Jednorežimový proces svařování vláknovým laserem z hliníkové slitiny 6063 Česká republika

Abstrakt:Práce si klade za cíl studovat optimum laserové svařování procesní schéma pro hliníkovou slitinu 6063 pro zlepšení napětí svarového bodu vzhledem k tomu, že napětí hliníkové slitiny 6063 bodově svařované pulzním laserem je nízké a nesplňuje skutečné potřeby. The jednovidový vláknový laser byl použit ke svařování hliníkové slitiny 6063 a spirálová místa byla tvořena extrémně jemnou linií, která nahradila jeden pulz laserové bodové svařování. Ortogonální experiment byl proveden s výkonem laseru, rychlostí svařování a rozostřením pro získání optimálních parametrů. Prostřednictvím analýzy vzhledu a mikrostruktury svaru byl vysvětlen důvod zvýšení napětí svarového bodu. Při výkonu laseru 70 W, rychlosti svařování 100 mm/s a rozostření 0, napětí bodů dosáhlo maxima 65 N a procesní parametry byly nejlepší. Napětí jednorežimového laserového bodu svařování bylo 3krát větší než napětí bodu svařování pulzním laserem. Při svařování jednovidovým vláknovým spirálovým laserem je energie laseru rovnoměrně rozložena v bodovém rozsahu a má velkou hustotu výkonu, přičemž vytváří tvar svaru se šířkou svarového povrchu téměř stejnou jako u dna svaru, což vede k zlepšení napětí svařovacího bodu a poskytnutí technické reference pro skutečnou výrobu.

KEYWORDS:slitina hliníku 6063; jednovidový vláknový laser; laserové svařování; napětí

Materiály ze slitin hliníku mají výhody nízké hmotnosti, vysoké pevnosti, snadného zpracování a tvarování a dobré odolnosti proti korozi. Byly široce používány v průmyslových odvětvích, jako je letecký průmysl, hardware a automobily. S pokrokem vědy a techniky byly kladeny vyšší požadavky na kvalitu svaru a efektivitu výroby svařování hliníkových slitin. Laserové svařování má výhody vysoké energie hustota, nízký celkový tepelný příkon, malá deformace po svařování a snadná automatizace díky bezkontaktu s obrobkem. Má široké uplatnění při svařování hliníkových slitin.
Hliníková slitina má vysokou odrazivost vůči laserům a vyžaduje vyšší laserovou energii k dosažení svařování. Kromě toho jsou prvky s nízkou teplotou tání, jako je Mg a Zn v hliníkových slitinách, náchylné k vyhoření, což má za následek snížení pevnosti svarového spoje, což ovlivňuje praktické použití. Hliníková slitina 6063 má vysokou pevnost a dobrou odolnost proti tření a je to materiál z hliníkové slitiny se širokým spektrem použití. Tenké materiály obecně používají Nd:YAG laserový zdroj pro bodové svařování, který může snížit tepelnou deformaci a zlepšit efektivitu výroby. Pevnost svaru v tahu je však nižší, což nemusí splňovat praktické požadavky výroby. S dalším rozvojem laserové technologie se technologie jednovidových vláknových laserů stává stále zralejší a kvalita paprsku se zlepšuje a lepší, což velmi pomáhá při zlepšení pevnosti v tahu svarového bodu.
Výrobek používá 1000W jednovidový vláknový laser ke svařování spirálového drátu, čímž se vytvoří svarový bod. Optimalizací procesních parametrů je dosaženo maximální pevnosti v tahu svarového bodu. Porovnává se také s pevností v tahu svarových bodů z pulzního laserového bodového svařování, což poskytuje cenné reference pro praktické inženýrské aplikace.

1 Svařovací pokus

Materiály 1.1

Materiál je slitina hliníku s jakostí 6061 a tloušťkou 0.5 mm. Chemické složení materiálu je uvedeno v tabulce 1. Materiál nařežte na pláty 200 mm x 100 mm, očistěte alkoholem a vodou a odložte stranou. Metodou svařování je přeplátované svařování a svařované obrobky se upínají pomocí podomácku vyrobených přípravků.

Tab.1Chemické složení 6061hliníkové slitiny (hmotnostní zlomek)%

1.2 Zařízení

Experimentální zařízení využívá jednovidový vláknový laser vyráběný IPG pro svařování, s průměrem vlákna 0.14 µm a průměrným výkonem 1000 W. Experimentální platforma sestává hlavně z laseru, počítače, systému optické dráhy a řídicího systému, jak je znázorněno na obrázku 1a. Laser je odrážen skenovacím galvanometrem a je zaostřeno na pracovní rovinu přes F čočku. Galvanometr se pod pohonem x/y motoru otáčí vysokou rychlostí a vytváří v rovině různé trajektorie, jako jsou kruhy, obdélníky, přímky, spirály atd. Po průchodu F čočkou je velikost bodu cca 0.28 mm. Schéma systému optické dráhy je znázorněno na obrázku 1b. Bodové svařování pulzním laserem využívá 500W Nd:YAG laserzdroj, se špičkovým výkonem až 8000W. Po zaostření laserového paprsku systémem optické dráhy je velikost bodu přibližně 0.4 ~ 1.0 mm.Elektronický tahový tester vyrobený Jinan Huaxing Experimental Equipment Co., Ltd (model: WDH-10) se používá pro tahové testování svarového švu. Vzhled svaru je testován metalografickým mikroskopem, přičemž značka je Beijing North Star a modelové číslo XJB200.

Obr.1 Experimentální platforma

2 Experimenty a výsledky laserového svařování

2.1 Grafický návrh svařování a srovnání vzhledu

Pulzní laserové bodové svařování používá pro svařování 500W Nd:YAG laser se svařovacím zařízením požadovaný rozsah 0.6~0.8 mm. Velikost zaostřeného paprsku pulsu laserové bodové svařování jen splňuje požadavek. Laser vysílá puls, který působí na materiál a vytváří a svařovací bod. Schéma svarového bodu je znázorněno na obrázku 2a.Vzhledem k tomu, že zaostřený bod jednovidového vláknového laseru je pouze 0.28 mm, laser paprsek tvoří svařovací bod pohybem spirály, průměr spirály je 0.8 mm,a spirála má 4 otáčky. Mezi každým je určitý stupeň laserového překrytí otočením, tvořící bod laserového svařování o průměru 0.8 mm. Schéma bod svařování je znázorněn na obrázku 2b. Vzhled bodového svařování pulzním laserem je znázorněno na obrázku 2c, a vzhled svarového bodu tvořeného spirálou je znázorněno na obrázku 2d. Velikost dvou svarových bodů je téměř identická a ne významný rozdíl lze pozorovat vizuálně.

Obr.2 Schéma a vzhled svarových bodů

2.2 Ortogonální experiment s parametry procesu

Hlavní parametry zpracování pro pulzní laserové bodové svařování včetně špičkového laseru výkon, šířku pulsu a míru rozostření. Předběžný test procesu laserového svařování je vedena na 0.5 mm hliníkové slitině 6061. Když je špičkový výkon laseru 2400 W, špičkový výkon je relativně malý, což má za následek menší bod svařování tažná síla 3 N.Když je špičkový výkon laseru 3600 W, dochází k rozstřiku na povrchu svaru švu a tahová síla bodu svaru je také nízká, 4 N. Když je šířka impulzu 3 ms, průměr bodu svařování je menší a tažná síla je menší, 3 N.Když je šířka impulzu 9 ms, průměr o svařovací bod je 0.9 mm, což přesahuje rozsah svařování 0.6~0.8 mm.Když je rozostření na 0, kvůli velkému hustota výkonu, na svarovém švu dochází k rozstřikům a vzhled ne splňují normu. Když je však rozostření na 6 mm, kvůli prudkému poklesuhustota výkonu, tažná síla při svarový bod je nižší, na 4 N. Tři úrovnětyto faktory jsou uvedeny v tabulce 2.

Tab.2 Faktory a úrovně bodového svařování pulzním laserem

Hlavními procesními parametry jednovidového vláknového laserového spirálového svařování jsou průměrný výkon laseru, rychlost svařování a množství rozostření,kdy průměrný laser výkon je 500 W, tažná síla v místě svaru je nižší, při 4 N;Když průměrvýkon laseru je 900 W, část materiálu se rozstřikuje a tažná síla při svarový bod je také nižší, při 3 N; Při rychlosti svařování 90 mm/s je také akumulace tepla vysoká, což způsobí spálení materiálu a tažná síla v místě svaru je nižší, na 5N;Při rychlosti svařování 170 mm/s je akumulace tepla nižší šířka a hloubka svařování jsou menší a tažná síla v místě svaru je nižší, at4 N; Když je míra rozostření 0, hustota výkonu je vyšší a způsobuje rozstřiksvarový šev, který nemůže splňovat požadavky na vzhled; při rozostření množství je 6 mm, v důsledku prudkého poklesu hustoty výkonu, tažné síly při svařovací bod je nižší, na 4 N. Tři faktory a tři úrovně jsou uvedeny v tabulce 3.

Tab.3 Faktory a úrovně spirálového svařování jednovidovým vláknovým laserem

Tříúrovňový ortogonální experiment pulzu laserové bodové svařování obsahuje devět sad,když je špičkový výkon 3000 W, šířka pulzu je 8 ms a rozsah rozostřeníje 1 mm, tažná síla bodu svařování dosahuje vrcholu při 17 N,tyto jsou považovány za optimální parametry procesu.Pro faktor špičkového laseru výkonu (A), byly provedeny tři experimenty úroveň 1 (A=2500 W),sečtěte tahovou sílu svařovacích bodů z těchto 3 pokusy získat statistický součet K1=35,když je zvolena úroveň 2, součet pevnost v tahu svarových bodů je statistická celková K2=46,při úrovni je vybrán 3,součet je statistický součet K3=33,čím větší je statistická hodnota K, tím vyšší je tažná síla na této úrovni,nejvyšší hodnota je K2,to znamená, že když faktor A je při úrovni 2 (A = 3000 W) je pevnost v tahu bodu svařování největší;Podobně statistická hodnota K pevnosti v tahu bodu svaru jiného faktory(šířka pulsu, rozostření), jak je uvedeno v tabulce 4. Je znázorněn rozsahod R,čím menší je hodnota R, tím menší vliv má tento faktor na pevnost v tahusvarový bod;A naopak, čím větší je hodnota R, tím větší je dopad tohoto faktoruna pevnost v tahu bodu svaru.Z tabulky 4, it je vidět, že faktoryovlivňující pevnost v tahu svarového bodu jsou v pořadí důležitosti: špičkový výkon,šířka pulzu a rozostření.

Tab.4 Výsledky ortogonálního experimentu bodového svařování pulzním laserem

Třífaktorový, tříúrovňový ortogonální experiment spirální linie jednovidového vláknového laseru svařování zahrnuje celkem 9 skupin. Při průměrném výkonu 3000 W je svařování rychlost je 160 mm/s a míra rozostření je 1 mm, pevnost svaru v tahu bod dosahuje nejvyšší hodnoty 47 N, což je optimální procesní parametr.

Když je průměrný účiník laseru G nastaven na úroveň 1 (A=600 W), vytvoří se celkem 3 experimentální skupiny, pevnosti v tahu těchto 3 skupin svarových bodů se sečtou a získá se statistika F1=98;Podobně lze získat statistiku hodnoty pevnosti v tahu jiných faktorů, jak je uvedeno v tabulce5. Mezi nimi je Y hodnota rozsahu. Z hodnoty rozsahu je vidět, že faktory, které ovlivňují velikost pájeného spoje, jsou od primárního po sekundární rozostření, průměrný výkon a rychlost svařování.

2.3 Analýza vzhledu a mikrostruktury svaru

Obrázek 3a ukazuje příčný řez bodovým svarem za optimálních procesních parametrů pro pulzní laserové bodové svařování, šířka povrchu svarového švu je velká, ale jak se hloubka svaru zvětšuje, šířka svarového švu se zmenšuje. Šířka svaru mezi horními a spodními dvěma vrstvami je přibližně 1/3 šířky povrchu svařovacího bodu, protože energie pulzního laseru je distribuována hlavně ve středu 0.8 mm světelného bodu. Energie na okraji světelné skvrny je nižší, což může pouze roztavit povrch materiálu a nemůže dále pronikat směrem dolů, čímž se vytvoří svar, který je široký nahoře a úzký dole. Obrázek 3b ukazuje příčný řez svarový bod za optimálních procesních podmínek pro jednovidové vláknové laserové spirálové svařování, kde šířka povrchu svarového švu je zhruba ekvivalentní šířce pulzního laserového bodového svařování, se zvýšením hloubky tavení nedochází k významnému snížení šířka svarového švu. Šířka svarového švu mezi horními a spodními dvěma vrstvami materiálu je téměř stejná jako šířka povrchu svarového bodu, je to proto, že když se používá spirálové svařování laserem s jedním vláknem, zaostřený bod jednovidového bodu vláknový laser je 0.28 mm, energie laseru je rovnoměrně rozložena v dosahu bodu a má vysokou hustotu výkonu. Na nejvzdálenějším kruhu spirálové linie je energie laseru dostatečná k tomu, aby protavila materiál a vytvořila tvar svarového švu, kde šířka povrchu svarového švu je téměř stejná jako šířka dna svarového švu. Během tahové zkoušky hlavní napěťová poloha je šířka svarového švu mezi horními a spodními dvěma vrstvami materiálu. Čím větší je šířka, tím větší je tažná síla bodu svaru. Šířka svaru mezi horními a spodními dvěma vrstvami materiálu v jednovidovém laserovém spirálovém svaru je trojnásobkem šířky pulzního laserového bodového svaru, proto je pevnost v tahu svarového bodu jednovidového spirálové svařování vláknovým laserem je také třikrát vyšší než bodové svařování pulzním laserem.

Tab.5 Výsledky ortogonálního experimentu jednovidového spirálového svařování

Obr.3 Příčný řez bodem svařování

Obrázek 4a představuje metalografickou strukturu základního materiálu z hliníkové slitiny 6061. Obr. Velikost zrna je nerovnoměrná, tvar je nepravidelný a zrna jsou relativně velká, což je typická struktura '-AlObrázek 4b ukazuje mikrostrukturu středu svarového švu za optimálních procesních parametrů laserového pulzního bodového svařování. Vyznačuje se dendritickou strukturou z hliníkové slitiny. Velikost zrna zaznamenala výrazné zjemnění ve srovnání se základním materiálem z hliníkové slitiny 6061. To je způsobeno rychlým ohřevem a rychlým ochlazením materiálu hliníkové slitiny bodovým laserovým pulzním svařováním, což má za následek zjemnění zrn svarového švu. Obrázek 4c zobrazuje mikrostrukturu středu svarového švu za optimálních procesních parametrů pro spirálové svařování jednovidovým vláknovým laserem. To je reprezentováno dendritickou strukturou z hliníkové slitiny. Velikost zrna nevykazuje žádný významný rozdíl ve srovnání s metalografickou strukturou laserového pulzního bodového svařování.

Obr.4 Mikrostruktura svarového bodu

Závěr 3

Hliníková slitina 6063 byla odděleně svařována přeplátováním pomocí pulzního laserového bodového svařování a metod spirálového laserového svařování s jedním režimem a byl proveden ortogonální optimalizační experiment. Maximální síla v tahu svarových bodů dosažená pulzním laserovým bodovým svařováním dosáhla 17 N, optimální procesní parametry jsou následující: špičkový výkon 3000 W, šířka pulzu 8 ms a velikost rozostření 1 mm pro bodové svařování pulzním laserem. Maximální pevnost v tahu svarových bodů dosažená jednovidovým vláknovým laserovým spirálovým svařováním dosáhla 47 N. Optimální parametry procesu pro tuto metodu jsou následující: průměrný výkon je 3000 W, rychlost svařování je 160 mm/s, velikost rozostření je 1 mm.

Vzhled výsledků z pulsu laserové bodové svařování a jednovidové vláknové laserové spirálové svařování za optimálních procesních parametrů je téměř totožné, bez významného rozdílu; neexistuje také žádný výrazný rozdíl v metalurgické struktuře a velikosti zrna. Šířka svarového švu mezi horní a spodní vrstvou materiálu při spirálovém svařování jednovidovým vláknovým laserem je trojnásobkem šířky svarového švu z pulzního laserového bodového svařování. Proto je pevnost v tahu svarových bodů z jednovidového vláknového laserového spirálového svařování také třikrát větší než u pulzního laserového bodového svařování.