Plaatmetaal lassen met laser: Een beginnershandleiding

Inleiding

Lassen is een primair proces in plaatwerk fabricagegekenmerkt door een hoge arbeidsintensiteit en zware werkomstandigheden. Daarom is een hoge vaardigheid essentieel.

Automatisering bij het lassen en de ontwikkeling van innovatieve verbindingsmethoden zijn constante aandachtspunten voor professionals in lastechniek.

Een cruciaal aspect van lasautomatisering is de besturing van laskwaliteit en efficiëntie. Tijdens het proces moeten uitdagingen zoals de uitlijning van de boog en de lasnaad, de uniformiteit van de lasnaadopeningen, de laspenetratie en de controle over de lasnaad, worden aangepakt. lasvervorming moet worden aangepakt.

Met de snelle vooruitgang in laserlastechnologieheeft het een grote sprong voorwaarts gemaakt en is het volwassen geworden in zijn toepassing in verschillende sectoren, waaronder huishoudelijke apparaten, hightech elektronica, autoproductie, hogesnelheidstreinproductie en precisiebewerking.

De voordelen van laserlassen kunnen worden begrepen door het te vergelijken met traditioneel booglassen. Dit bericht gaat in op de proces van laser lassen en onderzoeken hoe je betere resultaten kunt behalen.

Om de kwaliteit van een laserlas te evalueren, wordt gekeken naar de diepte-breedteverhouding en de oppervlaktemorfologie. Dit artikel onderzoekt de procesparameters die deze indexen beïnvloeden.

Experimenten van laserlassen werden uitgevoerd op roestvrijstalen, aluminium en koolstofstalen platen. De resultaten geven praktische inzichten die gebruikt kunnen worden bij de lasproductie.

Laserlassen is een geavanceerde productietechniek die gebruik maakt van een laser met hoge energiedichtheid als warmtebron voor het lassen. Het wordt veel gebruikt in de productie van plaatmetaal industrie vanwege de voordelen, zoals hoge energiedichtheid, hoge lassnelheid, milieuvriendelijkheid, minimale plaatvervorming en nog veel meer.

Laserlassen, gebaseerd op de eigenschappen van de lasnaadvorming, kan worden onderverdeeld in geleidingslassen en diep penetratielassen. Geleidingslassen maakt gebruik van een laag laservermogen, wat resulteert in een langere vormingstijd van het smeltbad en een ondiepe smeltdiepte.

Het wordt voornamelijk gebruikt voor het lassen van kleine onderdelen.

Daarentegen heeft diep penetratielassen een hoge vermogensdichtheid, waarbij het metaal in het bestralingsgebied van de laser snel smelt.

Dit smelten gaat gepaard met intense verdamping, waardoor lasnaden met een aanzienlijke diepte en een breedte-diepteverhouding tot 10:1 worden verkregen.

Dunne plaatcomponenten kunnen worden samengevoegd met verschillende lasmethoden, waaronder laserlassen, hardsolderen, atomair waterstoflassen en weerstandlassen, plasmabooglassenen elektronenbundellassen.

Bij het vergelijken van laserlassen met andere lastechniekenHet biedt aanzienlijke voordelen op het gebied van de warmte-beïnvloede zone, thermische vervorming, de kwaliteit van de lasnaad, de noodzaak van toevoegmateriaal en de lasomgeving.

De vergelijking tussen laserlassen en andere lasmethoden is te vinden in Tabel 1.

Tabel 1 Vergelijking tussen laserlassen en andere lasmethoden

Kenmerken van laserlassen

Laserlassen maakt gebruik van een laser die een hoogenergetische laserstraal naar een glasvezel leidt. Na de transmissie wordt de straal gecollimeerd tot parallel licht met behulp van een collimeerlens en vervolgens op het werkstuk gericht.

Dit resulteert in een extreem hoogenergetische hittebron die het materiaal bij de las smelt. Het gesmolten metaal koelt vervolgens snel af om een las van hoge kwaliteit te vormen. Het uiterlijk van een lasergelast stuk plaatstaal wordt getoond in onderstaande afbeelding.

Eenvoudige bediening:

Laserlasmachines zijn eenvoudig te gebruiken. De bediening is eenvoudig, gemakkelijk te leren en gebruiksvriendelijk. Het vereiste kennisniveau voor operators is relatief laag, wat besparingen in arbeidskosten oplevert.

Hoge flexibiliteit:

Laserlasapparaten kunnen vanuit elke hoek lassen en zijn bedreven in het bereiken van moeilijk bereikbare plaatsen. Ze kunnen complexe lasonderdelen en onregelmatig gevormde grote stukken aan en bieden ongeëvenaarde flexibiliteit bij het lassen vanuit elke oriëntatie.

Verbeterde veiligheid:

Het zeer veilige lasmondstuk wordt alleen geactiveerd bij contact met metaal en is voorzien van een aanraakschakelaar met lichaamstemperatuurdetectie. Er moeten specifieke veiligheidsnormen in acht worden genomen bij het bedienen van de gespecialiseerde lasergenerator, waaronder het dragen van een veiligheidsbril om mogelijke oogletsels te minimaliseren.

Superieur Kwaliteit laserstraal:

Als de laser eenmaal gefocust is, bereikt hij een hoge vermogensdichtheid. Met een hoog vermogen en laaggeplaatste laserfocus is de resulterende spotdiameter zeer klein, wat de automatisering van dunne lasers aanzienlijk bevordert. plaatlassen.

Snelle lassnelheid met diepe penetratie en minimale vervorming:

Door de hoge vermogensdichtheid van laserlassen vormen zich tijdens het proces minuscule poriën in het metaal. De laserenergie gaat diep in het materiaal door deze poriën met minimale zijdelingse verspreiding. De smeltdiepte van het materiaal is aanzienlijk en de lassnelheid is snel, waardoor in korte tijd een groot gebied wordt bedekt.

Lagere arbeidskosten:

Door de minimale warmte-inbreng tijdens het laserlassen is de vervorming na het lassen gering. Dit resulteert in een visueel aantrekkelijke lasafwerking, wat leidt tot minder nabewerking na het lassen, wat op zijn beurt de arbeidskosten voor het gladmaken en nivelleren aanzienlijk verlaagt of zelfs elimineert.

Moeilijke materialen kunnen lassen:

Laserlassen is niet alleen geschikt voor het verbinden van een verscheidenheid aan ongelijksoortige metalen, maar ook voor metalen lassen en legeringen zoals titanium, nikkel, zink, koper, aluminium, chroom, goud, zilver, staal en snijlegeringen. Het voldoet goed aan de ontwikkelingsbehoeften van nieuwe materialen in huishoudelijke apparaten.

Bijzonder geschikt voor het lassen van dunne platen en niet-gecoate esthetische onderdelen:

Gezien de hoge beeldverhouding bij het lassen, de lage warmte-inbreng, de minimale warmte-beïnvloede zone en de verminderde vervorming, is laserlassen vooral geschikt voor het lassen van dunne platen, niet-gecoate esthetische onderdelen, precisieonderdelen en thermisch gevoelige onderdelen. Hierdoor kunnen correcties na het lassen en secundaire bewerkingen verder geminimaliseerd worden.

Vergelijking tussen laserlassen en traditioneel booglassen

Inleiding tot booglassen

Traditioneel booglassen kan grofweg worden onderverdeeld in verschillende typen, waaronder booglassen met elektrode, TIG-lassen (Tungsten inert gas), MIG-lassen (Metal inert gas) en booglassen onder poederdek.

Bij elektrodebooglassen wordt er een boog geslagen tussen de elektrode en het werkstuk, waarbij warmte wordt opgewekt die het metaal smelt op het contactpunt tussen de elektrode en het werkstuk. Hierdoor ontstaat een plas gesmolten metaal. De elektrode wordt vervolgens in een bepaalde richting bewogen, waardoor nieuwe pools van gesmolten metaal ontstaan en eerdere pools stollen, wat resulteert in de vorming van een las.

Een diagram van de lasproces wordt weergegeven in Figuur 1.

Fig. 1 Schematisch diagram van booglassen met elektrode

TIG-lassen (Tungsten Inert Gas) maakt gebruik van een wolfraamelektrode als ontladingselektrode, die niet wordt verbruikt tijdens het proces. Het lasgebied wordt beschermd door een inert gas, meestal argon, en de hitte die door de boog wordt opgewekt, wordt gebruikt om zowel het basismetaal als de laselektrode te smelten. lasmateriaal. Het resultaat is een gladde lasoppervlak met weinig tot geen spatten.

Gas Metalen boog Lassen (GMAW) is een proces waarbij een boog wordt opgewekt tussen de lasdraad en het basismetaal, waardoor de draad en het basismetaal smelten. Het gesmolten materiaal stolt en vormt een las.

Hoewel booglassen nog steeds een dominante positie inneemt in de lasindustrie, heeft de toenemende vraag naar hoogwaardig en efficiënt laswerk geleid tot beperkingen in de toepassing in sommige high-end toepassingen. plaatmetaal productiesectoren. Enkele nadelen van traditioneel booglassen zijn:

• De behoefte aan hoogzuiver argon als het schermgaswat duur kan zijn.
• Er is een hoog vaardigheids- en certificeringsniveau nodig om het systeem goed te laten werken, waardoor het voor velen onbereikbaar is.
• Stroom met hoge dichtheid en warmte die wordt gegenereerd tijdens de lasproces kan het lassen van metalen platen met een laag smeltpunt negatief beïnvloeden.
• Lage lasefficiëntie en lage snelheid.
• De lasoppervlak is ruw, waardoor extra slijpen nodig is voor een glad oppervlak.
• Beperkt lassterkte.

Voordelen van laserlassen

Gangbare laserlastechnieken zijn onder andere zelffusielassen, zwenklassen, draadvullassen, galvanometerlassen en composietlassen waarbij verschillende lasmethoden worden gecombineerd.

Tabel 1 geeft een overzicht van de voordelen van laserlassen technologie in vergelijking met traditioneel booglassen.

Voor hoogwaardige plaatverwerkende industrieën die producten met een hoge toegevoegde waarde, een consistente kwaliteit, kleine lasnaden en een hoge efficiëntie vereisen, is laserlassen een uitstekende keuze.

Tabel 1 Vergelijking van eigenschappen tussen laserlassen en booglassen

Procesparameters laserlassen

Lasernaad index

De vereisten voor het laseffect van plaatwerkonderdelen variëren afhankelijk van de behoeften van de klant. Deze eisen komen voornamelijk tot uiting in de volgende indicatoren:

• Oppervlakte morfologie (bijv. concaaf, plat of convex)
• De diepte-breedteverhouding van het lasbad
• Afwezigheid van defecten zoals poriën, scheuren, onzuiverheden en ondersnijdingen

De oppervlaktemorfologie van de las kan worden veranderd door factoren zoals lasstroom aan te passen, defocusen lasmodus. De diepte-breedteverhouding van het smeltbad is een belangrijke factor voor het bepalen van de sterkte van de las.

Voor klanten die sterkte-eisen stellen aan hun lasproducten, moet een reeks stappen worden doorlopen, waaronder draadsnijden, inleggen, slijpen en polijsten, corrosietesten en microscopische metallografische analyse. Dit proces weerspiegelt de hardheid van de las, die nauw samenhangt met de diepte-breedteverhouding. De treksterkte-index van de las kan ook worden bepaald door middel van een treksterkteproef. Figuur 2 toont de metallografische analyse van de penetratieratio.

Fig. 2 metallografische analyse van penetratiegraad

In bepaalde werkomgevingen kunnen lasstukken defecten vertonen zoals poriën, scheuren, onzuiverheden en ondersnijdingen, die ernstige veiligheidsrisico's kunnen inhouden. Voor sommige producten gelden bijvoorbeeld strenge normen voor lucht- en waterdichtheid.

Figuur 3 toont een vergelijking tussen normale lassen en lassen met defecten.

Fig. 3 lasnaad diagram

Beïnvloedende factoren van laserlassen

Verschillende factoren hebben een directe invloed op laserlassen, waaronder lastemperatuurHet smeltpunt van de lasmaterialen, de laserabsorptiesnelheid van de lasmaterialen en de thermische invloed.

In termen van het lasproces, factoren zoals materiaaleigenschappen, laservermogenEr moet rekening worden gehouden met de lassnelheid, de focuspositie, het beschermgas en de lasspleet.

De laserabsorptie van de lasmaterialen beïnvloedt de kwaliteit van de las. Materialen zoals aluminium en koper hebben een hogere laserabsorptie, terwijl koolstofstaal en roestvast staal een lagere laserabsorptie hebben. Lasmaterialen met een hoge absorptie hebben doorgaans meer energie nodig om te smelten en een stabiel lasbad te vormen.

Laservermogen is de energiebron voor laserlassen en speelt een cruciale rol bij het bepalen van het laseffect. Hoe groter het laservermogen, hoe beter het laseffect. Te veel laservermogen kan echter leiden tot instabiliteit in het smeltbad en verminderde diepte. Daarom is het kiezen van het juiste laservermogen cruciaal.

Er is een omgekeerde relatie tussen lassnelheid en inbranding. Snellere lassnelheden resulteren in een lagere energie-input, terwijl lagere snelheden oververhitting kunnen veroorzaken, vooral bij hittegevoelige materialen zoals aluminium.

De positie van het brandpunt heeft een directe invloed op de inbranding en de breedte van de las. Als het brandpunt zich op het oppervlak van het lasmateriaal bevindt, wordt het brandpunt nul genoemd. Als het brandpunt zich boven of onder het lasmateriaal bevindt, wordt het excentrische brandpunt genoemd. De nulfocusvlek is het kleinst en heeft de hoogste energiedichtheid, terwijl offfocus lassen een lagere energiedichtheid heeft maar een grotere lichtvlek, waardoor het geschikt is voor het lassen van werkstukken met een groter bereik.

Het type en de methode van het beschermgas hebben ook invloed op het lasproces. De functie van beschermgas is niet alleen het voorkomen van oxidatie tijdens het lassen, maar ook het onderdrukken van de plasmawolk die ontstaat tijdens het laserlassen. De keuze van het beschermgas kan invloed hebben op het uiterlijk en de kleur van het lasoppervlak.

De lasnaad van het te lassen werkstuk is gerelateerd aan de inbranding, breedte en morfologie van de las. Een te grote lasnaad kan resulteren in problemen bij het smelten en combineren, maar kan ook de laser blootstellen en mogelijk het gereedschap of het werkstuk beschadigen. Het verhogen van het lichtpunt of de lichtzwaai kan het lassen verbeteren, maar de verbetering is beperkt.

Lastestanalyse

De lastest werd uitgevoerd met een Yaskawa GP25 robot, Prima laser, ospri lasverbinding (kerndiameter 100μm, brandpuntsafstand 300mm) en WSX draadaanvoer. Het laseffect werd getest op 1,5 mm Q235 koolstofstaalplaat, SS304 roestvast staal en aluminium uit de 3-serie. gelegeerde plaat.

Op basis van ervaring kan de volgende referentie worden gegeven voor het testproces:

Voor het proeflassen van 1mm dunne plaat kan een startvermogen van 1kW en een lassnelheid van 30mm/s gebruikt worden. Het referentievermogen kan worden berekend als P=A-X, waarbij A een constante coëfficiënt is (A≥0) en X de plaatdikte. Naarmate de plaatdikte toeneemt, neemt de constante coëfficiënt A geleidelijk af en deze wordt ook beïnvloed door de lasmethode.

Analyse van het lasproces van koolstofstaalplaat

Zie Tabel 2 voor de zwaailasprocesparameters van Q235 koolstofstaalplaat met een dikte van 1,5 mm.

Tabel 2 zwenklasprocesparameters van Q235 koolstof staalplaat

De testgegevens laten zien dat wanneer swing lassen van koolstofstaal platen moet het laservermogen worden verhoogd naarmate de lassnelheid toeneemt, terwijl het zwenkbereik ongewijzigd blijft. Als de zwenksnelheid te laag is, zal de las ongelijkmatig zijn.

In het algemeen is er minder energie nodig voor het zelffusielassen van koolstofstaal in vergelijking met het zelffusielassen van koolstofstaal en is er minder energie nodig voor het zelffusielassen van koolstofstaal in vergelijking met het zelffusielassen van koolstofstaal. De benodigde energie wordt voornamelijk bepaald door vermogen en snelheid, waarbij een hoger vermogen en een hogere snelheid meer energie vereisen.

Idealiter zou de lassnelheid zo veel mogelijk verhoogd moeten worden om een balans te vinden tussen kwaliteit en efficiëntie. Te snel lassen kan echter instabiliteit veroorzaken en wordt beperkt door laservermogen en materiaaleigenschappen. Daarom wordt er meestal gezocht naar een balans tussen kracht en snelheid.

Analyse van het lasproces van aluminium platen

In de test was de kerndiameter van de geselecteerde optische vezel 100 μm. Voor het lassen van sterk reflecterende en warmteabsorberende materialen zoals aluminium en koper is een hogere vermogensdichtheid nodig om te smelten. In dit geval is zero focus lassen noodzakelijk.

Zero focus-lassen maakt een maximale vermogensdichtheid met een minimaal vermogen mogelijk, waardoor het ideaal is voor het lassen van kleine onderdelen en het smelten van het metaal tot een smeltbad. Tabel 3 geeft de lasprocesparameters voor verschillende materialen.

Tabel 3 Vergelijking van lasprocesparameters van verschillende materialen

De testgegevens geven aan dat, als de andere parameters constant blijven, het ideale laseffect voor een aluminiumlegering uit de 3-serie een lagere lassnelheid vereist dan voor koolstofstaal Q235, omdat er meer warmte nodig is.

Analyse van het witte blaasproces van roestvrij staal

Tabel 4 toont de vergelijking van witmakende procesparameters voor lassen van roestvrij staal naden met een dikte van 1,5 mm. De vergelijking van het laseffect is te zien in Figuur 4.

De lasparameters van de drie lassen in Figuur 4 (van links naar rechts) komen respectievelijk overeen met de serienummers 1, 2 en 3 in Tabel 4.

Fig. 4 Vergelijking van laseffecten

Tabel 4 Vergelijking van procesparameters van het witten van roestvaststalen lasnaden

Om een wit oppervlak op roestvast staal te verkrijgen, moet het metaal na het lasersmelten snel afkoelen en kristalliseren in een atmosfeer met beschermgas. Als het vermogen te hoog is, wordt er veel warmte vastgehouden in de metalen plaat, wat leidt tot langzame afkoeling en een verhoogd risico op oxidatie en verkleuring. Als het vermogen te laag is, smelt het metaal mogelijk niet volledig.

Als de snelheid te hoog is, kan het zijn dat het blaasgereedschap niet voldoende is, wat het blaaseffect beïnvloedt. Als de snelheid te laag is, zal er overmatige warmteophoping zijn. Voor een wit oppervlak is het belangrijk om een balans te vinden tussen vermogen, snelheid en blazen.

Als het niet mogelijk is om in één poging een wit oppervlak te verkrijgen, kan het mogelijk zijn om dit te doen door één laag op een iets hoger vermogen te lassen en vervolgens het vermogen voor een tweede laag te verlagen.

Conclusie

Tijdens het proces van laserlassen, om ervoor te zorgen high-kwaliteitslassen resultaten is het belangrijk om rekening te houden met een aantal factoren, waaronder materiaaleigenschappen, laservermogen, lassnelheid, focuspositie, beschermgas en lasnaadopening.

Voor veelgebruikte materialen zoals koolstofstaal, roestvast staal en aluminium platen kunnen de eerder genoemde initiële testparameters als referentie worden gebruikt en vervolgens worden aangepast aan de specifieke eigenschappen van het materiaal en de eisen van de klant om het gewenste laseffect te bereiken.