Bagaimana Jumlah Pengaburan Fokus Mempengaruhi Kualitas Sinar Laser dan Kinerja Las pada Baja Tahan Karat 304

Teknologi laser adalah salah satu dari empat terobosan penting abad ke-20 selain komputasi, semikonduktor, dan energi nuklir, dan kini digunakan dalam komunikasi optik, sistem medis, inspeksi, dan pemrosesan material. Dalam pemrosesan material, penandaan laser, pemotongan, pengeboran, dan pengelasan semuanya telah berkembang menjadi teknologi produksi yang andal. Diantaranya, pengelasan laser semakin mendapat perhatian karena menawarkan keunggulan yang jelas dibandingkan pengelasan TIG dan resistansi dalam masukan panas, profil las, dan potensi otomatisasi.

Manfaat inti dari pengelasan laser adalah:

• Sangat kecilpanas-zona yang terkena dampak (HAZ)
• Tinggirasio kedalaman-terhadap-lebardi lasan
• Kekuatan sendi yang tinggi
• Kekuatan sambungan sama atau lebih tinggi dari logam induk
• Pengiriman sinar yang mudah melalui serat fleksibel untuk otomatisasi

Sumber laser yang umum mencakup laser CO₂, laser cakram, laser Nd:YAG, laser serat, dan laser dioda. Diantaranya adalahlaser seratadalah arah paling modern, menawarkan:

• Efisiensi-ke-optikal yang tinggi (hingga ~30%)
• Jejak kompak
• Perawatan rendah dan masa pakai yang lama
• Sangat cocok untuk mengelas baja tahan karat dan paduan aluminium

Itulaser serat berdenyut kuasi-kontinu (QCW).dikembangkan oleh IPG Photonics mewakili kelas sumber terdepan, menghasilkan daya puncak tinggi dengan lebar pulsa hingga rentang milidetik - sangat cocok untuk pengelasan logam dan-pengelasan mikro pada bagian tipis. Meskipun diadopsi secara luas dalam elektronik dan pengelasan presisi, jendela proses untuk laser serat QCW masih mendapat perhatian terbatas. Artikel ini berfokus pada salah satu variabel proses paling penting -posisi fokus, dinyatakan sebagai jumlah pengaburan- dan menunjukkan, melalui eksperimen terkontrol, bagaimana pengaburan membentuk kualitas balok, tampilan las, penetrasi las, dan kekuatan sambungan pada sambungan putaran baja tahan karat 304. Untuk gambaran lebih luas tentang lanskap pengelasan laser, lihat panduan kami diprinsip dan mode pengelasan laser.

2.1 Peralatan Pengelasan

A 150 W Laser serat berdenyut QCWberfungsi sebagai sumber pengelasan untuk penelitian ini. Parameter teknis yang mewakili kelas sumber ini dirangkum di bawah ini (nilai industri yang umum; angka sebenarnya bervariasi menurut model, konfigurasi, dan aplikasi - lihat lembar data pemasok untuk mengetahui nilai yang dijamin).

Tabel 1 - Spesifikasi umum untuk laser serat berdenyut kelas QCW 150 W (nilai referensi umum-industri, tidak dijamin)

Nilai yang ditampilkan di atas adalah-angka referensi umum industri untuk laser serat berdenyut QCW kelas 150 W, bukan jaminan spesifikasi unit King's Laser tertentu. Untuk spesifikasi akurat, silakan hubungi info@kingslaser.com atau kunjungi halaman produk King's Laser untuk model terkini di kelas ini.

Kepala pemrosesan laser dipindahkan relatif terhadap benda kerja melalui platform gerakan X/Y/Z untuk melakukan pengelasan jahitan. Pengontrol gerak menyinkronkan posisi kepala dengan penembakan laser sehingga emisi dimulai hanya ketika kepala mencapai lokasi yang diprogram.

Untuk mengetahui lebih lanjut tentang apa yang mendefinisikan kelas laser ini dan di mana ia digunakan, lihatapa itu pengelasan laser serat QCW, diskusi yang lebih luas tentangPengelasan laser QCW membentuk kembali aplikasi industri, dan yang mendasarinyakuasi-sumber laser serat kontinu. Untuk melihat unit produksi yang representatif, lihat King's LaserMesin las laser serat QCW 6 sumbu.

2.2 Bahan & Persiapan

Materi dasar dalam penelitian ini adalahbaja tahan karat 304disusun sebagai sambungan pangkuan: lembaran atas tebal 0,2 mm, lembaran bawah tebal 0,5 mm, masing-masing dipotong 100 mm × 50 mm.

Persiapan permukaan dilakukan dalam dua langkah pelarut: pertama dengan aseton, kemudian isopropanol, untuk menghilangkan minyak, oksida, dan kontaminan lain yang dapat membahayakan integritas las. Perlengkapan khusus memberikan tekanan seragam pada sambungan untuk meminimalkan jarak antar muka. Langkah ini penting karena:

• Meningkatkan perpindahan panas antara dua lembar selama pengelasan
• Mempromosikan kedalaman penetrasi yang konsisten
• Mengurangi risiko kurangnya fusi dan porositas

Khusus untuk baja tahan karat 304, memasangkan gas pelindung yang tepat dengan persiapan permukaan sangatlah penting - lihat panduan dipemilihan gas pelindung untuk pengelasan baja tahan karat. Dan karena sebagian besar cacat las dimulai dari permukaan,-pembersihan pra-las saja dapat menghilangkan hingga 70% cacat tersebut - jelajahi data dipembersihan laser memecahkan 70% cacat pengelasan.

2.3 Menentukan Posisi Fokus Laser

Faktor utama yang menentukan hasil pengelasan laser adalah daya puncak, lebar pulsa, dan jumlah pengaburan (celah antara titik fokus dan permukaan benda kerja). Dari jumlah tersebut, jumlah pengaburan adalah yang paling sensitif.

Definisi - Pengaburan fokus:Pengaburan fokus positif berarti titik fokus terletak di atas permukaan benda kerja; pengaburan negatif berarti titik fokus terletak di bawah permukaan.

Metode yang paling dapat diandalkan untuk menemukan titik fokus adalah metode kalibrasi baja tahan karat segitiga:

1. Menembakkan pulsa laser berenergi rendah-(sekitar 50 W) pada pelat baja tahan karat; percikan paling terang menunjukkan bidang fokus.
2. Tempatkan balok baja tahan karat berbentuk segitiga di dekat bidang fokus dan garis pencungkil setiap ~2 mm mulai dari 0,5 mm. Di bawah mikroskop, garis tersempit menandai posisi fokus.

Kualitas sinar diukur dengan beam profiler, probe laser, dan beam attenuator. Dengan probe awalnya berada pada titik fokus, kepala pemrosesan dinaikkan dalam langkah 1 mm untuk menetapkan nilai pengaburan 0, 1, 2, 3, dan 4 mm.

Gambar 1 - Kualitas sinar laser (distribusi energi titik) versus jumlah pengaburan.

• Pada pengaburan 0 mm, energi laser terkonsentrasi di tengah titik.
• Ketika pengaburan meningkat, distribusi energi titik menjadi semakin seragam.
• Pada pengaburan 3 mm, distribusi berada pada kondisi paling seimbang.
• Pada pengaburan 4 mm, distribusi mulai menyebar dan kehilangan keseragaman lagi.

Dalam praktiknya, casing 3 mm menawarkan kompromi-yang terbaik antara ukuran titik dan kepadatan daya puncak untuk pengelasan-lembar tipis.

4.1 Pengaruh Morfologi Titik Las

Benda kerja ditempatkan pada titik fokus dengan daya puncak dan lebar pulsa dinaikkan hingga tanda jelas muncul di bagian belakang lembaran bawah. Dalam pengujian ini, daya puncak adalah 500 W dan lebar pulsa adalah 3 ms. Parameter ini kemudian dijaga konstan sementara pengaburan divariasikan dalam peningkatan 1 mm; penampakan titik las dicatat pada setiap langkah.

Gambar 2 - Tampilan titik las versus jumlah pengaburan.

Pengamatan:

• Pada pengaburan 0 – 1 mm, titik las menjadi paling kecil dan menunjukkan percikan yang terlihat. Penyebabnya adalah konsentrasi energi di pusat titik, yang menghasilkan kepadatan daya lokal dan ejeksi material yang tinggi.
• Saat pengaburan terus meningkat, titik las menjadi lebih seragam dan percikan menghilang, yang dihasilkan dari profil sinar yang lebih seragam.
• Pengaburan di atas 4 mm, kebulatan menurun dan titik tersebut sedikit menyusut - kemungkinan besar karena energi sinar menyebar di tepi titik.

Pada pengaburan 0 – 3 mm, diameter titik las bertambah dari 0,4 mm menjadi 0,5 mm: pengaburan yang lebih besar menghasilkan titik permukaan yang lebih besar dan oleh karena itu titik las yang lebih besar. Pada pengaburan fokus 4 mm, diameter titik berkurang lagi, karena energi di tepi titik tidak lagi cukup untuk melelehkan material sepenuhnya meskipun secara geometris titik tersebut lebih besar.

Gambar 3 - Diameter titik las versus jumlah pengaburan.

4.2 Pengaruh Kedalaman Penetrasi Las

Penampang-disiapkan dengan memotong sepanjang tepi titik las, diikuti dengan penggilingan kasar, penggilingan halus, dan pemolesan. Pusat las diperiksa selama pemolesan, kemudian digores dengan larutan asam nitrat + alkohol untuk mengetahui kedalaman penetrasi pada setiap nilai pengaburan.

Pengamatan:

• Pada pengaburan 0 – 1 mm, kedalaman penetrasi mencapai maksimum, hingga ke lembar bawah.
• Pada pengaburan 2 – 3 mm, kedalaman penetrasi menjadi lebih dangkal, hanya mencapai sekitar setengah ketebalan lembaran bagian bawah.
• Pada pengaburan 4 mm, penetrasi turun tajam, hanya mencapai sekitar-sepertiga ketebalan lembaran bagian bawah.

Gambar 4 - Kedalaman penetrasi las versus jumlah pengaburan.

4.3 Pengaruh terhadap Kekuatan Tarik Las

Kekuatan tarik-titik tunggal diukur pada mesin uji tarik dengan lembaran bawah terpasang dan lembaran atas ditarik ke atas. Untuk memastikan akurasi, tiga spesimen diuji pada setiap set parameter dan hasilnya dirata-rata.

Nilai defocus sebesar 0, 1, 2, 3, dan 4 mm menghasilkan kuat tarik sebesar7 N, 8 N, 11 N, 15 N, dan 6 N, masing-masing.

Tren keseluruhan: kekuatan tarik meningkat dengan pengaburan, karena pengaburan yang lebih besar memperbesar titik las dan - yang paling penting - lebar kontak antara dua lembar, yang secara langsung mendorong kekuatan sambungan. Pada pengaburan 4 mm, kekuatannya turun lagi, kemungkinan besar karena kualitas sinar menurun dan titik menjadi lebih besar namun kepadatan dayanya lebih rendah, sehingga mengurangi penetrasi dan kekuatan.

Temuan inti:Kekuatan tarik-titik tunggal pada baja tahan karat 304 mencapai puncaknya15 N pada pengaburan 3 mm, dimana morfologi titik las juga paling konsisten.

Tabel 2 - Ringkasan pengaruh pengaburan pada titik las, penetrasi, dan kekuatan tarik

Gambar di atas mereproduksi nilai terukur yang dilaporkan dalam penelitian asli Tiongkok pada laser serat QCW 150 W dengan 304 sambungan putaran baja tahan karat pada puncak 500 W / lebar pulsa 3 ms. Data tersebut merupakan data referensi bagi para insinyur proses, bukan jaminan kriteria penerimaan untuk aplikasi spesifik apa pun. Selalu validasi dengan pengujian sampel pada material, ketebalan, dan perlengkapan aktual Anda sebelum rilis produksi.

Ketika percikan, porositas, atau kurangnya fusi muncul dalam produksi, akar penyebabnya biasanya adalah ketidaksesuaian parameter, pilihan gas pelindung, atau kontaminasi permukaan. Alur diagnostik masukcacat dan solusi pengelasan laser yang umummenjelaskan cara mengidentifikasi faktor mana yang bertanggung jawab.

Studi ini mengukur profil sinar laser pada nilai pengaburan yang berbeda dan menemukan bahwa seiring dengan peningkatan pengaburan, distribusi energi titik menjadi lebih seragam - namun setelah 4 mm, distribusi mulai menyebar lagi.

Melalui pengelasan sambungan putaran baja tahan karat 304, dengan semua faktor lainnya tetap konstan, memvariasikan jumlah pengaburan akan mengubah tampilan titik las, ukuran titik, kedalaman penetrasi, dan kekuatan tarik. Jendela proses terbaik harus memenuhi penampilan dan kekuatan secara bersamaan.

Kesimpulan utama:

• Saat pengaburan meningkat, kualitas las meningkat dan kekuatan tarik meningkat.
• Padapengaburan 3 mm, keseragaman titik las dan kekuatan tarik keduanya merupakan kondisi terbaik untuk geometri ini.
• Di luar pengaburan 3 mm, kekuatan dan kualitas kembali menurun.

Untuk pandangan yang lebih luas tentang sumber, mode, dan aplikasi pengelasan - termasuk pengelasan lubang kunci, pemilihan laser serat, dan cara memilih antara sistem genggam, otomatis, dan QCW untuk bengkel Anda - jelajahi selengkapnyamesin las laserkategori atau hubungi King's Laser engineering diinfo@kingslaser.comuntuk contoh-evaluasi potongan materi Anda yang sebenarnya.