كيف تؤثر كمية إلغاء التركيز على جودة شعاع الليزر وأداء اللحام في الفولاذ المقاوم للصدأ 304

تعد تكنولوجيا الليزر واحدة من الإنجازات الأربعة المميزة للقرن العشرين إلى جانب الحوسبة وأشباه الموصلات والطاقة النووية، وتستخدم الآن في الاتصالات البصرية والأنظمة الطبية والتفتيش ومعالجة المواد. في إطار معالجة المواد، تطورت عملية وضع العلامات بالليزر، والقطع، والحفر، واللحام إلى تقنيات إنتاج موثوقة. من بينها، اكتسب اللحام بالليزر اهتمامًا متزايدًا لأنه يوفر مزايا واضحة مقارنة بـ TIG واللحام بالمقاومة في مدخلات الحرارة، وشكل اللحام، وإمكانات التشغيل الآلي.

الفوائد الأساسية للحام بالليزر هي:

• صغير جدًاالمنطقة المتأثرة بالحرارة (HAZ)
• عالينسبة العمق-إلى-العرضفي اللحام
• قوة مشتركة عالية
• قوة المفاصل عند أو فوق المعدن الأم
• توصيل شعاع سهل من خلال ألياف مرنة للأتمتة

تشمل مصادر الليزر الشائعة ليزر ثاني أكسيد الكربون، وأقراص الليزر، وليزر Nd:YAG، وليزر الألياف، وليزر الصمام الثنائي. ومن بين هؤلاء،ليزر الأليافهو الاتجاه الأكثر حداثة، ويقدم:

• كفاءة كهربائية عالية-إلى-بصرية (تصل إلى ~30%)
• بصمة مدمجة
• صيانة منخفضة وعمر خدمة طويل
• تناسب قوي لحام الفولاذ المقاوم للصدأ وسبائك الألومنيوم

الليزر ألياف نبضي شبه مستمر (QCW).تمثل شركة IPG Photonics فئة رائدة من المصادر، حيث توفر طاقة ذروة عالية مع عرض نبض يمتد إلى نطاق المللي ثانية - المتوافق جيدًا مع اللحام المعدني واللحام الدقيق- للأجزاء الرقيقة. على الرغم من اعتمادها على نطاق واسع في مجال الإلكترونيات واللحام الدقيق، إلا أن نافذة المعالجة الخاصة بليزر الألياف QCW لا تزال تحظى باهتمام منشور محدود. تركز هذه المقالة على أحد متغيرات العملية الأكثر أهمية -الموضع البؤري، معبرًا عنه بكمية إزالة التركيز البؤري- ويوضح، من خلال التجارب الخاضعة للرقابة، كيف يشكل إلغاء التركيز جودة الشعاع، ومظهر اللحام، واختراق اللحام، وقوة المفاصل على وصلة حضنية من الفولاذ المقاوم للصدأ 304. للحصول على رؤية أوسع لمشهد اللحام بالليزر، راجع دليلنامبادئ وأساليب اللحام بالليزر.

2.1 معدات اللحام

A 150 W ليزر الألياف النبضي QCWبمثابة مصدر اللحام لهذه الدراسة. تم تلخيص المعلمات الفنية التمثيلية لهذه الفئة من المصادر أدناه (قيم الصناعة النموذجية؛ تختلف الأرقام الفعلية حسب النموذج والتكوين والتطبيق - راجع ورقة بيانات المورد لمعرفة القيم المضمونة).

جدول 1 - المواصفات النموذجية لليزر الألياف النبضي QCW فئة 150 واط (القيم المرجعية النموذجية للصناعة-، غير مضمونة)

القيم الموضحة أعلاه هي أرقام مرجعية نموذجية للصناعة-لليزر الألياف النبضي QCW فئة 150 واط، وليست المواصفات المضمونة لأي وحدة King's Laser محددة. للحصول على مواصفات دقيقة، يرجى الاتصال بـ info@kingslaser.com أو زيارة صفحة منتج King's Laser للتعرف على الطراز الحالي في هذه الفئة.

يتم تحريك رأس المعالجة بالليزر بالنسبة لقطعة العمل عبر منصة الحركة X/Y/Z لإجراء لحام التماس. تعمل وحدة التحكم في الحركة على مزامنة موضع الرأس مع إطلاق الليزر بحيث يبدأ الانبعاث فقط عندما يصل الرأس إلى موقع مبرمج.

لمعرفة المزيد حول ما يحدد فئة الليزر هذه وأين يتم استخدامها، راجعما هو لحام ألياف الليزر QCW، مناقشة أوسع نطاقااللحام بالليزر QCW يعيد تشكيل التطبيقات الصناعية، والأساسيةشبه-مصدر ليزر ليفي مستمر. لرؤية وحدة إنتاج تمثيلية، راجع King's Laserآلة لحام ألياف الليزر QCW ذات 6 محاور.

2.2 المواد والتحضير

وكانت المادة الأساسية في هذه الدراسة304 الفولاذ المقاوم للصدأيتم ترتيبها على شكل وصلة حضن: الطبقة العلوية بسمك 0.2 مم، واللوحة السفلية بسمك 0.5 مم، ويتم قطع كل منها إلى 100 مم × 50 مم.

تم إعداد السطح في خطوتين من المذيبات: أولًا الأسيتون، ثم مسح الأيزوبروبانول، لإزالة الزيوت والأكاسيد والملوثات الأخرى التي يمكن أن تؤثر على سلامة اللحام. تطبق أداة مخصصة ضغطًا موحدًا عبر المفصل لتقليل الخلوص البيني. هذه الخطوة مهمة لأنها:

• يحسن انتقال الحرارة بين الصفحتين أثناء اللحام
• يعزز عمق الاختراق المستمر
• يقلل من خطر نقص الانصهار والمسامية

بالنسبة للفولاذ المقاوم للصدأ 304 على وجه التحديد، يعد إقران غاز التدريع المناسب مع إعداد السطح أمرًا بالغ الأهمية - راجع الإرشادات الموجودة علىاختيار الغاز التدريع لحام الفولاذ المقاوم للصدأ. ولأن معظم عيوب اللحام تبدأ من السطح، فإن تنظيف ما قبل اللحام وحده-يمكن أن يزيل ما يصل إلى 70% منها - استكشف البيانات الموجودة فيالتنظيف بالليزر يحل 70% من عيوب اللحام.

2.3 تحديد الموضع البؤري لليزر

العوامل الرئيسية التي تحدد نتائج اللحام بالليزر هي ذروة الطاقة، وعرض النبض، وكمية عدم التركيز (الفجوة بين النقطة البؤرية وسطح قطعة العمل). من بينها، يعد مقدار إزالة التركيز البؤري هو الأكثر حساسية.

التعريف - إلغاء التركيز:يعني إلغاء التركيز الإيجابي أن النقطة البؤرية تقع فوق سطح قطعة العمل؛ يعني إلغاء التركيز السلبي أن النقطة البؤرية تقع تحت السطح.

الطريقة الأكثر موثوقية لتحديد موقع النقطة البؤرية هي طريقة المعايرة الثلاثية المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ:

1. أطلق نبضة ليزر-منخفضة الطاقة (حوالي 50 واط) على لوح من الفولاذ المقاوم للصدأ؛ ألمع شرارة تشير إلى المستوى البؤري.
2. ضع كتلة مثلثية من الفولاذ المقاوم للصدأ بالقرب من المستوى البؤري وخطوط الكاتب كل ~ 2 مم بدءًا من 0.5 مم. تحت المجهر، يشير الخط المكتوب الأضيق إلى الموضع البؤري.

تم قياس جودة الشعاع باستخدام ملف تعريف الشعاع ومسبار الليزر ومخفف الشعاع. مع وجود المسبار في البداية عند النقطة المحورية، تم رفع رأس المعالجة بخطوات 1 مم لتعيين قيم إزالة التركيز البؤري 0 و1 و2 و3 و4 مم.

الشكل 1 - جودة شعاع الليزر (توزيع الطاقة الموضعية) مقابل مقدار إزالة التركيز البؤري.

• عند إلغاء التركيز البؤري بمقدار 0 مم، تتركز طاقة الليزر في وسط البقعة.
• ومع زيادة إلغاء التركيز البؤري، يصبح توزيع الطاقة الموضعية أكثر تجانسًا تدريجيًا.
• عند إلغاء التركيز البؤري بمقدار 3 مم، يكون التوزيع في أكثر حالاته توازنًا.
• عند إلغاء التركيز البؤري بمقدار 4 مم، يبدأ التوزيع في الانتشار ويفقد التجانس مرة أخرى.

من الناحية العملية، توفر العلبة مقاس 3 مم أفضل -مفاضلة بين الحجم الموضعي وأقصى كثافة طاقة للحام-الصفائح الرقيقة.

4.1 التأثير على مورفولوجيا بقعة اللحام

تم وضع قطعة العمل عند النقطة المحورية بقوة ذروة وعرض النبض متصاعدًا لأعلى حتى ظهرت علامة واضحة على الجزء الخلفي من الورقة السفلية. في هذا الاختبار، كانت القدرة القصوى 500 واط وكان عرض النبضة 3 مللي ثانية. تم بعد ذلك تثبيت هذه المعلمات بينما تباين إلغاء التركيز بزيادات قدرها 1 مم؛ تم تسجيل مظهر بقعة اللحام في كل خطوة.

الشكل 2 - مظهر نقطة اللحام مقابل كمية إزالة التركيز البؤري.

الملاحظات:

• عند إلغاء التركيز البؤري بمقدار 0 - 1 مم، تكون نقطة اللحام أصغر وتظهر تناثرًا مرئيًا. والسبب هو تركيز الطاقة في مركز البقعة، مما ينتج عنه كثافة طاقة محلية عالية وقذف المواد.
• مع استمرار زيادة عدم التركيز، تصبح نقطة اللحام أكثر تجانسًا ويختفي التناثر، وهو ما يتبع شكل الحزمة الأكثر اتساقًا.
• فوق 4 مم من إلغاء التركيز البؤري، تتدهور الاستدارة وتتقلص البقعة قليلاً - على الأرجح بسبب انتشار طاقة الشعاع عند حواف البقعة.

عبر إلغاء التركيز البؤري بمقدار 0 - 3 مم، زاد قطر نقطة اللحام من 0.4 مم إلى 0.5 مم: يؤدي إلغاء التركيز البؤري الأكبر إلى إنتاج بقعة سطحية أكبر وبالتالي بقعة لحام أكبر. عند إلغاء التركيز البؤري بمقدار 4 مم، انخفض قطر البقعة مرة أخرى، لأن الطاقة عند حافة البقعة لم تعد كافية لإذابة المادة بالكامل على الرغم من أن البقعة أكبر هندسيًا.

الشكل 3 - قطر نقطة اللحام مقابل كمية إزالة التركيز البؤري.

4.2 التأثير على عمق اختراق اللحام

تم إعداد المقاطع العرضية- عن طريق القطع على طول حافة نقطة اللحام، يليها الطحن الخشن، والطحن الناعم، والتلميع. تم فحص مركز اللحام أثناء التلميع، ثم تم حفره باستخدام حمض النيتريك + محلول كحول للكشف عن عمق الاختراق عند كل قيمة لإزالة التركيز البؤري.

الملاحظات:

• عند إلغاء التركيز البؤري بمقدار 0 - 1 مم، يصل عمق الاختراق إلى الحد الأقصى، ويصل إلى الطبقة السفلية.
• عند إلغاء التركيز البؤري بمقدار 2 - 3 مم، يصبح عمق الاختراق أقل عمقًا، حيث يصل فقط إلى حوالي نصف سمك الطبقة السفلية.
• عند إلغاء التركيز البؤري بمقدار 4 مم، ينخفض ​​الاختراق بشكل حاد، ليصل إلى حوالي -ثلث سمك الورقة السفلية فقط.

الشكل 4 - عمق اختراق اللحام مقابل مقدار عدم التركيز.

4.3 التأثير على قوة الشد اللحام

تم قياس قوة الشد الموضعية- على آلة اختبار الشد مع تثبيت الطبقة السفلية وسحب الطبقة العلوية لأعلى. ولضمان الدقة، تم اختبار ثلاث عينات في كل مجموعة معلمات وتم حساب متوسط ​​النتائج.

أنتجت قيم إلغاء التركيز 0 و1 و2 و3 و4 مم قوة شد تبلغ7 ن، 8 ن، 11 ن، 15 ن، و6 ن، على التوالى.

الاتجاه العام: ترتفع قوة الشد مع عدم التركيز، لأن عدم التركيز الأكبر يؤدي إلى توسيع نقطة اللحام و- والأهم من ذلك - عرض التلامس بين الصفحتين، والذي يحرك قوة المفصل بشكل مباشر. عند إلغاء التركيز البؤري بمقدار 4 مم، تنخفض القوة مرة أخرى، على الأرجح بسبب انخفاض جودة الشعاع وتصبح البقعة أكبر ولكن أقل في كثافة الطاقة، مما يقلل من الاختراق والقوة.

النتيجة الأساسية:بلغت قوة الشد الموضعية-المفردة في الفولاذ المقاوم للصدأ 304 ذروتها15 ن عند إزالة التركيز البؤري بمقدار 3 مم، حيث كان شكل بقعة اللحام هو الأكثر اتساقًا أيضًا.

جدول 2 - ملخص تأثير عدم التركيز على نقطة اللحام والاختراق وقوة الشد

تعكس الأشكال أعلاه القيم المقاسة الواردة في الدراسة الصينية الأصلية على ليزر ألياف QCW بقدرة 150 وات مع 304 وصلات حضن من الفولاذ المقاوم للصدأ عند ذروة 500 وات / عرض نبض يبلغ 3 مللي ثانية. وهي بيانات مرجعية لمهندسي العمليات، وليست معايير قبول مضمونة لأي تطبيق محدد. قم دائمًا بالتحقق من صحتها عن طريق اختبار العينة على المادة الفعلية والسمك والتركيبات قبل إصدار الإنتاج.

عندما يظهر التناثر أو المسامية أو عدم الانصهار في الإنتاج، يكون السبب الجذري عادةً هو عدم تطابق المعلمات أو اختيار غاز التدريع أو تلوث السطح. التدفق التشخيصي فيعيوب اللحام بالليزر الشائعة وحلولهايشرح كيفية تحديد العامل المسؤول.

قامت هذه الدراسة بقياس ملف تعريف شعاع الليزر عبر قيم مختلفة لإزالة التركيز البؤري ووجدت أنه مع زيادة إلغاء التركيز البؤري، يصبح توزيع الطاقة الموضعية أكثر اتساقًا - ولكن بعد 4 مم، يبدأ التوزيع في الانتشار مرة أخرى.

من خلال لحام وصلة اللفة المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ 304، مع ثبات جميع العوامل الأخرى، فإن تغيير كمية إزالة التركيز البؤري يغير مظهر بقعة اللحام، وحجم البقعة، وعمق الاختراق، وقوة الشد. يجب أن تلبي أفضل نافذة عملية المظهر والقوة في وقت واحد.

الوجبات الرئيسية:

• مع زيادة عدم التركيز، تتحسن جودة اللحام وترتفع قوة الشد.
• في3 ملم إلغاء التركيزيعد انتظام نقطة اللحام وقوة الشد في أفضل حالاتهما لهذه الهندسة.
• بعد إلغاء التركيز البؤري بمقدار 3 مم، تنخفض القوة والجودة مرة أخرى.

للحصول على رؤية أوسع لمصادر اللحام وأوضاعه وتطبيقاته - بما في ذلك لحام ثقب المفتاح واختيار ألياف الليزر وكيفية الاختيار بين الأنظمة المحمولة والآلية وأنظمة QCW لمتجرك - استكشف كاملماكينات اللحام بالليزرفئة أو اتصل بـ King's Laser Engineering علىinfo@kingslaser.comللحصول على نموذج-تقييم مقطوع للمواد الفعلية.