Effect van diode- en fiberlasercomposietlassen op de microstructuur en eigenschappen van koper Nederland

0 Voorwoord
Rood koper heeft een goede ductiliteit, hoge thermische geleidbaarheid en elektrische geleidbaarheid en wordt veel gebruikt in de lucht- en ruimtevaart, scheepsbouw, kabels en elektrische en elektronische componenten. Traditionele roodkoperlasmethoden zoals lassen met inert gas met wolfraam hebben een hoge warmte-inbreng, grote post -lasvervorming en lelijke lasnaden, die niet langer kunnen voldoen aan de eisen van de moderne productie.

Laserlassen heeft over het algemeen minder warmte-inbreng, wat de problemen van grote vervormingen na het lassen en een slecht uiterlijk aanzienlijk kan verbeteren. De laserlastechnologie heeft zich de afgelopen jaren snel ontwikkeld. Vanwege de lage absorptiesnelheid van lasers met nabij-infraroodgolflengte op het koperoppervlak, doorgaans slechts ongeveer 4%, wordt het grootste deel van de laserenergie weggereflecteerd. Er is een hoge energie-input nodig om koper te lassen, wat kan leiden tot een slechte lasstabiliteit. Tijdens het smeltproces van rood koper worden gemakkelijk poriën gevormd bij de lasnaad, wat de mechanische eigenschappen van de lasverbinding beïnvloedt. Bij het lassen van rood koper worden de grote warmte-inbreng leidt tot een drastische toename van de korrelgrootte, wat ook de prestaties van de lasverbinding negatief beïnvloedt;

In het experiment wordt gebruik gemaakt van de nieuwe halfgeleider- en fiberlasercomposietlastechnologie om rood koper te laserlassen. De invloed van procesparameters op de vorming van de lasnaad wordt geanalyseerd om technische referenties voor de daadwerkelijke productie te verschaffen.

1 Lasexperiment
1.1 Te lassen materialen en lasapparatuur
Het experimentele materiaal is rood koper, met een dikte van 1.0 mm, lengte x breedte van 100 mm x 50 mm. De lasmethode is lassen. Het te lassen materiaal wordt vastgeklemd met een zelfgemaakt armatuur om vervorming tijdens het lassen te verminderen lassen.

Voor het lassen van rood koper wordt gebruik gemaakt van een composietlaser van een halfgeleiderlaser en een fiberlaser. De golflengte van de halfgeleiderlaser is 976 nm, het maximale vermogen is 1000 W en de kerndiameter van de vezel is 400 micron. De vezellaser heeft een golflengte van 1070 nm, een maximaal laservermogen van 1000 W en een vezelkerndiameter van 50 micron . De twee soorten lasers worden gecombineerd via een laskop, waarbij de collimatielens van de laskop een brandpuntsafstand van 100 mm heeft en de focusseringslens een brandpuntsafstand van 200 mm. Het optische pad wordt weergegeven in figuur 1 (a), de De puntdiameter van de halfgeleiderlaser na passage door de laskop bij de laserfocus bedraagt ​​ongeveer 0.8 mm. Vanwege de grote puntgrootte kan deze voor extra verwarming rond de lasnaad zorgen. De puntdiameter van de fiberlaser in het brandpunt is ongeveer 0.1 mm en de vermogensdichtheid is klein (vermogensdichtheid = laservermogen/puntoppervlak; hoe kleiner de spotdiameter, hoe groter de vermogensdichtheid). Dit kan hogere temperaturen genereren, waardoor het lassen van kopermaterialen wordt bereikt. Alle experimenten die in de tekst worden genoemd, zijn uitgevoerd op de brandpunten van halfgeleiderlasers en fiberlasers voor lassen. Het experimentele platform voor lasercomposietlassen wordt weergegeven in figuur 1 (b). Het bestaat hoofdzakelijk uit een halfgeleiderlaser, een fiberlaser, een laskop, een industriële besturingscomputer en een X/Y-module. In deze opstelling zorgt de laskop, aangedreven door de X/Y-module, voor spoorlassen om een ​​lasnaad te vormen. Het vermogen van de halfgeleiderlaser en fiberlaser kan afzonderlijk worden ingesteld.

(a) Schematisch diagram van het optische pad voor hybride lassen	(b) Experimentele apparatuur
Figuur 1 Laserlasapparatuur

1.2 Lasinspectieapparatuur
De microstructuur van de lasnaad werd getest en geanalyseerd met behulp van een metallografische microscoop, model WYJ-4XBD. Dit werd gedaan om de effecten van verschillende procesparameters op de microstructuur van de lasnaad te analyseren. De treksterkte van de lasnaad werd getest met behulp van een elektronische trekmachine, model FR-103C. De uitrusting wordt getoond in figuur 2(b). De treksterkte P van de lasnaad wordt verkregen door de trekkracht F te delen door het gebied S van de lasnaad. Onder elke procesparameter wordt de treksterkte 3 keer getest en de gemiddelde verkregen treksterkte is de treksterkte van de lasnaad die overeenkomt met deze procesparameter. De reksnelheid van de trekmachine is ingesteld op 1 mm/s. De microhardheid van de lasnaadverbinding van het lasmonster wordt getest met een microhardheidstester, model HV-1000. De experimentele belasting is 50 g en de laadtijd is 10 seconden.

2 Experimentele proces- en resultaatanalyse
2.1 Effect van halfgeleiderlaser op het uiterlijk en de sterkte van lassen
Na talrijke voorbereidende experimenten, bij gebruik van alleen een fiberlaser voor het lassen (met het halfgeleiderlaservermogen ingesteld op 0W), als het vermogen van de fiberlaser 900W is en de lassnelheid 30 mm/s is, zal de lasnaad net doordringen, maar het is gevoelig voor porievorming in de lasnaad. Zoals weergegeven in figuur 3(a), zijn er bij voortdurende pogingen om procesparameters zoals lassnelheid en laservermogen te optimaliseren fiber laser lassenEr zitten nog steeds poriën in de lasnaad. Dit komt doordat de fiberlaser tijdens het smeltproces van paars koper een grote warmte-inbreng naar het koper en een hoge temperatuur heeft, waardoor de oplosbaarheid van waterstof in de lucht in het gesmolten bad aanzienlijk toeneemt. Tegelijkertijd wordt door de goede thermische geleidbaarheid van paars koper, de koelsnelheid van het gesmolten zwembad is erg snel. De snelle stolling van het gesmolten bad zorgt ervoor dat de in het gesmolten bad opgeloste waterstof niet op tijd uit de lasnaad verdwijnt, wat resulteert in achtergebleven waterstof in de lasnaad en de vorming van poriën in de naad. Deze interne poriën in de lasnaad zullen de mechanische eigenschappen van de lasverbinding nadelig beïnvloeden.

Het artikel maakt gebruik van een samengestelde lasmethode waarbij gebruik wordt gemaakt van een halfgeleiderlaser en een fiberlaser. Het vermogen van de fiberlaser wordt constant gehouden op 900W en de lassnelheid op 30 mm/s. Het vermogen van de halfgeleiderlaser is respectievelijk ingesteld op 600W, 800W en 1000W om het effect op de lasnaad te analyseren. Wanneer het vermogen van de halfgeleiderlaser 600 W is, zoals weergegeven in figuur 3 (b), zijn er poriën aanwezig in de lasnaad. Wanneer het vermogen van de halfgeleiderlaser 800 W is, zoals weergegeven in figuur 3 (c), zijn er poriën aanwezig in de lasnaad. er geen poriën in de lasnaad zitten. Dit komt omdat de halfgeleiderlaser een spotdiameter van 0.8 mm heeft in het brandpunt, waardoor een groter verwarmingsbereik wordt gedekt. De halfgeleiderlaser zorgt voor extra verwarming rond de lasnaad, waardoor de afkoelsnelheid van het gesmolten bad wordt verminderd. Hierdoor heeft de in het gesmolten bad opgeloste waterstof voldoende tijd om uit de lasnaad te verdampen, waardoor er geen resterende poriën in de lasnaad achterblijven. Wanneer het halfgeleiderlaservermogen verder wordt verhoogd tot 1000 W, ziet het uiterlijk van de lasnaad eruit zoals weergegeven in figuur 3 (d), met grotere poriën erin. Dit kan te wijten zijn aan het buitensporig hoge vermogen van de halfgeleiderlaser, wat leidt tot een grotere totale warmte-inbreng. Dit veroorzaakt ablatie van elementen met een laag smeltpunt in het koper en laat holtes achter in de lasnaad.

De treksterkte van de lasnaad wordt getest met behulp van een spanningstestmachine, wanneer de parameters van het fiberlaservermogen zijn ingesteld op 900 W, de lassnelheid op 30 mm/s en de mate van defocus op 0 mm constant worden gehouden. De impact van het halfgeleiderlaservermogen op de treksterkte van de lasnaad wordt gemeten, met de resultaten weergegeven in figuur 4. Wanneer het halfgeleiderlaservermogen wordt ingesteld op 0W en 600W, is er geen significante verandering in de treksterkte van de lasnaad. Dit komt omdat een vermogen van 600W geen noemenswaardige invloed heeft op de morfologie van de lasnaad. Net als bij een vermogen van 0 W, worden er poriën geproduceerd in de lasnaad, wat resulteert in een treksterkte tussen 160 ~ 161 MPa. Wanneer het halfgeleiderlaservermogen is ingesteld op 800 W, bereikt de treksterkte van de lasnaad zijn hoogste punt bij 238 MPa , waarmee 80% van de treksterkte van het koperen basismateriaal wordt bereikt (die 292 MPa is). Dit vertegenwoordigt een toename van ongeveer 50% in treksterkte vergeleken met wanneer het halfgeleiderlaservermogen is ingesteld op 0W en 600W. Wanneer het halfgeleiderlaservermogen is ingesteld op 1000W, neemt de treksterkte van de lasnaad dramatisch af. Dit komt doordat het laservermogen van de halfgeleider te hoog is, waardoor de elementen met een laag smeltpunt worden geablateerd, waardoor de treksterkte van de lasnaad drastisch wordt verminderd.

Figuur 4 Treksterkte van lasverbindingen onder verschillende halfgeleiderlaservermogens

2.2 Effect van halfgeleiderlaser op lasmicrostructuur
Met een vermogen van 900 W werkt de fiberlaserlasmachine met een snelheid van 30 mm/s, met 0 mm onscherpte. De metallografische microstructuurbeelden van de fusiezones bij verschillende halfgeleiderlaservermogens worden weergegeven in figuur 5. Wanneer het halfgeleiderlaservermogen is ingesteld op 0W, is de microstructuur van de fusiezone een slanke cellulaire kristalstructuur, zoals weergegeven in figuur 5 (a). . Wanneer het halfgeleiderlaservermogen is ingesteld op 600 W en 800 W, worden de microstructuren van de fusiezones respectievelijk weergegeven in figuur 5(b) en figuur 5(c). Met de toename van het halfgeleiderlaservermogen wordt de cellulaire kristalstructuur geleidelijk grover. Dit komt omdat de temperatuurgradiënt in de fusiezone relatief groot is, de korrels groeien in de richting van warmtegeleiding en vormen fijne cellulaire kristalstructuren. Wanneer het halfgeleiderlaservermogen is ingesteld op 1000 W, verandert de microstructuur van de fusiezone, zoals weergegeven in Figuur 5(d) transformeert in een veel grovere α-Cu-structuur. Dit komt door de extreem langzame afkoelsnelheid, wat resulteert in de vorming van grote α-Cu-korrels.

Met een vermogen van 900 W werkt de fiberlaserlasmachine met een snelheid van 30 mm/s, met 0 mm onscherpte. De metallografische microstructuurbeelden van de door hitte beïnvloede zones bij verschillende halfgeleiderlaservermogens worden weergegeven in Figuur 6. De structuur van de door hitte beïnvloede zones is geheel uitgegloeid α-Cu. Wanneer het halfgeleiderlaservermogen is ingesteld op 0W en 600W, wordt de korrel De afmetingen in de door hitte beïnvloede zone variëren niet significant, zoals weergegeven in figuur 6(a) en figuur 6(b). Dit komt door het relatief lage vermogen van de halfgeleiderlaser, wat geen merkbaar effect heeft op de microstructuur van de las. Wanneer het vermogen van de halfgeleiderlaser wordt ingesteld op 800 W, worden de korrels in de door hitte beïnvloede zone merkbaar groter, zoals weergegeven. in figuur 6(c). Wanneer het vermogen wordt verhoogd tot 1000 W, blijft de gemiddelde korrelgrootte groeien, zoals weergegeven in figuur 6(d). Dit komt doordat naarmate het vermogen van de halfgeleiderlaser toeneemt, de koelsnelheid van het gesmolten bad afneemt. Dit resulteert in een verlengde hersmelt- en herkristallisatietijd voor het gesmolten bad. De hoeveelheid warmte en tijd die naar de door hitte beïnvloede zone wordt geleid, neemt toe, waardoor de korrelgroeitijd in deze zone wordt verlengd, wat op zijn beurt leidt tot een toename van de korrelgrootte in de door hitte beïnvloede zone.

Met een vermogen van 900 W, een lassnelheid van 30 mm/s en een defocuswaarde van 0 mm voor de fiberlaser, wordt de metallografische microstructuur in het centrale gebied van de las onder verschillende halfgeleiderlaservermogens weergegeven zoals in figuur 7, wanneer de halfgeleiderlaser het laservermogen is ingesteld op respectievelijk 0W, 600W en 800W. De metallografische microfoto van de microstructuur in het midden van de las wordt dienovereenkomstig weergegeven in figuur 7(a), figuur 7(b) en figuur 7(c). gelijkassige korrelstructuren: naarmate het vermogen van de halfgeleiderlaser toeneemt, neemt de hoeveelheid gelijkassige korrelstructuren geleidelijk toe. Dit komt omdat de toename van het vermogen van de halfgeleiderlaser ervoor zorgt dat de algehele temperatuur in het lascentrum stijgt, waardoor er voldoende tijd is voor de ontwikkeling van de gelijkassige korrelstructuur. Wanneer het vermogen van de halfgeleiderlaser verder wordt verhoogd tot 1000 W, wordt de microstructuur in het midden van de las gaat over in grote α-Cu-korrels, zoals weergegeven in figuur 7 (b). Dit komt door een afname van de temperatuurgradiënt in het lascentrum, waardoor de afkoelsnelheid van de las aanzienlijk afneemt, waardoor de vorming van grote α-Cu-korrels wordt vergemakkelijkt.

2.3 Effect van halfgeleiderlaser op mechanische eigenschappen van lassen
Met het vermogen van de fiberlaser ingesteld op 900 W, een lassnelheid van 30 mm/s en een defocusseringshoeveelheid van 0 mm, wordt de microhardheid onder verschillende halfgeleiderlaservermogens weergegeven in Figuur 8. Naarmate het vermogen van de halfgeleiderlaser toeneemt, neemt het maximale vermogen toe. De hardheid van de las neemt geleidelijk af. Dit komt omdat de toename van het vermogen van de halfgeleiderlaser de afkoel- en stollingstijd van het smeltbad verlengt, waardoor de korrels volledig kunnen groeien. De grotere korrelgrootte resulteert in een verlaging van de microhardheidswaarde van het materiaal. De trend van het lasgebied naar het basismateriaal vertoont aanvankelijk een afname, gevolgd door een toename, waarbij de maximale microhardheid wordt waargenomen in het middengebied van de las. Dit komt door de aanwezigheid van zeer kleine korrels in dit gebied, omdat de korrelverfijning resulteert in een verhoogde hardheid. De minimale microhardheidswaarde treedt op in de door hitte beïnvloede zone. Dit komt omdat de door warmte beïnvloede zone zich in de richting van warmtegeleiding bevindt; de kleine temperatuurgradiënt leidt tot relatief grotere korrels, die op hun beurt de microhardheid verminderen.

Figuur 8 Microhardheidsverdeling van lasverbindingen onder verschillende halfgeleiderlaservermogens

3 Conclusie
Vergeleken met traditioneel laserlassenVoorverwarmen of oppervlaktebehandeling van koper is niet nodig. Met behulp van vezel- en halfgeleidercomposietlasers kan koper in één stap worden gelast, waardoor het productieproces wordt verkort en productiekosten worden bespaard. Dit biedt een waardevolle technische referentie voor de daadwerkelijke productie.

Tijdens het lasproces zorgt de halfgeleiderlaser voor extra verwarming van de las, waardoor de hoogste treksterkte in de las ontstaat zonder porositeit wanneer het vermogen is ingesteld op 800 W. Het vermogen van de halfgeleiderlaser heeft een aanzienlijke invloed op de microstructuur van de las. Naarmate het vermogen van de halfgeleiderlaser toeneemt, wordt de cellulaire kristalstructuur in de fusiezone geleidelijk grover; de korrelgrootte in de door hitte beïnvloede zone neemt toe; en de gelijkassige kristalstructuur in het midden van de las neemt toe in deeltjesgrootte. De grotere korrelgrootte zal de microhardheid van de las verminderen.