6063 알루미늄 합금의 단일 모드 파이버 레이저 용접 공정

추상:이 작업은 최적의 연구를 목표로합니다. 레이저 용접 펄스 레이저로 점용접된 6063 알루미늄 합금의 장력이 낮고 실제 요구를 충족시키지 못한다는 점을 고려하여 용접 점의 장력을 개선하기 위한 6063 알루미늄 합금 공정 계획. 그만큼 단일 모드 광섬유 레이저 6063 알루미늄 합금을 용접하는 데 사용되었으며 나선형 스폿은 단일 펄스를 대체하기 위해 매우 가는 선으로 형성되었습니다. 레이저 점용접. 최적의 매개변수를 얻기 위해 레이저 출력, 용접 속도 및 디포커스에 대한 직교 실험을 수행했습니다. 용접부의 외관 및 미세구조 분석을 통해 용접점 장력이 증가하는 원인을 설명하였다. 레이저 출력이 70W, 용접 속도가 100mm/s, 디포커스가 0일 때 스폿의 장력은 최대 65N에 도달했으며 공정 매개변수는 최고였습니다. 단일 모드 레이저 용접점의 장력은 펄스 레이저 용접점의 장력의 3배였습니다. 단일 모드 광섬유 나선형 레이저를 사용한 용접에서는 레이저 에너지가 스폿 범위에 고르게 분포되고 출력 밀도가 커서 용접 표면 폭이 용접 바닥 폭과 거의 동일한 용접 형상을 형성하므로 용접에 도움이 됩니다. 용접점의 장력을 향상시키고 실제 생산을 위한 기술적인 참고자료를 제공합니다.

키워드:6063 알루미늄 합금; 단일 모드 광섬유 레이저; 레이저 용접; 긴장

알루미늄 합금 재료는 경량, 고강도, 가공 및 성형이 용이하고 내식성이 우수한 장점을 가지고 있습니다. 그들은 항공 우주, 하드웨어 및 자동차와 같은 산업에서 널리 사용되었습니다. 과학과 기술의 발전으로 알루미늄 합금 용접의 용접 품질과 생산 효율성에 대한 더 높은 요구 사항이 제시되었습니다. 레이저 용접은 높은 에너지의 장점을 가지고 있습니다. 밀도, 낮은 총 입열량, 용접 후 변형이 적고, 공작물과의 비접촉으로 자동화가 용이합니다. 알루미늄 합금 용접에 폭넓은 적용 가능성을 가지고 있습니다.
알루미늄 합금은 레이저에 대한 반사율이 높기 때문에 용접을 위해서는 더 높은 레이저 에너지가 필요합니다. 또한 알루미늄 합금의 Mg 및 Zn과 같은 저 융점 원소는 쉽게 연소되어 용접 조인트의 강도가 감소하여 실용에 영향을 미칩니다. 6063 알루미늄 합금은 강도가 높고 마찰 저항이 우수하며, 응용 범위가 넓은 알루미늄 합금 소재입니다. 얇은 재료는 일반적으로 스폿 용접에 Nd:YAG 레이저 소스를 사용하여 열 변형을 줄이고 생산 효율성을 향상시킬 수 있습니다. 그러나 용접점의 인장 강도가 낮아 실제 생산 요구 사항을 충족하지 못할 수 있습니다. 레이저 기술이 더욱 발전함에 따라 단일 모드 파이버 레이저 기술은 점점 성숙해지고 있으며 빔의 품질은 점점 좋아지고 있으며 이는 용접점의 인장강도를 향상시키는데 큰 도움이 됩니다.
이 기사에서는 1000W 단일 모드 광섬유 레이저를 사용하여 나선형 와이어를 용접하여 용접 지점을 형성합니다. 공정 매개변수를 최적화함으로써 용접 지점의 최대 인장 강도가 달성됩니다. 또한 펄스 레이저 스폿 용접의 용접점 인장 강도와 비교하여 실제 엔지니어링 응용 분야에 대한 귀중한 참고 자료를 제공합니다.

1 용접 실험

1.1 자료

재질은 6061 등급의 알루미늄 합금이며 두께는 0.5mm입니다. 재료의 화학적 조성은 표 1에 나와 있습니다. 재료를 200mm x 100mm 크기의 판으로 자르고 알코올과 물로 깨끗이 닦아 따로 보관해 둡니다. 용접 방법은 랩 용접이며 용접할 공작물은 수제 고정 장치를 사용하여 고정됩니다.

Tab.1알루미늄 합금의 화학적 조성(질량분율)%

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

1.2 장비

실험 장비는 IPG에서 생산한 단일 모드 광섬유 레이저를 사용합니다. 용접, 섬유 직경이 0.14 μm이고 평균 전력이 1000W입니다. 실험 플랫폼은 그림 1a와 같이 주로 레이저, 컴퓨터, 광학 경로 시스템 및 제어 시스템으로 구성됩니다. 레이저는 스캔 검류계에 의해 반사됩니다. F 렌즈를 통해 작업면에 초점이 맞춰집니다. 검류계는 x/y 모터의 구동에 따라 고속으로 회전하여 원, 직사각형, 직선, 나선형 등 평면에 다양한 궤적을 형성합니다. F 렌즈를 통과한 후 스폿 크기는 약 0.28입니다. mm. 광 경로 시스템의 개략도는 그림 1b에 나와 있습니다. 펄스 레이저 스폿 용접은 500W Nd:YAG 레이저를 사용합니다. , 최대 전력은 8000W입니다. 레이저 빔이 광경로 시스템에 의해 집속된 후 스폿 크기는 약 0.4~1.0mm입니다.용접 이음매의 인장 시험에는 Jinan Huaxing Experimental Equipment Co., Ltd.에서 생산한 전자 인장 시험기(모델: WDH-10)가 사용됩니다. 용접 외관은 금속 조직 현미경으로 테스트되었으며, 브랜드는 Beijing North Star이고 모델 번호는 XJB200입니다.

그림 1 실험 플랫폼

2 레이저 용접 공정 실험 및 결과

2.1 용접 그래픽 디자인 및 외관 비교

펄스 레이저 점용접 용접에는 500W Nd:YAG 레이저를 사용합니다. 0.6~0.8mm의 범위 요구 사항. 펄스의 집중된 빔 크기 레이저 점용접 요건 딱 충족합니다. 레이저는 재료에 작용하는 펄스를 방출하여 용접점. 용접 스폿의 개략도는 그림 2a에 나와 있습니다.단일 모드 광섬유 레이저의 초점이 0.28mm에 불과하기 때문에 레이저는 빔은 나선형을 움직여 용접 지점을 형성하며 나선형 직경은 0.8mm입니다.나선형에는 4개의 회전이 있습니다. 각 사이에는 어느 정도의 레이저 중첩이 있습니다. 회전하여 직경 0.8mm의 레이저 용접 지점을 형성합니다. 개략도 용접 스폿은 그림 2b에 나와 있습니다. 펄스 레이저 스폿 용접의 모양은 다음과 같습니다. 그림 2c에 도시된 바와 같이 나선형으로 형성된 용접점의 모습은 다음과 같다. 그림 2d에 나와 있습니다. 두 용접점의 크기는 거의 동일하며, 육안으로 확연한 차이를 확인할 수 있습니다.

그림 2 용접점의 다이어그램 및 모양

2.2 공정변수의 직교실험

펄스의 주요 처리 매개변수 레이저 점용접 피크 레이저 포함 전력, 펄스 폭 및 초점 흐림 정도. 예비 레이저 용접 공정 테스트는 다음과 같습니다. 0.5mm 6061 알루미늄 합금에서 수행되었습니다. 피크 레이저 출력이 2400W일 때, 피크 전력이 상대적으로 작아서 용접 지점이 작아집니다. 당기는 힘은 3N.피크 레이저 출력이 다음과 같을 때 3600W, 용접 표면에 튀는 현상이 있습니다. 솔기와 용접 지점의 인장력도 4N으로 낮습니다. 펄스 폭이 3ms에서는 용접점의 직경이 더 작고 3N에서 인장력도 더 작습니다.펄스 폭이 9ms일 때의 직경은 용접 지점은 0.9mm입니다. 0.6~0.8mm의 용접 범위를 초과합니다. 초점이 흐려질 때 0에서는 크기가 크기 때문에 출력 밀도가 낮고 용접 이음새에 튀는 현상이 있으며 외관이 좋지 않습니다. 표준을 충족하십시오. 그러나 디포커스가 6mm일 때, 급격한 초점 감소로 인해전력 밀도, 인장력 용접점은 4N으로 더 낮습니다. 세 가지 수준의이러한 요소는 표 2에 설명되어 있습니다.

Tab.2 펄스 레이저 스폿 용접의 요소 및 수준

번호	인자
	A 피크 전력/W	B 펄스 폭/ms	C 디포커스 양/mm
1	2500	4	1
2	3000	6	3
3	3500	8	5

단일 모드 광섬유 레이저 나선형 용접의 주요 공정 매개변수는 다음과 같습니다. 평균 레이저 출력, 용접 속도 및 초점 흐림 정도,평균 레이저 일 때 전력은 500W이고 용접 지점의 인장력은 4N에서 더 낮습니다.평균일 때레이저 출력은 900W이고 일부 재료가 튄 자국이 있으며 인장력은 용접점은 또한 3N에서 더 낮습니다. 용접 속도가 90mm/s일 때 열 축적이 너무 큽니다. 높으면 재료가 연소되고 용접점의 인장력은 5로 낮아집니다.N;용접 속도가 170 ​​mm/s일 때 열 축적은 더 낮습니다. 용접 폭과 깊이가 더 작고 인장력이 작습니다. 용접점이 더 낮을 때,4 N; 디포커싱 양이 0이면 출력 밀도가 높아져 스패터가 발생합니다.외관 요구 사항을 충족할 수 없는 용접 이음새, 초점이 흐려질 때 양은 6 mm이며, 전력 밀도의 급격한 감소로 인해 인장력이 용접점은 4N으로 더 낮습니다. 요인과 세 가지 수준이 표 3에 나와 있습니다.

Tab.3 단일 모드 파이버 레이저 나선형 용접의 요소 및 수준

번호	인자
	D 평균 전력/W	E 용접속도/(mm·s-1)	C 디포커스 양/mm
1	600	100	1
2	700	130	3
3	800	160	5

펄스의 3단계 직교 실험 레이저 점용접 9개 세트 포함,피크 전력이 3000W일 때 펄스 폭은 8ms이고 초점 흐림 양은1mm이면 용접점의 인장력은 17N에서 최고점에 도달합니다.,이것들은 최적의 공정 매개변수로 간주됩니다.피크 레이저의 요인 전력(A)에 대해 세 가지 실험이 수행되었습니다. 레벨 1(A=2500W),이 3개 용접점의 인장력을 합산합니다. 통계적 총합 K1=35를 얻기 위한 실험,레벨 2를 선택하면 용접점의 인장강도는 통계적 총합 K2=46이고,레벨일 때 3이 선택되었고,그 합계는 통계적 합계 K3=33,통계값 K가 클수록 그 수준의 인장력,가장 높은 값은 K2입니다.,이는 요인 A가 레벨 2(A = 3000W)에서 용접 지점의 인장 강도가 가장 큽니다.마찬가지로, 다른 용접점의 인장강도에 대한 통계값 K 요인(펄스 폭, 초점 흐림)은 표 4와 같이 얻을 수 있습니다. 범위는 다음과 같습니다.R에 의해,R 값이 작을수록 해당 요소가 인장 강도에 미치는 영향이 줄어듭니다.용접점;반대로 R 값이 클수록 해당 요인의 영향도 커집니다.용접점의 인장강도에 대해 표 4에서 요인이라는 것을 알 수 있다용접점의 인장 강도에 영향을 미치는 것은 중요도 순으로 다음과 같습니다: 피크 출력,펄스 폭 및 초점 흐림.

Tab.4 펄스 레이저 스폿 용접의 직교 실험 결과

번호	A 피크 전력/W	B펄스 폭/ms	C디 포커스양/mm	솔더 조인트 장력/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

단일 모드 광섬유 레이저 나선형 선의 3단계, 3단계 직교 실험 용접은 총 9개 그룹으로 구성됩니다. 평균 출력이 3000W일 때 용접은 속도는 160mm/s이고 디포커스 양은 용접의 인장 강도인 1mm입니다. 포인트는 최적의 공정 매개변수인 47N의 가장 높은 값에 도달합니다.

레이저 평균 역률 G를 레벨 1(A=600W)로 설정하면 총 3개의 실험 그룹이 구성되고, 이들 3개 그룹의 용접 지점의 인장 강도를 합산하여 통계 F1=98을 얻습니다. , 다른 요인의 인장 강도 값에 대한 통계는 표에 표시된 것처럼 얻을 수 있습니다5.그 중 Y는 범위 값입니다. 범위 값을 보면 솔더 조인트의 크기에 영향을 미치는 요인은 XNUMX차부터 XNUMX차까지 디포커스, 평균 출력, 용접 속도임을 알 수 있다.

2.3 용접 외관 및 미세구조 분석

그림 3a는 펄스 레이저 스폿 용접을 위한 최적의 공정 변수 하에서 스폿 용접의 단면을 보여줍니다. 용접 이음새 표면의 폭은 크지만 융합 깊이가 증가함에 따라 용접 이음새의 폭은 감소합니다. 상단과 하단 두 레이어 사이의 용접 이음새 폭은 용접 지점 표면 폭의 약 1/3입니다. 이는 펄스 레이저의 에너지가 주로 0.8mm 광점의 중심에 분포되기 때문입니다. 광점 가장자리의 에너지는 더 낮아서 재료 표면만 녹일 수 있고 아래쪽으로 계속 침투할 수 없어 상단이 넓고 하단이 좁은 용접 이음새를 형성합니다. 그림 3b는 단면을 보여줍니다. 용접 이음새 표면의 폭이 펄스 레이저 점용접의 폭과 거의 동일한 단일 모드 파이버 레이저 나선형 용접을 위한 최적의 공정 조건에서 용접 지점은 용융 깊이가 증가함에 따라 크게 감소하지 않습니다. 용접 이음새의 너비. 재료의 상부 및 하부 두 층 사이의 용접 이음새의 폭은 용접 지점 표면의 폭과 거의 동일합니다. 이는 단일 모드 광섬유 레이저 나선형 용접을 사용할 때 단일 모드의 초점이 맞춰진 지점이기 때문입니다. 파이버 레이저는 0.28mm이며 레이저 에너지는 스폿 범위 내에서 고르게 분포되며 높은 출력 밀도를 갖습니다. 나선형 선의 가장 바깥쪽 원에서 레이저 에너지는 재료를 녹일 만큼 충분하여 용접 이음새 표면의 너비가 용접 이음매 바닥과 거의 같은 용접 이음새 모양을 형성합니다. 인장 시험 중에 주요 응력 위치는 재료의 상부 및 하부 두 층 사이의 용접 이음새의 너비입니다. 폭이 클수록 용접점의 인장력이 커집니다. 단일 모드 파이버 레이저 나선형 용접에서 재료의 상부와 하부 두 층 사이의 용접 이음새 폭은 펄스 레이저 스폿 용접 폭의 XNUMX배이므로 단일 모드 용접점의 인장 강도 파이버 레이저 나선형 용접은 펄스 레이저 스폿 용접의 XNUMX배입니다.

Tab.5 단일 모드 나선형 용접의 직교 실험 결과

번호	D 평균 전력/W	E 용접속도/(mm·s-1)	F 디포커스양/mm	솔더 조인트 장력/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

그림 3 용접점 단면

그림 4a는 6061 알루미늄 합금 모재의 금속 조직을 나타냅니다. 결정립 크기가 불균일하고, 모양이 불규칙하며, 결정립이 상대적으로 큰 것이 전형적인 '-Al 구조이다.그림 4b는 레이저 펄스 스폿 용접의 최적 공정 매개변수 하에서 용접 심 중심의 미세 구조를 보여줍니다. 알루미늄 합금 수지상 구조가 특징입니다. 입자 크기는 6061 알루미늄 합금의 모재에 비해 상당히 개선되었습니다. 이는 레이저 펄스 스폿 용접에 의한 알루미늄 합금 재료의 급속 가열 및 급속 냉각으로 인해 용접 이음매 입자가 미세화됩니다. 그림 4c는 단일 모드 광섬유 레이저 나선형 용접을 위한 최적의 공정 매개변수 하에서 용접 심 중심의 미세 구조를 보여줍니다. 이는 알루미늄 합금 수지상 구조로 표현됩니다. 레이저 펄스 스폿 용접의 금속 조직과 비교할 때 입자 크기는 큰 차이를 보이지 않습니다.

그림 4 용접점의 미세구조

3 결론

6063 알루미늄 합금을 펄스 레이저 점용접과 단일 모드 파이버 레이저 나선형 용접 방식을 이용하여 별도로 랩 용접하고 직교 최적화 실험을 수행하였다. 펄스 레이저 스폿 용접으로 얻은 용접 스폿의 최대 인장 강도는 17N에 도달했으며 최적의 공정 매개변수는 다음과 같습니다. 펄스 레이저 스폿 용접의 경우 피크 전력은 3000W, 펄스 폭은 8ms, 디포커스 양은 1mm입니다. 단일 모드 파이버 레이저 나선형 용접으로 얻은 용접 지점의 최대 인장 강도는 47N에 도달했습니다. 이 방법의 최적 공정 매개변수는 다음과 같습니다: 평균 전력은 3000W, 용접 속도는 160mm/s, 디포커스 양은 1입니다. mm.

펄스 결과의 모습 레이저 점용접 최적의 공정 매개변수 하에서 단일 모드 파이버 레이저 나선형 용접은 거의 동일하며 큰 차이가 없습니다. 금속 구조와 입자 크기에도 눈에 띄는 차이가 없습니다. 단일 모드 파이버 레이저 나선형 용접에서 재료의 상단과 하단 층 사이의 용접 이음매 폭은 펄스 레이저 점용접의 용접 이음매 폭의 3배입니다. 따라서 단일 모드 파이버 레이저 나선형 용접의 용접 스폿 인장 강도도 펄스 레이저 스폿 용접의 3배입니다.