Wpływ spawania kompozytowego laserem diodowym i światłowodowym na mikrostrukturę i właściwości miedzi Polska

Przedmowa 0
Czerwona miedź ma dobrą ciągliwość, wysoką przewodność cieplną i przewodność elektryczną i jest szeroko stosowana w przemyśle lotniczym, inżynierii morskiej, kablach i elementach elektrycznych oraz elektronicznych. Tradycyjne metody spawania czerwoną miedzią, takie jak spawanie wolframem w gazie obojętnym, charakteryzują się dużym dopływem ciepła, dużym słupkiem -odkształcenia spawalnicze i nieestetyczne szwy spawalnicze, które nie są już w stanie sprostać wymaganiom współczesnej produkcji.

Spawanie laserowe charakteryzuje się mniejszym całkowitym dopływem ciepła, co może znacznie złagodzić problemy związane z dużymi odkształceniami po spawaniu i złym wyglądem. Technologia spawania laserowego rozwinęła się szybko w ostatnich latach. Ze względu na niski współczynnik absorpcji laserów o długości fali bliskiej podczerwieni na powierzchni miedzi, na ogół tylko około 4%, większość energii lasera jest odbijana. Spawanie miedzi wymaga dużego nakładu energii, co może prowadzić do słabej stabilności spawania. Podczas procesu topienia czerwonej miedzi w spoinie łatwo tworzą się pory, co wpływa na właściwości mechaniczne złącza spawanego. Podczas spawania czerwonej miedzi, duży dopływ ciepła powoduje drastyczny wzrost wielkości ziaren, co również niekorzystnie wpływa na właściwości użytkowe złącza spawanego;

W eksperymencie zastosowano nową technologię spawania kompozytowego metodą półprzewodnikową i laserem światłowodowym do spawania laserowego czerwonej miedzi. Analizowany jest wpływ parametrów procesu na powstawanie złącza spawanego, aby zapewnić odniesienia techniczne do rzeczywistej produkcji.

1 Eksperyment spawalniczy
1.1 Materiały do ​​spawania i sprzęt spawalniczy
Materiałem doświadczalnym jest miedź czerwona o grubości 1.0 mm i wymiarach długości x szerokości 100 mm x 50 mm. Metodą spawania jest łączenie. Spawany materiał mocuje się za pomocą domowego uchwytu, aby zmniejszyć odkształcenia podczas spawania spawalniczy.

Do spawania czerwonej miedzi stosuje się laser kompozytowy składający się z lasera półprzewodnikowego i lasera światłowodowego. Długość fali lasera półprzewodnikowego wynosi 976 nm, maksymalna moc to 1000 W, a średnica rdzenia światłowodu wynosi 400 mikronów. Laser światłowodowy ma długość fali 1070 nm, maksymalną moc lasera 1000 W i średnicę rdzenia włókna 50 mikronów . Obydwa typy laserów są połączone za pomocą głowicy spawalniczej, przy czym soczewka kolimacyjna głowicy spawalniczej ma ogniskową 100 mm, a soczewka skupiająca ma ogniskową 200 mm. Ścieżkę optyczną pokazano na rysunku 1 (a), średnica plamki lasera półprzewodnikowego po przejściu przez głowicę spawalniczą w ognisku lasera wynosi około 0.8mm. Ze względu na duży rozmiar plamki może zapewnić dodatkowe ogrzewanie wokół szwu spawalniczego. Średnica plamki lasera światłowodowego w ognisku wynosi około 0.1 mm, a gęstość mocy jest mała (gęstość mocy = moc lasera/powierzchnia plamki; mniejsza średnica plamki, tym większa gęstość mocy). Może to generować wyższe temperatury, osiągając spawanie materiałów miedzianych. Wszystkie eksperymenty wspomniane w tekście przeprowadzono w ogniskach laserów półprzewodnikowych i laserów światłowodowych do spawania. Platformę doświadczalną laserowego spawania kompozytów pokazano na rysunku 1 (b). Składa się głównie z lasera półprzewodnikowego, lasera światłowodowego, głowicy spawalniczej, przemysłowego komputera sterującego i modułu X/Y. W tej konfiguracji głowica spawalnicza napędzana modułem X/Y wykonuje spawanie torowe w celu utworzenia szwu spawalniczego. Moc lasera półprzewodnikowego i lasera światłowodowego można ustawić oddzielnie.

(a) Schemat ideowy ścieżki optycznej spawania hybrydowego	(b) Sprzęt doświadczalny
Rysunek 1 Sprzęt do spawania laserowego

1.2 Sprzęt do kontroli spoin
Mikrostrukturę szwu spawalniczego zbadano i poddano analizie za pomocą mikroskopu metalograficznego model WYJ-4XBD. Dokonano tego w celu analizy wpływu różnych parametrów procesu na mikrostrukturę spoiny. Wytrzymałość spoiny na rozciąganie badano za pomocą elektronicznej maszyny rozciągającej model FR-103C. Urządzenie pokazano na rysunku 2(b). Wytrzymałość na rozciąganie P szwu spawalniczego oblicza się dzieląc siłę rozciągającą F przez powierzchnię S szwu spawalniczego. Wytrzymałość na rozciąganie bada się 3 razy w ramach każdego parametru procesu, a uzyskana średnia wytrzymałość na rozciąganie jest wytrzymałością na rozciąganie szwu spawalniczego odpowiadającą temu parametrowi procesu. Prędkość rozciągania maszyny rozciągającej ustawia się na 1 mm/s. Mikrotwardość złącza spawanego próbki spoiny bada się za pomocą mikrotwardościomierza model HV-1000. Obciążenie eksperymentalne wynosi 50 g, a czas ładowania wynosi 10 sekund.

2 Proces eksperymentalny i analiza wyników
2.1 Wpływ lasera półprzewodnikowego na wygląd i wytrzymałość spoin
Po wielu wstępnych eksperymentach, przy spawaniu wyłącznie laserem światłowodowym (przy mocy lasera półprzewodnikowego ustawionej na 0W), przy mocy lasera światłowodowego 900W i prędkości spawania 30mm/s, spoina będzie jedynie penetrować, ale jest podatny na tworzenie się porów wewnątrz szwu spawalniczego. Jak pokazano na rysunku 3 (a), w ciągłych próbach optymalizacji parametrów procesu, takich jak prędkość spawania i moc lasera, spawanie laserem światłowodowym, w spoinie nadal znajdują się pory. Dzieje się tak dlatego, że podczas procesu topienia fioletowej miedzi laser światłowodowy dostarcza do miedzi dużą ilość ciepła i wysoką temperaturę, co znacznie zwiększa rozpuszczalność wodoru w powietrzu w roztopionym jeziorku. Jednocześnie ze względu na dobra przewodność cieplna fioletowej miedzi, prędkość chłodzenia stopionego basenu jest bardzo duża. Szybkie krzepnięcie roztopionego jeziorka powoduje, że wodór rozpuszczony w roztopionym jeziorku nie rozprasza się z czasem ze szwu spawalniczego, co powoduje pozostałości wodoru wewnątrz szwu spawalniczego i powstawanie porów w szwie. Te wewnętrzne pory w spoinie będą miały niekorzystny wpływ na właściwości mechaniczne złącza spawanego.

W artykule zastosowano metodę spawania kompozytów przy użyciu lasera półprzewodnikowego i lasera światłowodowego. Moc lasera światłowodowego utrzymuje się na stałym poziomie 900 W, a prędkość spawania na poziomie 30 mm/s. Moc lasera półprzewodnikowego ustala się odpowiednio na 600 W, 800 W i 1000 W w celu analizy wpływu na spoinę. Gdy moc lasera półprzewodnikowego wynosi 600 W, w spoinie pokazanej na rysunku 3 (b) znajdują się pory. Gdy moc lasera półprzewodnikowego wynosi 800 W, jak pokazano na rysunku 3 (c), nie ma nie ma porów w spoinie. Dzieje się tak dlatego, że laser półprzewodnikowy ma w ognisku średnicę plamki 0.8 mm, co zapewnia większy zakres ogrzewania. Laser półprzewodnikowy zapewnia dodatkowe ogrzewanie wokół szwu spawalniczego, co zmniejsza szybkość chłodzenia jeziorka. Dzięki temu wodór rozpuszczony w roztopionym jeziorku ma wystarczająco dużo czasu na odparowanie ze szwu spawalniczego, nie pozostawiając w nim żadnych resztek porów. Po dalszym zwiększeniu mocy lasera półprzewodnikowego do 1000 W wygląd szwu spawalniczego jest pokazany na rysunku 3 (d), z większymi porami wewnątrz. Może to wynikać ze zbyt dużej mocy lasera półprzewodnikowego, co prowadzi do większego całkowitego doprowadzenia ciepła. Powoduje to ablację pierwiastków o niskiej temperaturze topnienia w miedzi i pozostawia wgłębienia w spoinie.

Badanie wytrzymałości spoiny na rozciąganie odbywa się za pomocą maszyny wytrzymałościowej, przy stałych parametrach mocy lasera światłowodowego na poziomie 900 W, prędkości zgrzewania na poziomie 30 mm/s i stopniu rozogniskowania na poziomie 0 mm. Przeprowadzono badanie wpływu mocy lasera półprzewodnikowego na wytrzymałość spoiny na rozciąganie, a wyniki przedstawiono na rysunku 4. Przy ustawieniu mocy lasera półprzewodnikowego na 0W i 600W nie obserwuje się istotnej zmiany wytrzymałości spoiny na rozciąganie. Dzieje się tak dlatego, że moc 600W nie ma istotnego wpływu na morfologię szwu spawalniczego. Podobnie jak w przypadku mocy 0 W, wewnątrz szwu spawalniczego powstają pory, co skutkuje wytrzymałością na rozciąganie w zakresie 160 ~ 161 MPa. Gdy moc lasera półprzewodnikowego jest ustawiona na 800 W, wytrzymałość na rozciąganie szwu spawalniczego osiąga najwyższą wartość przy 238 MPa , osiągając 80% wytrzymałości na rozciąganie miedzianego materiału bazowego (która wynosi 292 MPa). Oznacza to wzrost wytrzymałości na rozciąganie o około 50% w porównaniu z mocą lasera półprzewodnikowego ustawioną na 0 W i 600 W. Gdy moc lasera półprzewodnikowego jest ustawiona na 1000 W, wytrzymałość spoiny na rozciąganie drastycznie maleje. Dzieje się tak, ponieważ moc lasera półprzewodnikowego jest zbyt duża, co powoduje ablację elementów o niskiej temperaturze topnienia, drastycznie zmniejszając wytrzymałość szwu spawalniczego na rozciąganie.

Rysunek 4 Wytrzymałość na rozciąganie złączy spawanych przy różnych mocach lasera półprzewodnikowego

2.2 Wpływ lasera półprzewodnikowego na mikrostrukturę spoiny
Spawarka laserem światłowodowym o mocy 900W pracuje z prędkością 30mm/s, przy rozognisku 0mm. Obrazy metalograficzne mikrostruktury stref stapiania przy różnych mocach lasera półprzewodnikowego pokazano na rysunku 5. Gdy moc lasera półprzewodnikowego jest ustawiona na 0 W, mikrostruktura strefy stapiania jest smukłą komórkową strukturą krystaliczną, jak pokazano na rysunku 5 (a) . Gdy moc lasera półprzewodnikowego jest ustawiona na 600 W i 800 W, mikrostruktury stref stapiania pokazano odpowiednio na rysunku 5 (b) i rysunku 5 (c). Wraz ze wzrostem mocy lasera półprzewodnikowego struktura kryształu komórkowego stopniowo staje się grubsza. Dzieje się tak dlatego, że gradient temperatury w strefie stapiania jest stosunkowo duży, ziarna rosną w kierunku przewodzenia ciepła, tworząc drobne komórkowe struktury krystaliczne. Gdy moc lasera półprzewodnikowego jest ustawiona na 1000 W, mikrostruktura strefy stapiania, jak pokazano na Rysunek 5 (d) przekształca się w znacznie grubszą strukturę α-Cu. Dzieje się tak na skutek niezwykle wolnego tempa chłodzenia, w wyniku którego powstają duże ziarna α-Cu.

Spawarka laserem światłowodowym o mocy 900W pracuje z prędkością 30mm/s, przy rozognisku 0mm. Obrazy metalograficzne mikrostruktury stref wpływu ciepła przy różnych mocach lasera półprzewodnikowego pokazano na rysunku 6. Cała struktura stref wpływu ciepła jest wyżarzana α-Cu. Gdy moc lasera półprzewodnikowego jest ustawiona na 0 W i 600 W, ziarno rozmiary w strefie wpływu ciepła nie różnią się znacząco, jak pokazano na rysunku 6 (a) i rysunku 6 (b). Wynika to ze stosunkowo małej mocy lasera półprzewodnikowego, która nie ma zauważalnego wpływu na mikrostrukturę spoiny. Po ustawieniu mocy lasera półprzewodnikowego na 800W, ziarna w strefie wpływu ciepła zauważalnie się powiększają, co widać na rysunku na rysunku 6(c). Gdy moc zostanie zwiększona do 1000 W, średni rozmiar ziarna nadal rośnie, jak pokazano na rysunku 6 (d), dzieje się tak, ponieważ wraz ze wzrostem mocy lasera półprzewodnikowego prędkość chłodzenia stopionego jeziorka maleje. Powoduje to wydłużenie czasu przetapiania i rekrystalizacji stopionego jeziorka. Zwiększa się ilość ciepła i czas przewodzenia do strefy wpływu ciepła, wydłużając czas wzrostu ziaren w tej strefie, co z kolei prowadzi do wzrostu wielkości ziaren w strefie wpływu ciepła.

Przy mocy 900 W, prędkości spawania 30 mm/s i stopniu rozogniskowania wynoszącym 0 mm dla lasera światłowodowego, mikrostruktura metalograficzna w środkowym obszarze spoiny przy różnych mocach lasera półprzewodnikowego jest pokazana jak na rysunku 7, gdy półprzewodnik moc lasera jest ustawiona odpowiednio na 0 W, 600 W i 800 W, mikrografię metalograficzną mikrostruktury w środku spoiny pokazano odpowiednio na rysunku 7 (a), rysunku 7 (b) i rysunku 7 (c), wszystkie są struktury ziaren równoosiowych, wraz ze wzrostem mocy lasera półprzewodnikowego ilość struktur ziaren równoosiowych stopniowo wzrasta. Dzieje się tak, ponieważ wzrost mocy lasera półprzewodnikowego powoduje wzrost ogólnej temperatury w środku spoiny, zapewniając wystarczająco dużo czasu na rozwinięcie się równoosiowej struktury ziaren. Gdy moc lasera półprzewodnikowego zostanie zwiększona do 1000 W, mikrostruktura w środek spoiny przechodzi w duże ziarna α-Cu, jak pokazano na rysunku 7 (b). Dzieje się tak na skutek zmniejszenia gradientu temperatury w środku spoiny, co powoduje znaczne spowolnienie szybkości chłodzenia spoiny, ułatwiając powstawanie dużych ziaren α-Cu.

2.3 Wpływ lasera półprzewodnikowego na właściwości mechaniczne spoin
Przy mocy lasera światłowodowego ustawionej na 900 W, prędkości spawania 30 mm/s i stopniu rozogniskowania 0 mm, mikrotwardość przy różnych mocach lasera półprzewodnikowego pokazano na rysunku 8. Wraz ze wzrostem mocy lasera półprzewodnikowego maksymalna twardość spoiny stopniowo maleje. Dzieje się tak, ponieważ wzrost mocy lasera półprzewodnikowego wydłuża czas chłodzenia i krzepnięcia jeziorka stopu, umożliwiając pełny wzrost ziaren. Większy rozmiar ziaren powoduje zmniejszenie wartości mikrotwardości materiału. Trend od obszaru spoiny w kierunku materiału podstawowego wykazuje początkowy spadek, a następnie wzrost, przy czym maksymalna mikrotwardość występuje w środkowej części spoiny. Wynika to z obecności w tym obszarze bardzo drobnych ziaren, gdyż rozdrobnienie ziaren powoduje zwiększenie twardości. Minimalna wartość mikrotwardości występuje w strefie wpływu ciepła. Dzieje się tak, ponieważ strefa wpływu ciepła jest zwrócona w kierunku przewodzenia ciepła; mały gradient temperatury prowadzi do stosunkowo większych ziaren, co z kolei zmniejsza mikrotwardość.

Rysunek 8 Rozkład mikrotwardości złączy spawanych przy różnych mocach lasera półprzewodnikowego

Wnioski 3
W porównaniu do tradycyjnych spawanie laserowewstępne podgrzewanie lub obróbka powierzchniowa miedzi nie jest konieczna. Dzięki zastosowaniu kompozytowych laserów światłowodowych i półprzewodnikowych miedź można spawać w jednym etapie, redukując proces produkcyjny i obniżając koszty produkcji. Stanowi to cenne odniesienie techniczne do rzeczywistej produkcji.

Podczas procesu spawania laser półprzewodnikowy zapewnia dodatkowe ogrzewanie spoiny, uzyskując najwyższą wytrzymałość na rozciąganie spoiny bez porowatości przy mocy ustawionej na 800W. Moc lasera półprzewodnikowego znacząco wpływa na mikrostrukturę spoiny. Wraz ze wzrostem mocy lasera półprzewodnikowego struktura kryształu komórkowego w strefie stapiania stopniowo staje się grubsza; zwiększa się wielkość ziaren w strefie wpływu ciepła; a równoosiowa struktura krystaliczna w środku spoiny zwiększa wielkość cząstek. Większy rozmiar ziarna zmniejszy mikrotwardość spoiny.