Процес одномодового волоконного лазерного зварювання алюмінієвого сплаву 6063 Україна

РЕЗЮМЕ:Робота спрямована на дослідження оптим зварювання лазером технологічна схема для алюмінієвого сплаву 6063 для покращення натягу точки зварювання з огляду на те, що натяг алюмінієвого сплаву 6063, звареного імпульсним лазером, низький і не відповідає фактичним потребам. The одномодовий волоконний лазер використовувався для зварювання алюмінієвого сплаву 6063, а спіральні плями були сформовані надзвичайно тонкою лінією, щоб замінити один імпульс лазерне точкове зварювання. Для отримання оптимальних параметрів було проведено ортогональний експеримент для визначення потужності лазера, швидкості зварювання та розфокусування. Завдяки аналізу зовнішнього вигляду та мікроструктури зварного шва було пояснено причину збільшення напруги в місці зварювання. При потужності лазера 70 Вт, швидкості зварювання 100 мм/с, розфокусуванні 0, напруга плям досягала максимуму 65 Н, а параметри процесу були найкращими. Напруга точкового одномодового лазерного зварювання в 3 рази перевищувала напругу точкового імпульсного лазерного зварювання. Під час зварювання одномодовим волоконним спіральним лазером енергія лазера рівномірно розподіляється в точковому діапазоні та має велику щільність потужності, утворюючи форму зварного шва з шириною поверхні зварного шва, майже такою ж, як у нижньої частини шва, що сприяє покращення натягу точки зварювання та надання технічної довідки для фактичного виробництва.

КЛЮЧОВІ СЛОВА:6063 алюмінієвий сплав; одномодовий волоконний лазер; лазерне зварювання; напруга

Матеріали з алюмінієвих сплавів мають такі переваги, як легка вага, висока міцність, легкість обробки та формування, а також хороша стійкість до корозії. Вони широко використовуються в таких галузях, як аерокосмічна, апаратна та автомобільна промисловість. З розвитком науки й техніки висуваються більш високі вимоги до якості зварювання та ефективності виробництва зварювання алюмінієвих сплавів. Лазерне зварювання має переваги високої енергії щільність, низька сумарна тепловіддача, мала деформація після зварювання, легка автоматизація за рахунок відсутності контакту з деталлю. Має широкі перспективи застосування у зварюванні алюмінієвих сплавів.
Алюмінієвий сплав має високу відбивну здатність для лазерів, тому для зварювання потрібна більша лазерна енергія. Крім того, елементи з низькою температурою плавлення, такі як Mg і Zn в алюмінієвих сплавах, схильні до вигорання, що призводить до зниження міцності зварювального з’єднання, що впливає на практичне використання. Алюмінієвий сплав 6063 має високу міцність і хорошу стійкість до тертя, а також це матеріал з алюмінієвого сплаву з широким спектром застосувань. Тонкі матеріали зазвичай використовують лазерне джерело Nd: YAG для точкового зварювання, яке може зменшити термічну деформацію та підвищити ефективність виробництва. Однак міцність на розрив плями зварювання нижча, що може не відповідати практичним вимогам виробництва. З подальшим розвитком лазерної технології технологія одномодового волоконного лазера стає все більш зрілою, а якість променя стає кращою та краще, що дуже допомагає у покращенні міцності на розрив місця зварювання.
У статті використовується одномодовий волоконний лазер потужністю 1000 Вт для зварювання спірального дроту з утворенням місця зварювання. Завдяки оптимізації параметрів процесу досягається максимальна міцність на розрив точки зварювання. Він також порівнюється з міцністю на розрив точок зварювання від імпульсного лазерного точкового зварювання, забезпечуючи цінні посилання для практичних інженерних застосувань.

1 Дослід зі зварювання

Матеріали 1.1

Матеріал - алюмінієвий сплав марки 6061, товщина 0.5 мм. Хімічний склад матеріалу наведено в таблиці 1. Розріжте матеріал на пластини розміром 200 мм x 100 мм, промийте спиртом і водою та відкладіть. Спосіб зварювання — внахлест, а заготовки, що зварюються, затискаються за допомогою саморобних пристосувань.

Таб.1 Хімічний складалюмінієвого сплаву 6061(масова частка)%

1.2 Обладнання

Експериментальне обладнання використовує одномодовий волоконний лазер виробництва IPG for зварювання, з діаметром волокна 0.14 мкм і середньою потужністю 1000 Вт. Експериментальна платформа в основному складається з лазера, комп’ютера, системи оптичного тракту та системи керування, як показано на малюнку 1а. Лазер відбивається скануючим гальванометром і фокусується на робочу площину через F-лінзу. Гальванометр обертається з високою швидкістю під приводом двигуна x/y, утворюючи різні траєкторії на площині, такі як кола, прямокутники, прямі лінії, спіральні лінії тощо. Після проходження крізь лінзу F розмір плями становить близько 0.28 мм. Схематична діаграма системи оптичного тракту показана на малюнку 1b. Для точкового зварювання імпульсним лазером використовується Nd:YAG-лазер потужністю 500 Втджерело, з піковою потужністю до 8000 Вт. Після того, як лазерний промінь сфокусовано системою оптичного шляху, розмір плями становить приблизно 0.4 ~ 1.0 мм.Електронний тестер на розтяг виробництва Jinan Huaxing Experimental Equipment Co., Ltd (модель: WDH-10) використовується для випробування на розтяг зварного шва. Зовнішній вигляд зварного шва перевіряється за допомогою металографічного мікроскопа з маркою Beijing North Star і номером моделі XJB200.

Рис.1 Експериментальна платформа

2 Експерименти процесу лазерного зварювання та результати

2.1 Зварювальний графічний дизайн і порівняння зовнішнього вигляду

Пульсуючий лазерне точкове зварювання для зварювання використовує Nd:YAG лазер потужністю 500 Вт, з заваркою вимога діапазону 0.6~0.8 мм. Розмір сфокусованого пучка імпульсного лазерне точкове зварювання просто відповідає вимогам. Лазер випромінює імпульс, який діє на матеріал, утворюючи a точкове зварювання. Принципова схема точки зварювання показана на малюнку 2а.Оскільки сфокусована пляма одномодового волоконного лазера становить лише 0.28 мм, лазер промінь утворює зварювальну точку за допомогою спіралі, діаметр спіралі 0.8 мм,а спіраль має 4 витки. Існує певний ступінь лазерного перекриття між кожним обороту, утворюючи пляму лазерного зварювання діаметром 0.8 мм. Схематичне зображення точкового зварювання показано на малюнку 2b. Зовнішній вигляд імпульсного лазерного точкового зварювання показано на малюнку 2c, а зовнішній вигляд плями зварювання, утвореної спіраллю показано на малюнку 2d. Розмір двох точок зварювання майже однаковий, а ні істотну різницю можна спостерігати візуально.

Рис.2 Схема і зовнішній вигляд точок зварювання

2.2 Ортогональний експеримент параметрів процесу

Основні параметри обробки для імпульсних лазерне точкове зварювання включають піковий лазер потужність, ширина імпульсу та величина розфокусування. Попереднє випробування процесу лазерного зварювання виконано на алюмінієвому сплаві 0.5 товщиною 6061 мм. Коли пікова потужність лазера становить 2400 Вт, пікова потужність відносно мала, що призводить до меншої плями зварювання сила тяги 3 Н.Коли досягається пікова потужність лазера 3600 Вт, є бризки на поверхні шва шов, а розтягуюча сила плями зварювання також низька, 4 Н. Коли ширина імпульсу 3 мс, діаметр місця зварювання менший, а розтягуюча сила менша, 3 Н.При тривалості імпульсу 9 мс діаметр пляма зварювання становить 0.9 мм, що перевищує діапазон зварювання 0.6~0.8 мм. Коли розфокусування є на 0, через велику щільність потужності, є розбризкування на зварному шві, а зовнішній вигляд не робить відповідають стандарту. Однак, коли розфокусування становить 6 мм, через різке падіннящільність потужності, сила розтягу при в точка зварювання нижче, при 4 Н. Три рівніці фактори наведені в таблиці 2.

Табл.2 Фактори та рівні імпульсного лазерного точкового зварювання

Основними технологічними параметрами одномодового волоконного лазерного спірального зварювання є середня потужність лазера, швидкість зварювання та величина розфокусування,при середньому лазері потужність 500 Вт, сила розтягування в місці зварювання менше, 4 Н;При середньомупотужність лазера становить 900 Вт, деякі бризки матеріалу, а розтягуюча сила на точка зварювання також нижче, при 3 Н; Коли швидкість зварювання становить 90 мм/с, накопичення тепла також високий, що спричиняє спалювання матеріалу, а сила розтягу в точці зварювання нижча, 5N;Коли швидкість зварювання становить 170 мм/с, накопичення тепла нижче ширина і глибина зварювання менші, а сила розтягування в точці зварювання нижче, при4 N; Коли ступінь розфокусування дорівнює 0, щільність потужності вища, що спричиняє розбризкуваннязварний шов, який не відповідає вимогам зовнішнього вигляду; при розфокусуванні величина становить 6 мм, через різке падіння питомої потужності сила розтягу при точка зварювання нижче, при 4 Н. Три фактори та три рівні показані в таблиці 3.

Табл.3 Фактори та рівні одномодового волоконного лазерного спірального зварювання

Трирівневий ортогональний експеримент імпульсу лазерне точкове зварювання містить дев'ять наборів,при піковій потужності 3000 Вт, ширині імпульсу 8 мс і величині дефокусуваннястановить 1 мм, розтягуюча сила точки зварювання досягає свого піку при 17 Н,ці розглядаються як оптимальні параметри процесу.Для коефіцієнта піку лазера потужності (A), є три експерименти, проведені з рівень 1 (A=2500 Вт),складіть силу розтягу точок зварювання з цих 3 експерименти, щоб отримати статистичний підсумок K1=35,коли вибрано рівень 2, сума межа міцності на розрив точок зварювання статистична сума K2=46,коли рівень 3 обрано,сума така статистичний підсумок К3=33,чим більше статистичне значення K, тим вище сила розтягування на цьому рівні,найбільше значення - К2,це вказує на те, що коли фактор А є на рівні 2 (A = 3000 Вт) міцність на розрив точки зварювання найбільша;Подібним чином, статистичне значення K міцності на розрив точки зварювання ін фактори(ширина імпульсу, розфокусування) можна отримати, як показано в таблиці 4. Діапазон представленовід R,чим менше значення R, тим менший вплив має цей фактор на міцність на розривточка зварювання;І навпаки, чим більше значення R, тим сильніший вплив цього факторана міцність на розрив точки зварювання. З таблиці 4, це видно, що факториякі впливають на міцність на розрив точки зварювання, у порядку важливості: пікова потужність,ширина імпульсу та розфокусування.

Таб.4 Результати ортогонального експерименту імпульсного лазерного точкового зварювання

Трифакторний трирівневий ортогональний експеримент одномодової спіральної лінії волоконного лазера зварювання складається з 9 груп. При середній потужності 3000 Вт зварювання швидкість 160 мм/с, величина розфокусування 1 мм, міцність на розрив зварного шва досягає найвищого значення 47 Н, що є оптимальним параметром процесу.

Коли середній коефіцієнт потужності лазера G встановлено на рівні 1 (A=600 Вт), формується загалом 3 експериментальні групи, міцність на розрив цих 3 груп точок зварювання додається разом, щоб отримати статистику F1=98; Подібним чином , можна отримати статистику для значення міцності на розрив інших факторів, як показано в табл5. Серед них Y – це значення діапазону. Зі значення діапазону можна побачити, що фактори, які впливають на розмір паяного з’єднання: від основного до вторинного, розфокусування, середня потужність і швидкість зварювання.

2.3 Зовнішній вигляд зварного шва та аналіз мікроструктури

На малюнку 3а показано поперечний переріз точкового зварювання при оптимальних параметрах процесу для імпульсного лазерного точкового зварювання, ширина поверхні зварного шва велика, але зі збільшенням глибини проплавлення ширина зварного шва зменшується. Ширина зварювального шва між двома верхніми та нижніми шарами становить приблизно 1/3 ширини поверхні точки зварювання, це пояснюється тим, що енергія імпульсного лазера в основному розподіляється в центрі світлової плями 0.8 мм. Енергія на краю світлової плями нижча, що може лише розплавити поверхню матеріалу і не може продовжувати проникати вниз, утворюючи зварний шов, який є широким угорі та вузьким унизу. На малюнку 3b показано поперечний переріз пляма зварного шва за оптимальних умов процесу для одномодового волоконного лазерного спірального зварювання, де ширина поверхні зварного шва приблизно еквівалентна ширині імпульсного лазерного точкового зварювання, зі збільшенням глибини плавлення немає значного зменшення ширина зварного шва. Ширина зварювального шва між двома верхніми та нижніми шарами матеріалу майже така ж, як ширина поверхні точки зварювання, це тому, що коли використовується одномодове волоконно-лазерне спіральне зварювання, сфокусована точка одномодового зварювання волоконний лазер становить 0.28 мм, енергія лазера рівномірно розподіляється в межах плями і має високу щільність потужності. У самому зовнішньому колі спіральної лінії енергії лазера достатньо, щоб розплавити матеріал, утворюючи форму зварного шва, де ширина поверхні зварного шва майже така ж, як і нижня частина зварного шва. Під час випробування на розтягування Основне положення напруги - це ширина зварного шва між двома верхніми і нижніми шарами матеріалу. Чим більше ширина, тим більше сила розтягування точки зварювання. Ширина зварного шва між двома верхніми та нижніми шарами матеріалу в одномодовому спіральному шві волоконного лазера в три рази перевищує ширину точкового зварювання імпульсним лазером, отже, міцність на розрив точки зварювання одномодового зварювання волоконно-лазерне спіральне зварювання також у три рази краще, ніж імпульсне лазерне точкове зварювання.

Таб.5 Результати ортогонального експерименту одномодового спірального зварювання

Рис.3 Поперечний переріз точки зварювання

На рисунку 4а представлена ​​металографічна структура вихідного матеріалу з алюмінієвого сплаву 6061. Розмір зерна нерівномірний, форма неправильна, зерна відносно великі, що є типовою структурою '-Al4б представлена ​​мікроструктура центру зварного шва при оптимальних параметрах процесу лазерно-імпульсного точкового зварювання. Він має дендритну структуру з алюмінієвого сплаву. Розмір зерна значно покращився порівняно з основним матеріалом алюмінієвого сплаву 6061. Це пов’язано зі швидким нагріванням і швидким охолодженням матеріалу алюмінієвого сплаву за допомогою точкового лазерного імпульсного зварювання, що призводить до подрібнення зерен зварного шва. На рисунку 4в показано мікроструктуру центру зварного шва за оптимальних параметрів процесу для одномодового волоконного лазерного спірального зварювання. Це представлено дендритною структурою алюмінієвого сплаву. Розмір зерен не показує істотної різниці в порівнянні з металографічною структурою точкового лазерного імпульсного зварювання.

Рис.4 Мікроструктура точки зварювання

Висновок 3

Алюмінієвий сплав 6063 зварювали внахлест окремо за допомогою імпульсного лазерного точкового зварювання та одномодового волоконного лазерного спірального зварювання, а також проводили ортогональний експеримент з оптимізації. Максимальна сила розриву зварних точок, досягнута імпульсним лазерним точковим зварюванням, досягала 17 Н, оптимальні параметри процесу наступні: пікова потужність 3000 Вт, ширина імпульсу 8 мс, величина розфокусування 1 мм для імпульсного лазерного точкового зварювання. Максимальна сила розриву зварювальних точок, досягнута одномодовим лазерним спіральним зварюванням волокон, досягала 47 Н. Оптимальні параметри процесу для цього методу такі: середня потужність 3000 Вт, швидкість зварювання 160 мм/с, величина розфокусування 1 мм.

Поява результатів пульсу лазерне точкове зварювання і одномодове волоконно-лазерне спіральне зварювання за оптимальних параметрів процесу є майже ідентичним, без істотної різниці; також немає помітних розбіжностей у металургійній структурі та розмірі зерна. Ширина зварювального шва між верхнім і нижнім шарами матеріалу при однорежимному спіральному зварюванні волоконним лазером у три рази перевищує ширину зварювального шва точкового імпульсного лазерного зварювання. Таким чином, міцність на зварювання зварювальних точок при однорежимному спіральному зварюванні волоконним лазером також у три рази перевищує міцність точкового імпульсного лазерного зварювання.