304 Paslanmaz Çelikte Odaksızlık Miktarı Lazer Işın Kalitesini ve Kaynak Performansını Nasıl Etkiler?

Lazer teknolojisi, bilgi işlem, yarı iletkenler ve nükleer enerjinin yanı sıra 20. yüzyılın dört belirleyici buluşundan biridir ve şu anda optik iletişim, tıbbi sistemler, denetim ve malzeme işleme alanlarında kullanılmaktadır. Malzeme işleme kapsamında lazer markalama, kesme, delme ve kaynaklama işlemlerinin tamamı güvenilir üretim teknolojilerine dönüşmüştür. Bunlar arasında lazer kaynağı, ısı girdisi, kaynak profili ve otomasyon potansiyeli açısından TIG ve direnç kaynağına göre belirgin avantajlar sunduğundan giderek artan bir ilgi görmektedir.

Lazer kaynağının temel faydaları şunlardır:

• Çok küçükısıdan-etkilenen bölge (HAZ)
• Yüksekderinlik--genişlik-oranıkaynakta
• Yüksek bağlantı gücü
• Ana metalde veya üzerinde bağlantı mukavemeti
• Otomasyon için esnek fiber sayesinde kolay ışın iletimi

Yaygın lazer kaynakları arasında CO₂ lazerler, disk lazerler, Nd:YAG lazerler, fiber lazerler ve diyot lazerler bulunur. Bunlar arasında,fiber lazeraşağıdakileri sunan en modern yöndür:

• Yüksek elektrik-ile-optik verimlilik (~%30'a kadar)
• Kompakt ayak izi
• Düşük bakım ve uzun servis ömrü
• Paslanmaz çelik ve alüminyum alaşımlarının kaynağı için güçlü uyum

yarı-sürekli (QCW) darbeli fiber lazerIPG Photonics tarafından geliştirilen, milisaniye aralığına kadar uzanan darbe genişlikleri ile yüksek tepe gücü sağlayan, - metal kaynağına ve ince parçaların mikro-kaynaklanmasına iyi uyum sağlayan, öncü bir kaynak sınıfını temsil eder. Elektronik ve hassas kaynakta yaygın olarak benimsenmesine rağmen, QCW fiber lazerlere yönelik proses penceresi hala sınırlı sayıda yayınlanmış ilgi görmektedir. Bu makale en kritik süreç değişkenlerinden birine odaklanmaktadır -odak konumu, odak dışılık miktarı olarak ifade edilir- ve kontrollü deneyler yoluyla, 304 paslanmaz çelik bindirmeli bağlantı üzerinde odak dışılığın kiriş kalitesini, kaynak görünümünü, kaynak nüfuziyetini ve bağlantı mukavemetini nasıl şekillendirdiğini gösterir. Lazer kaynak ortamına daha geniş bir bakış için aşağıdaki kılavuzumuza bakın:Lazer kaynak prensipleri ve modları.

2.1 Kaynak Ekipmanı

A 150 W QCW darbeli fiber lazerBu çalışma için kaynak kaynağı olarak kullanılmıştır. Bu kaynak sınıfının temsili teknik parametreleri aşağıda özetlenmiştir (tipik sektör değerleri; gerçek rakamlar modele, konfigürasyona ve uygulamaya göre değişir - garantili değerler için tedarikçi veri sayfasına bakın).

Tablo 1 - 150 W sınıfı QCW darbeli fiber lazer için tipik özellikler (endüstri-tipik referans değerleri, garanti edilmez)

Yukarıda gösterilen değerler, 150 W sınıfı QCW darbeli fiber lazer için sektöre özgü- referans rakamlarıdır; herhangi bir King's Lazer ünitesinin garanti edilen teknik özellikleri değildir. Doğru teknik özellikler için lütfen info@kingslaser.com ile iletişime geçin veya bu sınıftaki mevcut model için King's Laser ürün sayfasını ziyaret edin.

Lazer işleme kafası, dikiş kaynağı gerçekleştirmek için bir X/Y/Z hareket platformu aracılığıyla iş parçasına göre hareket ettirilir. Hareket kontrol cihazı kafa konumunu lazer ateşlemeyle senkronize eder, böylece emisyon yalnızca kafa programlanan konuma ulaştığında başlar.

Bu lazer sınıfını neyin tanımladığı ve nerede kullanıldığı hakkında daha fazla bilgi için bkz.QCW fiber lazer kaynağı nedir, daha geniş bir tartışmaEndüstriyel uygulamaları yeniden şekillendiren QCW lazer kaynağıve altta yatanyarı-sürekli fiber lazer kaynağı. Temsili bir üretim birimini görmek için King's Laser'e bakın6 eksenli QCW fiber lazer kaynak makinesi.

2.2 Malzemeler ve Hazırlık

Bu çalışmanın temel materyali304 paslanmaz çelikbindirme bağlantısı olarak düzenlenmiş: üst tabaka 0,2 mm kalınlığında, alt tabaka 0,5 mm kalınlığında, her biri 100 mm × 50 mm'ye kesilmiş.

Yüzey hazırlığı iki solvent adımında yapıldı: önce aseton, ardından izopropanolle silme, yağları, oksitleri ve kaynak bütünlüğünü tehlikeye atabilecek diğer kirleticileri çıkarmak için. Özel bir fikstür, arayüz açıklığını en aza indirmek için bağlantı boyunca eşit basınç uyguladı. Bu adım önemlidir çünkü:

• Kaynak sırasında iki levha arasındaki ısı transferini iyileştirir
• Tutarlı penetrasyon derinliğini destekler
• Füzyon ve gözeneklilik eksikliği riskini azaltır

Özellikle 304 paslanmaz çelik için doğru koruyucu gazın yüzey hazırlığıyla eşleştirilmesi kritik önem taşır - hakkındaki kılavuza bakınpaslanmaz çelik kaynağı için koruyucu gaz seçimi. Kaynak kusurlarının çoğu yüzeyde başladığından,-kaynak öncesi temizlik tek başına bunların %70'e kadarını ortadan kaldırabilir - içindeki verileri inceleyinLazer temizleme kaynak kusurlarının %70'ini çözer.

2.3 Lazer Odak Konumunun Belirlenmesi

Lazer kaynak sonuçlarını belirleyen ana faktörler tepe gücü, darbe genişliği ve odak dışılık miktarıdır (odak noktası ile iş parçası yüzeyi arasındaki boşluk). Bunlardan odak dışı miktarı en hassas olanıdır.

Tanım - Odaklanma:Pozitif odaklanma, odak noktasının iş parçası yüzeyinin üzerinde olduğu anlamına gelir; Negatif odaklanma, odak noktasının yüzeyin altında olduğu anlamına gelir.

Odak noktasını belirlemenin en güvenilir yöntemi üçgen paslanmaz çelik kalibrasyon yöntemidir:

1. Paslanmaz çelik bir plaka üzerine düşük-enerjili bir lazer darbesi (yaklaşık 50 W) ateşleyin; en parlak kıvılcım odak düzlemini gösterir.
2. Bu odak düzleminin yakınına üçgen paslanmaz çelik bir blok yerleştirin ve 0,5 mm'den başlayarak her ~2 mm'de bir çizgi çizin. Mikroskop altında en dar çizilen çizgi odak konumunu gösterir.

Işın kalitesi bir ışın profili oluşturucu, lazer probu ve ışın zayıflatıcı ile ölçüldü. Prob başlangıçta odak noktasındayken, odak dışılık değerlerini 0, 1, 2, 3 ve 4 mm olarak ayarlamak için işleme kafası 1 mm'lik adımlarla kaldırıldı.

Şekil 1 - Lazer ışın kalitesi (spot enerji dağıtımı) ve odak dışılaştırma miktarı.

• Odaklanma 0 mm olduğunda lazer enerjisi noktanın merkezinde yoğunlaşır.
• Odaklanma arttıkça spot enerji dağılımı giderek daha düzgün hale gelir.
• 3 mm odak dışı konumda dağılım en dengeli durumdadır.
• Odaklanma 4 mm olduğunda dağılım yayılmaya başlar ve tekdüzeliği yeniden kaybetmeye başlar.

Uygulamada, 3 mm'lik kasa, ince sac kaynağı için nokta boyutu ile tepe güç yoğunluğu arasındaki{-en iyi dengeyi sunar.

4.1 Kaynak Noktası Morfolojisi Üzerindeki Etki

İş parçası odak noktasına, alt tabakanın arkasında net bir işaret görünene kadar tepe gücü ve darbe genişliği yukarı doğru artırılarak yerleştirildi. Bu testte tepe gücü 500 W ve darbe genişliği 3 ms idi. Daha sonra bu parametreler sabit tutuldu ve odak dışılık 1 mm'lik artışlarla değiştirildi; kaynak noktası görünümü her adımda kaydedildi.

Şekil 2 - Kaynak noktası görünümü ve odak dışılık miktarı.

Gözlemler:

• Odaklanma 0 – 1 mm olduğunda kaynak noktası en küçüktür ve görünür sıçrama gösterir. Bunun nedeni, yüksek yerel güç yoğunluğuna ve malzeme fırlatmasına neden olan, nokta merkezinde enerji yoğunlaşmasıdır.
• Odaklanma artmaya devam ettikçe, kaynak noktası daha düzgün hale gelir ve daha düzgün kiriş profilinden kaynaklanan sıçramalar kaybolur.
• 4 mm'lik odak dışılığın üzerinde yuvarlaklık bozulur ve nokta hafifçe küçülür - muhtemelen çünkü ışın enerjisi nokta kenarlarında yayılır.

0 – 3 mm odak dışılıkta kaynak noktası çapı 0,4 mm'den 0,5 mm'ye çıktı: daha büyük odak dışılık, daha büyük bir yüzey noktası ve dolayısıyla daha büyük bir kaynak noktası üretir. Odaklanma 4 mm olduğunda nokta çapı yeniden azaldı çünkü nokta geometrik olarak daha büyük olsa bile nokta kenarındaki enerji artık malzemeyi tamamen eritmeye yeterli değil.

Şekil 3 - Kaynak noktası çapı ve odak dışılık miktarı.

4.2 Kaynak Penetrasyon Derinliğine Etkisi

Kaynak noktası kenarı boyunca keserek{0}kesitler hazırlandı, ardından kaba taşlama, ince taşlama ve cilalama yapıldı. Kaynak merkezi cilalama sırasında incelendi, ardından her odak dışı değerde nüfuz derinliğini ortaya çıkarmak için nitrik asit + alkol çözeltisiyle dağlandı.

Gözlemler:

• 0 – 1 mm odak dışı konumda nüfuz derinliği maksimumdadır ve alt sayfaya ulaşır.
• Odaklanma 2 – 3 mm olduğunda nüfuz derinliği daha sığ hale gelir ve alt tabaka kalınlığının yalnızca yarısına ulaşır.
• 4 mm odak dışı olduğunda nüfuz keskin bir şekilde düşer ve alt sayfa kalınlığının yalnızca-üçte birine ulaşır.

Şekil 4 - Kaynak nüfuz derinliğine karşı odak dışılık miktarı.

4.3 Kaynak Çekme Dayanımına Etkisi

Tek-nokta çekme mukavemeti, alt tabaka sabit ve üst tabaka yukarı doğru çekilmiş halde bir çekme test makinesinde ölçülmüştür. Doğruluğu sağlamak için her parametre setinde üç numune test edildi ve sonuçların ortalaması alındı.

0, 1, 2, 3 ve 4 mm'lik odak dışı değerler,7 K, 8 K, 11 K, 15 K ve 6 K, sırasıyla.

Genel eğilim: çekme mukavemeti odaklanma arttıkça artar, çünkü daha büyük odaklanma kaynak noktasını ve - en önemlisi - iki tabaka arasındaki temas genişliğini genişletir, bu da doğrudan bağlantı mukavemetini artırır. 4 mm odak dışı kaldığında güç tekrar düşer; bunun nedeni büyük olasılıkla ışın kalitesinin düşmesi ve noktanın daha büyük olmasına rağmen güç yoğunluğunun azalması, hem nüfuzun hem de gücün azalmasıdır.

Temel bulgu:304 paslanmaz çelikte tek-nokta çekme mukavemeti zirveye ulaştı3 mm odak dışılıkta 15 Nkaynak noktası morfolojisinin de en tutarlı olduğu yer.

Tablo 2 - Odaklanmanın kaynak noktası, nüfuz etme ve çekme mukavemeti üzerindeki etkisinin özeti

Yukarıdaki rakamlar, 500 W tepe / 3 ms darbe genişliğinde 304 paslanmaz çelik bindirme bağlantılarına sahip 150 W QCW fiber lazer üzerinde yapılan orijinal Çin çalışmasında bildirilen ölçülen değerleri yeniden oluşturmaktadır. Bunlar proses mühendisleri için referans verileridir ve herhangi bir özel uygulama için kabul kriterleri garanti edilmez. Üretime çıkmadan önce her zaman gerçek malzemeniz, kalınlığınız ve fikstürünüz üzerinde numune testi yaparak doğrulayın.

Üretimde sıçrama, gözeneklilik veya füzyon eksikliği ortaya çıktığında temel neden genellikle parametre uyumsuzluğu, koruyucu gaz seçimi veya yüzey kirliliğidir. Tanılama akışıYaygın lazer kaynak kusurları ve çözümleriHangi faktörün sorumlu olduğunu nasıl belirleyeceğinizi anlatıyor.

Bu çalışma, farklı odaklanma değerlerinde lazer ışını profilini ölçtü ve odak dışılık arttıkça nokta enerji dağılımının daha tekdüze hale geldiğini - ancak 4 mm'nin ötesinde dağılımın yeniden yayılmaya başladığını buldu.

304 paslanmaz çelik bindirme kaynağı sayesinde, diğer tüm faktörler sabit tutularak, odak dışı miktarın değiştirilmesi kaynak noktasının görünümünü, nokta boyutunu, nüfuz derinliğini ve çekme mukavemetini değiştirir. En iyi süreç penceresi hem görünümü hem de gücü aynı anda karşılamalıdır.

Temel çıkarımlar:

• Odaklanma arttıkça kaynak kalitesi iyileşir ve çekme mukavemeti artar.
• Şu tarihte:3 mm odak dışı, kaynak noktası tekdüzeliği ve çekme mukavemeti bu geometri için en iyi durumdadır.
• 3 mm odak dışılığın ötesinde hem güç hem de kalite yeniden düşer.

Anahtar deliği kaynağı, fiber lazer seçimi ve mağazanız için el tipi, otomatik ve QCW sistemleri arasında nasıl seçim yapılacağı dahil kaynak kaynakları, modları ve uygulamalarına - ilişkin daha geniş bir bakış açısı için - tamamını keşfedinlazer kaynak makinelerikategorisine gidin veya şu adresten King's Laser mühendisliğiyle iletişime geçin:info@kingslaser.comgerçek malzemeniz üzerinde örnek-kesim değerlendirmesi için.