6063 Alüminyum Alaşımının Tek Modlu Fiber Lazer Kaynak İşlemi

ÖZET:Çalışma optimumun araştırılmasını amaçlıyor Lazer kaynak Darbeli lazerle nokta kaynaklı 6063 alüminyum alaşımının geriliminin düşük olduğu ve gerçek ihtiyaçları karşılayamadığı göz önüne alındığında, kaynak noktasının gerilimini iyileştirmek için 6063 alüminyum alaşımına yönelik işlem şeması. tek modlu fiber lazer 6063 alüminyum alaşımını kaynaklamak için kullanıldı ve spiral noktalar, tek darbenin yerini alacak son derece ince bir çizgiyle oluşturuldu lazer nokta kaynağı. Optimum parametreleri elde etmek için lazer gücü, kaynak hızı ve odak dışılık için ortogonal deney yapıldı. Kaynağın görünümü ve mikro yapısı üzerinde yapılan analizlerle kaynak nokta geriliminin artmasının nedeni açıklandı. Lazer gücü 70 W, kaynak hızı 100 mm/s ve odaksızlık 0 olduğunda noktaların gerilimi maksimum 65 N'ye ulaştı ve proses parametreleri en iyi durumdaydı. Tek modlu lazer kaynak noktasının gerilimi, darbeli lazer kaynak noktasının 3 katıydı. Tek modlu fiber spiral lazerle kaynak yaparken, lazer enerjisi nokta aralığında eşit olarak dağıtılır ve büyük bir güç yoğunluğuna sahiptir; kaynak yüzeyi genişliği neredeyse kaynak tabanıyla aynı olan bir kaynak şekli oluşturur; Kaynak noktasının gerginliğini arttırmak ve gerçek üretim için teknik referans sağlamak.

ANAHTAR KELİMELER:6063 alüminyum alaşımı; tek modlu fiber lazer; Lazer kaynak; tansiyon

Alüminyum alaşımlı malzemeler hafiflik, yüksek mukavemet, işlenmesi ve şekillendirilmesi kolay ve iyi korozyon direnci gibi avantajlara sahiptir. Havacılık, donanım ve otomobil gibi endüstrilerde yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Bilim ve teknolojinin ilerlemesiyle birlikte, alüminyum alaşımlı kaynağın kaynak kalitesi ve üretim verimliliği için daha yüksek gereksinimler ortaya konmuştur. Lazer kaynağı, yüksek enerji avantajlarına sahiptir. yoğunluk, düşük toplam ısı girişi, kaynak sonrası küçük deformasyon ve iş parçasıyla temas olmaması nedeniyle kolay otomasyon. Alüminyum alaşımlı kaynaklarda geniş bir uygulama potansiyeline sahiptir.
Alüminyum alaşımının lazerlere karşı yüksek yansıtıcılığı vardır ve kaynak yapmak için daha yüksek lazer enerjisi gerektirir. Ayrıca alüminyum alaşımlarındaki Mg ve Zn gibi düşük erime noktalı elementler yanmaya eğilimlidir, bu da kaynak bağlantısının mukavemetinde azalmaya neden olarak pratik kullanımı etkiler. 6063 alüminyum alaşımı yüksek mukavemete ve iyi sürtünme direncine sahiptir ve geniş bir uygulama yelpazesine sahip alüminyum alaşımlı bir malzemedir. İnce malzemeler genellikle nokta kaynağı için termal deformasyonu azaltabilen ve üretim verimliliğini artırabilen Nd: YAG lazer kaynağını kullanır. Ancak kaynak noktasının çekme mukavemeti daha düşüktür ve bu durum pratik üretim gereksinimlerini karşılayamayabilir. Lazer teknolojisinin daha da gelişmesiyle birlikte, tek modlu fiber lazer teknolojisi giderek olgunlaşıyor ve ışının kalitesi iyileşiyor ve daha iyi, bu da kaynak noktasının çekme mukavemetinin arttırılmasında büyük yardım sağlar.
Makale, spiral teli kaynaklamak için bir kaynak noktası oluşturan 1000 W'lık tek modlu bir fiber lazer kullanıyor. Proses parametrelerinin optimize edilmesiyle kaynak noktasının maksimum çekme mukavemetine ulaşılır. Aynı zamanda darbeli lazer nokta kaynağındaki kaynak noktalarının çekme mukavemetiyle de karşılaştırılarak pratik mühendislik uygulamaları için değerli referanslar sağlar.

1 Kaynak Deneyi

1.1 Malzemeleri

Malzeme, 6061 dereceli ve 0.5 mm kalınlığında bir alüminyum alaşımıdır. Malzemenin kimyasal bileşimi Tablo 1'de gösterilmektedir. Malzemeyi 200 mm x 100 mm'lik plakalara kesin, alkol ve suyla temizleyin ve bir kenara koyun. Kaynak yöntemi bindirme kaynağıdır ve kaynak yapılacak iş parçaları ev yapımı fikstürler kullanılarak sıkıştırılır.

Tab.1alüminyum alaşımının kimyasal bileşimi(kütle fraksiyonu)%

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

1.2 Ekipman

Deney ekipmanı, IPG tarafından üretilen tek modlu bir fiber lazeri kullanır. kaynak0.14 µm fiber çapına ve ortalama 1000 W güce sahiptir. Deney platformu esas olarak Şekil 1a'da gösterildiği gibi bir lazer, bilgisayar, optik yol sistemi ve kontrol sisteminden oluşur. Lazer, tarama galvanometresi tarafından yansıtılır. ve F merceği aracılığıyla çalışma düzlemine odaklanır. Galvanometre, x/y motorunun tahriki altında yüksek hızda dönerek düzlemde daireler, dikdörtgenler, düz çizgiler, spiral çizgiler vb. gibi çeşitli yörüngeler oluşturur. F merceğinden geçtikten sonra nokta boyutu yaklaşık 0.28'dir. mm. Optik yol sisteminin şematik diyagramı Şekil 1b'de gösterilmektedir. Darbeli lazer nokta kaynağında 500W Nd:YAG lazer kullanılırkaynak8000W'a kadar tepe gücüyle. Lazer ışını optik yol sistemi ile odaklandıktan sonra nokta boyutu yaklaşık 0.4 ~ 1.0 mm'dir.Jinan Huaxing Experimental Equipment Co., Ltd (model: WDH-10) tarafından üretilen elektronik çekme test cihazı, kaynak dikişinin çekme testi için kullanılır. Kaynak görünümü, markası Beijing North Star ve model numarası XJB200 olan metalografik bir mikroskopla test edilir.

Şekil 1 Deney platformu

2 Lazer kaynak işlemi deneyleri ve sonuçları

2.1 Kaynak grafik tasarımı ve görünüm karşılaştırması

Darbeli lazer nokta kaynağı kaynak için 500 W Nd:YAG lazer kullanır 0.6~0.8 mm aralık gereksinimi. Darbeli ışının odaklanmış ışın boyutu lazer nokta kaynağı sadece gereksinimi karşılıyor. Lazer, malzemeye etki eden bir darbe yayar ve kaynak noktası. Kaynak noktasının şematik diyagramı Şekil 2a'da gösterilmektedir.Tek modlu fiber lazerin odaklanmış noktasının yalnızca 0.28 mm olması nedeniyle, lazer ışın bir spiral çalıştırarak bir kaynak noktası oluşturur, spiralin çapı 0.8 mm'dir,ve spiralin 4 dönüşü vardır. Her biri arasında belirli bir derecede lazer örtüşmesi vardır. 0.8 mm çapında bir lazer kaynak noktası oluşturarak dönün. Şeması kaynak noktası Şekil 2b'de gösterilmektedir. Darbeli lazer nokta kaynağının görünümü Şekil 2c'de gösterilmektedir ve spiralin oluşturduğu kaynak noktasının görünümü Şekil 2d'de gösterilmiştir. İki kaynak noktasının boyutu hemen hemen aynıdır ve görsel olarak önemli bir fark gözlemlenebilir.

Şekil 2 Diyagram ve kaynak noktalarının görünümü

2.2 Proses Parametrelerinin Ortogonal Deneyi

Darbeli için ana işleme parametreleri lazer nokta kaynağı tepe lazeri dahil güç, darbe genişliği ve odaklanma miktarı. Bir ön lazer kaynak işlemi testi 0.5 mm 6061 alüminyum alaşımı üzerinde gerçekleştirildi. Tepe lazer gücü 2400 W olduğunda, tepe gücü nispeten küçüktür, bu da daha küçük bir kaynak noktasıyla sonuçlanır 3 N'luk çekme kuvveti.En yüksek lazer gücü ne zaman 3600 W, kaynak yüzeyinde sıçrama var ve kaynak noktasının çekme kuvveti de 4 N'de düşüktür. Darbe genişliği 3 ms'de kaynak noktasının çapı daha küçüktür ve 3 N'de çekme kuvveti daha azdır.Darbe genişliği 9 ms olduğunda çapı kaynak noktası 0.9 mm'dir; 0.6~0.8 mm'lik kaynak aralığını aşıyor. büyük olması nedeniyle 0'da güç yoğunluğu, kaynak dikişinde sıçrama var ve görünüm değişmiyor standardı karşılayın. Ancak, ani düşüş nedeniyle odak dışılık 6 mm'de olduğundagüç yoğunluğu, çekme kuvveti kaynak noktası 4 N'de daha düşüktür. Üç seviyebu faktörler Tablo 2'de gösterildiği gibidir.

Tab.2 Darbeli lazer nokta kaynağının faktörleri ve seviyeleri

numara	faktör
	A Tepe gücü/W	B darbe genişliği/ms	C Odaklanma miktarı/mm
1	2500	4	1
2	3000	6	3
3	3500	8	5

Tek modlu fiber lazer spiral kaynağının ana işlem parametreleri şunlardır: ortalama lazer gücü, kaynak hızı ve odaklanma miktarı,ortalama lazer ne zaman güç 500 W'tır, kaynak noktasındaki çekme kuvveti 4 N'de daha düşüktür;Ortalama ne zamanlazer gücü 900 W, bazı malzeme sıçramaları ve çekme kuvveti kaynak noktası ayrıca 3 N'de daha düşüktür; Kaynak hızı 90 mm/s olduğunda ısı birikimi çok fazla olur yüksektir, malzemenin yanmasına neden olur ve kaynak noktasındaki çekme kuvveti daha düşüktür (5°C).N;Kaynak hızı 170 mm/s olduğunda ısı birikimi daha az olur, hem kaynak genişliği ve derinliği daha küçüktür ve çekme kuvveti kaynak noktasında daha düşüktür,4 N; Odaklanma miktarı 0 olduğunda, güç yoğunluğu daha yüksek olur ve bu da ekran üzerinde sıçramaya neden olur.görünüm gereksinimlerini karşılayamayan kaynak dikişi; miktarı 6 mm olup, güç yoğunluğundaki keskin düşüş nedeniyle çekme kuvveti kaynak noktası 4 N'de daha düşüktür. Üç faktörler ve üç düzey Tablo 3’te gösterilmektedir.

Tab.3 Tek modlu fiber lazer spiral kaynağının faktörleri ve seviyeleri

numara	faktör
	D ortalama güç/W	E kaynak hızı/ (mm·s- 1)	C Odaklanma miktarı/mm
1	600	100	1
2	700	130	3
3	800	160	5

Darbenin üç seviyeli ortogonal deneyi lazer nokta kaynağı dokuz set içerir,tepe gücü 3000 W olduğunda darbe genişliği 8 ms'dir ve odaklanma miktarı1 mm'dir, kaynak noktasının çekme kuvveti 17 N'de zirveye ulaşır,bunlar optimal süreç parametreleri olarak kabul edilir.Tepe lazer faktörü için güç (A), ile yürütülen üç deney var seviye 1 (A=2500 W),kaynak noktalarının çekme kuvvetini bu 3 değerden toplayın istatistiksel toplam K1=35'i elde etmek için deneyler,seviye 2 seçildiğinde, toplamı Kaynak noktalarının çekme mukavemeti istatistiksel toplam K2=46'dır,ne zaman seviye 3 seçilir,toplam istatistiksel toplam K3=33,K istatistiksel değeri ne kadar büyük olursa, bu seviyedeki çekme kuvveti,en yüksek değer K2'dir,bu şunu gösterir: A faktörü ne zaman seviye 2'de (A = 3000 W), kaynak noktasının çekme mukavemeti en yüksektir;Benzer şekilde, diğer kaynak noktalarının çekme mukavemetinin istatistiksel değeri K faktörler(darbe genişliği, odaklanma) Tablo 4'te gösterildiği gibi elde edilebilir. Aralık temsil edilirR tarafından,R değeri ne kadar küçük olursa, faktörün çekme mukavemeti üzerindeki etkisi o kadar az olur.kaynak noktası;Tersine, R değeri ne kadar büyük olursa, o faktörün etkisi de o kadar büyük olurkaynak noktasının çekme mukavemeti üzerinde. Tablo 4'ten, faktörlerin olduğunu görmek mümkündür.Kaynak noktasının çekme mukavemetini etkileyen faktörler önem sırasına göre şunlardır: tepe gücü,darbe genişliği ve odaklanma.

Tablo.4 Darbeli lazer nokta kaynağının ortogonal deney sonuçları

numara	A Tepe gücü/W	Bdarbe genişliği/ms	CBulanıklaştırmamiktar/mm	Lehim eklemi gerilimi/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

Tek modlu fiber lazer spiral hattının üç faktörlü, üç seviyeli ortogonal deneyi kaynak toplam 9 gruptan oluşur. Ortalama güç 3000 W olduğunda kaynak Hız 160 mm/s, odaklama miktarı 1 mm, kaynağın çekme mukavemeti noktası optimum proses parametresi olan en yüksek değer olan 47 N'ye ulaşır.

Lazer ortalama güç faktörü G seviye 1'e (A=600 W) ayarlandığında toplam 3 deney grubu oluşturulur, bu 3 grup kaynak noktasının çekme mukavemetleri toplanarak F1=98 istatistiği elde edilir; Tabloda gösterildiği gibi diğer faktörlerin çekme mukavemeti değerlerine ilişkin istatistikler elde edilebilir.5.Bunlardan Y aralık değeridir. Aralık değerinden lehim bağlantısının boyutunu etkileyen faktörlerin birincilden ikinciye doğru odaklanma, ortalama güç ve kaynak hızı olduğu görülebilir.

2.3 Kaynak görünümü ve mikro yapı analizi

Şekil 3a, darbeli lazer nokta kaynağı için en uygun işlem parametreleri altında nokta kaynağının bir kesitini göstermektedir; kaynak dikişi yüzeyinin genişliği büyüktür, ancak füzyon derinliği arttıkça kaynak dikişinin genişliği azalır. Üst ve alt iki katman arasındaki kaynak dikişinin genişliği, kaynak noktasının yüzey genişliğinin yaklaşık 1/3'ü kadardır; bunun nedeni, darbeli lazerin enerjisinin esas olarak 0.8 mm'lik ışık noktasının merkezinde dağıtılmasıdır. Işık noktasının kenarındaki enerji daha düşüktür, yalnızca malzeme yüzeyini eritebilir ve aşağıya doğru nüfuz etmeye devam edemez, üstte geniş, altta dar bir kaynak dikişi oluşturur. Şekil 3b, ışık noktasının bir kesitini göstermektedir. Kaynak dikişi yüzeyinin genişliğinin kabaca darbeli lazer nokta kaynağının genişliğine eşit olduğu tek modlu fiber lazer spiral kaynak için optimum işlem koşulları altında kaynak noktası, erime derinliğindeki artışla birlikte, önemli bir azalma olmaz. kaynak dikişinin genişliği. Üst ve alt iki malzeme katmanı arasındaki kaynak dikişinin genişliği, kaynak noktası yüzeyinin genişliğiyle hemen hemen aynıdır; bunun nedeni, tek modlu fiber lazer spiral kaynak kullanıldığında, tek modun odaklanmış noktasıdır. Fiber lazer 0.28 mm'dir, lazer enerjisi spot aralığı içerisinde eşit olarak dağılır ve yüksek güç yoğunluğuna sahiptir. Spiral çizginin en dış dairesinde, lazer enerjisi malzemeyi eritmek için yeterlidir ve kaynak dikişi yüzeyinin genişliğinin kaynak dikişi tabanıyla hemen hemen aynı olduğu bir kaynak dikişi şekli oluşturur. Çekme testi sırasında, ana gerilim konumu, malzemenin üst ve alt iki katmanı arasındaki kaynak dikişinin genişliğidir. Genişlik ne kadar büyük olursa kaynak noktasının çekme kuvveti de o kadar büyük olur. Tek modlu fiber lazer spiral kaynağında üst ve alt iki malzeme katmanı arasındaki kaynak dikişinin genişliği, darbeli lazer nokta kaynağının genişliğinin üç katıdır, dolayısıyla tek modlu fiber lazerin kaynak noktasının çekme mukavemeti Fiber lazer spiral kaynağı da darbeli lazer nokta kaynağının üç katıdır.

Tab.5 Tek modlu spiral kaynağın ortogonal deney sonuçları

numara	D ortalama güç/W	E kaynak hızı/(mm·s- 1)	F odak dışımiktar/mm	lehim eklemi gerilimi/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

Şekil 3 Kaynak noktasının kesiti

Şekil 4a, 6061 alüminyum alaşımlı ana malzemenin metalografik yapısını temsil etmektedir. Tane boyutu düzensiz, şekli düzensiz ve taneler nispeten büyüktür; bu tipik bir '-Al yapısıdır.Şekil 4b, lazer darbeli nokta kaynağının optimal işlem parametreleri altında kaynak dikişi merkezinin mikro yapısını göstermektedir. Alüminyum alaşımlı dendritik yapıya sahiptir. Tane boyutu, 6061 alüminyum alaşımının ana malzemesiyle karşılaştırıldığında önemli bir incelme görmüştür. Bunun nedeni, alüminyum alaşımlı malzemenin lazer darbeli nokta kaynağıyla hızlı ısıtılması ve hızlı soğutulmasıdır, bu da kaynak dikişi tanelerinin incelmesiyle sonuçlanır. Şekil 4c, tek modlu fiber lazer spiral kaynak için en uygun işlem parametreleri altında kaynak dikişi merkezinin mikro yapısını göstermektedir. Bu, alüminyum alaşımlı dendritik yapıyla temsil edilir. Tane boyutu, lazer darbeli nokta kaynağının metalografik yapısıyla karşılaştırıldığında önemli bir fark göstermez.

Şekil 4 Kaynak noktasının mikro yapısı

3 Sonuç

6063 alüminyum alaşımı, darbeli lazer nokta kaynağı ve tek modlu fiber lazer spiral kaynak yöntemleri kullanılarak ayrı ayrı bindirme kaynağı yapıldı ve bir ortogonal optimizasyon deneyi yapıldı. Darbeli lazer nokta kaynağı ile kaynak noktalarının maksimum çekme mukavemeti 17 N'ye ulaşmış olup, optimum proses parametreleri şu şekildedir: Darbeli lazer nokta kaynağı için tepe gücü 3000 W, darbe genişliği 8 ms ve odaklanma miktarı 1 mm'dir. Tek modlu fiber lazer spiral kaynak ile kaynak noktalarının maksimum çekme mukavemeti 47 N'ye ulaştı. Bu yöntem için en uygun işlem parametreleri şu şekildedir: ortalama güç 3000 W, kaynak hızı 160 mm/s ve odaklanma miktarı 1'dir. mm.

Nabız sonuçlarının görünümü lazer nokta kaynağı ve tek modlu fiber lazer spiral kaynak, optimum işlem parametreleri altında neredeyse aynıdır, ancak önemli bir fark yoktur; metalurjik yapı ve tane boyutunda da kayda değer bir farklılık yoktur. Tek modlu fiber lazer spiral kaynağında malzemenin üst ve alt katmanları arasındaki kaynak dikişi genişliği, darbeli lazer nokta kaynağından kaynaklanan kaynak dikişinin genişliğinin üç katıdır. Bu nedenle, tek modlu fiber lazer spiral kaynaktan kaynaklanan kaynak noktalarının çekme mukavemeti, darbeli lazer nokta kaynağının üç katıdır.