LU600007B1 - A process for high-frequency laser precision welding of high-carbon steel with controlled local heat treatment - 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.The invention relates to the field of welding technology and specifically relates to a method for high-frequency laser precision welding of high-carbon steel with controlled local heat treatment, comprising the following steps: S1: Selection of high-carbon steel and removal of surface contaminants by chemical cleaning and mechanical roughening; S2: Carrying out laser preheating before welding, with temperature and heating rate controlled to reduce thermal stresses and the risk of cracks during welding; S3: Adjusting the laser wavelength, focus position, scan speed and pulse mode; S4: Real-time monitoring of the welding process using infrared thermography and optical sensors, as well as dynamic adjustment of the parameters by a closed-loop control system to ensure the stability of the molten pool and the consistency of the weld seam; S5: Controlling the cooling rate and carrying out any necessary annealing treatments. By optimizing material selection, precise control of laser parameters, and real-time monitoring with feedback, the invention significantly improves the mechanical properties and stability of high-carbon steel welds.

Description

Ein Verfahren zur hochfrequenten Laserpräzisionsschweißung von hochgekohltem Stahl-/600007 mit kontrollierter lokaler WärmebehandlungA process for high-frequency laser precision welding of high-carbon steel/600007 with controlled local heat treatment

Technischer BereichTechnical area

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Schweißtechnik und bezieht sich konkret auf einThe invention relates to the field of welding technology and specifically relates to a

Verfahren zur hochfrequenten Laserpräzisionsschweißung von hochgekohltem Stahl mit kontrollierter lokaler Wärmebehandlung.Process for high-frequency laser precision welding of high-carbon steel with controlled local heat treatment.

Technologie im HintergrundTechnology in the background

Hochkohlenstoffstahl wird aufgrund seiner hervorragenden Härte und Festigkeit in derHigh carbon steel is used in the

Fertigungsindustrie häufig eingesetzt, z. B. als Werkzeugstahl und Formenstahl. Sein hohermanufacturing industry, e.g., as tool steel and mold steel. Its high

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 anderenHowever, the carbon content (0.6 - 0.9%) leads to the formation of hard and brittle carbides and hardened structures during the welding process, which in turn leads to cracks and other

Schweißfehlern führt. Dies wird durch komplexe Phasenumwandlungen verursacht, die bei hoherThis is caused by complex phase transformations that occur at high

Erwärmung und anschließender schneller Abkühlung auftreten. Typischerweise kommt es zurheating and subsequent rapid cooling. Typically, the

Bildung von Martensit und zu Schweißrissen aufgrund von inneren Spannungen. TraditionelleFormation of martensite and welding cracks due to internal stresses. Traditional

Schweißverfahren wie Gasschweißen oder Lichtbogenschweißen stoßen bei der Anwendung aufWelding processes such as gas welding or arc welding encounter problems when used

Hochkohlenstoffstahl auf erhebliche Herausforderungen, die sich hauptsächlich in den folgendenHigh carbon steel faces significant challenges, mainly in the following

Punkten zeigen: 1. Hohe Rissempfindlichkeit: Kalte Risse: Hochkohlenstoffstahl enthält einen hohen Anteil an Kohlenstoff und anderen Legierungselementen (wie Mangan und Chrom), was während desPoints show: 1. High crack sensitivity: Cold cracks: High carbon steel contains a high proportion of carbon and other alloying elements (such as manganese and chromium), which during

Schweißprozesses leicht zur Bildung von harter und sprôder Martensit-Phase führt. Diesewelding process easily leads to the formation of hard and brittle martensite phase. This

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 diePhase transformation creates significant internal stresses, which lead to the formation of cold cracks, especially during cooling after welding. These cracks seriously compromise the structural integrity and service life of the welded joint. Hot cracks: During the welding process of high-carbon steel, the stresses created by sudden temperature changes can also cause hot cracks. Hot cracks typically develop during welding due to uneven cooling and shrinkage caused by the

Fließfähigkeit des flüssigen Metalls bei hohen Temperaturen verursacht werden. 2. Probleme bei der Kontrolle der Wärmeeinflusszone (WEZ): Aufgrund seiner geringenFluidity of the liquid metal at high temperatures. 2. Problems in controlling the heat-affected zone (HAZ): Due to its small

Zähigkeit und hohen Härte bildet sich beim Schweißen von Hochkohlenstoffstahl oft eine große und schwer kontrollierbare Wärmeeinflusszone. Die Struktur der WEZ kann aus gehärtetemDue to its toughness and high hardness, welding of high-carbon steel often results in a large and difficult to control heat-affected zone. The structure of the HAZ can be made of hardened

Martensit und spröden Karbiden bestehen, was das Risiko von spröden Brüchen erhöht.Martensite and brittle carbides, which increases the risk of brittle fractures.

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 zurExisting welding techniques (such as manual arc welding or gas shielded welding) cannot precisely control the heat input to minimize the size of the heat-affected zone and the formation of uneven structures. 3. Unfavorable microstructure: After welding, high-carbon steel tends to

Bildung grober Körner und ungleichmäßiger Ausscheidungsphasen, was die mechanischenFormation of coarse grains and uneven precipitation phases, which increases the mechanical

Eigenschaften der Schweißverbindung erheblich reduziert. TraditionelleProperties of the welded joint are significantly reduced. Traditional

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.Post-heat treatments are often insufficient to refine the microstructure of the weld and adjacent areas, thus preventing the desired performance parameters (such as hardness and toughness) from being achieved.

Inhalt der ErfindungContent of the invention

Der Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur hochfrequentenThe purpose of the present invention is to provide a method for high-frequency

Laserpräzisionsschweißung von hochgekohltem Stahl mit kontrollierter lokalerLaser precision welding of high-carbon steel with controlled local

Wärmebehandlung bereitzustellen. Durch die Optimierung der Materialauswahl, die präziseheat treatment. By optimizing the material selection, the precise

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.By controlling the laser parameters and real-time monitoring with feedback, the mechanical properties and stability of the high-frequency laser welded joint dt/800007 of high-carbon steel are significantly improved.

Um das oben genannte technische Ziel zu erreichen und die beschriebenen Effekte zu erzielen, wird die Erfindung durch die folgenden technischen Losungen verwirklicht:In order to achieve the above-mentioned technical goal and to achieve the described effects, the invention is realized by the following technical solutions:

Ein Verfahren zur hochfrequenten LaserpräzisionsschweiBung von hochgekohltem Stahl mit kontrollierter lokaler Wärmebehandlung umfasst die folgenden Schritte:A process for high-frequency laser precision welding of high-carbon steel with controlled local heat treatment comprises the following steps:

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 dieS1: Material preparation and surface treatment: Selection of high-carbon steel that has undergone precise metallurgical processing. Surface contaminants are removed by chemical cleaning and mechanical roughening to ensure

Laserabsorption und die Schweißqualität zu verbessern.To improve laser absorption and welding quality.

S2: Lokale Wärmebehandlung: Vor dem Schweißen wird eine Laser-Vorwärmung durchgefü hrt, wobei Temperatur und Autheizrate kontrolliert werden, um thermische Spannungen und dasS2: Local heat treatment: Before welding, laser preheating is carried out, with temperature and heating rate controlled to reduce thermal stresses and the

Risiko von Rissen während des SchweiBens zu reduzieren.To reduce the risk of cracks during welding.

S3: Optimierung der Laser-Schweil3 parameter: Durch die Anpassung von Laserwellenlänge,S3: Optimization of laser welding parameters: By adjusting laser wavelength,

Fokusposition, Scangeschwindigkeit und Pulsmodus wird eine effiziente Energieabsorption und präzise Steuerung erreicht, sodass die Tiefe und Breite der SchweiBnaht geeignet sind.Focus position, scanning speed and pulse mode achieve efficient energy absorption and precise control so that the depth and width of the weld seam are suitable.

S4: Echtzeitüberwachung und Rückkopplungsregelung: Mithilfe von Infrarot-Thermografie und optischen Sensoren wird der Schweißprozess in Echtzeit überwacht. Durch ein geschlossenesS4: Real-time monitoring and feedback control: Using infrared thermography and optical sensors, the welding process is monitored in real time.

Regelsystem werden die Parameter dynamisch angepasst, um die Stabilität des Schmelzbades und die Konsistenz der Schweißnaht sicherzustellen.The control system dynamically adjusts the parameters to ensure the stability of the melt pool and the consistency of the weld seam.

SS: Nachwärmebehandlung: Die Abkühlgeschwindigkeit wird gesteuert und erforderliche Gl ü hbehandlungen werden durchgef ü hrt, um die während des Schweißens entstandenenSS: Post-heat treatment: The cooling rate is controlled and necessary annealing treatments are carried out to remove the

Restspannungen zu beseitigen und die Mikrostruktur der Schweißnaht zu verbessern.To eliminate residual stresses and improve the microstructure of the weld.

S6: Qualitätspr ü fung: Die innere Integrität und die mechanischen Eigenschaften derS6: Quality control: The internal integrity and mechanical properties of the

Schweißnaht werden durch zerstörungsfreie Prüfungen und mechanische Tests umfassend bewertet, um sicherzustellen, dass die Designstandards erfüllt werden.Welds are comprehensively evaluated through non-destructive testing and mechanical testing to ensure that design standards are met.

Die vorteilhaften Effekte der vorliegenden Erfindung:The advantageous effects of the present invention:

Durch die Auswahl von hochgekohltem Stahl mit hervorragenden metallurgischenBy selecting high-carbon steel with excellent metallurgical

Eigenschaften und einem geringen Anteil schädlicher Verunreinigungen wird die Zähigkeit undProperties and a low proportion of harmful impurities, the toughness and

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 dasThe strength of the weld joint is significantly improved. During the material preparation process, the chemical composition of the steel is precisely tested using spectral analysis to ensure that the chemical components of the steel are within the ideal range. This is crucial to minimize the excessive formation of brittle phases during welding. The surface treatment improves the absorption of laser energy by the

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-Material. The removal of oxide layers and grease, as well as mechanical grinding, achieves the optimal surface roughness (Ra value between 1.6 - 3.2 µm). This effectively prevents the formation of pores and inclusions during the welding process and creates the basis for efficient energy coupling and transfer in the subsequent laser welding.

Schweißphase.Welding phase.

Die vor dem Schweißen durchgef ü hrte Laser-Vorwärmung reduziert nicht nur denThe laser preheating carried out before welding not only reduces the

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 destemperature gradients and thermal stresses during welding, but also optimizes the microstructure through precise temperature design (e.g., a heating rate of 15 °C/min and a preheating temperature of 780 °C). The formation and stabilization of the

Austenitbereichs ist entscheidend, um die Härtetendenz von hochgekohltem Stahl zu vermeiden.Austenite range is crucial to avoid the hardening tendency of high-carbon steel.

Durch die lokale Wärmebehandlung wird der Auflôsungsgrad der Karbide und dieThe local heat treatment increases the degree of dissolution of the carbides and the

Gleichmäßigkeit des Austenits kontrolliert, um einen korrekten Phasenumwandlungspfad nadt/600007 dem Schweißen sicherzustellen. Dadurch entsteht ein feines, gleichmäßig verteiltes Perlit- undUniformity of the austenite is controlled to ensure a correct phase transformation path after welding. This results in a fine, evenly distributed pearlite and

Ferritgefüge, was die Zähigkeit und Rissbeständigkeit der Schweißnaht erhöht. Das gesamteFerrite structure, which increases the toughness and crack resistance of the weld. The entire

Wärmebehandlungsdesign basiert auf der Kombination der thermophysikalischen Eigenschaften des Materials und moderner theoretischer Grundlagen, wodurch optimale mechanischeHeat treatment design is based on the combination of the thermophysical properties of the material and modern theoretical principles, which ensures optimal mechanical

Eigenschaften der Schweißnaht gewährleistet werden.Properties of the weld seam are guaranteed.

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 derThrough the precise control of laser power, welding speed, and focus position, an optimal adjustment of penetration depth and width is achieved during the welding process, which maximizes the strength and quality of the material connection. The optimization of the

Laserparameter berücksichtigt die Wärmeleitfähigkeit und den Schmelzpunkt von hochgekohltemLaser parameters take into account the thermal conductivity and melting point of high carbon

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 angemessigerSteel to ensure adequate energy input and avoid overheating or insufficient heating. The use of a pulsed mode ensures that each laser action is more precise and the welding process is more stable. An appropriate

Schutzgasfluss verhindert nicht nur die Oxidation, sondern kontrolliert auch die Abk ü hlgeschwindigkeit, um eine ideale Mikrostruktur in der Schweißzone zu gewährleisten. DieShielding gas flow not only prevents oxidation but also controls the cooling rate to ensure an ideal microstructure in the weld zone.

Kontrolle des Energieeintrags erfolgt durch präzise Berechnungen (z. B. Q = P / V), wodurch dieControl of the energy input is carried out by precise calculations (e.g. Q = P / V), which

Schweißverbindung eine überlegene Struktur und Leistung erhält.Welded joint achieves superior structure and performance.

Durch die Integration von Echtzeit-Uberwachungstechnologien wie Infrarot-By integrating real-time monitoring technologies such as infrared

Temperaturmessung, Laserleistungssensorik und visueller Überwachung wird eine dynamischeTemperature measurement, laser power sensors and visual monitoring, a dynamic

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 dasControl of the entire welding process is achieved. Real-time data acquisition and intelligent feedback mechanisms ensure that temperature, power, and weld shape are always within the ideal range. If the parameters deviate from the target values, the

System schnell, z. B. durch Reduzierung der Laserleistung zur Vermeidung von Überhitzung oder durch Anpassung der Schweißgeschwindigkeit zur Korrektur von Nahtabweichungen. Durch diesystem quickly, e.g. by reducing the laser power to avoid overheating or by adjusting the welding speed to correct seam deviations.

Einführung eines Faltungsneuronalen Netzwerks zur Schweißnahtbildanalyse und eines Fuzzy-Introduction of a convolutional neural network for weld seam image analysis and a fuzzy

Control-Systems werden intelligente Korrekturen und Optimierungen durchgeführt, wodurch dieControl system intelligent corrections and optimizations are carried out, which

Qualität und Konsistenz des gesamten Schweißprozesses erheblich verbessert werden. DieThe quality and consistency of the entire welding process can be significantly improved.

Anwendung des umfassenden Rückkopplungssystems ermöglicht die Etablierung einer effizienten und zuverlässigen Regelung für jeden Schweißprozess und gewährleistet die Ausgabe vonApplication of the comprehensive feedback system enables the establishment of an efficient and reliable control for each welding process and ensures the output of

Schweißnähten mit höchsten Qualitätsstandards.Welds with the highest quality standards.

Selbstverständlich muss ein Produkt, das die vorliegende Erfindung implementiert, nicht unbedingt alle der oben genannten Vorteile gleichzeitig erfüllen.Of course, a product implementing the present invention does not necessarily have to fulfill all of the above-mentioned advantages simultaneously.

Detaillierte BeschreibungDetailed description

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 alleIn the following, the technical approach in the embodiments of the present invention is described clearly and completely. It is obvious that the described embodiments represent only a part of the invention and not all

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.Embodiments include. Based on the embodiments described in the invention, all other embodiments that can be achieved by those skilled in the art without creative effort fall within the scope of the present invention.

Ausführungsbeispiel 1Example 1

Das in diesem Ausf ü hrungsbeispiel beschriebene Verfahren zur hochfrequentenThe method for high-frequency

Laserpräzisionsschweißung von hochgekohltem Stahl mit kontrollierter lokalerLaser precision welding of high-carbon steel with controlled local

Wärmebehandlung umfasst die folgenden Schritte:Heat treatment includes the following steps:

Materialvorbereitung und OberflächenbehandlungMaterial preparation and surface treatment

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.High-carbon steel is prone to cracking during the welding process due to its high carbon content and possible alloying elements (such as manganese, chromium, etc.). These elements tend to form hard and brittle carbides at high temperatures.

Daher sollte bei der Materialauswahl auf hochkohlenstoffhaltigen Stahl geachtet werden, der einer sorgfältigen metallurgischen Verarbeitung unterzogen wurde, um den Gehalt an schädlichenTherefore, when selecting materials, attention should be paid to high-carbon steel that has undergone careful metallurgical processing to reduce the content of harmful

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 derTo reduce impurities. Surface cleaning by removing oxide layers and grease improves the reliability of the weld, as impurities can cause pores or inclusions in the weld. Pretreatments such as sandblasting or mechanical grinding increase the surface roughness, improve the absorption of

Laserenergie und ermöglichen eine gleichmäßigere Erwärmung und bessere Schweißqualität.Laser energy and enable more even heating and better welding quality.

Lokale WärmebehandlungLocal heat treatment

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.Laser preheating is performed prior to welding. This process effectively reduces the temperature gradient and thermal stresses during welding, thus reducing the risk of cracking. The design of the local heat treatment must consider the thermophysical properties and geometric shape of the material.

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.Achieving the desired microstructural change requires precise control of the temperature gradient and heating rate. An optimal preheat temperature is crucial to reduce the hardening tendency and effectively control post-weld hardness.

Optimierung der Laser-SchweißparameterOptimization of laser welding parameters

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 dieChoosing the appropriate laser wavelength ensures that the energy is absorbed efficiently, taking into account the optical properties of the high-carbon steel. By adjusting the focus position, the laser energy input can be optimized so that it concentrates on the weld line, improving the weld depth-to-width ratio and welding efficiency. The scanning speed directly influences the

Wärmeeinbringung: Eine hohe Scangeschwindigkeit reduziert die Breite der Wärmeeinflusszone, aber eine zu hohe Geschwindigkeit kann zu einer diskontinuierlichen Schweißnaht führen. DerHeat input: A high scanning speed reduces the width of the heat-affected zone, but too high a speed can lead to a discontinuous weld.

Einsatz des Pulsmodus verbessert die Präzision des Schweißens. Durch die Steuerung vonUsing the pulse mode improves the precision of welding. By controlling

Pulsfrequenz und -energie kann die Wirkung jedes einzelnen Laserpulses genau eingestellt werden, wodurch der Schweißprozess kontrollierbarer und stabiler wird.Pulse frequency and energy allow the effect of each individual laser pulse to be precisely adjusted, making the welding process more controllable and stable.

Echtzeitüberwachung und RückkopplungsregelungReal-time monitoring and feedback control

Durch den Einsatz fortschrittlicher Infrarot-Thermografie und optischer Sensoren ermöglicht die Echtzeit ü berwachung des SchweiBprozesses die Bereitstellung dynamischerBy using advanced infrared thermography and optical sensors, real-time monitoring of the welding process enables the provision of dynamic

Temperaturverteilungsdaten. Diese Daten bilden die Grundlage für die Anpassung derTemperature distribution data. These data form the basis for the adjustment of the

Laserleistung und Scangeschwindigkeit. Das Rückkopplungskontrollsystem analysiert die vomLaser power and scanning speed. The feedback control system analyzes the

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 dieSensor data using algorithms and quickly adjusts the welding parameters to ensure stable weld quality. Such a closed-loop control system can actively correct negative trends during the welding process, thereby

Zuverlässigkeit und Konsistenz der Produktion erhöht wird.Reliability and consistency of production is increased.

NachwärmebehandlungPost-heat treatment

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.Slow cooling reduces the internal stresses that develop during rapid cooling after welding. These stresses are one of the main causes of cracking in high-carbon steel. For certain high-carbon steels, post-annealing treatment is necessary. The annealing temperature and time must be determined according to the phase diagram of the specific material to eliminate the residual stresses created during welding and improve the microstructure of the weld and the adjacent areas.

In diesem Ausführungsbeispiel umfasst Schritt S1 konkret:In this embodiment, step S1 specifically includes:

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 desS1.1: Material selection: The carbon content is between 0.6% and 0.9%, the manganese content between 0.3% and 0.6%, since the carbon content determines the hardness and brittleness of the

Stahls sowie die Wärmebehandlungseffekte während des Schweillens direkt beeinflusst.steel as well as the heat treatment effects during welding.

Hochpräzise Spektralanalysegeräte (wie ICP-OES) werden zur Überprüfung der chemischenHigh-precision spectral analysis instruments (such as ICP-OES) are used to check the chemical

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.composition of the steel. This ensures that the fusion ratios are within an acceptable range to avoid the excessive formation of brittle phases such as FeS carbides (FeSCl) during welding.

S1.2: Oberflächenreinigung: Durch die Kombination chemischer und mechanischerS1.2: Surface cleaning: By combining chemical and mechanical

Methoden werden Fette, Oxidschichten und andere Verunreinigungen entfernt. Die chemischeMethods are used to remove grease, oxide layers and other contaminants. The chemical

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 vonCleaning is carried out with an industrial NaOH solution at a concentration of 7 = 9%, with the soaking time strictly limited to 15 minutes to ensure complete removal of

Fetten und Oxiden zu gewährleisten. Anschließend muss die Oberfläche mehrfach mit hochreinemgreases and oxides. The surface must then be cleaned several times with high-purity

Wasser gespült werden, um Rückstände der Lauge zu entfernen. Die Wirksamkeit derWater to remove residues of the lye. The effectiveness of the

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.Surface cleaning is tested by contact angle measurement. A contact angle close to 0° is required, which indicates that the surface is fully wettable and the cleaning meets the requirements.

S1.3: Oberflächenrauheitsbehandlung: Mit Schleifpapier der Körnung 120 - 240 wird dieS1.3: Surface roughness treatment: With sandpaper of grain 120 - 240 the

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 optimaleThe surface is evenly roughened to increase the surface roughness and thus improve the absorption of the laser energy. The surface roughness is checked with a roughness tester, whereby the Ra value must be in the range of 1.6 - 3.2 µm to ensure optimal

Laserabsorption sicherzustellen. Eine zu hohe oder zu niedrige Rauheit würde die Wechselwirkung zwischen Laser und Material beeinträchtigen, daher ist eine strenge Kontrolle erforderlich.To ensure laser absorption. Roughness that is too high or too low would impair the interaction between the laser and the material, so strict control is required.

S1.4: Oxidschichtbehandlung: Die Behandlung erfolgt durch mechanisches Polieren oderS1.4: Oxide layer treatment: The treatment is carried out by mechanical polishing or

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 dieAcid pickling with diluted hydrochloric acid at a concentration of 5%. The soaking time is limited to 5 minutes. This effectively removes surface oxides to prevent

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.The flowability and bonding properties of the weld pool during welding are not impaired. The thickness of the remaining oxide layer is analyzed by X-ray diffraction and must be less than 0.05 μm.

In diesem Ausführungsbeispiel umfasst Schritt S2 konkret:In this embodiment, step S2 specifically includes:

S2.1: Aufheizphase: Der Schweißbereich des hochgekohlten Stahls wird auf eine bestimmteS2.1: Heating phase: The welding area of the high-carbon steel is heated to a certain

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 demTemperature T to achieve austenitization. The selected temperature T is 780 °C, which is slightly above the critical point A1 (727 °C). This choice is based on the

Gleichgewichtsphasendiagramm des Materials und stellt sicher, dass Karbide bei dieserEquilibrium phase diagram of the material and ensures that carbides in this

Temperatur vollständig gelöst und eine gleichmäßige Austenitstruktur gebildet wird. Um dietemperature is completely dissolved and a uniform austenite structure is formed.

Aufheizrate Rh zu kontrollieren, wird die Formel Rn = (T - To) / tn verwendet, wobei To dieTo control the heating rate Rh, the formula Rn = (T - To) / tn is used, where To is the

Anfangstemperatur (Raumtemperatur) und tn die erforderliche Aufheizzeit ist. Rn wird auf 15 °Initial temperature (room temperature) and tn is the required heating time. Rn is set to 15 °

C/min eingestellt, um einen gleichmäßigen Temperaturanstieg zu gewährleisten und dieC/min to ensure a uniform temperature rise and the

Entstehung von thermischen Spannungen und StrukturungleichmäBigkeiten zu verhindern.To prevent the formation of thermal stresses and structural irregularities.

S2.2: Haltephase: Nach Erreichen der Zieltemperatur wird eine konstante Haltebehandlung durchgeführt. Die Haltezeit wird auf 20 Minuten festgelegt. Die Berechnungsformel für dieS2.2: Holding phase: After reaching the target temperature, a constant holding treatment is carried out. The holding time is set to 20 minutes. The calculation formula for the

Haltezeit lautet: LU600007 tw = C-dHolding time is: LU600007 tw = C-d

Dabei ist C eine Konstante, die 4 Minuten pro Millimeter beträgt, und d die SchweiBnahtdicke.Where C is a constant equal to 4 minutes per millimeter and d is the weld thickness.

Für einen SchweiBbereich mit einer Dicke von 5 Millimetern beträgt die Haltezeit 20 Minuten.For a welding area with a thickness of 5 millimeters, the holding time is 20 minutes.

Ziel dieser Phase ist es, eine gleichmäßige Austenitstruktur zu gewährleisten und die vollständigeThe aim of this phase is to ensure a uniform austenite structure and the complete

Auflôsung der Karbide sicherzustellen. Durch diese Behandlung erreicht das Gefüge des Materials einen = thermodynamisch stabilen Zustand, wodurch Spannungen aufgrund vondissolution of the carbides. Through this treatment, the material structure reaches a thermodynamically stable state, whereby stresses due to

Phasenumwandlungen während des anschließenden Abkühlens reduziert werden.Phase transformations are reduced during subsequent cooling.

S2.3: Langsame Abkühlung: Nach der Haltephase erfolgt eine langsame Abkühlung, um eineS2.3: Slow cooling: After the holding phase, a slow cooling takes place in order to

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 °To prevent martensite formation and the associated embrittlement of the material, the cooling rate Rc is controlled using the formula Re = (T - Tr) / tc, where Tr is the final temperature (usually room temperature) and tc is the cooling time. The cooling rate Rc must be strictly limited to 7 °C.

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.C/min. Controlling this slow cooling rate can promote the formation of a fine pearlite and ferrite microstructure in the weld area. These phases improve weld toughness and overall mechanical performance.

S2.4: Mikrostrukturanalyse und Härtepr ü fung: Nach der Wärmebehandlung muss dieS2.4: Microstructure analysis and hardness testing: After heat treatment, the

Mikrostruktur des Schweißbereichs mithilfe eines Mikroskops analysiert werden, um dasMicrostructure of the weld area can be analyzed using a microscope to determine

Verhältnis und die Verteilung von Perlit, Ferrit und die Gleichmäßigkeit der Karbide zu bestätigen.To confirm the ratio and distribution of pearlite, ferrite and the uniformity of carbides.

Zudem wird eine Härteprüfung durchgeführt, in der Regel mit einem Brinell-Härteprüfgerät. DerIn addition, a hardness test is carried out, usually with a Brinell hardness tester.

Zielwert der Härte sollte bei 220 HBW liegen. Diese Härte gewährleistet, dass der Schweißbereich die notwendige Zähigkeit und Rissbeständigkeit unter Lastbedingungen aufweist.The target hardness should be 220 HBW. This hardness ensures that the weld area has the necessary toughness and crack resistance under load conditions.

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 umgewandeltemS2.5: Stress relief: A low-temperature stress relief treatment is performed. The welded assembly is heated to 200 °C and held for 1 hour. This helps to reduce internal stresses and promote the decomposition of incompletely transformed

Austenit zu fördern. Diese Behandlung verbessert die Stabilität des Schweißbereichs und verhindert Verformungen und Versagen im späteren Einsatz.To promote austenite. This treatment improves the stability of the weld area and prevents deformation and failure in later service.

In diesem Ausführungsbeispiel umfasst Schritt S3 konkret:In this embodiment, step S3 specifically includes:

S3.1: Einstellung der Laserleistung: Die Laserleistung wird basierend auf den physikalischenS3.1: Laser power setting: The laser power is adjusted based on the physical

Eigenschaften des Materials festgelegt. Für hochgekohlten Stahl wird die Wärmeleitfähigkeit (50Properties of the material. For high-carbon steel, the thermal conductivity (50

W/mK) berücksichtigt. Die erforderliche Laserleistung wird mithilfe der Formel P = kA (Tm-W/mK). The required laser power is calculated using the formula 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.T1), where A is the intended weld pool area, Tm is the melting point of the material (1535 °C), and T1 is the ambient temperature (25 °C). This setting ensures that the material is completely melted during welding without overheating.

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.S3.2: Determining the welding speed: The welding speed V is set depending on the material thickness and the required welding energy. The formula is: V=E/(P * t) where E is the required energy per unit length, P is the laser power, and t is the material thickness. The calculated speed is used to adjust the welding equipment to ensure a stable welding process and avoid welding defects.

S3.3: Anpassung der Fokusposition: Die Fokusposition Zr des Lasers beeinflusst dieS3.3: Adjusting the focus position: The focus position Zr of the laser influences the

;;

LU600007LU600007

Schmelztiefe und -breite. Sie wird präzise durch die Formel Zr = f +Af festgelegt, wobei f dieMelting depth and width. It is precisely determined by the formula Zr = f +Af, where f is the

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.Focal length of the laser system and Af is the experimentally determined focus correction. This ensures that the laser energy is concentrated on the weld surface or slightly below it to optimize material resolution and joint properties.

S3.4: Einstellung des Schutzgasflusses: Das Schutzgas verhindert die Oxidation derS3.4: Adjustment of the shielding gas flow: The shielding gas prevents the oxidation of the

SchweiBnaht während des SchweiBens und sorgt für eine moderate Abkühlgeschwindigkeit. DerWeld seam during welding and ensures a moderate cooling rate.

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, umShielding gas flow Fg is calculated using the formula Fg = Cg:S, where Cg is the gas flow coefficient (L/min) and S is the welding speed. The flow is optimized experimentally to

Oberflächendefekte zu vermeiden.To avoid surface defects.

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. DieseS3.5: Heat input control: The heat input Q is precisely controlled by the formula Q = P/ V, where P is the laser power and V is the welding speed. This

Steuerung stellt eine gleichmäßige Wärmeverteilung während des Schweillens sicher. Ein angemessener Wärmeeintrag gewährleistet, dass die Mikrostruktur der SchweiBnaht den idealenControl ensures uniform heat distribution during welding. Appropriate heat input ensures that the microstructure of the weld seam achieves the ideal

Zustand erreicht und gute mechanische Figenschaften aufweist.condition and has good mechanical properties.

In diesem Ausführungsbeispiel umfasst Schritt S4 konkret:In this embodiment, step S4 specifically includes:

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.S4.1: Data acquisition and sensor arrangement: Temperature sensors, camera monitoring devices and laser sensors are placed at the welding point and its surroundings to acquire temperature, image and power data during the welding process.

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.The data acquisition frequency is set to 1000 samples per second based on the welding speed and the dynamic changes of the weld pool to ensure high-precision real-time monitoring.

S4.2 Temperatur ü berwachung und R ü ckkopplungsregelung: Mit einem Infrarot-S4.2 Temperature monitoring and feedback control: With an infrared

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 bisThe temperature measuring device monitors the temperature T in the welding area to ensure that the temperature remains within the specified range and overheating or insufficient heating is avoided. The temperature range is set from Tmin to

T max, wobei Tmin 1530 ° Cund T max 1580 ° C beträgt.T max, where Tmin is 1530 ° C and T max is 1580 ° C.

Wenn T > Trax, wird die Laserleistung P reduziert, wobei die Anpassung durch AP = k1-(T - Tmax) erfolgt, wobei kı der Regelkoeffizient ist.If T > Trax, the laser power P is reduced, being adjusted by AP = k1-(T - Tmax), where kı is the control coefficient.

Wenn T < Trin, wird die Laserleistung P erhöht, wobei die Anpassung durch AP = ka (Tin -T) erfolgt, wobei ka der Regelkoeffizient ist.If T < Trin, the laser power P is increased, being adjusted by AP = ka (Tin -T), where ka is the control coefficient.

S4.3 Schweißnaht-Überwachung: Eine hochauflösende Kamera erfasst in Echtzeit Bilder desS4.3 Weld seam monitoring: A high-resolution camera captures real-time images of the

Schmelzbades, die anschließend mithilfe eines Faltungsneuronalen Netzwerks (CNN) analysiert werden. Das CNN klassifiziert und erkennt Anomalien in der Form des Schmelzbades und dermelt pool, which are then analyzed using a convolutional neural network (CNN). The CNN classifies and detects anomalies in the shape of the melt pool and the

Schweißnaht. Durch das Training mit umfangreichen, annotierten Daten kann das CNN die unterschiedlichen Schweißnahtmerkmale präzise identifizieren und Abweichungen wieWeld seam. By training with extensive annotated data, the CNN can precisely identify the different weld seam features and detect deviations such as

Nahtversatz oder unzureichende Schmelztiefe erkennen. Wenn durch die visuelle Überwachung eine Abweichung der Schweißnahtform festgestellt wird, korrigiert das System diese mithilfe einb4/600007Detect seam misalignment or insufficient fusion depth. If visual monitoring detects a deviation in the weld shape, the system corrects it using b4/600007

Fuzzy-Logik-Algorithmus (Fuzzy Logic Control) in Echtzeit. Der Fuzzy-Controller bewertet dieFuzzy logic algorithm (Fuzzy Logic Control) in real time. The fuzzy controller evaluates the

Abweichungen zwischen den CNN-Ausgabedaten und den idealen Schweißnahtdaten und nimmt umfassende Anpassungen der Laserfokusposition und Schweißgeschwindigkeit vor. Die Fuzzy-Deviations between the CNN output data and the ideal weld data and makes comprehensive adjustments to the laser focus position and welding speed. The fuzzy

Regelbasis wird basierend auf verschiedenen Schweißbedingungen aufgebaut und ermöglicht eine flexible Anpassung an komplexe Veränderungen der SchweiBnahtform.The rule base is built based on different welding conditions and enables flexible adaptation to complex changes in the weld seam shape.

S4.4 Laserleistungsüberwachung und -anpassung: Ein Laserleistungssensor überwacht inS4.4 Laser power monitoring and adjustment: A laser power sensor monitors

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 adaptivenreal-time laser power and ensures that fluctuations are within the specified narrow range. If the monitored deviation AP exceeds the fine-tuning range, the control system automatically adjusts the laser output using an adaptive

Regelungsalgorithmus in Echtzeit an, sodass die Laserleistung stabil auf dem Zielwert gehalten wird.Control algorithm in real time so that the laser power is kept stable at the target value.

S4.5 Integrierte Rückkopplungsregelung: Über das verteilte Steuerungssystem werden dieS4.5 Integrated feedback control: The distributed control system controls the

Schweißparameter analysiert und sofort angepasst. Wenn die Parameter von denWelding parameters are analyzed and adjusted immediately. If the parameters are

Qualitätsstandards abweichen, wird die Priorität der Korrekturen mithilfe eines Algorithmus bestimmt, und Laserleistung sowie Schweißgeschwindigkeit werden aktualisiert. Die spezifischenquality standards, the priority of the corrections is determined using an algorithm, and laser power and welding speed are updated. The specific

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.The update formulas are: Pnew = Pola + AP and Snew = Sota TAS. The adjustment effects are automatically recorded, and the data is fed back to the control system to optimize subsequent welding processes. This precise, real-time monitoring and feedback system ensures high quality and consistency of the welding process.

In diesem Ausführungsbeispiel umfasst der Schritt SS:In this embodiment, step SS comprises:

S5.1 Vorwärmbehandlung: Reduzierung des Temperaturgradienten während derS5.1 Preheating treatment: Reduction of the temperature gradient during

Nachwärmebehandlung, um die Entstehung von thermischen Spannungen zu verringern. DiePost-heat treatment to reduce the development of thermal stresses.

Vorwärmtemperatur Tpre wird auf 600 ° C und die Zeit tpre auf 30 Minuten festgelegt. In dieserPreheating temperature Tpre is set to 600 °C and the time tpre to 30 minutes. In this

Phase wird ein Temperaturkontrollgerät eingesetzt, um sicherzustellen, dass die Temperatur des gesamten Werkstücks gleichmäßig erreicht wird. Die Temperaturüberwachung erfolgt mit einemA temperature control device is used to ensure that the temperature of the entire workpiece is reached evenly. The temperature is monitored by a

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:Thermocouple type K. If the monitored temperature deviation AT > +5 °C, the heating power P of the device is adjusted. The adjustment is made according to the formula:

Puew = Poa + k'AT, wobei k der Regelkoeffizient ist, um die Zieltemperatur schnell wiederherzustellen.Puew = Poa + k'AT, where k is the control coefficient to quickly restore the target temperature.

S5.2 Hauptwärmebehandlung: Durch geeignete Temperatur- und Zeitparameter wird eineS5.2 Main heat treatment: By using suitable temperature and time parameters, a

Ausscheidungshärtung und Rekristallisationsbehandlung der Schweißnaht durchgeführt. DiePrecipitation hardening and recrystallization treatment of the weld seam.

Zieltemperatur Tmain wird auf 950 ° C und die Haltezeit tmain auf 1 Stunde festgelegt. DieTarget temperature Tmain is set to 950 °C and the holding time tmain to 1 hour.

Temperatursteuerung erfolgt mittels PID-Regelalgorithmus, um die konstanteTemperature control is carried out using PID control algorithm to ensure constant

Behandlungstemperatur aufrechtzuerhalten. Die PID-Regelparameter sind wie folgt festgelegt:To maintain the treatment temperature, the PID control parameters are set as follows:

Proportionalband Kp = 1,5, Integrationszeit Ti = 10 Sekunden und Differenzialzeit Ta = 1 Sekunde.Proportional band Kp = 1.5, integration time Ti = 10 seconds and derivative time Ta = 1 second.

Während des Aufheizprozesses muss die Temperaturanstiegsrate dT/dt auf unter 10 ° C/min kontrolliert werden, um thermische Schocks zu vermeiden.During the heating process, the temperature rise rate dT/dt must be controlled to below 10 °C/min to avoid thermal shocks.

S5.3 Langsame Abk ü hlung: Verhinderung der Kornvergrôberung und der erneutenS5.3 Slow cooling: Prevention of grain coarsening and re-

Entstehung unerwünschter innerer Spannungen. Die Abkühlrate wird auf 5 ° C/min festgelegt/600007 bis die Werkst ü cktemperatur Raumtemperatur erreicht. Während der Abkühlung wird dieThe cooling rate is set at 5 °C/min/600007 until the workpiece temperature reaches room temperature. During cooling, the

Strömung des K ü hlmediums (einschließlich Stickstoff oder Luft) mithilfe einesFlow of the cooling medium (including nitrogen or air) using a

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.The flow control valve is finely tuned. The cooling rate control formula is: Rnew = Rold +m AT, where m is the flow control coefficient and AT is the difference between the current temperature and the target temperature.

S5.4 Qualitätstests: Durchf ü hrung von Härtepr ü fungen, Mikrostrukturanalysen undS5.4 Quality tests: Hardness tests, microstructure analyses and

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 ungleichmäßigerResidual stress measurements. Hardness measurements are performed using a Vickers hardness tester, with the HV hardness values recorded and meeting the standard H Vmin <HV < HVmax. The microstructure is examined using a metallographic microscope to determine if there is insufficient grain bonding or uneven grain distribution.

Ausscheidungsverteilung kommt. Die Eigenspannung wird durch die Röntgenbeugungsmethode gemessen, wobei die Ergebnisse innerhalb des voreingestellten Grenzbereichs von +50 MPa liegen müssen.Precipitation distribution occurs. The residual stress is measured using the X-ray diffraction method, with the results being within the preset limit of +50 MPa.

Ausführungsbeispiel 2Example 2

Das in diesem Ausf ü hrungsbeispiel beschriebene Verfahren zur hochfrequentenThe method for high-frequency

Laserpräzisionsschweißung von hochgekohltem Stahl mit kontrollierter lokalerLaser precision welding of high-carbon steel with controlled local

Wärmebehandlung umfasst zusätzlich die folgenden Schritte:Heat treatment also includes the following steps:

QualitätstestsQuality tests

Zerstörungsfreie Prüfverfahren wie Ultraschall- oder Röntgenprüfung ermöglichen dieNon-destructive testing methods such as ultrasonic or X-ray testing enable the

Bewertung der inneren Struktur der Schweißnaht, ohne das Werkstück zu beschädigen. Dabei können mögliche Defekte wie Poren, Einschlüsse und Risse erkannt werden. Die Analyse derEvaluation of the internal structure of the weld without damaging the workpiece. Possible defects such as pores, inclusions, and cracks can be detected. The analysis of the

Mikrostruktur ist ein wichtiger Bestandteil der Materialwissenschaft. Durch die Beobachtung desMicrostructure is an important part of materials science. By observing the

Mikrogefüges im Schweißbereich mithilfe eines metallographischen Mikroskops lässt sich derMicrostructure in the weld area using a metallographic microscope allows the

Einfluss des Schweißprozesses auf die Mikrostruktur des Materials beurteilen. Mechanische Prü fungen sind ein entscheidender Schritt zur Sicherstellung der Schweißqualität und -sicherheit.Assess the influence of the welding process on the material's microstructure. Mechanical testing is a crucial step in ensuring welding quality and safety.

Diese Tests überprüfen, ob die Festigkeit, Zähigkeit und Duktilität der Schweißnaht denThese tests check whether the strength, toughness and ductility of the weld meet the

Konstruktionsanforderungen entsprechen.meet design requirements.

Ergebnisrückmeldung und ProzessoptimierungResult feedback and process optimization

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 nftigeAfter completion of the entire welding process, all parameters and test results must be systematically recorded. This data not only serves to confirm the quality of the specific workpiece but also provides a basis for future

Prozessverbesserungen. Durch kontinuierliche Datenanalyse und Rückmeldung kann derProcess improvements. Through continuous data analysis and feedback, the

Schweißprozess kontinuierlich optimiert werden, insbesondere hinsichtlich der Anpassung derWelding process can be continuously optimized, especially with regard to the adaptation of

Laserparameter und der lokalen Wärmebehandlung. Dies stellt sicher, dass der Prozess denLaser parameters and local heat treatment. This ensures that the process meets the

Anforderungen unterschiedlicher Produktionsumgebungen und Materialien gerecht wird.meets the requirements of different production environments and materials.

In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Qualitätserprüfung konkret Folgendes:In this example, the quality check specifically includes the following:

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 derFirst, a hardness test is performed. A Vickers hardness tester is used to measure the hardness at several points on the weld and the heat-affected zone. The applied force is 9.8 Newtons, and at each measuring point, the length of the

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. BeiIndentation diagonal d is recorded. The hardness is calculated using the formula HV = 1.854 x F/d, where F is the applied force of 9.8 Newtons and d is the length of the indentation diagonal. The hardness at the measuring points must be in the range of 290 HV to 320 HV.

Abweichungen von diesem Bereich sind die SchweiBprozessparameter wieDeviations from this range are the welding process parameters such as

Schweißgeschwindigkeit oder Stromstärke zu überprüfen und gegebenenfalls anzupassen, gefolgt von einer erneuten Wärmebehandlung.Check welding speed or current and adjust if necessary, followed by another heat treatment.

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 vonSubsequently, a microstructure analysis is performed. After polishing and etching the sample, the microstructure of the weld is observed under a metallographic microscope at 1000x magnification. Uniform equiaxial grains and a reasonable amount of fine precipitates should be visible, evenly distributed, without abnormal grain boundary expansion. If coarse grains or an accumulation of

Ausscheidungen beobachtet werden, muss ü berpr ü ft werden, ob die Parameter derIf excretions are observed, it must be checked whether the parameters of the

Nachwärmebehandlung korrekt eingehalten wurden, wie z. B. die Haltezeit von 1 Stunde bei 950 °Post-heat treatment was correctly observed, such as the holding time of 1 hour at 950 °

C. Bei Bedarf werden die Parameter der Nachwärmebehandlung optimiert, um die Mikrostruktur zu verbessern.C. If necessary, the post-heat treatment parameters are optimized to improve the microstructure.

Darauf folgt die Messung der Eigenspannung mithilfe der Röntgenbeugungsmethode. DieThis is followed by the measurement of the residual stress using the X-ray diffraction method.

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 nglicheThe weld seam is irradiated with X-rays, and the displacement of the diffraction angle A20 is measured to determine the change in lattice spacing. The residual stress δ is calculated using the formula δ = E / (1 + v)-δ / d, where E is the elastic modulus of the material (MPa), V is the Poisson's ratio, δ is the change in lattice spacing, and d is the original

Gitterabstand ist. Die gemessene Eigenspannung muss im Bereich von -50 MPa bis 50 MPa liegen.Lattice spacing. The measured residual stress must be in the range of -50 MPa to 50 MPa.

Liegen die Werte außerhalb dieses Bereichs, müssen die SchweiBparameter angepasst oder eineIf the values are outside this range, the welding parameters must be adjusted or a

Spannungsabbau-Glühbehandlung durchgeführt werden.Stress relief annealing treatment must be carried out.

Alle oben genannten Messergebnisse werden gesammelt und ausgewertet, um einen Prü fbericht zu erstellen. Die Einhaltung der festgelegten Standards fiir Harte, Mikrostruktur undAll the above measurement results are collected and evaluated to create a test report. Compliance with the specified standards for hardness, microstructure and

Eigenspannung ist ein Indikator für die Qualitätskonformität. Im Falle von Abweichungen werden die Ursachen der Abweichung detailliert analysiert, wie z. B. unzureichendeResidual stress is an indicator of quality conformity. In case of deviations, the causes of the deviation are analyzed in detail, such as insufficient

Behandlungstemperaturen, unzureichende Haltezeiten oder Fehler in den Prozessparametern.Treatment temperatures, insufficient holding times or errors in the process parameters.

Konkrete Maßnahmen wie eine erneute Wärmebehandlung oder die Optimierung derConcrete measures such as a new heat treatment or the optimization of the

Prozessparameter werden ergriffen, um sicherzustellen, dass die Qualität derProcess parameters are taken to ensure that the quality of the

Schweißverbindungen den Konstruktionsanforderungen entspricht. Auf diese Weise wird durch sorgfältige Prüf- und Anpassungsschritte sichergestellt, dass die Schweißverbindungen in derWelded joints meet the design requirements. In this way, careful testing and adjustment steps ensure that the welded joints in the

Praxis zuverlässige Leistung und lange Lebensdauer aufweisen.In practice, they demonstrate reliable performance and a long service life.

Nach der Analyse werden umgehend Maßnahmen zur Prozessanpassung ergriffen. WennFollowing the analysis, measures to adapt the process are taken immediately. If

Härteabweichungen festgestellt werden, kann der Wärmeeintrag durch Anpassung derHardness deviations are detected, the heat input can be adjusted by adjusting the

Schweißspannung und des Schweißstroms sowie durch eine moderate Verringerung derwelding voltage and welding current as well as by a moderate reduction of the

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 eineWelding speed must be controlled. If the microstructure does not meet the requirements, the heat treatment temperature and time are adjusted again to achieve a uniform grain size distribution. If the residual stresses are too high, a

Neufestlegung der Schweißreihenfolge oder die Hinzufügung geeigneter Spannungsabbau-Glü hschritte die Spannung reduziert werden.The stress can be reduced by redefining the welding sequence or adding suitable stress relief annealing steps.

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 dieProcess verification experiments are carried out after the adjustments. Based on the updated process parameters, a series of smaller verification experiments is carried out. This ensures that every measurement - from hardness to

Mikrostruktur bis hin zu den Eigenspannungen - den Konstruktionsstandards entspricht. Alle experimentellen Daten werden aufgezeichnet und die Wirksamkeit der Anpassungen bewertet.From microstructure to residual stresses, the design standards are met. All experimental data are recorded, and the effectiveness of the adjustments is evaluated.

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.A detailed feedback report is prepared that fully documents the test results, the analysis process, the process adjustment measures, and the results of the verification experiments. It clearly demonstrates the extent to which the quality improvements have been achieved and their concrete impact on production. This report is made available to the relevant departments to ensure continuous process optimization and further improve welding quality.

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 dieserThe preferred embodiments of the present invention described above are merely illustrative of this invention. The preferred embodiments do not fully describe all details and do not limit the invention to the specific embodiments shown. It is obvious that based on the content of this

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 dieMany modifications and variations may be made without departing from the spirit and scope of this description. The selection and detailed description of these embodiments is merely intended to better explain the principles and practical applications of the invention so that persons skilled in the art can readily understand and apply the invention. The invention is limited exclusively to the

Ansprüche und deren gesamten Umfang sowie Äquivalente eingeschränkt.Claims and their entire scope and equivalents are limited.

Claims (7)

Ansprüche LU600007Claims 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.1. A high-frequency laser precision welding process for high-carbon steel with controlled local heat treatment, characterized in that it comprises the following steps: S1: Material preparation and surface treatment: Selection of high-carbon steel that has undergone precise metallurgical processing and removal of surface impurities by chemical cleaning and mechanical roughening to improve laser absorption and weld quality; S2: Local heat treatment: Performing laser preheating before welding, controlling the temperature and heating rate to reduce thermal stress and the risk of cracking during welding; S3: Optimization of laser welding parameters: By adjusting the laser wavelength, focus position, scanning speed, and pulse mode, efficient energy absorption and precise control are achieved to ensure the appropriate weld depth and width. S4: Real-time monitoring and feedback control: Using infrared thermography and optical sensors, the welding process is monitored in real time, while parameters are dynamically adjusted by a closed-loop control system to ensure the stability of the weld pool and the consistency of the weld; SS: Post-weld heat treatment: Control of the cooling rate and implementation of necessary annealing treatments to eliminate residual post-welding stresses and improve the microstructure of the weld. 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.2. The method according to claim 1, characterized in that it additionally comprises a quality inspection: through the use of non-destructive testing methods such as ultrasonic or X-ray testing, the internal structure of the weld is evaluated without damaging the workpiece in order to identify possible defects such as pores, inclusions and cracks; the microstructure in the weld area is examined using a metallographic microscope to evaluate the influence of the welding process on the microstructure of the material; mechanical tests ensure the quality and safety of the weld. 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.3. The method according to claim 2, characterized in that the quality inspection comprises the following: Hardness test: Using a Vickers hardness tester, the hardness is measured at several points on the weld and in the heat-affected zone; the applied force is 9.8 N, and the length of the indentation diagonal d is recorded at each measuring point. The hardness is calculated using the formula HV = 1.854 x F/d?*, where F is the applied force and d is the length of the indentation diagonal. The hardness values of the measuring points must be in the range of 290 HV to 320 HV. In case of deviations, the welding parameters must be checked and adjusted if necessary, followed by another heat treatment; Microstructure analysis: After polishing and etching the sample, the microstructure of the weld is observed under a metallographic microscope at 1000x magnification. Uniform equiaxial grains and a reasonable amount of fine precipitates should be visible, evenly distributed and without abnormal grain boundary expansion. If coarse grains or an accumulation of precipitates are found, it is necessary to check whether the heat treatment temperature and holding time were correctly maintained; if necessary, the post-heat treatment parameters are optimized to improve the microstructure. LU600007 Residual stress measurement: The weld is irradiated with X-rays, and the displacement of the diffraction angle A2 6 is measured to determine the change in lattice spacing. The residual stress © is calculated using the formula © = E/(1 + Vv) + Ad/d, where E is the elastic modulus of the material, v is the Poisson's ratio, A d is the change in lattice spacing, and d is the original lattice spacing. The measured stress must be in the range of -50 MPa to 50 MPa. If there are deviations, the welding parameters must be adjusted or a stress-relieving annealing treatment must be performed; All of the above measurement results are collected and evaluated, and a test report is prepared. Compliance with the standards for hardness, microstructure, and residual stress is an indicator of quality conformity. 4. Wie in Anspruch 1 beschriebenes hochfrequentes Laserpräzisionsschweißverfahren für hochgekohlten Stahl mit kontrollierter lokaler Wärmebehandlung, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt S2 Folgendes umfasst:4. A high-frequency laser precision welding process for high-carbon steel with controlled local heat treatment as described in claim 1, characterized in that step S2 comprises: 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.S2.1: Heating phase: The welding area of the high-carbon steel is heated to a specific temperature T to achieve austenitization; the selected temperature T is 780 °C, slightly above the critical point Al of 727 °C. Based on the material's equilibrium phase diagram, this temperature ensures that the carbides are completely dissolved and a uniform austenite structure is formed. To control the heating rate Rn, the formula Rn = (T - To) / tn is used, where To is the initial temperature and tn is the required heating time. Rn is set to 15 °C/min to ensure a uniform temperature rise and prevent thermal stresses and structural irregularities. 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.S2.2: Holding phase: After reaching the target temperature, a constant holding treatment is performed, the time being set to 20 minutes. The formula for calculating the holding time is: tw = C-d, where C is a constant of 4 minutes per millimeter and d represents the weld thickness. For a weld thickness of 5 millimeters, the holding time is 20 minutes. This ensures the uniformity of the austenite and the complete dissolution of the carbides. 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.S2.3: Slow cooling: After the holding phase, slow cooling occurs to avoid martensite formation and the resulting embrittlement of the material. The cooling rate Rc is controlled using the formula Re = (T - Tr) / te, where Tr is the final temperature and tc is the cooling time. Re is strictly controlled at 7 °C/min. This slow cooling rate promotes the formation of fine pearlite and ferrite in the weld area. 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.S2.4: Microstructure Analysis and Hardness Testing: After heat treatment, the microstructure of the weld area is analyzed using a microscope to confirm the ratio, distribution, and uniformity of pearlite, ferrite, and carbides. Hardness testing is performed using a Brinell hardness tester. S2.5: Spannungsabbau: Eine niedrigtemperierte Spannungsabbau-Behandlung wird durchgef ührt. Die Schweißbaugruppe wird auf 200 ° C erhitzt und 1 Stunde lang gehalten. LU600007S2.5: Stress relief: A low-temperature stress relief treatment is performed. The welded assembly is heated to 200 °C and held for 1 hour. LU600007 5.Wie in Anspruch 1 beschriebenes hochfrequentes Laserpräzisionsschweißverfahren für hochgekohlten Stahl mit kontrollierter lokaler Wärmebehandlung, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt S3 Folgendes umfasst:5.A high-frequency laser precision welding process for high-carbon steel with controlled local heat treatment as described in claim 1, characterized in that step S3 comprises: 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.S3.1: Laser Power Adjustment: The laser power is determined based on the physical properties of the material. It is calculated based on the thermal conductivity. The required laser power is determined from the formula P = kA: (Tm-T1), where A is the intended melt pool area, Tm is the melting point of the material (1535 °C), and T1 is the ambient temperature (25 °C). 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.S3.2: Determination of the welding speed: The welding speed V is calculated using the formula V = E / (P * t), where E is the required energy per unit length, P is the laser power and t is the material thickness. 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.S3.3: Adjusting the focus position: The laser's focus position Zf influences the melting depth and width. It is precisely adjusted using the formula Zr = f +Af, where f is the focal length of the laser system and À f is the experimentally determined focus correction. 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.S3.4: Shielding gas flow adjustment: The shielding gas flow prevents oxidation of the weld seam during welding and ensures a moderate cooling rate. The shielding gas flow rate Fe is calculated using the formula Fg = CoS, where Cg is the gas flow coefficient and S is the welding speed. 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.S3.5: Heat input control: The heat input Q is precisely controlled by the formula Q = P/V, where P is the laser power and V is the welding speed. This ensures uniform heat distribution during the welding process. 6. Wie in Anspruch 1 beschriebenes hochfrequentes LaserpräzisionsschweiBverfahren für hochgekohlten Stahl mit kontrollierter lokaler Wärmebehandlung, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt S4 Folgendes umfasst:6. A high-frequency laser precision welding process for high-carbon steel with controlled local heat treatment as described in claim 1, characterized in that step S4 comprises: 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.S4.1: Data Acquisition and Sensor Layout: Temperature measurement sensors, camera monitoring devices, and laser power sensors are used to collect temperature, image, and power data from the weld site and its surroundings during the welding process. The data acquisition frequency is set to 1000 samples per second according to the welding speed and dynamic changes in the weld pool to ensure high-precision real-time monitoring. 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.S4.2: Temperature monitoring and feedback control: The temperature T in the welding area is monitored using an infrared temperature measuring device U to ensure that it remains within the specified range and to avoid overheating or insufficient heating. The temperature range is set from Tmin to Tmax, where Tmin is 1530°C and Tmax is 1580°C. If T > Tmax, the laser power P is reduced, with the adjustment value calculated as AP = k1-(T - Tmax), where kı is the control coefficient. Wenn T < Tmin, wird die Laserleistung P erhöht, wobei der Anpassungswert berechnet wird als AP = k>-(Tmin - T), wobei k2 der Regelkoeffizient ist.If T < Tmin, the laser power P is increased, with the adjustment value calculated as AP = k>-(Tmin - T), where k2 is the control coefficient. 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.S4.3: Visual welding monitoring: A high-resolution camera captures real-time images of the weld pool. A convolutional neural network (CNN) then analyzes the weld shape. The CNN classifies and detects anomalies in the shape of the weld pool and the weld. After extensive training with annotated data, the CNN can accurately identify various weld features and detect shape anomalies such as weld misalignment or insufficient fusion depth. If visual deviations are detected, the system corrects them in real time using a fuzzy logic controller. The fuzzy controller evaluates the deviations between the CNN output data and the ideal weld data and makes comprehensive adjustments to the laser focus position and welding speed. The fuzzy rule base is created based on various welding conditions and enables flexible adaptation to complex changes in the weld shape. 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.S4.4: Laser power monitoring and adjustment: A laser power sensor monitors the laser power in real time and ensures that fluctuations remain within a narrow, defined range. If the monitored power deviation AP exceeds the fine-tuning range, the control system automatically adjusts the laser power in real time using an adaptive control algorithm to keep the laser power stable at the target value. 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.S4.5: Integrated feedback control: The welding parameters are analyzed and immediately adjusted by the distributed control system. If the parameters deviate from quality standards, the priority of the corrections is determined using an algorithm. Laser power and welding speed are updated according to the formulas Pnew = Pola +AP and Snew = Soild +AS. The adjustment effects are automatically recorded, and the data is fed back to the control system to optimize subsequent welding processes. 7. Wie in Anspruch 1 beschriebenes hochfrequentes Laserpräzisionsschweißverfahren für hochgekohlten Stahl mit kontrollierter lokaler Wärmebehandlung, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt S5 Folgendes umfasst:7. A high-frequency laser precision welding process for high-carbon steel with controlled local heat treatment as described in claim 1, characterized in that step S5 comprises: 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.S5.1: Preheating treatment: Reducing the temperature gradient during post-heating treatment to reduce the generation of thermal stresses; the preheating temperature Tpre is set to 600°C and the time tpre to 30 minutes. A temperature control device is used to ensure that the temperature of the entire workpiece is heated evenly to the specified temperature. Temperature monitoring is performed using a K-type thermocouple. If the measured temperature deviation ΔT is > +5°C, the heater power P is adjusted according to the formula Pnew = Pola + k'ΔT, where k is the control coefficient, to ensure a rapid return to the target temperature. S5.2: Hauptwärmebehandlung: Durch geeignete Temperatur- und Zeitparameter wird eine Ausscheidungshärtung und Rekristallisationsbehandlung der SchweiBnaht durchgeführt. DieS5.2: Main heat treatment: Precipitation hardening and recrystallization treatment of the weld seam is carried out using suitable temperature and time parameters. 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.The target temperature Tmain is set to 950 °C, and the holding time tmain is set to 1 hour. Temperature control is achieved using a PID control algorithm to maintain a constant treatment temperature. The PID control parameters are set as follows: proportional band Ky = 1.5, integration time Ti = 10 seconds, and derivative time Ta = 1 second. During the heating process, the temperature rise rate dT/dt must be controlled below 10 °C/min to avoid thermal shock. 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.S5.3: Slow cooling: Prevents grain coarsening and the recurrence of undesirable internal stresses. The cooling rate is set at 5 °C/min until the workpiece temperature reaches room temperature. During cooling, the flow rate of the cooling medium is finely adjusted using a flow control valve. The cooling rate R is controlled according to the formula Rnew = Row + m : ΔT, where m is the flow control coefficient and ΔT is the difference between the current temperature and the target temperature. 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.S5.4: Quality control: Hardness tests, microstructure analyses, and residual stress measurements are performed. Hardness measurements are performed using a Vickers hardness tester, with the HV values recorded and meeting the standards HVmin < HV < HVmax. The microstructure is examined using a metallographic microscope to determine whether there are defects at grain boundaries or an uneven distribution of precipitates. Residual stress measurements are performed using the X-ray diffraction method, with results that must be within the preset range of + MPa.
LU600007A 2024-12-23 2024-12-23 A process for high-frequency laser precision welding of high-carbon steel with controlled local heat treatment LU600007B1 (en)

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