LU600007B1 - Ein Verfahren zur hochfrequenten Laserpräzisionsschweißung von hochgekohltem Stahl mit kontrollierter lokaler Wärmebehandlung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft den Bereich der Schweißtechnik und bezieht sich konkret auf ein Verfahren zur hochfrequenten Laserpräzisionsschweißung von hochgekohltem Stahl mit kontrollierter lokaler Wärmebehandlung, das die folgenden Schritte umfasst: S1: Auswahl von hochgekohltem Stahl und Entfernung von Oberflächenverunreinigungen durch chemische Reinigung und mechanische Aufrauhung; S2: Durchführung einer Laser-Vorwärmung vor dem Schweißen, wobei Temperatur und Aufheizrate kontrolliert werden, um thermische Spannungen und das Risiko von Rissen während des Schweißens zu verringern; S3: Anpassung der Laserwellenlänge, der Fokusposition, der Scangeschwindigkeit und des Pulsmodus; S4: Echtzeitü berwachung des Schweißprozesses mithilfe von Infrarot-Thermografie und optischen Sensoren sowie dynamische Anpassung der Parameter durch ein geschlossenes Regelsystem, um die Stabilität des Schmelzbades und die Konsistenz der Schweißnaht sicherzustellen; S5: Kontrolle der Abk ü hlgeschwindigkeit und Durchf ü hrung notwendiger Gl ü hbehandlungen. Durch die Optimierung der Materialauswahl, die präzise Steuerung der Laserparameter und die Echtzeit- Überwachung mit Rückkopplung verbessert die Erfindung die mechanischen Eigenschaften und die Stabilität der Schweißverbindungen von hochgekohltem Stahl erheblich.

Description

Ein Verfahren zur hochfrequenten Laserpräzisionsschweißung von hochgekohltem Stahl-/600007 mit kontrollierter lokaler Wärmebehandlung
Technischer Bereich
Die Erfindung betrifft das Gebiet der Schweißtechnik und bezieht sich konkret auf ein
Verfahren zur hochfrequenten Laserpräzisionsschweißung von hochgekohltem Stahl mit kontrollierter lokaler Wärmebehandlung.
Technologie im Hintergrund
Hochkohlenstoffstahl wird aufgrund seiner hervorragenden Härte und Festigkeit in der
Fertigungsindustrie häufig eingesetzt, z. B. als Werkzeugstahl und Formenstahl. Sein hoher
Kohlenstoffgehalt (0,6 - 0,9 %) führt jedoch dazu, dass während des Schweißprozesses harte und spröde Karbide sowie gehärtete Strukturen entstehen, was wiederum zu Rissen und anderen
Schweißfehlern führt. Dies wird durch komplexe Phasenumwandlungen verursacht, die bei hoher
Erwärmung und anschließender schneller Abkühlung auftreten. Typischerweise kommt es zur
Bildung von Martensit und zu Schweißrissen aufgrund von inneren Spannungen. Traditionelle
Schweißverfahren wie Gasschweißen oder Lichtbogenschweißen stoßen bei der Anwendung auf
Hochkohlenstoffstahl auf erhebliche Herausforderungen, die sich hauptsächlich in den folgenden
Punkten zeigen: 1. Hohe Rissempfindlichkeit: Kalte Risse: Hochkohlenstoffstahl enthält einen hohen Anteil an Kohlenstoff und anderen Legierungselementen (wie Mangan und Chrom), was während des
Schweißprozesses leicht zur Bildung von harter und sprôder Martensit-Phase führt. Diese
Phasenumwandlung erzeugt erhebliche innere Spannungen, die besonders während des Abkühlens nach dem Schweißen zur Entstehung von Kaltrissen führen. Diese Risse beeinträchtigen die strukturelle Integrität und Lebensdauer der Schweißverbindung erheblich. Heiße Risse: Während des Schweißprozesses bei Hochkohlenstoffstahl kann die durch plötzliche Temperaturänderungen entstehende Spannung auch heiße Risse verursachen. Heiße Risse entstehen typischerweise während des Schweißens aufgrund ungleichmäßiger Abkühlung und Schrumpfung, die durch die
Fließfähigkeit des flüssigen Metalls bei hohen Temperaturen verursacht werden. 2. Probleme bei der Kontrolle der Wärmeeinflusszone (WEZ): Aufgrund seiner geringen
Zähigkeit und hohen Härte bildet sich beim Schweißen von Hochkohlenstoffstahl oft eine große und schwer kontrollierbare Wärmeeinflusszone. Die Struktur der WEZ kann aus gehärtetem
Martensit und spröden Karbiden bestehen, was das Risiko von spröden Brüchen erhöht.
Bestehende Schweißtechniken (wie manuelles Lichtbogenschweißen oder Gasschutzschweißen) können den Wärmeeintrag nicht präzise kontrollieren, um die Größe der Wärmeeinflusszone und die Bildung ungleichmäßiger Strukturen zu minimieren. 3. Unvorteilhafte Mikrostruktur: Nach dem Schweißen neigt Hochkohlenstoffstahl zur
Bildung grober Körner und ungleichmäßiger Ausscheidungsphasen, was die mechanischen
Eigenschaften der Schweißverbindung erheblich reduziert. Traditionelle
Nachwärmebehandlungen reichen oft nicht aus, um die Mikrostruktur der Schweißnaht und der angrenzenden Bereiche zu verfeinern, wodurch die gewünschten Leistungsparameter (wie Härte und Zähigkeit) nicht erreicht werden können.
Inhalt der Erfindung
Der Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur hochfrequenten
Laserpräzisionsschweißung von hochgekohltem Stahl mit kontrollierter lokaler
Wärmebehandlung bereitzustellen. Durch die Optimierung der Materialauswahl, die präzise
Steuerung der Laserparameter und die Echtzeitüberwachung mit Rückkopplung werden die mechanischen Eigenschaften und die Stabilität der hochfrequenten Laser-SchweiBverbindungdt/800007 von hochgekohltem Stahl erheblich verbessert.
Um das oben genannte technische Ziel zu erreichen und die beschriebenen Effekte zu erzielen, wird die Erfindung durch die folgenden technischen Losungen verwirklicht:
Ein Verfahren zur hochfrequenten LaserpräzisionsschweiBung von hochgekohltem Stahl mit kontrollierter lokaler Wärmebehandlung umfasst die folgenden Schritte:
S1: Materialvorbereitung und Oberflächenbehandlung: Auswahl von hochgekohltem Stahl, der einer präzisen metallurgischen Verarbeitung unterzogen wurde. Oberflächenverunreinigungen werden durch chemische Reinigung und mechanische Aufrauhung entfernt, um die
Laserabsorption und die Schweißqualität zu verbessern.
S2: Lokale Wärmebehandlung: Vor dem Schweißen wird eine Laser-Vorwärmung durchgefü hrt, wobei Temperatur und Autheizrate kontrolliert werden, um thermische Spannungen und das
Risiko von Rissen während des SchweiBens zu reduzieren.
S3: Optimierung der Laser-Schweil3 parameter: Durch die Anpassung von Laserwellenlänge,
Fokusposition, Scangeschwindigkeit und Pulsmodus wird eine effiziente Energieabsorption und präzise Steuerung erreicht, sodass die Tiefe und Breite der SchweiBnaht geeignet sind.
S4: Echtzeitüberwachung und Rückkopplungsregelung: Mithilfe von Infrarot-Thermografie und optischen Sensoren wird der Schweißprozess in Echtzeit überwacht. Durch ein geschlossenes
Regelsystem werden die Parameter dynamisch angepasst, um die Stabilität des Schmelzbades und die Konsistenz der Schweißnaht sicherzustellen.
SS: Nachwärmebehandlung: Die Abkühlgeschwindigkeit wird gesteuert und erforderliche Gl ü hbehandlungen werden durchgef ü hrt, um die während des Schweißens entstandenen
Restspannungen zu beseitigen und die Mikrostruktur der Schweißnaht zu verbessern.
S6: Qualitätspr ü fung: Die innere Integrität und die mechanischen Eigenschaften der
Schweißnaht werden durch zerstörungsfreie Prüfungen und mechanische Tests umfassend bewertet, um sicherzustellen, dass die Designstandards erfüllt werden.
Die vorteilhaften Effekte der vorliegenden Erfindung:
Durch die Auswahl von hochgekohltem Stahl mit hervorragenden metallurgischen
Eigenschaften und einem geringen Anteil schädlicher Verunreinigungen wird die Zähigkeit und
Festigkeit der Schweißverbindung erheblich verbessert. Im Materialvorbereitungsprozess wird die chemische Zusammensetzung des Stahls mittels Spektralanalyse präzise gepr ü ft, um sicherzustellen, dass die chemischen Bestandteile des Stahls im idealen Bereich liegen. Dies ist entscheidend, um die übermäßige Bildung spröder Phasen während des Schweißens zu minimieren. Die Oberflächenbehandlung verbessert die Absorption der Laserenergie durch das
Material. Durch das Entfernen von Oxidschichten und Fetten sowie das mechanische Schleifen wird die optimale Oberflächenrauheit (Ra-Wert zwischen 1,6 - 3,2 um) erreicht. Dies verhindert effektiv die Entstehung von Poren und Einschlüssen während des Schweißprozesses und schafft die Grundlage für eine effiziente Energiekopplung und -übertragung in der anschließenden Laser-
Schweißphase.
Die vor dem Schweißen durchgef ü hrte Laser-Vorwärmung reduziert nicht nur den
Temperaturgradienten und die thermischen Spannungen während des Schweißens, sondern optimiert auch die Mikrostruktur durch ein präzises Temperaturdesign (z. B. eine Aufheizrate von 15 ° C/min und eine Vorwärmtemperatur von 780 ° C). Die Bildung und Stabilisierung des
Austenitbereichs ist entscheidend, um die Härtetendenz von hochgekohltem Stahl zu vermeiden.
Durch die lokale Wärmebehandlung wird der Auflôsungsgrad der Karbide und die
Gleichmäßigkeit des Austenits kontrolliert, um einen korrekten Phasenumwandlungspfad nadt/600007 dem Schweißen sicherzustellen. Dadurch entsteht ein feines, gleichmäßig verteiltes Perlit- und
Ferritgefüge, was die Zähigkeit und Rissbeständigkeit der Schweißnaht erhöht. Das gesamte
Wärmebehandlungsdesign basiert auf der Kombination der thermophysikalischen Eigenschaften des Materials und moderner theoretischer Grundlagen, wodurch optimale mechanische
Eigenschaften der Schweißnaht gewährleistet werden.
Durch die präzise Steuerung von Laserleistung, Schweißgeschwindigkeit und Fokusposition wird während des Schweißprozesses eine optimale Abstimmung von Einbrandtiefe und -breite erreicht, was die Festigkeit und Qualität der Materialverbindung maximiert. Die Optimierung der
Laserparameter berücksichtigt die Wärmeleitfähigkeit und den Schmelzpunkt von hochgekohltem
Stahl, um einen angemessenen Energieeintrag sicherzustellen und Überhitzung oder unzureichende Erwärmung zu vermeiden. Der Einsatz eines gepulsten Modus gewährleistet, dass jede Laserwirkung präziser ist und der Schweißprozess stabiler abläuft. Ein angemessiger
Schutzgasfluss verhindert nicht nur die Oxidation, sondern kontrolliert auch die Abk ü hlgeschwindigkeit, um eine ideale Mikrostruktur in der Schweißzone zu gewährleisten. Die
Kontrolle des Energieeintrags erfolgt durch präzise Berechnungen (z. B. Q = P / V), wodurch die
Schweißverbindung eine überlegene Struktur und Leistung erhält.
Durch die Integration von Echtzeit-Uberwachungstechnologien wie Infrarot-
Temperaturmessung, Laserleistungssensorik und visueller Überwachung wird eine dynamische
Steuerung des gesamten Schweißprozesses erreicht. Die Erfassung von Echtzeitdaten und intelligente Rückkopplungsmechanismen stellen sicher, dass Temperatur, Leistung und Nahtform stets im idealen Bereich liegen. Bei Abweichungen der Parameter von den Sollwerten reagiert das
System schnell, z. B. durch Reduzierung der Laserleistung zur Vermeidung von Überhitzung oder durch Anpassung der Schweißgeschwindigkeit zur Korrektur von Nahtabweichungen. Durch die
Einführung eines Faltungsneuronalen Netzwerks zur Schweißnahtbildanalyse und eines Fuzzy-
Control-Systems werden intelligente Korrekturen und Optimierungen durchgeführt, wodurch die
Qualität und Konsistenz des gesamten Schweißprozesses erheblich verbessert werden. Die
Anwendung des umfassenden Rückkopplungssystems ermöglicht die Etablierung einer effizienten und zuverlässigen Regelung für jeden Schweißprozess und gewährleistet die Ausgabe von
Schweißnähten mit höchsten Qualitätsstandards.
Selbstverständlich muss ein Produkt, das die vorliegende Erfindung implementiert, nicht unbedingt alle der oben genannten Vorteile gleichzeitig erfüllen.
Detaillierte Beschreibung
Nachfolgend wird der technische Lösungsansatz in den Ausf ü hrungsbeispielen der vorliegenden Erfindung klar und vollständig beschrieben. Es ist offensichtlich, dass die beschriebenen Ausführungsbeispiele lediglich einen Teil der Erfindung darstellen und nicht alle
Ausführungsbeispiele umfassen. Auf der Grundlage der in der Erfindung beschriebenen Ausfü hrungsbeispiele fallen alle anderen Ausführungsbeispiele, die von Fachleuten auf diesem Gebiet ohne kreativen Aufwand erzielt werden, in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung.
Ausführungsbeispiel 1
Das in diesem Ausf ü hrungsbeispiel beschriebene Verfahren zur hochfrequenten
Laserpräzisionsschweißung von hochgekohltem Stahl mit kontrollierter lokaler
Wärmebehandlung umfasst die folgenden Schritte:
Materialvorbereitung und Oberflächenbehandlung
Hochkohlenstoffstahl neigt während des Schweißprozesses zur Rissbildung, was auf seiné1/600007 hohen Kohlenstoffgehalt und mögliche Legierungselemente (wie Mangan, Chrom usw.) zurückzuf ühren ist. Diese Elemente neigen dazu, bei hohen Temperaturen harte und spröde Karbide zu bilden.
Daher sollte bei der Materialauswahl auf hochkohlenstoffhaltigen Stahl geachtet werden, der einer sorgfältigen metallurgischen Verarbeitung unterzogen wurde, um den Gehalt an schädlichen
Verunreinigungen zu reduzieren. Die Oberflächenreinigung durch Entfernen von Oxidschichten und Fetten verbessert die Zuverlässigkeit der Schweißverbindung, da Verunreinigungen Poren oder Einschlüsse in der Schweißnaht verursachen können. Vorbehandlungen wie Sandstrahlen oder mechanisches Schleifen erhöhen die Oberflächenrauheit, verbessern die Absorption der
Laserenergie und ermöglichen eine gleichmäßigere Erwärmung und bessere Schweißqualität.
Lokale Wärmebehandlung
Vor dem Schweißen wird eine Laser-Vorwärmung durchgeführt. Dieser Prozess reduziert effektiv den Temperaturgradienten und die thermischen Spannungen während des Schweißens und verringert so das Risiko der Rissbildung. Das Design der lokalen Wärmebehandlung muss die thermophysikalischen Eigenschaften und die geometrische Form des Materials berücksichtigen.
Es erfordert eine präzise Kontrolle des Temperaturgradienten und der Aufheizrate, um die gewü nschte mikrostrukturelle Veränderung zu erreichen. Eine optimale Vorwärmtemperatur ist entscheidend, um die Härtetendenz zu reduzieren und die Härte nach dem Schweißen effektiv zu kontrollieren.
Optimierung der Laser-Schweißparameter
Die Wahl der geeigneten Laserwellenlänge stellt sicher, dass die Energie effizient absorbiert wird, wobei die optischen Eigenschaften des hochgekohlten Stahls zu berücksichtigen sind. Durch die Anpassung der Fokusposition kann der Energieeintrag des Lasers optimiert werden, sodass er sich auf die Schweißlinie konzentriert und das Verhältnis von Schweißnahttiefe zu -breite sowie die Schweißeffizienz verbessert werden. Die Scangeschwindigkeit beeinflusst direkt die
Wärmeeinbringung: Eine hohe Scangeschwindigkeit reduziert die Breite der Wärmeeinflusszone, aber eine zu hohe Geschwindigkeit kann zu einer diskontinuierlichen Schweißnaht führen. Der
Einsatz des Pulsmodus verbessert die Präzision des Schweißens. Durch die Steuerung von
Pulsfrequenz und -energie kann die Wirkung jedes einzelnen Laserpulses genau eingestellt werden, wodurch der Schweißprozess kontrollierbarer und stabiler wird.
Echtzeitüberwachung und Rückkopplungsregelung
Durch den Einsatz fortschrittlicher Infrarot-Thermografie und optischer Sensoren ermöglicht die Echtzeit ü berwachung des SchweiBprozesses die Bereitstellung dynamischer
Temperaturverteilungsdaten. Diese Daten bilden die Grundlage für die Anpassung der
Laserleistung und Scangeschwindigkeit. Das Rückkopplungskontrollsystem analysiert die vom
Sensor erhaltenen Daten mithilfe von Algorithmen und passt die Schweißparameter schnell an, um eine stabile Schweißnahtqualität sicherzustellen. Ein solches geschlossenes Regelungssystem kann während des Schweißprozesses negative Trends aktiv korrigieren, wodurch die
Zuverlässigkeit und Konsistenz der Produktion erhöht wird.
Nachwärmebehandlung
Eine langsame Abkühlung reduziert die beim schnellen Abkühlen nach dem Schweißen entstehenden inneren Spannungen. Diese Spannungen sind eine der Hauptursachen für Risse bei hochgekohltem Stahl. Für bestimmte hochgekohlte Stähle ist eine nachträgliche Glühbehandlung notwendig. Die Glühtemperatur und -zeit müssen entsprechend dem Phasendiagramm des spezifischen Materials festgelegt werden, um die beim Schweißen entstandenen Restspannungen zu beseitigen und die Mikrostruktur der Schweißnaht sowie der angrenzenden Bereiche 600007 verbessern.
In diesem Ausführungsbeispiel umfasst Schritt S1 konkret:
S1.1: Materialauswahl: Der Kohlenstoffgehalt liegt zwischen 0,6 % und 0,9 %, der 5 Mangangehalt zwischen 0,3 % und 0,6 %, da der Kohlenstoffgehalt die Härte und Sprödigkeit des
Stahls sowie die Wärmebehandlungseffekte während des Schweillens direkt beeinflusst.
Hochpräzise Spektralanalysegeräte (wie ICP-OES) werden zur Überprüfung der chemischen
Zusammensetzung des Stahls verwendet. Dies stellt sicher, dass die Flementverhältnisse im akzeptablen Bereich liegen, um die übermäßige Bildung sprôder Phasen wie Fisenkarbide (FesC) während des SchweiBens zu vermeiden.
S1.2: Oberflächenreinigung: Durch die Kombination chemischer und mechanischer
Methoden werden Fette, Oxidschichten und andere Verunreinigungen entfernt. Die chemische
Reinigung erfolgt mit einer industriellen NaOH-Lôsung bei einer Konzentration von 7 = 9 %, wobei die Finweichzeit strikt auf 15 Minuten begrenzt ist, um eine vollständige Entfernung von
Fetten und Oxiden zu gewährleisten. Anschließend muss die Oberfläche mehrfach mit hochreinem
Wasser gespült werden, um Rückstände der Lauge zu entfernen. Die Wirksamkeit der
Oberflächenreinigung wird durch die Kontaktwinkelmessung geprüft. Es wird ein Kontaktwinkel nahe 0° gefordert, was zeigt, dass die Oberfläche vollständig benetzbar ist und die Reinigung den Anforderungen entspricht.
S1.3: Oberflächenrauheitsbehandlung: Mit Schleifpapier der Körnung 120 - 240 wird die
Oberfläche gleichmäßig aufgeraut, um die Oberflächenrauheit zu erhöhen und so die Absorption der Laserenergie zu verbessern. Die Oberflächenrauheit wird mit einem Rauheitsmessgerät überpr ii ft, wobei der Ra-Wert im Bereich von 1,6 - 3,2 um liegen muss, um eine optimale
Laserabsorption sicherzustellen. Eine zu hohe oder zu niedrige Rauheit würde die Wechselwirkung zwischen Laser und Material beeinträchtigen, daher ist eine strenge Kontrolle erforderlich.
S1.4: Oxidschichtbehandlung: Die Behandlung erfolgt durch mechanisches Polieren oder
Säurebeizen mit verdünnter Salzsäure bei einer Konzentration von 5 %. Die Finweichzeit ist auf 5 Minuten begrenzt. Dadurch werden Fisenoxide auf der Oberfläche effektiv entfernt, um die
Fließfähigkeit und die Bindungseigenschaften des Schmelzbades während des Schweißens nicht zu beeinträchtigen. Die Dicke der verbleibenden Oxidschicht wird mittels Röntgenbeugung analysiert und muss weniger als 0,05 um betragen.
In diesem Ausführungsbeispiel umfasst Schritt S2 konkret:
S2.1: Aufheizphase: Der Schweißbereich des hochgekohlten Stahls wird auf eine bestimmte
Temperatur T erwärmt, um die Austenitisierung zu erreichen. Die gewählte Temperatur T beträgt 780 ° C, was leicht über dem kritischen Punkt A1 (727 ° C) liegt. Diese Wahl basiert auf dem
Gleichgewichtsphasendiagramm des Materials und stellt sicher, dass Karbide bei dieser
Temperatur vollständig gelöst und eine gleichmäßige Austenitstruktur gebildet wird. Um die
Aufheizrate Rh zu kontrollieren, wird die Formel Rn = (T - To) / tn verwendet, wobei To die
Anfangstemperatur (Raumtemperatur) und tn die erforderliche Aufheizzeit ist. Rn wird auf 15 °
C/min eingestellt, um einen gleichmäßigen Temperaturanstieg zu gewährleisten und die
Entstehung von thermischen Spannungen und StrukturungleichmäBigkeiten zu verhindern.
S2.2: Haltephase: Nach Erreichen der Zieltemperatur wird eine konstante Haltebehandlung durchgeführt. Die Haltezeit wird auf 20 Minuten festgelegt. Die Berechnungsformel für die
Haltezeit lautet: LU600007 tw = C-d
Dabei ist C eine Konstante, die 4 Minuten pro Millimeter beträgt, und d die SchweiBnahtdicke.
Für einen SchweiBbereich mit einer Dicke von 5 Millimetern beträgt die Haltezeit 20 Minuten.
Ziel dieser Phase ist es, eine gleichmäßige Austenitstruktur zu gewährleisten und die vollständige
Auflôsung der Karbide sicherzustellen. Durch diese Behandlung erreicht das Gefüge des Materials einen = thermodynamisch stabilen Zustand, wodurch Spannungen aufgrund von
Phasenumwandlungen während des anschließenden Abkühlens reduziert werden.
S2.3: Langsame Abkühlung: Nach der Haltephase erfolgt eine langsame Abkühlung, um eine
Martensitbildung und die damit einhergehende Versprödung des Materials zu verhindern. Die Abk ühlrate Rc wird mithilfe der Formel Re = (T - Tr) / tc gesteuert, wobei Tr die Endtemperatur (in der Regel Raumtemperatur) und tc die Abkühlzeit ist. Die Abkühlrate Rc muss streng auf 7 °
C/min kontrolliert werden. Durch die Kontrolle dieser langsamen Abkühlrate kann die Bildung eines feinen Perlit- und Ferritgefü ges im Schweißbereich gefördert werden. Diese Phasen verbessern die Zähigkeit der Schweißnaht und die gesamte mechanische Leistung.
S2.4: Mikrostrukturanalyse und Härtepr ü fung: Nach der Wärmebehandlung muss die
Mikrostruktur des Schweißbereichs mithilfe eines Mikroskops analysiert werden, um das
Verhältnis und die Verteilung von Perlit, Ferrit und die Gleichmäßigkeit der Karbide zu bestätigen.
Zudem wird eine Härteprüfung durchgeführt, in der Regel mit einem Brinell-Härteprüfgerät. Der
Zielwert der Härte sollte bei 220 HBW liegen. Diese Härte gewährleistet, dass der Schweißbereich die notwendige Zähigkeit und Rissbeständigkeit unter Lastbedingungen aufweist.
S2.5: Spannungsabbau: Eine niedrigtemperierte Spannungsabbau-Behandlung wird durchgef ührt. Die Schweißbaugruppe wird auf 200 ° C erhitzt und 1 Stunde lang gehalten. Dies hilft, die inneren Spannungen zu reduzieren und die Zersetzung von unvollständig umgewandeltem
Austenit zu fördern. Diese Behandlung verbessert die Stabilität des Schweißbereichs und verhindert Verformungen und Versagen im späteren Einsatz.
In diesem Ausführungsbeispiel umfasst Schritt S3 konkret:
S3.1: Einstellung der Laserleistung: Die Laserleistung wird basierend auf den physikalischen
Eigenschaften des Materials festgelegt. Für hochgekohlten Stahl wird die Wärmeleitfähigkeit (50
W/mK) berücksichtigt. Die erforderliche Laserleistung wird mithilfe der Formel P = kA (Tm-
T1) berechnet, wobei A die vorgesehene Schmelzbadsfläche, Tm der Schmelzpunkt des Materials (1535 ° C) und T1 die Umgebungstemperatur (25 ° C) ist. Diese Einstellung stellt sicher, dass das Material während des Schweißens vollständig aufgeschmolzen wird, ohne zu überhitzen.
S3.2: Bestimmung der Schweißgeschwindigkeit: Die Schweißgeschwindigkeit V wird abhängig von der Materialdicke und der erforderlichen Schweißenergie eingestellt. Die Formel lautet: V=E/(P * t) Dabei ist E die benötigte Energie pro Längeneinheit, P die Laserleistung und t die Materialdicke. Die berechnete Geschwindigkeit wird zur Einstellung der Schweißausrüstung verwendet, um einen stabilen Schweißprozess sicherzustellen und Schweißfehler zu vermeiden.
S3.3: Anpassung der Fokusposition: Die Fokusposition Zr des Lasers beeinflusst die
;
LU600007
Schmelztiefe und -breite. Sie wird präzise durch die Formel Zr = f +Af festgelegt, wobei f die
Brennweite des Lasersystems und Af die experimentell ermittelte Fokuskorrektur ist. Dies stellt sicher, dass die Laserenergie auf die SchweiBoberfläche oder leicht darunter konzentriert wird, um die Materialauflôsung und die Verbindungseigenschaften zu optimieren.
S3.4: Einstellung des Schutzgasflusses: Das Schutzgas verhindert die Oxidation der
SchweiBnaht während des SchweiBens und sorgt für eine moderate Abkühlgeschwindigkeit. Der
Schutzgasfluss Fg wird mit der Formel Fg = Cg:S berechnet, wobei Cg der Gasflusskoeffizient (L/min) und S die SchweiBgeschwindigkeit ist. Der Fluss wird experimentell optimiert, um
Oberflächendefekte zu vermeiden.
S3.5: Kontrolle des Wärmeeintrags: Der Wärmeeintrag Q wird durch die Formel Q = P/ V präzise gesteuert, wobei P die Laserleistung und V die SchweiBgeschwindigkeit ist. Diese
Steuerung stellt eine gleichmäßige Wärmeverteilung während des Schweillens sicher. Ein angemessener Wärmeeintrag gewährleistet, dass die Mikrostruktur der SchweiBnaht den idealen
Zustand erreicht und gute mechanische Figenschaften aufweist.
In diesem Ausführungsbeispiel umfasst Schritt S4 konkret:
S4.1: Datenerfassung und Sensoranordnung: Temperaturmesssensoren, Kamera ü berwachungseinrichtungen und Lasersensoren werden an der SchweiBstelle und deren Umgebung platziert, um Temperatur-, Bild- und Leistungsdaten während des SchweiBprozesses zu erfassen.
Die Datenerfassungsfrequenz wird basierend auf der SchweiBgeschwindigkeit und den dynamischen Veränderungen des Schmelzbades auf 1000 Abtastungen pro Sekunde eingestellt, um eine hochpräzise Echtzeitüberwachung zu gewährleisten.
S4.2 Temperatur ü berwachung und R ü ckkopplungsregelung: Mit einem Infrarot-
Temperaturmessgerät wird die Temperatur T im SchweiBbereich überwacht, um sicherzustellen, dass die Temperatur innerhalb des festgelegten Bereichs bleibt und Überhitzung oder unzureichende Erwärmung vermieden wird. Der Temperaturbereich ist festgelegt auf Tmin bis
T max, wobei Tmin 1530 ° Cund T max 1580 ° C beträgt.
Wenn T > Trax, wird die Laserleistung P reduziert, wobei die Anpassung durch AP = k1-(T - Tmax) erfolgt, wobei kı der Regelkoeffizient ist.
Wenn T < Trin, wird die Laserleistung P erhöht, wobei die Anpassung durch AP = ka (Tin -T) erfolgt, wobei ka der Regelkoeffizient ist.
S4.3 Schweißnaht-Überwachung: Eine hochauflösende Kamera erfasst in Echtzeit Bilder des
Schmelzbades, die anschließend mithilfe eines Faltungsneuronalen Netzwerks (CNN) analysiert werden. Das CNN klassifiziert und erkennt Anomalien in der Form des Schmelzbades und der
Schweißnaht. Durch das Training mit umfangreichen, annotierten Daten kann das CNN die unterschiedlichen Schweißnahtmerkmale präzise identifizieren und Abweichungen wie
Nahtversatz oder unzureichende Schmelztiefe erkennen. Wenn durch die visuelle Überwachung eine Abweichung der Schweißnahtform festgestellt wird, korrigiert das System diese mithilfe einb4/600007
Fuzzy-Logik-Algorithmus (Fuzzy Logic Control) in Echtzeit. Der Fuzzy-Controller bewertet die
Abweichungen zwischen den CNN-Ausgabedaten und den idealen Schweißnahtdaten und nimmt umfassende Anpassungen der Laserfokusposition und Schweißgeschwindigkeit vor. Die Fuzzy-
Regelbasis wird basierend auf verschiedenen Schweißbedingungen aufgebaut und ermöglicht eine flexible Anpassung an komplexe Veränderungen der SchweiBnahtform.
S4.4 Laserleistungsüberwachung und -anpassung: Ein Laserleistungssensor überwacht in
Echtzeit die Laserleistung und stellt sicher, dass die Schwankungen innerhalb des festgelegten engen Bereichs liegen. Falls die überwachte Abweichung AP den Feinabstimmungsbereich ü berschreitet, passt das Steuerungssystem den Laseroutput automatisch mithilfe eines adaptiven
Regelungsalgorithmus in Echtzeit an, sodass die Laserleistung stabil auf dem Zielwert gehalten wird.
S4.5 Integrierte Rückkopplungsregelung: Über das verteilte Steuerungssystem werden die
Schweißparameter analysiert und sofort angepasst. Wenn die Parameter von den
Qualitätsstandards abweichen, wird die Priorität der Korrekturen mithilfe eines Algorithmus bestimmt, und Laserleistung sowie Schweißgeschwindigkeit werden aktualisiert. Die spezifischen
Aktualisierungsformeln lauten: Pnew = Pola +AP und Snew = Sota TAS. Die Anpassungseffekte werden automatisch aufgezeichnet und die Daten an das Steuerungssystem zurückgemeldet, um nachfolgende SchweiBprozesse zu optimieren. Dieses präzise Echtzeit-Uberwachungs- und Rü ckkopplungssystem gewährleistet eine hohe Qualität und Konsistenz des SchweiBprozesses.
In diesem Ausführungsbeispiel umfasst der Schritt SS:
S5.1 Vorwärmbehandlung: Reduzierung des Temperaturgradienten während der
Nachwärmebehandlung, um die Entstehung von thermischen Spannungen zu verringern. Die
Vorwärmtemperatur Tpre wird auf 600 ° C und die Zeit tpre auf 30 Minuten festgelegt. In dieser
Phase wird ein Temperaturkontrollgerät eingesetzt, um sicherzustellen, dass die Temperatur des gesamten Werkstücks gleichmäßig erreicht wird. Die Temperaturüberwachung erfolgt mit einem
Thermoelement vom Typ K. Wenn die überwachte Temperaturabweichung AT > +5 ° C beträgt, wird die Heizleistung P des Gerätes angepasst. Die Anpassung erfolgt gemäß der Formel:
Puew = Poa + k'AT, wobei k der Regelkoeffizient ist, um die Zieltemperatur schnell wiederherzustellen.
S5.2 Hauptwärmebehandlung: Durch geeignete Temperatur- und Zeitparameter wird eine
Ausscheidungshärtung und Rekristallisationsbehandlung der Schweißnaht durchgeführt. Die
Zieltemperatur Tmain wird auf 950 ° C und die Haltezeit tmain auf 1 Stunde festgelegt. Die
Temperatursteuerung erfolgt mittels PID-Regelalgorithmus, um die konstante
Behandlungstemperatur aufrechtzuerhalten. Die PID-Regelparameter sind wie folgt festgelegt:
Proportionalband Kp = 1,5, Integrationszeit Ti = 10 Sekunden und Differenzialzeit Ta = 1 Sekunde.
Während des Aufheizprozesses muss die Temperaturanstiegsrate dT/dt auf unter 10 ° C/min kontrolliert werden, um thermische Schocks zu vermeiden.
S5.3 Langsame Abk ü hlung: Verhinderung der Kornvergrôberung und der erneuten
Entstehung unerwünschter innerer Spannungen. Die Abkühlrate wird auf 5 ° C/min festgelegt/600007 bis die Werkst ü cktemperatur Raumtemperatur erreicht. Während der Abkühlung wird die
Strömung des K ü hlmediums (einschließlich Stickstoff oder Luft) mithilfe eines
Durchflussregelventils fein abgestimmt. Die Regelungsformel für die Kühlrate lautet: Rnew = Rold +m AT, wobei m der Durchflussregelkoeffizient und A T der Unterschied zwischen der aktuellen Temperatur und der Zieltemperatur ist.
S5.4 Qualitätstests: Durchf ü hrung von Härtepr ü fungen, Mikrostrukturanalysen und
Messungen der Eigenspannung. Die Härtemessung erfolgt mithilfe eines Vickers-Härteprüfgeräts, wobei die Härtewerte HV aufgezeichnet werden und die Norm H Vmin <HV < HVmax erfüllen müssen. Die Mikrostruktur wird mit einem metallographischen Mikroskop untersucht, um festzustellen, ob es zu unzureichender Kornbindung oder ungleichmäßiger
Ausscheidungsverteilung kommt. Die Eigenspannung wird durch die Röntgenbeugungsmethode gemessen, wobei die Ergebnisse innerhalb des voreingestellten Grenzbereichs von +50 MPa liegen müssen.
Ausführungsbeispiel 2
Das in diesem Ausf ü hrungsbeispiel beschriebene Verfahren zur hochfrequenten
Laserpräzisionsschweißung von hochgekohltem Stahl mit kontrollierter lokaler
Wärmebehandlung umfasst zusätzlich die folgenden Schritte:
Qualitätstests
Zerstörungsfreie Prüfverfahren wie Ultraschall- oder Röntgenprüfung ermöglichen die
Bewertung der inneren Struktur der Schweißnaht, ohne das Werkstück zu beschädigen. Dabei können mögliche Defekte wie Poren, Einschlüsse und Risse erkannt werden. Die Analyse der
Mikrostruktur ist ein wichtiger Bestandteil der Materialwissenschaft. Durch die Beobachtung des
Mikrogefüges im Schweißbereich mithilfe eines metallographischen Mikroskops lässt sich der
Einfluss des Schweißprozesses auf die Mikrostruktur des Materials beurteilen. Mechanische Prü fungen sind ein entscheidender Schritt zur Sicherstellung der Schweißqualität und -sicherheit.
Diese Tests überprüfen, ob die Festigkeit, Zähigkeit und Duktilität der Schweißnaht den
Konstruktionsanforderungen entsprechen.
Ergebnisrückmeldung und Prozessoptimierung
Nach Abschluss des gesamten Schweißprozesses müssen alle Parameter und Testergebnisse systematisch aufgezeichnet werden. Diese Daten dienen nicht nur zur Bestätigung der Qualität des spezifischen Werkst ü cks, sondern liefern auch eine Grundlage für zuk ü nftige
Prozessverbesserungen. Durch kontinuierliche Datenanalyse und Rückmeldung kann der
Schweißprozess kontinuierlich optimiert werden, insbesondere hinsichtlich der Anpassung der
Laserparameter und der lokalen Wärmebehandlung. Dies stellt sicher, dass der Prozess den
Anforderungen unterschiedlicher Produktionsumgebungen und Materialien gerecht wird.
In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Qualitätserprüfung konkret Folgendes:
Zunächst wird eine Härteprüfung durchgeführt. Ein Vickers-Härteprüfgerät wird verwendet, um die Härte an mehreren Punkten der Schweißnaht und der Wärmeeinflusszone zu messen. Die aufgebrachte Kraft beträgt 9,8 Newton, und an jedem Messpunkt wird die Länge der
Eindruckdiagonale d aufgezeichnet. Die Härte wird mit der Formel HV = 1.854 x F/d berechnet, wobei F die aufgebrachte Kraft von 9,8 Newton und d die Länge der Eindruckdiagonat&/600007 ist. Die Härte an den Messpunkten muss im Bereich von 290 HV bis 320 HV liegen. Bei
Abweichungen von diesem Bereich sind die SchweiBprozessparameter wie
Schweißgeschwindigkeit oder Stromstärke zu überprüfen und gegebenenfalls anzupassen, gefolgt von einer erneuten Wärmebehandlung.
Anschließend wird eine Mikrostrukturanalyse durchgeführt. Nach dem Polieren und Ätzen der Probe wird die Mikrostruktur der Schweißnaht unter einem metallographischen Mikroskop mit 1000-facher Vergrößerung beobachtet. Es sollten gleichmäßige äquiaxiale Körner und eine angemessene Menge feiner Ausscheidungen zu sehen sein, die gleichmäßig verteilt sind, ohne dass eine abnormale Korngrenzenausdehnung auftritt. Falls grobe Körner oder eine Anhäufung von
Ausscheidungen beobachtet werden, muss ü berpr ü ft werden, ob die Parameter der
Nachwärmebehandlung korrekt eingehalten wurden, wie z. B. die Haltezeit von 1 Stunde bei 950 °
C. Bei Bedarf werden die Parameter der Nachwärmebehandlung optimiert, um die Mikrostruktur zu verbessern.
Darauf folgt die Messung der Eigenspannung mithilfe der Röntgenbeugungsmethode. Die
Schweißnaht wird mit Röntgenstrahlen bestrahlt, und die Verschiebung des Beugungswinkels A20 wird gemessen, um die Änderung des Gitterabstands zu bestimmen. Die Eigenspannung 6 wird mit der Formel 6 = E / (1 + v)-Ad / d berechnet, wobei E der Elastizitätsmodul des Materials (MPa), V die Poissonzahl, Ad die Änderung des Gitterabstands und d der urspr ü ngliche
Gitterabstand ist. Die gemessene Eigenspannung muss im Bereich von -50 MPa bis 50 MPa liegen.
Liegen die Werte außerhalb dieses Bereichs, müssen die SchweiBparameter angepasst oder eine
Spannungsabbau-Glühbehandlung durchgeführt werden.
Alle oben genannten Messergebnisse werden gesammelt und ausgewertet, um einen Prü fbericht zu erstellen. Die Einhaltung der festgelegten Standards fiir Harte, Mikrostruktur und
Eigenspannung ist ein Indikator für die Qualitätskonformität. Im Falle von Abweichungen werden die Ursachen der Abweichung detailliert analysiert, wie z. B. unzureichende
Behandlungstemperaturen, unzureichende Haltezeiten oder Fehler in den Prozessparametern.
Konkrete Maßnahmen wie eine erneute Wärmebehandlung oder die Optimierung der
Prozessparameter werden ergriffen, um sicherzustellen, dass die Qualität der
Schweißverbindungen den Konstruktionsanforderungen entspricht. Auf diese Weise wird durch sorgfältige Prüf- und Anpassungsschritte sichergestellt, dass die Schweißverbindungen in der
Praxis zuverlässige Leistung und lange Lebensdauer aufweisen.
Nach der Analyse werden umgehend Maßnahmen zur Prozessanpassung ergriffen. Wenn
Härteabweichungen festgestellt werden, kann der Wärmeeintrag durch Anpassung der
Schweißspannung und des Schweißstroms sowie durch eine moderate Verringerung der
Schweißgeschwindigkeit kontrolliert werden. Falls die Mikrostruktur nicht den Anforderungen entspricht, wird die Wärmebehandlungstemperatur und -zeit erneut angepasst, um eine gleichmäßige Korngrößenverteilung zu erreichen. Bei zu hohen Eigenspannungen muss durch eine
Neufestlegung der Schweißreihenfolge oder die Hinzufügung geeigneter Spannungsabbau-Glü hschritte die Spannung reduziert werden.
Es werden Prozessverifizierungsexperimente nach den Anpassungen durchgeführt. Basierend auf den aktualisierten Prozessparametern wird eine Reihe kleinerer Verifizierungsexperiment&/600007 durchgeführt. Dabei wird sichergestellt, dass jede Messung - von der Härte über die
Mikrostruktur bis hin zu den Eigenspannungen - den Konstruktionsstandards entspricht. Alle experimentellen Daten werden aufgezeichnet und die Wirksamkeit der Anpassungen bewertet.
Ein detaillierter Feedback-Bericht wird erstellt, der die Prüfergebnisse, den Analyseprozess, die Maßnahmen zur Prozessanpassung und die Ergebnisse der Verifizierungsexperimente vollständig dokumentiert. Dabei wird klar aufgezeigt, inwiefern die Qualitätsverbesserungen erzielt wurden und welchen konkreten Einfluss sie auf die Produktion haben. Dieser Bericht wird den relevanten Abteilungen zur Verfügung gestellt, um eine kontinuierliche Prozessoptimierung sicherzustellen und die Schweißqualität weiter zu verbessern.
Die oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dienen lediglich der Erläuterung dieser Erfindung. Die bevorzugten Ausf ü hrungsbeispiele beschreiben nicht alle Details vollständig und beschränken die Erfindung nicht auf die spezifischen dargestellten Ausf ü hrungsarten. Es ist offensichtlich, dass auf Basis des Inhalts dieser
Beschreibung viele Modifikationen und Variationen vorgenommen werden können. Die Auswahl und detaillierte Beschreibung dieser Ausführungsbeispiele dient lediglich der besseren Erläuterung der Prinzipien und praktischen Anwendungen der Erfindung, sodass Fachleute auf diesem Gebiet die Erfindung gut verstehen und anwenden können. Die Erfindung ist ausschließlich durch die
Ansprüche und deren gesamten Umfang sowie Äquivalente eingeschränkt.

Claims (7)

Ansprüche LU600007
1.Ein hochfrequentes Laserpräzisionsschweißverfahren für hochgekohlten Stahl mit kontrollierter lokaler Wärmebehandlung, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst: S1: Materialvorbereitung und Oberflächenbehandlung: Auswahl von hochgekohltem Stahl, der einer präzisen metallurgischen Verarbeitung unterzogen wurde, und Entfernung von Oberflächenverunreinigungen durch chemische Reinigung und mechanische Aufrauhung zur Verbesserung der Laserabsorption und Schweißqualität; S2: Lokale Wärmebehandlung: Durchführung einer Laser-Vorwärmung vor dem Schweißen, wobei Temperatur und Aufheizrate kontrolliert werden, um thermische Spannungen und das Risiko von Rissen während des Schweißens zu reduzieren; S3: Optimierung der Laser-Schweißparameter: Durch Anpassung von Laserwellenlänge, Fokusposition, Scangeschwindigkeit und Pulsmodus wird eine effiziente Energieabsorption und präzise Steuerung erreicht, um die geeignete Schweißnahttiefe und -breite sicherzustellen; S4: Echtzeitüberwachung und Rückkopplungsregelung: Mithilfe von Infrarot-Thermografie und optischen Sensoren wird der Schweißprozess in Echtzeit überwacht, während die Parameter durch ein geschlossenes Regelungssystem dynamisch angepasst werden, um die Stabilität des Schmelzbades und die Konsistenz der Schweißnaht sicherzustellen; SS: Nachwärmebehandlung: Kontrolle der Abkühlrate und Durchführung notwendiger Glu hbehandlungen zur Beseitigung von Restspannungen nach dem Schweißen und zur Verbesserung der Mikrostruktur der Schweißnaht.
2. Das Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es zusätzlich eine Qualitätsprüfung umfasst: Durch den Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren wie Ultraschall- oder Röntgenprüfungen wird die innere Struktur der Schweißnaht bewertet, ohne das Werkstück zu beschädigen, um mögliche Defekte wie Poren, Einschlüsse und Risse zu identifizieren; die Mikrostruktur im Schweißbereich wird mithilfe eines metallographischen Mikroskops untersucht, um den Einfluss des Schweißprozesses auf das Mikrogefüge des Materials zu bewerten; mechanische Prüfungen gewährleisten die Qualität und Sicherheit der Schweißnaht.
3. Das Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Qualitätsprüfung Folgendes umfasst: Härteprüfung: Mit einem Vickers-Härteprüfgerät wird die Härte an mehreren Punkten der Schweißnaht und der Wärmeeinflusszone gemessen; die aufgebrachte Kraft beträgt 9,8 N, und die Länge der Eindruckdiagonale d wird an jedem Messpunkt aufgezeichnet. Die Härte wird mit der Formel HV = 1,854 X F/d?* berechnet, wobei F die aufgebrachte Kraft und d die Länge der Eindruckdiagonale ist. Die Härtewerte der Messpunkte müssen im Bereich von 290 HV bis 320 HV liegen. Bei Abweichungen müssen die Schweißparameter überprüft und gegebenenfalls angepasst werden, gefolgt von einer erneuten Wärmebehandlung; Mikrostrukturanalyse: Nach dem Polieren und Ätzen der Probe wird die Mikrostruktur der Schweißnaht unter einem metallographischen Mikroskop bei 1000-facher Vergrößerung beobachtet. Es sollten gleichmäßige äquiaxiale Körner und eine angemessene Menge feiner Ausscheidungen zu sehen sein, die gleichmäßig verteilt sind und ohne abnormale Korngrenzenausdehnung vorliegen. Falls grobe Körner oder eine Anhäufung von Ausscheidungen festgestellt werden, muss überprüft werden, ob die Wärmebehandlungstemperatur und -haltezeit korrekt eingehalten wurden; falls erforderlich, werden die Parameter der Nachwärmebehandlung optimiert, um die Mikrostruktur zu verbessern; LU600007 Messung der Eigenspannung: Die Schweißnaht wird mit Röntgenstrahlen bestrahlt, und die Verschiebung des Beugungswinkels A2 6 wird gemessen, um die Änderung des Gitterabstands zu bestimmen. Die Eigenspannung © wird mit der Formel © =E/(1+ Vv) + Ad/dberechnet, wobei E der Elastizitätsmodul des Materials, v die Poissonzahl, A d die Änderung des Gitterabstands und d der ursprüngliche Gitterabstand ist. Die gemessene Spannung muss im Bereich von -50 MPa bis 50 MPa liegen. Bei Abweichungen müssen die Schweißparameter angepasst oder eine Spannungsabbau-Glühbehandlung durchgeführt werden; Alle oben genannten Messergebnisse werden gesammelt und ausgewertet, und ein Prü fbericht wird erstellt. Die Einhaltung der Standards für Härte, Mikrostruktur und Eigenspannung ist ein Indikator für die Qualitätskonformität.
4. Wie in Anspruch 1 beschriebenes hochfrequentes Laserpräzisionsschweißverfahren für hochgekohlten Stahl mit kontrollierter lokaler Wärmebehandlung, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt S2 Folgendes umfasst:
S2.1: Aufheizphase: Der SchweiBbereich des hochgekohlten Stahls wird auf eine spezifische Temperatur T erhitzt, um die Austenitisierung zu erreichen; die gewählte Temperatur T beträgt 780 ° C, leicht über dem kritischen Punkt Al von 727 ° C. Basierend auf dem Gleichgewichtsphasendiagramm des Materials wird sichergestellt, dass die Karbide bei dieser Temperatur vollständig gelöst werden und eine gleichmäßige Austenitstruktur entsteht. Um die Aufheizrate Rn zu steuern, wird die Formel Rn = (T - To) / tn verwendet, wobei To die Anfangstemperatur und tn die benötigte Aufheizzeit ist. Rn wird auf 15 ° C/min festgelegt, um einen gleichmäßigen Temperaturanstieg zu gewährleisten und thermische Spannungen sowie Strukturungleichmäßigkeiten zu verhindern.
S2.2: Haltephase: Nach Erreichen der Zieltemperatur wird eine konstante Haltebehandlung durchgeführt, die Zeit wird auf 20 Minuten festgelegt. Die Berechnungsformel für die Haltezeit lautet: tw = C-d, wobei C eine Konstante von 4 Minuten pro Millimeter ist und d die SchweiBnahtdicke darstellt. Für eine SchweiBnahtdicke von 5 Millimetern beträgt die Haltezeit 20 Minuten. Dies gewährleistet die GleichmäBigkeit des Austenits und die vollständige Auflösung der Karbide.
S2.3: Langsame Abkühlung: Nach der Haltephase erfolgt eine langsame Abkühlung, um eine Martensitbildung und die daraus resultierende Versprôdung des Materials zu vermeiden. Die Abk tihlrate Rc wird mithilfe der Formel Re = (T - Tr) / te gesteuert, wobei Tr die Endtemperatur und tc die Abkühlzeit ist. Re wird strikt auf 7 ° C/min kontrolliert. Durch diese langsame Abkiihlrate wird die Bildung von feinem Perlit und Ferrit im SchweiBbereich gefördert.
S2.4: Mikrostrukturanalyse und Härteprüfung: Nach Abschluss der Wärmebehandlung wird die Mikrostruktur des SchweiBbereichs mithilfe eines Mikroskops analysiert, um das Verhältnis, die Verteilung und die GleichmäBigkeit von Perlit, Ferrit und Karbiden zu bestätigen. Die Härtepr üfung erfolgt mit einem Brinell-Härteprüfgerät.
S2.5: Spannungsabbau: Eine niedrigtemperierte Spannungsabbau-Behandlung wird durchgef ührt. Die Schweißbaugruppe wird auf 200 ° C erhitzt und 1 Stunde lang gehalten. LU600007
5.Wie in Anspruch 1 beschriebenes hochfrequentes Laserpräzisionsschweißverfahren für hochgekohlten Stahl mit kontrollierter lokaler Wärmebehandlung, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt S3 Folgendes umfasst:
S3.1: Einstellung der Laserleistung: Die Laserleistung wird basierend auf den physikalischen Eigenschaften des Materials festgelegt. Sie wird entsprechend der Wärmeleitfähigkeit berechnet. Die benötigte Laserleistung ergibt sich aus der Formel P = kA: (Tm-Tı), wobei A die vorgesehene Schmelzbadsfläche, Tm der Schmelzpunkt des Materials (1535 ° C) und T1 die Umgebungstemperatur (25 ° C) ist.
S3.2: Bestimmung der SchweiBgeschwindigkeit: Die SchweiBgeschwindigkeit V wird mithilfe der Formel V = E / (P * t) berechnet, wobei E die benötigte Energie pro Längeneinheit, P die Laserleistung und t die Materialdicke ist.
S3.3: Anpassung der Fokusposition: Die Fokusposition Zf des Lasers beeinflusst die Schmelztiefe und -breite. Sie wird präzise durch die Formel Zr = f +Af eingestellt, wobei f die Brennweite des Lasersystems und À f die experimentell ermittelte Fokuskorrektur ist.
S3.4: Einstellung des Schutzgasflusses: Der Schutzgasfluss verhindert die Oxidation der SchweiBnaht während des SchweiBens und gewährleistet eine moderate Abkühlgeschwindigkeit. Die Schutzgasflussrate Fe wird mithilfe der Formel Fg = CoS berechnet, wobei Cg der Gasflusskoeffizient und S die SchweiBgeschwindigkeit ist.
S3.5: Kontrolle des Wärmeeintrags: Der Wärmeeintrag Q wird durch die Formel Q = P/ V präzise gesteuert, wobei P die Laserleistung und V die SchweiBgeschwindigkeit ist. Dies gewährleistet eine gleichmäßige Wärmeverteilung während des SchweiBprozesses.
6. Wie in Anspruch 1 beschriebenes hochfrequentes LaserpräzisionsschweiBverfahren für hochgekohlten Stahl mit kontrollierter lokaler Wärmebehandlung, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt S4 Folgendes umfasst:
S4.1: Datenerfassung und Sensoranordnung: Mithilfe von Temperaturmesssensoren, Kamera überwachungseinrichtungen und Laserleistungssensoren werden Daten zu Temperatur, Bild und Leistung während des Schweißprozesses an der Schweißstelle und deren Umgebung gesammelt. Die Datenerfassungsfrequenz wird entsprechend der Schweißgeschwindigkeit und den dynamischen Veränderungen des Schmelzbades auf 1000 Abtastungen pro Sekunde eingestellt, um eine hochpräzise Echtzeitüberwachung sicherzustellen.
S4.2: Temperatur ü berwachung und R ü ckkopplungsregelung: Die Temperatur T im Schweißbereich wird mithilfe eines Infrarot-Temperaturmessgeräts U berwacht, um sicherzustellen, dass sie im festgelegten Bereich bleibt und Überhitzung oder unzureichende Erwärmung vermieden wird. Der Temperaturbereich wird auf Tmin bis Tmax festgelegt, wobei Tmin 1530 ° Cund Tmax 1580 ° C beträgt. Wenn T > Tmax, wird die Laserleistung P reduziert, wobei der Anpassungswert berechnet wird als AP = k1-(T - Tmax), wobei kı der Regelkoeffizient ist.
Wenn T < Tmin, wird die Laserleistung P erhöht, wobei der Anpassungswert berechnet wird als AP = k>-(Tmin - T), wobei k2 der Regelkoeffizient ist.
S4.3: Visuelle SchweiBüberwachung: Eine hochauflösende Kamera erfasst in Echtzeit Bilder des Schmelzbades. Anschließend analysiert ein Faltungsneuronales Netzwerk (CNN) die Schweißnahtform. Das CNN klassifiziert und erkennt Anomalien in der Form des Schmelzbades und der Schweißnaht. Nach umfangreichem Training mit annotierten Daten kann das CNN präzise verschiedene Schweißnahtmerkmale identifizieren und Formanomalien wie Nahtversatz oder unzureichende Schmelztiefe erkennen. Falls visuelle Abweichungen festgestellt werden, korrigiert das System diese mithilfe eines Fuzzy-Logik-Reglers in Echtzeit. Der Fuzzy-Regler bewertet die Abweichungen zwischen den CNN-Ausgabedaten und den idealen Schweißnahtdaten und nimmt umfassende Anpassungen der Laserfokusposition und der Schweißgeschwindigkeit vor. Die Fuzzy-Regelbasis wird auf Basis verschiedener Schweißbedingungen erstellt und ermöglicht eine flexible Anpassung an komplexe Veränderungen der SchweiBnahtform.
S4.4: Laserleistungsüberwachung und -anpassung: Ein Laserleistungssensor überwacht in Echtzeit die Laserleistung und stellt sicher, dass Schwankungen innerhalb des festgelegten engen Bereichs bleiben. Falls die überwachte Leistungsabweichung AP den Feinabstimmungsbereich überschreitet, passt das Steuerungssystem die Laserleistung automatisch mithilfe eines adaptiven Regelungsalgorithmus in Echtzeit an, um die Laserleistung stabil auf dem Zielwert zu halten.
S4.5: Integrierte Rückkopplungsregelung: Die Schweißparameter werden durch das verteilte Steuerungssystem analysiert und sofort angepasst. Wenn die Parameter von den Qualitätsstandards abweichen, wird die Priorität der Korrekturen mithilfe eines Algorithmus bestimmt. Laserleistung und Schweißgeschwindigkeit werden entsprechend den Formeln Pnew = Pola +AP und Snew = Soild +AS aktualisiert. Die Anpassungseffekte werden automatisch aufgezeichnet und die Daten an das Steuerungssystem zurückgemeldet, um nachfolgende Schweißprozesse zu optimieren.
7. Wie in Anspruch 1 beschriebenes hochfrequentes Laserpräzisionsschweißverfahren für hochgekohlten Stahl mit kontrollierter lokaler Wärmebehandlung, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt S5 Folgendes umfasst:
S5.1: Vorerwärmbehandlung: Reduzierung des Temperaturgradienten während der Nachwärmebehandlung, um die Entstehung thermischer Spannungen zu verringern; die Vorerwärmtemperatur Tpre wird auf 600 ° C und die Zeit tpre auf 30 Minuten festgelegt. Ein Temperaturkontrollgerät wird verwendet, um sicherzustellen, dass die Temperatur des gesamten Werkst ticks gleichmäßig auf die vorgegebene Temperatur erwärmt wird. Die Temperatur ü berwachung erfolgt mit einem K-Thermoelement. Falls die gemessene Temperaturabweichung AT > +5°C beträgt, wird die Leistung P des Heizgeräts gemäß der Formel Pnew = Pola + k'AT angepasst, wobei k der Regelkoeffizient ist, um eine schnelle Rückkehr zur Zieltemperatur sicherzustellen.
S5.2: Hauptwärmebehandlung: Durch geeignete Temperatur- und Zeitparameter wird eine Ausscheidungshärtung und Rekristallisationsbehandlung der SchweiBnaht durchgeführt. Die
Zieltemperatur Tmain wird auf 950 ° C und die Haltezeit tmain auf 1 Stunde festgelegt. Die Temperaturregelung erfolgt mittels PID-Regelalgorithmus zur Aufrechterhaltung einer konstanten Behandlungstemperatur, wobei die PID-Regelparameter wie folgt festgelegt sind: Proportionalband Ky, = 1,5, Integrationszeit Ti = 10 Sekunden, Differenzialzeit Ta = 1 Sekunde. Während des Aufheizprozesses muss die Temperaturanstiegsrate dT/dt auf unter 10 ° C/min kontrolliert werden, um thermische Schocks zu vermeiden.
S5.3: Langsame Abk ü hlung: Verhinderung der Kornvergrôberung und der erneuten Entstehung unerwünschter innerer Spannungen. Die Abkühlrate wird auf 5 ° C/min festgelegt, bis die Temperatur des Werkstücks Raumtemperatur erreicht. Während der Abkühlung wird die Strômungsrate des Kühlmediums mithilfe eines Durchflussregelventils fein angepasst. Die Abkü hlrate R wird gemäß der Formel Rnew = Row +m: AT geregelt, wobei m der Durchflussregelkoeffizient und AT der Unterschied zwischen der aktuellen Temperatur und der Zieltemperatur ist.
S5.4: Qualitätsprüfung: Durchführung von Härteprüfungen, Mikrostrukturanalysen und Messungen der Eigenspannung. Die Härtemessung erfolgt mit einem Vickers-Härteprüfgerät, wobei die Härtewerte HV aufgezeichnet werden und den Standards HVmin < HV < HVmax entsprechen müssen. Die Mikrostruktur wird mithilfe eines metallographischen Mikroskops untersucht, um festzustellen, ob Defekte an Korngrenzen oder eine ungleichmäßige Verteilung von Ausscheidungen vorliegen. Die Messung der Eigenspannung erfolgt mithilfe der Röntgenbeugungsmethode, wobei die Ergebnisse innerhalb des voreingestellten Bereichs von + MPa liegen müssen.
LU600007A 2024-12-23 2024-12-23 Ein Verfahren zur hochfrequenten Laserpräzisionsschweißung von hochgekohltem Stahl mit kontrollierter lokaler Wärmebehandlung LU600007B1 (de)

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