6063 アルミニウム合金のシングルモードファイバーレーザー溶接プロセス 日本

抽象:この作業は、最適な方法を研究することを目的としています。 レーザー溶接 パルスレーザによりスポット溶接された 6063 アルミニウム合金の張力が低く，実際のニーズを満たしていないことに鑑み，溶接スポットの張力を向上させるための 6063 アルミニウム合金のプロセススキームを提案した。の シングルモードファイバーレーザー 6063アルミニウム合金の溶接に使用され、単一パルスの代わりに極細線でスパイラルスポットが形成されました。 レーザースポット溶接。最適なパラメータを得るために、レーザー出力、溶接速度、デフォーカスに対して直交実験を実行しました。溶接部の外観と微細組織の分析により、溶接スポット張力が増加する理由を説明しました。レーザー出力が 70 W、溶接速度が 100 mm/s、デフォーカスが 0 のとき、スポットの張力は最大 65 N に達し、プロセスパラメータは最良でした。シングルモードレーザー溶接スポットの張力はパルスレーザー溶接スポットの 3 倍でした。シングルモードファイバースパイラルレーザーによる溶接では、レーザーエネルギーがスポット範囲に均一に分布し、パワー密度が大きいため、溶接面の幅が溶接底部とほぼ同じ幅の溶接形状が形成され、溶接が容易になります。溶接スポットの張力を向上させ、実際の生産における技術的な参考となります。

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アルミニウム合金材料は、軽量、高強度、加工や成形が容易、耐食性に優れているという利点があります。航空宇宙、ハードウェア、自動車などの業界で広く使用されています。科学技術の進歩に伴い、アルミニウム合金溶接の溶接品質と生産効率に対する要求はさらに高まっています。レーザー溶接は高エネルギーという利点があります。密度が高く、総入熱が低く、溶接後の変形が小さく、ワークと非接触であるため自動化が容易です。アルミニウム合金溶接において幅広い応用の可能性があります。
アルミニウム合金はレーザーに対する反射率が高いため、溶接するにはより高いレーザーエネルギーが必要です。また、アルミニウム合金中のMgやZnなどの低融点元素は焼き切れやすく、その結果溶接継手の強度が低下し、実用に影響を及ぼします。6063アルミニウム合金は高強度で耐摩擦性に優れており、幅広い用途を持つアルミニウム合金材料です。薄肉材料のスポット溶接には一般にNd:YAGレーザー光源が使用され、熱変形を軽減し、生産効率を向上させることができます。ただし、溶接スポットの引張強度は低いため、実際の製造要件を満たさない可能性があります。レーザー技術のさらなる発展に伴い、シングルモードファイバーレーザー技術はますます成熟しており、ビームの品質は向上しており、これは、溶接スポットの引張強度を向上させるのに非常に役立ちます。
この記事では、1000 W シングルモード ファイバー レーザーを使用してスパイラル ワイヤを溶接し、溶接スポットを形成します。プロセスパラメータを最適化することにより、溶接スポットの最大引張強度が達成されます。また、パルス レーザー スポット溶接による溶接点の引張強度とも比較され、実際のエンジニアリング用途に貴重な参考資料となります。

1 溶接実験

1.1マテリアル

材質はアルミニウム合金で、グレードは6061、厚さは0.5 mmです。材料の化学組成を表 1 に示します。材料を 200 mm x 100 mm の板に切り、アルコールと水で洗浄し、脇に置きます。溶接方法は重ね溶接で、溶接するワークは自作の治具を使って固定します。

表1 6061アルミニウム合金の化学組成(質量分率)%

1.2 機器

実験装置にはIPG製のシングルモードファイバーレーザーを使用しています。 溶接ファイバー直径は 0.14 μm、平均出力は 1000 W です。図 1a に示すように、実験プラットフォームは主にレーザー、コンピューター、光路システム、および制御システムで構成されています。レーザーは走査検流計によって反射されます。 F レンズを通して作業面に焦点を合わせます。ガルバノメーターはX/Yモーターの駆動により高速回転し、平面内に円、長方形、直線、螺旋などの様々な軌跡を描きます。Fレンズを通過後のスポットサイズは約0.28です。んん。光路システムの概略図を図 1b に示します。パルス レーザー スポット溶接では 500W Nd:YAG レーザーを使用します。source、最大8000Wのピーク電力を備えています。レーザー光が光路系で集光された後のスポットサイズは約0.4～1.0mmです。溶接シームの引張試験には、済南華興実験設備有限公司製の電子引張試験機（型式：WDH-10）を使用します。溶接の外観は金属顕微鏡で検査されます。ブランドは北京北星、モデル番号は XJB200 です。

図1 実験プラットフォーム

2 レーザー溶接プロセスの実験と結果

2.1 溶接グラフィックデザインと外観の比較

パルス レーザースポット溶接 溶接には 500 W Nd: YAG レーザーを使用します。 範囲要件は 0.6 ～ 0.8 mm。パルスの集束ビームサイズ レーザースポット溶接 ちょうど要件を満たしています。レーザーは材料に作用するパルスを放射し、 溶接箇所。溶接スポットの概略図を図 2a に示します。シングルモードファイバーレーザーの集光スポットはわずか 0.28 mm であるため、レーザー ビームはスパイラルを走行することによって溶接スポットを形成します。スパイラルの直径は 0.8 mm、そしてスパイラルは4回転します。各レーザー間にはある程度のレーザーの重なりがあります。 回転させて、直径 0.8 mm のレーザー溶接スポットを形成します。の概略図 溶接スポットを図 2b に示します。パルスレーザースポット溶接の外観は次のとおりです。 図 2c に示すように、スパイラルによって形成される溶接スポットの外観は次のとおりです。 図 2d に示します。 XNUMX つの溶接スポットのサイズはほぼ同じであり、 有意な差は視覚的に観察できます。

図2 溶接箇所の様子を示す図

2.2 プロセスパラメータの直交実験

パルスの主な処理パラメータ レーザースポット溶接 ピークレーザーを含む パワー、パルス幅、デフォーカス量。予備的なレーザー溶接プロセステストは、 0.5 mm 6061 アルミニウム合金で実施。ピークレーザーパワーが 2400 W の場合、 ピーク電力が比較的小さいため、溶接スポットが小さくなります 引っ張る力は3Nです。ピークレーザーパワーが 3600W、溶接面に飛沫あり 溶接部の引張力も4Nと低いです。 3 ms、溶接スポットの直径は小さくなり、引張力は 3 N と小さくなります。パルス幅が9msの場合、直径は 溶接スポットは0.9 mmです。 溶接範囲0.6～0.8mmを超えます。 0 では、大きいため 出力密度、溶接シームに飛び散りがあり、外観は問題ありません。 基準を満たしています。ただし、デフォーカスが 6 mm の場合、急激な落ち込みにより、出力密度、引張力 溶接点は 4 N と低くなります。これらの要因は表 2 に示されているとおりです。

表2 パルスレーザースポット溶接の要因とレベル

シングルモードファイバーレーザースパイラル溶接の主なプロセスパラメータは次のとおりです。 平均レーザーパワー、溶接速度、デフォーカス量、平均的なレーザーの場合 電力が 500 W の場合、溶接点の引張力は 4 N と低くなります。平均したときレーザー出力は 900 W、一部の材料の飛散、および部分の引張力 溶接点は また、3 N と低くなります。溶接速度が 90 mm/s の場合、蓄熱が多すぎます。 高いと材料が焼け、溶接点の引張力は 5 と低くなります。N;溶接速度が 170 mm/s の場合、蓄熱量は低くなり、 溶接幅と溶接深さが小さくなり、引張力が小さくなります 溶接点が低い場合、4 N;デフォーカス量が0の場合、パワー密度が高くなりスパッタが発生します。外観要件を満たすことができない溶接シーム;焦点がぼけるとき 出力密度の急激な低下により、張力は 6 mm になります。 溶接点は 4 N と低くなります。 因子と 3 つのレベルを表 XNUMX に示します。

表 3 シングルモードファイバーレーザースパイラル溶接の要因とレベル

パルスの3レベル直交実験 レーザースポット溶接 9つのセットが含まれます,ピークパワー3000W、パルス幅8ms、デフォーカス量の場合1mmの場合、溶接点の引張力は17Nでピークに達します,これらは 最適なプロセスパラメータとみなされます。ピークレーザーの係数について べき乗 (A) を使って 3 つの実験が行われました。 レベル1(A=2500W)、これら3点の溶接点の張力を合計します。 統計的合計 K1=35 を取得するための実験、レベル 2 が選択された場合、 溶接点の引張強さは統計合計 K2=46、レベルのとき 3が選ばれると、合計は 統計合計 K3=33、統計値 K が大きいほど、 そのレベルでの引張力、最高値は K2 です、これは、因子 A が レベル 2 (A = 3000 W) では、溶接点の引張強度が最大になります。同様に、他の溶接点の引張強さの統計値Kも 要因表 4 に示すように (パルス幅、デフォーカス) を求めることができます。範囲は次のように表されます。Rさんより、R 値が小さいほど、その係数が引張強さに与える影響は小さくなります。溶接点;逆に、R 値が大きいほど、その要因の影響が大きくなります。溶接点の引張強さについて。表4より、 要因であることがわかります溶接点の引張強度に影響を与えるものは、重要な順に次のとおりです。ピーク電力、パルス幅とデフォーカス。

Table.4 パルスレーザースポット溶接の直交実験結果

シングルモードファイバーレーザースパイラルラインの3要素3レベル直交実験 溶接は合計 9 つのグループで構成されます。平均電力が 3000 W の場合、溶接は 速度160mm/s、デフォーカス量1mm、溶接部の引張強度 点は、最適なプロセスパラメータである最高値 47 N に達します。

レーザー平均力率 G がレベル 1 (A=600 W) に設定されている場合、合計 3 つの実験グループが形成され、溶接点のこれら 3 つのグループの引張強度が合計されて統計 F1 = 98 が得られます。同様に、表に示すように、他の要素の引張強度値の統計を取得できます。5.このうち、Yは範囲値です。範囲値から、はんだ接合部のサイズに影響を与える要因は、一次から二次まで、デフォーカス、平均電力、溶接速度であることがわかります。

2.3 溶接部の外観と微細構造の解析

図3aは、パルスレーザースポット溶接の最適なプロセスパラメータの下でのスポット溶接の断面を示しています。溶接シーム表面の幅は広いですが、溶融深さが増加するにつれて、溶接シームの幅は減少します。上下 1 層間の溶接シームの幅は溶接点の表面幅の約 3/0.8 です。これは、パルス レーザーのエネルギーが主に 3 mm の光スポットの中心に分布しているためです。光スポットの端のエネルギーは低く、材料の表面を溶かすことしかできず、下方に浸透し続けることはできず、上部が広く、下部が狭い溶接シームが形成されます。図 0.28b は、その断面を示しています。シングルモードファイバーレーザースパイラル溶接の最適なプロセス条件下での溶接スポット。溶接シーム表面の幅はパルスレーザースポット溶接の幅とほぼ同等であり、溶融深さが増加しても、溶接スポットの大幅な減少はありません。溶接シームの幅。上下 XNUMX つの材料層間の溶接シームの幅は、溶接スポット表面の幅とほぼ同じです。これは、シングルモード ファイバー レーザー スパイラル溶接が使用される場合、シングルモードの集束スポットが形成されるためです。ファイバー レーザーは XNUMX mm で、レーザー エネルギーはスポット範囲内で均一に分散され、高い出力密度を持ちます。スパイラル ラインの最も外側の円では、レーザー エネルギーは材料を溶かすのに十分であり、溶接シーム表面の幅が溶接シーム底部とほぼ同じになる溶接シーム形状を形成します。引張試験中、主応力位置は、材料の上部と下部の XNUMX つの層の間の溶接シームの幅です。幅が大きいほど、溶接点の引張力は大きくなります。シングルモードファイバーレーザースパイラル溶接における上部と下部の XNUMX つの材料層の間の溶接シームの幅は、パルスレーザースポット溶接の幅の XNUMX 倍であるため、シングルモードファイバーレーザーの溶接点の引張強度は、ファイバーレーザースパイラル溶接もパルスレーザースポット溶接のXNUMX倍です。

Table.5 シングルモードスパイラル溶接の直交実験結果

図3 溶接箇所の断面図

図 4a は、6061 アルミニウム合金母材の金属組織を表しています。結晶粒のサイズが不均一で、形状が不規則で、結晶粒が比較的大きい、典型的な '-Al 構造です。図4bは、レーザーパルススポット溶接の最適なプロセスパラメータの下での溶接シーム中心の微細構造を示しています。アルミニウム合金の樹枝状構造が特徴です。 6061 アルミニウム合金の母材と比較して、結晶粒度は大幅に微細化されています。これは、レーザー パルス スポット溶接によるアルミニウム合金材料の急速加熱および急速冷却により、溶接シーム結晶粒が微細化されるためです。図 4c は、シングルモード ファイバー レーザー スパイラル溶接の最適なプロセス パラメーターの下での溶接シーム中心の微細構造を示しています。これはアルミニウム合金の樹枝状構造で表されます。レーザーパルススポット溶接の金属組織と比較した場合、結晶粒径に大きな違いはありません。

図4 溶接部の微細組織

3まとめ

6063 アルミニウム合金をパルス レーザー スポット溶接とシングル モード ファイバー レーザー スパイラル溶接法を使用して別々に重ね溶接し、直交最適化実験を実施しました。パルスレーザースポット溶接によって達成された溶接スポットの最大引っ張り強度は17Nに達しました。最適なプロセスパラメータは次のとおりです:パルスレーザースポット溶接の場合、ピーク出力は3000W、パルス幅は8ms、デフォーカス量は1mmです。シングルモードファイバーレーザースパイラル溶接によって達成された溶接スポットの最大引っ張り強度は 47 N に達しました。この方法の最適なプロセスパラメータは次のとおりです: 平均出力は 3000 W、溶接速度は 160 mm/s、デフォーカス量は 1んん。

パルス結果の現れ方 レーザースポット溶接 最適なプロセスパラメータの下でのシングルモードファイバーレーザースパイラル溶接はほぼ同一であり、大きな違いはありません。冶金学的構造と結晶粒度にも顕著な差異はありません。シングルモードファイバーレーザースパイラル溶接における材料の上層と下層の間の溶接シーム幅は、パルスレーザースポット溶接による溶接シームの幅の 3 倍です。したがって、シングルモードファイバーレーザースパイラル溶接による溶接スポットの引張強度も、パルスレーザースポット溶接の3倍になります。