デフォーカス量がレーザービームの品質と 304 ステンレス鋼の溶接パフォーマンスに与える影響

レーザー技術は、コンピューティング、半導体、原子力エネルギーと並ぶ 20 世紀を特徴づける 4 つのブレークスルーの 1 つであり、現在、光通信、医療システム、検査、および材料処理にわたって使用されています。材料加工では、レーザーマーキング、切断、穴あけ、溶接はすべて信頼性の高い生産技術に成熟しました。中でもレーザー溶接は、入熱量、溶接形状、自動化の可能性において TIG 溶接や抵抗溶接に比べて明らかな利点があるため、ますます注目を集めています。

レーザー溶接の主な利点は次のとおりです。

• とても小さい熱影響区域（HAZ）-
• 高い奥行き-と幅の比率-溶接で
• 高い接合強度
• 母材以上の接合強度
• 自動化のための柔軟なファイバーを介した簡単なビーム配信

一般的なレーザー源には、CO2 レーザー、ディスク レーザー、Nd:YAG レーザー、ファイバー レーザー、ダイオード レーザーなどがあります。このうち、ファイバーレーザーは最も現代的な方向性であり、以下を提供します。

• 高い電気{0}}対-光効率（最大 ~30%）
• コンパクトな設置面積
• メンテナンスの負担が少なく、耐用年数が長い
• ステンレス鋼やアルミニウム合金の溶接に強力にフィットします。

の準-連続（QCW）パルスファイバーレーザーIPG Photonics によって開発されたこの光源は、最先端クラスの光源であり、ミリ秒範囲に及ぶパルス幅で高いピーク電力を供給します。-金属溶接や薄い部品の微細溶接に適しています。-エレクトロニクスや精密溶接で広く採用されていますが、QCW ファイバー レーザーのプロセス ウィンドウは依然として限られた注目を集めています。この記事では、最も重要なプロセス変数の 1 つである - に焦点を当てます。焦点位置、デフォーカス量で表現- は、管理された実験を通じて、304 ステンレス鋼の重ね継手のビーム品質、溶接の外観、溶接の溶け込み、継手の強度がデフォーカスによってどのように形成されるかを示しています。レーザー溶接の全体像については、当社のガイドを参照してください。レーザー溶接の原理とモード.

2.1 溶接設備

A 150 W QCWパルスファイバーレーザーこの研究では溶接源として使用されました。このクラスのソースの代表的な技術パラメータを以下にまとめます (一般的な業界値。実際の数値はモデル、構成、アプリケーションによって異なります - 保証値についてはサプライヤーのデータシートを参照してください)。

表 1 - 150 W クラス QCW パルス ファイバー レーザーの標準仕様 (業界-の一般的な参考値であり、保証されるものではありません)

上記の値は、150 W クラス QCW パルス ファイバー レーザーの業界で一般的な参考値であり、特定の King's Laser ユニットの保証仕様ではありません。-正確な仕様については、info@kingslaser.com にお問い合わせいただくか、このクラスの現行モデルの King's Laser 製品ページにアクセスしてください。

レーザー加工ヘッドは、X/Y/Z モーション プラットフォームを介してワークピースに対して移動し、シーム溶接を実行します。モーション コントローラーはヘッドの位置をレーザーの発射と同期させ、ヘッドがプログラムされた位置に到達したときにのみ発光が開始されるようにします。

このレーザー クラスの定義と使用場所の詳細については、を参照してください。QCWファイバーレーザー溶接とは、より広範な議論QCW レーザー溶接の再形成産業用アプリケーション、そしてその根底にあるもの準-連続ファイバーレーザー光源。代表的な生産ユニットについてはキングスレーザーを参照してください。6軸QCWファイバーレーザー溶接機.

2.2 材料と準備

この研究の基礎資料は次のとおりです。304ステンレス鋼重ね継ぎとして配置：上シートの厚さ0.2 mm、下シートの厚さ0.5 mmをそれぞれ100 mm×50 mmにカットします。

表面処理は 2 つの溶媒ステップで行われます。最初にアセトン、次にイソプロパノールで拭き取り、溶接の完全性を損なう可能性のある油、酸化物、その他の汚染物質を除去します。専用の治具で接合部全体に均一な圧力を加え、界面のクリアランスを最小限に抑えました。このステップは次の理由から重要です。

• 溶接中の2枚のシート間の熱伝達を改善します。
• 一貫した浸透深さを促進します
• 融着の欠如や多孔性のリスクを軽減します

特に 304 ステンレス鋼の場合、適切なシールド ガスと表面処理を組み合わせることが重要です - に関するガイダンスを参照してくださいステンレス鋼溶接用のシールドガスの選択。また、ほとんどの溶接欠陥は表面から始まるため、溶接前の洗浄だけで最大 70% の欠陥を除去できます。- データを調査します。レーザー洗浄により溶接欠陥の 70% が解決されます.

2.3 レーザー焦点位置の決定

レーザー溶接の結果を決定する主な要因は、ピークパワー、パルス幅、デフォーカス量（焦点とワーク表面の間のギャップ）です。このうちデフォーカス量が最も敏感です。

定義 - デフォーカス:正のデフォーカスとは、焦点がワークピース表面の上にあることを意味します。負のデフォーカスは、焦点が表面の下にあることを意味します。

焦点を見つけるための最も信頼性の高い方法は、三角形のステンレス鋼の校正方法です。

1. 低エネルギーのレーザー パルス（約 50 W）をステンレス鋼板に照射します。-最も明るい火花は焦点面を示します。
2. 三角形のステンレス鋼ブロックを焦点面の近くに置き、0.5 mm から始めて約 2 mm ごとに線を刻みます。顕微鏡下では、最も細いケガキ線が焦点位置を示します。

ビーム品質は、ビームプロファイラー、レーザープローブ、およびビーム減衰器を使用して測定されました。プローブが最初に焦点にある状態で、処理ヘッドを 1 mm ステップで上昇させて、デフォーカス値を 0、1、2、3、および 4 mm に設定しました。

図 1 - レーザービームの品質 (スポットエネルギー分布) とデフォーカス量の関係。

• 0 mm デフォーカスでは、レーザーエネルギーはスポットの中心に集中します。
• デフォーカスが増加するにつれて、スポットのエネルギー分布は徐々に均一になっていきます。
• 3 mm デフォーカスでは、分布は最もバランスが取れています。
• 4 mm のデフォーカスでは、分布が広がり始め、再び均一性が失われます。

実際には、3 mm の場合、薄板溶接においてスポット サイズとピーク電力密度の間で最適なトレードオフが得られます。{{1}{2}}

4.1 溶接点の形態への影響

ワークピースを焦点に置き、ピークパワーとパルス幅を下側シートの裏側に明確なマークが現れるまで増加させました。このテストでは、ピーク電力は 500 W、パルス幅は 3 ms でした。これらのパラメータは一定に保たれ、デフォーカスは 1 mm ずつ変化しました。溶接スポットの外観を各ステップで記録しました。

図 2 - 溶接スポットの外観と焦点ぼけ量。

所見:

• 0 ～ 1 mm のデフォーカスでは、溶接スポットが最小になり、目に見えるスパッタが見られます。原因はスポット中心でのエネルギー集中であり、局所的な高い出力密度と材料の排出が生じます。
• デフォーカスが増加し続けると、溶接スポットはより均一になり、より均一なビーム プロファイルからスパッタが消えます。
• 焦点ぼけが 4 mm を超えると、真円度が低下し、スポットがわずかに縮小します -。これは、ビームのエネルギーがスポットの端で広がるためと考えられます。

0 ～ 3 mm のデフォーカスでは、溶接スポットの直径が 0.4 mm から 0.5 mm に増加しました。デフォーカスが大きくなると表面スポットが大きくなり、したがって溶接スポットも大きくなります。 4 mm デフォーカスでは、スポットの直径は再び減少しました。これは、スポットが幾何学的に大きくなったとしても、スポット エッジのエネルギーが材料を完全に溶かすのに十分ではなくなったためです。

図 3 - 溶接スポット直径と焦点ぼけ量。

4.2 溶接溶け込み深さへの影響

溶接スポットのエッジに沿って切断し、粗研削、微研削、研磨を行うことで断面を作成しました。{0}研磨中に溶接中心を検査し、硝酸 + アルコール溶液でエッチングして、各デフォーカス値での溶け込み深さを明らかにしました。

所見:

• 0 ～ 1 mm のデフォーカスでは、侵入深さは最大となり、底部のシートに達します。
• 焦点が 2 ～ 3 mm ずれると、侵入深さは浅くなり、底部シートの厚さの約半分にしか達しません。
• 焦点が 4 mm ずれると、貫通力は急激に低下し、底部シートの厚さの約 3 分の 1 にしか達しません。-。

図 4 - 溶接溶け込み深さ対焦点ぼけ量。

4.3 溶接部の引張強さへの影響

単一点引張強度は、底部シートを固定し、上部シートを上方に引っ張った状態で引張試験機で測定されました。-精度を確保するために、各パラメータセットで 3 つの試験片をテストし、結果を平均しました。

デフォーカス値 0、1、2、3、4 mm では、引張強度が 0、1、2、3、4 mm になりました。7N、8N、11N、15N、6N、 それぞれ。

全体的な傾向: 焦点のぼけが大きくなると、溶接箇所が拡大し、最も重要なのは 2 つのシート間の接触幅が拡大するため、焦点のぼけにより引張強度が増加します。{{1}、これが接合強度に直接影響します。 4 mm のデフォーカスでは、強度が再び低下します。これはおそらく、ビームの品質が低下し、スポットが大きくなるもののパワー密度が低くなり、透過と強度の両方が低下するためです。

核心的な発見:304 ステンレス鋼の単一スポット引張強度はピークに達しました。-3 mm デフォーカスで 15 N、溶接点の形態も最も一貫していました。

表 2 - 溶接点、溶け込み、引張強度に対する焦点ぼけの影響の概要

上の図は、元の中国の研究で報告された、304 ステンレス鋼の重ね接合を備えた 150 W QCW ファイバー レーザーに関する、ピーク 500 W / パルス幅 3 ms での測定値を再現したものです。これらはプロセス エンジニア向けの参考データであり、特定のアプリケーションの合格基準を保証するものではありません。製品リリース前に、実際の素材、厚さ、固定具のサンプル テストによって常に検証してください。

生産中にスパッタ、多孔性、または融着の欠如が発生した場合、根本的な原因は通常、パラメータの不一致、シールド ガスの選択、または表面の汚染です。の診断フロー一般的なレーザー溶接の欠陥と解決策どの要因が原因であるかを特定する方法について説明します。

この研究では、さまざまなデフォーカス値にわたってレーザー ビーム プロファイルを測定し、デフォーカスが増加するにつれてスポット エネルギー分布はより均一になる - が、4 mm を超えると分布は再び広がり始めることがわかりました。

304 ステンレス鋼の重ね継手溶接では、他のすべての要素を一定に保ち、デフォーカス量を変化させると、溶接スポットの外観、スポット サイズ、溶け込み深さ、および引張強度が変化します。最適なプロセスウィンドウは、外観と強度の両方を同時に満たす必要があります。

重要なポイント:

• デフォーカスが増加すると、溶接品質が向上し、引張強度が増加します。
• で3mmデフォーカス、溶接点の均一性と引張強度の両方が、この形状で最高の状態になります。
• 焦点ずれが 3 mm を超えると、強度と品質の両方が再び低下します。

キーホール溶接、ファイバー レーザーの選択、工場向けのハンドヘルド システム、自動システム、QCW システムの選択方法など、溶接ソース、モード、アプリケーションのより広い視野については -、全文をご覧ください。レーザー溶接機カテゴリに問い合わせるか、King's Laser Engineering までお問い合わせください。info@kingslaser.com実際の素材のサンプルカット評価については、-