Vliv svařování diodovým a vláknovým laserem na mikrostrukturu a vlastnosti mědi Česká republika

Předmluva 0
Červená měď má dobrou tažnost, vysokou tepelnou vodivost a elektrickou vodivost a je široce používána v letectví, námořním inženýrství, kabelových a elektrických a elektronických součástech. Tradiční metody svařování červené mědi, jako je svařování wolframem v inertním plynu, mají vysoký tepelný příkon, velký sloupek -deformace svařování a nevzhledné svarové švy, které již nesplňují požadavky moderní výroby.

Laserové svařování má menší celkový tepelný příkon, což může výrazně zlepšit problémy s velkou deformací po svařování a špatným vzhledem. Technologie laserového svařování se v posledních letech rychle vyvíjela. Vzhledem k nízké míře absorpce laserů v blízké infračervené vlnové délce na měděném povrchu, obvykle pouze asi 4 %, se většina laserové energie odráží pryč. Ke svařování mědi vyžaduje vysoký energetický vstup, což by mohlo vést ke špatné stabilitě svařování；Během procesu tavení červené mědi se snadno tvoří póry ve svarovém švu, což ovlivňuje mechanické vlastnosti svarového spoje；Při svařování červené mědi se velký přívod tepla vede k drastickému zvětšení velikosti zrna, což také nepříznivě ovlivňuje výkon svarového spoje；

V experimentu je použita nová technologie svařování polovodičových a vláknových laserových kompozitů k laserovému svařování červené mědi. Je analyzován vliv procesních parametrů na tvorbu svarového spoje, aby byly poskytnuty technické reference pro skutečnou výrobu.

1 Svařovací pokus
1.1 Materiály ke svařování a svářecí zařízení
Experimentální materiál je červená měď o tloušťce 1.0 mm, délka × šířka 100 mm × 50 mm. Metodou svařování je spojování. Materiál, který má být svařován, je upnut pomocí domácího přípravku, aby se snížila deformace během svařování.

Ke svařování červené mědi se používá kompozitní laser polovodičového laseru a vláknového laseru. Vlnová délka polovodičového laseru je 976nm, maximální výkon je 1000W a průměr jádra vlákna je 400 mikronů. Vláknový laser má vlnovou délku 1070nm, maximální výkon laseru 1000W a průměr jádra vlákna 50 mikronů . Tyto dva typy laserů jsou kombinovány pomocí svařovací hlavy, přičemž kolimační čočka svařovací hlavy má ohniskovou vzdálenost 100 mm a zaostřovací čočka má ohniskovou vzdálenost 200 mm, optická dráha je znázorněna na obrázku 1(a), průměr bodu polovodičového laseru po průchodu svařovací hlavou v ohnisku laseru je asi 0.8 mm. Vzhledem k velké velikosti bodu může poskytovat pomocný ohřev kolem svarového švu. Průměr bodu vláknového laseru v ohnisku je asi 0.1 mm a hustota výkonu je malá (hustota výkonu = výkon laseru/plocha bodu; čím menší průměr bodu, tím větší hustota výkonu). To může generovat vyšší teploty a dosáhnout tak svařování měděných materiálů. Všechny experimenty uvedené v textu byly prováděny v ohniscích polovodičových laserů a vláknových laserů pro svařování. Experimentální platforma laserového kompozitního svařování je znázorněna na obrázku 1(b). Skládá se především z polovodičového laseru, vláknového laseru, svařovací hlavy, průmyslového řídicího počítače a modulu X/Y. V tomto nastavení svařovací hlava, poháněná modulem X/Y, dosáhne svaření stopy a vytvoří svarový šev. Výkon polovodičového laseru a vláknového laseru lze nastavit samostatně.

(a) Schematický diagram optické dráhy hybridního svařování	(b) Experimentální zařízení
Obrázek 1 Zařízení pro laserové svařování

1.2 Zařízení pro kontrolu svarů
Mikrostruktura svaru byla testována a analyzována pomocí metalografického mikroskopu, model WYJ-4XBD. To bylo provedeno za účelem analýzy účinků různých procesních parametrů na mikrostrukturu svarového švu. Pevnost svarového švu v tahu byla testována pomocí elektronického tahového stroje, model FR-103C. Zařízení je znázorněno na obrázku 2(b). Pevnost v tahu P svarového švu se získá vydělením tahové síly F plochou S svarového švu. Pevnost v tahu se testuje 3krát pro každý parametr procesu a získaná průměrná pevnost v tahu je pevnost v tahu svaru odpovídající tomuto parametru procesu. Rychlost natahování tažného stroje je nastavena na 1 mm/s. Mikrotvrdost svarového spoje vzorku svaru je testována mikrotvrdoměrem, model HV-1000. Experimentální zátěž je 50g a doba nabíjení je 10s.

2 Experimentální proces a analýza výsledků
2.1 Vliv polovodičového laseru na vzhled a pevnost svarů
Po četných předběžných experimentech při použití pouze vláknového laseru pro svařování (s výkonem polovodičového laseru nastaveným na 0W), pokud je výkon vláknového laseru 900W a rychlost svařování je 30mm/s, svar jen pronikne, ale je náchylný k tvorbě pórů uvnitř svarového švu. Jak je znázorněno na obrázku 3(a), při pokračujících pokusech optimalizovat parametry procesu, jako je rychlost svařování a výkon laseru pro vláknové laserové svařování, uvnitř svarového švu jsou stále póry. Je to proto, že během procesu tavení purpurové mědi má vláknový laser velký tepelný příkon do mědi a vysokou teplotu, což značně zvyšuje rozpustnost vodíku ve vzduchu v roztavené lázni. dobrá tepelná vodivost fialové mědi, rychlost chlazení roztavené lázně je velmi rychlá. Rychlé tuhnutí roztavené lázně způsobuje, že se vodík rozpuštěný v roztavené lázni včas nerozptýlí ze svarového švu, což má za následek zbytkový vodík uvnitř svarového švu a tvorbu pórů ve švu. Tyto vnitřní póry ve svarovém švu nepříznivě ovlivní mechanické vlastnosti svarového spoje.

Článek využívá metodu kompozitního svařování pomocí polovodičového laseru a vláknového laseru. Výkon vláknového laseru je udržován konstantní na 900W a rychlost svařování na 30mm/s. Výkon polovodičového laseru je nastaven na 600W, 800W a 1000W pro analýzu vlivu na svarový šev. Když je výkon polovodičového laseru 600 W, svarový šev znázorněný na obrázku 3(b), jsou ve svarovém švu přítomny póry. Když je výkon polovodičového laseru 800 W, jak je znázorněno na obrázku 3(c), ve svarovém švu nejsou žádné póry. Je to proto, že polovodičový laser má bodový průměr 0.8 mm v ohnisku, čímž pokrývá větší rozsah ohřevu. Polovodičový laser zajišťuje pomocný ohřev kolem svarového švu, který snižuje rychlost ochlazování roztavené lázně. To umožňuje vodíku rozpuštěnému v roztavené lázni dostatek času na odpaření ze svarového švu, přičemž ve svarovém švu nezůstanou žádné zbytkové póry. Když se výkon polovodičového laseru dále zvýší na 1000 W, vzhled svarového švu je takový, jak je znázorněno na obrázku 3 (d), s většími póry uvnitř. To může být způsobeno příliš vysokým výkonem polovodičového laseru, což vede k většímu celkovému tepelnému příkonu. To způsobuje ablaci prvků s nízkou teplotou tání v mědi a zanechává dutiny ve svarovém švu.

Pevnost svaru v tahu je testována na tahovém testovacím stroji, kdy jsou parametry výkonu vláknového laseru nastaveny na 900 W, rychlost svařování na 30 mm/s a množství rozostření na 0 mm jsou udržovány konstantní, analýza je proveden vliv výkonu polovodičového laseru na pevnost v tahu svarového švu, přičemž výsledky jsou uvedeny na obrázku 4. Když je výkon polovodičového laseru nastaven na 0 W a 600 W, nedochází k žádné významné změně pevnosti v tahu svarového švu. Příkon 600W totiž nemá zásadní vliv na morfologii svarového švu. Podobně jako při výkonu 0 W se uvnitř svarového švu vytvoří póry, což má za následek pevnost v tahu mezi 160~161MPa. Když je výkon polovodičového laseru nastaven na 800W, pevnost v tahu svarového švu dosáhne nejvyšší při 238MPa , dosahující 80 % pevnosti v tahu měděného základního materiálu (což je 292 MPa). To představuje zvýšení pevnosti v tahu asi o 50 % ve srovnání s nastavením výkonu polovodičového laseru na 0W a 600W. Při nastavení výkonu polovodičového laseru na 1000W se pevnost v tahu svarového švu dramaticky sníží. K tomu dochází, protože výkon polovodičového laseru je příliš vysoký, což způsobuje, že prvky s nízkou teplotou tání jsou odstraněny, což drasticky snižuje pevnost svarového švu v tahu.

Obrázek 4 Pevnost v tahu svarových spojů při různých výkonech polovodičového laseru

2.2 Vliv polovodičového laseru na mikrostrukturu svaru
S výkonem 900W pracuje vláknová laserová svářečka rychlostí 30 mm/s, s rozostřením 0 mm. Metalografické snímky mikrostruktury fúzních zón při různých výkonech polovodičového laseru jsou znázorněny na obrázku 5. Když je výkon polovodičového laseru nastaven na 0 W, mikrostruktura zóny fúze je štíhlá buněčná krystalová struktura, jak je znázorněno na obrázku 5(a) . Když je výkon polovodičového laseru nastaven na 600 W a 800 W, mikrostruktury fúzních zón jsou znázorněny na obrázku 5(b) a na obrázku 5(c). S nárůstem výkonu polovodičového laseru se buněčná krystalová struktura postupně stává hrubší. Je to proto, že teplotní gradient v zóně fúze je relativně velký, zrna rostou ve směru vedení tepla a vytvářejí jemné buněčné krystalové struktury. Když je výkon polovodičového laseru nastaven na 1000 W, mikrostruktura fúzní zóny, jak je znázorněno na Obrázek 5(d) se transformuje do mnohem hrubší struktury a-Cu. To je způsobeno extrémně nízkou rychlostí ochlazování, což má za následek tvorbu velkých zrn α-Cu.

S výkonem 900W pracuje vláknová laserová svářečka rychlostí 30 mm/s, s rozostřením 0 mm. Metalografické snímky mikrostruktury tepelně ovlivněných zón při různých výkonech polovodičového laseru jsou znázorněny na obrázku 6. Struktura tepelně ovlivněných zón je celá žíhána α-Cu. Když je výkon polovodičového laseru nastaven na 0W a 600W, zrno velikosti v tepelně ovlivněné zóně se významně nemění, jak je znázorněno na obrázku 6(a) a obrázku 6(b). Je to způsobeno relativně nízkým výkonem polovodičového laseru, který nemá znatelný vliv na mikrostrukturu svaru. Při nastavení výkonu polovodičového laseru na 800 W se zrna v tepelně ovlivněné zóně znatelně zvětší, jak je znázorněno na obrázku 6(c). Když se výkon zvýší na 1000 W, průměrná velikost zrna dále roste, jak je znázorněno na obrázku 6(d), je to proto, že s rostoucím výkonem polovodičového laseru klesá rychlost chlazení roztavené lázně. To má za následek prodlouženou dobu přetavování a rekrystalizace roztavené lázně. Množství tepla a času přiváděného do tepelně ovlivněné zóny se zvyšuje, čímž se prodlužuje doba růstu zrna v této zóně, což zase vede ke zvýšení velikosti zrna v tepelně ovlivněné zóně.

S výkonem 900 W, rychlostí svařování 30 mm/s a velikostí rozostření 0 mm pro vláknový laser je metalografická mikrostruktura ve střední oblasti svaru při různých výkonech polovodičového laseru znázorněna jako na obrázku 7, když polovodič výkon laseru je nastaven na 0 W, 600 W a 800 W, metalografický mikrosnímek mikrostruktury ve středu svaru je zobrazen na obrázku 7(a), obrázku 7(b) a obrázku 7(c). rovnoosé struktury zrna, jak se zvyšuje výkon polovodičového laseru, množství rovnoosých struktur zrna postupně roste. Je tomu tak proto, že zvýšení výkonu polovodičového laseru způsobí zvýšení celkové teploty ve středu svaru, což poskytuje dostatek času pro vývoj rovnoosé struktury zrna. Když se výkon polovodičového laseru dále zvýší na 1000 W, mikrostruktura v střed svaru přechází do velkých zrn α-Cu, jak je znázorněno na obrázku 7(b). Je to způsobeno poklesem teplotního gradientu ve středu svaru, což způsobuje výrazné zpomalení rychlosti ochlazování svaru, což usnadňuje tvorbu velkých zrn α-Cu.

2.3 Vliv polovodičového laseru na mechanické vlastnosti svarů
Při výkonu vláknového laseru nastaveného na 900 W, rychlosti svařování 30 mm/s a velikosti rozostření 0 mm je mikrotvrdost při různých výkonech polovodičového laseru znázorněna na obrázku 8. Jak se výkon polovodičového laseru zvyšuje, maximální tvrdost svaru postupně klesá. Je to proto, že zvýšení výkonu polovodičového laseru prodlužuje dobu chlazení a tuhnutí taveniny, což umožňuje zrnům plně růst. Větší velikost zrna má za následek snížení hodnoty mikrotvrdosti materiálu. Trend od oblasti svaru směrem k základnímu materiálu vykazuje počáteční pokles následovaný nárůstem, přičemž maximální mikrotvrdost je pozorována ve středové oblasti svaru. To je způsobeno přítomností velmi malých zrn v této oblasti, protože zjemnění zrna má za následek zvýšenou tvrdost. Minimální hodnota mikrotvrdosti se vyskytuje v tepelně ovlivněné zóně. Tepelně ovlivněná zóna je totiž ve směru vedení tepla; malý teplotní gradient vede k relativně větším zrnům, která zase snižují mikrotvrdost.

Obrázek 8 Rozložení mikrotvrdosti svarových spojů při různých výkonech polovodičového laseru

Závěr 3
Ve srovnání s tradičními laserové svařování, předehřívání nebo povrchová úprava mědi není nutná. Pomocí vláknových a polovodičových kompozitních laserů lze měď svařovat v jednom kroku, což snižuje výrobní proces a šetří výrobní náklady. To poskytuje cennou technickou referenci pro skutečnou výrobu.

Během procesu svařování poskytuje polovodičový laser pomocný ohřev svaru a vytváří nejvyšší pevnost v tahu ve svaru bez poréznosti, když je výkon nastaven na 800 W. Výkon polovodičového laseru významně ovlivňuje mikrostrukturu svaru. Jak se výkon polovodičového laseru zvyšuje, buněčná krystalová struktura v zóně fúze postupně hrubne; zvětšuje se velikost zrna v tepelně ovlivněné zóně; a rovnoosá krystalová struktura ve středu svaru se zvětšuje ve velikosti částic. Větší velikost zrna sníží mikrotvrdost svaru.