Einfluss des Dioden- und Faserlaser-Verbundschweißens auf die Mikrostruktur und die Eigenschaften von Kupfer

0 Vorwort
Rotes Kupfer weist eine gute Duktilität, hohe Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit auf und wird häufig in der Luft- und Raumfahrt, im Schiffsbau, bei Kabeln sowie in elektrischen und elektronischen Komponenten verwendet. Traditionelle Schweißmethoden für rotes Kupfer wie das Wolfram-Inertgasschweißen haben einen hohen Wärmeeintrag und große Pfosten -Schweißverformungen und unschöne Schweißnähte, die den Anforderungen einer modernen Produktion nicht mehr gerecht werden.

Beim Laserschweißen wird insgesamt weniger Wärme zugeführt, was die Probleme großer Verformungen nach dem Schweißen und eines schlechten Erscheinungsbilds erheblich verbessern kann. Die Laserschweißtechnologie hat sich in den letzten Jahren rasant weiterentwickelt. Aufgrund der geringen Absorptionsrate von Lasern im nahen Infrarotbereich auf der Kupferoberfläche, die im Allgemeinen nur etwa 4 % beträgt, wird der Großteil der Laserenergie wegreflektiert. Zum Schweißen von Kupfer ist ein hoher Energieaufwand erforderlich, was zu einer schlechten Schweißstabilität führen kann. Beim Schmelzprozess von Rotkupfer bilden sich leicht Poren an der Schweißnaht, die sich auf die mechanischen Eigenschaften der Schweißverbindung auswirken. Beim Schweißen von Rotkupfer wird die Ein großer Wärmeeintrag führt zu einem drastischen Anstieg der Korngröße, was sich auch negativ auf die Leistung der Schweißverbindung auswirkt.

Im Experiment wird die neue Halbleiter- und Faserlaser-Verbundschweißtechnologie zum Laserschweißen von Rotkupfer eingesetzt. Der Einfluss von Prozessparametern auf die Schweißnahtausbildung wird analysiert, um technische Referenzen für die tatsächliche Produktion zu liefern.

1 Schweißversuch
1.1 Zu schweißende Materialien und Schweißgeräte
Das Versuchsmaterial ist rotes Kupfer mit einer Dicke von 1.0 mm und einer Länge × Breite von 100 mm × 50 mm. Die Schweißmethode ist Spleißen. Das zu schweißende Material wird mit einer selbstgebauten Vorrichtung festgeklemmt, um die Verformung während des Schweißens zu reduzieren Schweißen.

Zum Schweißen von rotem Kupfer wird ein Verbundlaser aus einem Halbleiterlaser und einem Faserlaser verwendet. Die Wellenlänge des Halbleiterlasers beträgt 976 nm, die maximale Leistung beträgt 1000 W und der Kerndurchmesser der Faser beträgt 400 Mikrometer. Der Faserlaser hat eine Wellenlänge von 1070 nm, eine maximale Laserleistung von 1000 W und einen Faserkerndurchmesser von 50 Mikrometer . Die beiden Lasertypen werden durch einen Schweißkopf kombiniert, wobei die Kollimationslinse des Schweißkopfes eine Brennweite von 100 mm und die Fokussierlinse eine Brennweite von 200 mm hat. Der optische Pfad ist in Abbildung 1(a) dargestellt Der Punktdurchmesser des Halbleiterlasers beträgt nach dem Durchgang durch den Schweißkopf im Laserfokus etwa 0.8 mm. Aufgrund der großen Punktgröße kann eine zusätzliche Erwärmung um die Schweißnaht herum erfolgen. Der Punktdurchmesser des Faserlasers im Fokus beträgt etwa 0.1 mm und die Leistungsdichte ist gering (Leistungsdichte = Laserleistung/Punktfläche; je kleiner). Je größer der Spotdurchmesser, desto größer die Leistungsdichte). Dadurch können höhere Temperaturen erzeugt und das Schweißen von Kupfermaterialien erreicht werden. Alle im Text erwähnten Experimente wurden an den Schwerpunkten Halbleiterlaser und Faserlaser zum Schweißen durchgeführt. Die experimentelle Plattform zum Laserverbundschweißen ist in Abbildung 1(b) dargestellt. Es besteht im Wesentlichen aus einem Halbleiterlaser, einem Faserlaser, einem Schweißkopf, einem Industriesteuerrechner und einem X/Y-Modul. Bei diesem Aufbau führt der Schweißkopf, angetrieben durch das X/Y-Modul, eine Bahnschweißung zur Bildung einer Schweißnaht durch. Die Leistung des Halbleiterlasers und des Faserlasers ist getrennt einstellbar.

(a) Schematische Darstellung des optischen Strahlengangs beim Hybridschweißen	(b) Experimentelle Ausrüstung
Abbildung 1 Laserschweißgerät

1.2Schweißprüfgeräte
Die Mikrostruktur der Schweißnaht wurde mit einem metallografischen Mikroskop, Modell WYJ-4XBD, getestet und analysiert. Dies geschah, um die Auswirkungen verschiedener Prozessparameter auf die Mikrostruktur der Schweißnaht zu analysieren. Die Zugfestigkeit der Schweißnaht wurde mit einer elektronischen Zugmaschine, Modell FR-103C, getestet. Die Ausrüstung ist in Abbildung 2(b) dargestellt. Die Zugfestigkeit P der Schweißnaht ergibt sich aus der Division der Zugkraft F durch die Fläche S der Schweißnaht. Die Zugfestigkeit wird unter jedem Prozessparameter dreimal getestet, und die erhaltene durchschnittliche Zugfestigkeit ist die Zugfestigkeit der Schweißnaht, die diesem Prozessparameter entspricht. Die Streckgeschwindigkeit der Zugmaschine ist auf 3 mm/s eingestellt. Die Mikrohärte der Schweißnahtverbindung der Schweißprobe wird mit einem Mikrohärteprüfgerät, Modell HV-1, geprüft. Die experimentelle Belastung beträgt 1000 g und die Ladezeit beträgt 50 Sekunden.

2 Experimenteller Ablauf und Ergebnisanalyse
2.1 Einfluss von Halbleiterlasern auf das Aussehen und die Festigkeit von Schweißnähten
Wenn nach zahlreichen Vorversuchen nur ein Faserlaser zum Schweißen verwendet wird (mit der Halbleiterlaserleistung auf 0 W eingestellt), wird die Schweißnaht bei einer Leistung des Faserlasers von 900 W und einer Schweißgeschwindigkeit von 30 mm/s gerade noch durchdringen, aber Es neigt zur Porenbildung innerhalb der Schweißnaht. Wie in Abbildung 3(a) gezeigt, werden bei fortlaufenden Versuchen, Prozessparameter wie Schweißgeschwindigkeit und Laserleistung zu optimieren Faserlaserschweißen, es sind noch Poren in der Schweißnaht vorhanden. Dies liegt daran, dass der Faserlaser während des Schmelzprozesses von Purpurkupfer eine große Wärmezufuhr zum Kupfer und eine hohe Temperatur ausübt, was die Löslichkeit von Wasserstoff in der Luft im Schmelzbad stark erhöht. Gleichzeitig wird aufgrund der Durch die gute Wärmeleitfähigkeit von violettem Kupfer ist die Abkühlgeschwindigkeit des Schmelzbades sehr hoch. Die schnelle Erstarrung des Schmelzbades führt dazu, dass sich der im Schmelzbad gelöste Wasserstoff nicht rechtzeitig aus der Schweißnaht verflüchtigt, was zu Restwasserstoff in der Schweißnaht und der Bildung von Poren in der Naht führt. Diese inneren Poren in der Schweißnaht beeinträchtigen die mechanischen Eigenschaften der Schweißverbindung.

Der Artikel verwendet ein Verbundschweißverfahren unter Verwendung eines Halbleiterlasers und eines Faserlasers. Die Leistung des Faserlasers wird konstant bei 900 W und die Schweißgeschwindigkeit bei 30 mm/s gehalten. Um die Auswirkung auf die Schweißnaht zu analysieren, wird die Leistung des Halbleiterlasers auf 600 W, 800 W bzw. 1000 W eingestellt. Wenn die Leistung des Halbleiterlasers 600 W beträgt, die in Abbildung 3(b) dargestellte Schweißnaht, sind in der Schweißnaht Poren vorhanden. Wenn die Leistung des Halbleiterlasers 800 W beträgt, wie in Abbildung 3(c) dargestellt, sind dort Poren vorhanden Es entstehen keine Poren innerhalb der Schweißnaht. Dies liegt daran, dass der Halbleiterlaser im Brennpunkt einen Punktdurchmesser von 0.8 mm hat und somit einen größeren Heizbereich abdeckt. Der Halbleiterlaser sorgt für eine zusätzliche Erwärmung rund um die Schweißnaht, wodurch die Abkühlgeschwindigkeit des Schmelzbades verringert wird. Dadurch hat der im Schmelzbad gelöste Wasserstoff genügend Zeit, aus der Schweißnaht zu verdampfen, sodass keine Poren in der Schweißnaht zurückbleiben. Wenn die Leistung des Halbleiterlasers weiter auf 1000 W erhöht wird, sieht die Schweißnaht wie in Abbildung 3 dargestellt aus (d), mit größeren Poren im Inneren. Dies könnte an der zu hohen Leistung des Halbleiterlasers liegen, die zu einem größeren Gesamtwärmeeintrag führt. Dadurch werden niedrigschmelzende Elemente im Kupfer abgetragen und es entstehen Hohlräume in der Schweißnaht.

Die Zugfestigkeit der Schweißnaht wird mit einer Spannungsprüfmaschine getestet, wenn die Parameter der Faserlaserleistung auf 900 W eingestellt sind, die Schweißgeschwindigkeit auf 30 mm/s und der Defokusbetrag auf 0 mm konstant gehalten werden, eine Analyse der Der Einfluss der Halbleiterlaserleistung auf die Zugfestigkeit der Schweißnaht wird untersucht. Die Ergebnisse sind in Abbildung 4 dargestellt. Wenn die Halbleiterlaserleistung auf 0 W und 600 W eingestellt ist, ändert sich die Zugfestigkeit der Schweißnaht nicht wesentlich. Denn eine Leistung von 600 W hat keinen nennenswerten Einfluss auf die Morphologie der Schweißnaht. Ähnlich wie bei einer Leistung von 0 W entstehen Poren in der Schweißnaht, was zu einer Zugfestigkeit zwischen 160 und 161 MPa führt. Bei einer Halbleiterlaserleistung von 800 W erreicht die Zugfestigkeit der Schweißnaht mit 238 MPa ihren höchsten Wert , wodurch 80 % der Zugfestigkeit des Kupferbasismaterials erreicht werden (das sind 292 MPa). Dies entspricht einer Steigerung der Zugfestigkeit um ca. 50 % im Vergleich zu einer Einstellung der Halbleiterlaserleistung auf 0 W und 600 W. Bei einer Einstellung der Halbleiterlaserleistung auf 1000 W nimmt die Zugfestigkeit der Schweißnaht drastisch ab. Dies liegt daran, dass die Leistung des Halbleiterlasers zu hoch ist, wodurch die niedrig schmelzenden Elemente abgetragen werden und die Zugfestigkeit der Schweißnaht drastisch sinkt.

Abbildung 4 Zugfestigkeit von Schweißverbindungen unter verschiedenen Halbleiterlaserleistungen

2.2 Einfluss des Halbleiterlasers auf die Schweißmikrostruktur
Mit einer Leistung von 900 W arbeitet das Faserlaserschweißgerät mit einer Geschwindigkeit von 30 mm/s und einer Defokussierung von 0 mm. Die metallografischen Mikrostrukturbilder der Fusionszonen bei verschiedenen Halbleiterlaserleistungen sind in Abbildung 5 dargestellt. Wenn die Halbleiterlaserleistung auf 0 W eingestellt ist, ist die Mikrostruktur der Fusionszone eine schlanke zelluläre Kristallstruktur, wie in Abbildung 5(a) dargestellt. . Wenn die Halbleiterlaserleistung auf 600 W und 800 W eingestellt ist, sind die Mikrostrukturen der Fusionszonen in Abbildung 5(b) bzw. Abbildung 5(c) dargestellt. Mit zunehmender Halbleiterlaserleistung wird die zelluläre Kristallstruktur allmählich gröber. Dies liegt daran, dass der Temperaturgradient in der Fusionszone relativ groß ist, die Körner in Richtung der Wärmeleitung wachsen und feine zelluläre Kristallstrukturen bilden. Wenn die Halbleiterlaserleistung auf 1000 W eingestellt ist, ist die Mikrostruktur der Fusionszone, wie in gezeigt Abbildung 5(d) wandelt sich in eine viel gröbere α-Cu-Struktur um. Dies ist auf die extrem langsame Abkühlgeschwindigkeit zurückzuführen, die zur Bildung großer α-Cu-Körner führt.

Mit einer Leistung von 900 W arbeitet das Faserlaserschweißgerät mit einer Geschwindigkeit von 30 mm/s und einer Defokussierung von 0 mm. Die metallografischen Mikrostrukturbilder der wärmebeeinflussten Zonen bei verschiedenen Halbleiterlaserleistungen sind in Abbildung 6 dargestellt. Die Struktur der wärmebeeinflussten Zonen besteht vollständig aus getempertem α-Cu. Wenn die Halbleiterlaserleistung auf 0 W und 600 W eingestellt ist, wird das Korn Die Größen in der Wärmeeinflusszone variieren nicht wesentlich, wie in Abbildung 6(a) und Abbildung 6(b) dargestellt. Dies ist auf die relativ geringe Leistung des Halbleiterlasers zurückzuführen, die keinen nennenswerten Einfluss auf die Mikrostruktur der Schweißnaht hat. Bei einer Einstellung der Leistung des Halbleiterlasers auf 800 W vergrößern sich die Körner in der Wärmeeinflusszone deutlich, wie dargestellt in Abbildung 6(c). Wenn die Leistung auf 1000 W erhöht wird, wächst die durchschnittliche Korngröße weiter, wie in Abbildung 6(d) dargestellt. Dies liegt daran, dass mit zunehmender Leistung des Halbleiterlasers die Abkühlgeschwindigkeit des geschmolzenen Pools abnimmt. Dies führt zu einer verlängerten Umschmelz- und Rekristallisationszeit des Schmelzbades. Die in die Wärmeeinflusszone geleitete Wärmemenge und Zeit nimmt zu, wodurch sich die Kornwachstumszeit in dieser Zone verlängert, was wiederum zu einer Vergrößerung der Korngröße in der Wärmeeinflusszone führt.

Bei einer Leistung von 900 W, einer Schweißgeschwindigkeit von 30 mm/s und einem Defokusbetrag von 0 mm für den Faserlaser wird die metallografische Mikrostruktur im zentralen Bereich der Schweißnaht bei verschiedenen Halbleiterlaserleistungen wie in Abbildung 7 dargestellt, wenn der Halbleiter Die Laserleistung ist auf 0 W, 600 W bzw. 800 W eingestellt. Die metallografische Mikroaufnahme der Mikrostruktur in der Mitte der Schweißnaht ist in Abbildung 7(a), Abbildung 7(b) und Abbildung 7(c) dargestellt Bei gleichachsigen Kornstrukturen nimmt die Menge der gleichachsigen Kornstrukturen mit zunehmender Leistung des Halbleiterlasers allmählich zu. Denn durch die Leistungssteigerung des Halbleiterlasers steigt die Gesamttemperatur in der Schweißnahtmitte an, was ausreichend Zeit für die Entwicklung der gleichachsigen Kornstruktur bietet. Wenn die Leistung des Halbleiterlasers weiter auf 1000 W erhöht wird, wird die Mikrostruktur verbessert Die Mitte der Schweißnaht geht in große α-Cu-Körner über, wie in Abbildung 7(b) dargestellt. Dies ist auf einen Rückgang des Temperaturgradienten in der Schweißnahtmitte zurückzuführen, der dazu führt, dass sich die Abkühlgeschwindigkeit der Schweißnaht deutlich verlangsamt, was die Bildung großer α-Cu-Körner begünstigt.

2.3 Einfluss des Halbleiterlasers auf die mechanischen Eigenschaften von Schweißnähten
Bei einer Einstellung der Leistung des Faserlasers auf 900 W, einer Schweißgeschwindigkeit von 30 mm/s und einem Defokussierungsbetrag von 0 mm ist die Mikrohärte bei verschiedenen Halbleiterlaserleistungen in Abbildung 8 dargestellt. Mit zunehmender Leistung des Halbleiterlasers steigt das Maximum Die Härte der Schweißnaht nimmt allmählich ab. Dies liegt daran, dass die Erhöhung der Halbleiterlaserleistung die Abkühl- und Erstarrungszeit des Schmelzbades verlängert und so ein vollständiges Wachstum der Körner ermöglicht. Die größere Korngröße führt zu einer Verringerung des Mikrohärtewerts des Materials. Der Trend vom Schweißnahtbereich zum Grundmaterial zeigt zunächst eine Abnahme, gefolgt von einem Anstieg, wobei die maximale Mikrohärte im mittleren Bereich der Schweißnaht beobachtet wird. Dies ist auf das Vorhandensein sehr kleiner Körner in diesem Bereich zurückzuführen, da die Kornverfeinerung zu einer erhöhten Härte führt. Der minimale Mikrohärtewert tritt in der Wärmeeinflusszone auf. Dies liegt daran, dass die Wärmeeinflusszone in Richtung der Wärmeleitung liegt; Der geringe Temperaturgradient führt zu relativ größeren Körnern, die wiederum die Mikrohärte verringern.

Abbildung 8 Mikrohärteverteilung von Schweißverbindungen bei unterschiedlichen Halbleiterlaserleistungen

3 Fazit
Im Vergleich zu traditionell LaserschweißenEine Vorwärmung oder Oberflächenbehandlung von Kupfer ist nicht erforderlich. Mithilfe von Faser- und Halbleiter-Verbundlasern kann Kupfer in einem Schritt geschweißt werden, wodurch der Herstellungsprozess verkürzt und Produktionskosten eingespart werden. Dies stellt eine wertvolle technische Referenz für die tatsächliche Produktion dar.

Während des Schweißprozesses sorgt der Halbleiterlaser für eine zusätzliche Erwärmung der Schweißnaht und erzeugt so bei einer Leistung von 800 W die höchste Zugfestigkeit der Schweißnaht ohne Porosität. Die Leistung des Halbleiterlasers beeinflusst die Mikrostruktur der Schweißnaht erheblich. Mit zunehmender Leistung des Halbleiterlasers wird die zelluläre Kristallstruktur in der Fusionszone allmählich gröber; die Korngröße in der Wärmeeinflusszone nimmt zu; und die gleichachsige Kristallstruktur in der Mitte der Schweißnaht nimmt an Partikelgröße zu. Die größere Korngröße verringert die Mikrohärte der Schweißnaht.