כיצד כמות ביטול המיקוד משפיעה על איכות קרן הלייזר וביצועי הריתוך בנירוסטה 304

טכנולוגיית הלייזר היא אחת מארבע פריצות הדרך המכוננות של המאה ה-20 לצד מחשוב, מוליכים למחצה ואנרגיה גרעינית, והיא משמשת כיום בתקשורת אופטית, מערכות רפואיות, בדיקה ועיבוד חומרים. בתוך עיבוד חומרים, סימון לייזר, חיתוך, קידוח וריתוך, כולם הבשילו לכדי טכנולוגיות ייצור אמינות. ביניהם, ריתוך לייזר זכה לתשומת לב גוברת מכיוון שהוא מציע יתרונות ברורים על פני TIG וריתוך התנגדות בקלט חום, פרופיל ריתוך ופוטנציאל אוטומציה.

יתרונות הליבה של ריתוך לייזר הם:

• קטן מאודאזור מושפע-חום (HAZ)
• גָבוֹהַיחס עומק-ל-רוחבבתוך הריתוך
• חוזק מפרקים גבוה
• חוזק המפרק על או מעל מתכת האם
• מסירת קרן קלה באמצעות סיב גמיש לאוטומציה

מקורות לייזר נפוצים כוללים לייזר CO₂, לייזר דיסק, לייזר Nd:YAG, לייזר סיבים ולייזרי דיודות. בין אלה, הלייזר סיביםהוא הכיוון המודרני ביותר, המציע:

• יעילות אופטית-ל-חשמלית גבוהה (עד ~30%)
• טביעת רגל קומפקטית
• תחזוקה נמוכה וחיי שירות ארוכים
• התאמה חזקה לריתוך נירוסטה וסגסוגות אלומיניום

הלייזר סיבים דופק כמעט-(QCW).שפותחה על ידי IPG Photonics מייצגת סוג קצה של מקור, המספק שיא הספק גבוה עם רוחבי פולסים הנמשכים לטווח אלפיות השנייה - בהתאמה טובה לריתוך מתכת וריתוך מיקרו- של חלקים דקים. למרות שאומץ נרחב בתחום האלקטרוניקה והריתוך המדויק, חלון התהליך עבור לייזרים סיבים QCW עדיין זוכה לתשומת לב מוגבלת שפורסמה. מאמר זה מתמקד באחד ממשתני התהליך הקריטיים ביותר -מיקום מוקד, מבוטא ככמות דה-פוקוס- ומראה, באמצעות ניסויים מבוקרים, כיצד דה-מיקוד מעצב את איכות האלומה, מראה הריתוך, חדירת הריתוך וחוזק המפרק על מפרק חיק מפלדת אל-חלד 304. לתצוגה רחבה יותר של נוף ריתוך הלייזר, עיין במדריך שלנו בנושאעקרונות ואופני ריתוך לייזר.

2.1 ציוד ריתוך

A 150 W לייזר סיב פועם QCWשימש כמקור הריתוך למחקר זה. פרמטרים טכניים מייצגים של סוג מקור זה מסוכמים להלן (ערכים טיפוסיים בתעשייה; הנתונים בפועל משתנים לפי דגם, תצורה ויישום - עיין בגיליון הנתונים של הספק לערכים מובטחים).

טבלה 1 - מפרטים אופייניים עבור לייזר סיב פועם ברמת 150 ואט QCW (ערכי ייחוס טיפוסיים בתעשייה-, לא מובטח)

הערכים המוצגים לעיל הם נתוני ייחוס טיפוסיים-תעשייתיים עבור לייזר סיב פועם בדרגת 150W QCW, לא המפרט המובטח של יחידת לייזר King's ספציפית. למפרטים מדויקים, אנא צור קשר עם info@kingslaser.com או בקר בדף המוצר של King's Laser עבור הדגם הנוכחי במחלקה זו.

ראש עיבוד הלייזר מוזז ביחס לחומר העבודה באמצעות פלטפורמת תנועה X/Y/Z לביצוע ריתוך תפר. בקר התנועה מסנכרן את מיקום הראש עם ירי הלייזר כך שהפליטה מתחילה רק כשהראש מגיע למיקום מתוכנת.

למידע נוסף על מה שמגדיר את מחלקת הלייזר הזו והיכן הוא משמש, ראהמהו ריתוך לייזר בסיבי QCW, הדיון הרחב יותר עלריתוך לייזר QCW מעצב מחדש יישומים תעשייתיים, והבסיסמקור לייזר סיב רציף כמעט-. כדי לראות יחידת ייצור מייצגת, עיין בלייזר המלךמכונת ריתוך לייזר בסיבי QCW 6 צירים.

2.2 חומרים והכנה

חומר הבסיס במחקר זה היהנירוסטה 304מסודרים כמפרק: יריעה עליונה בעובי 0.2 מ"מ, יריעה תחתונה בעובי 0.5 מ"מ, כל אחת חתוכה ל-100 מ"מ × 50 מ"מ.

הכנת פני השטח נעשתה בשני שלבים ממסים: תחילה אצטון, ולאחר מכן מגבון איזופרופנול, כדי להסיר שמנים, תחמוצות ומזהמים אחרים שעלולים לסכן את שלמות הריתוך. מתקן ייעודי הפעיל לחץ אחיד על המפרק כדי למזער את מרווח הממשק. שלב זה חשוב כי הוא:

• משפר את העברת החום בין שתי היריעות במהלך הריתוך
• מקדם עומק חדירה עקבי
• מפחית את הסיכון לחוסר איחוי ונקבוביות

עבור נירוסטה 304 במיוחד, התאמה של גז המגן הנכון עם הכנת פני השטח היא קריטית - ראה את ההדרכה בנושאבחירת גז מגן לריתוך נירוסטה. ומכיוון שרוב פגמי הריתוך מתחילים על פני השטח, ניקוי מוקדם- של ריתוך לבדו יכול להסיר עד 70% מהם - לחקור את הנתונים בניקוי לייזר פותר 70% מפגמי הריתוך.

2.3 קביעת מיקום מוקד הלייזר

הגורמים העיקריים הקובעים את תוצאות ריתוך הלייזר הם הספק שיא, רוחב הפולסים וכמות דה-פוקוס (הפער בין נקודת המוקד למשטח העבודה). מבין אלה, כמות דה-פוקוס היא הרגישה ביותר.

הגדרה - מיקוד:דה-פוקוס חיובי פירושו שנקודת המוקד נמצאת מעל משטח העבודה; דה-פוקוס שלילי פירושו שנקודת המוקד נמצאת מתחת לפני השטח.

השיטה האמינה ביותר לאיתור נקודת המוקד היא שיטת כיול הנירוסטה המשולשת:

1. הורה דופק לייזר-נמוך (כ-50 ואט) על לוחית נירוסטה; הניצוץ הבהיר ביותר מציין את מישור המוקד.
2. הנח בלוק נירוסטה משולש ליד מישור המוקד הזה וקווי כתיבה כל ~2 מ"מ החל מ-0.5 מ"מ. תחת מיקרוסקופ, הקו המצומצם ביותר מסמן את מיקום המוקד.

איכות הקרן נמדדה עם פרופיל קרן, בדיקה לייזר ומחליש קרן. כאשר הבדיקה תחילה בנקודת המוקד, ראש העיבוד הורם בצעדים של 1 מ"מ כדי להגדיר ערכי דה-פוקוס של 0, 1, 2, 3 ו-4 מ"מ.

איור 1 - איכות קרן הלייזר (חלוקת אנרגיה נקודתית) לעומת כמות דה-פוקוס.

• בדה-פוקוס של 0 מ"מ, אנרגיית הלייזר מתרכזת במרכז הנקודה.
• ככל שהמיקוד מתגבר, חלוקת האנרגיה הנקודתית הופכת אחידה יותר בהדרגה.
• בחוסר מיקוד של 3 מ"מ, ההתפלגות מאוזנת ביותר.
• בדה-פוקוס של 4 מ"מ, החלוקה מתחילה להתפשט ולאבד שוב מאחידות.

בפועל, המארז בגודל 3 מ"מ מציע את ההחלפה הטובה ביותר- בין גודל נקודה וצפיפות הספק שיא עבור ריתוך גיליון דק.-

4.1 השפעה על מורפולוגיה של כתמי ריתוך

חומר העבודה הונח בנקודת המוקד עם שיא הספק ורוחב הדופק הוגדלו כלפי מעלה עד שהופיע סימן ברור בגב הגיליון התחתון. בבדיקה זו, שיא ההספק היה 500 W ורוחב הפולסים היה 3 אלפיות השנייה. פרמטרים אלה הוחזקו לאחר מכן קבועים בעוד חוסר המיקוד שונה במרווחים של 1 מ"מ; מראה נקודת הריתוך תועד בכל שלב.

איור 2 - מראה נקודת ריתוך לעומת כמות חוסר מיקוד.

תצפיות:

• בחוסר מיקוד של 0 - 1 מ"מ, נקודת הריתוך היא הקטנה ביותר ומראה ניתזים גלויים. הסיבה היא ריכוז אנרגיה במרכז הנקודה, המייצר צפיפות כוח מקומית גבוהה ופליטת חומר.
• ככל שהמיקוד ממשיך לגדול, נקודת הריתוך נעשית אחידה יותר והנתזים נעלמים, מה שנובע מפרופיל הקורה האחיד יותר.
• חוסר מיקוד של מעל 4 מ"מ, העגלגלות פוחתת והנקודה מתכווצת מעט - ככל הנראה מכיוון שאנרגיית האלומה מתפשטת בקצוות הנקודה.

על פני 0 – 3 מ"מ דה-פוקוס, קוטר נקודת הריתוך גדל מ-0.4 מ"מ ל-0.5 מ"מ: דה-פוקוס גדול יותר מייצר נקודת שטח גדולה יותר ולכן נקודת ריתוך גדולה יותר. בחוסר מיקוד של 4 מ"מ קוטר הנקודה ירד שוב, מכיוון שהאנרגיה בקצה הנקודה כבר לא מספיקה להמסה מלאה של החומר למרות שהנקודה גדולה יותר מבחינה גיאומטרית.

איור 3 - קוטר נקודת ריתוך לעומת כמות דה-פוקוס.

4.2 השפעה על עומק חדירת הריתוך

חתכים- הוכנו על ידי חיתוך לאורך קצה נקודת הריתוך, ולאחר מכן שחיקה גסה, שחיקה עדינה והברקה. מרכז הריתוך נבדק במהלך הליטוש, ולאחר מכן נחרט בתמיסת חומצה חנקתית + אלכוהול כדי לחשוף עומק חדירה בכל ערך דה-פוקוס.

תצפיות:

• בטשטוש של 0 - 1 מ"מ, עומק החדירה הוא במקסימום, ומגיע אל הגיליון התחתון.
• בחוסר מיקוד של 2-3 מ"מ, עומק החדירה הופך רדוד יותר, ומגיע רק לכמחצית מעובי הגיליון התחתון.
• בחוסר מיקוד של 4 מ"מ, החדירה יורדת בחדות, ומגיעה רק לכשליש- מעובי הגיליון התחתון.

איור 4 - עומק חדירת ריתוך לעומת כמות דה-פוקוס.

4.3 השפעה על חוזק מתיחה של ריתוך

חוזק מתיחה-יחיד נמדד במכונת בדיקת מתיחה כשהיריעה התחתונה קבועה והיריעה העליונה נמשכת כלפי מעלה. כדי להבטיח דיוק, נבדקו שלוש דגימות בכל סט פרמטרים והתוצאות נמדדו בממוצע.

ערכי דה-פוקוס של 0, 1, 2, 3 ו-4 מ"מ יצרו חוזק מתיחה של7 N, 8 N, 11 N, 15 N ו-6 N, בהתאמה.

המגמה הכוללת: חוזק המתיחה עולה עם דה-פוקוס, מכיוון שה-Defocus הגדול יותר מגדיל את נקודת הריתוך ואת - והכי חשוב - את רוחב המגע בין שתי היריעות, מה שמניע ישירות את חוזק המפרק. בדה-פוקוס של 4 מ"מ, החוזק יורד שוב, ככל הנראה בגלל שאיכות האלומה יורדת והנקודה הופכת גדולה יותר אך נמוכה יותר בצפיפות ההספק, מה שמפחית הן את החדירה והן את החוזק.

ממצא הליבה:חוזק מתיחה-נקודתי בודד על פלדת אל-חלד 304 בשיאו15 N בחוסר מיקוד של 3 מ"מ, כאשר המורפולוגיה של כתמי הריתוך הייתה גם העקבית ביותר.

טבלה 2 - סיכום ההשפעה של דה-פוקוס על נקודת ריתוך, חדירה וחוזק מתיחה

הנתונים שלמעלה משחזרים את הערכים הנמדדים שדווחו במחקר הסיני המקורי על לייזר סיבי QCW של 150 ואט עם 304 מפרקי ברך נירוסטה ברוחב פולסים של 500 ואט / 3 אלפיות השנייה. הם נתוני התייחסות למהנדסי תהליכים, לא קריטריוני קבלה מובטחים עבור יישום ספציפי כלשהו. אמת תמיד על ידי בדיקה לדוגמה על החומר, העובי והקיבוע שלך בפועל לפני שחרור הייצור.

כאשר ניתזים, נקבוביות או חוסר היתוך אכן מופיעים בייצור, הסיבה העיקרית היא בדרך כלל אי ​​התאמה של פרמטרים, בחירת גז מגן או זיהום פני השטח. האבחון זורם פנימהפגמים ופתרונות נפוצים בריתוך לייזרעובר דרך איך לזהות איזה גורם אחראי.

מחקר זה מדד את פרופיל קרן הלייזר על פני ערכי דה-פוקוס שונים ומצא שככל שה-Defocus גדל, חלוקת אנרגיית הנקודה נעשית אחידה יותר - אך מעבר ל-4 מ"מ ההתפלגות מתחילה להתפשט שוב.

באמצעות ריתוך מפרק 304 נירוסטה, כאשר כל הגורמים האחרים נשמרים קבועים, שינוי כמות דה-הפוקוס משנה את מראה נקודת הריתוך, גודל הנקודה, עומק החדירה וחוזק המתיחה. חלון התהליך הטוב ביותר צריך לספק הן את המראה והן את החוזק בו זמנית.

נקודות טייק אווי מרכזיות:

• ככל שהפוקוס עולה, איכות הריתוך משתפרת וחוזק המתיחה עולה.
• בְּ3 מ"מ דפוק, אחידות כתמי ריתוך וחוזק מתיחה הם שניהם במיטבם עבור גיאומטריה זו.
• מעבר לחוסר מיקוד של 3 מ"מ, גם החוזק וגם האיכות יורדים שוב.

לתצוגה רחבה יותר של מקורות, מצבים ויישומי ריתוך - כולל ריתוך חור מפתח, בחירת סיבים בלייזר וכיצד לבחור בין מערכות כף יד, אוטומטיות ו-QCW עבור החנות שלך - חקור את המלאהמכונות ריתוך לייזראו צור קשר עם King's Laser Engineering בכתובתinfo@kingslaser.comלהערכת דוגמה-חתוכה על החומר שלך בפועל.