Jak množství rozostření ovlivňuje kvalitu laserového paprsku a výkon svaru u nerezové oceli 304

Laserová technologie je jedním ze čtyř určujících průlomů 20. století vedle výpočetní techniky, polovodičů a jaderné energie a nyní se používá v optických komunikacích, lékařských systémech, kontrole a zpracování materiálů. V rámci zpracování materiálů dozrálo laserové značení, řezání, vrtání a svařování ve spolehlivé výrobní technologie. Mezi nimi si laserové svařování vysloužilo rostoucí pozornost, protože nabízí jasné výhody oproti TIG a odporovému svařování, pokud jde o přívod tepla, profil svaru a potenciál automatizace.

Hlavní výhody laserového svařování jsou:

• Velmi malétepelně-dotčená zóna (HAZ)
• Vysokýpoměr hloubky-k{1}}šířceve svaru
• Vysoká pevnost spoje
• Pevnost spoje na základním kovu nebo nad ním
• Snadná dodávka paprsku přes flexibilní vlákno pro automatizaci

Mezi běžné laserové zdroje patří CO₂ lasery, kotoučové lasery, Nd:YAG lasery, vláknové lasery a diodové lasery. Mezi tyto,vláknový laserje nejmodernější směr, který nabízí:

• Vysoká elektrická-až{1}}optická účinnost (až ~30 %)
• Kompaktní půdorys
• Nízká údržba a dlouhá životnost
• Pevné pro svařování nerezové oceli a hliníkových slitin

Thekvazi-kontinuální (QCW) pulzní vláknový laservyvinutý společností IPG Photonics představuje hraniční třídu zdrojů, které poskytují vysoký špičkový výkon s šířkou pulsů v rozsahu milisekund - dobře přizpůsobené svařování kovů a mikro-svařování tenkých dílů. Přestože je procesní okno pro vláknové lasery QCW široce používáno v elektronice a přesném svařování, stále se mu dostává omezené publikované pozornosti. Tento článek se zaměřuje na jednu z nejdůležitějších procesních proměnných -ohnisková poloha, vyjádřená jako velikost rozostření- a prostřednictvím řízených experimentů ukazuje, jak rozostření tvaruje kvalitu paprsku, vzhled svaru, průnik svaru a pevnost spoje na přeplátovaném spoji z nerezové oceli 304. Pro širší pohled na oblast laserového svařování viz našeho průvodce naprincipy a režimy laserového svařování.

2.1 Svařovací zařízení

A 150 W QCW pulzní vláknový lasersloužil jako svařovací zdroj pro tuto studii. Reprezentativní technické parametry této třídy zdrojů jsou shrnuty níže (typické průmyslové hodnoty; skutečné hodnoty se liší podle modelu, konfigurace a aplikace -, kde jsou zaručené hodnoty uvedeny v datovém listu dodavatele).

Tabulka 1 - Typické specifikace pro 150W pulzní vláknový laser QCW třídy (průmyslové-typické referenční hodnoty, není zaručeno)

Výše uvedené hodnoty jsou průmyslovými-typickými referenčními hodnotami pro 150W pulzní vláknový laser QCW třídy, nikoli zaručené specifikace žádné konkrétní jednotky King's Laser. Pro přesné specifikace kontaktujte prosím info@kingslaser.com nebo navštivte stránku produktu King's Laser pro aktuální model v této třídě.

Laserová zpracovatelská hlava se pohybuje vzhledem k obrobku prostřednictvím pohybové platformy X/Y/Z, aby se provedlo švové svařování. Ovladač pohybu synchronizuje polohu hlavy s laserovým odpalováním, takže emise začne pouze tehdy, když hlava dosáhne naprogramovaného místa.

Více o tom, co definuje tuto laserovou třídu a kde se používá, vizco je QCW vláknové laserové svařování, širší diskuse oQCW laserové svařování přetvářející průmyslové aplikacea podkladovékvazi-kontinuální vláknový laserový zdroj. Chcete-li vidět reprezentativní výrobní jednotku, podívejte se na King's Laser6osý vláknový laserový svařovací stroj QCW.

2.2 Materiály a příprava

Základním materiálem v této studii byl304 nerezová oceluspořádáno jako přeplátovaný spoj: vrchní list tloušťky 0,2 mm, spodní list tloušťky 0,5 mm, každý nařezaný na 100 mm × 50 mm.

Příprava povrchu byla provedena ve dvou rozpouštědlových krocích: nejprve acetonem, poté isopropanolovým otěrem, aby se odstranily oleje, oxidy a další nečistoty, které mohou narušit integritu svaru. Speciální přípravek vyvíjel rovnoměrný tlak na kloub, aby se minimalizovala mezifázová vůle. Tento krok je důležitý, protože:

• Zlepšuje přenos tepla mezi dvěma plechy během svařování
• Podporuje konzistentní hloubku průniku
• Snižuje riziko nedostatečné fúze a pórovitosti

Konkrétně pro nerezovou ocel 304 je kritické spárování správného ochranného plynu s přípravou povrchu - viz pokyny navýběr ochranného plynu pro svařování nerezové oceli. A protože většina vad svarů začíná na povrchu,-samotné čištění před svarem může odstranit až 70 % z nich - prozkoumat data vlaserové čištění řeší 70 % vad svařování.

2.3 Určení ohniskové polohy laseru

Hlavními faktory, které určují výsledky laserového svařování, jsou špičkový výkon, šířka pulzu a velikost rozostření (mezera mezi ohniskem a povrchem obrobku). Z nich je nejcitlivější velikost rozostření.

Definice - Rozostření:Pozitivní rozostření znamená, že ohnisko leží nad povrchem obrobku; negativní rozostření znamená, že ohnisko leží pod povrchem.

Nejspolehlivější metodou pro lokalizaci ohniska je trojúhelníková kalibrační metoda z nerezové oceli:

1. Vypalte nízkoenergetický laserový puls (přibližně 50 W) na desku z nerezové oceli; nejjasnější jiskra označuje ohniskovou rovinu.
2. Poblíž této ohniskové roviny umístěte trojúhelníkový blok z nerezové oceli a rýsujte každé ~2 mm počínaje 0,5 mm. Pod mikroskopem nejužší rýsovaná čára označuje ohniskovou polohu.

Kvalita paprsku byla měřena pomocí profilovače paprsku, laserové sondy a atenuátoru paprsku. Když byla sonda zpočátku v ohnisku, byla zvedací hlava zvednuta v krocích po 1 mm, aby se nastavily hodnoty rozostření 0, 1, 2, 3 a 4 mm.

Obrázek 1 - Kvalita laserového paprsku (distribuce bodové energie) versus množství rozostření.

• Při rozostření 0 mm se laserová energie soustředí do středu bodu.
• Jak se rozostření zvyšuje, distribuce bodové energie se postupně stává rovnoměrnější.
• Při 3mm rozostření je rozložení maximálně vyvážené.
• Při 4mm rozostření se distribuce začne rozšiřovat a opět ztrácet rovnoměrnost.

V praxi 3mm pouzdro nabízí nejlepší kompromis-mezi velikostí bodu a maximální hustotou výkonu pro svařování tenkých-plechů.

4.1 Vliv na morfologii bodu svaru

Obrobek byl umístěn do ohniska se špičkovým výkonem a šířkou pulsu stoupající nahoru, dokud se na zadní straně spodního listu neobjevila jasná značka. V tomto testu byl špičkový výkon 500 W a šířka pulzu byla 3 ms. Tyto parametry byly poté udržovány konstantní, zatímco rozostření bylo měněno v krocích po 1 mm; vzhled bodu svaru byl zaznamenán v každém kroku.

Obrázek 2 - Vzhled bodu svaru versus rozsah rozostření.

Pozorování:

• Při rozostření 0 – 1 mm je bod svaru nejmenší a vykazuje viditelný rozstřik. Příčinou je koncentrace energie ve středu spotu, která způsobuje vysokou místní hustotu výkonu a vyhazování materiálu.
• Jak se rozostření stále zvyšuje, místo svaru se stává rovnoměrnější a mizí rozstřik, který vyplývá z rovnoměrnějšího profilu paprsku.
• Nad 4 mm rozostření se kulatost zhoršuje a bod se mírně zmenšuje - pravděpodobně proto, že se energie paprsku šíří na okrajích bodu.

Přes 0 – 3 mm rozostření se průměr svarového bodu zvětšil z 0,4 mm na 0,5 mm: větší rozostření vytváří větší povrchový bod a tím i větší svarový bod. Při 4 mm rozostření se průměr bodu opět zmenšil, protože energie na okraji bodu již nestačí k úplnému roztavení materiálu, i když je bod geometricky větší.

Obrázek 3 - Průměr bodu svaru versus míra rozostření.

4.2 Vliv na hloubku průniku svarem

Příčné{0}}řezy byly připraveny řezáním podél okraje svarového bodu, následovaným hrubým broušením, jemným broušením a leštěním. Střed svaru byl zkontrolován během leštění, poté leptán roztokem kyseliny dusičné + alkoholu, aby se odhalila hloubka průniku při každé hodnotě rozostření.

Pozorování:

• Při rozostření 0 – 1 mm je hloubka průniku maximální a zasahuje až do spodního listu.
• Při rozostření 2 – 3 mm se hloubka průniku stává mělčí a dosahuje pouze asi poloviny tloušťky spodní vrstvy.
• Při 4mm rozostření penetrace prudce klesá a dosahuje pouze asi jedné-třetiny tloušťky spodního listu.

Obrázek 4 - Hloubka průniku svaru versus míra rozostření.

4.3 Vliv na pevnost svaru v tahu

Pevnost v tahu na jednom místě byla měřena na tahovém zkušebním stroji se spodní fólií upevněnou a horní fólií vytaženou nahoru. Pro zajištění přesnosti byly testovány tři vzorky pro každou sadu parametrů a výsledky byly zprůměrovány.

Hodnoty rozostření 0, 1, 2, 3 a 4 mm produkovaly pevnost v tahu7N, 8N, 11N, 15N a 6N, resp.

Celkový trend: pevnost v tahu roste s rozostřením, protože větší rozostření zvětšuje místo svaru a - především - šířku kontaktu mezi dvěma plechy, což přímo ovlivňuje pevnost spoje. Při 4 mm rozostření síla opět klesá, nejpravděpodobněji proto, že se zhorší kvalita paprsku a bod se zvětší, ale s nižší hustotou výkonu, čímž se sníží penetrace i síla.

Hlavní nález:Pevnost v tahu na jednom-bodu na nerezové oceli 304 dosáhla vrcholu15 N při 3 mm rozostření, kde morfologie svarových bodů byla také nejkonzistentnější.

Tabulka 2 - Souhrn vlivu rozostření na bod svaru, průvar a pevnost v tahu

Výše uvedená čísla reprodukují naměřené hodnoty uváděné v původní čínské studii na vláknovém laseru QCW o výkonu 150 W s přeplátovanými spoji z nerezové oceli 304 při 500 W špičce / šířce pulzu 3 ms. Jsou referenčními údaji pro procesní inženýry, nejsou zaručenými kritérii přijatelnosti pro žádnou konkrétní aplikaci. Před uvedením do výroby vždy ověřte testováním vzorku na vašem skutečném materiálu, tloušťce a upevnění.

Když se při výrobě objeví rozstřik, pórovitost nebo nedostatek fúze, hlavní příčinou je obvykle nesoulad parametrů, volba ochranného plynu nebo kontaminace povrchu. Diagnostický tok dovnitřběžné vady a řešení laserového svařováníprojde tím, jak určit, který faktor je za to zodpovědný.

Tato studie měřila profil laserového paprsku napříč různými hodnotami rozostření a zjistila, že jak se rozostření zvyšuje, distribuce bodové energie se stává rovnoměrnější -, ale za 4 mm se distribuce začíná znovu šířit.

Prostřednictvím svařování přeplátovaných spojů z nerezové oceli 304, se všemi ostatními faktory konstantními, měnící se množství rozostření mění vzhled svarového bodu, velikost bodu, hloubku průniku a pevnost v tahu. Nejlepší procesní okno musí vyhovovat jak vzhledu, tak pevnosti současně.

Klíčové věci:

• S rostoucím rozostřením se zlepšuje kvalita svaru a roste pevnost v tahu.
• Na3 mm rozostřenístejnoměrnost svarového bodu a pevnost v tahu jsou pro tuto geometrii nejlepší.
• Nad 3 mm rozostření opět klesá síla i kvalita.

Chcete-li získat širší přehled o svařovacích zdrojích, režimech a aplikacích -, včetně svařování klíčovou dírkou, výběru vláknového laseru a výběru mezi ručními, automatickými systémy a systémy QCW pro váš obchod -, prozkoumejte celýlaserové svařovací strojekategorie nebo kontaktujte King's Laser engineering na adreseinfo@kingslaser.compro ukázku-vyhodnocení řezu vašeho skutečného materiálu.