Processo di saldatura laser a fibra monomodale della lega di alluminio 6063

ABSTRACT:Il lavoro mira a studiare l'ottimo saldatura laser schema di processo per la lega di alluminio 6063 per migliorare la tensione del punto di saldatura in considerazione del fatto che la tensione della lega di alluminio 6063 saldata a punti mediante laser a impulsi è bassa e non riesce a soddisfare le esigenze effettive. IL laser a fibra monomodale è stato utilizzato per saldare la lega di alluminio 6063 e i punti a spirale erano formati da una linea estremamente sottile per sostituire il singolo impulso saldatura a punti laser. L'esperimento ortogonale è stato effettuato con potenza del laser, velocità di saldatura e defocus per ottenere i parametri ottimali. Attraverso l'analisi dell'aspetto e della microstruttura della saldatura è stato spiegato il motivo dell'aumento della tensione nel punto di saldatura. Quando la potenza del laser era di 70 W, la velocità di saldatura era di 100 mm/s e la sfocatura era pari a 0, la tensione dei punti raggiungeva il massimo di 65 N e i parametri di processo erano i migliori. La tensione del punto di saldatura laser monomodale era 3 volte quella del punto di saldatura laser a impulsi. Nella saldatura con laser a spirale in fibra monomodale, l'energia laser è distribuita uniformemente nella gamma del punto e ha una grande densità di potenza, formando una forma di saldatura con una larghezza della superficie di saldatura quasi uguale a quella del fondo di saldatura, che favorisce migliorare la tensione del punto di saldatura e fornire riferimento tecnico per la produzione effettiva.

PAROLE CHIAVE:lega di alluminio 6063; laser a fibra monomodale; saldatura laser; tensione

I materiali in lega di alluminio presentano i vantaggi di leggerezza, elevata resistenza, facilità di lavorazione e forma e buona resistenza alla corrosione. Sono stati ampiamente utilizzati in settori quali quello aerospaziale, dell'hardware e automobilistico. Con il progresso della scienza e della tecnologia, sono stati avanzati requisiti più elevati per la qualità della saldatura e l'efficienza produttiva della saldatura delle leghe di alluminio. La saldatura laser presenta i vantaggi dell'alta energia densità, basso apporto termico totale, piccola deformazione dopo la saldatura e facile automazione grazie al non contatto con il pezzo. Ha un'ampia prospettiva di applicazione nella saldatura delle leghe di alluminio.
La lega di alluminio ha un'elevata riflettività ai laser, richiedendo una maggiore energia laser per ottenere la saldatura. Inoltre, gli elementi a basso punto di fusione come Mg e Zn nelle leghe di alluminio tendono a bruciarsi, con conseguente diminuzione della resistenza del giunto di saldatura, influenzando l'uso pratico. La lega di alluminio 6063 ha un'elevata resistenza e una buona resistenza all'attrito, e è un materiale in lega di alluminio con una vasta gamma di applicazioni. I materiali sottili generalmente utilizzano una sorgente laser Nd: YAG per la saldatura a punti, che può ridurre la deformazione termica e migliorare l'efficienza produttiva. Tuttavia, la resistenza alla trazione del punto di saldatura è inferiore, il che potrebbe non soddisfare i requisiti pratici di produzione. Con l'ulteriore sviluppo della tecnologia laser, la tecnologia laser a fibra monomodale sta diventando sempre più matura e la qualità del raggio sta migliorando e meglio, il che è di grande aiuto per migliorare la resistenza alla trazione del punto di saldatura.
L'articolo utilizza un laser a fibra monomodale da 1000 W per saldare il filo a spirale, formando un punto di saldatura. Ottimizzando i parametri di processo si ottiene la massima resistenza alla trazione del punto di saldatura. Viene inoltre confrontato con la resistenza alla trazione dei punti di saldatura della saldatura a punti laser a impulsi, fornendo preziosi riferimenti per applicazioni ingegneristiche pratiche.

1 esperimento di saldatura

Materiali 1.1

Il materiale è una lega di alluminio, con grado 6061 e spessore di 0.5 mm. La composizione chimica del materiale è mostrata nella Tabella 1. Tagliare il materiale in piastre da 200 mm x 100 mm, pulire con alcool e acqua e mettere da parte. Il metodo di saldatura è la saldatura a sovrapposizione e i pezzi da saldare vengono fissati utilizzando dispositivi fatti in casa.

Tab.1 Composizione chimica della lega di alluminio 6061 (frazione di massa)%

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

1.2 Materiale

L'apparecchiatura sperimentale utilizza un laser a fibra monomodale prodotto da IPG per saldatura, con un diametro della fibra di 0.14 µm e una potenza media di 1000 W. La piattaforma sperimentale è costituita principalmente da un laser, un computer, un sistema di percorso ottico e un sistema di controllo, come mostrato nella Figura 1a. Il laser viene riflesso dal galvanometro a scansione ed è focalizzato sul piano di lavoro attraverso la lente F. Il galvanometro ruota ad alta velocità sotto l'azionamento del motore x/y, formando varie traiettorie nel piano, come cerchi, rettangoli, linee rette, linee a spirale, ecc. Dopo essere passato attraverso la lente F, la dimensione dello spot è di circa 0.28 mm. Il diagramma schematico del sistema del percorso ottico è mostrato nella Figura 1b. La saldatura a punti laser a impulsi utilizza un laser Nd:YAG da 500 Wsource, con una potenza di picco fino a 8000W. Dopo che il raggio laser è stato focalizzato dal sistema del percorso ottico, la dimensione dello spot è di circa 0.4 ~ 1.0 mm.Il tester di trazione elettronico prodotto da Jinan Huaxing Experimental Equipment Co., Ltd (modello: WDH-10) viene utilizzato per la prova di trazione del cordone di saldatura. L'aspetto della saldatura viene testato con un microscopio metallografico, il marchio è Beijing North Star e il numero di modello XJB200.

Fig.1 Piattaforma sperimentale

2 Esperimenti e risultati del processo di saldatura laser

2.1 Progettazione grafica della saldatura e confronto estetico

Pulsato saldatura a punti laser utilizza un laser Nd:YAG da 500 W per la saldatura, con una saldatura requisito di intervallo di 0.6~0.8 mm. La dimensione del raggio focalizzato dell'impulso saldatura a punti laser soddisfa semplicemente il requisito. Il laser emette un impulso che agisce sul materiale, formando a punto di saldatura. Il diagramma schematico del punto di saldatura è mostrato nella Figura 2a.Poiché il punto focalizzato del laser a fibra monomodale è di soli 0.28 mm, il laser il raggio forma un punto di saldatura eseguendo una spirale, il diametro della spirale è 0.8 mm,e la spirale ha 4 giri. Esiste un certo grado di sovrapposizione del laser tra ciascuno girare, formando un punto di saldatura laser del diametro di 0.8 mm. Lo schema del il punto di saldatura è mostrato nella Figura 2b. L'aspetto della saldatura a punti laser a impulsi è mostrato nella Figura 2c, e l'aspetto del punto di saldatura formato dalla spirale è mostrato nella Figura 2d. La dimensione dei due punti di saldatura è quasi identica e no differenza significativa può essere osservata visivamente.

Fig.2 Schema e aspetto dei punti di saldatura

2.2 Esperimento ortogonale dei parametri di processo

I principali parametri di lavorazione del pulsato saldatura a punti laser includere il laser di picco potenza, larghezza dell'impulso e quantità di sfocatura. Un test preliminare del processo di saldatura laser è condotto su lega di alluminio 0.5 da 6061 mm. Quando la potenza massima del laser è pari a 2400 W, il la potenza di picco è relativamente piccola, il che si traduce in un punto di saldatura più piccolo forza di trazione di 3 N.Quando la potenza del laser di picco è 3600 W, sono presenti spruzzi sulla superficie della saldatura cucitura e anche la forza di trazione del punto di saldatura è bassa, pari a 4 N. Quando l'ampiezza dell'impulso è 3 ms, il diametro del punto di saldatura è più piccolo e la forza di trazione è inferiore, a 3 N.Quando la larghezza dell'impulso è 9 ms, il diametro di il punto di saldatura è di 0.9 mm, che supera l'intervallo di saldatura di 0.6~0.8 mm. Quando la sfocatura è a 0, a causa del grande densità di potenza, sono presenti schizzi sul cordone di saldatura e l'aspetto no soddisfare lo standard. Tuttavia, quando la sfocatura è a 6 mm, a causa del brusco calodensità di potenza, la forza di trazione al il punto di saldatura è più basso, a 4 N. I tre livelli diquesti fattori sono quelli illustrati nella Tabella 2.

Tab.2 Fattori e livelli della saldatura a punti laser a impulsi

numero	fattore
	A Potenza di picco/W	Larghezza impulso B/ms	C Quantità di sfocatura/mm
1	2500	4	1
2	3000	6	3
3	3500	8	5

I principali parametri di processo della saldatura a spirale laser a fibra monomodale sono i potenza media del laser, velocità di saldatura e quantità di sfocatura,quando il laser medio la potenza è di 500 W, la forza di trazione nel punto di saldatura è inferiore, pari a 4 N;Quando la mediala potenza del laser è di 900 W, alcuni schizzi di materiale e la forza di trazione al il punto di saldatura è anch'essa inferiore, a 3 N;Quando la velocità di saldatura è di 90 mm/s, anche l'accumulo di calore lo è alta, causando la combustione del materiale, e la forza di trazione nel punto di saldatura è inferiore, a 5N;Quando la velocità di saldatura è di 170 mm/s, l'accumulo di calore è inferiore, sia il la larghezza e la profondità della saldatura sono minori e la forza di trazione nel punto di saldatura è inferiore, a4 N;Quando la quantità di sfocatura è 0, la densità di potenza è maggiore, causando spruzziil cordone di saldatura, che non può soddisfare i requisiti estetici; Quando la sfocatura quantità è di 6 mm, a causa del forte calo della densità di potenza, la forza di trazione al il punto di saldatura è più basso, a 4 N. I tre fattori e tre livelli sono mostrati nella Tabella 3.

Tab.3 Fattori e livelli di saldatura a spirale laser in fibra monomodale

numero	fattore
	D potenza media/W	E velocità di saldatura/ (mm·s- 1)	C Quantità di sfocatura/mm
1	600	100	1
2	700	130	3
3	800	160	5

L'esperimento ortogonale a tre livelli dell'impulso saldatura a punti laser comprende nove set,quando la potenza di picco è 3000 W, la larghezza dell'impulso è 8 ms e la quantità di sfocaturaè 1 mm, la forza di trazione del punto di saldatura raggiunge il suo picco a 17 N,questi sono considerati parametri di processo ottimali.Per il fattore di picco laser potenza (A), ci sono tre esperimenti condotti con livello 1 (A=2500 W),sommare la forza di trazione dei punti di saldatura da questi 3 esperimenti per ottenere il totale statistico K1=35,quando viene scelto il livello 2, la somma dei la resistenza alla trazione dei punti di saldatura è statisticamente totale K2=46,quando livellato 3 è scelto,la somma è totale statistico K3=33,maggiore è il valore statistico K, maggiore è il forza di trazione a quel livello,il valore più alto è K2,questo indica che quando il fattore A è al livello 2 (A = 3000 W), la resistenza a trazione del punto di saldatura è massima;Allo stesso modo, il valore statistico K della resistenza alla trazione del punto di saldatura è diverso Fattori(ampiezza dell'impulso, sfocatura), come mostrato nella Tabella 4. L'intervallo è rappresentatodi R,minore è il valore R, minore è l'impatto di tale fattore sulla resistenza alla trazioneil punto di saldatura;Al contrario, maggiore è il valore R, maggiore è l’impatto di quel fattoresulla resistenza a trazione del punto di saldatura. Dalla Tabella 4, it si può vedere che i fattoriche influiscono sulla resistenza a trazione del punto di saldatura sono, in ordine di importanza: potenza di picco,larghezza dell'impulso e sfocatura.

Tab.4 Risultati dell'esperimento ortogonale della saldatura a punti laser a impulsi

numero	A Potenza di picco/W	Blarghezza impulso/ms	CDefocusquantità/mm	Tensione del giunto di saldatura/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'esperimento ortogonale a tre fattori e tre livelli della linea a spirale laser in fibra monomodale la saldatura comprende un totale di 9 gruppi. Quando la potenza media è di 3000 W, la saldatura la velocità è 160 mm/s e la quantità di sfocatura è 1 mm, la resistenza alla trazione della saldatura punto raggiunge il valore più alto di 47 N, che è il parametro di processo ottimale.

Quando il fattore di potenza medio G del laser è impostato al livello 1 (A=600 W), vengono formati un totale di 3 gruppi sperimentali, le resistenze alla trazione di questi 3 gruppi di punti di saldatura vengono sommate per fornire la statistica F1=98; Allo stesso modo , è possibile ottenere la statistica per il valore di resistenza alla trazione di altri fattori, come mostrato nella Tabella5.Tra questi, Y è il valore dell'intervallo. Dal valore del range si vede che i fattori che influenzano la dimensione del giunto di saldatura sono, dal primario al secondario, la defocalizzazione, la potenza media e la velocità di saldatura.

2.3 Aspetto delle saldature e analisi della microstruttura

La Figura 3a mostra una sezione trasversale della saldatura a punti con i parametri di processo ottimali per la saldatura a punti laser pulsata, la larghezza della superficie del cordone di saldatura è ampia, ma all'aumentare della profondità di fusione, la larghezza del cordone di saldatura diminuisce. La larghezza del cordone di saldatura tra i due strati superiore e inferiore è circa 1/3 della larghezza della superficie del punto di saldatura, questo perché l'energia del laser pulsato è distribuita principalmente al centro del punto luminoso da 0.8 mm. L'energia è inferiore sul bordo del punto luminoso, che può solo fondere la superficie del materiale e non può continuare a penetrare verso il basso, formando un cordone di saldatura largo nella parte superiore e stretto nella parte inferiore. La figura 3b mostra una sezione trasversale del il punto di saldatura in condizioni di processo ottimali per la saldatura a spirale con laser a fibra monomodale, dove la larghezza della superficie del cordone di saldatura è all'incirca equivalente alla larghezza della saldatura a punti laser pulsata, con l'aumento della profondità di fusione, non vi è alcuna riduzione significativa del larghezza del cordone di saldatura. La larghezza del cordone di saldatura tra i due strati superiore e inferiore di materiale è quasi uguale alla larghezza della superficie del punto di saldatura, questo perché quando viene utilizzata la saldatura a spirale laser a fibra monomodale, il punto focalizzato del cordone di saldatura monomodale il laser a fibra è 0.28 mm, l'energia laser è distribuita uniformemente all'interno del raggio dello spot e ha un'elevata densità di potenza. Nel cerchio più esterno della linea a spirale, l'energia del laser è sufficiente per fondere il materiale, formando una forma del cordone di saldatura in cui la larghezza della superficie del cordone di saldatura è quasi uguale al fondo del cordone di saldatura. Durante la prova di trazione, il la posizione di sollecitazione principale è la larghezza del cordone di saldatura tra i due strati superiore e inferiore di materiale. Maggiore è la larghezza, maggiore è la forza di trazione del punto di saldatura. La larghezza del cordone di saldatura tra i due strati superiore e inferiore di materiale nella saldatura a spirale con laser a fibra monomodale è tre volte la larghezza della saldatura a punti laser a impulsi, pertanto, la resistenza alla trazione del punto di saldatura del cordone di saldatura monomodale La saldatura a spirale con laser a fibra è anche tre volte quella della saldatura a punti con laser a impulsi.

Tab.5 Risultati dell'esperimento ortogonale della saldatura a spirale monomodale

numero	D potenza media/W	E velocità di saldatura/(mm·s- 1)	F sfocaturaquantità/mm	tensione del giunto di saldatura/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 Sezione trasversale del punto di saldatura

La Figura 4a rappresenta la struttura metallografica del materiale madre della lega di alluminio 6061. La dimensione dei grani non è uniforme, la forma è irregolare e i grani sono relativamente grandi, che è una tipica struttura '-AlLa Figura 4b mostra la microstruttura del centro del cordone di saldatura con i parametri di processo ottimali della saldatura a punti a impulsi laser. Presenta una struttura dendritica in lega di alluminio. La dimensione dei grani ha subito un significativo affinamento rispetto al materiale originario della lega di alluminio 6061. Ciò è dovuto al rapido riscaldamento e rapido raffreddamento del materiale in lega di alluminio mediante saldatura a punti a impulsi laser, che si traduce nell'affinamento dei grani del cordone di saldatura. La Figura 4c mostra la microstruttura del centro del cordone di saldatura con i parametri di processo ottimali per la saldatura a spirale con laser a fibra monomodale. Questo è rappresentato da una struttura dendritica in lega di alluminio. La dimensione del grano non mostra differenze significative rispetto alla struttura metallografica della saldatura a punti a impulsi laser.

Fig.4 Microstruttura del punto di saldatura

Conclusione 3

La lega di alluminio 6063 è stata saldata per sovrapposizione separatamente utilizzando la saldatura a punti laser a impulsi e i metodi di saldatura a spirale laser a fibra monomodale ed è stato condotto un esperimento di ottimizzazione ortogonale. La forza di trazione massima dei punti di saldatura ottenuta mediante la saldatura a punti laser a impulsi ha raggiunto 17 N, i parametri di processo ottimali sono i seguenti: potenza di picco è 3000 W, larghezza dell'impulso è 8 ms e quantità di sfocatura è 1 mm per la saldatura a punti laser a impulsi. La forza di trazione massima dei punti di saldatura ottenuta mediante saldatura a spirale con laser a fibra monomodale ha raggiunto 47 N. I parametri di processo ottimali per questo metodo sono i seguenti: la potenza media è 3000 W, la velocità di saldatura è 160 mm/s e la quantità di sfocatura è 1 mm.

L'aspetto dei risultati del polso saldatura a punti laser e la saldatura a spirale laser a fibra monomodale con parametri di processo ottimali è quasi identica, senza differenze significative; inoltre, non vi è alcuna discrepanza notevole nella struttura metallurgica e nella dimensione dei grani. La larghezza del cordone di saldatura tra gli strati superiore e inferiore del materiale nella saldatura a spirale con laser a fibra monomodale è tre volte la larghezza del cordone di saldatura della saldatura a punti laser a impulsi. Pertanto, anche la forza di trazione dei punti di saldatura della saldatura a spirale con laser a fibra monomodale è tre volte quella della saldatura a punti con laser a impulsi.