ダイオードとファイバーレーザーの複合溶接が銅の微細構造と特性に及ぼす影響 日本

0はじめに
赤銅は、優れた延性、高い熱伝導性、電気伝導性を備えており、航空宇宙、海洋工学、ケーブルおよび電気、電子部品に広く使用されています。タングステン不活性ガス溶接などの従来の赤銅溶接方法は、高い入熱、大きなポストを備えています。 -溶接変形、見苦しい溶接継ぎ目は、もはや現代の生産要件を満たすことができません。

レーザー溶接は全体の入熱が少ないため、溶接後の大きな変形や外観不良の問題を大幅に改善できます。レーザー溶接技術は近年急速に発展しています。銅表面での近赤外波長レーザーの吸収率は一般に約 4% と低いため、レーザーエネルギーのほとんどが反射されてしまいます。銅の溶接には高エネルギーの入力が必要であり、溶接の安定性が低下する可能性があります。赤銅の溶解プロセス中、溶接シームに気孔が形成されやすく、溶接継手の機械的特性に影響します。赤銅を溶接する場合、入熱が大きいと結晶粒径が大幅に増加し、溶接継手の性能にも悪影響を及ぼします。

新しい半導体とファイバーレーザーの複合溶接技術が、赤銅のレーザー溶接実験に使用されました。溶接継手の形成に対するプロセスパラメータの影響が分析され、実際の生産のための技術的参考資料が提供されます。

1 溶接実験
1.1 溶接対象材料と溶接設備
実験材料は赤銅、厚さ1.0mm、長さ×幅100mm×50mmです。溶接方法はスプライシングです。溶接する材料を自作の治具でクランプし、溶接時の変形を軽減します。 溶接.

赤銅の溶接には半導体レーザーとファイバーレーザーの複合レーザーを使用します。半導体レーザーの波長は976nm、最大出力は1000W、ファイバーのコア径は400ミクロンです。ファイバーレーザーの波長は1070nm、最大レーザー出力は1000W、ファイバーのコア径は50ミクロンです。 。 100種類のレーザーは溶接ヘッドを介して結合され、溶接ヘッドのコリメーションレンズの焦点距離は200mm、集束レンズの焦点距離は1mmであり、光路は図0.8(a)に示されています。溶接ヘッドを通過した後の半導体レーザーのレーザー焦点のスポット径は約0.1mmです。スポット サイズが大きいため、溶接シームの周囲に補助加熱を提供できます。焦点でのファイバー レーザーのスポット直径は約 1 mm で、出力密度は小さくなります (出力密度 = レーザー出力 / スポット面積、小さいほど小さくなります)。スポット直径が大きいほど、パワー密度は大きくなります）。これにより、より高い温度が生成され、銅材料の溶接が可能になります。本文で説明したすべての実験は、溶接用の半導体レーザーとファイバーレーザーの焦点で行われました。レーザー複合溶接実験プラットフォームを図XNUMX(b)に示します。主に半導体レーザー、ファイバーレーザー、溶接ヘッド、産業用制御コンピューター、X/Yモジュールで構成されています。この設定では、X/Y モジュールによって駆動される溶接ヘッドがトラック溶接を実行して溶接シームを形成します。半導体レーザーとファイバーレーザーのパワーを個別に設定可能です。

(a) ハイブリッド溶接光路の模式図	(b) 実験装置
図1 レーザー溶接装置

1.2溶接検査装置
溶接シームの微細構造は、金属顕微鏡モデル WYJ-4XBD を使用してテストおよび分析されました。これは、溶接シームの微細構造に対するさまざまなプロセス パラメータの影響を分析するために行われました。溶接シームの引張強度は、電子引張試験機モデル FR-103C を使用してテストされました。装置を図2(b)に示します。溶接線の引張強さPは、引張力Fを溶接線の面積Sで割ることで求められます。引張強度は各プロセス パラメータの下で 3 回テストされ、得られた平均引張強度が、このプロセス パラメータに対応する溶接シームの引張強度となります。引張機の引張速度は 1 mm/s に設定されます。溶接サンプルの溶接シーム接合部の微小硬度は、微小硬度試験機モデル HV-1000 で試験されます。実験荷重は 50g、荷重時間は 10 秒です。

2 実験プロセスと結果の分析
2.1 溶接部の外観と強度に及ぼす半導体レーザーの影響
何度も予備実験を行った結果、ファイバーレーザーのみで溶接（半導体レーザー出力を0W）した場合、ファイバーレーザー出力900W、溶接速度30mm/sであれば溶接シームは貫通するだけですが、図 3(a) に示すように、溶接速度やレーザー出力などのプロセス パラメーターを最適化する試みが継続的に行われています。 ファイバーレーザー溶接、溶接シームの内側にはまだ気孔が残っています。これは、紫銅の溶解プロセス中に、ファイバーレーザーが銅に大きな入熱と高温をもたらし、溶融池内の空気中の水素の溶解度が大幅に増加するためです。紫銅は熱伝導率が良いため、溶融池の冷却速度が非常に速いです。溶融池が急速に凝固すると、溶融池に溶解した水素が溶接シームから適時に消散せず、溶接シーム内に水素が残留し、シーム内に気孔が形成されます。溶接シームのこれらの内部細孔は、溶接継手の機械的特性に悪影響を及ぼします。

本品は半導体レーザーとファイバーレーザーを用いた複合溶接法を採用しています。ファイバーレーザーの出力は 900W で一定に維持され、溶接速度は 30mm/s に維持されます。溶接シームへの影響を分析するために、半導体レーザーの出力をそれぞれ 600W、800W、および 1000W に設定します。半導体レーザーの出力が 600W の場合、図 3(b) に示す溶接線には気孔が存在します。半導体レーザーの出力が 800W の場合、図 3(c) に示すように、溶接線内に気孔が存在します。溶接シーム内に気孔がありません。これは、半導体レーザーの焦点スポット径が0.8mmで、より広い加熱範囲をカバーできるためです。半導体レーザーは溶接シームの周囲を補助的に加熱し、溶融池の冷却速度を低下させます。これにより、溶融池に溶解した水素が溶接シームから蒸発するのに十分な時間がかかり、溶接シームに気孔が残りません。半導体レーザーの出力がさらに 1000 W に増加すると、溶接シームの外観は図 3 のようになります。 (d)、内部に大きな細孔があります。これは、半導体レーザーの出力が高すぎるため、全体的な熱入力が大きくなることが原因である可能性があります。これにより、銅内の低融点元素が剥離し、溶接シーム内に空洞が残ります。

溶接シームの引張強度は、引張試験機を使用してテストされ、ファイバーレーザー出力900W、溶接速度30mm/s、デフォーカス量0mmのパラメータを一定に保ち、溶接シームの引張強度に対する半導体レーザー出力の影響を調査し、その結果を図 4 に示します。半導体レーザー出力を 0W と 600W に設定した場合、溶接シームの引張強度に大きな変化はありません。これは、600W の電力は溶接シームの形態に大きな影響を与えないためです。パワー0W時と同様に溶接線内部に気孔が発生し、引張強度は160～161MPaになります。半導体レーザー出力を800Wに設定すると、溶接線の引張強度は238MPaと最高になります。銅母材の引張強さ（80MPa）の292％を達成。これは、半導体レーザー出力を50Wおよび0Wに設定した場合と比較して、引張強度が約600%増加することになります。半導体レーザー出力を1000Wに設定すると、溶接シームの引張強度は大幅に低下します。これは、半導体レーザーの出力が高すぎるため、低融点元素がアブレーションされ、溶接シームの引張強度が大幅に低下するために発生します。

図 4 さまざまな半導体レーザー出力における溶接継手の引張強度

2.2 溶接微細組織に対する半導体レーザーの影響
900 W の出力で、ファイバー レーザー溶接機は 30 mm/s の速度で動作し、焦点ぼけは 0 mm です。さまざまな半導体レーザー出力での溶融ゾーンの微細構造金属組織画像を図 5 に示します。半導体レーザー出力が 0W に設定されている場合、溶融ゾーンの微細構造は、図 5(a) に示すように細長いセル状結晶構造になります。 。半導体レーザーの出力を 600W と 800W に設定した場合の溶融ゾーンの微細構造をそれぞれ図 5(b) と図 5(c) に示します。半導体レーザーの出力が増加すると、細胞の結晶構造は徐々に粗くなります。これは、溶融部の温度勾配が比較的大きく、粒子が熱伝導方向に成長し、微細なセル状結晶構造を形成するためです。半導体レーザーの出力を1000Wに設定すると、溶融部の微細構造は次のようになります。図 5(d) では、より粗い α-Cu 構造に変化します。これは冷却速度が非常に遅いため、大きなα-Cu 粒子が形成されます。

900 W の出力で、ファイバー レーザー溶接機は 30 mm/s の速度で動作し、焦点ぼけは 0 mm です。さまざまな半導体レーザー出力における熱影響部の微細構造金属組織像を図 6 に示します。熱影響部の構造はすべてアニールされた α-Cu です。半導体レーザー出力が 0W および 600W に設定されている場合、結晶粒は図 6(a) と図 6(b) に示すように、熱影響部のサイズは大きく変わりません。これは、半導体レーザーの出力が比較的低く、溶接部の微細構造に目立った影響を与えないためです。半導体レーザーの出力を 800 W に設定すると、図に示すように、熱影響部の結晶粒が著しく拡大します。図6(c)に示す。図1000(d)に示すように、出力が6Wまで増加すると、平均結晶粒径は成長し続けます。これは、半導体レーザーの出力が増加するにつれて、溶融池の冷却速度が低下するためです。これにより、溶融池の再溶解および再結晶時間が延長されます。熱影響ゾーンに伝導される熱量と時間が増加し、このゾーンでの粒子成長時間が延長され、その結果、熱影響ゾーンの粒子サイズが増加します。

パワー900W、溶接速度30mm/s、ファイバーレーザーのデフォーカス量0mmで、さまざまな半導体レーザーパワー下での溶接部の中央領域の金属組織微細構造を図7に示します。レーザー出力はそれぞれ 0W、600W、800W に設定されています。溶接部の中心の微細構造の金属組織顕微鏡写真が図 7(a)、図 7(b)、および図 7(c) に示されています。等軸粒子構造では、半導体レーザーの出力が増加するにつれて、等軸粒子構造の量が徐々に増加します。これは、半導体レーザーの出力が増加すると溶接中心全体の温度が上昇し、等軸結晶粒組織が発達するのに十分な時間がかかるためです。半導体レーザーの出力がさらに 1000W に増加すると、溶接中心の微細構造が変化します。図 7(b) に示すように、溶接の中心は大きな α-Cu 粒子に移行します。これは溶接中心での温度勾配の減少によるもので、これにより溶接部の冷却速度が大幅に遅くなり、大きなα-Cu 粒子の形成が促進されます。

2.3 溶接部の機械的性質に対する半導体レーザーの影響
ファイバーレーザーの出力を 900W、溶接速度 30mm/s、デフォーカス量 0mm に設定した場合の、さまざまな半導体レーザー出力における微小硬度を図 8 に示します。半導体レーザーの出力が増加するにつれて、最大値は増加します。溶接部の硬さは徐々に低下します。これは、半導体レーザーの出力が増加すると、溶融池の冷却および固化時間が延長され、粒子が完全に成長できるようになるためです。粒子サイズが大きくなると、材料の微小硬度値が減少します。溶接領域から母材に向かう傾向は、最初に減少し、その後増加し、溶接部の中心領域で最大の微小硬度が観察されます。これは、粒子の微細化により硬度が増加するため、この領域に非常に小さな粒子が存在するためです。最小の微小硬度値は熱影響ゾーンで発生します。これは、熱影響部が熱伝導の方向にあるためです。温度勾配が小さいと粒子が比較的大きくなり、その結果微小硬度が低下します。

図 8 さまざまな半導体レーザー出力における溶接継手の微小硬度分布

3まとめ
従来に比べて レーザー溶接、銅の予熱や表面処理は必要ありません。ファイバーと半導体の複合レーザーを使用すると、銅を 1 ステップで溶接できるため、製造プロセスが短縮され、生産コストが節約されます。これは、実際の生産のための貴重な技術的参考資料となります。

溶接プロセス中、半導体レーザーは溶接部に補助加熱を提供し、出力が 800 W に設定されている場合、気孔のない溶接部に最高の引張強度をもたらします。半導体レーザーの出力は溶接部の微細構造に大きな影響を与えます。半導体レーザーの出力が増加するにつれて、溶融ゾーンの細胞結晶構造は徐々に粗くなります。熱影響部の粒子サイズが増加します。そして、溶接部の中心の等軸結晶構造の粒子サイズが増加します。粒子サイズが大きくなると、溶接部の微小硬度が低下します。