Ласерско заваривање – Утицај параметара осцилације на ласерско заваривање алуминијумских легура подесивим прстенастим режимом (ARM)

Ласерско заваривање – Утицај параметара осцилације на ласерско заваривање алуминијумских легура подесивим прстенастим режимом (ARM)

1. Апстракт

Ова студија истражује утицај амплитуде и фреквенције осцилација на квалитет површине, макро и микроструктуре и порозност подесивог прстенастог мода (ARM)ласерско осцилирајуће заваривањеПлоче од алуминијумске легуре А5083. Резултати показују да се са повећањем амплитуде и фреквенције осцилација побољшава квалитет површине завара. Како се амплитуда повећава, попречни пресек завара се трансформише из облика „пехара“ у облик „полумесеца“. Микроструктурна анализа показује да се величина зрна завара не смањује са повећањем амплитуде и фреквенције осцилација због конкуренције између ефекта мешања и смањења брзине хлађења. Порозност завара се смањује са повећањем параметара осцилација, достижући коначну порозност од 0,22% када је амплитуда 2 мм. Тродимензионална рендгенска томографија додатно потврђује утицај осцилација на расподелу пора: велике поре имају тенденцију да се агрегирају иза растопљеног базена, док мале поре показују бољу симетрију. Ово истраживање пружа вредне увиде за оптимизацију параметара осцилација ради постизања висококвалитетног ласерског заваривања у применама алуминијумске легуре А5083.

2 Позадина индустрије

Алуминијумске легуре имају предности мале тежине, високе специфичне чврстоће и добре отпорности на корозију, и широко се користе у аутомобилској, брзој железници, ваздухопловству и другим индустријама. Ласерско заваривање има предности високе ефикасности, мале зоне утицаја топлоте и мале деформације заваривања. Стога,Ласерско заваривање је економична метода заваривања погодна за дебеле плоче, што може значајно смањити број пролаза завара. Порозност је значајан недостатак у ласерском заваривању легура алуминијума, који озбиљно утиче на механичка својства заварених спојева. Стога су спроведене опсежне студије како би се смањило и елиминисало стварање порозности, укључујући оптимизацију заштитног гаса, примену технологије двоструког снопа, коришћење модулисаних система ласерске снаге и усвајање метода осцилујућег снопа. Технологија ласерског осцилујућег заваривања истиче се својом способношћу да комбинује предности ласерског заваривања са сопственим карактеристикама. Коришћење ласерског осцилујућег заваривања може не само да смањи порозност већ и побољшати микроструктуру завара и побољшати квалитет завара. Велики број студија се углавном фокусирао на различите аспекте ласерског осцилујућег заваривања, укључујући смањење порозности, оптимизацију расподеле енергије, усавршавање структуре зрна и карактеризацију тока растопљеног материјала у растопљеном базену. Расподела ласерске енергије игра кључну улогу у расподели температуре и дубини продирања ласерског заваривања. При одређеној амплитуди осцилација, са повећањем фреквенције скенирања, процес заваривања прелази из заваривања дубоким продирањем у нестабилно заваривање, и коначно у заваривање топлотном проводљивошћу. Резултати показују да повећање амплитуде и фреквенције скенирања може смањити порозност, али и значајно смањити дубину продирања завара, чиме се смањују механичка својства завара. Последњих година развијен је ласер са подесивим прстенастим режимом (ARM), који дели ласерску енергију на језгро са високом густином енергије и прстен са ниском густином енергије, са циљем стабилизације отвора за кључаоницу и побољшања квалитета заваривања. Истраживачи су користили ARM ласерско осцилаторно заваривање за заваривање 6xxx високочврстих алуминијумских легура под различитим односима снаге језгра/прстена и ширинама осцилација. Експериментални резултати показују да је главни фактор који утиче на геометрију завара ширина осцилације, а не однос снаге језгра и прстена. Међутим, расподела пора и њен механизам инхибиције под суперпозицијом осцилације и ARM ласера ​​нису проучавани. У овом раду, усвојена је нова технологија ARM ласерског осцилаторног заваривања како би се смањила порозност завара, добила већа дубина продирања и бољи квалитет завара. Спроведена је свеобухватна студија о расподели ласерске енергије, динамичком понашању растопљеног базена и микроструктури под различитим фреквенцијама и амплитудама осцилација.

3. Експериментални циљеви и поступци

За заваривање легура алуминијума коришћена је технологија кружног ласерског осцилаторног заваривања. Основни материјал (BM) била је легура алуминијума 5083-O димензија 300 мм × 100 мм × 5 мм (дужина × ширина × дебљина), а њен хемијски састав је приказан у табели. Пре заваривања, узорци су полирани да би се уклонио површински оксидни филм, а затим су очишћени ацетоном у ултразвучној кади 15 минута да би се уклонило површинско уље.систем за ласерско заваривањеуглавном се састоји од Кука робота, ТруДиск 8001 диск ласера ​​и 3Д ПФО галванометрског скенера. ТруДиск 8001 диск ласер је коришћен као подесиви прстенасти ласерски извор, са односом језгра/прстенастог влакна од 100/400 μм и максималном излазном снагом од 8 kW (таласна дужина 1030 nm, параметар квалитета снопа од 4,0 mm·rad). Ласерски сноп се састоји од језгра и прстенастог дела, где ласер у централном језгру генерише „кључаоницу“ (60% ласерске енергије), а ласер у прстенастом делу обезбеђује добру расподелу температуре (40% ласерске енергије), као што је приказано на слици (б). Жижне даљине колиматора и фокусирајућег сочива су 138 mm и 450 mm, респективно. Током процеса заваривања, коришћена је брза камера Phantom V1840 и високофреквентни извор светлости Cavilux за праћење процеса заваривања у реалном времену, са брзином снимања од 5000 fps и временом експозиције од 1 μs. У овој студији, путања осцилације кружног снопа, путања кретања ласера ​​и тренутна брзина су дефинисани као што је приказано на слици.

4 Резултати и дискусија

4.1 Карактеристике морфологије завара Морфологије површине завара под различитим режимима ласерских осцилација приказане су на слици. Резултати показују да је површина завара конвенционалног праволинијског заваривања храпава (храпавост од 78,01 μм), са лошим континуитетом таласа завара и недовољним ширењем завара. Такође су примећени недовољно формирање завара, јако прскање и подрезивање. Са повећањем амплитуде и фреквенције осцилација, површина завара показује густе и уједначене рибље крљушти. Храпавост површине завара са амплитудама осцилација од 0,5 мм, 1 мм и 2 мм је 80,71 μм, 49,63 μм и 31,12 μм, респективно. Нема неправилности или избочина изазваних прскањем. Резултати указују да већа фреквенција осцилација доводи до правилнијег тока растопљеног базена, јачег ефекта мешања ласерског снопа и идеалније површине завара. У основи, облик ласерског завара је узрочно повезан са кретањем ласерског снопа. Током заваривања, промене амплитуде и фреквенције осцилација мењају брзину заваривања, чиме утичу на линеарну густину енергије и укупни унос топлоте ласера. Морфологија попречног пресека завара је у облику „пехара“, која се састоји од два дела: доњи део је „стабло“, а горњи део је „чинија“. Дубина продирања и „стабло“ су дефинисани као H1 и H2, респективно, а ширине завара („чинија“) и „станија“ су дефинисане као W1 и W2, респективно. Обе ширине завара, W1 и W2, повећавају се синхроно са повећањем амплитуде осцилација, а морфологија завара постепено се трансформише из облика „пехара“ у облик „полумесеца“. Максимална густина енергије ласера ​​појављује се на преклапању путање. Упоређујући слике (б, д) и (ц, е), може се видети да ће повећање фреквенције скенирања повећати површину преклапања путање дуж путање скенирања, чинећи расподелу енергије ласера ​​равномернијом. Међутим, смањење максималне густине енергије довешће до смањења дубине завара.

4.2 Понашање растопљеног базена Да би се разјаснио утицај путање скенирања на понашање растопљеног базена, коришћен је систем камера велике брзине за посматрање процеса еволуције растопљеног базена и отвора за кључаоницу. Слика (а) приказује процес еволуције растопљеног базена под праволинијском путањом. Слике (бф) су дијаграми еволуције растопљеног базена под различитим параметрима осцилације. Са повећањем фреквенције и амплитуде осцилација, задњи део растопљеног базена постаје заобљенији због ширења ширине растопљеног базена. Како се дужина растопљеног базена повећава, површинске флуктуације изазване ерупцијом отвора за кључаоницу се смањују током ширења уназад. Стога, растопљени течни метал се глатко и равномерно стврдњава на задњем крају растопљеног базена, формирајући уједначене и густе заварене рибље крљушти. Слика приказује промену површине отвора за кључаоницу током ласерског заваривања, која је изведена из фотографија растопљеног базена великом брзином. Као што је приказано на слици (а), током праволинијског заваривања, величина отвора за кључаоницу показује очигледне флуктуације. Примећено је неколико случајева затварања отвора за кључаоницу (0 мм²), са просечном површином отвора за кључаоницу од 0,47 мм². Повећање амплитуде осцилација такође може смањити флуктуације и побољшати стабилност. То је зато што се код осцилаторног заваривања већи део енергије распоређује на обе стране. Због тога се излаз на отвору за кључаоницу шири, а амплитуда осцилација се повећава, чиме се повећава површина отвора. Повећање амплитуде проширује опсег мешања ласерског зрака, што доводи до проширења радијуса периодичног кретања отвора за кључаоницу. Због вискозности растопљеног метала и хидродинамичког притиска који делује близу зида отвора за кључаоницу, у растопљеном базену за заваривање близу отвора отвора за кључаоницу долази до кретања вртложних струја. Проширење површине отвора отвора за кључаоницу побољшава његову стабилност, спречава стварање мехурића и тиме значајно инхибира порозност.

4.3 Микроструктура Слика приказује EBSD морфологију попречног пресека завара под различитим фреквенцијама и амплитудама осцилација. У близини линије топљења ласерског завара, стубаста дендритна зрна расту према центру завара. Као што је приказано на слици (а), између региона „чинје“ и „стабла“ могу се уочити очигледне разлике у расподели стубастих зрна. Стубаста зрна су распоређена у облику слова U дуж зида „чинје“, док су у региону „стабла“ стубаста зрна распоређена у облику слова U дуж линије топљења. Током очвршћавања завара, делимично очврснута зрна у зони топљења делују као места нуклеације за фронт очвршћавања и преференцијално расту нормално на границу растопљеног базена дуж правца максималног температурног градијента. Овај феномен се јавља зато што велика густина снаге ласера ​​доводи до прегревања унутар базена за заваривање. Виши термички градијент G и умерена брзина раста R чине G/R већим од прага за трансформацију микроструктуре, што резултира формирањем стубастих зрна. Температурни градијент G у центру завара се смањује, што узрокује да однос G/R постепено пада испод прага трансформације микроструктуре, прелазећи на једнакоосна зрна. Једнакоосна зрна се налазе у централним деловима и „чинје“ и „стабла“. Пошто је „стабло“ завара уско и близу основног материјала, оно се потпуно стврдњава пре региона „чинје“ током хлађења. Стврднути део „станка“ делује као место нуклеације на дну „чинје“, подстичући раст стубастих зрна навише. Слика приказује праволинијски и осцилаторни процес заваривања. Показано је да ће континуирана промена положаја ласерског зрака код ласерског осцилаторног заваривања повећати дужину међурастопљеног базена, поново топећи већ очврснути метал, што резултира смањењем брзине раста зрна r. Ово може довести до смањења G/R у доњој зони једнакоосних зрна.

4.4 Расподела порозности Тродимензионална рендгенска томографија је коришћена за спровођење свеобухватног прегледа завара, добијајући тродимензионалну расподелу пора у завару, као што је приказано на слици. Порозност се израчунава као укупна запремина пора подељена укупном запремином завара. Поређењем морфологије и расподеле пора код праволинијских ласерских осцилујућих завара и кружних ласерских осцилујућих завара, утврђено је да праволинијски ласерски осцилујући завари садрже више пора велике запремине, са порозношћу од 2,49%, што је знатно више него код кружних.ласерски осцилирајући завариПоређењем слика (б, ц) и (д, е), може се видети да повећање фреквенције осцилација помаже у спречавању стварања пора. Поређењем слика (б, д) и (ц, е), може се видети да повећање амплитуде осцилација такође игра значајну улогу у спречавању стварања пора. Када се амплитуда осцилација додатно повећа на 2 мм (слика (ф)), порозност се додатно смањује на 0,22%, остављајући само поре мале запремине и мале површине. Слика приказује расподелу површине пора на различитим удаљеностима од средишње линије завара, што представља порозност на основу величине површине пора. Код праволинијског заваривања, површина пора је симетрично распоређена дуж средишње линије завара и постепено се смањује са повећањем удаљености од средишње линије завара. Резултати показују да су поре изазване кључаоницом углавном концентрисане иза растопљеног базена на средишњој линији завара. Код ласерског осцилаторног заваривања, симетрија расподеле пора постаје слабија. Слика приказује површину пора на различитим удаљеностима од површине завара, где црвена линија представља границу између региона „чинје“ и „стабљике“. У случају доминантних великих пора (слике (ac)), површина пора изнад границе чини више од 85%. То је зато што је вероватније да ће контурни прелаз на дугој итудиналној граници заробити мехуриће у заварном базену, а заробљени мехурићи имају тенденцију да мигрирају навише под утицајем узгона. У случају доминантних малих пора (слике (df)), поре су концентрисане у подручју унутар 0,5 mm испод граничне линије. Кратко време хлађења и мало померање навише могу бити разлози за ову појаву.

5 Закључака

(1) Различити режими ласерских осцилација имају очигледне ефекте на површину завара. Већа амплитуда и фреквенција могу побољшати квалитет површине, док претерано велики параметри осцилација могу повећати храпавост и изазвати конкавне дефекте.

(2) Облик завара је углавном одређен параметрима ласерских осцилација, који утичу на брзину заваривања, расподелу енергије и укупни унос топлоте. Са повећањем амплитуде осцилација, морфологија завара се мења од „пехарастог“ до „полумесеца“, а однос ширине и висине се смањује.

(3) Са повећањем амплитуде и фреквенције осцилација, растопљени базен постаје шири, а задњи део постаје заобљен. Ефекат осцилације повећава дужину растопљеног базена, што је корисно за излазак мехурића и равномерно очвршћавање. Током праволинијског заваривања, површина отвора кључаонице флуктуира; релативно говорећи, ово флуктуирање се може смањити, побољшавајући стабилност заваривања.

(4) Повећање амплитуде и фреквенције осцилација смањује и термички градијент и брзину раста, што је корисно за формирање великих зрна. Међутим, ефекат ласерског мешања погодује рафинирању величине зрна и побољшању чврстоће текстуре. Под различитим параметрима ласера, тврдоћа завара остаје релативно стабилна, нешто нижа од тврдоће основног материјала, што може бити последица губитка магнезијума испаравањем.

(5) Тродимензионална рендгенска томографија показује да праволинијско заваривање има већу порозност (2,49%) и већу запремину пора него осцилаторно заваривање. Повећање параметара осцилације може значајно смањити порозност, чак достижући 0,22% када је амплитуда 2 мм. Расподела површине пора се мења са осцилацијом: велике поре се агрегирају иза растопљеног базена, а мале поре имају бољу симетрију. Велике поре су углавном распоређене изнад границе између региона „чинје“ и „стабљике“, док су мале поре концентрисане испод границе.