Как фокусировка лазера влияет на качество и эффективность сварки? Этот интригующий вопрос касается критической взаимосвязи между расфокусировкой лазера и эффективностью сварки. Исследуя различные настройки фокуса, статья показывает, как распределение луча, размер паяного соединения, глубина проплавления и прочность на разрыв зависят от регулировки расфокусировки. Читатели получат более глубокое понимание оптимизации процессов лазерной сварки для повышения точности и прочности своих проектов.
Лазерная технология входит в число четырех важнейших технологических прорывов XX века, наряду с компьютерами, полупроводниками и технологиями атомной энергии. Ее широкое применение охватывает различные области, включая оптическую связь, медицинское лечение, тестирование и обработку материалов.
В последние годы особенно заметен прогресс в области лазерных технологий обработки материалов. Такие области применения, как лазерная маркировка, резка, сверление и сварка, получили значительные усовершенствования. Лазерная сваркаВ частности, он получил широкое распространение благодаря своим преимуществам перед традиционными методами сварки, такими как аргонодуговая сварка и контактная сварка.
Основные преимущества лазерной сварки включают:
Для лазерной сварки обычно используются различные лазерные источники, включая CO2-лазеры, дисковые лазеры, Nd:YAG-лазеры, волоконные лазеры и полупроводниковые лазеры. Волоконные лазеры, появившиеся относительно недавно, обладают рядом преимуществ:
Квазинепрерывные импульсные волоконные лазеры, разработанные компанией IPG Photonics, представляют собой передовой лазерный источник. Эти лазеры отличаются:
Несмотря на то, что волоконные лазеры с квазинепрерывными импульсами нашли широкое применение в прецизионной сварке электроники, исследования их детальных сварочных процессов остаются ограниченными.
Данное исследование посвящено критическому фактору в процессе сварки: фокусной точке. Исследуя изменения в качестве лазерного луча при различных условиях фокусировки, мы стремимся выяснить их влияние на эффективность сварки. Это исследование направлено на оптимизацию параметров лазерной сварки и повышение общей эффективности процесса, что потенциально может привести к улучшению качества сварки и расширению сфер применения в передовом производстве.
В данной статье в качестве источника сварочного света используется волоконный лазер с квазинепрерывными импульсами мощностью 150 Вт. Технические характеристики лазера приведены в таблице 1.
Таблица 1 Технические параметры лазера
| Средняя мощность /Вт | 150 |
|---|---|
| Пиковая мощность /Вт | 500 |
| Ширина импульса /мс | 0.2-20 |
| Частота/ Гц | 0-2500 |
| Метод охлаждения | Воздушное охлаждение |
| Качество луча BPP/мм*мрад | 1-2 |
Сайт лазерная обработка Головка перемещается относительно заготовки с помощью подвижной платформы X/Y/Z для выполнения сварки дорожки. Лазерная головка и выходной сигнал лазера соединены через плату управления движением, что означает, что после позиционирования в определенном месте лазер излучает свет для сварки.
В данном исследовании в качестве основного материала для испытаний использовалась нержавеющая сталь марки 304 с применением конфигурации сварки внахлест. Толщина верхнего листа составляет 0,2 мм, а нижнего - 0,5 мм. Оба листа вырезаны по размерам 100 мм x 50 мм.
Перед сваркой выполняется тщательная подготовка поверхности. Поверхности материалов тщательно очищаются с помощью двухступенчатого метода протирания растворителем: сначала ацетоном, затем изопропиловым спиртом. Эта процедура обеспечивает удаление загрязнений, таких как остатки масла, окислы и другие потенциальные загрязнения, которые могут нарушить целостность сварного шва.
Для оптимизации условий сварки используется специально разработанное приспособление. Это приспособление прикладывает равномерное давление для сжатия верхнего и нижнего листов, эффективно минимизируя любой межфазный зазор. Этот шаг очень важен по нескольким причинам:
Основными факторами, влияющими на результат лазерной сварки, являются пиковая мощность лазера, ширина импульса и расфокусировка (расстояние между фокусом лазера и поверхностью заготовки), при этом расфокусировка является особенно важным фактором.
Дефокус определяется как положительный, если фокус находится над поверхностью заготовки, и отрицательный, если он находится под поверхностью.
Самый надежный метод определения положения лазерный фокус это метод лазерной калибровки нержавеющей стали в треугольнике. Этот метод предполагает использование низкоэнергетического лазера (50 Вт) для создания пятна на нержавеющей стали, причем самая сильная искра указывает на местоположение лазерного фокуса. Затем треугольный блок из нержавеющей стали помещается рядом с лазерным фокусом, и лазерный луч используется для рисования линии на блоке, расположенной на расстоянии примерно 2 мм от 0,5 мм. Самая узкая ширина линии измеряется с помощью микроскопа, и это измерение представляет собой лазерный фокус.
Качество лазерного луча проверяется с помощью анализатора луча, лазерного зонда и лазерного аттенюатора. Лазерный зонд сначала помещается в фокус лазера для тестирования, а затем головка лазерной обработки поднимается вверх на 1 мм за раз, при этом расфокусировка устанавливается на 0 мм, 1 мм, 2 мм, 3 мм и 4 мм.
Результаты испытания, показывающие распределение балок, представлены на рисунке 1.
Рисунок 1 Изменение качества луча при расфокусировке
Когда дефокус установлен на 0 мм, лазерная энергия концентрируется в основном в центре пятна. По мере увеличения расфокуса распределение лазерной энергии по пятну становится все более равномерным. При расфокусе 3 мм распределение лазерной энергии по пятну наиболее сбалансировано. Однако при увеличении расфокуса до 4 мм распределение лазерной энергии становится неравномерным.
Заготовка помещается в фокус лазера, устанавливается пиковая мощность и ширина импульса. Затем на образце из нержавеющей стали делается пятно путем постепенного увеличения мощности и длительности импульса до тех пор, пока на обратной стороне материала не появятся четкие следы. В данном случае пиковая мощность лазера составляла 500 Вт, а длительность импульса - 3 мс.
При неизменных значениях пиковой мощности, ширины импульса и других параметров величина расфокусировки изменялась на 1 мм за раз, и регистрировался внешний вид паяного соединения. Эти результаты можно увидеть на рисунке 2.
Рисунок 2 Внешний вид паяных швов меняется в зависимости от величины расфокусировки
Результаты показали, что при расфокусировке в диапазоне от 0 до 1 мм паяное соединение было наименьшим и имело сварочные брызги. Вероятно, это связано с тем, что при таком диапазоне расфокусировки энергия лазера концентрировалась в основном в центре пятна, что приводило к высокой плотности мощность лазера в центре паяного соединения, вызывая разбрызгивание.
По мере увеличения расфокуса паяные соединения становились более однородными и без брызг, что, вероятно, объясняется более равномерным распределением лазерного луча. Однако при расфокусировке более 4 мм округлость паяного шва стала непоследовательной, а размер паяного шва несколько уменьшился, возможно, из-за неравномерного распределения лазерной энергии по пятну.
Результаты также показали, что по мере увеличения расфокусировки с 0 мм до 3 мм размер паяного соединения постепенно увеличивался, а диаметр паяного соединения вырос с 0,4 мм до 0,5 мм. Это объясняется тем, что при увеличении расфокусировки лазерное пятно на поверхности материала становилось больше, что приводило к образованию более крупных паяных соединений.
Однако при увеличении расфокусировки до 4 мм размер паяных соединений наоборот уменьшился. Это может быть связано с изменением распределения лазерного луча, с низкой энергией на краю пятна, где лазер контактировал с материалом, что привело к увеличению пятна на поверхности, но уменьшению размера паяного соединения.
Зависимость между диаметром паяного шва и величиной расфокусировки показана на рисунке 3.
Рисунок 3 Взаимосвязь между диаметром паяного шва и расфокусировкой
Для резки по краю лазерного паяного соединения использовался слайсер. После грубой шлифовки, тонкой шлифовки и полировки центр паяного соединения наблюдался во время полировки. Наконец, после коррозионной обработки раствором азотной кислоты и спирта было проверено изменение проницаемости паяного соединения при различных условиях расфокусировки.
Результаты показали, что при расфокусировке от 0 мм до 1 мм паяное соединение имело наибольшую глубину проникновения и достигало подстилающего материала. При расфокусировке в диапазоне от 2 до 3 мм провар стали более мелкими и проникали только на 1/2 толщины подстилающего материала. Однако, когда расфокус был установлен на 4 мм, то провар глубина была значительно уменьшена и проникала только на 1/3 толщины нижележащего материала, как показано на рис. 4.
Рисунок 4 Изменение проникающей способности паяного шва при расфокусировке
Для испытания прочности одного паяного соединения использовалась разрывная машина, которая фиксировала нижний материал и тянула верхний материал вверх. Для обеспечения точности данных испытаний на растяжение для каждого набора параметров было испытано по 3 образца, и было взято среднее значение.
Величина расфокусировки была установлена на 0 мм, 1 мм, 2 мм, 3 мм и 4 мм, что соответствует паяным соединениям с прочностью 7 Н, 8 Н, 11 Н, 15 Н и 6 Н, соответственно.
Как правило, прочность на разрыв паяных соединений увеличивалась по мере увеличения расфокусировки. Это объясняется тем, что при увеличении расфокуса размер паяных соединений также увеличивался, особенно ширина контакта между верхним и нижним материалом, что приводило к увеличению прочности на разрыв. Однако когда расфокус увеличился до 4 мм, прочность на разрыв снизилась, вероятно, из-за ухудшения качества луча и увеличения размера пятна, что привело к снижению плотности мощности лазера и, следовательно, глубины проникновения и прочности паяного соединения.
Согласно экспериментальным данным, прочность на разрыв одного паяного соединения достигла максимального значения в 15 Н, когда расфокусировка была установлена на уровне 3 мм.
В этой статье исследовалось распределение лазерного луча при различных условиях расфокусировки и было обнаружено, что с увеличением расфокусировки распределение лазерной энергии в пятне становится более равномерным, но когда расфокусировка превышает 4 мм, распределение энергии становится неравномерным.
Проведя испытания процесса нахлесточной сварки нержавеющей стали, авторы исследования пришли к выводу, что при неизменных прочих факторах регулировка величины расфокусировки влияет на внешний вид, размер, проплавление и прочность на разрыв паяного соединения, а также на общие требования к внешнему виду и прочности.
Выводы были следующими:
Как основатель MachineMFG, я посвятил более десяти лет своей карьеры металлообрабатывающей промышленности. Мой обширный опыт позволил мне стать экспертом в области производства листового металла, механической обработки, машиностроения и станков для обработки металлов. Я постоянно думаю, читаю и пишу об этих предметах, постоянно стремясь оставаться на переднем крае своей области. Позвольте моим знаниям и опыту стать преимуществом для вашего бизнеса.
RU 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
ID 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
KO 
TR