Efecto de la soldadura compuesta de láser de diodo y fibra sobre la microestructura y propiedades del cobre.

0 Prefacio
El cobre rojo tiene buena ductilidad, alta conductividad térmica y conductividad eléctrica, y se usa ampliamente en ingeniería aeroespacial, marina, cables y componentes eléctricos y electrónicos. Los métodos tradicionales de soldadura de cobre rojo, como la soldadura con gas inerte de tungsteno, tienen un alto aporte de calor y un poste grande. -deformaciones de soldadura y cordones de soldadura antiestéticos que ya no pueden cumplir con los requisitos de la producción moderna.

La soldadura láser tiene menos aporte de calor general, lo que puede mejorar en gran medida los problemas de gran deformación posterior a la soldadura y mala apariencia. La tecnología de soldadura láser se ha desarrollado rápidamente en los últimos años. Debido a la baja tasa de absorción de los láseres de longitud de onda del infrarrojo cercano en la superficie de cobre, generalmente solo alrededor del 4%, la mayor parte de la energía del láser se refleja. Se requiere un gran aporte de energía para soldar cobre, lo que podría provocar una mala estabilidad de la soldadura; durante el proceso de fusión del cobre rojo, se forman fácilmente poros en la costura de soldadura, lo que afecta las propiedades mecánicas de la junta soldada; al soldar cobre rojo, el un gran aporte de calor conduce a un aumento drástico del tamaño del grano, lo que también afecta negativamente al rendimiento de la junta soldada；

En el experimento se utiliza la nueva tecnología de soldadura compuesta de semiconductores y láser de fibra para soldar cobre rojo con láser. Se analiza la influencia de los parámetros del proceso en la formación de juntas soldadas para proporcionar referencias técnicas para la producción real.

1 Experimento de soldadura
1.1 Materiales a soldar y equipos de soldadura.
El material experimental es cobre rojo, con un espesor de 1.0 mm, largo × ancho de 100 mm × 50 mm. El método de soldadura es el empalme. El material a soldar se sujeta con un dispositivo casero para reducir la deformación durante soldadura.

Para soldar cobre rojo se utiliza un láser compuesto de un láser semiconductor y un láser de fibra. La longitud de onda del láser semiconductor es de 976 nm, la potencia máxima es de 1000 W y el diámetro del núcleo de la fibra es de 400 micrones. El láser de fibra tiene una longitud de onda de 1070 nm, una potencia máxima del láser de 1000 W y un diámetro del núcleo de fibra de 50 micrones. . Los dos tipos de láseres se combinan a través de un cabezal de soldadura, donde la lente de colimación del cabezal de soldadura tiene una longitud focal de 100 mm y la lente de enfoque tiene una longitud focal de 200 mm. La trayectoria óptica se muestra en la Figura 1(a). El diámetro del punto del láser semiconductor después de pasar a través del cabezal de soldadura en el foco del láser es de aproximadamente 0.8 mm. Debido al gran tamaño del punto, puede proporcionar calentamiento auxiliar alrededor de la costura de soldadura. El diámetro del punto del láser de fibra en el foco es de aproximadamente 0.1 mm y la densidad de potencia es pequeña (densidad de potencia = potencia del láser/área del punto; cuanto más pequeño Cuanto mayor sea el diámetro del punto, mayor será la densidad de potencia). Esto puede generar temperaturas más altas, logrando la soldadura de materiales de cobre. Todos los experimentos mencionados en el texto se realizaron en los puntos focales de láseres semiconductores y láseres de fibra para soldadura. La plataforma experimental de soldadura compuesta por láser se muestra en la Figura 1 (b). Se compone principalmente de un láser semiconductor, un láser de fibra, un cabezal de soldadura, una computadora de control industrial y un módulo X/Y. En esta configuración, el cabezal de soldadura, impulsado por el módulo X/Y, logra soldar la pista para formar una costura de soldadura. La potencia del láser semiconductor y del láser de fibra se puede configurar por separado.

(a) Diagrama esquemático de la trayectoria óptica de soldadura híbrida.	(b) Equipo experimental
Figura 1 Equipo de soldadura láser

1.2Equipo de inspección de soldadura
La microestructura de la costura de soldadura se probó y analizó utilizando un microscopio metalográfico, modelo WYJ-4XBD. Esto se hizo para analizar los efectos de diferentes parámetros del proceso en la microestructura de la costura de soldadura. La resistencia a la tracción de la costura de soldadura se probó utilizando una máquina de tracción electrónica, modelo FR-103C. El equipo se muestra en la Figura 2(b). La resistencia a la tracción P de la costura de soldadura se obtiene dividiendo la fuerza de tracción F por el área S de la costura de soldadura. La resistencia a la tracción se prueba 3 veces bajo cada parámetro del proceso, y la resistencia a la tracción promedio obtenida es la resistencia a la tracción de la costura de soldadura correspondiente a este parámetro del proceso. La velocidad de estiramiento de la máquina de tracción se establece en 1 mm/s. La microdureza de la unión soldada de la muestra de soldadura se prueba con un probador de microdureza, modelo HV-1000. La carga experimental es de 50 gy el tiempo de carga es de 10 s.

2 Proceso experimental y análisis de resultados.
2.1 Efecto del láser semiconductor sobre la apariencia y resistencia de las soldaduras
Después de numerosos experimentos preliminares, cuando se utiliza sólo un láser de fibra para soldar (con la potencia del láser semiconductor configurada en 0 W), si la potencia del láser de fibra es de 900 W y la velocidad de soldadura es de 30 mm/s, la costura de soldadura apenas penetrará, pero es propenso a la formación de poros dentro de la costura de soldadura. Como se muestra en la Figura 3 (a), en intentos continuos de optimizar los parámetros del proceso, como la velocidad de soldadura y la potencia del láser para soldadura por láser de fibra, todavía quedan poros dentro del cordón de soldadura. Esto se debe a que durante el proceso de fusión del cobre púrpura, el láser de fibra tiene una gran entrada de calor al cobre y una temperatura alta, lo que aumenta en gran medida la solubilidad del hidrógeno en el aire en el baño fundido. Al mismo tiempo, debido a la Buena conductividad térmica del cobre púrpura, la velocidad de enfriamiento del baño fundido es muy rápida. La rápida solidificación del baño fundido hace que el hidrógeno disuelto en el baño fundido no se disipe de la costura de soldadura a tiempo, lo que da como resultado hidrógeno residual dentro de la costura de soldadura y la formación de poros en la costura. Estos poros internos en la costura de soldadura afectarán negativamente a las propiedades mecánicas de la junta soldada.

El artículo emplea un método de soldadura compuesto que utiliza un láser semiconductor y un láser de fibra. La potencia del láser de fibra se mantiene constante en 900W y la velocidad de soldadura en 30mm/s. La potencia del láser semiconductor se establece en 600 W, 800 W y 1000 W respectivamente para analizar el efecto en la costura de soldadura. Cuando la potencia del láser semiconductor es de 600 W, la costura de soldadura que se muestra en la Figura 3 (b), hay poros presentes dentro de la costura de soldadura. Cuando la potencia del láser semiconductor es de 800 W, como se muestra en la Figura 3 (c), hay No hay poros dentro de la costura de soldadura. Esto se debe a que el láser semiconductor tiene un diámetro de punto de 0.8 mm en el punto focal, cubriendo un rango de calentamiento mayor. El láser semiconductor proporciona calentamiento auxiliar alrededor de la costura de soldadura, lo que reduce la velocidad de enfriamiento del baño fundido. Esto permite que el hidrógeno disuelto en el baño fundido tenga tiempo suficiente para evaporarse de la costura de soldadura, sin dejar poros residuales en la costura de soldadura. Cuando la potencia del láser semiconductor se aumenta aún más a 1000 W, la apariencia de la costura de soldadura es como se muestra en la Figura 3. (d), con poros más grandes en su interior. Esto podría deberse a la potencia excesivamente alta del láser semiconductor, lo que provoca una mayor entrada de calor general. Esto provoca la ablación de elementos de bajo punto de fusión dentro del cobre y deja cavidades dentro de la costura de soldadura.

La resistencia a la tracción de la costura de soldadura se prueba utilizando una máquina de prueba de tensión, cuando los parámetros de la potencia del láser de fibra se establecen en 900 W, la velocidad de soldadura en 30 mm/s y la cantidad de desenfoque en 0 mm se mantienen constantes, se realiza un análisis de la Se realiza el impacto de la potencia del láser semiconductor en la resistencia a la tracción de la costura de soldadura, cuyos resultados se presentan en la Figura 4. Cuando la potencia del láser semiconductor se establece en 0W y 600W, no hay cambios significativos en la resistencia a la tracción de la costura de soldadura. Esto se debe a que una potencia de 600W no tiene un impacto significativo en la morfología del cordón de soldadura. De manera similar a cuando la potencia es de 0 W, se producen poros dentro de la costura de soldadura, lo que da como resultado una resistencia a la tracción entre 160 ~ 161 MPa. Cuando la potencia del láser semiconductor se establece en 800 W, la resistencia a la tracción de la costura de soldadura alcanza su máximo a 238 MPa. , logrando el 80% de la resistencia a la tracción del material base de cobre (que es 292MPa). Esto representa un aumento de aproximadamente el 50 % en la resistencia a la tracción en comparación con cuando la potencia del láser semiconductor se establece en 0 W y 600 W. Cuando la potencia del láser semiconductor se establece en 1000 W, la resistencia a la tracción de la costura de soldadura disminuye drásticamente. Esto ocurre porque la potencia del láser semiconductor es demasiado alta, lo que provoca la destrucción de los elementos de bajo punto de fusión, lo que reduce drásticamente la resistencia a la tracción de la costura de soldadura.

Figura 4 Resistencia a la tracción de uniones soldadas bajo diferentes potencias de láser semiconductor

2.2 Efecto del láser semiconductor sobre la microestructura de soldadura.
Con una potencia de 900W, la soldadora láser de fibra funciona a una velocidad de 30mm/s, con 0mm de desenfoque. Las imágenes metalográficas de la microestructura de las zonas de fusión con diferentes potencias del láser semiconductor se muestran en la Figura 5. Cuando la potencia del láser semiconductor se establece en 0 W, la microestructura de la zona de fusión es una estructura cristalina celular delgada, como se muestra en la Figura 5 (a). . Cuando la potencia del láser semiconductor se establece en 600 W y 800 W, las microestructuras de las zonas de fusión se muestran en la Figura 5 (b) y la Figura 5 (c), respectivamente. Con el aumento de la potencia del láser semiconductor, la estructura cristalina celular se vuelve gradualmente más basta. Esto se debe a que el gradiente de temperatura en la zona de fusión es relativamente grande, los granos crecen en la dirección de la conducción del calor, formando finas estructuras cristalinas celulares. Cuando la potencia del láser semiconductor se establece en 1000 W, la microestructura de la zona de fusión, como se muestra en La Figura 5 (d) se transforma en una estructura de α-Cu mucho más basta. Esto se debe a la velocidad de enfriamiento extremadamente lenta, lo que da como resultado la formación de grandes granos de α-Cu.

Con una potencia de 900W, la soldadora láser de fibra funciona a una velocidad de 30mm/s, con 0mm de desenfoque. Las imágenes metalográficas de microestructura de las zonas afectadas por el calor con diferentes potencias del láser semiconductor se muestran en la Figura 6. La estructura de las zonas afectadas por el calor está recocida en α-Cu. Cuando la potencia del láser semiconductor se establece en 0W y 600W, el grano Los tamaños en la zona afectada por el calor no varían significativamente, como se muestra en la Figura 6 (a) y la Figura 6 (b). Esto se debe a la potencia relativamente baja del láser semiconductor, que no tiene un efecto perceptible en la microestructura de la soldadura. Cuando la potencia del láser semiconductor se establece en 800 W, los granos en la zona afectada por el calor aumentan notablemente, como se muestra. en la Figura 6(c). Cuando la potencia aumenta a 1000 W, el tamaño de grano promedio continúa creciendo, como se muestra en la Figura 6 (d), esto se debe a que a medida que aumenta la potencia del láser semiconductor, la velocidad de enfriamiento del baño fundido disminuye. Esto da como resultado un tiempo prolongado de refundición y recristalización del baño fundido. La cantidad de calor y el tiempo conducido a la zona afectada por el calor aumentan, extendiendo el tiempo de crecimiento del grano en esta zona, lo que a su vez conduce a un aumento en el tamaño del grano en la zona afectada por el calor.

Con una potencia de 900W, una velocidad de soldadura de 30mm/s y una cantidad de desenfoque de 0mm para el láser de fibra, la microestructura metalográfica en el área central de la soldadura bajo diferentes potencias del láser semiconductor se muestra como en la Figura 7, cuando el semiconductor La potencia del láser se establece en 0 W, 600 W y 800 W respectivamente, la micrografía metalográfica de la microestructura en el centro de la soldadura se muestra en la Figura 7 (a), Figura 7 (b) y Figura 7 (c) en consecuencia, todas son Estructuras de granos equiaxiales, a medida que aumenta la potencia del láser semiconductor, la cantidad de estructuras de granos equiaxiales aumenta gradualmente. Esto se debe a que el aumento de la potencia del láser semiconductor hace que aumente la temperatura general en el centro de soldadura, proporcionando tiempo suficiente para que se desarrolle la estructura de grano equiaxial. Cuando la potencia del láser semiconductor se aumenta aún más a 1000 W, la microestructura en el centro de la soldadura pasa a granos grandes de α-Cu, como se muestra en la Figura 7 (b). Esto se debe a una disminución en el gradiente de temperatura en el centro de soldadura, lo que hace que la velocidad de enfriamiento de la soldadura se ralentice significativamente, facilitando la formación de grandes granos de α-Cu.

2.3 Efecto del láser semiconductor sobre las propiedades mecánicas de las soldaduras.
Con la potencia del láser de fibra configurada en 900 W, una velocidad de soldadura de 30 mm/s y una cantidad de desenfoque de 0 mm, la microdureza bajo diferentes potencias del láser semiconductor se muestra en la Figura 8. A medida que aumenta la potencia del láser semiconductor, el máximo La dureza de la soldadura disminuye gradualmente. Esto se debe a que el aumento de la potencia del láser semiconductor extiende el tiempo de enfriamiento y solidificación del baño de fusión, permitiendo que los granos crezcan por completo. El mayor tamaño de grano da como resultado una reducción del valor de microdureza del material. La tendencia desde el área de soldadura hacia el material base presenta una disminución inicial seguida de un aumento, observándose la microdureza máxima en el área central de la soldadura. Esto se debe a la presencia de granos muy pequeños en esta zona, ya que el refinamiento del grano da como resultado un aumento de la dureza. El valor mínimo de microdureza se produce en la zona afectada por el calor. Esto se debe a que la zona afectada por el calor está en la dirección de conducción del calor; el pequeño gradiente de temperatura conduce a granos relativamente más grandes, lo que a su vez reduce la microdureza.

Figura 8 Distribución de microdureza de uniones soldadas bajo diferentes potencias de láser semiconductor

Conclusión 3
Comparado con el tradicional soldadura por láser, no es necesario precalentar ni tratar la superficie del cobre. Utilizando láseres compuestos de fibra y semiconductores, el cobre se puede soldar en un solo paso, lo que reduce el proceso de fabricación y ahorra costos de producción. Esto proporciona una valiosa referencia técnica para la producción real.

Durante el proceso de soldadura, el láser semiconductor proporciona calentamiento auxiliar a la soldadura, lo que produce la mayor resistencia a la tracción en la soldadura sin porosidad cuando la potencia se establece en 800 W. La potencia del láser semiconductor afecta significativamente la microestructura de la soldadura. A medida que aumenta la potencia del láser semiconductor, la estructura cristalina celular en la zona de fusión se vuelve gradualmente más basta; aumenta el tamaño de grano en la zona afectada por el calor; y la estructura cristalina equiaxial en el centro de la soldadura aumenta el tamaño de las partículas. El mayor tamaño de grano reducirá la microdureza de la soldadura.