Diyot ve fiber lazer kompozit kaynağının bakırın mikro yapısına ve özelliklerine etkisi Türkiye

0 Önsöz
Kırmızı bakır iyi sünekliğe, yüksek ısı iletkenliğine ve elektrik iletkenliğine sahiptir ve havacılık, denizcilik mühendisliği, kablo, elektrik ve elektronik bileşenlerde yaygın olarak kullanılır. Tungsten inert gaz kaynağı gibi geleneksel kırmızı bakır kaynak yöntemleri, yüksek ısı girdisine, büyük direklere sahiptir. -Modern üretimin gereksinimlerini artık karşılayamayan kaynak deformasyonu ve çirkin kaynak dikişleri.

Lazer kaynağının genel ısı girdisi daha azdır, bu da kaynak sonrası büyük deformasyon ve kötü görünüm sorunlarını büyük ölçüde iyileştirebilir. Lazer kaynak teknolojisi son yıllarda hızla gelişmiştir. Yakın kızılötesi dalga boyuna sahip lazerlerin bakır yüzeyindeki düşük soğurma oranı (genellikle yalnızca %4 civarında) nedeniyle, lazer enerjisinin büyük bir kısmı yansır. Bakırın kaynaklanması için yüksek enerji girişi gerekir, bu da kaynak stabilitesinin zayıf olmasına neden olabilir; Kırmızı bakırın erime işlemi sırasında, kaynak dikişinde kolayca gözenekler oluşur ve bu da kaynak bağlantısının mekanik özelliklerini etkiler; Kırmızı bakır kaynak yaparken, Büyük ısı girişi, tane boyutunda ciddi bir artışa neden olur ve bu da kaynaklı bağlantının performansını olumsuz yönde etkiler;

Deneyde kırmızı bakırın lazerle kaynaklanması için yeni yarı iletken ve fiber lazer kompozit kaynak teknolojisi kullanıldı. Proses parametrelerinin kaynak bağlantısı oluşumu üzerindeki etkisi, gerçek üretim için teknik referanslar sağlamak üzere analiz edilir.

1 Kaynak deneyi
1.1 Kaynak yapılacak malzemeler ve kaynak ekipmanı
Deney malzemesi, 1.0 mm kalınlığında, uzunluk x genişlik 100 mm x 50 mm olan kırmızı bakırdır. Kaynak yöntemi birleştirmedir. Kaynak yapılacak malzeme, deformasyonu azaltmak için ev yapımı bir fikstürle sıkıştırılır. kaynak.

Kırmızı bakırı kaynaklamak için yarı iletken lazer ve fiber lazerden oluşan kompozit bir lazer kullanılır. Yarı iletken lazerin dalga boyu 976nm, maksimum güç 1000W ve fiberin çekirdek çapı 400 mikrondur. Fiber lazerin dalga boyu 1070nm, maksimum lazer gücü 1000W ve fiber çekirdek çapı 50 mikrondur. . İki tip lazer, 100 mm odak uzaklığına sahip kaynak kafasının kolimasyon merceği ve 200 mm odak uzaklığına sahip odaklama merceği ile bir kaynak kafası aracılığıyla birleştirilir; optik yol Şekil 1(a)'da gösterilmektedir, Lazer odağında kaynak kafasından geçtikten sonra yarı iletken lazerin nokta çapı yaklaşık 0.8 mm'dir. Büyük nokta boyutu nedeniyle kaynak dikişi çevresinde yardımcı ısıtma sağlayabilir. Odaktaki fiber lazerin nokta çapı yaklaşık 0.1 mm'dir ve güç yoğunluğu küçüktür (güç yoğunluğu = lazer gücü/nokta alanı; daha küçük nokta çapı ne kadar büyük olursa, güç yoğunluğu da o kadar büyük olur). Bu, bakır malzemelerin kaynaklanmasını sağlayarak daha yüksek sıcaklıklar üretebilir. Metinde bahsedilen tüm deneyler, kaynak için yarı iletken lazerlerin ve fiber lazerlerin odak noktalarında gerçekleştirilmiştir. Lazer kompozit kaynak deney platformu, Şekil 1(b)'de gösterilmektedir. Temel olarak yarı iletken lazer, fiber lazer, kaynak kafası, endüstriyel kontrol bilgisayarı ve X/Y modülünden oluşur. Bu kurulumda, X/Y modülü tarafından tahrik edilen kaynak kafası, bir kaynak dikişi oluşturmak için kaynak izi sağlar. Yarı iletken lazerin ve fiber lazerin gücü ayrı ayrı ayarlanabilir.

(a) Hibrit kaynak optik yolunun şematik diyagramı	(b) Deneysel ekipman
Şekil 1 Lazer kaynak ekipmanı

1.2Kaynak muayene ekipmanı
Kaynak dikişinin mikro yapısı, WYJ-4XBD modeli metalografik bir mikroskop kullanılarak test edildi ve analiz edildi. Bu, farklı proses parametrelerinin kaynak dikişi mikro yapısı üzerindeki etkilerini analiz etmek için yapıldı. Kaynak dikişinin çekme mukavemeti, FR-103C model elektronik bir çekme makinesi kullanılarak test edildi. Ekipman Şekil 2(b)'de gösterilmektedir. Kaynak dikişinin çekme mukavemeti P, çekme kuvveti F'nin kaynak dikişinin S alanına bölünmesiyle elde edilir. Çekme mukavemeti, her proses parametresi altında 3 kez test edilir ve elde edilen ortalama çekme mukavemeti, bu proses parametresine karşılık gelen kaynak dikişinin çekme mukavemetidir. Çekme makinesinin esneme hızı 1 mm/s'ye ayarlanmıştır. Kaynak numunesinin kaynak dikişinin mikro sertliği, HV-1000 model bir mikro sertlik test cihazı ile test edilir. Deneysel yük 50g ve yükleme süresi 10 saniyedir.

2 Deneysel süreç ve sonuç analizi
2.1 Yarı iletken lazerin kaynakların görünümü ve mukavemeti üzerindeki etkisi
Çok sayıda ön denemeden sonra, kaynak için yalnızca fiber lazer kullanıldığında (yarı iletken lazer gücü 0W'a ayarlıyken), fiber lazerin gücü 900W ve kaynak hızı 30 mm/s ise, kaynak dikişi sadece nüfuz edecektir, ancak kaynak dikişinde gözenek oluşumuna eğilimlidir. Şekil 3(a)'da gösterildiği gibi, kaynak hızı ve lazer gücü gibi proses parametrelerini optimize etmeye yönelik sürekli girişimlerde fiber lazer kaynağı, kaynak dikişinin içinde hala gözenekler var. Bunun nedeni, mor bakırın eritilmesi işlemi sırasında fiber lazerin bakıra büyük bir ısı girdisine ve yüksek sıcaklığa sahip olması ve bunun da erimiş havuzdaki havadaki hidrojenin çözünürlüğünü büyük ölçüde arttırmasıdır. Mor bakırın iyi ısı iletkenliği, erimiş havuzun soğutma hızı çok hızlıdır. Eriyik havuzunun hızlı katılaşması, eriyik havuzunda çözünen hidrojenin zamanla kaynak dikişinden dağılmamasına neden olur, bu da kaynak dikişinde hidrojen kalıntısı oluşmasına ve dikişte gözeneklerin oluşmasına neden olur. Kaynak dikişindeki bu iç gözenekler, kaynak bağlantısının mekanik özelliklerini olumsuz yönde etkileyecektir.

Makale, bir yarı iletken lazer ve bir fiber lazer kullanan bir kompozit kaynak yöntemini kullanmaktadır. Fiber lazerin gücü 900 W'ta ve kaynak hızı 30 mm/s'de sabit tutulur. Yarı iletken lazerin gücü, kaynak dikişi üzerindeki etkiyi analiz etmek için sırasıyla 600W, 800W ve 1000W olarak ayarlanmıştır. Yarı iletken lazerin gücü 600W olduğunda, Şekil 3(b)'de gösterilen kaynak dikişinde gözenekler mevcuttur. Yarı iletken lazerin gücü, Şekil 800(c)'de gösterildiği gibi 3W olduğunda, Kaynak dikişinde gözenek yoktur. Bunun nedeni, yarı iletken lazerin odak noktasında 0.8 mm'lik bir nokta çapına sahip olması ve daha geniş bir ısıtma aralığını kapsamasıdır. Yarı iletken lazer, kaynak dikişi çevresinde yardımcı ısıtma sağlayarak erimiş havuzun soğuma hızını azaltır. Bu, erimiş havuzda çözünen hidrojenin kaynak dikişinden buharlaşması için yeterli süreyi sağlar ve kaynak dikişinde artık gözenek bırakmaz. Yarı iletken lazer gücü 1000 W'a daha da artırıldığında, kaynak dikişinin görünümü Şekil 3'te gösterildiği gibidir. (d), içinde daha büyük gözenekler bulunan. Bunun nedeni, yarı iletken lazerin aşırı yüksek gücünden kaynaklanıyor olabilir, bu da daha büyük toplam ısı girdisine yol açar. Bu, bakır içindeki düşük erime noktalı elemanların aşındırılmasına neden olur ve kaynak dikişinde boşluklar bırakır.

Kaynak dikişinin çekme mukavemeti, fiber lazer gücü parametreleri 900W'a, kaynak hızı 30 mm/s'ye ve odaklanma miktarı 0 mm'de sabit tutulduğunda bir gerilim test makinesi kullanılarak test edilir. yarı iletken lazer gücünün kaynak dikişinin çekme mukavemeti üzerindeki etkisi, Şekil 4'te sunulan sonuçlarla gerçekleştirilir. Yarı iletken lazer gücü 0W ve 600W'a ayarlandığında, kaynak dikişinin çekme mukavemetinde önemli bir değişiklik olmaz. Bunun nedeni, 600W'lık bir gücün kaynak dikişinin morfolojisi üzerinde önemli bir etkisinin olmamasıdır. Güç 0W'da olduğu zaman olduğu gibi, kaynak dikişinin içinde gözenekler oluşur ve bu da 160~161MPa arasında bir çekme mukavemeti sağlar. Yarı iletken lazer gücü 800W'a ayarlandığında, kaynak dikişinin çekme mukavemeti en yüksek 238MPa'ya ulaşır. bakır bazlı malzemenin çekme mukavemetinin (80MPa) %292'ine ulaşıyor. Bu, yarı iletken lazer gücü 50W ve 0W olarak ayarlandığında çekme mukavemetinde yaklaşık %600'lik bir artışı temsil eder. Yarı iletken lazer gücü 1000W olarak ayarlandığında, kaynak dikişinin çekme mukavemeti önemli ölçüde azalır. Bunun nedeni, yarı iletken lazer gücünün çok yüksek olması, düşük erime noktalı elemanların çıkarılmasına neden olması ve kaynak dikişinin çekme mukavemetinin büyük ölçüde azalmasıdır.

Şekil 4 Farklı yarı iletken lazer güçleri altında kaynaklı bağlantıların çekme mukavemeti

2.2 Yarı iletken lazerin kaynak mikro yapısına etkisi
900W gücündeki fiber lazer kaynak makinesi, 30 mm odak dışılıkla 0 mm/sn hızında çalışır. Farklı yarı iletken lazer güçlerindeki füzyon bölgelerinin mikroyapı metalografik görüntüleri Şekil 5'te gösterilmektedir. Yarı iletken lazer gücü 0W'a ayarlandığında, füzyon bölgesinin mikro yapısı, Şekil 5(a)'da gösterildiği gibi ince bir hücresel kristal yapıdır. . Yarı iletken lazer gücü 600W ve 800W olarak ayarlandığında, füzyon bölgelerinin mikro yapıları sırasıyla Şekil 5(b) ve Şekil 5(c)'de gösterilmektedir. Yarı iletken lazer gücünün artmasıyla hücresel kristal yapı giderek kabalaşır. Bunun nedeni füzyon bölgesindeki sıcaklık gradyanının nispeten büyük olması, taneciklerin ısı iletimi yönünde büyüyerek ince hücresel kristal yapılar oluşturmasıdır. Yarı iletken lazer gücü 1000W olarak ayarlandığında füzyon bölgesinin mikro yapısı şekilde gösterildiği gibi olur. Şekil 5(d), çok daha kaba bir α-Cu yapısına dönüşmektedir. Bunun nedeni, büyük α-Cu taneciklerinin oluşmasıyla sonuçlanan son derece yavaş soğuma hızıdır.

900W gücündeki fiber lazer kaynak makinesi, 30 mm odak dışılıkla 0 mm/sn hızında çalışır. Farklı yarı iletken lazer güçlerinde ısıdan etkilenen bölgelerin mikroyapı metalografik görüntüleri Şekil 6'da gösterilmektedir. Isıdan etkilenen bölgelerin yapısının tamamı tavlanmış α-Cu'dur. Yarı iletken lazer gücü 0W ve 600W olarak ayarlandığında, tanecik ısıdan etkilenen bölgedeki boyutlar, Şekil 6(a) ve Şekil 6(b)'de gösterildiği gibi önemli ölçüde farklılık göstermez. Bunun nedeni, kaynağın mikro yapısı üzerinde gözle görülür bir etkiye sahip olmayan yarı iletken lazerin nispeten düşük gücüdür. Yarı iletken lazer gücü 800 W'ye ayarlandığında, ısıdan etkilenen bölgedeki taneler, gösterildiği gibi gözle görülür şekilde büyür. Şekil 6(c). Güç 1000 W'a yükseltildiğinde, Şekil 6(d)'de gösterildiği gibi ortalama tane boyutu büyümeye devam eder; bunun nedeni, yarı iletken lazerin gücü arttıkça erimiş havuzun soğutma hızının azalmasıdır. Bu, erimiş havuz için daha uzun bir yeniden eritme ve yeniden kristalleşme süresiyle sonuçlanır. Isıdan etkilenen bölgeye iletilen ısı miktarı ve süre artar, bu bölgedeki tane büyüme süresi uzar, bu da ısıdan etkilenen bölgedeki tane boyutunun artmasına neden olur.

Fiber lazer için 900 W güç, 30 mm/s kaynak hızı ve 0 mm odak dışılık miktarı ile, farklı yarı iletken lazer güçleri altında kaynağın merkezi alanındaki metalografik mikro yapı, yarı iletken olduğunda Şekil 7'deki gibi gösterilmektedir. lazer gücü sırasıyla 0W, 600W ve 800W olarak ayarlanmıştır, kaynağın merkezindeki mikro yapının metalografik mikrografı sırasıyla Şekil 7(a), Şekil 7(b) ve Şekil 7(c)'de gösterilmektedir, hepsi Eş eksenli tane yapıları, yarı iletken lazerin gücü arttıkça eş eksenli tane yapılarının miktarı giderek artar. Bunun nedeni, yarı iletken lazerin gücündeki artışın kaynak merkezindeki genel sıcaklığın yükselmesine neden olarak eş eksenli tane yapısının gelişmesi için yeterli süre sağlamasıdır. Yarı iletken lazerin gücü 1000 W'a daha da artırıldığında, kaynağın merkezi, Şekil 7(b)'de gösterildiği gibi büyük α-Cu taneciklerine dönüşür. Bunun nedeni kaynak merkezindeki sıcaklık gradyanının azalmasıdır, bu da kaynağın soğuma hızının önemli ölçüde yavaşlamasına neden olur ve büyük α-Cu taneciklerinin oluşumunu kolaylaştırır.

2.3 Yarı iletken lazerin kaynakların mekanik özelliklerine etkisi
Fiber lazerin gücü 900W'a, kaynak hızı 30 mm/s'ye ve odak dışılaştırma miktarı 0 mm'ye ayarlandığında, farklı yarı iletken lazer güçleri altındaki mikro sertlik Şekil 8'de gösterilmektedir. Yarı iletken lazerin gücü arttıkça, maksimum kaynağın sertliği giderek azalır. Bunun nedeni, yarı iletken lazer gücündeki artışın, eriyik havuzunun soğuma ve katılaşma süresini uzatarak taneciklerin tamamen büyümesine olanak sağlamasıdır. Daha büyük tane boyutu, malzemenin mikro sertlik değerinde bir azalmaya neden olur. Kaynak alanından temel malzemeye doğru olan eğilim, başlangıçta bir azalma ve ardından bir artış sergiler ve maksimum mikro sertlik, kaynağın merkez alanında gözlemlenir. Bunun nedeni, tane incelmesinin sertliğin artmasıyla sonuçlanması nedeniyle bu bölgede çok küçük tanelerin bulunmasıdır. Minimum mikrosertlik değeri, ısıdan etkilenen bölgede meydana gelir. Bunun nedeni, ısıdan etkilenen bölgenin ısı iletimi yönünde olmasıdır; küçük sıcaklık gradyanı nispeten daha büyük taneciklere yol açar ve bu da mikro sertliği azaltır.

Şekil 8 Farklı yarı iletken lazer güçleri altında kaynaklı bağlantıların mikrosertlik dağılımı

3 Sonuç
Geleneksel ile karşılaştırıldığında Lazer kaynakbakırın ön ısıtılması veya yüzey işlemine gerek yoktur. Fiber ve yarı iletken kompozit lazerler kullanılarak bakır tek adımda kaynaklanabilir, bu da üretim sürecini azaltır ve üretim maliyetlerinden tasarruf sağlar. Bu, gerçek üretim için değerli bir teknik referans sağlar.

Kaynak işlemi sırasında yarı iletken lazer, kaynağa yardımcı ısıtma sağlar ve güç 800W olarak ayarlandığında gözeneksiz olarak kaynakta en yüksek çekme mukavemetini üretir. Yarı iletken lazerin gücü, kaynağın mikro yapısını önemli ölçüde etkiler. Yarı iletken lazerin gücü arttıkça füzyon bölgesindeki hücresel kristal yapı giderek kabalaşır; ısıdan etkilenen bölgedeki tane boyutu artar; ve kaynağın merkezindeki eş eksenli kristal yapı parçacık boyutunda artar. Daha büyük tane boyutu, kaynağın mikro sertliğini azaltacaktır.