vidljivo prskanje. Uzrok je koncentracija energije u centru tačke, što proizvodi visoku lokalnu gustinu snage i izbacivanje materijala.
• Kako defokus nastavlja da raste, mjesto vara postaje ujednačenije i prskanje nestaje, što proizlazi iz ujednačenijeg profila snopa.
• Iznad 4 mm defokusa, zaobljenost se smanjuje i tačka se blago smanjuje - vjerovatno zato što se energija zraka širi na ivicama tačke.

Preko defokusa od 0 – 3 mm, promjer mjesta zavara je porastao sa 0,4 mm na 0,5 mm: veći defokus proizvodi veću površinsku mrlju, a time i veće mjesto zavara. Pri defokusu od 4 mm promjer mrlje se ponovo smanjio, jer energija na rubu točke više nije dovoljna da potpuno otopi materijal iako je mrlja geometrijski veća.

Slika 3 - Promjer mjesta zavarivanja u odnosu na količinu defokusiranja.

4.2 Utjecaj na dubinu prodiranja zavara

Poprečni presjeci su pripremljeni rezanjem duž ruba mjesta vara, nakon čega je uslijedilo grubo brušenje, fino brušenje i poliranje. Centar vara je pregledan tokom poliranja, a zatim nagrizan rastvorom azotne kiseline + alkohola da bi se otkrila dubina penetracije pri svakoj vrednosti defokusiranja.

Zapažanja:

• Pri defokusu od 0 – 1 mm, dubina prodiranja je na maksimumu, dosežući u donji list.
• Pri defokusu od 2 – 3 mm, dubina prodiranja postaje manja, dostižući samo oko pola debljine donjeg lista.
• Pri defokusu od 4 mm, penetracija naglo opada, dostižući samo otprilike jednu-trećinu debljine donjeg sloja.

Slika 4 - Dubina prodiranja zavara u odnosu na količinu defokusiranja.

4.3 Utjecaj na vlačnu čvrstoću zavara

Zatezna čvrstoća na jednom- mjestu mjerena je na mašini za ispitivanje zatezanja sa fiksiranim donjim limom i povučenim gornjim prema gore. Kako bi se osigurala točnost, tri uzorka su testirana na svakom skupu parametara i rezultati su usrednjeni.

Vrijednosti defokusiranja od 0, 1, 2, 3 i 4 mm proizvele su zatezne čvrstoće7 N, 8 N, 11 N, 15 N i 6 N, odnosno.

Ukupni trend: zatezna čvrstoća raste sa defokusiranjem, jer veći defokus povećava mjesto zavarivanja i - što je najvažnije - širinu kontakta između dva lista, što direktno pokreće snagu spoja. Pri defokusu od 4 mm, snaga ponovo opada, najvjerovatnije zato što se kvalitet zraka pogoršava i tačka postaje veća, ali niža gustina snage, smanjujući i penetraciju i snagu.

Osnovni nalaz:Zatezna čvrstoća u jednoj-točki na nehrđajućem čeliku 304 dostigla je vrhunac15 N pri defokusu od 3 mm, gdje je morfologija mjesta zavara također bila najkonzistentnija.

Tabela 2 - Sažetak efekta defokusa na mjesto zavarivanja, penetraciju i zateznu čvrstoću

Gore navedene brojke reproduciraju izmjerene vrijednosti prijavljene u originalnoj kineskoj studiji na 150 W QCW laseru sa vlaknima sa 304 preklopnih spojeva od nehrđajućeg čelika pri 500 W vršnoj / 3 ms pulsnoj širini. Oni su referentni podaci za procesne inženjere, a ne garantirani kriteriji prihvatljivosti za bilo koju specifičnu primjenu. Uvijek provjerite testiranjem uzorka vašeg stvarnog materijala, debljine i učvršćenja prije puštanja u proizvodnju.

Kada se u proizvodnji pojave prskanje, poroznost ili nedostatak fuzije, osnovni uzrok je obično neusklađenost parametara, izbor zaštitnog plina ili površinska kontaminacija. Dijagnostički tok ulaziuobičajeni defekti laserskog zavarivanja i rješenjaopisuje kako prepoznati koji je faktor odgovoran.

Ova studija je izmjerila profil laserskog zraka na različitim vrijednostima defokusa i otkrila da kako se defokus povećava, distribucija energije tačke postaje ujednačenija -, ali preko 4 mm distribucija se ponovo počinje širiti.

Kroz zavarivanje preklopnih spojeva od nehrđajućeg čelika 304, sa svim ostalim faktorima koji se drže konstantnim, variranje količine defokusa mijenja izgled mjesta zavarivanja, veličinu mjesta, dubinu prodiranja i zateznu čvrstoću. Najbolji procesni prozor mora istovremeno zadovoljiti izgled i snagu.

Ključni detalji:

• Kako se defokus povećava, kvaliteta zavara se poboljšava i rastezanja čvrstoća.
• At3 mm defokus, ujednačenost mjesta zavarivanja i zatezna čvrstoća su najbolji za ovu geometriju.
• Iznad defokusa od 3 mm, i snaga i kvalitet ponovo opadaju.

Za širi pogled na izvore, načine i aplikacije zavarivanja - uključujući zavarivanje ključaonice, odabir lasera sa vlaknima i kako odabrati između ručnih, automatiziranih i QCW sistema za vašu radnju - istražite u potpunostimašine za lasersko zavarivanjekategoriji ili kontaktirajte King's Laser Engineering nainfo@kingslaser.comza uzornu{0}}ocjenu rezanja vašeg stvarnog materijala.