Proces spawania laserem światłowodowym jednomodowym stopu aluminium 6063

ABSTRACT:Celem pracy jest zbadanie optymalnego spawanie laserowe schemat procesu technologicznego dla stopu aluminium 6063 mającego na celu poprawę naprężenia zgrzewania punktowego ze względu na to, że naprężenie stopu aluminium 6063 zgrzewanego punktowo laserem impulsowym jest niskie i nie odpowiada rzeczywistym potrzebom. The laser światłowodowy jednomodowy został użyty do spawania stopu aluminium 6063, a spiralne plamy zostały utworzone przez niezwykle cienką linię, aby zastąpić pojedynczy impuls laserowe zgrzewanie punktowe. Przeprowadzono eksperyment ortogonalny w celu uzyskania optymalnych parametrów mocy lasera, prędkości spawania i rozogniskowania. Analizując wygląd i mikrostrukturę spoiny wyjaśniono przyczynę wzrostu naprężenia punktowego zgrzeiny. Przy mocy lasera wynoszącej 70 W, prędkości spawania 100 mm/s, rozognisku 0, napięciu plamek osiągającym maksymalnie 65 N, a parametry procesu były najlepsze. Napięcie punktu spawania laserowego jednomodowego było 3 razy większe niż miejsca spawania laserem impulsowym. Podczas spawania jednomodowym laserem światłowodowym spiralnym energia lasera rozkłada się równomiernie w zakresie plamki i ma dużą gęstość mocy, tworząc kształt spoiny o szerokości powierzchni spoiny prawie takiej samej jak szerokość dna spoiny, co sprzyja poprawiając napięcie miejsca zgrzewania i zapewniając odniesienie techniczne do rzeczywistej produkcji.

SŁOWA KLUCZOWE:stop aluminium 6063; laser światłowodowy jednomodowy; spawanie laserowe; napięcie

Materiały ze stopów aluminium mają zalety lekkości, wysokiej wytrzymałości, łatwości obróbki i kształtowania oraz dobrej odporności na korozję. Są szeroko stosowane w takich gałęziach przemysłu, jak przemysł lotniczy, sprzęt komputerowy i samochodowy. Wraz z postępem nauki i technologii postawiono wyższe wymagania dotyczące jakości spoin i wydajności spawania stopów aluminium. Spawanie laserowe ma tę zaletę, że wymaga dużej energii gęstość, niski całkowity dopływ ciepła, małe odkształcenia po spawaniu i łatwa automatyzacja dzięki brakowi kontaktu z przedmiotem obrabianym. Ma szerokie perspektywy zastosowania w spawaniu stopów aluminium.
Stop aluminium ma wysoki współczynnik odbicia laserów, co wymaga wyższej energii lasera do osiągnięcia spawania. Ponadto pierwiastki o niskiej temperaturze topnienia, takie jak Mg i Zn, w stopach aluminium są podatne na wypalenie, co powoduje zmniejszenie wytrzymałości złącza spawalniczego, co ma wpływ na praktyczne zastosowanie. Stop aluminium 6063 ma wysoką wytrzymałość i dobrą odporność na tarcie oraz jest to materiał ze stopu aluminium o szerokim zakresie zastosowań. Cienkie materiały zazwyczaj wykorzystują źródło lasera Nd: YAG do zgrzewania punktowego, co może zmniejszyć odkształcenia termiczne i poprawić wydajność produkcji. Jednak wytrzymałość punktu zgrzeiny na rozciąganie jest niższa, co może nie spełniać praktycznych wymagań produkcyjnych. Wraz z dalszym rozwojem technologii laserowej technologia jednomodowego lasera światłowodowego staje się coraz bardziej dojrzała, a jakość wiązki jest coraz lepsza i lepiej, co jest bardzo pomocne w poprawie wytrzymałości na rozciąganie miejsca zgrzeiny.
W artykule zastosowano jednomodowy laser światłowodowy o mocy 1000 W do spawania drutu spiralnego, tworząc miejsce zgrzeiny. Optymalizując parametry procesu, uzyskuje się maksymalną wytrzymałość na rozciąganie miejsca zgrzeiny. Porównuje się także z wytrzymałością na rozciąganie punktów spoiny uzyskaną podczas zgrzewania punktowego za pomocą lasera impulsowego, dostarczając cennych referencji do praktycznych zastosowań inżynieryjnych.

1 Eksperyment spawalniczy

Materiały 1.1

Materiałem jest stop aluminium o gatunku 6061 i grubości 0.5 mm. Skład chemiczny materiału przedstawiono w tabeli 1. Materiał pociąć na płytki o wymiarach 200 mm x 100 mm, oczyścić alkoholem i wodą i odłożyć. Metodą spawania jest zgrzewanie zakładkowe, a spawane elementy mocuje się za pomocą domowych uchwytów.

Tab.1Skład chemiczny stopu aluminium 6061 (ułamek masowy)%

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

1.2 Zakup / sprzedaż sprzętu

W urządzeniu doświadczalnym zastosowano jednomodowy laser światłowodowy firmy IPG spawalniczy, o średnicy włókna 0.14 µm i średniej mocy 1000 W. Platforma eksperymentalna składa się głównie z lasera, komputera, układu ścieżki optycznej i układu sterowania, jak pokazano na rysunku 1a. Laser odbija się od galwanometru skanującego i skupia się na płaszczyźnie roboczej przez soczewkę F. Galwanometr obraca się z dużą prędkością pod napędem silnika x/y, formując w płaszczyźnie różne trajektorie, takie jak okręgi, prostokąty, linie proste, linie spiralne itp. Po przejściu przez soczewkę F wielkość plamki wynosi około 0.28 mm. Schemat ideowy układu ścieżki optycznej pokazano na rysunku 1b. Do zgrzewania punktowego laserem impulsowym wykorzystuje się laser Nd:YAG o mocy 500 Wźródłoo mocy szczytowej do 8000W. Po skupieniu wiązki lasera przez układ ścieżki optycznej, wielkość plamki wynosi około 0.4 ~ 1.0 mm.Elektroniczny tester rozciągania wyprodukowany przez Jinan Huaxing Experimental Equipment Co., Ltd (model: WDH-10) służy do badania rozciągania szwu spawalniczego. Wygląd spoiny jest testowany za pomocą mikroskopu metalograficznego, pod marką Beijing North Star i numerem modelu XJB200.

Ryc.1 Platforma eksperymentalna

2 Doświadczenia i wyniki procesu spawania laserowego

2.1 Projekt graficzny spawania i porównanie wyglądu

Pulsacyjny laserowe zgrzewanie punktowe do spawania wykorzystuje laser Nd:YAG o mocy 500 W, wraz ze zgrzewaniem wymagany zakres 0.6 ~ 0.8 mm. Skoncentrowany rozmiar wiązki impulsowej laserowe zgrzewanie punktowe po prostu spełnia wymagania. Laser emituje impuls, który oddziałuje na materiał, tworząc a miejsce spawania. Schemat ideowy miejsca zgrzewania pokazano na rysunku 2a.Ponieważ skupiona plamka jednomodowego lasera światłowodowego wynosi zaledwie 0.28 mm, laser wiązka tworzy miejsce zgrzewania poprzez prowadzenie spirali, średnica spirali wynosi 0.8 mm,a spirala ma 4 zwoje. Pomiędzy nimi występuje pewien stopień nakładania się laserów zakręcić, tworząc punkt spawania laserowego o średnicy 0.8 mm. Schemat ww punkt zgrzewania pokazano na rysunku 2b. Wygląd zgrzewania punktowego laserem impulsowym jest pokazano na rysunku 2c, a wygląd miejsca spawania utworzonego przez spiralę jest pokazano na rysunku 2d. Rozmiar dwóch miejsc zgrzewania jest prawie identyczny i nie znaczącą różnicę można zaobserwować wizualnie.

Ryc.2 Schemat i wygląd miejsc spawów

2.2 Ortogonalny eksperyment parametrów procesu

Główne parametry przetwarzania impulsowego laserowe zgrzewanie punktowe obejmują laser szczytowy moc, szerokość impulsu i stopień rozogniskowania. Wstępne badanie procesu spawania laserowego prowadzone na stopie aluminium 0.5 o grubości 6061 mm. Gdy szczytowa moc lasera wynosi 2400 W, moc szczytowa jest stosunkowo mała, co skutkuje mniejszym miejscem spawania siła uciągu 3 N.Kiedy szczytowa moc lasera wynosi 3600 W, na powierzchni spoiny występują odpryski szwu, a siła rozciągająca miejsca zgrzeiny jest również niska i wynosi 4 N. Gdy szerokość impulsu wynosi 3 ms, średnica miejsca zgrzewania jest mniejsza, a siła rozciągająca mniejsza i wynosi 3 N.Gdy szerokość impulsu wynosi 9 ms, średnica miejsce zgrzewania wynosi 0.9 mm, co przekracza zakres spawania 0.6 ~ 0.8 mm. Gdy występuje rozogniskowanie na 0, ze względu na duży gęstość mocy, na spoinie występują rozpryski, a wygląd nie spełniają normę. Jednakże, gdy rozmycie wynosi 6 mm, ze względu na gwałtowny spadek ostrościgęstość mocy, siła rozciągająca w punkt zgrzewania jest niższy i wynosi 4 N. Trzy poziomyczynniki te przedstawiono w tabeli 2.

Tab.2 Czynniki i poziomy zgrzewania punktowego laserem impulsowym

numer	czynnik
	Moc szczytowa/W	B szerokość impulsu/ms	C Stopień rozogniskowania/mm
1	2500	4	1
2	3000	6	3
3	3500	8	5

Głównymi parametrami procesu spawania spiralnego laserem światłowodowym jednomodowym są: średnia moc lasera, prędkość spawania i stopień rozogniskowania,kiedy przeciętny laser moc wynosi 500 W, siła rozciągająca w miejscu zgrzewania jest mniejsza i wynosi 4 N;Kiedy średniamoc lasera wynosi 900 W, niektóre rozpryski materiału, a siła rozciągająca na punkt spawania to również niższy, przy 3 N;Przy prędkości spawania 90 mm/s następuje również akumulacja ciepła wysoka, co powoduje spalenie materiału, a siła rozciągająca w miejscu spawania jest niższa i wynosi 5N;Gdy prędkość spawania wynosi 170 mm/s, akumulacja ciepła jest mniejsza, zarówno w przypadku spawania szerokość i głębokość spawania są mniejsze, a siła rozciągająca w punkcie spoiny jest niższy, o godz4 N;Gdy stopień rozogniskowania wynosi 0, gęstość mocy jest większa, powodując rozpryskiszew spawalniczy, który nie spełnia wymagań dotyczących wyglądu; Kiedy następuje rozogniskowanie kwota wynosi 6 mm, ze względu na gwałtowny spadek gęstości mocy, siła rozciągająca na punkt zgrzewania jest niższy, przy 4 N. Trzy czynniki i trzy poziomy przedstawiono w tabeli 3.

Tab.3 Czynniki i poziomy spawania spiralnego laserem światłowodowym jednomodowym

numer	czynnik
	D średnia moc/W	E prędkość spawania/ (mm·s- 1)	C Stopień rozogniskowania/mm
1	600	100	1
2	700	130	3
3	800	160	5

Trójpoziomowy eksperyment ortogonalny impulsu laserowe zgrzewanie punktowe zawiera dziewięć zestawów,gdy moc szczytowa wynosi 3000 W, szerokość impulsu wynosi 8 ms, a wielkość rozogniskowaniawynosi 1 mm, siła rozciągająca w miejscu zgrzewania osiąga wartość szczytową przy 17 N,to są uważane za optymalne parametry procesu.Dla współczynnika szczytowego lasera mocy (A), przeprowadza się trzy eksperymenty poziom 1 (A=2500 W),zsumuj siłę rozciągającą punktów spawania z tych 3 eksperymenty, aby uzyskać sumę statystyczną K1=35,w przypadku wybrania poziomu 2 suma wytrzymałość na rozciąganie punktów zgrzewania jest statystyczna sumaryczna K2=46,kiedy poziom wybrano 3,suma jest suma statystyczna K3=33,im większa wartość statystyczna K, tym wyższa siła rozciągająca na tym poziomie,najwyższa wartość to K2,oznacza to, że gdy czynnik A wynosi na poziomie 2 (A = 3000 W) wytrzymałość punktu zgrzewania na rozciąganie jest największa;Podobnie wartość statystyczna K wytrzymałości na rozciąganie punktu spoiny jest inna Czynniki(szerokość impulsu, rozogniskowanie) można uzyskać, jak pokazano w tabeli 4. Przedstawiony jest zakresprzez R,im mniejsza wartość R, tym mniejszy wpływ tego współczynnika na wytrzymałość na rozciąganiepunkt spawania;I odwrotnie, im większa wartość R, tym większy wpływ tego czynnikana wytrzymałość na rozciąganie punktu spoiny. Z tabeli 4 wynika widać, że czynnikiwpływające na wytrzymałość punktu zgrzeiny na rozciąganie to w kolejności od najważniejszej: moc szczytowa,szerokość impulsu i rozogniskowanie.

Tab.4 Wyniki eksperymentu ortogonalnego zgrzewania punktowego laserem impulsowym

numer	Moc szczytowa/W	Bszerokość impulsu/ms	CRozogniskowilość/mm	Napięcie złącza lutowanego/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

Trójczynnikowy, trójpoziomowy eksperyment ortogonalny jednomodowej linii spiralnej lasera światłowodowego spawanie obejmuje w sumie 9 grup. Gdy średnia moc wynosi 3000 W, spawanie prędkość wynosi 160 mm/s, stopień rozogniskowania wynosi 1 mm, wytrzymałość spoiny na rozciąganie punkt osiąga najwyższą wartość 47 N, co jest optymalnym parametrem procesu.

Gdy średni współczynnik mocy lasera G jest ustawiony na poziomie 1 (A=600 W), tworzą się w sumie 3 grupy eksperymentalne, a wytrzymałości na rozciąganie tych 3 grup punktów zgrzewania dodaje się, otrzymując statystykę F1=98;Podobnie , można uzyskać statystykę wartości wytrzymałości na rozciąganie innych czynników, jak pokazano w tabeli5. Wśród nich Y jest wartością zakresu. Na podstawie wartości zakresu można zauważyć, że czynnikami wpływającymi na wielkość złącza lutowniczego są, od pierwotnego do wtórnego, rozogniskowanie, średnia moc i prędkość spawania.

2.3 Analiza wyglądu spoiny i mikrostruktury

Na rysunku 3a przedstawiono przekrój zgrzeiny punktowej przy optymalnych parametrach procesu dla impulsowego laserowego zgrzewania punktowego, szerokość powierzchni spoiny jest duża, lecz wraz ze wzrostem głębokości wtopienia szerokość spoiny maleje. Szerokość spoiny pomiędzy dwiema górnymi i dolnymi warstwami wynosi w przybliżeniu 1/3 szerokości powierzchni punktu zgrzewania, ponieważ energia impulsowego lasera jest rozprowadzana głównie w środku plamki świetlnej o średnicy 0.8 mm. Energia na krawędzi plamki świetlnej jest mniejsza, co może jedynie stopić powierzchnię materiału i nie może dalej przenikać w dół, tworząc spoinę, która jest szeroka u góry i wąska u dołu. Rysunek 3b przedstawia przekrój poprzeczny punkt zgrzeiny w optymalnych warunkach procesu dla jednomodowego spawania spiralnego laserem światłowodowym, gdzie szerokość powierzchni spoiny jest w przybliżeniu równa szerokości zgrzewania punktowego laserem impulsowym, wraz ze wzrostem głębokości wtopienia nie następuje istotne zmniejszenie szerokość szwu spawalniczego. Szerokość spoiny pomiędzy górną i dolną warstwą materiału jest prawie taka sama jak szerokość powierzchni punktu spoiny, dzieje się tak dlatego, że w przypadku jednomodowego spawania spiralnego laserem światłowodowym skupiony punkt jednomodowego laser światłowodowy ma średnicę 0.28 mm, energia lasera jest równomiernie rozłożona w zasięgu plamki i ma dużą gęstość mocy. W najbardziej zewnętrznym okręgu linii spiralnej energia lasera jest wystarczająca do stopienia materiału, tworząc kształt spoiny, w której szerokość powierzchni spoiny jest prawie taka sama jak dno spoiny. Podczas próby rozciągania, głównym położeniem naprężenia jest szerokość spoiny pomiędzy górną i dolną warstwą materiału. Im większa szerokość, tym większa siła rozciągająca punktu zgrzeiny. Szerokość spoiny pomiędzy górną i dolną warstwą materiału w jednomodowej spoinie spiralnej lasera światłowodowego jest trzykrotnością szerokości spoiny punktowej lasera impulsowego, dlatego też wytrzymałość na rozciąganie punktu spoiny jednomodowej Spawanie spiralne laserem światłowodowym jest również trzykrotnie większe niż spawanie punktowe laserem impulsowym.

Tab.5 Wyniki eksperymentu ortogonalnego spawania spiralnego jednomodowego

numer	D średnia moc/W	E prędkość spawania/(mm·s- 1)	F rozogniskowanieilość/mm	napięcie złącza lutowanego/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

Rys.3 Przekrój miejsca zgrzewania

Rysunek 4a przedstawia strukturę metalograficzną materiału macierzystego stopu aluminium 6061. Wielkość ziaren jest nierówna, kształt nieregularny, a ziarna stosunkowo duże, co jest typową strukturą '-Al.Rysunek 4b przedstawia mikrostrukturę środka szwu spawalniczego przy optymalnych parametrach procesu zgrzewania punktowego impulsem laserowym. Posiada strukturę dendrytyczną ze stopu aluminium. Wielkość ziaren uległa znacznemu rozdrobnieniu w porównaniu z materiałem macierzystym stopu aluminium 6061. Jest to spowodowane szybkim nagrzewaniem i szybkim chłodzeniem materiału ze stopu aluminium za pomocą zgrzewania punktowego impulsem laserowym, co skutkuje rozdrobnieniem ziaren szwu spawalniczego. Rysunek 4c przedstawia mikrostrukturę środka szwu spawalniczego przy optymalnych parametrach procesu jednomodowego spawania spiralnego laserem światłowodowym. Jest to reprezentowane przez strukturę dendrytyczną ze stopu aluminium. Wielkość ziaren nie wykazuje istotnej różnicy w porównaniu ze strukturą metalograficzną zgrzewania punktowego impulsem laserowym.

Rys.4 Mikrostruktura miejsca zgrzewania

Wnioski 3

Stop aluminium 6063 zgrzewano oddzielnie, stosując metody zgrzewania punktowego laserem impulsowym i spawania spiralnego laserem światłowodowym jednomodowym, po czym przeprowadzono eksperyment optymalizacji ortogonalnej. Maksymalna siła naciągu punktów zgrzeiny uzyskana metodą zgrzewania punktowego laserem impulsowym osiągnęła 17 N, optymalne parametry procesu to: moc szczytowa 3000 W, szerokość impulsu 8 ms, wielkość rozogniskowania 1 mm dla zgrzewania punktowego laserem impulsowym. Maksymalna siła naciągu punktów zgrzeiny uzyskana przy jednomodowym spawaniu spiralnym laserem światłowodowym osiągnęła 47 N. Optymalne parametry procesu dla tej metody to: średnia moc 3000 W, prędkość zgrzewania 160 mm/s, stopień rozogniskowania 1 mm.

Pojawienie się wyników pulsu laserowe zgrzewanie punktowe a jednomodowe spawanie spiralne laserem światłowodowym przy optymalnych parametrach procesu jest prawie identyczne, bez znaczących różnic; nie ma również zauważalnej rozbieżności w strukturze metalurgicznej i wielkości ziaren. Szerokość spoiny pomiędzy górną i dolną warstwą materiału w jednomodowym spawaniu spiralnym laserem światłowodowym jest trzykrotnie większa niż szerokość spoiny ze zgrzewania punktowego laserem impulsowym. Dlatego też siła ciągnięcia zgrzein punktowych w przypadku jednomodowego spawania spiralnego laserem światłowodowym jest również trzykrotnie większa niż w przypadku zgrzewania punktowego laserem impulsowym.