Efeito da soldagem de compósitos a laser de diodo e fibra na microestrutura e propriedades do cobre

0 Prefácio
O cobre vermelho tem boa ductilidade, alta condutividade térmica e condutividade elétrica, e é amplamente utilizado na indústria aeroespacial, engenharia naval, cabos e componentes elétricos e eletrônicos. Os métodos tradicionais de soldagem de cobre vermelho, como soldagem com gás inerte de tungstênio, têm alta entrada de calor, poste grande -deformação de soldagem e costuras de solda desagradáveis, que não atendem mais aos requisitos da produção moderna.

A soldagem a laser tem menos entrada de calor geral, o que pode melhorar muito os problemas de grande deformação pós-soldagem e aparência ruim. A tecnologia de soldagem a laser desenvolveu-se rapidamente nos últimos anos. Devido à baixa taxa de absorção dos lasers de comprimento de onda do infravermelho próximo na superfície do cobre, geralmente apenas cerca de 4%, a maior parte da energia do laser é refletida. Requer alta entrada de energia para soldar o cobre, o que pode levar a uma baixa estabilidade da soldagem; Durante o processo de fusão do cobre vermelho, os poros são facilmente formados na costura de solda, o que afeta as propriedades mecânicas da junta de solda. grande entrada de calor leva a um aumento drástico no tamanho do grão, o que também afeta negativamente o desempenho da junta soldada;

A nova tecnologia de soldagem composta de semicondutores e laser de fibra é usada no experimento para soldar cobre vermelho a laser. A influência dos parâmetros do processo na formação da junta soldada é analisada para fornecer referências técnicas para a produção real.

1 Experimento de soldagem
1.1 Materiais a serem soldados e equipamentos de soldagem
O material experimental é cobre vermelho, com espessura de 1.0 mm, comprimento × largura de 100mm×50mm. O método de soldagem é a emenda. O material a ser soldado é fixado com um acessório caseiro para reduzir a deformação durante soldagem.

Um laser composto de um laser semicondutor e um laser de fibra são usados ​​para soldar cobre vermelho. O comprimento de onda do laser semicondutor é de 976 nm, a potência máxima é de 1000 W e o diâmetro do núcleo da fibra é de 400 mícrons. O laser de fibra tem um comprimento de onda de 1070 nm, uma potência máxima de laser de 1000 W e um diâmetro de núcleo de fibra de 50 mícrons. . Os dois tipos de lasers são combinados através de uma cabeça de soldagem, com a lente de colimação da cabeça de soldagem tendo uma distância focal de 100 mm e a lente de foco tendo uma distância focal de 200 mm, o caminho óptico é mostrado na Figura 1 (a), o o diâmetro do ponto do laser semicondutor após passar pela cabeça de soldagem no foco do laser é de cerca de 0.8 mm. Devido ao grande tamanho do ponto, ele pode fornecer aquecimento auxiliar ao redor da costura de solda. O diâmetro do ponto do laser de fibra no foco é de cerca de 0.1 mm e a densidade de potência é pequena (densidade de potência = potência do laser/área do ponto; quanto menor o diâmetro do ponto, maior será a densidade de potência). Isso pode gerar temperaturas mais altas, conseguindo a soldagem de materiais de cobre.Todos os experimentos mencionados no texto foram realizados nos pontos focais de lasers semicondutores e lasers de fibra para soldagem.A plataforma experimental de soldagem composta a laser é mostrada na Figura 1 (b). Consiste principalmente em um laser semicondutor, um laser de fibra, um cabeçote de soldagem, um computador de controle industrial e um módulo X/Y. Nesta configuração, o cabeçote de soldagem, acionado pelo módulo X/Y, realiza a soldagem do trilho para formar uma costura de solda. A potência do laser semicondutor e do laser de fibra pode ser definida separadamente.

(a) Diagrama esquemático do caminho óptico da soldagem híbrida	(b) Equipamento experimental
Figura 1 Equipamento de soldagem a laser

1.2 Equipamento de inspeção de solda
A microestrutura do cordão de solda foi testada e analisada em microscópio metalográfico, modelo WYJ-4XBD. Isto foi feito para analisar os efeitos de diferentes parâmetros do processo na microestrutura do cordão de solda. A resistência à tração do cordão de solda foi testada utilizando uma máquina de tração eletrônica, modelo FR-103C. O equipamento é mostrado na Figura 2(b). A resistência à tração P da costura de solda é obtida dividindo a força de tração F pela área S da costura de solda. A resistência à tração é testada 3 vezes em cada parâmetro do processo, e a resistência à tração média obtida é a resistência à tração da costura de solda correspondente a este parâmetro do processo. A velocidade de estiramento da máquina de tração é ajustada para 1 mm/s. A microdureza da junta soldada da amostra de solda é testada com um testador de microdureza, modelo HV-1000. A carga experimental é de 50g e o tempo de carregamento é de 10s.

2 Processo experimental e análise de resultados
2.1 Efeito do laser semicondutor na aparência e resistência das soldas
Após numerosos experimentos preliminares, ao usar apenas um laser de fibra para soldagem (com a potência do laser semicondutor definida como 0W), se a potência do laser de fibra for 900W e a velocidade de soldagem for 30mm/s, a costura de solda apenas penetrará, mas é propenso à formação de poros dentro da costura de solda. Conforme mostrado na Figura 3 (a), em tentativas contínuas de otimizar parâmetros do processo, como velocidade de soldagem e potência do laser para soldagem a laser de fibra, ainda existem poros dentro da costura de solda. Isso ocorre porque durante o processo de fusão do cobre roxo, o laser de fibra tem um grande aporte de calor ao cobre e uma alta temperatura, o que aumenta muito a solubilidade do hidrogênio no ar da poça fundida. boa condutividade térmica do cobre roxo, a velocidade de resfriamento da poça derretida é muito rápida. A rápida solidificação da poça fundida faz com que o hidrogênio dissolvido na poça fundida não se dissipe da costura de solda a tempo, resultando em hidrogênio residual dentro da costura de solda e na formação de poros na costura. Esses poros internos na costura de solda afetarão adversamente as propriedades mecânicas da junta de solda.

O artigo emprega um método de soldagem composta usando um laser semicondutor e um laser de fibra. A potência do laser de fibra é mantida constante em 900W e a velocidade de soldagem em 30mm/s. A potência do laser semicondutor é definida em 600W, 800W e 1000W respectivamente para analisar o efeito na costura de solda. Quando a potência do laser semicondutor é de 600 W, na costura de solda mostrada na Figura 3 (b), existem poros presentes dentro da costura de solda. Quando a potência do laser semicondutor é de 800 W, conforme mostrado na Figura 3 (c), há não há poros dentro da costura de solda. Isso ocorre porque o laser semicondutor possui um diâmetro de ponto de 0.8 mm no ponto focal, cobrindo uma faixa de aquecimento maior. O laser semicondutor fornece aquecimento auxiliar ao redor da costura de solda, o que reduz a taxa de resfriamento da poça de fusão. Isso permite que o hidrogênio dissolvido na poça fundida tenha tempo suficiente para evaporar da costura de solda, não deixando poros residuais na costura de solda. Quando a potência do laser semicondutor é aumentada ainda mais para 1000W, a aparência da costura de solda é mostrada na Figura 3 (d), com poros maiores em seu interior. Isto pode ser devido à potência excessivamente alta do laser semicondutor, levando a uma maior entrada geral de calor. Isto causa a ablação de elementos de baixo ponto de fusão dentro do cobre e deixa cavidades dentro da costura de solda.

A resistência à tração da costura de solda é testada usando uma máquina de teste de tensão, quando os parâmetros da potência do laser de fibra são ajustados em 900W, a velocidade de soldagem em 30mm/s e a quantidade de desfocagem em 0mm são mantidos constantes, uma análise do O impacto da potência do laser semicondutor na resistência à tração da costura de solda é conduzido, com resultados apresentados na Figura 4. Quando a potência do laser semicondutor é ajustada em 0W e 600W, não há alteração significativa na resistência à tração da costura de solda. Isto ocorre porque uma potência de 600W não tem um impacto significativo na morfologia da costura de solda. Semelhante a quando a potência está em 0W, há poros produzidos dentro da costura de solda, resultando em uma resistência à tração entre 160 ~ 161MPa. Quando a potência do laser semicondutor é ajustada em 800W, a resistência à tração da costura de solda atinge seu máximo em 238MPa , atingindo 80% da resistência à tração do material base de cobre (que é 292MPa). Isso representa um aumento de cerca de 50% na resistência à tração em comparação com quando a potência do laser semicondutor é ajustada em 0W e 600W. Quando a potência do laser semicondutor é ajustada em 1000W, a resistência à tração da costura de solda diminui drasticamente. Isso ocorre porque a potência do laser semicondutor é muito alta, fazendo com que os elementos de baixo ponto de fusão sejam ablacionados, reduzindo drasticamente a resistência à tração da costura de solda.

Figura 4 Resistência à tração de juntas soldadas sob diferentes potências de laser semicondutor

2.2 Efeito do laser semicondutor na microestrutura da solda
Com potência de 900W, o soldador a laser de fibra opera a uma velocidade de 30mm/s, com 0mm de desfocagem. As imagens metalográficas da microestrutura das zonas de fusão em diferentes potências de laser semicondutor são mostradas na Figura 5. Quando a potência do laser semicondutor é ajustada em 0W, a microestrutura da zona de fusão é uma estrutura cristalina celular delgada, como mostrado na Figura 5 (a) . Quando a potência do laser semicondutor é ajustada em 600W e 800W, as microestruturas das zonas de fusão são mostradas na Figura 5 (b) e na Figura 5 (c), respectivamente. Com o aumento da potência do laser semicondutor, a estrutura cristalina celular torna-se gradualmente mais grosseira. Isso ocorre porque o gradiente de temperatura na zona de fusão é relativamente grande, os grãos crescem na direção da condução de calor, formando finas estruturas cristalinas celulares. Quando a potência do laser semicondutor é ajustada em 1000W, a microestrutura da zona de fusão, conforme mostrado em A Figura 5 (d) transforma-se em uma estrutura α-Cu muito mais grosseira. Isto se deve à taxa de resfriamento extremamente lenta, resultando na formação de grandes grãos de α-Cu.

Com potência de 900W, o soldador a laser de fibra opera a uma velocidade de 30mm/s, com 0mm de desfocagem. As imagens metalográficas da microestrutura das zonas afetadas pelo calor em diferentes potências do laser semicondutor são mostradas na Figura 6. A estrutura das zonas afetadas pelo calor é toda recozida α-Cu. Quando a potência do laser semicondutor é ajustada em 0W e 600W, o grão os tamanhos na zona afetada pelo calor não variam significativamente, como mostrado na Figura 6 (a) e Figura 6 (b). Isso se deve à potência relativamente baixa do laser semicondutor, que não tem um efeito perceptível na microestrutura da solda. Quando a potência do laser semicondutor é ajustada para 800 W, os grãos na zona afetada pelo calor aumentam visivelmente, conforme mostrado na Figura 6 (c). Quando a potência é aumentada para 1000W, o tamanho médio do grão continua a crescer, conforme mostrado na Figura 6 (d), isso ocorre porque à medida que a potência do laser semicondutor aumenta, a velocidade de resfriamento da poça fundida diminui. Isto resulta em um tempo prolongado de refusão e recristalização para a poça fundida. A quantidade de calor e o tempo conduzido para a zona afetada pelo calor aumentam, prolongando o tempo de crescimento dos grãos nesta zona, o que por sua vez leva a um aumento no tamanho dos grãos na zona afetada pelo calor.

Com potência de 900W, velocidade de soldagem de 30mm/s e quantidade de desfocagem de 0mm para o laser de fibra, a microestrutura metalográfica na área central da solda sob diferentes potências de laser semicondutor é mostrada como na Figura 7, quando o semicondutor a potência do laser é definida em 0W, 600W e 800W respectivamente, a micrografia metalográfica da microestrutura no centro da solda é mostrada na Figura 7 (a), Figura 7 (b) e Figura 7 (c), respectivamente, todas são estruturas de grãos equiaxiais, à medida que a potência do laser semicondutor aumenta, a quantidade de estruturas de grãos equiaxiais aumenta gradualmente. Isso ocorre porque o aumento na potência do laser semicondutor faz com que a temperatura geral no centro da solda suba, proporcionando tempo suficiente para o desenvolvimento da estrutura de grão equiaxial. Quando a potência do laser semicondutor é aumentada ainda mais para 1000W, a microestrutura em o centro da solda transita para grandes grãos de α-Cu, conforme mostrado na Figura 7 (b). Isto se deve a uma diminuição do gradiente de temperatura no centro da solda, o que faz com que a taxa de resfriamento da solda diminua significativamente, facilitando a formação de grandes grãos de α-Cu.

2.3 Efeito do laser semicondutor nas propriedades mecânicas de soldas
Com a potência do laser de fibra definida em 900 W, uma velocidade de soldagem de 30 mm/s e uma quantidade de desfocagem de 0 mm, a microdureza sob diferentes potências de laser semicondutor é mostrada na Figura 8. À medida que a potência do laser semicondutor aumenta, o máximo a dureza da solda diminui gradualmente. Isso ocorre porque o aumento na potência do laser semicondutor estende o tempo de resfriamento e solidificação da poça de fusão, permitindo que os grãos cresçam totalmente. O maior tamanho de grão resulta na redução do valor de microdureza do material. A tendência da área de solda em direção ao material base apresenta uma diminuição inicial seguida de um aumento, sendo a microdureza máxima observada na área central da solda. Isto se deve à presença de grãos muito pequenos nesta área, pois o refinamento do grão resulta em aumento da dureza. O valor mínimo de microdureza ocorre na zona afetada pelo calor. Isto ocorre porque a zona afetada pelo calor está na direção da condução de calor; o pequeno gradiente de temperatura leva a grãos relativamente maiores, que por sua vez reduzem a microdureza.

Figura 8 Distribuição de microdureza de juntas soldadas sob diferentes potências de laser semicondutor

Conclusão 3
Em comparação com o tradicional soldagem a laser, não é necessário pré-aquecimento ou tratamento de superfície do cobre. Usando lasers compostos de fibra e semicondutores, o cobre pode ser soldado em uma única etapa, reduzindo o processo de fabricação e economizando custos de produção. Isto fornece uma referência técnica valiosa para a produção real.

Durante o processo de soldagem, o laser semicondutor fornece aquecimento auxiliar à solda, produzindo a maior resistência à tração na solda sem porosidade quando a potência é ajustada em 800W. A potência do laser semicondutor afeta significativamente a microestrutura da solda. À medida que a potência do laser semicondutor aumenta, a estrutura cristalina celular na zona de fusão torna-se gradualmente mais grosseira; o tamanho do grão na zona afetada pelo calor aumenta; e a estrutura cristalina equiaxial no centro da solda aumenta no tamanho das partículas. O tamanho de grão maior reduzirá a microdureza da solda.