Processus de soudage laser à fibre monomode de l'alliage d'aluminium 6063

RÉSUMÉ:Le travail vise à étudier l’optimum la soudure au laser schéma de processus pour l'alliage d'aluminium 6063 visant à améliorer la tension du point de soudage étant donné que la tension de l'alliage d'aluminium 6063 soudé par points par laser à impulsion est faible et ne répond pas aux besoins réels. Le laser à fibre monomode a été utilisé pour souder l'alliage d'aluminium 6063, et les points en spirale ont été formés par une ligne extrêmement fine pour remplacer une impulsion unique soudage par points au laser. L'expérience orthogonale a été réalisée en fonction de la puissance laser, de la vitesse de soudage et de la défocalisation pour obtenir les paramètres optimaux. Grâce à l'analyse de l'apparence et de la microstructure de la soudure, la raison de l'augmentation de la tension du point de soudure a été expliquée. Lorsque la puissance du laser était de 70 W, la vitesse de soudage était de 100 mm/s et la défocalisation était de 0, la tension des points atteignait le maximum de 65 N et les paramètres du processus étaient les meilleurs. La tension du point de soudage laser monomode était 3 fois supérieure à celle du point de soudage laser pulsé. Lors du soudage avec un laser spiralé à fibre monomode, l'énergie laser est répartie uniformément dans la plage des points et présente une grande densité de puissance, formant une forme de soudure avec une largeur de surface de soudure presque identique à celle du fond de soudure, ce qui est propice à améliorer la tension du point de soudure et fournir une référence technique pour la production réelle.

MOTS-CLÉS:Alliage d'aluminium 6063 ; laser à fibre monomode ; la soudure au laser; tension

Les matériaux en alliage d'aluminium présentent les avantages d'être légers, de haute résistance, faciles à traiter et à façonner et d'une bonne résistance à la corrosion. Ils ont été largement utilisés dans des industries telles que l'aérospatiale, la quincaillerie et l'automobile. Avec les progrès de la science et de la technologie, des exigences plus élevées ont été mises en avant en matière de qualité de soudure et d'efficacité de production du soudage des alliages d'aluminium. Le soudage au laser présente les avantages d'une haute énergie densité, faible apport thermique total, faible déformation après soudage et automatisation facile grâce au non-contact avec la pièce. Il a de larges perspectives d’application dans le soudage des alliages d’aluminium.
L'alliage d'aluminium a une réflectivité élevée pour les lasers, nécessitant une énergie laser plus élevée pour réaliser le soudage. De plus, les éléments à faible point de fusion tels que le Mg et le Zn dans les alliages d'aluminium ont tendance à brûler, ce qui entraîne une diminution de la résistance du joint de soudure, affectant l'utilisation pratique. L'alliage d'aluminium 6063 a une résistance élevée et une bonne résistance au frottement, et il s'agit d'un matériau en alliage d'aluminium avec une large gamme d'applications. Les matériaux minces utilisent généralement une source laser Nd : YAG pour le soudage par points, ce qui peut réduire la déformation thermique et améliorer l'efficacité de la production. Cependant, la résistance à la traction du point de soudure est inférieure, ce qui peut ne pas répondre aux exigences pratiques de production. Avec le développement ultérieur de la technologie laser, la technologie laser à fibre monomode devient de plus en plus mature et la qualité du faisceau s'améliore et mieux, ce qui est d'une grande aide pour améliorer la résistance à la traction du point de soudure.
L'article utilise un laser à fibre monomode de 1000 XNUMX W pour souder le fil en spirale, formant ainsi un point de soudure. En optimisant les paramètres du processus, la résistance à la traction maximale du point de soudure est obtenue. Il se compare également à la résistance à la traction des points de soudure du soudage par points au laser pulsé, fournissant ainsi des références précieuses pour les applications d'ingénierie pratiques.

1 expérience de soudage

1.1 Matériaux

Le matériau est un alliage d'aluminium, de nuance 6061 et d'une épaisseur de 0.5 mm. La composition chimique du matériau est indiquée dans le tableau 1. Coupez le matériau en plaques de 200 mm x 100 mm, nettoyez-le avec de l'alcool et de l'eau et mettez de côté. La méthode de soudage est le soudage par recouvrement et les pièces à souder sont serrées à l'aide de fixations faites maison.

Tab.1Composition chimique de l'alliage d'aluminium 6061 (fraction massique) %

Al	Mg	Si	Fe	Cu	Cr	Mn	Zn
marge	1.06	0.53	0.38	0.33	0.17	0.043	0.016

1.2 Matériel

L'équipement expérimental utilise un laser à fibre monomode produit par IPG pour soudage, avec un diamètre de fibre de 0.14 µm et une puissance moyenne de 1000 1 W. La plate-forme expérimentale se compose principalement d'un laser, d'un ordinateur, d'un système de chemin optique et d'un système de contrôle, comme le montre la figure 0.28a. Le laser est réfléchi par le galvanomètre à balayage et est focalisé sur le plan de travail à travers la lentille F. Le galvanomètre tourne à grande vitesse sous l'entraînement du moteur x/y, formant diverses trajectoires dans le plan, telles que des cercles, des rectangles, des lignes droites, des lignes en spirale, etc. Après avoir traversé la lentille F, la taille du spot est d'environ 1. mm. Le diagramme schématique du système de chemin optique est présenté à la figure 500b. Le soudage par points au laser pulsé utilise un laser Nd:YAG de XNUMX W.la source, avec une puissance maximale allant jusqu'à 8000W. Une fois le faisceau laser focalisé par le système de chemin optique, la taille du point est d'environ 0.4 à 1.0 mm.Le testeur de traction électronique produit par Jinan Huaxing Experimental Equipment Co., Ltd (modèle : WDH-10) est utilisé pour les essais de traction du cordon de soudure. L'apparence de la soudure est testée au microscope métallographique, la marque étant Beijing North Star et le numéro de modèle XJB200.

Fig.1 Plateforme d'expérimentation

2 Expériences et résultats du processus de soudage au laser

2.1 Conception graphique du soudage et comparaison de l'apparence

Pulsé soudage par points au laser utilise un laser Nd:YAG de 500 W pour le soudage, avec un exigence de plage de 0.6 ~ 0.8 mm. La taille du faisceau focalisé du pulsé soudage par points au laser répond tout simplement à l'exigence. Le laser émet une impulsion qui agit sur le matériau, formant un point de soudure. Le diagramme schématique du point de soudage est présenté sur la figure 2a.Étant donné que le point focalisé du laser à fibre monomode n'est que de 0.28 mm, le laser le faisceau forme un point de soudure en faisant défiler une spirale, le diamètre de la spirale est de 0.8 mm,et la spirale a 4 tours. Il existe un certain degré de chevauchement laser entre chaque tourner, formant un point de soudure laser d'un diamètre de 0.8 mm. Le schéma du Le point de soudage est illustré à la figure 2b. L'apparence du soudage par points au laser pulsé est représenté sur la figure 2c, et l'aspect du point de soudure formé par la spirale est illustré à la figure 2d. La taille des deux points de soudure est presque identique, et aucun une différence significative peut être observée visuellement.

Fig.2 Schéma et aspect des points de soudure

2.2 Expérience orthogonale des paramètres de processus

Les principaux paramètres de traitement du pulsé soudage par points au laser inclure le laser de pointe puissance, largeur d'impulsion et quantité de défocalisation. Un test préliminaire du procédé de soudage au laser est réalisée sur un alliage d'aluminium 0.5 de 6061 mm. Lorsque la puissance laser maximale est de 2400 XNUMX W, le la puissance de crête est relativement faible, ce qui entraîne un point de soudage plus petit force de traction de 3 N.Lorsque la puissance laser maximale est 3600 W, il y a des éclaboussures à la surface de la soudure couture, et la force de traction du point de soudure est également faible, à 4 N. Lorsque la largeur d'impulsion est 3 ms, le diamètre du point de soudure est plus petit et la force de traction est moindre, à 3 N.Lorsque la largeur d'impulsion est de 9 ms, le diamètre de le point de soudure est de 0.9 mm, ce qui dépasse la plage de soudage de 0.6 à 0.8 mm. Lorsque la défocalisation est à 0, en raison de la grande densité de puissance, il y a des éclaboussures sur le cordon de soudure et l'apparence ne change pas répondre à la norme. Cependant, lorsque la défocalisation est à 6 mm, en raison de la chute brutaledensité de puissance, la force de traction au le point de soudure est plus bas, à 4 N. Les trois niveaux deces facteurs sont illustrés dans le tableau 2.

Tab.2 Facteurs et niveaux de soudage par points au laser pulsé

nombre	facteur
	Une puissance crête/W	Largeur d'impulsion B/ms	C Quantité de défocalisation/mm
1	2500	4	1
2	3000	6	3
3	3500	8	5

Les principaux paramètres de processus du soudage en spirale au laser à fibre monomode sont les suivants : puissance laser moyenne, vitesse de soudage et quantité de défocalisation,quand le laser moyen la puissance est de 500 W, la force de traction au point de soudure est inférieure, à 4 N ;Quand la moyenneLa puissance du laser est de 900 W, certaines éclaboussures de matériau et la force de traction au niveau du le point de soudure est également inférieur, à 3 N ; lorsque la vitesse de soudage est de 90 mm/s, l'accumulation de chaleur est trop élevée, provoquant la combustion du matériau, et la force de traction au point de soudure est inférieure, à 5N;Lorsque la vitesse de soudage est de 170 mm/s, l'accumulation de chaleur est plus faible, tant le la largeur et la profondeur de soudage sont plus petites et la force de traction au point de soudure est plus bas, à4 N ; lorsque le degré de défocalisation est de 0, la densité de puissance est plus élevée, provoquant des éclaboussures surle cordon de soudure, qui ne peut pas répondre aux exigences d'apparence ; lorsque la défocalisation La quantité est de 6 mm, en raison de la forte baisse de la densité de puissance, la force de traction au niveau du le point de soudure est plus bas, à 4 N. Les trois Les facteurs et trois niveaux sont présentés dans le tableau 3.

Tab.3 Facteurs et niveaux de soudage en spirale laser à fibre monomode

nombre	facteur
	D puissance moyenne/W	Vitesse de soudage E/ (mm·s- 1)	C Quantité de défocalisation/mm
1	600	100	1
2	700	130	3
3	800	160	5

L'expérience orthogonale à trois niveaux du pouls soudage par points au laser comprend neuf ensembles,lorsque la puissance maximale est de 3000 8 W, la largeur d'impulsion est de XNUMX ms et la quantité de défocalisationest de 1 mm, la force de traction du point de soudure atteint son maximum à 17 N,ceux-ci sont considérés comme les paramètres optimaux du processus.Pour le facteur de pic laser puissance (A), trois expériences sont menées avec niveau 1 (A=2500 W),additionner les efforts de traction des points de soudure de ces 3 des expériences pour obtenir le total statistique K1=35,lorsque le niveau 2 est choisi, la somme des la résistance à la traction des points de soudure est statistique totale K2=46,quand le niveau 3 est choisi,la somme est total statistique K3=33,plus la valeur statistique K est grande, plus le force de traction à ce niveau,la valeur la plus élevée est K2,cela indique que lorsque le facteur A est au niveau 2 (A = 3000 W), la résistance à la traction du point de soudure est la plus grande ;De même, la valeur statistique K de la résistance à la traction du point de soudure des autres facteurs(largeur d'impulsion, défocalisation) peut être obtenu, comme indiqué dans le tableau 4. La plage est représentéepar R,plus la valeur R est petite, moins ce facteur a d'impact sur la résistance à la traction dele point de soudure;À l’inverse, plus la valeur R est élevée, plus l’impact de ce facteur est important.sur la résistance à la traction du point de soudure. D'après le tableau 4, il on voit que les facteursaffectant la résistance à la traction du point de soudure sont, par ordre d'importance : la puissance de crête,largeur d'impulsion et défocalisation.

Tab.4 Résultats d'expériences orthogonales de soudage par points au laser pulsé

nombre	Une puissance crête/W	Blargeur d'impulsion/ms	CDéfocalisationquantité/mm	Tension du joint de soudure/N
1	2500	4	1	11
2	2500	6	3	9
3	2500	8	5	15
4	3000	4	3	14
5	3000	6	5	15
6	3000	8	1	17
7	3500	4	5	8
8	3500	6	1	12
9	3500	8	3	13
K1	35	33	40
K2	46	36	31
K3	33	45	38
R	13	12	9

L'expérience orthogonale à trois facteurs et à trois niveaux de la ligne spirale laser à fibre monomode le soudage comprend un total de 9 groupes. Lorsque la puissance moyenne est de 3000 W, le soudage la vitesse est de 160 mm/s et la quantité de défocalisation est de 1 mm, la résistance à la traction de la soudure Le point atteint la valeur la plus élevée de 47 N, qui est le paramètre de processus optimal.

Lorsque le facteur de puissance moyen du laser G est réglé au niveau 1 (A=600 W), un total de 3 groupes d'expériences sont formés, les résistances à la traction de ces 3 groupes de points de soudure sont additionnées pour donner la statistique F1=98 ; De même , la statistique de la valeur de résistance à la traction d'autres facteurs peut être obtenue, comme indiqué dans le tableau5.Parmi eux, Y est la valeur de la plage. À partir de la valeur de plage, on peut voir que les facteurs qui affectent la taille du joint de soudure sont, du primaire au secondaire, la défocalisation, la puissance moyenne et la vitesse de soudage.

2.3 Aspect de la soudure et analyse de la microstructure

La figure 3a montre une coupe transversale du soudage par points selon les paramètres de processus optimaux pour le soudage par points au laser pulsé. La largeur de la surface du cordon de soudure est grande, mais à mesure que la profondeur de fusion augmente, la largeur du cordon de soudure diminue. La largeur du cordon de soudure entre les deux couches supérieure et inférieure est d'environ 1/3 de la largeur de la surface du point de soudure, car l'énergie du laser pulsé est principalement distribuée au centre du point lumineux de 0.8 mm. L'énergie au bord du point lumineux est plus faible, ce qui ne peut que faire fondre la surface du matériau et ne peut pas continuer à pénétrer vers le bas, formant un cordon de soudure large en haut et étroit en bas. La figure 3b montre une coupe transversale de le point de soudure dans des conditions de processus optimales pour le soudage en spirale laser à fibre monomode, où la largeur de la surface du cordon de soudure est à peu près équivalente à la largeur du soudage par points laser pulsé, avec l'augmentation de la profondeur de fusion, il n'y a pas de réduction significative de la largeur du cordon de soudure. La largeur du cordon de soudure entre les deux couches de matériau supérieure et inférieure est presque la même que la largeur de la surface du point de soudure. En effet, lorsque le soudage en spirale au laser à fibre monomode est utilisé, le point focalisé du monomode Le laser à fibre mesure 0.28 mm, l'énergie laser est répartie uniformément dans la plage du spot et a une densité de puissance élevée. Au niveau du cercle le plus extérieur de la ligne en spirale, l'énergie laser est suffisante pour fondre à travers le matériau, formant une forme de cordon de soudure où la largeur de la surface du cordon de soudure est presque la même que celle du fond du cordon de soudure. Pendant l'essai de traction, le La position de contrainte principale est la largeur du cordon de soudure entre les deux couches de matériau supérieure et inférieure. Plus la largeur est grande, plus la force de traction du point de soudure est importante. La largeur du cordon de soudure entre les deux couches supérieure et inférieure de matériau dans la soudure en spirale au laser à fibre monomode est trois fois la largeur de la soudure par points au laser pulsé, par conséquent, la résistance à la traction du point de soudure du monomode Le soudage en spirale au laser à fibre est également trois fois supérieur à celui du soudage par points au laser pulsé.

Tab.5 Résultats d'expériences orthogonales de soudage en spirale monomode

nombre	D puissance moyenne/W	Vitesse de soudage E/(mm·s- 1)	F défocalisationquantité/mm	tension du joint de soudure/N
1	600	100	1	41
2	600	130	3	28
3	600	160	5	29
4	700	100	3	33
5	700	130	5	39
6	700	160	1	47
7	800	100	5	30
8	800	130	1	35
9	800	160	3	39
G1	98	104	123
G2	119	102	95
G3	104	115	98
Y	21	13	25

Fig.3 Coupe transversale du point de soudure

La figure 4a représente la structure métallographique du matériau parent en alliage d'aluminium 6061. La taille des grains est inégale, la forme est irrégulière et les grains sont relativement gros, ce qui est une structure typique de '-Al.La figure 4b montre la microstructure du centre du cordon de soudure selon les paramètres de processus optimaux du soudage par points par impulsion laser. Il présente une structure dendritique en alliage d'aluminium. La taille des grains a connu un raffinement significatif par rapport au matériau parent de l'alliage d'aluminium 6061. Cela est dû au chauffage et au refroidissement rapides du matériau en alliage d'aluminium par soudage par points par impulsion laser, ce qui entraîne un raffinement des grains du cordon de soudure. La figure 4c montre la microstructure du centre du cordon de soudure selon les paramètres de processus optimaux pour le soudage en spirale au laser à fibre monomode. Ceci est représenté par une structure dendritique en alliage d’aluminium. La taille des grains ne présente aucune différence significative par rapport à la structure métallographique du soudage par points par impulsion laser.

Fig.4 Microstructure du point de soudure

Conclusion 3

L'alliage d'aluminium 6063 a été soudé par recouvrement séparément à l'aide de méthodes de soudage par points au laser pulsé et de soudage en spirale au laser à fibre monomode, et une expérience d'optimisation orthogonale a été menée. La résistance à la traction maximale des points de soudure obtenue par le soudage par points au laser pulsé a atteint 17 N, les paramètres de processus optimaux sont les suivants : la puissance maximale est de 3000 8 W, la largeur d'impulsion est de 1 ms et la quantité de défocalisation est de 47 mm pour le soudage par points au laser pulsé. La résistance à la traction maximale des points de soudure obtenue par le soudage en spirale au laser à fibre monomode a atteint 3000 N. Les paramètres de processus optimaux pour cette méthode sont les suivants : la puissance moyenne est de 160 1 W, la vitesse de soudage est de XNUMX mm/s et le degré de défocalisation est de XNUMX. mm.

L'apparition des résultats du pouls soudage par points au laser et le soudage en spirale au laser à fibre monomode sous des paramètres de processus optimaux est presque identique, sans différence significative ; il n'y a pas non plus de différence notable dans la structure métallurgique et la granulométrie. La largeur du cordon de soudure entre les couches supérieure et inférieure du matériau dans le soudage en spirale au laser à fibre monomode est trois fois la largeur du cordon de soudure du soudage par points au laser pulsé. Par conséquent, la résistance à la traction des points de soudure du soudage en spirale au laser à fibre monomode est également trois fois supérieure à celle du soudage par points au laser pulsé.