Effet du soudage composite laser à diode et fibre sur la microstructure et les propriétés du cuivre

0 Préface
Le cuivre rouge a une bonne ductilité, une conductivité thermique et une conductivité électrique élevées, et est largement utilisé dans l'aérospatiale, l'ingénierie maritime, les câbles, les composants électriques et électroniques. Les méthodes traditionnelles de soudage du cuivre rouge telles que le soudage au gaz inerte au tungstène ont un apport de chaleur élevé, un grand poteau -déformations de soudure, et cordons de soudure inesthétiques, qui ne peuvent plus répondre aux exigences de la production moderne.

Le soudage au laser a un apport thermique global moindre, ce qui peut grandement améliorer les problèmes de déformation importante après soudage et de mauvais aspect. La technologie de soudage au laser s'est développée rapidement ces dernières années. En raison du faible taux d'absorption des lasers à longueur d'onde proche infrarouge sur la surface du cuivre, généralement seulement environ 4 %, la majeure partie de l'énergie laser est réfléchie. Le soudage du cuivre nécessite un apport d'énergie élevé, ce qui pourrait entraîner une mauvaise stabilité du soudage. Pendant le processus de fusion du cuivre rouge, des pores se forment facilement au niveau du cordon de soudure, ce qui affecte les propriétés mécaniques du joint de soudure. Lors du soudage du cuivre rouge, le un apport thermique important entraîne une augmentation drastique de la taille des grains, ce qui affecte également négativement les performances du joint soudé ;

La nouvelle technologie de soudage composite laser à semi-conducteurs et à fibre est utilisée dans l'expérience pour souder au laser le cuivre rouge. L'influence des paramètres du procédé sur la formation des joints soudés est analysée afin de fournir des références techniques pour la production réelle.

1 Expérience de soudage
1.1 Matériaux à souder et matériel de soudage
Le matériau expérimental est du cuivre rouge, d'une épaisseur de 1.0 mm, d'une longueur × largeur de 100 mm × 50 mm. La méthode de soudage est l'épissage. Le matériau à souder est serré avec un dispositif fait maison pour réduire la déformation lors soudage.

Un laser composite composé d'un laser à semi-conducteur et d'un laser à fibre est utilisé pour souder du cuivre rouge. La longueur d'onde du laser à semi-conducteur est de 976 nm, la puissance maximale est de 1000 400 W et le diamètre du noyau de la fibre est de 1070 microns. Le laser à fibre a une longueur d'onde de 1000 50 nm, une puissance laser maximale de 100 200 W et un diamètre de noyau de fibre de 1 microns. . Les deux types de lasers sont combinés via une tête de soudage, la lentille de collimation de la tête de soudage ayant une longueur focale de 0.8 mm et la lentille de focalisation ayant une longueur focale de 0.1 mm, le chemin optique est représenté sur la figure 1 (a), le Le diamètre du point du laser à semi-conducteur après passage à travers la tête de soudage au foyer laser est d'environ XNUMX mm. En raison de la grande taille du point, il peut fournir un chauffage auxiliaire autour du cordon de soudure. Le diamètre du point du laser à fibre au foyer est d'environ XNUMX mm et la densité de puissance est faible (densité de puissance = puissance laser/zone du point ; plus plus le diamètre du spot est élevé, plus la densité de puissance est élevée). Cela peut générer des températures plus élevées, permettant ainsi le soudage de matériaux en cuivre. Toutes les expériences mentionnées dans le texte ont été menées aux points focaux des lasers à semi-conducteurs et des lasers à fibre pour le soudage. La plate-forme expérimentale de soudage laser composite est illustrée à la figure XNUMX (b). Il se compose principalement d'un laser à semi-conducteur, d'un laser à fibre, d'une tête de soudage, d'un ordinateur de contrôle industriel et d'un module X/Y. Dans cette configuration, la tête de soudage, entraînée par le module X/Y, réalise un soudage sur piste pour former un cordon de soudure. La puissance du laser à semi-conducteur et du laser à fibre peut être réglée séparément.

(a) Diagramme schématique du chemin optique de soudage hybride	(b) Équipement expérimental
Figure 1 Équipement de soudage laser

1.2Équipement d'inspection des soudures
La microstructure du cordon de soudure a été testée et analysée à l'aide d'un microscope métallographique, modèle WYJ-4XBD. Cela a été fait pour analyser les effets de différents paramètres de processus sur la microstructure du cordon de soudure. La résistance à la traction du cordon de soudure a été testée à l'aide d'une machine de traction électronique, modèle FR-103C. L'équipement est représenté sur la figure 2 (b). La résistance à la traction P du cordon de soudure est obtenue en divisant la force de traction F par la surface S du cordon de soudure. La résistance à la traction est testée 3 fois sous chaque paramètre de processus, et la résistance à la traction moyenne obtenue est la résistance à la traction du cordon de soudure correspondant à ce paramètre de processus. La vitesse d'étirement de la machine de traction est réglée à 1 mm/s. La microdureté du joint soudé de l'échantillon de soudure est testée avec un testeur de microdureté, modèle HV-1000. La charge expérimentale est de 50 g et le temps de chargement est de 10 s.

2 Processus expérimental et analyse des résultats
2.1 Effet du laser à semi-conducteur sur l'apparence et la résistance des soudures
Après de nombreuses expériences préliminaires, en utilisant uniquement un laser à fibre pour le soudage (avec la puissance du laser à semi-conducteur réglée sur 0 W), si la puissance du laser à fibre est de 900 W et la vitesse de soudage est de 30 mm/s, le cordon de soudure va juste pénétrer, mais il est sujet à la formation de pores à l'intérieur du cordon de soudure. Comme le montre la figure 3 (a), dans le cadre de tentatives continues d'optimisation des paramètres de processus tels que la vitesse de soudage et la puissance du laser pour soudage laser fibre, il reste encore des pores à l'intérieur du cordon de soudure. En effet, pendant le processus de fusion du cuivre violet, le laser à fibre a un apport thermique important au cuivre et une température élevée, ce qui augmente considérablement la solubilité de l'hydrogène dans l'air dans le bain en fusion. bonne conductivité thermique du cuivre violet, la vitesse de refroidissement du bain fondu est très rapide. La solidification rapide du bain fondu empêche l'hydrogène dissous dans le bain fondu de se dissiper du cordon de soudure à temps, ce qui entraîne de l'hydrogène résiduel à l'intérieur du cordon de soudure et la formation de pores dans le joint. Ces pores internes dans le cordon de soudure affecteront négativement les propriétés mécaniques du joint de soudure.

L'article utilise un procédé de soudage composite utilisant un laser à semi-conducteur et un laser à fibre. La puissance du laser fibre est maintenue constante à 900 W et la vitesse de soudage à 30 mm/s. La puissance du laser à semi-conducteur est réglée respectivement à 600 W, 800 W et 1000 600 W pour analyser l'effet sur le cordon de soudure. Lorsque la puissance du laser à semi-conducteur est de 3 W, le cordon de soudure illustré à la figure 800 (b), des pores sont présents à l'intérieur du cordon de soudure. Lorsque la puissance du laser à semi-conducteur est de 3 W, comme le montre la figure 0.8 (c), il y a il n'y a pas de pores dans le cordon de soudure. En effet, le laser à semi-conducteur a un diamètre de spot de 1000 mm au point focal, couvrant une plage de chauffage plus large. Le laser à semi-conducteur fournit un chauffage auxiliaire autour du cordon de soudure, ce qui réduit la vitesse de refroidissement du bain de fusion. Cela laisse à l'hydrogène dissous dans le bain fondu suffisamment de temps pour s'évaporer du cordon de soudure, ne laissant aucun pore résiduel dans le cordon de soudure. Lorsque la puissance du laser à semi-conducteur est encore augmentée jusqu'à 3 XNUMX W, l'apparence du cordon de soudure est celle illustrée à la figure XNUMX. (d), avec des pores plus grands à l’intérieur. Cela pourrait être dû à la puissance trop élevée du laser à semi-conducteur, entraînant un apport thermique global plus important. Cela provoque l'ablation des éléments à bas point de fusion dans le cuivre et laisse des cavités dans le cordon de soudure.

La résistance à la traction du cordon de soudure est testée à l'aide d'une machine d'essai de tension. Lorsque les paramètres de la puissance du laser à fibre sont réglés à 900 W, la vitesse de soudage à 30 mm/s et la quantité de défocalisation à 0 mm sont maintenues constantes, une analyse du L'impact de la puissance du laser à semi-conducteur sur la résistance à la traction du cordon de soudure est effectué, les résultats étant présentés dans la figure 4. Lorsque la puissance du laser à semi-conducteur est réglée sur 0 W et 600 W, il n'y a aucun changement significatif dans la résistance à la traction du cordon de soudure. En effet, une puissance de 600W n’a pas d’impact significatif sur la morphologie du cordon de soudure. Semblable à lorsque la puissance est de 0 W, des pores sont produits à l'intérieur du cordon de soudure, ce qui entraîne une résistance à la traction comprise entre 160 et 161 MPa. Lorsque la puissance du laser à semi-conducteur est réglée à 800 W, la résistance à la traction du cordon de soudure atteint son maximum à 238 MPa. , atteignant 80 % de la résistance à la traction du matériau de base en cuivre (qui est de 292 MPa). Cela représente une augmentation d'environ 50 % de la résistance à la traction par rapport à lorsque la puissance du laser à semi-conducteur est réglée sur 0 W et 600 W. Lorsque la puissance du laser à semi-conducteur est réglée sur 1000 XNUMX W, la résistance à la traction du cordon de soudure diminue considérablement. Cela se produit parce que la puissance du laser à semi-conducteur est trop élevée, ce qui entraîne l'ablation des éléments à bas point de fusion, réduisant ainsi considérablement la résistance à la traction du cordon de soudure.

Figure 4 Résistance à la traction des joints soudés sous différentes puissances laser à semi-conducteur

2.2 Effet du laser à semi-conducteur sur la microstructure de la soudure
D'une puissance de 900W, la soudeuse laser fibre fonctionne à une vitesse de 30mm/s, avec 0mm de défocalisation. Les images métallographiques de microstructure des zones de fusion à différentes puissances laser à semi-conducteur sont présentées à la figure 5. Lorsque la puissance du laser à semi-conducteur est réglée à 0 W, la microstructure de la zone de fusion est une structure cristalline cellulaire mince, comme le montre la figure 5 (a). . Lorsque la puissance du laser à semi-conducteur est réglée à 600 W et 800 W, les microstructures des zones de fusion sont représentées respectivement sur les figures 5 (b) et 5 (c). Avec l’augmentation de la puissance du laser semi-conducteur, la structure cristalline cellulaire devient progressivement plus grossière. En effet, le gradient de température dans la zone de fusion est relativement important, les grains se développent dans le sens de la conduction thermique, formant ainsi de fines structures cristallines cellulaires. Lorsque la puissance du laser semi-conducteur est réglée à 1000 5 W, la microstructure de la zone de fusion, comme indiqué dans La figure XNUMX (d) se transforme en une structure α-Cu beaucoup plus grossière. Cela est dû à la vitesse de refroidissement extrêmement lente, entraînant la formation de gros grains d’α-Cu.

D'une puissance de 900W, la soudeuse laser fibre fonctionne à une vitesse de 30mm/s, avec 0mm de défocalisation. Les images métallographiques de microstructure des zones affectées thermiquement à différentes puissances laser à semi-conducteur sont présentées dans la figure 6. La structure des zones affectées thermiquement est entièrement recuite en α-Cu. Lorsque la puissance du laser semi-conducteur est réglée sur 0 W et 600 W, le grain les tailles dans la zone affectée par la chaleur ne varient pas de manière significative, comme le montrent les figures 6 (a) et 6 (b). Cela est dû à la puissance relativement faible du laser à semi-conducteur, qui n'a pas d'effet notable sur la microstructure de la soudure. Lorsque la puissance du laser à semi-conducteur est réglée sur 800 W, les grains dans la zone affectée thermiquement s'agrandissent sensiblement, comme illustré. dans la figure 6(c). Lorsque la puissance augmente jusqu'à 1000 6 W, la taille moyenne des grains continue de croître, comme le montre la figure XNUMX (d), car à mesure que la puissance du laser à semi-conducteur augmente, la vitesse de refroidissement du bain fondu diminue. Il en résulte un temps de refusion et de recristallisation prolongé pour le bain fondu. La quantité de chaleur et le temps acheminés vers la zone affectée thermiquement augmentent, prolongeant le temps de croissance des grains dans cette zone, ce qui entraîne à son tour une augmentation de la taille des grains dans la zone affectée thermiquement.

Avec une puissance de 900 W, une vitesse de soudage de 30 mm/s et une quantité de défocalisation de 0 mm pour le laser à fibre, la microstructure métallographique dans la zone centrale de la soudure sous différentes puissances laser semi-conducteur est représentée comme sur la figure 7, lorsque le semi-conducteur la puissance du laser est réglée respectivement à 0 W, 600 W et 800 W, la micrographie métallographique de la microstructure au centre de la soudure est représentée sur la figure 7 (a), la figure 7 (b) et la figure 7 (c) en conséquence, toutes sont structures de grains équiaxes, à mesure que la puissance du laser à semi-conducteur augmente, la quantité de structures de grains équiaxes augmente progressivement. En effet, l'augmentation de la puissance du laser à semi-conducteur entraîne une augmentation de la température globale dans le centre de soudure, ce qui laisse suffisamment de temps pour que la structure de grain équiaxe se développe. Lorsque la puissance du laser à semi-conducteur est encore augmentée jusqu'à 1000 7 W, la microstructure dans le centre de la soudure se transforme en gros grains d'α-Cu, comme le montre la figure XNUMX (b). Cela est dû à une diminution du gradient de température au centre de la soudure, ce qui ralentit considérablement la vitesse de refroidissement de la soudure, facilitant ainsi la formation de gros grains d'α-Cu.

2.3 Effet du laser à semi-conducteur sur les propriétés mécaniques des soudures
Avec la puissance du laser à fibre réglée à 900 W, une vitesse de soudage de 30 mm/s et une quantité de défocalisation de 0 mm, la microdureté sous différentes puissances de laser à semi-conducteur est illustrée à la figure 8. À mesure que la puissance du laser à semi-conducteur augmente, la valeur maximale la dureté de la soudure diminue progressivement. En effet, l'augmentation de la puissance du laser à semi-conducteur prolonge le temps de refroidissement et de solidification du bain de fusion, permettant ainsi aux grains de se développer complètement. La granulométrie plus grande entraîne une réduction de la valeur de microdureté du matériau. La tendance de la zone de soudure vers le matériau de base présente une première diminution suivie d'une augmentation, la microdureté maximale étant observée dans la zone centrale de la soudure. Cela est dû à la présence de très petits grains dans cette zone, car le raffinement des grains entraîne une dureté accrue. La valeur minimale de microdureté se produit dans la zone affectée thermiquement. En effet, la zone affectée par la chaleur se trouve dans la direction de conduction thermique ; le faible gradient de température conduit à des grains relativement plus gros, ce qui réduit la microdureté.

Figure 8 Répartition de la microdureté des joints soudés sous différentes puissances laser à semi-conducteur

Conclusion 3
Par rapport au traditionnel la soudure au laser, un préchauffage ou un traitement de surface du cuivre n'est pas nécessaire. Grâce à des lasers composites à fibre et semi-conducteurs, le cuivre peut être soudé en une seule étape, réduisant ainsi le processus de fabrication et réduisant les coûts de production. Cela fournit une référence technique précieuse pour la production réelle.

Pendant le processus de soudage, le laser à semi-conducteur fournit un chauffage auxiliaire à la soudure, produisant la résistance à la traction la plus élevée dans la soudure sans porosité lorsque la puissance est réglée à 800 W. La puissance du laser à semi-conducteur affecte de manière significative la microstructure de la soudure. À mesure que la puissance du laser à semi-conducteur augmente, la structure cristalline cellulaire dans la zone de fusion devient progressivement plus grossière ; la taille des grains dans la zone affectée thermiquement augmente ; et la structure cristalline équiaxe au centre de la soudure augmente en taille de particule. Une granulométrie plus grande réduira la microdureté de la soudure.