Влияние диодной и волоконной лазерной сварки композитов на микроструктуру и свойства меди

0 Предисловие
Красная медь обладает хорошей пластичностью, высокой теплопроводностью и электропроводностью и широко используется в аэрокосмической, морской технике, кабельной и электротехнике, а также электронных компонентах. Традиционные методы сварки красной меди, такие как сварка вольфрамовым инертным газом, имеют высокую тепловложение, большой пост -сварочные деформации и неприглядные сварные швы, которые уже не отвечают требованиям современного производства.

Лазерная сварка имеет меньшее общее тепловложение, что может значительно решить проблемы большой послесварочной деформации и плохого внешнего вида. В последние годы технология лазерной сварки быстро развивалась. Из-за низкой скорости поглощения лазеров ближнего инфракрасного диапазона на поверхности меди, обычно всего около 4%, большая часть лазерной энергии отражается. Для сварки меди требуется большое количество энергии, что может привести к плохой стабильности сварки. В процессе плавления красной меди в сварном шве легко образуются поры, что влияет на механические свойства сварного соединения. При сварке красной меди большое тепловложение приводит к резкому увеличению размера зерна, что также отрицательно влияет на работоспособность сварного соединения;

В эксперименте по лазерной сварке красной меди используется новая технология полупроводниковой и волоконной лазерной сварки композитов. Анализируется влияние технологических параметров на формирование сварного соединения с целью предоставления технических рекомендаций для реального производства.

1 Сварочный эксперимент
1.1 Свариваемые материалы и сварочное оборудование
Экспериментальный материал — красная медь толщиной 1.0 мм, длиной × шириной 100×50 мм. Метод сварки – сращивание. Свариваемый материал зажимается самодельным приспособлением для уменьшения деформации во время сварки. сварка.

Для сварки красной меди используется композитный лазер полупроводникового лазера и волоконного лазера. Длина волны полупроводникового лазера составляет 976 нм, максимальная мощность — 1000 Вт, диаметр сердцевины волокна — 400 микрон. Волоконный лазер имеет длину волны 1070 нм, максимальную мощность лазера 1000 Вт и диаметр сердцевины волокна 50 микрон. . Два типа лазеров объединяются посредством сварочной головки, при этом коллимационная линза сварочной головки имеет фокусное расстояние 100 мм, а фокусирующая линза имеет фокусное расстояние 200 мм. Оптический путь показан на рисунке 1 (а), Диаметр пятна полупроводникового лазера после прохождения через сварочную головку в фокусе лазера составляет около 0.8 мм. Благодаря большому размеру пятна он может обеспечить вспомогательный нагрев вокруг сварного шва. Диаметр пятна волоконного лазера в фокусе составляет около 0.1 мм, а плотность мощности мала (плотность мощности = мощность лазера/площадь пятна; чем меньше диаметр пятна, тем больше плотность мощности). Это может генерировать более высокие температуры, обеспечивая сварку медных материалов. Все эксперименты, упомянутые в тексте, проводились в фокусах полупроводниковых лазеров и волоконных лазеров для сварки. Экспериментальная платформа для лазерной сварки композитов показана на рисунке 1 (b). В основном он состоит из полупроводникового лазера, волоконного лазера, сварочной головки, промышленного управляющего компьютера и модуля X/Y. В этой установке сварочная головка, приводимая в движение модулем X/Y, выполняет сварку дорожек, образуя сварной шов. Мощность полупроводникового лазера и волоконного лазера можно устанавливать отдельно.

(а) Принципиальная схема оптического пути гибридной сварки.	(б) Экспериментальное оборудование
Рисунок 1. Оборудование для лазерной сварки

1.2 Оборудование для контроля сварных швов
Микроструктуру сварного шва проверяли и анализировали с помощью металлографического микроскопа модели WYJ-4XBD. Это было сделано для анализа влияния различных параметров процесса на микроструктуру сварного шва. Прочность сварного шва проверяли с помощью электронной машины для растяжения модели FR-103C. Оборудование показано на рисунке 2(b). Предел прочности P сварного шва получается путем деления растягивающего усилия F на площадь S сварного шва. Предел прочности при растяжении испытывают 3 раза при каждом параметре процесса, а полученное среднее значение предела прочности представляет собой предел прочности сварного шва, соответствующий этому параметру процесса. Скорость растяжения натяжной машины устанавливают 1 мм/с. Микротвердость сварного шва образца шва проверяют микротвердомером модели ХВ-1000. Экспериментальная нагрузка составляет 50 г, время загрузки — 10 с.

2 Экспериментальный процесс и анализ результатов
2.1 Влияние полупроводникового лазера на внешний вид и прочность сварных швов
После многочисленных предварительных экспериментов при использовании для сварки только волоконного лазера (при мощности полупроводникового лазера, установленной на 0 Вт), если мощность волоконного лазера составляет 900 Вт и скорость сварки 30 мм/с, сварной шов просто проварится, но он склонен к образованию пор внутри сварного шва. Как показано на рисунке 3(а), в постоянных попытках оптимизировать параметры процесса, такие как скорость сварки и мощность лазера для волоконная лазерная сварка, внутри сварного шва еще есть поры. Это связано с тем, что в процессе плавления фиолетовой меди волоконный лазер имеет большое тепловложение в медь и высокую температуру, что значительно увеличивает растворимость водорода в воздухе в ванне расплава. Хорошая теплопроводность фиолетовой меди, скорость охлаждения ванны расплава очень быстрая. Быстрое затвердевание ванны расплава приводит к тому, что растворенный в ванне расплава водород не рассеивается вовремя из сварного шва, что приводит к образованию остаточного водорода внутри сварного шва и образованию пор в шве. Эти внутренние поры в сварном шве отрицательно влияют на механические свойства сварного соединения.

В статье использован метод сварки композитов с использованием полупроводникового и волоконного лазеров. Мощность волоконного лазера поддерживается постоянной на уровне 900 Вт, а скорость сварки — 30 мм/с. Мощность полупроводникового лазера установлена ​​на уровне 600 Вт, 800 Вт и 1000 Вт соответственно для анализа воздействия на сварной шов. Когда мощность полупроводникового лазера составляет 600 Вт, в сварном шве, показанном на рисунке 3 (b), внутри сварного шва присутствуют поры. Когда мощность полупроводникового лазера составляет 800 Вт, как показано на рисунке 3 (c), появляются поры. отсутствие пор в сварном шве. Это связано с тем, что полупроводниковый лазер имеет диаметр пятна в фокусе 0.8 мм, что охватывает больший диапазон нагрева. Полупроводниковый лазер обеспечивает вспомогательный нагрев вокруг сварного шва, что снижает скорость охлаждения ванны расплава. Это дает водороду, растворенному в ванне расплава, достаточно времени для испарения из сварного шва, не оставляя остаточных пор в сварном шве. Когда мощность полупроводникового лазера дополнительно увеличивается до 1000 Вт, внешний вид сварного шва будет таким, как показано на рисунке 3. (г) с более крупными порами внутри. Это может быть связано с чрезмерно высокой мощностью полупроводникового лазера, приводящей к увеличению общего тепловложения. Это приводит к абляции легкоплавких элементов из меди и образованию полостей в сварном шве.

Прочность сварного шва проверяют с помощью машины для испытания на растяжение, когда параметры мощности волоконного лазера установлены на уровне 900 Вт, скорость сварки 30 мм/с и величина расфокусировки на уровне 0 мм поддерживаются постоянными, анализируется Влияние мощности полупроводникового лазера на прочность сварного шва на разрыв, результаты представлены на рисунке 4. Когда мощность полупроводникового лазера установлена ​​на уровне 0 Вт и 600 Вт, существенного изменения прочности сварного шва на разрыв не происходит. Это связано с тем, что мощность 600 Вт не оказывает существенного влияния на морфологию сварного шва. Как и при мощности 0 Вт, внутри сварного шва образуются поры, в результате чего прочность на разрыв составляет 160–161 МПа. Когда мощность полупроводникового лазера установлена ​​на уровне 800 Вт, прочность сварного шва достигает максимального значения — 238 МПа. , достигая 80% прочности на растяжение медного основного материала (что составляет 292 МПа). Это представляет собой увеличение прочности на разрыв примерно на 50% по сравнению с тем, когда мощность полупроводникового лазера установлена ​​на уровне 0 Вт и 600 Вт. Когда мощность полупроводникового лазера установлена ​​на уровне 1000 Вт, прочность сварного шва на разрыв резко снижается. Это происходит потому, что мощность полупроводникового лазера слишком высока, что приводит к абляции элементов с низкой температурой плавления, что резко снижает прочность сварного шва на разрыв.

Рисунок 4. Предел прочности сварных соединений при различных мощностях полупроводникового лазера

2.2 Влияние полупроводникового лазера на микроструктуру сварного шва
Волоконный лазерный сварочный аппарат мощностью 900 Вт работает со скоростью 30 мм/с и расфокусировкой 0 мм. Металлографические изображения микроструктуры зон плавления при различных мощностях полупроводникового лазера показаны на рисунке 5. Когда мощность полупроводникового лазера установлена ​​на уровне 0 Вт, микроструктура зоны плавления представляет собой тонкую ячеистую кристаллическую структуру, как показано на рисунке 5 (а). . Когда мощность полупроводникового лазера установлена ​​на уровне 600 Вт и 800 Вт, микроструктуры зон плавления показаны на рисунке 5 (b) и рисунке 5 (c) соответственно. С увеличением мощности полупроводникового лазера ячеистая кристаллическая структура постепенно становится грубее. Это связано с тем, что температурный градиент в зоне плавления относительно велик, зерна растут в направлении теплопроводности, образуя мелкие ячеистые кристаллические структуры. Когда мощность полупроводникового лазера установлена ​​на уровне 1000 Вт, микроструктура зоны плавления, как показано на рисунке Рисунок 5(d) превращается в гораздо более грубую структуру α-Cu. Это связано с чрезвычайно медленной скоростью охлаждения, приводящей к образованию крупных зерен α-Cu.

Волоконный лазерный сварочный аппарат мощностью 900 Вт работает со скоростью 30 мм/с и расфокусировкой 0 мм. Металлографические изображения микроструктуры зон термического влияния при различных мощностях полупроводникового лазера показаны на рисунке 6. Структура зон термического влияния полностью представляет собой отожженную α-Cu. Когда мощность полупроводникового лазера установлена ​​на уровне 0 Вт и 600 Вт, зерно размеры в зоне термического влияния существенно не изменяются, как показано на рисунке 6(а) и рисунке 6(б). Это связано с относительно небольшой мощностью полупроводникового лазера, который не оказывает заметного влияния на микроструктуру сварного шва. При установке мощности полупроводникового лазера на уровне 800 Вт зерна в зоне термического влияния заметно увеличиваются, как показано на рисунке. на рисунке 6(в). Когда мощность увеличивается до 1000 Вт, средний размер зерна продолжает расти, как показано на рисунке 6(d), это связано с тем, что по мере увеличения мощности полупроводникового лазера скорость охлаждения ванны расплава снижается. Это приводит к увеличению времени переплавки и рекристаллизации ванны расплава. Количество тепла и время, проводимое в зону термического влияния, увеличиваются, удлиняя время роста зерна в этой зоне, что, в свою очередь, приводит к увеличению размера зерна в зоне термического влияния.

При мощности 900 Вт, скорости сварки 30 мм/с и величине дефокусировки 0 мм для волоконного лазера металлографическая микроструктура в центральной области сварного шва при различных мощностях полупроводникового лазера показана, как на рисунке 7, когда полупроводниковый лазер мощность лазера установлена ​​на уровне 0 Вт, 600 Вт и 800 Вт соответственно, металлографическая микрофотография микроструктуры в центре сварного шва показана на рис. 7 (а), рис. 7 (б) и рис. 7 (в) соответственно. равноосные зеренные структуры, поскольку с увеличением мощности полупроводникового лазера количество равноосных зеренных структур постепенно увеличивается. Это связано с тем, что увеличение мощности полупроводникового лазера приводит к повышению общей температуры в центре сварного шва, обеспечивая достаточное время для развития равноосной зеренной структуры. Когда мощность полупроводникового лазера увеличивается до 1000 Вт, микроструктура центр сварного шва переходит в крупные зерна α-Cu, как показано на рисунке 7 (b). Это происходит из-за уменьшения температурного градиента в центре сварного шва, что приводит к значительному замедлению скорости охлаждения сварного шва, способствуя образованию крупных зерен α-Cu.

2.3 Влияние полупроводникового лазера на механические свойства сварных швов
При мощности волоконного лазера, установленной на уровне 900 Вт, скорости сварки 30 мм/с и величине дефокусировки 0 мм, микротвердость при различных мощностях полупроводникового лазера показана на рисунке 8. По мере увеличения мощности полупроводникового лазера максимальное значение твердость сварного шва постепенно снижается. Это связано с тем, что увеличение мощности полупроводникового лазера увеличивает время охлаждения и затвердевания ванны расплава, позволяя зернам полностью вырасти. Увеличение размера зерна приводит к снижению значения микротвердости материала. Тенденция от области сварного шва к основному материалу демонстрирует первоначальное уменьшение с последующим увеличением, при этом максимальная микротвердость наблюдается в центральной части сварного шва. Это связано с наличием в этой зоне очень мелких зерен, так как измельчение зерна приводит к увеличению твердости. Минимальное значение микротвердости приходится на зону термического влияния. Это связано с тем, что зона термического влияния расположена по направлению теплопроводности; небольшой градиент температуры приводит к образованию относительно крупных зерен, что, в свою очередь, снижает микротвердость.

Рисунок 8. Распределение микротвердости сварных соединений при различных мощностях полупроводникового лазера.

Заключение 3
По сравнению с традиционным лазерная сваркаПредварительный нагрев или обработка поверхности меди не требуются. Используя волоконные и полупроводниковые композитные лазеры, медь можно сваривать за один этап, что сокращает производственный процесс и снижает производственные затраты. Это обеспечивает ценную техническую информацию для реального производства.

В процессе сварки полупроводниковый лазер обеспечивает вспомогательный нагрев сварного шва, обеспечивая максимальную прочность сварного шва без пористости при мощности, установленной на уровне 800 Вт. Мощность полупроводникового лазера существенно влияет на микроструктуру сварного шва. По мере увеличения мощности полупроводникового лазера ячеистая кристаллическая структура в зоне плавления постепенно становится грубее; увеличивается размер зерна в зоне термического влияния; а равноосная кристаллическая структура в центре сварного шва увеличивает размер частиц. Больший размер зерна снижает микротвердость сварного шва.