Einfluss von Laserprozessparametern auf das Schweißen Deutschland

1.1 Fokusebene

1.1.1 Fokusdefinition：Die Energieverteilung des Strahlquerschnitts ist wie in der linken Abbildung dargestellt, und der Längsschnitt der Strahlenergieverteilung ist ebenfalls wie in der linken Abbildung dargestellt. Der Strahl wird vom Laser ausgegeben, und nachdem er die kollimierende Fokussierungslinse passiert hat, wird er auf eine bestimmte Position fokussiert und bildet eine Strahltaille. Dieser Punkt weist die Besonderheit auf, dass der Fleck am kleinsten und die Energiedichte des Strahls am höchsten ist, was den Brennpunkt darstellt.

Die Verteilung der Laserenergie ist entlang der Brennebene streng symmetrisch. Durch das physikalische Phänomen der Laserinteraktion mit Materialien kann man die Energiegrenze und damit die zentrale Position des Fokuspunkts bestimmen.

1.2 Die Grundlage für die Beurteilung der Grenzkoordinaten:Die Grenze zwischen Bereichen mit und ohne Spritzer; Die Länge und Helligkeit der oberen Grenzplasmaflamme (Feuerschein) und der entsprechende Zustand der unteren Grenzplasmaflamme (Feuerschein), wobei der Mittelwert genommen wird; Die Ebene, auf der das Geräusch am lautesten und die körperliche Reaktion am intensivsten ist.

1.3 So bestimmen Sie die Brennebene:

1.3.1. Der erste Schritt besteht darin, den Maßstab festzulegen

Grobe Positionierung:

Wenn Sie sich über die ungefähre Position der Schärfentiefe nicht sicher sind, können Sie zunächst die Z-Achse dorthin verschieben, wo der Fleck des koaxialen roten Lichts am kleinsten ist, was im Allgemeinen in der Nähe der Schärfentiefe liegt. Finden Sie den kleinsten Leitpunkt und suchen Sie dann nach den oberen und unteren Grenzen der Brennpunktenergie.

Sicherheitsvorkehrungen :

Bei gleicher Konfiguration des externen Lichtwegs führen unterschiedliche Leistungen zu unterschiedlichen Tiefenschärfen. Daher sollte bei der Festlegung des Schwerpunktes die Leistung möglichst gering eingestellt werden, um die Grenzsetzung zu erleichtern.

1.3.2 Schritt 2 Pulse-Dot-Methode – Überprüfen Sie die Lötstellen

Suchen Sie nach den Koordinaten des kritischen Zustands der positiven und negativen Defokussierung. Der Mittelpunkt der beiden Koordinaten wird als Fokuskoordinaten verwendet.

Pulse-Dotting-Methode – achten Sie auf die Funken

Natürlich können Sie sich auch den Ton anhören. Welche Funktion zur Beurteilung ausgewählt werden soll, hängt von der Situation des Lasers und des Materials vor Ort ab und es sollte diejenige gewählt werden, die für die Beurteilung bequemer ist.

Beachten Sie auch:

1） Stellen Sie sicher, dass das Licht nicht kontinuierlich an der gleichen Stelle emittiert wird (das Auftreffen auf die glatte Materialoberfläche und den Schweißpunkt, wo die charakteristischen Unterschiede groß sind, führt zu erheblichen Fehleinschätzungen);

2）Das zum Finden des Brennpunkts verwendete Material muss flach und ohne Höhenunterschiede sein und die Oberfläche muss sauber sein.

3）Suchen Sie den Brennpunkt mehrmals und nehmen Sie den Durchschnittswert, um den Fehler zu reduzieren.

1.3.3 Bestimmung der Brennebene mit der Schräglinienmethode

Hinweise zum Slashing:

Allgemeine Stahlplatte:

1） Für Halbleiter etwa 500 W oder weniger verwenden; für Glasfasern genügen etwa 300 W;

2）Die Geschwindigkeit kann zwischen 80 und 200 mm/s eingestellt werden.

3）Je größer der Abschrägungswinkel der Stahlplatte ist, desto besser, vorzugsweise etwa 45–60 Grad; Der Mittelpunkt liegt im Grobpositionierungsfokus des kleinsten und hellsten Leitflecks.

Beginnen Sie dann mit dem Markieren der Linie. Welche Wirkung soll die Markierung erzielen? Theoretisch verteilt sich diese Linie symmetrisch um den Brennpunkt, und die Flugbahn durchläuft einen Prozess, bei dem sie von klein nach groß zunimmt und dann wieder abnimmt, oder von groß nach klein abnimmt und dann wieder zunimmt.
Suchen Sie bei Halbleitern nach der dünnsten Stelle. Die Stahlplatte wird am Brennpunkt weiß und weist deutliche Farbmerkmale auf, die auch als Grundlage für die Lokalisierung des Brennpunkts dienen können. Zweitens versuchen Sie bei Glasfasern, die Rückseite so zu steuern, dass sie leicht durchscheinend ist. Wenn es im Brennpunkt leicht durchscheinend ist, bedeutet das, dass sich der Brennpunkt in der Mitte der leicht durchscheinenden Länge der Rückseite befindet.

1.3.4 Spiralpunktierung: Galvanometer zum Finden des Fokus

Wenn Singlemode mit einem Galvanometer gekoppelt wird, ist es aufgrund des übermäßig großen Vergrößerungsverhältnisses manchmal schwierig, den kritischen Punkt physikalischer Merkmale zu finden. Daher wird eine Methode zum Markieren einer Spirallinie unter Verwendung eines dichteren Energieeintrags abgeleitet, um den Brennpunkt zu bestimmen.

1）Erstellen Sie eine Spirallinie innerhalb des Galvanometerrahmens und zentrieren Sie sie.
Legen Sie die Helix-Parameter fest:

•Startpunktradius 0.5 mm

•Endpunktradius 1.5 mm

•Spiralsteigung 0.5 mm;

(*Der Endpunktradius der Spirallinie sollte nicht zu groß eingestellt werden, im Allgemeinen sind 1 mm bis 2 mm geeignet.)

2）Die Schweißen Die Geschwindigkeit sollte generell auf ≥100mm/s eingestellt werden. Bei zu geringer Geschwindigkeit ist der Effekt des Spiraldrahtschweißens nicht erkennbar. Die empfohlene Geschwindigkeit beträgt 150 mm/s.

1.4 Schweiß- Geschwindigkeit

Die Laserschweißen Das System besteht aus einem Laser, einer Übertragungsfaser, einem kollimierenden Fokussierungskopf oder einem Galvanometer usw. Das aus der Faser austretende Licht ist divergent und muss durch eine Kollimationslinse in paralleles Licht umgewandelt und dann in einen fokussierten Zustand (Vergrößerung) umgewandelt werden Glaseffekt) durch eine Fokussierlinse. Zu den wichtigsten Parametern beim Debuggen von Laserprozessen gehören: Geschwindigkeit, Werkzeuge, Defokussierungsmenge und Schutzgasusw. Im Allgemeinen enthält der von Prozessingenieuren bei Tests im Labor bereitgestellte Prozessbericht hauptsächlich die oben genannten vier Parameter sowie die gewählte Lasermodellkonfiguration.

1.4.1 Einfluss der Geschwindigkeit auf die Schweißqualität: Linienenergie

Im Allgemeinen ist es vor der Entscheidung, welche Parameter für ein Werkstück gewählt werden sollen, zunächst erforderlich, die Bearbeitungsgeschwindigkeit zu bestimmen. Dies erfordert eine Kommunikation mit dem Kunden, um dessen Anforderungen, wie z. B. Produktionsrhythmusanforderungen und Leistungsanforderungen, zu erfüllen. Daraus lässt sich grob auf die erforderliche Geschwindigkeit schließen und auf dieser Basis das Prozess-Debugging durchführen.

Während der Laserschweißen Die Schweißgeschwindigkeit wirkt sich direkt auf die Linienenergiedichte des Laserstrahls aus, was sich maßgeblich auf die Größe der Schweißnaht auswirkt. Unterdessen variiert bei unterschiedlichen Schweißgeschwindigkeiten auch das Fließbild des Schmelzbades während des Laserschweißprozesses.

Erhöhung der Geschwindigkeit eines Einzelfaserlasers: Dadurch nimmt die Linienenergie ab und die Schweißnaht verändert sich von dick zu dünn. Es wird vom Tiefschweißen zum Konduktionsschweißen übergegangen, bis aufgrund mangelnder Verschmelzung keine Schweißspuren mehr vorhanden sind. Im Allgemeinen wird die Geschwindigkeit nicht zu stark angepasst. Bei stark reflektierenden Materialien kann eine Verlangsamung einige der Probleme lösen, wenn viele Segmente verschweißt werden oder die Verschmelzung mangelhaft ist. Dazu gehört die Reduzierung der Wärmeeinflusszone und Linienenergie für einige Strukturteile mit Kunststoffteilen an den Kanten oder in Schichtschweißnähten durch Erhöhung der Geschwindigkeit.

Impulsschweißen: Geschwindigkeit beeinflusst die Überlappungsrate;

Kontinuierliches Laserschweißen: Das Grundprinzip, wie sich die Geschwindigkeit auf das Schweißen auswirkt, besteht darin, dass sie die Linienenergieverteilung und damit die Dauer der Laserwirkung beeinflusst. Dies wiederum führt zu unterschiedlichen Niveaus der metallografischen Schmelztiefe und -breite. Die Einflussregel ist im Bild unten dargestellt:

Mit zunehmender Schweißgeschwindigkeit nimmt die Schweißbreite ab; Auch die Einschmelztiefe nimmt mit steigender Schweißgeschwindigkeit ab; Eine Erhöhung der Geschwindigkeit kann bis zu einem gewissen Grad Fehler wie Hinterschneidungen und Spritzer reduzieren.

1.5 Schweißleistung

Der Energieeintrag beim Laserschweißen wird normalerweise durch die Energiedichte (Laserleistung geteilt durch die Fläche des Punktes, in der Einheit W/cm²) und den Wärmeeintrag (Laserleistung geteilt durch die Schweißgeschwindigkeit, in der Einheit W/cm²) dargestellt. Ersteres beschreibt die Intensität der Laserenergie im räumlichen Bereich, während letzteres die Kumulation der Laserenergie über die Zeit beschreibt.

Die einfache Beziehung zwischen Leistung, Fusionstiefe und Fusionsbreite ist im Bild dargestellt. Generell gilt: Je größer die Leistung, desto größer die Fusionstiefe und -breite mit der Leistung. Laserschweißen hat eine Energieschwelle. Unterhalb dieser Schwelle spricht man vom Wärmeleitungsschweißen, darüber vom Tiefschweißen. Der Unterschied besteht darin, dass das Tiefschweißen ein Schlüsselloch hat.

Zu den häufigen Defekten, die durch unzureichende Leistung verursacht werden, gehören: falsches Schweißen, geringe Schweißtiefe und unklare Schweißspuren; Zu den Fehlern aufgrund übermäßiger Leistung gehören: Schweißeinbrand, große Spritzer, wellige Kanten und Hinterschneidungen.

Die Beziehung zwischen Leistung und Schmelztiefe und -breite: Je größer die Leistung, desto größer die Schmelztiefe und -breite.

1.5.1 Ringförmiger Fleck:

Für die Fusionstiefe ist hauptsächlich der innere Ringlaser verantwortlich, mit zunehmender Leistung nimmt auch die Fusionstiefe zu.

Der äußere Ringlaser hat einen geringeren Einfluss auf die Fusionstiefe und beeinflusst hauptsächlich die Fusionsbreite. Mit zunehmender Leistung des Außenrings wird das Aussehen der Schweißnaht glatter und die Schweißbreite nimmt zu.

1.6 Defokussierung

Unter Defokus versteht man den Abstand zwischen der Laserbrennebene und der Oberfläche des zu schweißenden Werkstücks. Wenn die Fokusebene über der Oberfläche des Werkstücks liegt, handelt es sich um eine positive Defokussierung; Befindet sich die Brennebene unterhalb der Werkstückoberfläche, handelt es sich um eine negative Defokussierung. Wenn die Fokusebene auf der Oberfläche des Werkstücks liegt, ist die Defokussierung natürlich Null. Die Defokussierung ist ein wichtiger Parameter beim Laserschweißen. Da der Laserstrahl in einen Brennpunkt fokussiert wird, um die Energie zum Schweißen durch die Linse im Inneren des Laserkopfs in der Brennweite zu bündeln, ändert sich aus optischer Sicht durch eine Änderung des Defokus beim Laserschweißen im Wesentlichen die Aktionspunktfläche des Laserstrahls Laserstrahl und verändert dadurch die Laserleistungsdichte.

Wenn ein Prozessfenster angegeben wird, muss im Allgemeinen ein Defokusbereich festgelegt werden, hauptsächlich für Werkstücke mit Oberflächen mit hohem Reflexionsvermögen, wie z. B. Edelstahl, Aluminiumlegierungen usw. Da diese Materialien spiegelähnliche Oberflächen haben, ist der Defokus zu groß , ist die Energie des Geräts zu niedrig, um die Materialoberfläche schnell zu schmelzen, was dazu führt, dass eine bestimmte Menge Laserenergie zurückreflektiert wird und die Linse des Schweißkopfs und die Endfläche der Faser beschädigt.

Wenn gleichzeitig nach der Auswahl des Faserkerndurchmessers der Spalt zwischen den Werkstücken zu groß ist und es zu einer Situation kommen kann, in der der Laser über die Naht austritt, kann eine Defokussierung als Abhilfemaßnahme eingesetzt werden, um den Punkt zu vergrößern Vergrößerung der beheizten Fläche und Sicherstellung, dass das Schmelzbad die Naht bedeckt, um ein Austreten von Licht zu verhindern.

Die Defokussierung wird normalerweise positiv gewählt und es wird weder der Brennpunkt noch eine negative Defokussierung gewählt, weil: Die Laserenergie hauptsächlich in der Mitte des Brennflecks konzentriert ist. Wenn der Brennpunkt auf der Oberfläche oder im Inneren des Werkstücks liegt, ist die Laserleistungsdichte im Schmelzbad zu hoch, was leicht zu Schweißspritzern, einer rauen Schweißoberfläche und Unebenheiten führen kann.

Die Beziehung zwischen Defokus und Schmelztiefe und -breite:

Die Fusionstiefe nimmt mit zunehmender Defokussierung ab, und die Fusionstiefe ist bei negativer Defokussierung größer als bei positiver Defokussierung; Die Fusionsbreite nimmt zunächst zu und nimmt dann mit zunehmender Defokussierung ab.

1.7 Schutzgas

Schutzgas: Es gibt viele Arten von Schutzgasen. In industriellen Produktionslinien wird Stickstoff häufig zur Kostenkontrolle eingesetzt. In Laboratorien wird hauptsächlich Argon verwendet, aber in besonderen Fällen werden auch Helium und andere Inertgase verwendet. Die drei am häufigsten verwendeten sind Stickstoff, Argon und Helium.

Parce que Laserschweißen ist ein Prozess heftiger Hochtemperaturreaktion, bei dem Metall schmilzt und verdampft. Metall ist bei hohen Temperaturen sehr aktiv. Sobald es auf Sauerstoff trifft, kommt es zu einer heftigen Reaktion, die durch eine große Menge an Spritzern und eine raue und unebene Schweißoberfläche gekennzeichnet ist. Der Zweck des Schutzgases besteht daher darin, in einem kleinen Bereich (in der Nähe des Schmelzbades) eine sauerstofffreie Umgebung zu schaffen, um zu verhindern, dass heftige Oxidationsreaktionen zu schlechten Schweißnähten und rauem Aussehen führen.

1.7.1 Wirkung verschiedener Schutzgase

Metalldampf absorbiert Laserstrahlen und ionisiert zu einer Plasmawolke. Bei zu viel Plasma wird der Laserstrahl teilweise vom Plasma verbraucht. Das Schutzgas kann die Metalldampfwolke oder Plasmawolke zerstreuen, wodurch deren Abschirmwirkung auf den Laser verringert und die effektive Nutzung des Lasers erhöht wird.
Gleichzeitig wird auch das Schutzgas durch den Hochenergielaser ionisiert. Aufgrund unterschiedlicher Ionisierungsenergien haben unterschiedliche Schutzgase unterschiedliche Abschirmwirkungen auf den Laser.

Laut experimenteller Forschung ist die Rangfolge der Ionisierungsenergie: Helium > Stickstoff > Argon.

• Helium ionisiert unter der Einwirkung eines Lasers am wenigsten und hat den geringsten Einfluss auf den Schweißprozess.

• Argon hat eine geringe Reaktivität und ist ein Inertgas. Es reagiert nicht mit dem Material und wird häufig in Labors verwendet.

• Stickstoff ist ein reaktives Gas, da es mit Metallmaterialien reagieren kann. Es wird im Allgemeinen in Situationen verwendet, in denen keine hohen Festigkeitsanforderungen bestehen, insbesondere von Produktionslinienunternehmen, die die Kosten berücksichtigen.

1.7.2 Wirkung des Einblasens von Schutzgas in verschiedenen Winkeln

Wie wendet man seitlich einblasendes Schutzgas an?

• Der Winkel und die Höhe des seitlich einströmenden Schutzgases wirken sich direkt auf den Abdeckungsbereich des Schutzgases und die Position aus, an der es auf das Schlüsselloch des Schmelzbades einwirkt.

• Im Allgemeinen sollten unterschiedliche Rohrdurchmesser und Schutzgasdurchflussmengen entsprechend der Größe des Schweißschmelzbads angepasst werden, um die Schutzwirkung sicherzustellen.

• Der beste Winkel für das Schutzgas beträgt 45–60°, wodurch die Schlüssellochöffnung effektiv vergrößert und Spritzer reduziert werden können.

Seitlich einblasendes Schutzgas

Vorteile: Es ist vorteilhaft für die Plasmaverteilung und das Blasen von vorne nach hinten kann Spritzer wirksam unterdrücken.

Impact der HXNUMXO Observatorien: Es kann zu einer Erhöhung der Porosität führen.

Direkt blasendes Schutzgas

Vorteile:

• Durch direktes Einblasen kann die Abdeckung des Schutzgasbereichs über dem Schmelzbad wirksam sichergestellt werden, wodurch ein guter Schutz gewährleistet wird.

• Direktes Einblasen ist einfach anzuwenden und erfordert keine Anpassungen. Allerdings ist Vorsicht geboten, da Schweißschlacke an der Kupferdüse die Richtung des Schutzgasstroms beeinträchtigen kann und Turbulenzen die Wirksamkeit des Schutzgases beeinträchtigen können.

Impact der HXNUMXO Observatorien: Durch direktes Einblasen kann die Schlüssellochöffnung ebenfalls effektiv erweitert werden, ein übermäßiger Schutzgasfluss kann jedoch zu einer Erhöhung der Porosität führen.