عملية لحام ألياف الليزر أحادية الوضع لسبائك الألومنيوم 6063

الملخص:ويهدف العمل إلى دراسة الأمثل اللحام بالليزر مخطط معالجة لسبائك الألومنيوم 6063 لتحسين شد بقعة اللحام نظرًا لأن شد سبائك الألومنيوم 6063 الملحومة بالليزر النبضي منخفض ولا يفي بالاحتياجات الفعلية. ال ليزر الألياف أحادي الوضع تم استخدامه في لحام سبائك الألومنيوم 6063، وتم تشكيل البقع الحلزونية بواسطة خط رفيع للغاية ليحل محل النبض الفردي لحام البقعة بالليزر. تم إجراء التجربة المتعامدة على قوة الليزر وسرعة اللحام وإزالة التركيز للحصول على المعلمات المثلى. من خلال تحليل المظهر والبنية المجهرية للحام، تم توضيح سبب زيادة توتر نقطة اللحام. عندما كانت قوة الليزر 70 واط، كانت سرعة اللحام 100 ملم/ثانية، وكان إزالة التركيز 0، ووصل شد البقع إلى الحد الأقصى 65 نيوتن، وكانت معلمات العملية هي الأفضل. كان توتر نقطة اللحام بالليزر أحادية الوضع 3 أضعاف توتر نقطة اللحام بالليزر النبضي. في اللحام بالليزر الحلزوني الليفي أحادي الوضع، يتم توزيع طاقة الليزر بالتساوي في نطاق البقعة ولها كثافة طاقة كبيرة، مما يشكل شكل لحام مع عرض سطح اللحام تقريبًا نفس عرض قاع اللحام، وهو ما يفضي إلى تحسين توتر نقطة اللحام وتوفير المرجع الفني للإنتاج الفعلي.

الكلمات الرئيسية:6063 سبائك الألومنيوم. ليزر ألياف أحادي الوضع؛ اللحام بالليزر; توتر

تتميز مواد سبائك الألومنيوم بمزايا الوزن الخفيف والقوة العالية وسهولة المعالجة والشكل ومقاومة جيدة للتآكل. لقد تم استخدامها على نطاق واسع في صناعات مثل الطيران والأجهزة والسيارات. مع تقدم العلوم والتكنولوجيا، تم طرح متطلبات أعلى لجودة اللحام وكفاءة الإنتاج لحام سبائك الألومنيوم. يتمتع اللحام بالليزر بمزايا الطاقة العالية الكثافة، وانخفاض إجمالي مدخلات الحرارة، وتشوه صغير بعد اللحام، وسهولة التشغيل الآلي بسبب عدم الاتصال بقطعة العمل. لديها احتمال تطبيق واسع في لحام سبائك الألومنيوم.
تتمتع سبائك الألومنيوم بانعكاسية عالية لأشعة الليزر، مما يتطلب طاقة ليزر أعلى لتحقيق اللحام. بالإضافة إلى ذلك، فإن العناصر ذات نقطة الانصهار المنخفضة مثل Mg وZn في سبائك الألومنيوم تكون عرضة للاحتراق، مما يؤدي إلى انخفاض قوة وصلة اللحام، مما يؤثر على الاستخدام العملي. تتميز سبائك الألومنيوم 6063 بقوة عالية ومقاومة جيدة للاحتكاك، و إنها مادة من سبائك الألومنيوم مع مجموعة واسعة من التطبيقات. تستخدم المواد الرقيقة بشكل عام مصدر ليزر Nd: YAG للحام البقع، والذي يمكن أن يقلل التشوه الحراري ويحسن كفاءة الإنتاج. ومع ذلك، فإن قوة الشد لنقطة اللحام أقل، مما قد لا يفي بمتطلبات الإنتاج العملية. مع التطوير الإضافي لتكنولوجيا الليزر، أصبحت تكنولوجيا ألياف الليزر أحادية الوضع ناضجة بشكل متزايد، وأصبحت جودة الشعاع أفضل وأكثر أفضل، وهو ما يساعد بشكل كبير في تحسين قوة الشد في مكان اللحام.
تستخدم المقالة ليزر ألياف أحادي الوضع بقدرة 1000 واط لحام السلك الحلزوني، مما يشكل نقطة لحام. من خلال تحسين معلمات العملية، يتم تحقيق أقصى قوة شد لنقطة اللحام. كما أنه يُقارن أيضًا بقوة الشد لنقاط اللحام الناتجة عن اللحام النقطي بالليزر النبضي، مما يوفر مراجع قيمة للتطبيقات الهندسية العملية.

1 تجربة اللحام

المواد 1.1

المادة عبارة عن سبيكة ألومنيوم بدرجة 6061 وسمك 0.5 مم. يظهر التركيب الكيميائي للمادة في الجدول 1. قم بتقطيع المادة إلى ألواح مقاس 200 مم × 100 مم، وتنظيفها بالكحول والماء، وتوضع جانبًا. طريقة اللحام هي لحام اللفة، ويتم تثبيت قطع العمل المراد لحامها باستخدام تركيبات محلية الصنع.

علامة التبويب 1. التركيب الكيميائي لـ 6061 سبائك الألومنيوم (الكسر الكتلي)٪

1.2 معدات

تستخدم المعدات التجريبية ليزر ألياف أحادي الوضع من إنتاج IPG لحام، بقطر ألياف يبلغ 0.14 ميكرومتر، ومتوسط ​​طاقة 1000 واط. تتكون المنصة التجريبية بشكل أساسي من ليزر وكمبيوتر ونظام مسار بصري ونظام تحكم، كما هو موضح في الشكل 1أ. ينعكس الليزر بواسطة جلفانومتر المسح ويتم التركيز على مستوى العمل من خلال عدسة F. يدور الجلفانومتر بسرعة عالية تحت محرك المحرك x/y، مكونًا مسارات مختلفة في المستوى، مثل الدوائر والمستطيلات والخطوط المستقيمة والخطوط الحلزونية وما إلى ذلك. بعد المرور عبر العدسة F، يبلغ حجم البقعة حوالي 0.28 مم. يظهر الرسم التخطيطي لنظام المسار البصري في الشكل 1ب. يستخدم اللحام النقطي بالليزر النبضي ليزر Nd:YAG بقدرة 500 واطمصدر، بقوة قصوى تصل إلى 8000 واط. بعد تركيز شعاع الليزر بواسطة نظام المسار البصري، يبلغ حجم البقعة حوالي 0.4 ~ 1.0 مم.يتم استخدام جهاز اختبار الشد الإلكتروني الذي تم إنتاجه بواسطة شركة Jinan Huaxing Experimental Equipment Co., Ltd (الموديل: WDH-10) في اختبار الشد لدرزة اللحام. يتم اختبار مظهر اللحام باستخدام مجهر فحص المعادن، والعلامة التجارية هي Beijing North Star ورقم الموديل XJB200.

الشكل 1 منصة التجربة

2 تجارب ونتائج عملية اللحام بالليزر

2.1 التصميم الجرافيكي للحام ومقارنة المظهر

نابض لحام البقعة بالليزر يستخدم ليزر Nd: YAG بقدرة 500 واط للحام، مع اللحام متطلبات النطاق من 0.6 إلى 0.8 ملم. حجم الشعاع المركز للنبض لحام البقعة بالليزر يلبي هذا الشرط فقط. يصدر الليزر نبضة تعمل على المادة، مكونة أ مكان اللحام . يظهر الرسم التخطيطي لبقعة اللحام في الشكل 2أ.نظرًا لأن النقطة المركزة لليزر الليفي أحادي الوضع تبلغ 0.28 مم فقط، فإن الليزر يشكل الشعاع نقطة لحام عن طريق تشغيل حلزوني، يبلغ قطر اللولب 0.8 مم،والدوامة لها 4 دورات. هناك درجة معينة من تداخل الليزر بين كل منهما بدوره، وتشكيل بقعة لحام الليزر بقطر 0.8 ملم. التخطيطي لل تظهر بقعة اللحام في الشكل 2 ب. مظهر لحام البقعة بالليزر النبضي هو كما هو موضح في الشكل 2ج، ومظهر بقعة اللحام التي شكلتها الحلزونية هو مبين في الشكل 2D. حجم نقطتي اللحام متطابق تقريبًا، ولا يمكن ملاحظة اختلاف كبير بصريا.

الشكل 2: رسم تخطيطي ومظهر بقع اللحام

2.2 التجربة المتعامدة لمعلمات العملية

معلمات المعالجة الرئيسية للنبض لحام البقعة بالليزر تشمل ذروة الليزر الطاقة وعرض النبض ومقدار إزالة التركيز. الاختبار الأولي لعملية اللحام بالليزر هو أجريت على سبائك الألومنيوم 0.5 مم 6061. عندما تكون قوة الليزر القصوى 2400 واط، فإن ذروة الطاقة صغيرة نسبيًا، مما يؤدي إلى بقعة لحام أصغر قوة سحب 3Nعندما تكون قوة الليزر الذروة 3600 واط، هناك رذاذ على سطح اللحام التماس، وقوة الشد لنقطة اللحام منخفضة أيضًا، عند 4 نيوتن. عندما يكون عرض النبضة 3 مللي ثانية، قطر نقطة اللحام أصغر، وقوة الشد أقل، عند 3 نيوتن.عندما يكون عرض النبضة 9 مللي ثانية، يكون قطرها بقعة اللحام 0.9 ملم يتجاوز نطاق اللحام من 0.6 إلى 0.8 مم. عندما يكون إلغاء التركيز البؤري عند 0، بسبب الحجم الكبير كثافة الطاقة، هناك تناثر على خط اللحام، والمظهر لا تلبية المعيار. ومع ذلك، عندما يكون إلغاء التركيز البؤري عند 6 مم، بسبب الانخفاض المفاجئكثافة الطاقة، قوة الشد في نقطة اللحام أقل، عند 4 نيوتن. المستويات الثلاثة لـوهذه العوامل كما هو موضح في الجدول 2.

جدول 2 عوامل ومستويات اللحام النقطي بالليزر النبضي

معلمات العملية الرئيسية لللحام الحلزوني بليزر الألياف أحادي الوضع هي متوسط ​​قوة الليزر، وسرعة اللحام، وكمية إزالة التركيز البؤري،عندما يكون متوسط ​​الليزر الطاقة 500 واط، وقوة الشد عند نقطة اللحام أقل، عند 4 نيوتن؛عندما يكون المتوسطقوة الليزر 900 واط، وبعض المواد متناثرة، وقوة الشد عند نقطة اللحام هي أقل أيضًا عند 3 نيوتن ؛ عندما تكون سرعة اللحام 90 مم / ثانية ، يكون تراكم الحرارة أيضًا عالية، مما يتسبب في احتراق المواد، وتكون قوة الشد عند نقطة اللحام أقل، عند 5N;عندما تكون سرعة اللحام 170 مم/ثانية، يكون تراكم الحرارة أقل، سواء عرض اللحام وعمقه أصغر، وقوة الشد عند نقطة اللحام أقل، عند4 N؛ عندما تكون كمية إزالة التركيز البؤري 0، تكون كثافة الطاقة أعلى، مما يتسبب في تناثرهاالتماس اللحام، الذي لا يمكن أن يلبي متطلبات المظهر؛ عند إزالة التركيز المبلغ هو 6 ملم، وذلك بسبب الانخفاض الحاد في كثافة الطاقة، وقوة الشد في نقطة اللحام أقل، عند 4 نيوتن. الثلاثة وتظهر العوامل وثلاثة مستويات في الجدول 3.

جدول 3 عوامل ومستويات اللحام الحلزوني بليزر الألياف أحادي الوضع

تجربة النبض المتعامدة ثلاثية المستويات لحام البقعة بالليزر تتضمن تسع مجموعات,عندما تكون طاقة الذروة 3000 واط، يكون عرض النبضة 8 مللي ثانية، ومقدار إزالة التركيز البؤري1 مم، فإن قوة الشد لنقطة اللحام تصل إلى ذروتها عند 17 N,وهذه هي تعتبر المعلمات العملية الأمثل.لعامل ذروة الليزر القوة (أ)، تم إجراء ثلاث تجارب باستخدام المستوى 1 (أ = 2500 واط)،أضف قوة الشد لنقاط اللحام من هذه 3 تجارب للحصول على المجموع الإحصائي K1 = 35،عند اختيار المستوى 2، مجموع قوة الشد لنقاط اللحام هي المجموع الإحصائي K2=46،عندما المستوى تم اختيار 3المبلغ هو المجموع الإحصائي K3 = 33،كلما زادت القيمة الإحصائية K، كلما ارتفعت قيمة قوة الشد عند هذا المستوى،أعلى قيمة هي K2،يشير هذا إلى أنه عندما يكون العامل A عند المستوى 2 (A = 3000 واط)، تكون قوة الشد لنقطة اللحام هي الأكبر؛وبالمثل، القيمة الإحصائية K لقوة الشد لنقطة اللحام الأخرى العوامليمكن الحصول على (عرض النبضة، إزالة التركيز البؤري)، كما هو موضح في الجدول 4. يتم تمثيل النطاقبواسطة ر،كلما كانت قيمة R أصغر، قل تأثير هذا العامل على قوة الشدنقطة اللحام؛وعلى العكس من ذلك، كلما زادت قيمة R، زاد تأثير هذا العاملعلى قوة الشد لنقطة اللحام.من الجدول 4، فإنه ويمكن ملاحظة أن العواملالتأثير على قوة الشد لنقطة اللحام، حسب الأهمية: قوة الذروة،عرض النبض، وإلغاء التركيز.

جدول 4: نتائج التجربة المتعامدة للحام البقعي بالليزر النبضي

التجربة المتعامدة المكونة من ثلاثة عوامل وثلاثة مستويات لخط حلزوني من ألياف الليزر أحادي الوضع يتكون اللحام من إجمالي 9 مجموعات. عندما يكون متوسط ​​الطاقة 3000 واط، يتم اللحام السرعة 160 مم/ثانية، ومقدار إزالة التركيز 1 مم، وقوة شد اللحام تصل النقطة إلى أعلى قيمة وهي 47 N، وهي معلمة العملية المثلى.

عندما يتم ضبط متوسط ​​عامل قدرة الليزر G على المستوى 1 (A = 600 W)، يتم تشكيل إجمالي 3 مجموعات تجريبية، وتتم إضافة قوة الشد لهذه المجموعات الثلاث من نقاط اللحام معًا لإعطاء الإحصائية F3 = 1؛ وبالمثل ، ويمكن الحصول على إحصائية قيمة قوة الشد للعوامل الأخرى، كما هو موضح في الجدول5.من بينها، Y هي قيمة النطاق. من قيمة النطاق، يمكن ملاحظة أن العوامل التي تؤثر على حجم وصلة اللحام هي، من الابتدائي إلى الثانوي، عدم التركيز، ومتوسط ​​الطاقة، وسرعة اللحام.

2.3 مظهر اللحام وتحليل البنية المجهرية

يوضح الشكل 3 أ مقطعًا عرضيًا للحام البقعي تحت معلمات العملية المثلى للحام البقع بالليزر النبضي، ويكون عرض سطح التماس اللحام كبيرًا، ولكن مع زيادة عمق الانصهار، يتناقص عرض خط اللحام. يبلغ عرض خط اللحام بين الطبقتين العلوية والسفلية حوالي 1/3 عرض سطح نقطة اللحام، وذلك لأن طاقة الليزر النبضي يتم توزيعها بشكل أساسي في مركز بقعة الضوء التي يبلغ قطرها 0.8 مم. تكون الطاقة عند حافة بقعة الضوء أقل، والتي يمكنها فقط إذابة سطح المادة ولا يمكنها الاستمرار في الاختراق إلى الأسفل، وتشكيل خط لحام واسع في الأعلى وضيق في الأسفل. ويبين الشكل 3 ب مقطعًا عرضيًا من بقعة اللحام في ظل ظروف العملية المثالية للحام اللولبي بالليزر أحادي الوضع، حيث يكون عرض سطح التماس اللحام مكافئًا تقريبًا لعرض لحام البقعة بالليزر النبضي، مع الزيادة في عمق الانصهار، لا يوجد انخفاض كبير في عرض التماس اللحام. إن عرض خط اللحام بين الطبقتين العلوية والسفلية من المادة هو تقريبًا نفس عرض سطح نقطة اللحام، وذلك لأنه عند استخدام اللحام الحلزوني بليزر الألياف أحادي الوضع، فإن البقعة المركزة للوضع الواحد يبلغ سمك ألياف الليزر 0.28 مم، ويتم توزيع طاقة الليزر بالتساوي داخل نطاق البقعة ولها كثافة طاقة عالية. في الدائرة الخارجية للخط الحلزوني، تكون طاقة الليزر كافية للإذابة خلال المادة، وتشكيل شكل التماس اللحام حيث يكون عرض سطح التماس اللحام تقريبًا نفس عرض أسفل التماس اللحام. أثناء اختبار الشد، موضع الضغط الرئيسي هو عرض خط اللحام بين الطبقتين العلوية والسفلية من المادة. كلما زاد العرض، زادت قوة الشد لنقطة اللحام. يبلغ عرض خط اللحام بين الطبقتين العلوية والسفلية من المادة في اللحام الحلزوني بليزر الألياف أحادي الوضع ثلاثة أضعاف عرض اللحام النقطي بالليزر النبضي، وبالتالي فإن قوة الشد لنقطة اللحام للوضع الواحد اللحام الحلزوني بليزر الألياف هو أيضًا ثلاثة أضعاف اللحام النقطي بالليزر النبضي.

جدول 5: نتائج التجربة المتعامدة للحام الحلزوني أحادي الوضع

الشكل 3 المقطع العرضي لبقعة اللحام

يمثل الشكل 4 أ الهيكل المعدني للمادة الأم المصنوعة من سبائك الألومنيوم 6061. حجم الحبوب غير متساوي، والشكل غير منتظم، والحبوب كبيرة نسبيًا، وهو هيكل نموذجييوضح الشكل 4 ب البنية المجهرية لمركز التماس اللحام في ظل معلمات العملية المثلى للحام البقعي النبضي بالليزر. ويتميز بهيكل شجيري من سبائك الألومنيوم. لقد شهد حجم الحبيبات تحسينًا كبيرًا مقارنةً بالمادة الأصلية لسبائك الألومنيوم 6061. ويرجع ذلك إلى التسخين السريع والتبريد السريع لمواد سبائك الألومنيوم عن طريق اللحام النقطي النبضي بالليزر، مما يؤدي إلى تحسين حبيبات التماس اللحام. يعرض الشكل 4 ج البنية المجهرية لمركز التماس اللحام ضمن معلمات العملية المثالية للحام الحلزوني بليزر الألياف أحادي الوضع. يتم تمثيل ذلك من خلال هيكل شجيري من سبائك الألومنيوم. لا يُظهر حجم الحبيبات فرقًا كبيرًا عند مقارنته بالبنية المعدنية للحام البقعي النبضي بالليزر.

الشكل 4: البنية المجهرية لبقعة اللحام

3 الخاتمة

تم لحام سبائك الألومنيوم 6063 بشكل منفصل باستخدام اللحام النقطي بالليزر النبضي وطرق اللحام الحلزوني بالليزر الليفي أحادي الوضع، وتم إجراء تجربة تحسين متعامدة. وصلت قوة السحب القصوى لبقع اللحام التي تم تحقيقها عن طريق اللحام النقطي بالليزر النبضي إلى 17 نيوتن، ومعلمات العملية المثالية هي كما يلي: الطاقة القصوى هي 3000 واط، وعرض النبضة 8 مللي ثانية، ومبلغ إزالة التركيز البؤري 1 مم للحام البقع بالليزر النبضي. وصلت قوة السحب القصوى لبقع اللحام التي تم تحقيقها بواسطة اللحام الحلزوني بليزر الألياف أحادي الوضع إلى 47 نيوتن. معلمات العملية المثالية لهذه الطريقة هي كما يلي: متوسط ​​الطاقة 3000 واط، وسرعة اللحام 160 مم/ثانية، وكمية إزالة التركيز البؤري 1 مم.

ظهور النتائج من النبض لحام البقعة بالليزر واللحام الحلزوني بليزر الألياف أحادي الوضع وفقًا لمعايير العملية المثالية متطابق تقريبًا، مع عدم وجود اختلاف كبير؛ لا يوجد أيضًا أي تناقض ملحوظ في الهيكل المعدني وحجم الحبوب. عرض خط اللحام بين الطبقات العلوية والسفلية من المادة في اللحام الحلزوني بليزر الألياف أحادي الوضع هو ثلاثة أضعاف عرض خط اللحام من لحام البقعة بالليزر النبضي. لذلك، فإن قوة سحب نقاط اللحام من اللحام الحلزوني بليزر الألياف أحادي الوضع هي أيضًا ثلاثة أضعاف قوة اللحام النقطي بالليزر النبضي.