Processo de soldagem a laser de fibra monomodo de liga de alumínio 6063

RESUMO:O trabalho tem como objetivo estudar o ótimo soldagem a laser esquema de processo para liga de alumínio 6063 para melhorar a tensão do ponto de soldagem, tendo em vista que a tensão da liga de alumínio 6063 soldada por laser pulsado é baixa e não atende às necessidades reais. O laser de fibra monomodo foi usado para soldar a liga de alumínio 6063, e os pontos espirais foram formados por linhas extremamente finas para substituir o pulso único soldagem a laser. O experimento ortogonal foi realizado com potência do laser, velocidade de soldagem e desfocagem para obter os parâmetros ideais. Através da análise da aparência e microestrutura da solda, foi explicado o motivo do aumento da tensão do ponto de soldagem. Quando a potência do laser foi de 70 W, a velocidade de soldagem foi de 100 mm/s e o desfoque foi 0, a tensão dos pontos atingiu o máximo de 65 N e os parâmetros do processo foram os melhores. A tensão do ponto de soldagem a laser monomodo foi 3 vezes maior que a do ponto de soldagem a laser pulsado. Na soldagem com laser espiral de fibra monomodo, a energia do laser é distribuída uniformemente na faixa do ponto e tem uma grande densidade de potência, formando um formato de solda com a largura da superfície da solda quase igual à do fundo da solda, o que é propício para melhorando a tensão do ponto de soldagem e fornecendo referência técnica para a produção real.

CHAVES:Liga de alumínio 6063; laser de fibra monomodo; soldagem a laser; tensão

Os materiais de liga de alumínio têm as vantagens de serem leves, de alta resistência, fáceis de processar e moldar e boa resistência à corrosão. Eles têm sido amplamente utilizados em indústrias como aeroespacial, hardware e automóveis. Com o avanço da ciência e da tecnologia, requisitos mais elevados foram apresentados para a qualidade da solda e a eficiência da produção de soldagem de liga de alumínio. densidade, baixo aporte de calor total, pequena deformação após a soldagem e fácil automação devido ao não contato com a peça de trabalho. Possui ampla perspectiva de aplicação na soldagem de ligas de alumínio.
A liga de alumínio tem alta refletividade para lasers, exigindo maior energia do laser para realizar a soldagem. Além disso, elementos de baixo ponto de fusão, como Mg e Zn em ligas de alumínio, são propensos a queimar, resultando em uma diminuição na resistência da junta de soldagem, afetando o uso prático. A liga de alumínio 6063 tem alta resistência e boa resistência ao atrito, e é um material de liga de alumínio com uma ampla gama de aplicações. Materiais finos geralmente usam fonte de laser Nd: YAG para soldagem por pontos, o que pode reduzir a deformação térmica e melhorar a eficiência da produção. No entanto, a resistência à tração do ponto de solda é menor, o que pode não atender aos requisitos práticos de produção. Com o desenvolvimento da tecnologia laser, a tecnologia laser de fibra monomodo está se tornando cada vez mais madura e a qualidade do feixe está melhorando e melhor, o que é de grande ajuda para melhorar a resistência à tração do ponto de solda.
O artigo usa um laser de fibra monomodo de 1000 W para soldar o fio espiral, formando um ponto de solda. Ao otimizar os parâmetros do processo, a máxima resistência à tração do ponto de solda é alcançada. Ele também se compara à resistência à tração dos pontos de solda da soldagem a ponto por laser pulsado, fornecendo referências valiosas para aplicações práticas de engenharia.

1 Experiência de Soldagem

Materiais 1.1

O material é uma liga de alumínio, com grau 6061 e espessura de 0.5 mm. A composição química do material é mostrada na Tabela 1. Corte o material em placas de 200 mm x 100 mm, limpe com álcool e água e reserve. O método de soldagem é a soldagem por sobreposição, e as peças a serem soldadas são fixadas com acessórios caseiros.

Tab.1Composição química da liga de alumínio 6061 (fração de massa)%

1.2 Equipamentos necessários

O equipamento experimental utiliza um laser de fibra monomodo produzido pelo IPG para soldagem, com diâmetro de fibra de 0.14 µm e potência média de 1000 W. A plataforma experimental consiste principalmente em laser, computador, sistema de caminho óptico e sistema de controle, conforme mostrado na Figura 1a.O laser é refletido pelo galvanômetro de varredura e está focado no plano de trabalho através da lente F. O galvanômetro gira em alta velocidade sob o acionamento do motor x/y, formando várias trajetórias no plano, como círculos, retângulos, linhas retas, linhas espirais, etc. Depois de passar pela lente F, o tamanho do ponto é de cerca de 0.28 milímetros. O diagrama esquemático do sistema de caminho óptico é mostrado na Figura 1b. A soldagem por pontos a laser de pulso usa um laser Nd:YAG de 500Wfonte, com potência de pico de até 8000W. Depois que o feixe de laser é focado pelo sistema de caminho óptico, o tamanho do ponto é de aproximadamente 0.4 ~ 1.0 mm.O testador de tração eletrônico produzido pela Jinan Huaxing Experimental Equipment Co., Ltd (modelo: WDH-10) é usado para o teste de tração da costura de solda. A aparência da solda é testada com um microscópio metalográfico, sendo a marca Beijing North Star e o número do modelo XJB200.

Fig.1 Plataforma experimental

2 Experimentos e resultados do processo de soldagem a laser

2.1 Design gráfico de soldagem e comparação de aparência

Pulsado soldagem a laser usa um laser Nd:YAG de 500 W para soldagem, com requisito de faixa de 0.6 ~ 0.8 mm. O tamanho do feixe focado do pulsado soldagem a laser apenas atende ao requisito. O laser emite um pulso que atua sobre o material, formando um ponto de soldagem. O diagrama esquemático do ponto de soldagem é mostrado na Figura 2a.Devido ao ponto focado do laser de fibra monomodo ser de apenas 0.28 mm, o laser o feixe forma um ponto de soldagem executando uma espiral, o diâmetro da espiral é de 0.8 mm,e a espiral tem 4 voltas. Existe um certo grau de sobreposição de laser entre cada gire, formando um ponto de soldagem a laser com diâmetro de 0.8 mm. O esquema do o ponto de soldagem é mostrado na Figura 2b. A aparência da soldagem por ponto a laser pulsado é mostrado na Figura 2c, e a aparência do ponto de soldagem formado pela espiral é mostrado na Figura 2d. O tamanho dos dois pontos de soldagem é quase idêntico e não diferença significativa pode ser observada visualmente.

Fig.2 Diagrama e aparência dos pontos de soldagem

2.2 Experimento Ortogonal de Parâmetros de Processo

Os principais parâmetros de processamento para pulsado soldagem a laser incluem laser de pico potência, largura de pulso e quantidade de desfocagem. Um teste preliminar do processo de soldagem a laser é conduzido em liga de alumínio 0.5 de 6061 mm. Quando a potência máxima do laser é de 2400 W, o a potência de pico é relativamente pequena, resultando em um ponto de soldagem menor força de tração de 3 N.Quando o pico de potência do laser é 3600 W, há respingos na superfície da solda costura, e a força de tração do ponto de solda também é baixa, a 4 N. Quando a largura do pulso é 3 ms, o diâmetro do ponto de soldagem é menor e a força de tração é menor, a 3 N.Quando a largura do pulso é de 9 ms, o diâmetro do o ponto de soldagem é de 0.9 mm, o que excede a faixa de soldagem de 0.6 ~ 0.8 mm. Quando a desfocagem é em 0, devido ao grande densidade de potência, há respingos na costura de solda e a aparência não atender ao padrão. Porém, quando a desfocagem está em 6 mm, devido à queda abrupta nadensidade de potência, a força de tração no ponto de solda é mais baixo, em 4 N. Os três níveis deesses fatores são ilustrados na Tabela 2.

Tab.2 Fatores e níveis de soldagem por pontos a laser pulsado

Os principais parâmetros do processo de soldagem espiral a laser de fibra monomodo são os potência média do laser, velocidade de soldagem e quantidade de desfocagem,quando o laser médio a potência é de 500 W, a força de tração no ponto de solda é menor, de 4 N;Quando a médiaa potência do laser é de 900 W, alguns respingos de material e a força de tração no ponto de solda é também menor, a 3 N;Quando a velocidade de soldagem é de 90 mm/s, o acúmulo de calor é muito alta, causando a queima do material, e a força de tração no ponto de solda é menor, em 5N;Quando a velocidade de soldagem é de 170 mm/s, o acúmulo de calor é menor, tanto o largura e profundidade de soldagem são menores e a força de tração no ponto de solda é mais baixo, em4 N;Quando o valor de desfocagem é 0, a densidade de potência é maior, causando respingosa costura de solda, que não pode atender aos requisitos de aparência; Quando a desfocagem quantidade é de 6 mm, devido à queda acentuada na densidade de potência, a força de tração no ponto de soldagem é menor, em 4 N. Os três fatores e três níveis são mostrados na Tabela 3.

Tab.3 Fatores e níveis de soldagem espiral a laser de fibra monomodo

O experimento ortogonal de pulso de três níveis soldagem a laser inclui nove conjuntos,quando a potência de pico é de 3000 W, a largura do pulso é de 8 ms e a quantidade de desfocagemé 1 mm, a força de tração do ponto de soldagem atinge seu pico em 17 N,esses são considerados os parâmetros ideais do processo.Para o fator de pico do laser potência (A), existem três experimentos realizados com nível 1 (A=2500 W),some a força de tração dos pontos de soldagem desses 3 experimentos para obter o total estatístico K1=35,quando o nível 2 é escolhido, a soma dos a resistência à tração dos pontos de soldagem é estatística total K2 = 46,quando nivelado 3 é escolhido,a soma é total estatístico K3=33,quanto maior o valor estatístico K, maior será o força de tração nesse nível,o valor mais alto é K2,isso indica que quando o fator A é no nível 2 (A = 3000 W), a resistência à tração do ponto de soldagem é maior;Da mesma forma, o valor estatístico K da resistência à tração do ponto de solda de outros fatores(largura de pulso, desfocagem) pode ser obtido, conforme mostrado na Tabela 4. O intervalo é representadopor R,quanto menor o valor R, menor impacto esse fator tem na resistência à tração doo ponto de solda;Por outro lado, quanto maior o valor de R, maior o impacto desse fatorna resistência à tração do ponto de solda. Na Tabela 4, pode-se perceber que os fatoresque afetam a resistência à tração do ponto de solda são, em ordem de importância: potência de pico,largura de pulso e desfocagem.

Tab.4 Resultados do experimento ortogonal de soldagem a ponto com laser pulsado

O experimento ortogonal de três fatores e três níveis de linha espiral de laser de fibra monomodo soldagem compreende um total de 9 grupos. Quando a potência média é de 3000 W, a soldagem a velocidade é de 160 mm/s e a quantidade de desfocagem é de 1 mm, a resistência à tração da solda ponto atinge o valor mais alto de 47 N, que é o parâmetro ideal do processo.

Quando o fator de potência médio do laser G é definido no nível 1 (A = 600 W), um total de 3 grupos experimentais são formados, as resistências à tração desses 3 grupos de pontos de soldagem são somadas para fornecer a estatística F1 = 98; , a estatística para o valor da resistência à tração de outros fatores pode ser obtida, conforme mostrado na Tabela5.Entre eles, Y é o valor do intervalo. Pelo valor da faixa, pode-se observar que os fatores que afetam o tamanho da junta de solda são, do primário ao secundário, desfocagem, potência média e velocidade de soldagem.

2.3 Aparência da solda e análise microestrutural

A Figura 3a mostra uma seção transversal da solda por pontos sob os parâmetros de processo ideais para soldagem por pontos a laser pulsado, a largura da superfície da costura de solda é grande, mas à medida que a profundidade de fusão aumenta, a largura da costura de solda diminui. A largura da costura de solda entre as duas camadas superior e inferior é de aproximadamente 1/3 da largura da superfície do ponto de soldagem, isso ocorre porque a energia do laser pulsado é distribuída principalmente no centro do ponto de luz de 0.8 mm. A energia na borda do ponto de luz é menor, o que só pode derreter a superfície do material e não pode continuar a penetrar para baixo, formando uma costura de solda larga na parte superior e estreita na parte inferior. A Figura 3b mostra uma seção transversal de o ponto de solda sob condições ideais de processo para soldagem espiral a laser de fibra monomodo, onde a largura da superfície da costura de solda é aproximadamente equivalente à largura da soldagem a ponto a laser pulsado, com o aumento na profundidade de fusão, não há redução significativa no largura da costura de solda. A largura da costura de solda entre as duas camadas superior e inferior do material é quase a mesma que a largura da superfície do ponto de solda, isso ocorre porque quando a soldagem espiral a laser de fibra monomodo é usada, o ponto focado do monomodo O laser de fibra é de 0.28 mm, a energia do laser é distribuída uniformemente dentro da faixa pontual e tem uma alta densidade de potência. No círculo mais externo da linha espiral, a energia do laser é suficiente para derreter o material, formando um formato de costura de solda onde a largura da superfície da costura de solda é quase igual à parte inferior da costura de solda. A principal posição de tensão é a largura da costura de solda entre as duas camadas superior e inferior do material. Quanto maior a largura, maior será a força de tração do ponto de solda. A largura da costura de solda entre as duas camadas superior e inferior de material na solda espiral a laser de fibra monomodo é três vezes a largura da solda por ponto de laser pulsado, portanto, a resistência à tração do ponto de solda do monomodo a soldagem espiral a laser de fibra também é três vezes maior que a soldagem por pontos a laser pulsado.

Tab.5 Resultados de experimentos ortogonais de soldagem espiral monomodo

Fig.3 Seção transversal do ponto de soldagem

A Figura 4a representa a estrutura metalográfica do material original da liga de alumínio 6061. O tamanho do grão é irregular, a forma é irregular e os grãos são relativamente grandes, o que é uma estrutura típica de '-AlA Figura 4b mostra a microestrutura do centro da costura de solda sob os parâmetros ideais do processo de soldagem a ponto por pulso de laser. Possui uma estrutura dendrítica de liga de alumínio. O tamanho do grão sofreu um refinamento significativo em comparação com o material original da liga de alumínio 6061. Isso se deve ao rápido aquecimento e ao rápido resfriamento do material da liga de alumínio por soldagem a ponto por pulso de laser, o que resulta no refinamento dos grãos da costura de solda. A Figura 4c mostra a microestrutura do centro da costura de solda sob os parâmetros de processo ideais para soldagem espiral a laser de fibra monomodo. Isto é representado por uma estrutura dendrítica de liga de alumínio. O tamanho do grão não apresenta diferença significativa quando comparado à estrutura metalográfica da soldagem a ponto por pulso de laser.

Fig.4 Microestrutura do ponto de soldagem

Conclusão 3

A liga de alumínio 6063 foi soldada separadamente usando soldagem por pontos a laser pulsado e métodos de soldagem espiral a laser de fibra monomodo, e um experimento de otimização ortogonal foi conduzido. A força máxima de tração dos pontos de solda alcançada pela soldagem por pontos a laser pulsado atingiu 17 N, os parâmetros ideais do processo são os seguintes: a potência de pico é de 3000 W, a largura do pulso é de 8 ms e a quantidade de desfocagem é de 1 mm para soldagem por pontos a laser pulsado. A resistência máxima à tração dos pontos de solda alcançada pela soldagem espiral a laser de fibra monomodo atingiu 47 N. Os parâmetros de processo ideais para este método são os seguintes: a potência média é 3000 W, a velocidade de soldagem é 160 mm/s e a quantidade de desfocagem é 1 milímetros.

A aparência dos resultados do pulso soldagem a laser e a soldagem espiral a laser de fibra monomodo sob parâmetros de processo ideais é quase idêntica, sem diferença significativa; também não há discrepância notável na estrutura metalúrgica e no tamanho do grão. A largura da costura de solda entre as camadas superior e inferior do material na soldagem espiral a laser de fibra de modo único é três vezes a largura da costura de solda da soldagem por pontos a laser pulsado. Portanto, a força de tração dos pontos de solda da soldagem espiral a laser de fibra de modo único também é três vezes maior que a da soldagem por pontos a laser pulsado.