Hoe de mate van onscherpte de kwaliteit van de laserstraal en de lasprestaties in 304 roestvrij staal beïnvloedt

Lasertechnologie is een van de vier bepalende doorbraken van de 20e eeuw, naast computers, halfgeleiders en kernenergie, en wordt nu gebruikt in optische communicatie, medische systemen, inspectie en materiaalverwerking. Binnen de materiaalverwerking zijn lasermarkeren, snijden, boren en lassen uitgegroeid tot betrouwbare productietechnologieën. Onder hen heeft laserlassen steeds meer aandacht gekregen omdat het duidelijke voordelen biedt ten opzichte van TIG- en weerstandslassen op het gebied van warmte-inbreng, lasprofiel en automatiseringspotentieel.

De belangrijkste voordelen van laserlassen zijn:

• Heel kleinhitte-getroffen zone (HAZ)
• Hoogdiepte-tot-breedteverhoudingin de las
• Hoge gewrichtssterkte
• Gewrichtssterkte op of boven het moedermetaal
• Eenvoudige straalafgifte via een flexibele vezel voor automatisering

Veel voorkomende laserbronnen zijn CO₂-lasers, schijflasers, Nd:YAG-lasers, fiberlasers en diodelasers. Onder deze, defiber laseris de modernste richting en biedt:

• Hoge elektrische-tot-optische efficiëntie (tot ~30%)
• Compacte voetafdruk
• Weinig onderhoud en lange levensduur
• Sterke pasvorm voor het lassen van roestvrij staal en aluminiumlegeringen

Dequasi-continue (QCW) gepulseerde fiberlaserontwikkeld door IPG Photonics vertegenwoordigt een bronklasse die een hoog piekvermogen levert met pulsbreedtes tot in het bereik van milliseconden - goed afgestemd op metaallassen en micro-het lassen van dunne onderdelen. Hoewel breed toegepast in de elektronica en precisielassen, krijgt het procesvenster voor QCW-fiberlasers nog steeds beperkte gepubliceerde aandacht. Dit artikel richt zich op een van de meest kritische procesvariabelen -brandpuntspositie, uitgedrukt als de hoeveelheid onscherpte- en laat via gecontroleerde experimenten zien hoe onscherpte de kwaliteit van de straal, het uiterlijk van de las, de laspenetratie en de verbindingssterkte op een overlappingsverbinding van roestvrij staal 304 beïnvloedt. Voor een breder beeld van het laserlaslandschap, zie onze gids opprincipes en modi van laserlassen.

2.1 Lasapparatuur

A 150 W QCW gepulseerde fiberlaserfungeerde als lasbron voor dit onderzoek. Representatieve technische parameters van deze bronklasse worden hieronder samengevat (typische waarden voor de sector; werkelijke cijfers variëren per model, configuratie en toepassing - raadpleeg het gegevensblad van de leverancier voor gegarandeerde waarden).

Tabel 1 - Typische specificaties voor een QCW gepulseerde fiberlaser van 150 W-klasse (industrie-typische referentiewaarden, niet gegarandeerd)

De hierboven weergegeven waarden zijn sectortypische referentiecijfers- voor een QCW-pulse fiberlaser uit de klasse 150 W, en niet de gegarandeerde specificaties van een specifiek King's Laser-apparaat. Neem voor nauwkeurige specificaties contact op met info@kingslaser.com of bezoek de King's Laser-productpagina voor het huidige model in deze klasse.

De laserbewerkingskop wordt via een X/Y/Z-bewegingsplatform ten opzichte van het werkstuk bewogen om naadlassen uit te voeren. De bewegingscontroller synchroniseert de positie van het hoofd met het laservuur, zodat de emissie pas begint wanneer het hoofd een geprogrammeerde locatie bereikt.

Voor meer informatie over wat deze laserklasse definieert en waar deze wordt gebruikt, ziewat is QCW fiberlaserlassen, de bredere discussie overQCW-laserlassen verandert industriële toepassingenen de onderliggendequasi-continue fiberlaserbron. Om een ​​representatieve productie-eenheid te zien, raadpleeg de King's Laser6-assige QCW fiberlaserlasmachine.

2.2 Materialen en voorbereiding

Het basismateriaal in dit onderzoek was304 roestvrij staalgerangschikt als een overlapverbinding: bovenplaat 0,2 mm dik, onderplaat 0,5 mm dik, elk gesneden op 100 mm x 50 mm.

De oppervlaktevoorbereiding werd uitgevoerd in twee oplosmiddelstappen: eerst met aceton en vervolgens met isopropanol, om oliën, oxiden en andere verontreinigingen te verwijderen die de lasintegriteit in gevaar kunnen brengen. Een speciale armatuur oefende een uniforme druk uit over de verbinding om de grensvlakspeling te minimaliseren. Deze stap is belangrijk omdat deze:

• Verbetert de warmteoverdracht tussen de twee platen tijdens het lassen
• Bevordert een consistente penetratiediepte
• Vermindert het risico op gebrek aan fusie en porositeit

Specifiek voor 304 roestvrij staal is het combineren van het juiste beschermgas met de oppervlaktevoorbereiding van cruciaal belang - zie de richtlijnen opbeschermgasselectie voor het lassen van roestvrij staal. En omdat de meeste lasfouten aan de oppervlakte beginnen, kan het vooraf -lassen alleen al tot 70% ervan verwijderen. - verken de gegevens inlaserreiniging lost 70% van de lasfouten op.

2.3 Bepalen van de laserbrandpuntspositie

De belangrijkste factoren die de resultaten van laserlassen bepalen, zijn het piekvermogen, de pulsbreedte en de mate van onscherpte (de afstand tussen het brandpunt en het werkstukoppervlak). Hiervan is de mate van onscherpte het meest gevoelig.

Definitie - Onscherpte:Positieve defocus betekent dat het brandpunt boven het werkstukoppervlak ligt; Negatieve defocus betekent dat het brandpunt onder het oppervlak ligt.

De meest betrouwbare methode om het brandpunt te lokaliseren is de driehoekige roestvrijstalen kalibratiemethode:

1. Vuur een laserpuls met lage-energie (ongeveer 50 W) af op een roestvrijstalen plaat; de helderste vonk geeft het brandvlak aan.
2. Plaats een driehoekig roestvrijstalen blok in de buurt van dat brandpuntsvlak en teken elke ~2 mm lijnen vanaf 0,5 mm. Onder een microscoop markeert de smalste lijn de brandpuntspositie.

De straalkwaliteit werd gemeten met een straalprofiler, lasersonde en straalverzwakker. Met de sonde aanvankelijk in het brandpunt, werd de verwerkingskop in stappen van 1 mm omhoog gebracht om defocuswaarden van 0, 1, 2, 3 en 4 mm in te stellen.

Figuur 1 - Kwaliteit van de laserstraal (spot-energieverdeling) versus mate van onscherpte.

• Bij een defocus van 0 mm wordt de laserenergie geconcentreerd in het midden van de vlek.
• Naarmate de onscherpte toeneemt, wordt de spotenergieverdeling steeds uniformer.
• Bij 3 mm defocus is de verdeling het meest gebalanceerd.
• Bij een defocus van 4 mm begint de verdeling zich te verspreiden en verliest ze weer uniformiteit.

In de praktijk biedt de behuizing van 3 mm de beste balans tussen puntgrootte en piekvermogensdichtheid voor het lassen van dunne- platen.

4.1 Effect op laspuntmorfologie

Het werkstuk werd op het brandpunt geplaatst, waarbij het piekvermogen en de pulsbreedte omhoog gingen totdat er een duidelijke markering op de achterkant van het ondervel verscheen. In deze test was het piekvermogen 500 W en de pulsbreedte 3 ms. Deze parameters werden vervolgens constant gehouden terwijl de defocus werd gevarieerd in stappen van 1 mm; het uiterlijk van de lasvlek werd bij elke stap geregistreerd.

Figuur 2 - Laspuntuiterlijk versus mate van onscherpte.

Observaties:

• Bij een defocus van 0 – 1 mm is de lasplek het kleinst en vertoont deze zichtbare spatten. De oorzaak is de energieconcentratie in het midden van de plek, waardoor een hoge lokale vermogensdichtheid en materiaaluitstoot ontstaat.
• Naarmate de onscherpte toeneemt, wordt de lasplek uniformer en verdwijnen spatten, wat voortvloeit uit het uniformere bundelprofiel.
• Boven de 4 mm onscherpte neemt de ronding af en krimpt de vlek enigszins - waarschijnlijk omdat de bundelenergie zich verspreidt aan de randen van de vlek.

Bij een defocus van 0 – 3 mm groeide de diameter van de lasvlek van 0,4 mm naar 0,5 mm: een grotere defocus produceert een grotere oppervlaktevlek en dus een grotere lasvlek. Bij 4 mm defocus nam de spotdiameter weer af, omdat de energie aan de spotrand niet langer voldoende is om het materiaal volledig te smelten, ook al is de spot geometrisch groter.

Figuur 3 - Laspuntdiameter versus mate van onscherpte.

4.2 Effect op laspenetratiediepte

Dwarsdoorsneden- werden gemaakt door langs de rand van de lasplek te snijden, gevolgd door grof slijpen, fijn slijpen en polijsten. Het lascentrum werd geïnspecteerd tijdens het polijsten en vervolgens geëtst met een oplossing van salpeterzuur en alcohol om de penetratiediepte bij elke defocuswaarde zichtbaar te maken.

Observaties:

• Bij een defocus van 0 – 1 mm is de indringdiepte maximaal en reikt tot in de onderplaat.
• Bij een defocus van 2 – 3 mm wordt de penetratiediepte ondieper en bereikt slechts ongeveer de helft van de dikte van de onderste plaat.
• Bij een defocus van 4 mm neemt de penetratie scherp af en bereikt slechts ongeveer een-derde van de dikte van de onderste plaat.

Figuur 4 - Laspenetratiediepte versus mate van onscherpte.

4.3 Effect op lastreksterkte

De treksterkte op een enkele- plek werd gemeten op een trekbank, waarbij de onderplaat was vastgezet en de bovenplaat omhoog was getrokken. Om de nauwkeurigheid te garanderen, werden bij elke parameterset drie monsters getest en werden de resultaten gemiddeld.

Defocuswaarden van 0, 1, 2, 3 en 4 mm produceerden treksterktes van7 N, 8 N, 11 N, 15 N en 6 Nrespectievelijk.

De algemene trend: de treksterkte neemt toe met defocus, omdat de grotere defocus de lasplek vergroot en - vooral - de contactbreedte tussen de twee platen, wat direct de verbindingssterkte stimuleert. Bij een defocus van 4 mm neemt de sterkte weer af, hoogstwaarschijnlijk omdat de kwaliteit van de straal afneemt en de vlek groter wordt, maar een lagere vermogensdichtheid heeft, waardoor zowel de penetratie als de sterkte afnemen.

Kernbevinding:Treksterkte op één- punt op roestvrij staal 304 piekte op15 N bij 3 mm onscherpte, waarbij de morfologie van de laspunten ook het meest consistent was.

Tabel 2 - Samenvatting van het effect van defocus op laspunt, penetratie en treksterkte

De bovenstaande figuren reproduceren de gemeten waarden uit het oorspronkelijke Chinese onderzoek op een 150 W QCW-fiberlaser met 304 roestvrijstalen overlapverbindingen bij een piek van 500 W / pulsbreedte van 3 ms. Het zijn referentiegegevens voor procesingenieurs en geen gegarandeerde acceptatiecriteria voor een specifieke toepassing. Valideer altijd door middel van steekproeven op uw daadwerkelijke materiaal, dikte en bevestiging voordat de productie wordt vrijgegeven.

Wanneer er tijdens de productie spatten, porositeit of gebrek aan smelting optreden, is de hoofdoorzaak meestal een verkeerde combinatie van parameters, een keuze voor beschermgas of oppervlakteverontreiniging. De diagnostische stroom komt binnenveel voorkomende laserlasfouten en oplossingenbeschrijft hoe u kunt identificeren welke factor verantwoordelijk is.

In dit onderzoek werd het laserbundelprofiel gemeten over verschillende onscherptewaarden en werd vastgesteld dat naarmate de onscherpte toeneemt, de verdeling van de spotenergie uniformer wordt -, maar dat de verdeling zich boven 4 mm weer begint te verspreiden.

Door het lassen van 304 roestvrijstalen overlappende verbindingen, waarbij alle andere factoren constant worden gehouden, verandert het variëren van de mate van onscherpte het uiterlijk van de lasplek, de vlekgrootte, de penetratiediepte en de treksterkte. Het beste procesvenster moet tegelijkertijd aan zowel uiterlijk als sterkte voldoen.

Belangrijkste afhaalrestaurants:

• Naarmate de defocus toeneemt, verbetert de laskwaliteit en neemt de treksterkte toe.
• Bij3 mm onscherpte, laspuntuniformiteit en treksterkte zijn beide op hun best voor deze geometrie.
• Voorbij 3 mm onscherpte nemen zowel de sterkte als de kwaliteit weer af.

Voor een breder overzicht van lasbronnen, modi en toepassingen - inclusief sleutelgatlassen, fiberlaserselectie en hoe u kunt kiezen tussen draagbare, geautomatiseerde en QCW-systemen voor uw werkplaats - ontdek het volledigelaserlasmachinescategorie of neem contact op met King's Laser engineering opinfo@kingslaser.comvoor een voorbeeld-korte evaluatie van uw daadwerkelijke materiaal.