Расфокусировка лазера: влияние на качество луча и сварку

Как расфокусировка лазера влияет на качество луча и сварочный эффект

1. Предисловие

Лазерная технология - один из четырех главных технологических прорывов XX века, наряду с компьютерами, полупроводниками и технологиями атомной энергии. За прошедшие годы она получила широкое распространение в таких областях, как оптическая связь, медицинское лечение, тестирование и обработка материалов.

В последние годы развитие лазерных технологий в области обработки материалов было особенно впечатляющим: лазерная маркировка, резка, сверление и сварка нашли свое применение. Среди них, лазерная сварка стала особенно популярной, так как имеет ряд уникальных преимуществ перед традиционными методами сварки, такими как аргонодуговая и контактная сварка.

К преимуществам лазерной сварки относятся малый диапазон теплового воздействия, возможность получения сварных швов с большим соотношением сторон, высокая прочность сварки и прочность соединения, которая может достигать или превышать прочность основного материала. Кроме того, лазерные лучи легко передаются по высокоэнергетическим оптическим волокнам, что позволяет автоматизировать процесс сварки. процесс сварки.

Для лазерной сварки обычно используются CO2-лазеры, дисковые лазеры, Nd:YAG-лазеры, волоконные лазеры и полупроводниковые лазеры. Среди них волоконные лазеры - относительно новая разработка в лазерной технологии, обладающая высокой эффективностью фотоэлектрического преобразования 30% и компактными размерами. Они не требуют особого обслуживания, имеют длительный срок службы и широко используются для сварка нержавеющей стали и алюминиевые сплавы.

Квазинепрерывные импульсные волоконные лазеры - это новый тип лазера источник, разработанный американской компанией IPG в последние годы. Они обладают высокой пиковой мощностью и длительностью импульсов до миллисекунд, что делает их хорошо подходящими для сварки металлов и других видов обработки материалов. Хотя они широко используются для электронной прецизионной сварки, детальное изучение процесса сварки ограничено.

В данном исследовании фокусировка, которая является критическим фактором в процессе сварки, используется в качестве отправной точки для изучения разницы в качестве лазерного луча при различных условиях фокусировки и его влияния на сварочный эффект.

2. Сварочное оборудование и подготовка к испытаниям

(1) Сварочное оборудование

В данной статье используется квазинепрерывный импульсный источник мощностью 150 Вт. волоконный лазер в качестве источника сварочного света. Технические характеристики лазера приведены в таблице 1.

Таблица 1 Технические параметры лазера

Средняя мощность /Вт150
Пиковая мощность /Вт500
Ширина импульса /мс0.2-20
Частота/ Гц0-2500
Метод охлажденияВоздушное охлаждение
Качество луча BPP/мм*мрад1-2

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.

(2) Сварочные материалы

В этой статье, 304 нержавеющая сталь используется в качестве материала для испытаний, при этом применяется метод сварки внахлест. Толщина верхнего материала составляет 0,2 мм, толщина нижнего материала - 0,5 мм, а размеры материала - 100 мм x 50 мм.

Перед сваркой поверхность материала очищается ацетоном и спиртом для удаления любых загрязнений, например масляных пятен. Самодельное приспособление используется для сжатия верхнего и нижнего слоев материала, уменьшая зазор между ними и обеспечивая точность и достоверность результатов сварочных испытаний.

(3) Подтвердите положение фокусировки лазера

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.

3. Влияние расфокусировки на качество луча

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.

Изменение качества луча при расфокусировке

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.

4. Tвлияние расфокусировки на эффект сварки

(1) Величина расфокусировки влияет на паяные соединения

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.

Внешний вид паяных швов меняется в зависимости от величины расфокусировки

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.

Взаимосвязь между диаметром паяного шва и расфокусировкой

Рисунок 3 Взаимосвязь между диаметром паяного шва и расфокусировкой

(2) Влияние величины расфокусировки на проникающую способность паяного шва

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.

Изменение проникающей способности паяного шва при расфокусировке

Рисунок 4 Изменение проникающей способности паяного шва при расфокусировке

(3) Влияние величины расфокусировки на прочность сварки

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.

5. Заключение

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:

  • По мере увеличения расфокусировки качество паяных соединений улучшалось, а прочность на разрыв паяных соединений постепенно увеличивалась.
  • Когда расфокусировка была установлена на 3 мм, паяные соединения были целостными и имели самую высокую прочность на разрыв.
  • Однако при дальнейшем увеличении расфокусировки прочность и качество паяных соединений снова снизились.
Не забывайте, что делиться - значит заботиться! : )
Шейн
Автор

Шейн

Основатель MachineMFG

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.

Далее

Освоение CAD/CAM: Основные технологии с пояснениями

Основные концепции автоматизированного проектирования и автоматизированного производства Автоматизированное проектирование и автоматизированное производство (CAD/CAM) - это комплексная и технически сложная дисциплина системного инжиниринга, которая включает в себя такие различные области, как компьютерная [...]...

Виртуальное производство: Концепции и принципы

Концепция виртуального производства Виртуальное производство (ВП) - это фундаментальная реализация реального производственного процесса на компьютере. В нем используются технологии компьютерного моделирования и виртуальной реальности, поддерживаемые высокопроизводительными [...]...

Понимание гибких производственных систем: Руководство

Гибкая производственная система (FMS) обычно использует принципы системной инженерии и групповой технологии. Она объединяет станки с числовым программным управлением (ЧПУ) (обрабатывающие центры), координатно-измерительные машины, системы транспортировки материалов, [...]...

Изучение 4 передовых методов нанофабрикации

Подобно тому, как производственные технологии играют важнейшую роль в различных областях, технология нанофабрикации занимает ключевое место в сфере нанотехнологий. Технология нанофабрикации включает в себя множество методов, в том числе механические [...].

Сверхточная обработка: Виды и технологии

Сверхточная обработка относится к прецизионным производственным процессам, в которых достигаются чрезвычайно высокие уровни точности и качества поверхности. Ее определение относительно и меняется по мере развития технологий. В настоящее время эта технология позволяет достичь [...].

Выбор правильного приспособления для ЧПУ: Типы и советы

В настоящее время механическую обработку можно разделить на две группы в зависимости от серийности производства: Среди этих двух категорий, первая составляет около 70-80% от общей стоимости продукции механической обработки [...]...

Топ-4 метода специальной обработки в современном машиностроении

В этой статье в основном представлены несколько зрелых методов специальной обработки. I. Обработка электрическим разрядом (EDM) EDM - это метод обработки токопроводящих материалов, использующий явление электрической коррозии во время [...]...

Что такое обработка с ЧПУ? Виды, преимущества, недостатки и этапы обработки

Что такое обработка с ЧПУ? Числовое программное управление (ЧПУ) - это метод управления движением и операциями обработки на станках с помощью оцифрованной информации. Станки с числовым программным управлением, часто сокращенно называемые [...]...

Изучение высокоскоростной резки: Обзор технологий и применение

Обработка резанием остается наиболее распространенным методом механической обработки, играющим важную роль в механическом производстве. С развитием производственных технологий технология обработки резанием претерпела значительный прогресс в [...].

Топ-7 новых инженерных материалов: Что нужно знать

Под передовыми материалами понимаются недавно исследованные или находящиеся в стадии разработки материалы, обладающие исключительными характеристиками и особыми функциональными свойствами. Эти материалы имеют огромное значение для развития науки и техники, [...]...

Методы расширения металла: Исчерпывающее руководство

Формирование выпуклости подходит для различных типов заготовок, таких как чашки глубокой вытяжки, разрезанные трубы и прокатные конические сварные изделия. Классификация по средствам формования выпуклости Методы формования выпуклости можно разделить [...].
MachineMFG
Поднимите свой бизнес на новый уровень
Подпишитесь на нашу рассылку
Последние новости, статьи и ресурсы, еженедельно отправляемые в ваш почтовый ящик.

Свяжитесь с нами

Вы получите наш ответ в течение 24 часов.