Вплив діодного та волоконного лазерного композитного зварювання на мікроструктуру та властивості міді Україна

Передмова 0
Червона мідь має гарну пластичність, високу теплопровідність і електропровідність і широко використовується в аерокосмічній, морській техніці, кабельних, електричних і електронних компонентах. Традиційні методи зварювання червоної міді, такі як зварювання в інертному газі вольфраму, мають високу тепловіддачу, великий пост. -зварювальні деформації та непривабливі зварні шви, які вже не відповідають вимогам сучасного виробництва.

Лазерне зварювання має меншу загальну витрату тепла, що може значно вирішити проблеми великої деформації після зварювання та поганого зовнішнього вигляду. Технологія лазерного зварювання швидко розвивається в останні роки. Через низький рівень поглинання лазерів ближньої інфрачервоної довжини хвилі на поверхні міді, як правило, лише близько 4%, більша частина лазерної енергії відбивається. Для зварювання міді потрібне високе споживання енергії, що може призвести до низької стабільності зварювання；Під час процесу плавлення червоної міді на зварному шві легко утворюються пори, що впливає на механічні властивості зварного з’єднання；Під час зварювання червоної міді, велике підведення тепла призводить до різкого збільшення розміру зерна, що також негативно впливає на характеристики зварного з'єднання;

Нова технологія лазерного композитного зварювання напівпровідників і волокон використовується в експерименті для лазерного зварювання червоної міді. Вплив параметрів процесу на формування зварного з’єднання аналізується для надання технічних довідок для фактичного виробництва.

1 Зварювальний дослід
1.1 Зварювальні матеріали та зварювальне обладнання
Експериментальний матеріал — червона мідь товщиною 1.0 мм, довжиною × шириною 100 мм × 50 мм. Спосіб зварювання - зрощення. Зварюваний матеріал затискається саморобним пристосуванням для зменшення деформації під час зварювання.

Для зварювання червоної міді використовується композитний лазер із напівпровідникового лазера та волоконного лазера. Довжина хвилі напівпровідникового лазера становить 976 нм, максимальна потужність — 1000 Вт, а діаметр серцевини волокна — 400 мікрон. Волоконний лазер має довжину хвилі 1070 нм, максимальну потужність лазера — 1000 Вт і діаметр серцевини волокна — 50 мікрон. . Два типи лазерів поєднуються через зварювальну головку, коли колімаційна лінза зварювальної головки має фокусну відстань 100 мм, а фокусуюча лінза має фокусну відстань 200 мм, оптичний шлях показаний на малюнку 1(a), діаметр плями напівпровідникового лазера після проходження через зварювальну головку в лазерному фокусі становить близько 0.8 мм. Завдяки великому розміру плями він може забезпечити допоміжний нагрів навколо зварного шва. Діаметр плями волоконного лазера у фокусі становить приблизно 0.1 мм, а щільність потужності невелика (щільність потужності = потужність лазера/площа плями; менша діаметр плями, тим більша щільність потужності). Це може генерувати вищі температури, досягаючи зварювання мідних матеріалів. Усі експерименти, згадані в тексті, проводились у фокусних точках напівпровідникових лазерів і волоконних лазерів для зварювання. Експериментальна платформа лазерного композитного зварювання показана на малюнку 1(b). В основному він складається з напівпровідникового лазера, волоконного лазера, зварювальної головки, промислового керуючого комп’ютера та модуля X/Y. У цій установці зварювальна головка, керована модулем X/Y, забезпечує зварювання доріжок для формування зварного шва. Потужність напівпровідникового лазера та волоконного лазера можна налаштувати окремо.

(a) Схематична діаграма гібридного зварювального оптичного шляху	(b) Експериментальне обладнання
Рисунок 1 Обладнання для лазерного зварювання

1.2 Обладнання для перевірки зварювання
Мікроструктуру зварного шва перевіряли та аналізували за допомогою металографічного мікроскопа моделі WYJ-4XBD. Це було зроблено для аналізу впливу різних параметрів процесу на мікроструктуру зварного шва. Міцність на розрив зварного шва перевіряли за допомогою електронної машини для розтягування моделі FR-103C. Обладнання показано на малюнку 2(b). Міцність на розтяг P зварного шва отримують шляхом ділення сили розтягу F на площу S зварного шва. Міцність на розрив випробовується 3 рази за кожним параметром процесу, і отримана середня міцність на розрив є міцністю на розрив зварного шва, що відповідає цьому параметру процесу. Швидкість розтягування розтягувальної машини встановлюється на рівні 1 мм/с. Мікротвердість зварного шва зразка перевіряють мікротвердоміром моделі HV-1000. Експериментальне навантаження 50 г, а час завантаження 10 с.

2 Експериментальний процес і аналіз результатів
2.1 Вплив напівпровідникового лазера на зовнішній вигляд і міцність зварних швів
Після численних попередніх експериментів, при використанні лише волоконного лазера для зварювання (з потужністю напівпровідникового лазера, встановленою на 0 Вт), якщо потужність волоконного лазера становить 900 Вт і швидкість зварювання 30 мм/с, зварний шов просто проникне, але він схильний до утворення пор всередині зварного шва. Як показано на малюнку 3(a), у постійних спробах оптимізувати параметри процесу, такі як швидкість зварювання та потужність лазера для лазерне зварювання волокна, все ще є пори всередині зварного шва. Це пов’язано з тим, що під час процесу плавлення пурпурової міді волоконний лазер має велике підведення тепла до міді та високу температуру, що значно підвищує розчинність водню в повітрі в розплавленому басейні. У той же час завдяки хороша теплопровідність фіолетової міді, швидкість охолодження розплавленої ванни дуже висока. Швидке затвердіння розплавленої ванни призводить до того, що водень, розчинений у розплавленій ванні, не розсіюється зі зварного шва вчасно, що призводить до залишкового водню всередині зварного шва та утворення пор у шві. Ці внутрішні пори в зварному шві негативно впливатимуть на механічні властивості зварного з’єднання.

У статті застосовано метод зварювання композитів за допомогою напівпровідникового та волоконного лазерів. Потужність волоконного лазера підтримується постійною на рівні 900 Вт, а швидкість зварювання – 30 мм/с. Потужність напівпровідникового лазера встановлюється на 600 Вт, 800 Вт і 1000 Вт відповідно для аналізу впливу на зварний шов. Коли потужність напівпровідникового лазера становить 600 Вт, зварний шов, показаний на малюнку 3(b), у зварному шві присутні пори. Коли потужність напівпровідникового лазера становить 800 Вт, як показано на малюнку 3(c), у зварному шві немає пор. Це пояснюється тим, що напівпровідниковий лазер має діаметр плями 0.8 мм у фокусній точці, що охоплює більший діапазон нагріву. Напівпровідниковий лазер забезпечує допоміжне нагрівання навколо зварного шва, що зменшує швидкість охолодження розплавленої ванни. Це дає водню, розчиненому в розплавленому резервуарі, достатньо часу для випаровування зі зварного шва, не залишаючи залишкових пор у зварювальному шві. Коли потужність напівпровідникового лазера збільшується до 1000 Вт, зовнішній вигляд зварного шва виглядає, як показано на малюнку 3. (d), з більшими порами всередині. Це може бути пов’язано з надмірно високою потужністю напівпровідникового лазера, що призводить до більшого загального надходження тепла. Це спричиняє видалення елементів з низькою температурою плавлення в міді та залишає порожнини в зварному шві.

Міцність зварного шва перевіряється за допомогою машини для випробувань на розтяг, коли параметри потужності волоконного лазера встановлені на 900 Вт, швидкість зварювання 30 мм/с і величина розфокусування на 0 мм зберігаються постійними, аналіз Проведено вплив потужності напівпровідникового лазера на міцність на розрив зварного шва, результати представлені на малюнку 4. Коли потужність напівпровідникового лазера встановлена ​​на рівні 0 Вт і 600 Вт, немає значних змін у міцності на розрив зварного шва. Це пояснюється тим, що потужність 600 Вт не має істотного впливу на морфологію зварного шва. Подібно до ситуації, коли потужність становить 0 Вт, усередині зварного шва утворюються пори, що призводить до міцності на розрив між 160~161 МПа. Коли потужність напівпровідникового лазера встановлена ​​на рівні 800 Вт, міцність на розрив зварного шва досягає найвищого значення при 238 МПа. , досягаючи 80% міцності на розрив основного мідного матеріалу (що становить 292 МПа). Це означає збільшення приблизно на 50% міцності на розрив порівняно з тим, коли потужність напівпровідникового лазера встановлено на рівні 0 Вт і 600 Вт. Коли потужність напівпровідникового лазера встановлена ​​на 1000 Вт, міцність на розрив зварного шва різко зменшується. Це відбувається через те, що потужність напівпровідникового лазера занадто висока, що призводить до абляції елементів з низькою температурою плавлення, різко знижуючи міцність на розрив зварного шва.

Рисунок 4 Межа міцності зварних з’єднань при різних потужностях напівпровідникового лазера

2.2 Вплив напівпровідникового лазера на мікроструктуру шва
При потужності 900 Вт волоконно-лазерний зварювальний апарат працює зі швидкістю 30 мм/с з розфокусуванням 0 мм. Металографічні зображення мікроструктури зон плавлення при різних потужностях напівпровідникового лазера показано на малюнку 5. Коли потужність напівпровідникового лазера встановлена ​​на рівні 0 Вт, мікроструктура зони плавлення є тонкою стільниковою кристалічною структурою, як показано на малюнку 5(a) . Коли потужність напівпровідникового лазера встановлена ​​на 600 Вт і 800 Вт, мікроструктури зон злиття показані на рисунку 5(b) і малюнку 5(c), відповідно. Зі збільшенням потужності напівпровідникового лазера комірчаста кристалічна структура поступово стає більш грубою. Це пояснюється тим, що температурний градієнт у зоні плавлення відносно великий, зерна ростуть у напрямку теплопровідності, утворюючи дрібні комірчасті кристалічні структури. Коли потужність напівпровідникового лазера встановлена ​​на 1000 Вт, мікроструктура зони плавлення, як показано на 5(d), перетворюється на набагато більш грубу структуру α-Cu. Це пов’язано з надзвичайно повільною швидкістю охолодження, що призводить до утворення великих зерен α-Cu.

При потужності 900 Вт волоконно-лазерний зварювальний апарат працює зі швидкістю 30 мм/с з розфокусуванням 0 мм. Металографічні зображення мікроструктури зон термічного впливу при різних потужностях напівпровідникового лазера показані на рисунку 6. Структура зон термічного впливу вся є відпаленою α-Cu. Коли потужність напівпровідникового лазера встановлена ​​на 0 Вт і 600 Вт, зерно розміри в зоні теплового впливу не змінюються суттєво, як показано на рисунку 6(a) та малюнку 6(b). Це пояснюється відносно низькою потужністю напівпровідникового лазера, який не має помітного впливу на мікроструктуру зварного шва. Коли потужність напівпровідникового лазера встановлена ​​на рівні 800 Вт, зерна в зоні термічного впливу помітно збільшуються, як показано на малюнку. на малюнку 6(c). Коли потужність збільшується до 1000 Вт, середній розмір зерна продовжує зростати, як показано на малюнку 6(d), це тому, що зі збільшенням потужності напівпровідникового лазера швидкість охолодження розплавленої ванни зменшується. Це призводить до збільшення часу переплавлення та перекристалізації для розплавленої ванни. Збільшується кількість тепла та час, що підводиться до зони термічного впливу, подовжуючи час росту зерна в цій зоні, що, у свою чергу, призводить до збільшення розміру зерна в зоні термічного впливу.

При потужності 900 Вт, швидкості зварювання 30 мм/с і величині розфокусування 0 мм для волоконного лазера металографічна мікроструктура в центральній зоні зварного шва під різними потужностями напівпровідникового лазера показана, як на малюнку 7, коли напівпровідник потужність лазера встановлюється на рівні 0 Вт, 600 Вт і 800 Вт відповідно, металографічна мікрофотографія мікроструктури в центрі зварного шва показана на рисунку 7(a), малюнку 7(b) і малюнку 7(c) відповідно, усі вони рівновісних зернистих структур, зі збільшенням потужності напівпровідникового лазера кількість рівновісних зернистих структур поступово зростає. Це пояснюється тим, що збільшення потужності напівпровідникового лазера спричиняє підвищення загальної температури в центрі зварного шва, забезпечуючи достатньо часу для формування рівновісної зернистої структури. Коли потужність напівпровідникового лазера збільшується до 1000 Вт, мікроструктура в центр зварного шва переходить у великі зерна α-Cu, як показано на малюнку 7(b). Це відбувається через зменшення температурного градієнта в центрі зварного шва, що спричиняє значне сповільнення швидкості охолодження зварного шва, сприяючи утворенню великих зерен α-Cu.

2.3 Вплив напівпровідникового лазера на механічні властивості зварних швів
При встановленій потужності волоконного лазера 900 Вт, швидкості зварювання 30 мм/с і величині дефокусування 0 мм мікротвердість при різних потужностях напівпровідникового лазера показана на малюнку 8. Зі збільшенням потужності напівпровідникового лазера максимальна Твердість шва поступово знижується. Це пояснюється тим, що збільшення потужності напівпровідникового лазера подовжує час охолодження та затвердіння ванни розплаву, дозволяючи зернам повністю рости. Більший розмір зерна призводить до зменшення значення мікротвердості матеріалу. Тенденція від області зварного шва до основного матеріалу демонструє початкове зменшення з наступним збільшенням, причому максимальна мікротвердість спостерігається в центральній частині зварного шва. Це пов'язано з наявністю дуже дрібних зерен у цій зоні, оскільки подрібнення зерен призводить до підвищення твердості. Мінімальне значення мікротвердості припадає на зону термічного впливу. Це пояснюється тим, що зона теплового впливу знаходиться в напрямку теплопровідності; малий температурний градієнт призводить до відносно більших зерен, що, у свою чергу, знижує мікротвердість.

Рисунок 8. Розподіл мікротвердості зварних з'єднань при різних потужностях напівпровідникового лазера

Висновок 3
У порівнянні з традиційним зварювання лазером, попередній нагрів або обробка поверхні міді не потрібні. За допомогою волоконних і напівпровідникових композитних лазерів мідь можна зварювати за один етап, скорочуючи виробничий процес і заощаджуючи витрати на виробництво. Це дає цінну технічну довідку для реального виробництва.

Під час процесу зварювання напівпровідниковий лазер забезпечує допоміжне нагрівання зварного шва, створюючи найвищу міцність на розрив зварного шва без пористості, коли встановлена ​​потужність 800 Вт. Потужність напівпровідникового лазера значно впливає на мікроструктуру зварного шва. Зі збільшенням потужності напівпровідникового лазера комірчаста кристалічна структура в зоні плавлення поступово стає більш грубою; збільшується розмір зерна в зоні теплового впливу; і рівновісна кристалічна структура в центрі зварного шва збільшується в розмірі частинок. Більший розмір зерна зменшить мікротвердість зварного шва.