Effetto della saldatura composita con laser a diodi e fibra sulla microstruttura e proprietà del rame

Prefazione 0
Il rame rosso ha una buona duttilità, un'elevata conduttività termica e conduttività elettrica ed è ampiamente utilizzato nell'industria aerospaziale, nell'ingegneria navale, nei cavi e nei componenti elettrici ed elettronici. I metodi tradizionali di saldatura del rame rosso come la saldatura a gas inerte di tungsteno hanno un elevato apporto di calore, pali di grandi dimensioni -deformazioni delle saldature e cordoni di saldatura antiestetici che non soddisfano più le esigenze della produzione moderna.

La saldatura laser ha un apporto termico complessivo inferiore, il che può migliorare notevolmente i problemi di grande deformazione post-saldatura e di aspetto scadente. La tecnologia di saldatura laser si è sviluppata rapidamente negli ultimi anni. A causa del basso tasso di assorbimento dei laser a lunghezza d'onda del vicino infrarosso sulla superficie del rame, generalmente solo circa il 4%, la maggior parte dell'energia laser viene riflessa. Richiede un elevato apporto di energia per saldare il rame, il che potrebbe portare a una scarsa stabilità della saldatura; Durante il processo di fusione del rame rosso, si formano facilmente pori sul cordone di saldatura, il che influisce sulle proprietà meccaniche del giunto di saldatura; Quando si salda il rame rosso, il un grande apporto di calore porta ad un drastico aumento della dimensione dei grani, che influisce negativamente anche sulle prestazioni del giunto saldato;

La nuova tecnologia di saldatura composita con laser a fibra e semiconduttori viene utilizzata nell'esperimento per saldare al laser il rame rosso. Viene analizzata l'influenza dei parametri di processo sulla formazione del giunto saldato per fornire riferimenti tecnici per la produzione effettiva.

1 Esperimento di saldatura
1.1 Materiali da saldare e attrezzature per saldatura
Il materiale sperimentale è rame rosso, con uno spessore di 1.0 mm, lunghezza × larghezza di 100 mm × 50 mm. Il metodo di saldatura è la giunzione. Il materiale da saldare viene bloccato con un dispositivo fatto in casa per ridurre la deformazione durante saldatura.

Per saldare il rame rosso vengono utilizzati un laser composito di un laser a semiconduttore e un laser a fibra. La lunghezza d'onda del laser a semiconduttore è 976 nm, la potenza massima è 1000 W e il diametro del nucleo della fibra è di 400 micron. Il laser a fibra ha una lunghezza d'onda di 1070 nm, una potenza laser massima di 1000 W e un diametro del nucleo della fibra di 50 micron . I due tipi di laser sono combinati attraverso una testa di saldatura, con la lente di collimazione della testa di saldatura avente una lunghezza focale di 100 mm e la lente di focalizzazione avente una lunghezza focale di 200 mm, il percorso ottico è mostrato nella Figura 1(a), il Il diametro del punto del laser a semiconduttore dopo essere passato attraverso la testa di saldatura nel punto focale del laser è di circa 0.8 mm. A causa delle grandi dimensioni del punto, può fornire un riscaldamento ausiliario attorno al cordone di saldatura. Il diametro del punto del laser a fibra nel fuoco è di circa 0.1 mm e la densità di potenza è piccola (densità di potenza = potenza laser/area del punto; più piccola il diametro dello spot, maggiore è la densità di potenza). Ciò può generare temperature più elevate, ottenendo la saldatura di materiali in rame. Tutti gli esperimenti menzionati nel testo sono stati condotti nei punti focali dei laser a semiconduttore e dei laser a fibra per la saldatura. La piattaforma sperimentale di saldatura composita laser è mostrata nella Figura 1 (b). È costituito principalmente da un laser a semiconduttore, un laser a fibra, una testa di saldatura, un computer di controllo industriale e un modulo X/Y. In questa configurazione, la testa di saldatura, azionata dal modulo X/Y, realizza la saldatura della traccia per formare un cordone di saldatura. La potenza del laser a semiconduttore e del laser a fibra può essere impostata separatamente.

(a) Diagramma schematico del percorso ottico di saldatura ibrida	(b) Attrezzatura sperimentale
Figura 1 Attrezzatura per saldatura laser

1.2Attrezzature per l'ispezione delle saldature
La microstruttura del cordone di saldatura è stata testata e analizzata utilizzando un microscopio metallografico, modello WYJ-4XBD. Ciò è stato fatto per analizzare gli effetti di diversi parametri di processo sulla microstruttura del cordone di saldatura. La resistenza alla trazione del cordone di saldatura è stata testata utilizzando una macchina di trazione elettronica, modello FR-103C. L'attrezzatura è mostrata nella Figura 2 (b). La resistenza alla trazione P del cordone di saldatura si ottiene dividendo la forza di trazione F per l'area S del cordone di saldatura. La resistenza alla trazione viene testata 3 volte per ciascun parametro di processo e la resistenza alla trazione media ottenuta è la resistenza alla trazione del cordone di saldatura corrispondente a questo parametro di processo. La velocità di allungamento della macchina di trazione è impostata su 1 mm/s. La microdurezza del giunto saldato del campione di saldatura viene testata con un tester di microdurezza, modello HV-1000. Il carico sperimentale è di 50 g e il tempo di caricamento è di 10 secondi.

2 Processo sperimentale e analisi dei risultati
2.1 Effetto del laser a semiconduttore sull'aspetto e la resistenza delle saldature
Dopo numerosi esperimenti preliminari, quando si utilizza solo un laser a fibra per la saldatura (con la potenza del laser a semiconduttore impostata su 0 W), se la potenza del laser a fibra è di 900 W e la velocità di saldatura è di 30 mm/s, il cordone di saldatura penetrerà appena, ma è soggetto alla formazione di pori all'interno del cordone di saldatura. Come mostrato nella Figura 3 (a), nei continui tentativi di ottimizzare i parametri di processo come la velocità di saldatura e la potenza del laser per saldatura laser a fibra, all'interno del cordone di saldatura sono ancora presenti dei pori. Questo perché durante il processo di fusione del rame viola, il laser a fibra subisce un grande apporto di calore al rame e un'elevata temperatura, che aumenta notevolmente la solubilità dell'idrogeno nell'aria nel bagno di fusione. Allo stesso tempo, a causa del buona conduttività termica del rame viola, la velocità di raffreddamento del bagno fuso è molto elevata. La rapida solidificazione del bagno di fusione fa sì che l'idrogeno disciolto nel bagno di fusione non si dissipi nel tempo dal cordone di saldatura, con conseguente idrogeno residuo all'interno del cordone di saldatura e formazione di pori nel cordone di saldatura. Questi pori interni nel cordone di saldatura influenzeranno negativamente le proprietà meccaniche del giunto saldato.

L'articolo utilizza un metodo di saldatura composita utilizzando un laser a semiconduttore e un laser a fibra. La potenza del laser fibra è mantenuta costante a 900W e la velocità di saldatura a 30mm/s. La potenza del laser a semiconduttore è impostata rispettivamente su 600 W, 800 W e 1000 W per analizzare l'effetto sul cordone di saldatura. Quando la potenza del laser a semiconduttore è 600 W, nel cordone di saldatura mostrato nella Figura 3 (b), sono presenti pori all'interno del cordone di saldatura. Quando la potenza del laser a semiconduttore è 800 W, come mostrato nella Figura 3 (c), lì non ci sono pori all'interno del cordone di saldatura. Questo perché il laser a semiconduttore ha un diametro dello spot di 0.8 mm nel punto focale, coprendo un intervallo di riscaldamento più ampio. Il laser a semiconduttore fornisce un riscaldamento ausiliario attorno al cordone di saldatura, riducendo la velocità di raffreddamento del bagno di fusione. Ciò consente all'idrogeno disciolto nel bagno di fusione il tempo sufficiente per evaporare dal cordone di saldatura, senza lasciare pori residui nel cordone di saldatura. Quando la potenza del laser a semiconduttore viene ulteriormente aumentata a 1000 W, l'aspetto del cordone di saldatura è come mostrato nella Figura 3 (d), con pori più grandi all'interno. Ciò potrebbe essere dovuto alla potenza eccessivamente elevata del laser a semiconduttore, che porta a un maggiore apporto di calore complessivo. Ciò provoca l'ablazione degli elementi a basso punto di fusione all'interno del rame e lascia cavità all'interno del cordone di saldatura.

La resistenza alla trazione del cordone di saldatura viene testata utilizzando una macchina per prove di tensione, quando i parametri della potenza del laser a fibra sono impostati su 900 W, la velocità di saldatura a 30 mm/s e la quantità di sfocatura a 0 mm vengono mantenuti costanti, un'analisi della viene analizzato l'impatto della potenza del laser a semiconduttore sulla resistenza alla trazione del cordone di saldatura, con i risultati presentati nella Figura 4. Quando la potenza del laser a semiconduttore è impostata su 0 W e 600 W, non vi è alcun cambiamento significativo nella resistenza alla trazione del cordone di saldatura. Questo perché una potenza di 600W non ha un impatto significativo sulla morfologia del cordone di saldatura. Analogamente a quando la potenza è a 0 W, all'interno del cordone di saldatura vengono prodotti dei pori, con conseguente resistenza alla trazione compresa tra 160~161 MPa. Quando la potenza del laser a semiconduttore è impostata su 800 W, la resistenza alla trazione del cordone di saldatura raggiunge il suo massimo a 238 MPa , raggiungendo l'80% della resistenza alla trazione del materiale a base di rame (che è 292 MPa). Ciò rappresenta un aumento di circa il 50% della resistenza alla trazione rispetto a quando la potenza del laser a semiconduttore è impostata su 0 W e 600 W. Quando la potenza del laser a semiconduttore è impostata su 1000 W, la resistenza alla trazione del cordone di saldatura diminuisce drasticamente. Ciò si verifica perché la potenza del laser a semiconduttore è troppo elevata, provocando l'ablazione degli elementi a basso punto di fusione, riducendo drasticamente la resistenza alla trazione del cordone di saldatura.

Figura 4 Resistenza alla trazione dei giunti saldati con diverse potenze laser a semiconduttore

2.2 Effetto del laser a semiconduttore sulla microstruttura della saldatura
Con una potenza di 900W, la saldatrice laser fibra funziona ad una velocità di 30mm/s, con 0mm di sfocatura. Le immagini metallografiche della microstruttura delle zone di fusione a diverse potenze del laser a semiconduttore sono mostrate nella Figura 5. Quando la potenza del laser a semiconduttore è impostata su 0 W, la microstruttura della zona di fusione è una struttura cristallina cellulare sottile, come mostrato nella Figura 5 (a) . Quando la potenza del laser a semiconduttore è impostata su 600 W e 800 W, le microstrutture delle zone di fusione sono mostrate rispettivamente nella Figura 5 (b) e nella Figura 5 (c). Con l'aumento della potenza del laser a semiconduttore, la struttura cristallina cellulare diventa gradualmente più grossolana. Questo perché il gradiente di temperatura nella zona di fusione è relativamente ampio, i grani crescono nella direzione della conduzione del calore, formando strutture cristalline cellulari fini. Quando la potenza del laser a semiconduttore è impostata su 1000 W, la microstruttura della zona di fusione, come mostrato in La Figura 5 (d), si trasforma in una struttura α-Cu molto più grossolana. Ciò è dovuto alla velocità di raffreddamento estremamente lenta, che porta alla formazione di grandi grani di α-Cu.

Con una potenza di 900W, la saldatrice laser fibra funziona ad una velocità di 30mm/s, con 0mm di sfocatura. Le immagini metallografiche della microstruttura delle zone alterate dal calore a diverse potenze del laser a semiconduttore sono mostrate nella Figura 6. La struttura delle zone alterate dal calore è tutta ricotta α-Cu. Quando la potenza del laser a semiconduttore è impostata su 0 W e 600 W, la grana le dimensioni nella zona interessata dal calore non variano in modo significativo, come mostrato nella Figura 6 (a) e nella Figura 6 (b). Ciò è dovuto alla potenza relativamente bassa del laser a semiconduttore, che non ha un effetto evidente sulla microstruttura della saldatura. Quando la potenza del laser a semiconduttore è impostata su 800 W, i grani nella zona interessata dal calore si allargano notevolmente, come mostrato nella Figura 6(c). Quando la potenza viene aumentata a 1000 W, la dimensione media dei grani continua a crescere, come illustrato nella Figura 6(d), questo perché all'aumentare della potenza del laser a semiconduttore, la velocità di raffreddamento del bagno fuso diminuisce. Ciò si traduce in un tempo di rifusione e ricristallizzazione prolungato per il bagno fuso. La quantità di calore e tempo condotti nella zona termicamente alterata aumentano, estendendo il tempo di crescita dei grani in questa zona, che a sua volta porta ad un aumento della dimensione dei grani nella zona termicamente alterata.

Con una potenza di 900 W, una velocità di saldatura di 30 mm/s e una quantità di sfocatura di 0 mm per il laser a fibra, la microstruttura metallografica nell'area centrale della saldatura sotto diverse potenze del laser a semiconduttore viene mostrata come in Figura 7, quando il semiconduttore la potenza del laser è impostata rispettivamente su 0 W, 600 W e 800 W, la micrografia metallografica della microstruttura al centro della saldatura è mostrata di conseguenza nella Figura 7 (a), Figura 7 (b) e Figura 7 (c), tutte sono strutture a grani equiassici, all'aumentare della potenza del laser a semiconduttore, la quantità di strutture a grani equiassici aumenta gradualmente. Questo perché l'aumento della potenza del laser a semiconduttore provoca un aumento della temperatura complessiva nel centro di saldatura, fornendo tempo sufficiente affinché la struttura del grano equiassico si sviluppi. Quando la potenza del laser a semiconduttore viene ulteriormente aumentata fino a 1000 W, la microstruttura in il centro della saldatura passa a grandi grani α-Cu, come mostrato nella Figura 7 (b). Ciò è dovuto a una diminuzione del gradiente di temperatura nel centro di saldatura, che fa rallentare significativamente la velocità di raffreddamento della saldatura, facilitando la formazione di grandi grani di α-Cu.

2.3 Effetto del laser a semiconduttore sulle proprietà meccaniche delle saldature
Con la potenza del laser a fibra impostata su 900 W, una velocità di saldatura di 30 mm/s e una quantità di sfocatura di 0 mm, la microdurezza con diverse potenze del laser a semiconduttore è mostrata nella Figura 8. All'aumentare della potenza del laser a semiconduttore, la massima la durezza della saldatura diminuisce gradualmente. Questo perché l’aumento della potenza del laser a semiconduttore prolunga il tempo di raffreddamento e solidificazione del pool di fusione, consentendo ai grani di crescere completamente. La maggiore dimensione del grano determina una riduzione del valore di microdurezza del materiale. L'andamento dalla zona di saldatura verso il materiale base presenta una iniziale diminuzione seguita da un aumento, con la massima microdurezza osservata nella zona centrale della saldatura. Ciò è dovuto alla presenza di grani molto piccoli in questa zona, in quanto l'affinamento del grano determina un aumento della durezza. Il valore minimo di microdurezza si verifica nella zona alterata dal calore. Questo perché la zona termicamente alterata è nella direzione di conduzione del calore; il piccolo gradiente di temperatura porta a grani relativamente più grandi, che a loro volta riducono la microdurezza.

Figura 8 Distribuzione della microdurezza dei giunti saldati con diverse potenze laser a semiconduttore

Conclusione 3
Rispetto al tradizionale saldatura laser, non è necessario il preriscaldamento o il trattamento superficiale del rame. Utilizzando laser compositi a fibra e semiconduttore, il rame può essere saldato in un unico passaggio, riducendo il processo di produzione e risparmiando sui costi di produzione. Ciò fornisce un prezioso riferimento tecnico per la produzione vera e propria.

Durante il processo di saldatura, il laser a semiconduttore fornisce un riscaldamento ausiliario alla saldatura, producendo la massima resistenza alla trazione nella saldatura senza porosità quando la potenza è impostata su 800 W. La potenza del laser a semiconduttore influisce in modo significativo sulla microstruttura della saldatura. All'aumentare della potenza del laser a semiconduttore, la struttura cristallina cellulare nella zona di fusione diventa gradualmente più grossolana; la dimensione dei grani nella zona termicamente alterata aumenta; e la struttura cristallina equiassica al centro della saldatura aumenta di dimensioni delle particelle. La dimensione del grano maggiore ridurrà la microdurezza della saldatura.