Single-Mode-Faserlaserschweißprozess aus 6063-Aluminiumlegierung Deutschland

ABSTRACT:Die Arbeit zielt darauf ab, das Optimum zu untersuchen Laserschweißen Prozessschema für eine 6063-Aluminiumlegierung zur Verbesserung der Spannung des Schweißpunkts angesichts der Tatsache, dass die Spannung der 6063-Aluminiumlegierung, die mit einem Pulslaser punktgeschweißt wird, niedrig ist und nicht den tatsächlichen Anforderungen entspricht. Der Singlemode-Faserlaser wurde zum Schweißen einer 6063-Aluminiumlegierung verwendet, und die Spiralpunkte wurden durch extrem feine Linien gebildet, um einzelne Impulse zu ersetzen Laserpunktschweißen. Das orthogonale Experiment wurde durchgeführt, um Laserleistung, Schweißgeschwindigkeit und Defokussierung zu optimieren, um die optimalen Parameter zu erhalten. Durch die Analyse des Aussehens und der Mikrostruktur der Schweißnaht wurde der Grund für den Anstieg der Schweißpunktspannung erklärt. Bei einer Laserleistung von 70 W, einer Schweißgeschwindigkeit von 100 mm/s und einer Defokussierung von 0 erreichte die Spannung der Punkte das Maximum von 65 N und die Prozessparameter waren die besten. Die Spannung des Single-Mode-Laserschweißpunkts war dreimal so hoch wie die des Pulslaserschweißpunkts. Beim Schweißen mit einem Singlemode-Faserspirallaser ist die Laserenergie gleichmäßig im Punktbereich verteilt und weist eine große Leistungsdichte auf, wodurch eine Schweißnahtform entsteht, deren Breite der Schweißfläche nahezu der des Schweißbodens entspricht, was förderlich ist Verbesserung der Spannung des Schweißpunkts und Bereitstellung technischer Referenzen für die tatsächliche Produktion.

SCHLÜSSELWÖRTER:6063 Aluminiumlegierung; Singlemode-Faserlaser; Laserschweißen; Spannung

Aluminiumlegierungsmaterialien haben die Vorteile eines geringen Gewichts, einer hohen Festigkeit, einer einfachen Verarbeitung und Formgebung sowie einer guten Korrosionsbeständigkeit. Sie sind in Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Eisenwaren und Automobilen weit verbreitet. Mit dem Fortschritt von Wissenschaft und Technologie wurden höhere Anforderungen an die Schweißqualität und Produktionseffizienz beim Schweißen von Aluminiumlegierungen gestellt. Laserschweißen hat die Vorteile hoher Energie Dichte, geringer Gesamtwärmeeintrag, geringe Verformung nach dem Schweißen und einfache Automatisierung aufgrund der Nichtberührung des Werkstücks. Es hat eine breite Anwendungsperspektive beim Schweißen von Aluminiumlegierungen.
Aluminiumlegierungen weisen ein hohes Reflexionsvermögen für Laser auf und benötigen zum Schweißen eine höhere Laserenergie. Darüber hinaus neigen Elemente mit niedrigem Schmelzpunkt wie Mg und Zn in Aluminiumlegierungen zum Ausbrennen, was zu einer Verringerung der Festigkeit der Schweißverbindung führt, was sich negativ auf die praktische Verwendung auswirkt. Die Aluminiumlegierung 6063 weist eine hohe Festigkeit und einen guten Reibungswiderstand auf Es handelt sich um ein Aluminiumlegierungsmaterial mit einem breiten Anwendungsspektrum. Dünne Materialien verwenden im Allgemeinen eine Nd: YAG-Laserquelle zum Punktschweißen, was die thermische Verformung reduzieren und die Produktionseffizienz verbessern kann. Allerdings ist die Zugfestigkeit des Schweißpunkts geringer, was möglicherweise nicht den praktischen Produktionsanforderungen entspricht. Mit der Weiterentwicklung der Lasertechnologie wird die Singlemode-Faserlasertechnologie immer ausgereifter und die Qualität des Strahls wird immer besser besser, was eine große Hilfe bei der Verbesserung der Zugfestigkeit des Schweißpunktes ist.
Der Artikel verwendet einen 1000-W-Singlemode-Faserlaser, um den Spiraldraht zu verschweißen und so einen Schweißpunkt zu bilden. Durch die Optimierung der Prozessparameter wird die maximale Zugfestigkeit des Schweißpunktes erreicht. Es lässt sich auch mit der Zugfestigkeit der Schweißpunkte beim Pulslaser-Punktschweißen vergleichen und liefert wertvolle Referenzen für praktische technische Anwendungen.

1 Schweißversuch

1.1-Materialien

Das Material ist eine Aluminiumlegierung der Güteklasse 6061 und einer Dicke von 0.5 mm. Die chemische Zusammensetzung des Materials ist in Tabelle 1 aufgeführt. Schneiden Sie das Material in 200 mm x 100 mm große Platten, reinigen Sie es mit Alkohol und Wasser und legen Sie es beiseite. Das Schweißverfahren ist das Überlappschweißen, wobei die zu schweißenden Werkstücke mit selbstgebauten Vorrichtungen eingespannt werden.

Tab.1 Chemische Zusammensetzung der 6061-Aluminiumlegierung (Massenanteil) %

1.2 Ausrüstung

Die Versuchsausrüstung verwendet einen von IPG hergestellten Singlemode-Faserlaser Schweißen, mit einem Faserdurchmesser von 0.14 µm und einer durchschnittlichen Leistung von 1000 W. Die experimentelle Plattform besteht hauptsächlich aus einem Laser, einem Computer, einem optischen Pfadsystem und einem Steuerungssystem, wie in Abbildung 1a dargestellt. Der Laser wird vom Scan-Galvanometer reflektiert und wird durch die F-Linse auf die Arbeitsebene fokussiert. Das Galvanometer dreht sich mit hoher Geschwindigkeit unter dem Antrieb des x/y-Motors und bildet verschiedene Flugbahnen in der Ebene, wie Kreise, Rechtecke, gerade Linien, Spirallinien usw. Nach dem Durchgang durch die F-Linse beträgt die Punktgröße etwa 0.28 mm. Das schematische Diagramm des optischen Pfadsystems ist in Abbildung 1b dargestellt. Beim Pulslaser-Punktschweißen wird ein 500-W-Nd:YAG-Laser verwendetQuelle, mit einer Spitzenleistung von bis zu 8000 W. Nachdem der Laserstrahl durch das optische Pfadsystem fokussiert wurde, beträgt die Punktgröße etwa 0.4 bis 1.0 mm.Für die Zugprüfung der Schweißnaht wird der elektronische Zugprüfer von Jinan Huaxing Experimental Equipment Co., Ltd (Modell: WDH-10) verwendet. Das Aussehen der Schweißnaht wird mit einem metallografischen Mikroskop geprüft, wobei die Marke Beijing North Star und die Modellnummer XJB200 verwendet wird.

Abb.1 Experimentierplattform

2 Experimente und Ergebnisse zum Laserschweißprozess

2.1 Vergleich von Schweißgrafikdesign und Erscheinungsbild

Gepulst Laserpunktschweißen Verwendet zum Schweißen einen 500 W Nd:YAG-Laser mit einer Schweißnaht Bereichsanforderung von 0.6 bis 0.8 mm. Die fokussierte Strahlgröße gepulst Laserpunktschweißen erfüllt einfach die Anforderung. Der Laser sendet einen Impuls aus, der auf das Material einwirkt und einen bildet Schweißpunkt. Das schematische Diagramm des Schweißpunkts ist in Abbildung 2a dargestellt.Da der fokussierte Fleck des Singlemode-Faserlasers nur 0.28 mm beträgt, ist der Laser Der Strahl bildet einen Schweißpunkt, indem er spiralförmig verläuft. Der Durchmesser der Spirale beträgt 0.8 mm.und die Spirale hat 4 Windungen. Zwischen jedem besteht ein gewisser Grad an Laserüberlappung drehen, wodurch ein Laserschweißpunkt mit einem Durchmesser von 0.8 mm entsteht. Der Schaltplan des Der Schweißpunkt ist in Abbildung 2b dargestellt. Das Erscheinungsbild des Pulslaser-Punktschweißens ist in Abbildung 2c gezeigt, und das Aussehen des durch die Spirale gebildeten Schweißpunkts ist in Abbildung 2d dargestellt. Die Größe der beiden Schweißpunkte ist nahezu identisch und nein Ein deutlicher Unterschied kann visuell beobachtet werden.

Abb.2 Diagramm und Aussehen der Schweißpunkte

2.2 Orthogonales Experiment der Prozessparameter

Die wichtigsten Verarbeitungsparameter für gepulste Laserpunktschweißen inklusive Peak-Laser Leistung, Impulsbreite und Defokussierungsbetrag. Ein vorläufiger Laserschweißprozesstest ist möglich durchgeführt auf 0.5 mm 6061-Aluminiumlegierung. Wenn die Spitzenlaserleistung 2400 W beträgt, beträgt die Die Spitzenleistung ist relativ gering, was zu einem kleineren Schweißpunkt führt Zugkraft von 3 N.Wenn die maximale Laserleistung erreicht ist Bei ca. 3600 W kommt es zu Spritzern auf der Schweißnahtoberfläche Naht und auch die Zugkraft des Schweißpunktes ist mit 4 N gering Bei ca. 3 ms ist der Durchmesser des Schweißpunktes kleiner und die Zugkraft geringer, bei 3 N.Wenn die Impulsbreite 9 ms beträgt, beträgt der Durchmesser Der Schweißpunkt beträgt 0.9 mm überschreitet den Schweißbereich von 0.6 bis 0.8 mm. Wenn die Defokussierung erfolgt bei 0, aufgrund der großen Leistungsdichte, es kommt zu Spritzern auf der Schweißnaht, das Erscheinungsbild jedoch nicht den Standard erfüllen. Allerdings liegt die Defokussierung aufgrund des abrupten Abfalls bei 6 mmLeistungsdichte, die Zugkraft an der Der Schweißpunkt liegt niedriger bei 4 N. Die drei Ebenen vonDiese Faktoren sind in Tabelle 2 dargestellt.

Tab.2 Faktoren und Stufen des Pulslaser-Punktschweißens

Die wichtigsten Prozessparameter des Singlemode-Faserlaser-Spiralschweißens sind die durchschnittliche Laserleistung, Schweißgeschwindigkeit und Defokusbetrag,wenn der durchschnittliche Laser Leistung beträgt 500 W, die Zugkraft an der Schweißstelle ist mit 4 N geringer;Wenn der DurchschnittDie Laserleistung beträgt 900 W, einige Materialspritzer und die Zugkraft an der Schweißpunkt ist ebenfalls geringer, bei 3 N; Bei einer Schweißgeschwindigkeit von 90 mm/s ist auch der Wärmestau geringer hoch, was zu Materialverbrennungen führt und die Zugkraft an der Schweißstelle mit 5 geringer istN;Bei einer Schweißgeschwindigkeit von 170 mm/s ist die Wärmeentwicklung geringer, sowohl die Schweißbreite und -tiefe sind kleiner, ebenso die Zugkraft am Schweißpunkt ist niedriger, bei4 N; Wenn der Defokussierungsbetrag 0 beträgt, ist die Leistungsdichte höher, was zu Spritzern führtdie Schweißnaht, die die Anforderungen an das Aussehen nicht erfüllen kann; bei der Defokussierung Der Betrag beträgt 6 mm, aufgrund des starken Abfalls der Leistungsdichte ist die Zugkraft an der Der Schweißpunkt liegt niedriger bei 4 N. Die drei Faktoren und drei Ebenen sind in Tabelle 3 aufgeführt.

Tab.3 Faktoren und Stufen des Singlemode-Faserlaser-Spiralschweißens

Das dreistufige orthogonale Pulsexperiment Laserpunktschweißen enthält neun Sets,Wenn die Spitzenleistung 3000 W beträgt, beträgt die Impulsbreite 8 ms und der Defokussierungsbetrag1 mm beträgt, erreicht die Zugkraft des Schweißpunktes ihren Höhepunkt bei 17 N,diese sind gelten als optimale Prozessparameter.Für den Faktor Spitzenlaser Leistung (A), mit der drei Experimente durchgeführt wurden Stufe 1 (A=2500 W),Addieren Sie aus diesen 3 die Zugkraft der Schweißpunkte Experimente, um die statistische Summe K1=35 zu erhalten,Wenn Stufe 2 gewählt wird, ist die Summe der Die Zugfestigkeit der Schweißpunkte beträgt statistisch insgesamt K2=46,wenn eben 3 wird gewählt,die Summe ist statistische Summe K3=33,je größer der statistische Wert K, desto höher Zugkraft auf diesem Niveau,der höchste Wert ist K2,Dies zeigt an, dass Faktor A vorliegt bei Stufe 2 (A = 3000 W) ist die Zugfestigkeit der Schweißstelle am größten;Ebenso ist der statistische Wert K der Zugfestigkeit des Schweißpunktes anderer Faktoren(Pulsbreite, Defokus) können ermittelt werden, wie in Tabelle 4 gezeigt. Der Bereich ist dargestelltvon R,Je kleiner der R-Wert ist, desto geringer ist der Einfluss dieses Faktors auf die Zugfestigkeitder Schweißpunkt;Umgekehrt gilt: Je größer der R-Wert, desto größer ist die Auswirkung dieses Faktorsauf der Zugfestigkeit des Schweißpunktes. Aus Tabelle 4, es Es ist ersichtlich, dass die FaktorenDie Zugfestigkeit des Schweißpunktes wird durch folgende Faktoren beeinflusst: Spitzenleistung,Pulsbreite und Defokussierung.

Tab.4 Orthogonale Versuchsergebnisse des Pulslaser-Punktschweißens

Das orthogonale Experiment mit drei Faktoren und drei Ebenen einer Singlemode-Faserlaser-Spirallinie Das Schweißen besteht aus insgesamt 9 Gruppen. Bei einer Durchschnittsleistung von 3000 W erfolgt das Schweißen Die Geschwindigkeit beträgt 160 mm/s und der Defokusbetrag beträgt 1 mm, die Zugfestigkeit der Schweißnaht Der Punkt erreicht den höchsten Wert von 47 N, was dem optimalen Prozessparameter entspricht.

Wenn der durchschnittliche Leistungsfaktor G des Lasers auf Stufe 1 (A=600 W) eingestellt ist, werden insgesamt 3 Versuchsgruppen gebildet. Die Zugfestigkeiten dieser 3 Gruppen von Schweißpunkten werden addiert, um die Statistik F1=98 zu ergeben , kann die Statistik für den Zugfestigkeitswert anderer Faktoren erhalten werden, wie in der Tabelle gezeigt5. Unter diesen ist Y der Bereichswert. Aus dem Bereichswert ist ersichtlich, dass die Faktoren, die die Größe der Lötstelle beeinflussen, von primär bis sekundär, Defokus, durchschnittliche Leistung und Schweißgeschwindigkeit sind.

2.3 Schweißnahtbild und Mikrostrukturanalyse

Abbildung 3a zeigt einen Querschnitt der Punktschweißung unter den optimalen Prozessparametern für das gepulste Laserpunktschweißen. Die Breite der Schweißnahtfläche ist groß, mit zunehmender Einschmelztiefe nimmt die Breite der Schweißnaht jedoch ab. Die Breite der Schweißnaht zwischen den oberen und unteren beiden Schichten beträgt etwa 1/3 der Flächenbreite des Schweißpunktes, da die Energie des gepulsten Lasers hauptsächlich in der Mitte des 0.8 mm großen Lichtflecks verteilt wird. Am Rand des Lichtflecks ist die Energie geringer, wodurch die Materialoberfläche nur aufgeschmolzen werden kann und nicht weiter nach unten vordringen kann, so dass eine Schweißnaht entsteht, die oben breit und unten schmal ist. Abbildung 3b zeigt einen Querschnitt von Der Schweißpunkt unter optimalen Prozessbedingungen für das Singlemode-Faserlaser-Spiralschweißen, bei dem die Breite der Schweißnahtoberfläche in etwa der Breite des gepulsten Laserpunktschweißens entspricht, führt mit der Erhöhung der Schmelztiefe zu keiner wesentlichen Verringerung der Breite der Schweißnaht. Die Breite der Schweißnaht zwischen den oberen und unteren beiden Materialschichten entspricht nahezu der Breite der Schweißpunktoberfläche. Dies liegt daran, dass beim Singlemode-Faserlaser-Spiralschweißen der fokussierte Punkt des Singlemodes liegt Da der Faserlaser 0.28 mm groß ist, ist die Laserenergie gleichmäßig im Spotbereich verteilt und weist eine hohe Leistungsdichte auf. Am äußersten Kreis der Spirallinie reicht die Laserenergie aus, um das Material durchzuschmelzen und eine Schweißnahtform zu bilden, bei der die Breite der Schweißnahtoberfläche fast der Breite des Schweißnahtbodens entspricht. Während des Zugversuchs wird die Hauptspannungsstelle ist die Breite der Schweißnaht zwischen den oberen und unteren beiden Materiallagen. Je größer die Breite, desto größer ist die Zugkraft des Schweißpunktes. Die Breite der Schweißnaht zwischen den oberen und unteren beiden Materialschichten bei der Singlemode-Faserlaser-Spiralschweißung beträgt das Dreifache der Breite der Pulslaser-Punktschweißung und damit die Zugfestigkeit des Schweißpunkts der Singlemode Das Faserlaser-Spiralschweißen ist außerdem dreimal so hoch wie das Pulslaser-Punktschweißen.

Tab.5 Orthogonale Versuchsergebnisse des Singlemode-Spiralschweißens

Abb.3 Querschnitt des Schweißpunktes

Abbildung 4a zeigt die metallografische Struktur des Grundmaterials aus der Aluminiumlegierung 6061. Die Korngröße ist ungleichmäßig, die Form ist unregelmäßig und die Körner sind relativ groß, was eine typische '-Al-Struktur darstellt.Abbildung 4b zeigt die Mikrostruktur des Schweißnahtzentrums unter den optimalen Prozessparametern des Laserpulspunktschweißens. Es weist eine dendritische Struktur aus einer Aluminiumlegierung auf. Die Korngröße wurde im Vergleich zum Grundmaterial der Aluminiumlegierung 6061 deutlich verfeinert. Dies ist auf die schnelle Erwärmung und schnelle Abkühlung des Aluminiumlegierungsmaterials durch Laserpulspunktschweißen zurückzuführen, was zu einer Verfeinerung der Schweißnahtkörner führt. Abbildung 4c zeigt die Mikrostruktur des Schweißnahtzentrums unter den optimalen Prozessparametern für das Singlemode-Faserlaser-Spiralschweißen. Dies wird durch eine dendritische Struktur einer Aluminiumlegierung dargestellt. Die Korngröße weist im Vergleich zur metallografischen Struktur des Laserpulspunktschweißens keinen signifikanten Unterschied auf.

Abb.4 Mikrostruktur des Schweißpunktes

3 Fazit

Die 6063-Aluminiumlegierung wurde separat mittels Pulslaser-Punktschweißverfahren und Singlemode-Faserlaser-Spiralschweißverfahren überlappgeschweißt und ein orthogonales Optimierungsexperiment durchgeführt. Die maximale Zugfestigkeit der Schweißpunkte, die durch das Pulslaser-Punktschweißen erreicht wird, beträgt 17 N. Die optimalen Prozessparameter sind wie folgt: Spitzenleistung beträgt 3000 W, Pulsbreite beträgt 8 ms und Defokusbetrag beträgt 1 mm für Pulslaser-Punktschweißen. Die maximale Zugfestigkeit der Schweißpunkte, die beim Singlemode-Faserlaser-Spiralschweißen erreicht wird, beträgt 47 N. Die optimalen Prozessparameter für dieses Verfahren sind wie folgt: Die durchschnittliche Leistung beträgt 3000 W, die Schweißgeschwindigkeit beträgt 160 mm/s und der Defokusbetrag beträgt 1 mm.

Das Aussehen der Ergebnisse vom Puls Laserpunktschweißen und das Singlemode-Faserlaser-Spiralschweißen unter optimalen Prozessparametern ist nahezu identisch, ohne signifikante Unterschiede; Auch in der metallurgischen Struktur und Korngröße gibt es keine nennenswerten Unterschiede. Die Schweißnahtbreite zwischen der oberen und unteren Materialschicht beim Singlemode-Faserlaser-Spiralschweißen beträgt das Dreifache der Schweißnahtbreite beim Pulslaser-Punktschweißen. Daher ist die Zugfestigkeit der Schweißpunkte beim Singlemode-Faserlaser-Spiralschweißen auch dreimal so hoch wie beim Pulslaser-Punktschweißen.