Mức độ mất nét ảnh hưởng như thế nào đến chất lượng chùm tia laser và hiệu suất mối hàn trong thép không gỉ 304

Công nghệ laser là một trong bốn bước đột phá mang tính đột phá của thế kỷ 20 cùng với điện toán, chất bán dẫn và năng lượng hạt nhân và hiện được sử dụng trong truyền thông quang học, hệ thống y tế, kiểm tra và xử lý vật liệu. Trong quá trình xử lý vật liệu, đánh dấu bằng laser, cắt, khoan và hàn đều đã phát triển thành công nghệ sản xuất đáng tin cậy. Trong số đó, hàn laser ngày càng được chú ý vì nó mang lại những lợi thế rõ ràng so với hàn TIG và hàn điện trở ở nhiệt đầu vào, biên dạng mối hàn và tiềm năng tự động hóa.

Những lợi ích cốt lõi của hàn laser là:

• Rất nhỏvùng ảnh hưởng nhiệt-(HAZ)
• Caotỷ lệ chiều sâu-trên-chiều rộngtrong mối hàn
• Độ bền khớp cao
• Độ bền mối nối bằng hoặc cao hơn kim loại gốc
• Phân phối chùm tia dễ dàng qua sợi quang linh hoạt để tự động hóa

Các nguồn laser phổ biến bao gồm laser CO₂, laser đĩa, laser Nd: YAG, laser sợi quang và laser diode. Trong số này,tia laser sợi quanglà hướng đi hiện đại nhất, cung cấp:

• Hiệu suất điện-đến{1}}quang cao (lên tới ~30%)
• Dấu chân nhỏ gọn
• Bảo trì thấp và tuổi thọ dài
• Phù hợp mạnh mẽ để hàn thép không gỉ và hợp kim nhôm

cácLaser sợi quang xung gần như-liên tục (QCW)do IPG Photonics phát triển đại diện cho loại nguồn tiên tiến, cung cấp công suất cực đại cao với độ rộng xung kéo dài đến phạm vi mili giây - rất phù hợp với hàn kim loại và hàn vi-các bộ phận mỏng. Mặc dù được áp dụng rộng rãi trong điện tử và hàn chính xác, cửa sổ quy trình cho laser sợi QCW vẫn nhận được sự quan tâm hạn chế được công bố. Bài viết này tập trung vào một trong những biến quy trình quan trọng nhất -vị trí tiêu cự, được biểu thị bằng mức độ mất nét- và cho thấy, thông qua các thử nghiệm được kiểm soát, độ lệch tiêu điểm định hình chất lượng chùm tia, hình dáng mối hàn, độ xuyên thấu của mối hàn và độ bền của mối nối trên mối nối chồng bằng thép không gỉ 304. Để có cái nhìn rộng hơn về bối cảnh hàn laser, hãy xem hướng dẫn của chúng tôi vềnguyên lý và chế độ hàn laser.

2.1 Thiết bị hàn

A 150 W Laser sợi quang xung QCWđóng vai trò là nguồn hàn cho nghiên cứu này. Các thông số kỹ thuật đại diện của loại nguồn này được tóm tắt bên dưới (các giá trị điển hình của ngành; số liệu thực tế thay đổi tùy theo kiểu máy, cấu hình và ứng dụng - hãy tham khảo bảng dữ liệu của nhà cung cấp để biết các giá trị được đảm bảo).

Bảng 1 - Thông số kỹ thuật điển hình cho laser sợi quang xung QCW loại 150 W (giá trị tham chiếu điển hình-trong ngành, không được bảo đảm)

Các giá trị hiển thị ở trên là các số liệu tham khảo-điển hình trong ngành cho laser sợi quang xung QCW loại 150 W, không phải là thông số kỹ thuật được đảm bảo của bất kỳ thiết bị King's Laser cụ thể nào. Để biết thông số kỹ thuật chính xác, vui lòng liên hệ info@kingslaser.com hoặc truy cập trang sản phẩm King's Laser để biết mẫu hiện tại trong loại này.

Đầu xử lý laser được di chuyển so với phôi thông qua bệ chuyển động X/Y/Z để thực hiện hàn đường may. Bộ điều khiển chuyển động đồng bộ hóa vị trí đầu với việc bắn tia laze để quá trình phát xạ chỉ bắt đầu khi đầu đến vị trí được lập trình.

Để biết thêm về định nghĩa của lớp laser này và nơi nó được sử dụng, hãy xemHàn laser sợi QCW là gì, cuộc thảo luận rộng hơn vềHàn laser QCW định hình lại các ứng dụng công nghiệp, và cơ sởgần như{0}}nguồn laser sợi quang liên tục. Để xem đơn vị sản xuất tiêu biểu, hãy tham khảo King's LaserMáy hàn laser sợi quang QCW 6 trục.

2.2 Nguyên liệu & sự chuẩn bị

Vật liệu cơ bản trong nghiên cứu này làthép không gỉ 304được sắp xếp thành mối nối chồng: tấm trên cùng dày 0,2 mm, tấm dưới cùng dày 0,5 mm, mỗi tấm được cắt thành 100 mm × 50 mm.

Việc chuẩn bị bề mặt được thực hiện theo hai bước dung môi: đầu tiên là axeton, sau đó lau bằng isopropanol, để loại bỏ dầu, oxit và các chất gây ô nhiễm khác có thể ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của mối hàn. Một thiết bị cố định chuyên dụng tạo áp lực đồng đều lên mối nối để giảm thiểu khe hở bề mặt. Bước này quan trọng vì nó:

• Cải thiện sự truyền nhiệt giữa hai tấm trong quá trình hàn
• Thúc đẩy độ sâu thâm nhập nhất quán
• Giảm nguy cơ thiếu nhiệt hạch và độ xốp

Đặc biệt đối với thép không gỉ 304, việc kết hợp khí bảo vệ phù hợp với chất chuẩn bị bề mặt là rất quan trọng - xem hướng dẫn trênLựa chọn khí bảo vệ khi hàn thép không gỉ. Và bởi vì hầu hết các khuyết tật mối hàn đều bắt nguồn từ bề mặt nên chỉ riêng-việc làm sạch trước mối hàn có thể loại bỏ tới 70% trong số đó - khám phá dữ liệu trongLàm sạch bằng laser giải quyết được 70% khuyết tật hàn.

2.3 Xác định vị trí tiêu điểm của tia Laser

Các yếu tố chính quyết định kết quả hàn laser là công suất cực đại, độ rộng xung và mức độ mất nét (khoảng cách giữa tiêu điểm và bề mặt phôi). Trong số này, mức độ mất nét là nhạy cảm nhất.

Định nghĩa - Làm mờ tiêu điểm:Độ mờ dương có nghĩa là tiêu điểm nằm phía trên bề mặt phôi; độ lệch tiêu cực có nghĩa là tiêu điểm nằm bên dưới bề mặt.

Phương pháp đáng tin cậy nhất để xác định tiêu điểm là phương pháp hiệu chuẩn thép không gỉ hình tam giác:

1. Bắn một xung laze năng lượng thấp (khoảng 50 W) lên tấm thép không gỉ; tia lửa sáng nhất biểu thị mặt phẳng tiêu điểm.
2. Đặt một khối thép không gỉ hình tam giác gần mặt phẳng tiêu điểm đó và vạch các đường kẻ mỗi ~2 mm bắt đầu từ 0,5 mm. Dưới kính hiển vi, đường nét hẹp nhất đánh dấu vị trí tiêu điểm.

Chất lượng chùm tia được đo bằng máy định hình chùm tia, đầu dò laser và bộ suy giảm chùm tia. Với đầu dò ban đầu ở tiêu điểm, đầu xử lý được nâng lên theo từng bước 1 mm để đặt các giá trị độ lệch tiêu cự là 0, 1, 2, 3 và 4 mm.

Hình 1 - Chất lượng chùm tia laze (phân bố năng lượng điểm) so với mức độ mất nét.

• Ở độ lệch tiêu điểm 0 mm, năng lượng laser tập trung ở trung tâm điểm.
• Khi độ mờ tăng lên, sự phân bố năng lượng tại chỗ dần dần trở nên đồng đều hơn.
• Ở mức lấy nét 3 mm, sự phân bổ ở mức cân bằng nhất.
• Ở mức mất nét 4 mm, sự phân bố bắt đầu lan rộng và mất đi tính đồng nhất một lần nữa.

Trong thực tế, vỏ 3 mm mang lại sự cân bằng-tốt nhất giữa kích thước điểm và mật độ năng lượng cực đại để hàn tấm-mỏng.

4.1 Ảnh hưởng đến hình thái vết hàn

Phôi được đặt ở tiêu điểm với công suất cực đại và độ rộng xung tăng dần lên cho đến khi xuất hiện một dấu rõ ràng ở mặt sau của tấm đáy. Trong thử nghiệm này, công suất cực đại là 500 W và độ rộng xung là 3 ms. Sau đó, các thông số này được giữ không đổi trong khi độ lệch tiêu được thay đổi theo từng bước 1 mm; sự xuất hiện của điểm hàn được ghi lại ở mỗi bước.

Hình 2 - Diện mạo điểm hàn so với mức độ mất nét.

Quan sát:

• Ở mức lệch tiêu cự 0 – 1 mm, điểm hàn nhỏ nhất và có vết loang nhìn thấy được. Nguyên nhân là do sự tập trung năng lượng tại tâm điểm, tạo ra mật độ năng lượng cục bộ và sự phóng thích vật liệu cao.
• Khi độ lệch tiêu điểm tiếp tục tăng, điểm hàn trở nên đồng đều hơn và vết loang biến mất, điều này dẫn đến biên dạng chùm tia đồng nhất hơn.
• Độ lệch tiêu điểm trên 4 mm, độ tròn giảm xuống và điểm co lại đôi chút - có thể do năng lượng chùm tia lan ra ở các cạnh điểm.

Trên toàn bộ độ lệch tiêu điểm 0 – 3 mm, đường kính điểm hàn tăng từ 0,4 mm lên 0,5 mm: độ lệch tiêu cự lớn hơn tạo ra vết bề mặt lớn hơn và do đó điểm hàn lớn hơn. Ở mức lệch tiêu điểm 4 mm, đường kính điểm lại giảm, bởi vì năng lượng ở rìa điểm không còn đủ để làm tan chảy hoàn toàn vật liệu mặc dù điểm lớn hơn về mặt hình học.

Hình 3 - Đường kính điểm hàn so với lượng mất nét.

4.2 Ảnh hưởng đến độ sâu thâm nhập của mối hàn

Mặt cắt ngang-được chuẩn bị bằng cách cắt dọc theo mép điểm hàn, sau đó là mài thô, mài mịn và đánh bóng. Tâm mối hàn được kiểm tra trong quá trình đánh bóng, sau đó được khắc bằng dung dịch axit nitric + rượu để phát hiện độ sâu thâm nhập ở mỗi giá trị độ mờ.

Quan sát:

• Ở độ lệch tiêu cự 0 – 1 mm, độ sâu thâm nhập đạt mức tối đa, chạm tới tấm đáy.
• Ở độ lệch tiêu cự 2 – 3 mm, độ sâu xuyên thấu trở nên nông hơn, chỉ đạt khoảng một nửa độ dày tấm đáy.
• Ở mức lấy nét 4 mm, độ xuyên thấu giảm mạnh, chỉ đạt khoảng 1{1}}độ dày tấm đáy.

Hình 4 - Độ sâu thâm nhập của mối hàn so với mức độ mất nét.

4.3 Ảnh hưởng đến độ bền kéo của mối hàn

Độ bền kéo tại một điểm- được đo trên máy kiểm tra độ bền kéo với tấm dưới cùng được cố định và tấm trên cùng được kéo lên trên. Để đảm bảo độ chính xác, ba mẫu đã được thử nghiệm ở mỗi bộ thông số và kết quả được tính trung bình.

Các giá trị làm lệch tiêu cự 0, 1, 2, 3 và 4 mm tạo ra độ bền kéo của7N, 8N, 11N, 15N và 6N, tương ứng.

Xu hướng chung: độ bền kéo tăng khi mất tiêu điểm, vì độ lệch tiêu điểm lớn hơn sẽ mở rộng điểm hàn và - quan trọng nhất là - chiều rộng tiếp xúc giữa hai tấm, điều này trực tiếp điều khiển độ bền của mối nối. Ở mức mất nét 4 mm, cường độ lại giảm, rất có thể là do chất lượng chùm tia suy giảm và điểm trở nên lớn hơn nhưng mật độ năng lượng thấp hơn, làm giảm cả độ xuyên thấu và cường độ.

Phát hiện cốt lõi:Độ bền kéo tại một điểm-trên thép không gỉ 304 đạt mức cao nhất15 N ở độ lệch tiêu điểm 3 mm, trong đó hình thái điểm hàn cũng nhất quán nhất.

Bảng 2 - Tóm tắt ảnh hưởng của hiện tượng mất nét đối với điểm hàn, độ xuyên thấu và độ bền kéo

Các số liệu trên tái hiện các giá trị đo được báo cáo trong nghiên cứu ban đầu của Trung Quốc về laser sợi quang QCW 150 W với các khớp nối bằng thép không gỉ 304 ở mức đỉnh 500 W / độ rộng xung 3 ms. Chúng là dữ liệu tham khảo cho các kỹ sư quy trình, không đảm bảo tiêu chí chấp nhận cho bất kỳ ứng dụng cụ thể nào. Luôn xác nhận bằng cách thử nghiệm mẫu trên vật liệu, độ dày và vật cố định thực tế của bạn trước khi đưa vào sản xuất.

Khi xuất hiện vết loang, độ xốp hoặc thiếu nhiệt hạch trong quá trình sản xuất, nguyên nhân sâu xa thường là do thông số không khớp, lựa chọn khí bảo vệ hoặc ô nhiễm bề mặt. Luồng chẩn đoán trongCác lỗi và giải pháp hàn laser thường gặphướng dẫn cách xác định yếu tố nào chịu trách nhiệm.

Nghiên cứu này đã đo cấu hình chùm tia laze trên các giá trị độ lệch tiêu điểm khác nhau và nhận thấy rằng khi độ lệch tiêu điểm tăng thì sự phân bố năng lượng tại chỗ trở nên đồng đều hơn - nhưng vượt quá 4 mm thì sự phân bố bắt đầu lan rộng trở lại.

Thông qua hàn mối nối bằng thép không gỉ 304, với tất cả các yếu tố khác được giữ không đổi, việc thay đổi mức độ mờ sẽ thay đổi diện mạo điểm hàn, kích thước điểm, độ sâu thâm nhập và độ bền kéo. Cửa sổ quy trình tốt nhất phải đáp ứng đồng thời cả hình thức và sức mạnh.

Những điểm chính:

• Khi độ lệch tiêu điểm tăng lên, chất lượng mối hàn được cải thiện và độ bền kéo tăng lên.
• Tạimất nét 3 mm, tính đồng nhất của điểm hàn và độ bền kéo đều ở mức tốt nhất đối với hình dạng này.
• Ngoài độ lệch tiêu điểm 3 mm, cả sức mạnh và chất lượng lại giảm sút.

Để có cái nhìn rộng hơn về các nguồn, chế độ và ứng dụng hàn - bao gồm hàn lỗ khóa, lựa chọn laser sợi quang và cách chọn giữa các hệ thống cầm tay, tự động và QCW cho cửa hàng của bạn - hãy khám phá toàn bộmáy hàn laserhoặc liên hệ với bộ phận kỹ thuật của King's Laser tạiinfo@kingslaser.comđể đánh giá-mẫu cắt trên tài liệu thực tế của bạn.