Proceso de soldadura láser de fibra monomodo de aleación de aluminio 6063

RESUMEN:El trabajo tiene como objetivo estudiar el óptimo soldadura por láser Esquema de proceso para la aleación de aluminio 6063 para mejorar la tensión del punto de soldadura en vista de que la tensión de la aleación de aluminio 6063 soldada por puntos mediante láser de pulso es baja y no satisface las necesidades reales. El láser de fibra monomodo Se utilizó para soldar aleación de aluminio 6063 y los puntos en espiral se formaron mediante una línea extremadamente fina para reemplazar el pulso único. soldadura por puntos láser. El experimento ortogonal se realizó analizando la potencia del láser, la velocidad de soldadura y el desenfoque para obtener los parámetros óptimos. A través del análisis sobre la apariencia y microestructura de la soldadura, se explicó el motivo del aumento de la tensión del punto de soldadura. Cuando la potencia del láser era de 70 W, la velocidad de soldadura era de 100 mm/s y el desenfoque era 0, la tensión de los puntos alcanzó el máximo de 65 N y los parámetros del proceso fueron los mejores. La tensión del punto de soldadura láser monomodo fue 3 veces mayor que la del punto de soldadura láser de pulso. En la soldadura con láser espiral de fibra monomodo, la energía del láser se distribuye uniformemente en el rango puntual y tiene una gran densidad de potencia, formando una forma de soldadura con un ancho de superficie de soldadura casi igual al del fondo de soldadura, lo que favorece la mejorando la tensión del punto de soldadura y proporcionando referencia técnica para la producción real.

PALABRAS CLAVE:aleación de aluminio 6063; láser de fibra monomodo; soldadura por láser; tensión

Los materiales de aleación de aluminio tienen las ventajas de ser livianos, de alta resistencia, fáciles de procesar y moldear y de buena resistencia a la corrosión. Se han utilizado ampliamente en industrias como la aeroespacial, ferretera y automotriz. Con el avance de la ciencia y la tecnología, se han planteado requisitos más altos para la calidad de la soldadura y la eficiencia de producción de la soldadura de aleaciones de aluminio. La soldadura láser tiene las ventajas de una alta energía. densidad, bajo aporte total de calor, pequeña deformación después de la soldadura y fácil automatización debido al no contacto con la pieza de trabajo. Tiene una amplia perspectiva de aplicación en la soldadura de aleaciones de aluminio.
La aleación de aluminio tiene una alta reflectividad a los láseres, lo que requiere mayor energía láser para lograr la soldadura. Además, los elementos de bajo punto de fusión como Mg y Zn en las aleaciones de aluminio son propensos a quemarse, lo que resulta en una disminución de la resistencia de la junta de soldadura, lo que afecta el uso práctico. La aleación de aluminio 6063 tiene alta resistencia y buena resistencia a la fricción, y es un material de aleación de aluminio con una amplia gama de aplicaciones. Los materiales finos generalmente utilizan una fuente láser Nd: YAG para soldadura por puntos, lo que puede reducir la deformación térmica y mejorar la eficiencia de producción. Sin embargo, la resistencia a la tracción del punto de soldadura es menor, lo que puede no cumplir con los requisitos prácticos de producción. Con el mayor desarrollo de la tecnología láser, la tecnología del láser de fibra monomodo se está volviendo cada vez más madura y la calidad del haz está mejorando y mejor, lo que es de gran ayuda para mejorar la resistencia a la tracción del punto de soldadura.
El artículo utiliza un láser de fibra monomodo de 1000 W para soldar el alambre en espiral, formando un punto de soldadura. Optimizando los parámetros del proceso se consigue la máxima resistencia a la tracción del punto de soldadura. También se compara con la resistencia a la tracción de los puntos de soldadura de la soldadura por puntos con láser pulsado, lo que proporciona referencias valiosas para aplicaciones prácticas de ingeniería.

1 experimento de soldadura

Materiales 1.1

El material es una aleación de aluminio, con grado 6061 y un espesor de 0.5 mm. La composición química del material se muestra en la Tabla 1. Cortar el material en placas de 200 mm x 100 mm, limpiar con alcohol y agua y reservar. El método de soldadura es la soldadura por solape y las piezas a soldar se sujetan mediante dispositivos caseros.

Tab.1 Composición química de la aleación de aluminio 6061 (fracción de masa)%

1.2 Equipo

El equipo experimental utiliza un láser de fibra monomodo producido por IPG para soldadura, con un diámetro de fibra de 0.14 µm y una potencia promedio de 1000 W. La plataforma experimental consta principalmente de un láser, una computadora, un sistema de trayectoria óptica y un sistema de control, como se muestra en la Figura 1a. El láser es reflejado por el galvanómetro de escaneo. y se enfoca en el plano de trabajo a través de la lente F. El galvanómetro gira a alta velocidad impulsado por el motor x/y, formando varias trayectorias en el plano, como círculos, rectángulos, líneas rectas, líneas espirales, etc. Después de pasar por la lente F, el tamaño del punto es de aproximadamente 0.28 mm. El diagrama esquemático del sistema de trayectoria óptica se muestra en la Figura 1b. La soldadura por puntos con láser de pulso utiliza un láser Nd:YAG de 500 W.fuente, con una potencia máxima de hasta 8000W. Una vez que el sistema de trayectoria óptica enfoca el rayo láser, el tamaño del punto es de aproximadamente 0.4 ~ 1.0 mm.El probador de tracción electrónico producido por Jinan Huaxing Experimental Equipment Co., Ltd (modelo: WDH-10) se utiliza para la prueba de tracción de la costura de soldadura. La apariencia de la soldadura se prueba con un microscopio metalográfico, siendo la marca Beijing North Star y el número de modelo XJB200.

Fig.1 Plataforma de experimentos

2 experimentos y resultados del proceso de soldadura láser.

2.1 Diseño gráfico de soldadura y comparación de apariencia.

Pulsado soldadura por puntos láser utiliza un láser Nd:YAG de 500 W para soldar, con un soldador requisito de rango de 0.6 ~ 0.8 mm. El tamaño del haz enfocado de pulsado soldadura por puntos láser simplemente cumple con el requisito. El láser emite un pulso que actúa sobre el material formando una punto de soldadura. El diagrama esquemático del punto de soldadura se muestra en la Figura 2a.Debido a que el punto enfocado del láser de fibra monomodo es de sólo 0.28 mm, el láser La viga forma un punto de soldadura al pasar una espiral, el diámetro de la espiral es de 0.8 mm.y la espiral tiene 4 vueltas. Existe un cierto grado de superposición de láser entre cada girar, formando un punto de soldadura láser con un diámetro de 0.8 mm. El esquema de la El punto de soldadura se muestra en la Figura 2b. La apariencia de la soldadura por puntos con láser de pulso es se muestra en la Figura 2c, y la apariencia del punto de soldadura formado por la espiral es se muestra en la Figura 2d. El tamaño de los dos puntos de soldadura es casi idéntico y no Se puede observar visualmente una diferencia significativa.

Fig.2 Diagrama y apariencia de los puntos de soldadura.

2.2 Experimento ortogonal de parámetros de proceso

Los principales parámetros de procesamiento para pulsados. soldadura por puntos láser incluir láser pico potencia, ancho de pulso y cantidad de desenfoque. Se realiza una prueba preliminar del proceso de soldadura láser. realizado en aleación de aluminio 0.5 de 6061 mm. Cuando la potencia máxima del láser es de 2400 W, la La potencia máxima es relativamente pequeña, lo que resulta en un punto de soldadura más pequeño. fuerza de tracción de 3 N.Cuando la potencia máxima del láser es 3600 W, hay salpicaduras en la superficie de la soldadura. costura, y la fuerza de tracción del punto de soldadura también es baja, de 4 N. Cuando el ancho del pulso es 3 ms, el diámetro del punto de soldadura es menor y la fuerza de tracción es menor, a 3 N.Cuando el ancho del pulso es de 9 ms, el diámetro del el punto de soldadura es de 0.9 mm, lo que excede el rango de soldadura de 0.6 ~ 0.8 mm. Cuando el desenfoque es en 0, debido a la gran densidad de potencia, hay salpicaduras en la costura de soldadura y la apariencia no cumplir con el estándar. Sin embargo, cuando el desenfoque es de 6 mm, debido a la caída abrupta endensidad de potencia, la fuerza de tracción en el punto de soldadura es inferior, a 4 N. Los tres niveles deEstos factores se ilustran en la Tabla 2.

Tab.2 Factores y niveles de soldadura por puntos con láser pulsado

Los principales parámetros del proceso de soldadura en espiral con láser de fibra monomodo son los potencia promedio del láser, velocidad de soldadura y cantidad de desenfoque,cuando el láser promedio la potencia es de 500 W, la fuerza de tracción en el punto de soldadura es menor, 4 N;cuando el promedioLa potencia del láser es de 900 W, algo de material salpica y la fuerza de tracción en el punto de soldadura es también inferior, a 3 N; cuando la velocidad de soldadura es de 90 mm/s, la acumulación de calor es demasiado alto, provocando que el material se queme, y la fuerza de tracción en el punto de soldadura es menor, a 5N;Cuando la velocidad de soldadura es de 170 mm/s, la acumulación de calor es menor, tanto El ancho y la profundidad de la soldadura son más pequeños y la fuerza de tracción en el punto de soldadura es más bajo, en4 N; Cuando la cantidad de desenfoque es 0, la densidad de potencia es mayor, lo que provoca salpicaduras enla costura de soldadura, que no puede cumplir con los requisitos de apariencia; cuando el desenfoque cantidad es de 6 mm, debido a la fuerte caída en la densidad de potencia, la fuerza de tracción en el punto de soldadura es inferior, a 4 N. Los tres Los factores y tres niveles se muestran en la Tabla 3.

Tab.3 Factores y niveles de soldadura en espiral con láser de fibra monomodo

El experimento ortogonal de tres niveles del pulso. soldadura por puntos láser incluye nueve juegos,cuando la potencia máxima es de 3000 W, el ancho del pulso es de 8 ms y la cantidad de desenfoquees de 1 mm, la fuerza de tracción del punto de soldadura alcanza su máximo a 17 N,estos son considerados como los parámetros óptimos del proceso.Para el factor de pico láser potencia (A), se realizan tres experimentos con nivel 1 (A=2500W),sume la fuerza de tracción de los puntos de soldadura de estos 3 experimentos para obtener el total estadístico K1=35,cuando se elige el nivel 2, la suma de los la resistencia a la tracción de los puntos de soldadura es estadísticamente total K2=46,cuando nivel Se elige 3,la suma es total estadístico K3=33,cuanto mayor sea el valor estadístico K, mayor será el fuerza de tracción a ese nivel,el valor más alto es K2,esto indica que cuando el factor A es en el nivel 2 (A = 3000 W), la resistencia a la tracción del punto de soldadura es máxima;De manera similar, el valor estadístico K de la resistencia a la tracción del punto de soldadura de otros factores importantes(ancho de pulso, desenfoque) se puede obtener, como se muestra en la Tabla 4. El rango se representapor R,cuanto menor sea el valor de R, menor impacto tendrá ese factor en la resistencia a la tracción deel punto de soldadura;Por el contrario, cuanto mayor sea el valor de R, mayor será el impacto de ese factor.sobre la resistencia a la tracción del punto de soldadura. De la Tabla 4, se Se puede observar que los factoresque afectan la resistencia a la tracción del punto de soldadura son, en orden de importancia: potencia máxima,ancho de pulso y desenfoque.

Tab.4 Resultados del experimento ortogonal de soldadura por puntos con láser pulsado

El experimento ortogonal de tres factores y tres niveles de la línea espiral de láser de fibra monomodo La soldadura comprende un total de 9 grupos. Cuando la potencia promedio es de 3000 W, la soldadura La velocidad es de 160 mm/s y la cantidad de desenfoque es de 1 mm, la resistencia a la tracción de la soldadura El punto alcanza el valor más alto de 47 N, que es el parámetro óptimo del proceso.

Cuando el factor de potencia promedio del láser G se establece en el nivel 1 (A = 600 W), se forma un total de 3 grupos de experimentos, las resistencias a la tracción de estos 3 grupos de puntos de soldadura se suman para dar la estadística F1 = 98; de manera similar , se puede obtener la estadística para el valor de resistencia a la tracción de otros factores, como se muestra en la Tabla5. Entre ellos, Y es el valor del rango. Del valor del rango se puede ver que los factores que afectan el tamaño de la unión soldada son, de primario a secundario, el desenfoque, la potencia promedio y la velocidad de soldadura.

2.3 Análisis de apariencia y microestructura de la soldadura.

La Figura 3a muestra una sección transversal de la soldadura por puntos bajo los parámetros de proceso óptimos para la soldadura por puntos con láser pulsado. El ancho de la superficie de la costura de soldadura es grande, pero a medida que aumenta la profundidad de fusión, el ancho de la costura de soldadura disminuye. El ancho de la costura de soldadura entre las dos capas superior e inferior es aproximadamente 1/3 del ancho de la superficie del punto de soldadura, esto se debe a que la energía del láser pulsado se distribuye principalmente en el centro del punto de luz de 0.8 mm. La energía en el borde del punto de luz es menor, lo que solo puede derretir la superficie del material y no puede continuar penetrando hacia abajo, formando una costura de soldadura que es ancha en la parte superior y estrecha en la parte inferior. La Figura 3b muestra una sección transversal de el punto de soldadura en condiciones óptimas de proceso para la soldadura en espiral con láser de fibra monomodo, donde el ancho de la superficie de la costura de soldadura es aproximadamente equivalente al ancho de la soldadura por puntos con láser pulsado, con el aumento en la profundidad de fusión, no hay una reducción significativa en el ancho de la costura de soldadura. El ancho de la costura de soldadura entre las dos capas superior e inferior de material es casi el mismo que el ancho de la superficie del punto de soldadura, esto se debe a que cuando se utiliza soldadura en espiral con láser de fibra monomodo, el punto enfocado del monomodo El láser de fibra mide 0.28 mm, la energía del láser se distribuye uniformemente dentro del rango puntual y tiene una alta densidad de potencia. En el círculo más externo de la línea espiral, la energía del láser es suficiente para fundir el material, formando una forma de costura de soldadura donde el ancho de la superficie de la costura de soldadura es casi el mismo que el fondo de la costura de soldadura. Durante la prueba de tracción, el La posición de tensión principal es el ancho de la costura de soldadura entre las dos capas superior e inferior de material. Cuanto mayor sea el ancho, mayor será la fuerza de tracción del punto de soldadura. El ancho de la costura de soldadura entre las dos capas superior e inferior de material en la soldadura en espiral con láser de fibra monomodo es tres veces el ancho de la soldadura por puntos con láser de pulso, por lo tanto, la resistencia a la tracción del punto de soldadura del monomodo La soldadura en espiral con láser de fibra también es tres veces mayor que la soldadura por puntos con láser de pulso.

Tab.5 Resultados del experimento ortogonal de soldadura en espiral monomodo

Fig.3 Sección transversal del punto de soldadura

La Figura 4a representa la estructura metalográfica del material base de aleación de aluminio 6061. El tamaño del grano es desigual, la forma es irregular y los granos son relativamente grandes, lo cual es una estructura típica de '-Al.La Figura 4b muestra la microestructura del centro de la costura de soldadura bajo los parámetros óptimos del proceso de soldadura por punto de pulso láser. Presenta una estructura dendrítica de aleación de aluminio. El tamaño del grano ha experimentado un refinamiento significativo en comparación con el material original de la aleación de aluminio 6061. Esto se debe al rápido calentamiento y enfriamiento del material de aleación de aluminio mediante soldadura láser por puntos de pulso, lo que da como resultado el refinamiento de los granos de la costura de soldadura. La Figura 4c muestra la microestructura del centro de la costura de soldadura bajo los parámetros de proceso óptimos para la soldadura en espiral con láser de fibra monomodo. Esto está representado por una estructura dendrítica de aleación de aluminio. El tamaño del grano no muestra ninguna diferencia significativa en comparación con la estructura metalográfica de la soldadura por punto de pulso láser.

Fig.4 Microestructura del punto de soldadura.

Conclusión 3

La aleación de aluminio 6063 se soldó por traslape por separado utilizando métodos de soldadura por puntos con láser de pulso y soldadura en espiral con láser de fibra monomodo, y se realizó un experimento de optimización ortogonal. La fuerza de tracción máxima de los puntos de soldadura lograda mediante la soldadura por puntos con láser de pulso alcanzó 17 N, los parámetros óptimos del proceso son los siguientes: la potencia máxima es de 3000 W, el ancho del pulso es de 8 ms y la cantidad de desenfoque es de 1 mm para la soldadura por puntos con láser de pulso. La fuerza de tracción máxima de los puntos de soldadura lograda mediante la soldadura en espiral con láser de fibra monomodo alcanzó 47 N. Los parámetros de proceso óptimos para este método son los siguientes: la potencia promedio es de 3000 W, la velocidad de soldadura es de 160 mm/s y la cantidad de desenfoque es de 1 mm.

La apariencia de los resultados del pulso. soldadura por puntos láser y la soldadura en espiral con láser de fibra monomodo bajo parámetros de proceso óptimos es casi idéntica, sin diferencias significativas; Tampoco hay discrepancia notable en la estructura metalúrgica y el tamaño del grano. El ancho de la costura de soldadura entre las capas superior e inferior del material en la soldadura en espiral con láser de fibra monomodo es tres veces el ancho de la costura de soldadura en la soldadura por puntos con láser de pulso. Por lo tanto, la fuerza de tracción de los puntos de soldadura de la soldadura en espiral con láser de fibra monomodo también es tres veces mayor que la de la soldadura por puntos con láser de pulso.