Single-mode fiberlaserlasproces van 6063 aluminiumlegering

SAMENVATTING:Het werk heeft tot doel het optimale te bestuderen laserlassen processchema voor 6063 aluminiumlegering om de spanning van de lasplek te verbeteren, aangezien de spanning van 6063 aluminiumlegering, gepuntlast door pulslaser, laag is en niet voldoet aan de werkelijke behoeften. De single-mode fiberlaser werd gebruikt om 6063 aluminiumlegering te lassen, en de spiraalvormige vlekken werden gevormd door extreem fijne lijnen om een ​​enkele puls te vervangen laserpuntlassen. Het orthogonale experiment werd uitgevoerd op laservermogen, lassnelheid en defocus om de optimale parameters te verkrijgen. Door de analyse van het uiterlijk en de microstructuur van de las werd de reden voor de toename van de laspuntspanning verklaard. Toen het laservermogen 70 W was, de lassnelheid 100 mm/s en de defocus 0 was, bereikte de spanning van de punten de maximale 65 N en waren de procesparameters de beste. De spanning van de single-mode laserlasplek was drie keer zo groot als die van de pulslaserlasplek. Bij het lassen met single-mode vezelspiraallasers wordt de laserenergie gelijkmatig verdeeld in het puntbereik en heeft deze een grote vermogensdichtheid, waardoor een lasvorm ontstaat waarbij de breedte van het lasoppervlak bijna dezelfde is als die van de lasbodem, wat bevorderlijk is voor het verbeteren van de spanning van de lasplek en het bieden van technische referentie voor de daadwerkelijke productie.

TREFWOORDEN:6063 aluminiumlegering; single-mode fiberlaser; laserlassen; spanning

Materialen van aluminiumlegeringen hebben de voordelen van een laag gewicht, hoge sterkte, gemakkelijk te verwerken en vorm te geven en een goede corrosieweerstand. Ze worden op grote schaal gebruikt in industrieën zoals de ruimtevaart, hardware en auto's. Met de vooruitgang van wetenschap en technologie zijn er hogere eisen gesteld aan de laskwaliteit en productie-efficiëntie van het lassen van aluminiumlegeringen. Laserlassen heeft de voordelen van hoge energie dichtheid, lage totale warmte-inbreng, kleine vervorming na het lassen en eenvoudige automatisering door geen contact met het werkstuk. Het heeft een breed toepassingsperspectief bij het lassen van aluminiumlegeringen.
Aluminiumlegering heeft een hoge reflectiviteit voor lasers, waardoor een hogere laserenergie nodig is om te kunnen lassen. Bovendien zijn elementen met een laag smeltpunt, zoals Mg en Zn in aluminiumlegeringen, gevoelig voor doorbranden, wat resulteert in een afname van de sterkte van de lasverbinding, wat het praktische gebruik beïnvloedt. De 6063 aluminiumlegering heeft een hoge sterkte en goede wrijvingsweerstand, en het is een materiaal van aluminiumlegering met een breed scala aan toepassingen. Dunne materialen gebruiken over het algemeen een Nd: YAG-laserbron voor puntlassen, wat thermische vervorming kan verminderen en de productie-efficiëntie kan verbeteren. De treksterkte van de laspunt is echter lager, wat mogelijk niet voldoet aan de praktische productie-eisen. Met de verdere ontwikkeling van de lasertechnologie wordt de single-mode fiberlasertechnologie steeds volwassener en wordt de kwaliteit van de straal beter en beter, wat een grote hulp is bij het verbeteren van de treksterkte van de lasplek.
Het artikel maakt gebruik van een single-mode fiberlaser van 1000 W om de spiraaldraad te lassen, waardoor een laspunt ontstaat. Door het optimaliseren van de procesparameters wordt de maximale treksterkte van de laspunt bereikt. Het is ook te vergelijken met de treksterkte van de laspunten bij pulslaserpuntlassen, wat waardevolle referenties oplevert voor praktische technische toepassingen.

1 Lasexperiment

1.1-materialen

Het materiaal is een aluminiumlegering met de kwaliteit 6061 en een dikte van 0.5 mm. De chemische samenstelling van het materiaal wordt weergegeven in Tabel 1. Snijd het materiaal in platen van 200 mm x 100 mm, reinig met alcohol en water en zet opzij. De lasmethode is laplassen en de te lassen werkstukken worden vastgeklemd met zelfgemaakte armaturen.

Tab.1Chemischesamenstellingvanaluminiumlegering6061(massafractie)%

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

1.2 Equipment

De experimentele apparatuur maakt gebruik van een single-mode fiberlaser geproduceerd door IPG lassen, met een vezeldiameter van 0.14 µm en een gemiddeld vermogen van 1000 W. Het experimentele platform bestaat voornamelijk uit een laser, een computer, een optisch padsysteem en een besturingssysteem, zoals weergegeven in figuur 1a. De laser wordt gereflecteerd door de scangalvanometer en wordt via de F-lens op het werkvlak gefocust. De galvanometer draait met hoge snelheid onder de aandrijving van de x/y-motor en vormt verschillende trajecten in het vlak, zoals cirkels, rechthoeken, rechte lijnen, spiraallijnen, enz. Nadat hij door de F-lens is gegaan, is de vlekgrootte ongeveer 0.28 mm. Het schematische diagram van het optische padsysteem wordt weergegeven in figuur 1b. Pulslaserpuntlassen maakt gebruik van een Nd:YAG-laser van 500 W(bron), met een piekvermogen tot 8000W. Nadat de laserstraal door het optische padsysteem is gefocusseerd, is de vlekgrootte ongeveer 0.4 ~ 1.0 mm.De elektronische trekbank geproduceerd door Jinan Huaxing Experimental Equipment Co., Ltd (model: WDH-10) wordt gebruikt voor het trekproeven van de lasnaad. Het lasuiterlijk is getest met een metallografische microscoop, met als merk Beijing North Star en het modelnummer XJB200.

Fig.1 Experimentplatform

2 Experimenten en resultaten van laserlasproces

2.1 Grafisch ontwerp en uiterlijkvergelijking lassen

Pulserend laserpuntlassen gebruikt voor het lassen een Nd:YAG-laser van 500 W, met een lasverbinding bereikvereiste van 0.6 ~ 0.8 mm. De gefocusseerde straalgrootte van gepulseerd laserpuntlassen voldoet gewoon aan de eisen. De laser zendt een puls uit die op het materiaal inwerkt en zo een puls vormt lasplek. Het schematische diagram van de lasplek wordt getoond in figuur 2a.Omdat de gefocusseerde vlek van de single-mode fiberlaser slechts 0.28 mm bedraagt, kan de laser straal vormt een lasplek door een spiraal te laten lopen, de diameter van de spiraal is 0.8 mm,en de spiraal heeft 4 windingen. Er is een bepaalde mate van laseroverlap tussen beide draaien, waardoor een laserlasplek ontstaat met een diameter van 0.8 mm. Het schema van de laspunt wordt weergegeven in figuur 2b. Het uiterlijk van het pulslaserpuntlassen is weergegeven in figuur 2c, en het uiterlijk van de lasvlek gevormd door de spiraal is weergegeven in figuur 2d. De grootte van de twee lasplekken is vrijwel identiek, en nee Er kan visueel een aanzienlijk verschil worden waargenomen.

Fig.2 Diagram en uiterlijk van laspunten

2.2 Orthogonaal experiment met procesparameters

De belangrijkste verwerkingsparameters voor gepulseerd laserpuntlassen inclusief pieklaser vermogen, pulsbreedte en mate van onscherpte. Er wordt een voorlopige laserlasprocestest uitgevoerd uitgevoerd op 0.5 mm 6061 aluminiumlegering. Wanneer het pieklaservermogen 2400 W bedraagt, wordt de het piekvermogen is relatief klein, wat resulteert in een kleinere lasplek trekkracht van 3 N.Wanneer het maximale laservermogen is 3600 W, er spatten op het oppervlak van de las naad, en de trekkracht van de lasplek is ook laag, namelijk 4 N. Wanneer de pulsbreedte is 3 ms, de diameter van de lasplek is kleiner en de trekkracht is kleiner, bij 3 N.Wanneer de pulsbreedte 9 ms is, is de diameter van de lasvlek is 0.9 mm, wat overschrijdt het lasbereik van 0.6 ~ 0.8 mm. Wanneer de focus onscherp is op 0, vanwege de grote vermogensdichtheid, er spatten op de lasnaad en het uiterlijk niet voldoen aan de norm. Wanneer de defocus echter op 6 mm ligt, vanwege de abrupte invalvermogensdichtheid, de trekkracht op de het laspunt is lager, namelijk 4 N. De drie niveaus vandeze factoren zijn zoals geïllustreerd in Tabel 2.

Tab.2 Factoren en niveaus van pulslaserpuntlassen

aantal	factor
	A Piekvermogen/W	B pulsbreedte/ms	C Hoeveelheid onscherpte/mm
1	2500	4	1
2	3000	6	3
3	3500	8	5

De belangrijkste procesparameters van single-mode fiberlaserspiraallassen zijn de gemiddeld laservermogen, lassnelheid en mate van onscherpte,wanneer de gemiddelde laser het vermogen is 500 W, de trekkracht op het laspunt is lager, namelijk 4 N;Wanneer het gemiddeldehet laservermogen is 900 W, sommige materiaalspatten en de trekkracht op de laspunt is ook lager, bij 3 N; Wanneer de lassnelheid 90 mm/s is, is de warmteaccumulatie ook hoog, waardoor materiaal verbrandt, en de trekkracht op het laspunt is lager, namelijk 5N;Wanneer de lassnelheid 170 mm/s bedraagt, is de warmteaccumulatie lager lasbreedte en -diepte zijn kleiner, en de trekkracht op het laspunt is lager, op4 N; Wanneer de mate van onscherpte 0 is, is de vermogensdichtheid hoger, waardoor er spatten ontstaande lasnaad, die niet aan de uiterlijke eisen kan voldoen; wanneer de focus onscherp wordt hoeveelheid is 6 mm, vanwege de scherpe daling van de vermogensdichtheid, de trekkracht bij de het laspunt ligt lager, namelijk 4 N. De drie factoren en drie niveaus worden weergegeven in Tabel 3.

Tab.3 Factoren en niveaus van single-mode fiberlaserspiraallassen

aantal	factor
	D gemiddeld vermogen/W	E lassnelheid/ (mm·s- 1)	C Hoeveelheid onscherpte/mm
1	600	100	1
2	700	130	3
3	800	160	5

Het orthogonale experiment van puls op drie niveaus laserpuntlassen bevat negen sets,wanneer het piekvermogen 3000 W is, is de pulsbreedte 8 ms en de mate van onscherpte1 mm bedraagt, bereikt de trekkracht van het laspunt zijn piek bij 17 N,zijn dit beschouwd als de optimale procesparameters.Voor de factor pieklaser macht (A), er zijn drie experimenten uitgevoerd niveau 1 (A=2500 W),tel hieruit de trekkracht van de laspunten bij elkaar op experimenten om het statistische totaal K1=35 te verkrijgen,wanneer niveau 2 wordt gekozen, is de som van de treksterkte van de laspunten is statistisch totaal K2=46,wanneer niveau 3 is gekozen,de som is statistisch totaal K3=33,hoe groter de statistische waarde K, hoe hoger de trekkracht op dat niveau,de hoogste waarde is K2,dit geeft aan dat wanneer factor A is op niveau 2 (A = 3000 W) is de treksterkte van het laspunt het grootst;Op dezelfde manier is de statistische waarde K van de treksterkte van het laspunt van andere factoren(pulsbreedte, defocus) kan worden verkregen, zoals weergegeven in Tabel 4. Het bereik wordt weergegevendoor R,hoe kleiner de R-waarde, hoe minder invloed die factor heeft op de treksterkte vanhet laspunt;Omgekeerd geldt: hoe groter de R-waarde, hoe groter de impact van die factorop de treksterkte van het laspunt. Uit tabel 4 blijkt kan worden gezien dat de factorendie de treksterkte van het laspunt beïnvloeden zijn, in volgorde van belangrijkheid: piekvermogen,pulsbreedte en onscherpte.

Tab.4 Orthogonale experimentresultaten van pulslaserpuntlassen

aantal	A Piekvermogen/W	Bpulsbreedte/ms	CDefocushoeveelheid/mm	Soldeerverbindingsspanning/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

Het orthogonale experiment met drie factoren en drie niveaus van een single-mode fiberlaserspiraallijn lassen bestaat in totaal uit 9 groepen. Bij een gemiddeld vermogen van 3000 W wordt er gelast snelheid is 160 mm/s, en de defocushoeveelheid is 1 mm, de treksterkte van de las punt bereikt de hoogste waarde van 47 N, wat de optimale procesparameter is.

Wanneer de gemiddelde laservermogensfactor G wordt ingesteld op niveau 1 (A=600 W), worden er in totaal 3 experimentgroepen gevormd. De treksterkten van deze 3 groepen laspunten worden bij elkaar opgeteld om de statistiek F1=98 te verkrijgen; op dezelfde manier kan de statistiek voor de treksterktewaarde van andere factoren worden verkregen, zoals weergegeven in de tabel5. Onder hen is Y de bereikwaarde. Uit de bereikwaarde blijkt dat de factoren die de grootte van de soldeerverbinding beïnvloeden, zijn: van primair tot secundair, defocus, gemiddeld vermogen en lassnelheid.

2.3 Lasuiterlijk en microstructuuranalyse

Figuur 3a toont een dwarsdoorsnede van de puntlas onder de optimale procesparameters voor gepulseerd laserpuntlassen. De breedte van het lasnaadoppervlak is groot, maar naarmate de smeltdiepte toeneemt, neemt de breedte van de lasnaad af. De breedte van de lasnaad tussen de bovenste en onderste twee lagen bedraagt ​​ongeveer 1/3 van de oppervlaktebreedte van het laspunt, dit komt doordat de energie van de gepulseerde laser voornamelijk in het midden van de 0.8 mm lichtvlek wordt verdeeld. De energie aan de rand van de lichtvlek is lager, waardoor het materiaaloppervlak alleen kan smelten en niet verder naar beneden kan doordringen, waardoor een lasnaad ontstaat die bovenaan breed en onderaan smal is. Figuur 3b toont een dwarsdoorsnede van de laspunt onder optimale procesomstandigheden voor single-mode fiberlaserspiraallassen, waarbij de breedte van het lasnaadoppervlak ongeveer gelijk is aan de breedte van gepulseerd laserpuntlassen, met de toename van de smeltdiepte is er geen significante vermindering van de lasnaad. breedte van de lasnaad. De breedte van de lasnaad tussen de bovenste en onderste twee materiaallagen is bijna hetzelfde als de breedte van het laspuntoppervlak. Dit komt omdat wanneer single-mode fiberlaserspiraallassen wordt gebruikt, de gefocusseerde plek van de single-mode fiberlaser is 0.28 mm, de laserenergie wordt gelijkmatig verdeeld binnen het spotbereik en heeft een hoge vermogensdichtheid. Op de buitenste cirkel van de spiraallijn is de laserenergie voldoende om door het materiaal te smelten, waardoor een lasnaadvorm ontstaat waarbij de breedte van het lasnaadoppervlak vrijwel hetzelfde is als de onderkant van de lasnaad. Tijdens de trekproef werd de De hoofdspanningspositie is de breedte van de lasnaad tussen de bovenste en onderste twee materiaallagen. Hoe groter de breedte, hoe groter de trekkracht van het laspunt. De breedte van de lasnaad tussen de bovenste en onderste twee materiaallagen bij de single-mode fiberlaser-spiraallas is drie keer de breedte van de pulslaserpuntlas, daarom is de treksterkte van het laspunt van de single-mode Het fiberlaserspiraallassen is ook drie keer zo groot als het pulslaserpuntlassen.

Tab.5 Orthogonale experimentresultaten van single-mode spiraallassen

aantal	D gemiddeld vermogen/W	E lassnelheid/(mm·s- 1)	F onscherphoeveelheid/mm	soldeerverbindingsspanning/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

Fig.3 Dwarsdoorsnede van de lasplek

Figuur 4a geeft de metallografische structuur weer van het moedermateriaal van de 6061-aluminiumlegering. De korrelgrootte is ongelijkmatig, de vorm is onregelmatig en de korrels zijn relatief groot, wat een typische '-Al-structuur isFiguur 4b toont de microstructuur van het lasnaadcentrum onder de optimale procesparameters van laserpulspuntlassen. Het beschikt over een dendritische structuur van aluminiumlegering. De korrelgrootte heeft een aanzienlijke verfijning ondergaan in vergelijking met het moedermateriaal van aluminiumlegering 6061. Dit komt door de snelle verwarming en snelle afkoeling van het materiaal van de aluminiumlegering door laserpulspuntlassen, wat resulteert in de verfijning van de lasnaadkorrels. Figuur 4c toont de microstructuur van het lasnaadcentrum onder de optimale procesparameters voor single-mode fiberlaserspiraallassen. Dit wordt weergegeven door een dendritische structuur van een aluminiumlegering. De korrelgrootte vertoont geen significant verschil in vergelijking met de metallografische structuur van laserpulspuntlassen.

Fig.4 Microstructuur van lasplek

3 Conclusie

De 6063 aluminiumlegering werd afzonderlijk overlappend gelast met behulp van pulslaserpuntlassen en single-mode fiberlaserspiraallasmethoden, en er werd een orthogonaal optimalisatie-experiment uitgevoerd. De maximale treksterkte van de laspunten bereikt door pulslaserpuntlassen bereikte 17 N, de optimale procesparameters zijn als volgt: piekvermogen is 3000 W, pulsbreedte is 8 ms en de defocuswaarde is 1 mm voor pulslaserpuntlassen. De maximale treksterkte van de laspunten bereikt door single-mode fiberlaserspiraallassen bereikte 47 N. De optimale procesparameters voor deze methode zijn als volgt: gemiddeld vermogen is 3000 W, lassnelheid is 160 mm/s en de mate van onscherpte is 1 mm.

Het uiterlijk van de resultaten van de pols laserpuntlassen en single-mode fiberlaserspiraallassen onder optimale procesparameters is vrijwel identiek, zonder significant verschil; er is ook geen opmerkelijke discrepantie in de metallurgische structuur en korrelgrootte. De lasnaadbreedte tussen de bovenste en onderste materiaallagen bij het single-mode vezellaserspiraallassen is drie keer de breedte van de lasnaad bij pulslaserpuntlassen. Daarom is de treksterkte van de laspunten bij single-mode fiberlaserspiraallassen ook driemaal zo groot als bij pulslaserpuntlassen.