Com afecta la quantitat de desenfocament la qualitat del raig làser i el rendiment de la soldadura en acer inoxidable 304

La tecnologia làser és un dels quatre avenços que defineixen el segle XX juntament amb la informàtica, els semiconductors i l'energia nuclear, i ara s'utilitza en comunicacions òptiques, sistemes mèdics, inspecció i processament de materials. Dins del processament de materials, el marcatge làser, el tall, la perforació i la soldadura s'han convertit en tecnologies de producció fiables. Entre ells, la soldadura làser ha guanyat una atenció creixent perquè ofereix clars avantatges sobre la soldadura TIG i per resistència en l'entrada de calor, el perfil de soldadura i el potencial d'automatització.

Els principals avantatges de la soldadura làser són:

• Molt petit-zona afectada per la calor (HAZ)
• Altrelació de profunditat-a-ampladaa la soldadura
• Alta força de les articulacions
• Força de la junta a o per sobre del metall principal
• Fàcil lliurament del feix mitjançant una fibra flexible per a l'automatització

Les fonts làser habituals inclouen làsers de CO₂, làsers de disc, làsers Nd:YAG, làsers de fibra i làsers de díode. Entre aquests, ellàser de fibraés la direcció més moderna, que ofereix:

• Alta eficiència elèctrica-a-òptica (fins a ~30%)
• Pesada compacta
• Baix manteniment i llarga vida útil
• Ajust fort per soldar acer inoxidable i aliatges d'alumini

Ellàser de fibra polsada quasi-continu (QCW).desenvolupat per IPG Photonics representa una classe de fonts de frontera, que ofereix una potència màxima elevada amb amplades de pols que s'estenen al rang de mil·lisegons - ben adaptades a la soldadura metàl·lica i la micro-soldadura de peces primes. Tot i que s'ha adoptat àmpliament en electrònica i soldadura de precisió, la finestra de procés per als làsers de fibra QCW encara rep una atenció publicada limitada. Aquest article se centra en una de les variables de procés més crítiques -posició focal, expressada com a quantitat de desenfocament- i mostra, mitjançant experiments controlats, com el desenfocament dóna forma a la qualitat del feix, l'aspecte de la soldadura, la penetració de la soldadura i la força de la junta en una junta d'acer inoxidable 304. Per obtenir una visió més àmplia del paisatge de la soldadura làser, consulteu la nostra guiaprincipis i modes de soldadura làser.

2.1 Equips de soldadura

A 150 W Làser de fibra polsada QCWva servir com a font de soldadura per a aquest estudi. Els paràmetres tècnics representatius d'aquesta classe d'origen es resumeixen a continuació (valors típics de la indústria; les xifres reals varien segons el model, la configuració i l'aplicació - consulteu el full de dades del proveïdor per obtenir els valors garantits).

Taula 1 - Especificacions típiques per a un làser de fibra polsada QCW de classe 150 W (valors de referència típics de la indústria-, no garantits)

Els valors que es mostren més amunt són xifres de referència-típiques del sector per a un làser de fibra polsada QCW de classe 150 W, no les especificacions garantides de cap unitat King's Laser específica. Per obtenir especificacions precises, poseu-vos en contacte amb info@kingslaser.com o visiteu la pàgina del producte King's Laser del model actual d'aquesta classe.

El capçal de processament làser es mou en relació a la peça de treball mitjançant una plataforma de moviment X/Y/Z per realitzar soldadures de costura. El controlador de moviment sincronitza la posició del cap amb el tir làser de manera que l'emissió només s'inicia quan el cap arriba a una ubicació programada.

Per obtenir més informació sobre què defineix aquesta classe làser i on s'utilitza, vegeuQuè és la soldadura làser de fibra QCW, la discussió més àmplia deAplicacions industrials de remodelació de soldadura làser QCW, i el subjacentfont làser de fibra quasi-contínua. Per veure una unitat de producció representativa, consulteu el làser del reiMàquina de soldadura làser de fibra QCW de 6 eixos.

2.2 Materials i preparació

El material de base en aquest estudi va seracer inoxidable 304disposat com una junta solapada: fulla superior de 0,2 mm de gruix, fulla inferior de 0,5 mm de gruix, cadascuna tallada a 100 mm × 50 mm.

La preparació de la superfície es va fer en dos passos de dissolvent: primer acetona, després neteja d'isopropanol, per eliminar olis, òxids i altres contaminants que poden comprometre la integritat de la soldadura. Un accessori dedicat aplicava una pressió uniforme a través de l'articulació per minimitzar l'espai lliure interfacial. Aquest pas és important perquè:

• Millora la transferència de calor entre les dues làmines durant la soldadura
• Afavoreix una profunditat de penetració constant
• Redueix el risc de manca de fusió i porositat

Específicament per a l'acer inoxidable 304, combinar el gas de protecció adequat amb la preparació de la superfície és fonamental - consulteu la guia sobreselecció de gas de protecció per a la soldadura d'acer inoxidable. I com que la majoria dels defectes de soldadura comencen a la superfície, la-neteja prèvia a la soldadura sola pot eliminar-ne fins a un 70% - explorar les dades aLa neteja làser resol el 70% dels defectes de soldadura.

2.3 Determinació de la posició focal del làser

Els principals factors que determinen els resultats de la soldadura làser són la potència màxima, l'amplada del pols i la quantitat de desenfocament (l'espai entre el punt focal i la superfície de la peça). D'aquests, la quantitat de desenfocament és la més sensible.

Definició - Desenfocament:El desenfocament positiu significa que el punt focal es troba per sobre de la superfície de la peça; Desenfocament negatiu significa que el punt focal es troba sota la superfície.

El mètode més fiable per localitzar el punt focal és el mètode de calibratge triangular d'acer inoxidable:

1. Feu un pols làser de baixa-energia (uns 50 W) sobre una placa d'acer inoxidable; l'espurna més brillant indica el pla focal.
2. Col·loqueu un bloc triangular d'acer inoxidable a prop d'aquest pla focal i traieu línies cada ~ 2 mm a partir de 0,5 mm. Sota un microscopi, la línia traçada més estreta marca la posició focal.

La qualitat del feix es va mesurar amb un perfilador de feix, una sonda làser i un atenuador de feix. Amb la sonda inicialment al punt focal, el capçal de processament es va aixecar en passos d'1 mm per establir valors de desenfocament de 0, 1, 2, 3 i 4 mm.

Figura 1 - Qualitat del raig làser (distribució puntual d'energia) en funció de la quantitat de desenfocament.

• Amb un desenfocament de 0 mm, l'energia làser es concentra al centre del punt.
• A mesura que augmenta el desenfocament, la distribució d'energia puntual es torna progressivament més uniforme.
• Amb un desenfocament de 3 mm, la distribució és més equilibrada.
• Amb un desenfocament de 4 mm, la distribució comença a estendre's i torna a perdre uniformitat.

A la pràctica, la caixa de 3 mm ofereix el millor intercanvi-entre la mida de punts i la densitat de potència màxima per a la soldadura de xapa-prima.

4.1 Efecte sobre la morfologia dels punts de soldadura

La peça de treball es va col·locar al punt focal amb la potència màxima i l'amplada del pols augmentada fins que va aparèixer una marca clara a la part posterior del full inferior. En aquesta prova, la potència màxima va ser de 500 W i l'amplada del pols va ser de 3 ms. Aquests paràmetres es van mantenir constants mentre el desenfocament es va variar en increments d'1 mm; l'aspecte del punt de soldadura es va registrar a cada pas.

Figura 2 - Aspecte del punt de soldadura versus quantitat de desenfocament.

Observacions:

• Amb un desenfocament de 0 a 1 mm, el punt de soldadura és més petit i mostra esquitxades visibles. La causa és la concentració d'energia al centre del punt, que produeix una gran densitat de potència local i ejecció de material.
• A mesura que el desenfocament continua augmentant, el punt de soldadura es torna més uniforme i les esquitxades desapareixen, que es dedueixen del perfil del feix més uniforme.
• Per sobre de 4 mm de desenfocament, la rodonesa es degrada i el punt es redueix lleugerament - probablement perquè l'energia del feix s'estén a les vores del punt.

En un desenfocament de 0 a 3 mm, el diàmetre del punt de soldadura va créixer de 0,4 mm a 0,5 mm: un desenfocament més gran produeix un punt de superfície més gran i, per tant, un punt de soldadura més gran. Amb un desenfocament de 4 mm, el diàmetre de la taca va tornar a disminuir, perquè l'energia a la vora de la taca ja no és suficient per fondre completament el material tot i que la taca és geomètricament més gran.

Figura 3 - Diàmetre del punt de soldadura en funció de la quantitat de desenfocament.

4.2 Efecte sobre la profunditat de penetració de la soldadura

Les seccions transversals-es van preparar tallant al llarg de la vora del punt de soldadura, seguit d'una mòlta gruixuda, una mòlta fina i un poliment. El centre de soldadura es va inspeccionar durant el polit, després es va gravar amb una solució d'àcid nítric + alcohol per revelar la profunditat de penetració a cada valor de desenfocament.

Observacions:

• Amb un desenfocament de 0 a 1 mm, la profunditat de penetració és màxima, arribant al full inferior.
• Amb un desenfocament de 2 a 3 mm, la profunditat de penetració es fa menys profunda, arribant només a la meitat del gruix de la làmina inferior.
• Amb un desenfocament de 4 mm, la penetració disminueix bruscament, arribant només al voltant d'un-terç del gruix del full inferior.

Figura 4 - Profunditat de penetració de la soldadura en funció de la quantitat de desenfocament.

4.3 Efecte sobre la resistència a la tracció de la soldadura

Es va mesurar la resistència a la tracció d'un sol-punt en una màquina de prova de tracció amb el full inferior fixat i el full superior estirat cap amunt. Per garantir la precisió, es van provar tres mostres a cada conjunt de paràmetres i es van promediar els resultats.

Els valors de desenfocament de 0, 1, 2, 3 i 4 mm van produir forces de tracció de7 N, 8 N, 11 N, 15 N i 6 N, respectivament.

La tendència general: la resistència a la tracció augmenta amb el desenfocament, perquè el desenfocament més gran augmenta el punt de soldadura i - el més important - l'amplada de contacte entre les dues làmines, que impulsa directament la força de la junta. Amb un desenfocament de 4 mm, la força torna a baixar, molt probablement perquè la qualitat del feix es degrada i el punt es fa més gran però amb una densitat de potència més baixa, reduint tant la penetració com la força.

Trobada bàsica:Resistència a la tracció d'un sol-punt en acer inoxidable 30415 N amb un desenfocament de 3 mm, on la morfologia dels punts de soldadura també era la més consistent.

Taula 2 - Resum de l'efecte del desenfocament sobre el punt de soldadura, la penetració i la resistència a la tracció

Les xifres anteriors reprodueixen els valors mesurats reportats a l'estudi xinès original sobre un làser de fibra QCW de 150 W amb 304 juntes d'acer inoxidable a un pic de 500 W / 3 ms d'amplada de pols. Són dades de referència per als enginyers de processos, no es garanteixen criteris d'acceptació per a cap aplicació específica. Valideu sempre mitjançant proves de mostres sobre el vostre material real, gruix i fixació abans del llançament de producció.

Quan apareixen esquitxades, porositat o manca de fusió en la producció, la causa principal sol ser la desajust de paràmetres, l'elecció del gas protector o la contaminació de la superfície. El flux de diagnòsticdefectes i solucions habituals de la soldadura làserexplica com identificar quin factor és responsable.

Aquest estudi va mesurar el perfil del raig làser a través de diferents valors de desenfocament i va trobar que a mesura que augmenta el desenfocament, la distribució d'energia puntual es torna més uniforme -, però més enllà dels 4 mm la distribució comença a estendre's de nou.

Mitjançant la soldadura d'unió d'acer inoxidable 304, amb tots els altres factors que es mantenen constants, la variació de la quantitat de desenfocament canvia l'aspecte del punt de soldadura, la mida del punt, la profunditat de penetració i la resistència a la tracció. La millor finestra de procés ha de satisfer l'aspecte i la força simultàniament.

Punts clau per emportar:

• A mesura que augmenta el desenfocament, la qualitat de la soldadura millora i la resistència a la tracció augmenta.
• A lesDesenfocament de 3 mm, la uniformitat del punt de soldadura i la resistència a la tracció són les millors per a aquesta geometria.
• Més enllà del desenfocament de 3 mm, tant la força com la qualitat tornen a disminuir.

Per obtenir una visió més àmplia de les fonts, els modes i les aplicacions de soldadura - inclosa la soldadura per forat de pany, la selecció de làser de fibra i com triar entre sistemes portàtils, automatitzats i QCW per a la vostra botiga - exploreu tota la informaciómàquines de soldadura làsercategoria o poseu-vos en contacte amb King's Laser engineering ainfo@kingslaser.comper a una mostra de-avaluació del vostre material real.