다이오드 및 파이버 레이저 복합 용접이 구리의 미세 구조 및 특성에 미치는 영향 대한민국

0 서문
적동은 우수한 연성, 높은 열 전도성 및 전기 전도성을 가지며 항공 우주, 해양 공학, 케이블 및 전기 및 전자 부품에 널리 사용됩니다. 텅스텐 불활성 가스 용접과 같은 전통적인 적동 용접 방법은 열 입력이 높고 포스트가 큽니다. - 더 이상 현대 생산 요구 사항을 충족할 수 없는 용접 변형 및 보기 흉한 용접 이음새.

레이저 용접은 전체 열 입력이 적기 때문에 용접 후 변형이 크고 외관이 불량한 문제를 크게 개선할 수 있습니다. 레이저 용접 기술은 최근 몇 년 동안 빠르게 발전했습니다. 구리 표면의 근적외선 파장 레이저의 낮은 흡수율(일반적으로 약 4%)로 인해 대부분의 레이저 에너지가 반사됩니다. 구리를 용접하려면 높은 에너지 입력이 필요하므로 용접 안정성이 저하될 수 있습니다. 적동의 용융 과정에서 용접 이음새에 기공이 쉽게 형성되어 용접 조인트의 기계적 특성에 영향을 미칩니다. 큰 열 입력은 입자 크기의 급격한 증가로 이어지며 이는 또한 용접 조인트의 성능에 부정적인 영향을 미칩니다.

새로운 반도체 및 섬유 레이저 복합 용접 기술은 적동 레이저 용접 실험에 사용됩니다. 용접 접합 형성에 대한 공정 매개변수의 영향을 분석하여 실제 생산에 대한 기술적인 참고 자료를 제공합니다.

1 용접 실험
1.1 용접 재료 및 용접 장비
실험재료는 적동이며, 두께 1.0mm, 길이×가로 100mm×50mm이다. 용접방법은 접합이다. 용접할 재료를 수제 고정 장치로 고정하여 용접 중 변형을 줄입니다. 용접.

적동 용접에는 반도체 레이저와 파이버 레이저의 복합 레이저가 사용됩니다. 반도체 레이저의 파장은 976nm, 최대 출력은 1000W, 파이버 코어 직경은 400미크론입니다. 파이버 레이저의 파장은 1070nm, 최대 레이저 출력은 1000W, 파이버 코어 직경은 50미크론입니다. . 두 가지 유형의 레이저는 용접 헤드를 통해 결합되며 초점 거리가 100mm인 용접 헤드의 콜리메이션 렌즈와 초점 거리가 200mm인 포커싱 렌즈가 있으며, 광 경로는 그림 1(a)에 나와 있습니다. 레이저 초점에서 용접 헤드를 통과한 후 반도체 레이저의 스폿 직경은 약 0.8mm입니다. 스폿 크기가 크기 때문에 용접 이음새 주위에 보조 가열을 제공할 수 있습니다. 초점에서 파이버 레이저의 스폿 직경은 약 0.1mm이고 출력 밀도는 작습니다(전력 밀도 = 레이저 출력/스폿 면적; 더 작을수록). 스폿 직경이 클수록 전력 밀도가 커집니다.) 이는 더 높은 온도를 생성하여 구리 재료의 용접을 달성할 수 있습니다. 본문에 언급된 모든 실험은 용접용 반도체 레이저와 파이버 레이저의 초점에서 수행되었습니다. 레이저 복합 용접 실험 플랫폼은 그림 1(b)에 나와 있습니다. 주로 반도체 레이저, 파이버 레이저, 용접 헤드, 산업용 제어 컴퓨터 및 X/Y 모듈로 구성됩니다. 이 설정에서는 X/Y 모듈로 구동되는 용접 헤드가 트랙 용접을 수행하여 용접 이음새를 형성합니다. 반도체 레이저와 파이버 레이저의 출력은 별도로 설정할 수 있습니다.

(a) 하이브리드 용접 광로의 개략도	(b) 실험장비
그림 1 레이저 용접 장비

1.2용접검사장비
용접 이음매 미세 구조는 금속 조직 현미경 모델 WYJ-4XBD를 사용하여 테스트 및 분석되었습니다. 이는 용접 이음매 미세 구조에 대한 다양한 공정 매개변수의 영향을 분석하기 위해 수행되었습니다. 용접 이음매의 인장 강도는 전자 인장 기계 모델 FR-103C를 사용하여 테스트되었습니다. 장비는 그림 2(b)에 나와 있습니다. 용접 이음매의 인장 강도 P는 인장력 F를 용접 이음매의 면적 S로 나누어 구합니다. 인장 강도는 각 공정 매개변수에 따라 3회 테스트되었으며, 얻은 평균 인장 강도는 이 공정 매개변수에 해당하는 용접 이음매의 인장 강도입니다. 인장 기계의 연신 속도는 1mm/s로 설정됩니다. 용접 샘플의 용접 이음매 접합부의 미세 경도는 미세 경도 시험기 모델 HV-1000을 사용하여 테스트됩니다. 실험 하중은 50g이고 로딩 시간은 10초입니다.

2 실험 과정 및 결과 분석
2.1 반도체 레이저가 용접의 모양과 강도에 미치는 영향
수많은 사전 실험 끝에 파이버 레이저만을 용접에 사용할 경우(반도체 레이저 파워를 0W로 설정) 파이버 레이저의 파워가 900W이고 용접 속도가 30mm/s라면 용접 이음매가 그냥 관통되지만 용접 이음매 내부에 기공이 형성되기 쉽습니다. 그림 3(a)에서 볼 수 있듯이 용접 속도 및 레이저 출력과 같은 공정 매개변수를 최적화하려는 지속적인 시도가 있습니다. 섬유 레이저 용접, 용접 이음새 내부에는 여전히 기공이 있습니다. 이는 보라색 구리의 용융 과정에서 파이버 레이저가 구리에 큰 열 입력과 고온을 가지기 때문에 용융 풀의 공기 중 수소 용해도가 크게 증가하기 때문입니다. 동시에 보라색 구리의 좋은 열 전도성, 용융 풀의 냉각 속도가 매우 빠릅니다. 용융 풀의 빠른 응고로 인해 용융 풀에 용해된 수소가 제때에 용접 이음매에서 소멸되지 않아 용접 이음매 내부에 잔류 수소가 발생하고 이음매에 기공이 형성됩니다. 용접 이음새의 이러한 내부 기공은 용접 조인트의 기계적 특성에 부정적인 영향을 미칩니다.

이 제품은 반도체 레이저와 파이버 레이저를 이용한 복합 용접 방식을 사용합니다. 파이버 레이저의 출력은 900W, 용접 속도는 30mm/s로 일정하게 유지됩니다. 용접심에 미치는 영향을 분석하기 위해 반도체 레이저의 출력을 각각 600W, 800W, 1000W로 설정했습니다. 반도체 레이저의 파워가 600W일 때, 그림 3(b)에 보이는 용접 이음새에는 용접 이음새 내부에 기공이 존재합니다. 반도체 레이저의 파워가 800W일 때, 그림 3(c)에 보이는 것처럼, 용접 이음새 내에 기공이 없습니다. 이는 반도체 레이저의 초점 직경이 0.8mm로 더 넓은 가열 범위를 커버하기 때문입니다. 반도체 레이저는 용접 이음매 주위에 보조 가열을 제공하여 용융 풀의 냉각 속도를 감소시킵니다. 이를 통해 용융 풀에 용해된 수소가 용접 이음매에서 증발할 수 있는 충분한 시간을 허용하여 용접 이음매에 잔류 기공이 남지 않습니다. 반도체 레이저 출력을 1000W로 더 높이면 용접 이음매의 모양이 그림 3과 같습니다. (d) 내부에 더 큰 기공이 있습니다. 이는 반도체 레이저의 출력이 지나치게 높기 때문에 전체 열 입력이 더 커지기 때문일 수 있습니다. 이로 인해 구리 내의 저융점 요소가 제거되고 용접 이음새 내에 공동이 남게 됩니다.

용접 이음매의 인장 강도는 인장 시험기를 사용하여 테스트합니다. 파이버 레이저 출력의 매개변수를 900W로 설정하고 용접 속도를 30mm/s로, 디포커스 양을 0mm로 일정하게 유지한 상태에서 반도체 레이저 출력이 용접 이음새의 인장 강도에 미치는 영향을 조사한 결과는 그림 4에 나와 있습니다. 반도체 레이저 출력을 0W와 600W로 설정하면 용접 이음새의 인장 강도에는 큰 변화가 없습니다. 이는 600W의 전력이 용접 이음새의 형태에 큰 영향을 미치지 않기 때문입니다. 출력이 0W일 때와 유사하게 용접심 내부에 기공이 생성되어 인장강도가 160~161MPa 사이가 됩니다. 반도체 레이저 출력을 800W로 설정하면 용접심의 인장강도가 238MPa로 최고에 달합니다. , 구리 모재 인장강도(80MPa)의 292% 달성. 이는 반도체 레이저 출력을 50W와 0W로 설정한 경우에 비해 인장강도가 약 600% 증가한 것을 의미하며, 반도체 레이저 출력을 1000W로 설정하면 용접심의 인장강도가 급격하게 감소한다. 이는 반도체 레이저 출력이 너무 높아서 저융점 요소가 제거되어 용접 이음새의 인장 강도가 급격히 감소하기 때문에 발생합니다.

그림 4 다양한 반도체 레이저 출력에서 ​​용접 조인트의 인장 강도

2.2 반도체 레이저가 용접 미세구조에 미치는 영향
900W의 출력을 갖춘 파이버 레이저 용접기는 30mm/s의 속도로 작동하며 초점 흐림은 0mm입니다. 서로 다른 반도체 레이저 출력에서 ​​융합 영역의 미세 구조 금속 조직 이미지가 그림 5에 나와 있습니다. 반도체 레이저 출력이 0W로 설정되면 그림 5(a)에 표시된 것처럼 융합 영역의 미세 구조가 가느다란 세포 결정 구조입니다. . 반도체 레이저 출력을 600W와 800W로 설정했을 때 융합 영역의 미세 구조는 각각 그림 5(b)와 그림 5(c)에 나와 있습니다. 반도체 레이저 출력이 증가함에 따라 세포 결정 구조는 점차 거칠어집니다. 이는 융합부의 온도 구배가 상대적으로 크기 때문에 입자가 열전도 방향으로 성장하여 미세한 세포 결정 구조를 형성하기 때문입니다. 반도체 레이저 출력을 1000W로 설정하면 융합부의 미세 구조가 그림과 같이 나타납니다. 그림 5(d)는 훨씬 더 거친 α-Cu 구조로 변환됩니다. 이는 냉각 속도가 매우 느리기 때문에 큰 α-Cu 입자가 형성되기 때문입니다.

900W의 출력을 갖춘 파이버 레이저 용접기는 30mm/s의 속도로 작동하며 초점 흐림은 0mm입니다. 다양한 반도체 레이저 출력에서 ​​열 영향을 받는 구역의 미세 구조 금속 조직 이미지가 그림 6에 나와 있습니다. 열 영향을 받는 구역의 구조는 모두 α-Cu로 어닐링됩니다. 반도체 레이저 출력이 0W 및 600W로 설정되면 입자가 결정됩니다. 그림 6(a) 및 그림 6(b)에 표시된 것처럼 열 영향 구역의 크기는 크게 변하지 않습니다. 이는 반도체 레이저의 출력이 상대적으로 낮기 때문에 용접의 미세 구조에 눈에 띄는 영향을 주지 않습니다. 반도체 레이저 출력을 800W로 설정하면 그림과 같이 열 영향부의 입자가 눈에 띄게 커집니다. 그림 6(c)에서. 전력이 1000W로 증가하면 그림 6(d)에 표시된 것처럼 평균 입자 크기가 계속 커집니다. 이는 반도체 레이저의 전력이 증가함에 따라 용융 풀의 냉각 속도가 감소하기 때문입니다. 이로 인해 용융 풀의 재용해 및 재결정 시간이 연장됩니다. 열영향부에 전도되는 열량과 시간이 증가하여, 이 영역의 결정립 성장 시간이 길어지고, 이는 결과적으로 열영향부 결정립 크기의 증가로 이어진다.

파이버 레이저의 출력 900W, 용접 속도 30mm/s, 디포커스 양 0mm를 사용하여 서로 다른 반도체 레이저 출력에서 ​​용접 중앙 영역의 금속 조직 미세 구조를 그림 7에 표시합니다. 레이저 출력은 각각 0W, 600W, 800W로 설정되었으며, 용접 중앙 미세 구조의 금속 현미경 사진은 이에 따라 그림 7(a), 그림 7(b) 및 그림 7(c)에 표시되어 있습니다. 등축 결정 구조는 반도체 레이저의 출력이 증가함에 따라 등축 결정 구조의 양이 점차 증가합니다. 이는 반도체 레이저의 출력을 높이면 용접 중심의 전체 온도가 상승하여 등축 결정립 구조가 발달할 수 있는 충분한 시간을 제공하기 때문입니다. 반도체 레이저의 출력을 1000W로 더 높이면 미세 조직이 그림 7(b)에 표시된 것처럼 용접 중심이 큰 α-Cu 입자로 전환됩니다. 이는 용접 중심의 온도 구배가 감소하여 용접의 냉각 속도가 크게 느려지고 큰 α-Cu 결정립의 형성이 촉진되기 때문입니다.

2.3 반도체 레이저가 용접의 기계적 특성에 미치는 영향
파이버 레이저 출력을 900W, 용접 속도 30mm/s, 디포커싱 양 0mm로 설정한 경우 반도체 레이저 출력에 따른 미세 경도는 그림 8에 나와 있습니다. 반도체 레이저의 출력이 증가할수록 최대 경도는 용접의 경도가 점차 감소합니다. 이는 반도체 레이저 출력의 증가로 인해 용융 풀의 냉각 및 응고 시간이 연장되어 입자가 완전히 성장할 수 있기 때문입니다. 입자 크기가 클수록 재료의 미세 경도 값이 감소합니다. 용접 영역에서 모재 쪽으로 향하는 경향은 초기 감소 후 증가를 나타내며, 용접 중앙 영역에서 최대 미세 경도가 관찰됩니다. 이는 결정립 미세화로 인해 경도가 증가함에 따라 이 영역에 매우 작은 결정립이 존재하기 때문입니다. 최소 마이크로 경도 값은 열 영향 구역에서 발생합니다. 이는 열 영향부가 열 전도 방향에 있기 때문입니다. 작은 온도 구배는 상대적으로 더 큰 입자로 이어지며 결과적으로 미세경도가 감소합니다.

그림 8 다양한 반도체 레이저 출력에서 ​​용접 조인트의 미세 경도 분포

3 결론
기존에 비해 레이저 용접, 구리의 예열이나 표면 처리가 필요하지 않습니다. 섬유 및 반도체 복합 레이저를 사용하면 구리를 한 단계로 용접할 수 있어 제조 공정이 단축되고 생산 비용이 절감됩니다. 이는 실제 생산을 위한 귀중한 기술 참조를 제공합니다.

용접 공정 중 반도체 레이저는 용접부에 보조 가열을 제공하여 출력이 800W로 설정되면 기공이 없는 용접에서 가장 높은 인장 강도를 생성합니다. 반도체 레이저의 출력은 용접의 미세 구조에 큰 영향을 미칩니다. 반도체 레이저의 출력이 증가함에 따라 융합 영역의 세포 결정 구조는 점차 거칠어집니다. 열 영향부의 입자 크기가 증가합니다. 용접 중앙의 등축 결정 구조는 입자 크기가 증가합니다. 입자 크기가 클수록 용접의 미세 경도가 감소합니다.