Laserové svařování – Vliv oscilačních parametrů na laserové svařování hliníkových slitin v nastavitelném prstencovém režimu (ARM)

Laserové svařování – Vliv oscilačních parametrů na laserové svařování hliníkových slitin v nastavitelném prstencovém režimu (ARM)

1. Abstrakt

Tato studie zkoumá vliv amplitudy a frekvence oscilací na kvalitu povrchu, makro a mikrostruktury a pórovitost nastavitelného prstencového módu (ARM).laserové oscilační svařováníDesky z hliníkové slitiny A5083. Výsledky ukazují, že se zvyšující se amplitudou a frekvencí kmitání se zlepšuje kvalita povrchu svaru. S rostoucí amplitudou se průřez svaru transformuje z „kalichového“ tvaru na „půlměsícový“. Mikrostrukturní analýza ukazuje, že velikost zrna svaru se se zvyšující se amplitudou a frekvencí kmitání nesnižuje v důsledku konkurence mezi míchacím účinkem a snižováním rychlosti chlazení. Pórovitost svaru se snižuje se zvyšujícími se parametry kmitání a dosahuje konečné pórovitosti 0,22 % při amplitudě 2 mm. Trojrozměrná rentgenová tomografie dále potvrzuje vliv kmitání na rozložení pórů: velké póry mají tendenci se shlukovat za roztavenou lázní, zatímco malé póry vykazují lepší symetrii. Tento výzkum poskytuje cenné poznatky pro optimalizaci parametrů kmitání pro dosažení vysoce kvalitního laserového svařování v aplikacích hliníkové slitiny A5083.

2 Informace o odvětví

Hliníkové slitiny mají výhody nízké hmotnosti, vysoké měrné pevnosti a dobré odolnosti proti korozi a jsou široce používány v automobilovém průmyslu, vysokorychlostní železniční dopravě, leteckém průmyslu a dalších odvětvích. Laserové svařování má výhody vysoké účinnosti, malé tepelně ovlivněné zóny a malé deformace při svařování. Proto...Laserové svařování je ekonomická metoda svařování vhodná pro silné plechy, což může výrazně snížit počet svarových průchodů. Pórovitost je významnou vadou při laserovém svařování hliníkových slitin, která vážně ovlivňuje mechanické vlastnosti svarových spojů. Proto byly provedeny rozsáhlé studie s cílem snížit a eliminovat tvorbu pórovitosti, včetně optimalizace ochranného plynu, použití technologie dvojitého paprsku, použití modulovaných laserových výkonových systémů a přijetí metod oscilačního paprsku. Technologie laserového oscilačního svařování vyniká svou schopností kombinovat výhody laserového svařování s vlastními vlastnostmi. Použití laserového oscilačního svařování může nejen snížit pórovitost, ale také zlepšit mikrostrukturu svaru a zvýšit kvalitu svaru. Velké množství studií se zaměřilo především na různé aspekty laserového oscilačního svařování, včetně snížení pórovitosti, optimalizace rozložení energie, zjemnění struktury zrn a charakterizace toku taveniny v roztavené lázni. Rozložení laserové energie hraje klíčovou roli v rozložení teploty a hloubce průniku laserového svařování. Při určité amplitudě oscilace, se zvyšující se skenovací frekvencí, svařovací proces přechází z hlubokého průvaru na nestabilní svařování a nakonec na tepelně vodivé svařování. Výsledky ukazují, že zvýšení amplitudy a frekvence skenování může snížit pórovitost, ale také výrazně snížit hloubku průniku svaru, čímž se sníží mechanické vlastnosti svaru. V posledních letech byl vyvinut laser s nastavitelným prstencovým režimem (ARM), který rozděluje laserovou energii na jádro s vysokou hustotou energie a prstenec s nízkou hustotou energie s cílem stabilizovat klíčovou díru a zlepšit kvalitu svaru. Výzkumníci použili oscilační svařování ARM laserem ke svařování vysokopevnostních hliníkových slitin třídy 6xxx za různých poměrů výkonu jádra a prstence a šířek oscilace. Experimentální výsledky ukazují, že hlavním faktorem ovlivňujícím geometrii svaru je šířka oscilace, spíše než poměr výkonu jádra a prstence. Distribuce pórů a mechanismus její inhibice za superpozice oscilace a ARM laseru však nebyly dosud studovány. V tomto článku je použita nová technologie oscilačního svařování ARM laserem ke snížení pórovitosti svaru, dosažení vyšší hloubky průniku a lepší kvality svaru. Je provedena komplexní studie distribuce laserové energie, dynamického chování roztavené lázně a mikrostruktury za různých frekvencí a amplitud oscilace.

3. Experimentální cíle a postupy

Pro svařování hliníkových slitin byla použita technologie kruhového laserového oscilačního svařování. Základním materiálem (BM) byla hliníková slitina 5083-O o rozměrech 300 mm × 100 mm × 5 mm (délka × šířka × tloušťka) a její chemické složení je uvedeno v tabulce. Před svařováním byly vzorky vyleštěny, aby se odstranil povrchový oxidový film, a poté byly po dobu 15 minut čištěny acetonem v ultrazvukové lázni, aby se odstranil povrchový olej.laserový svařovací systémse skládá hlavně z robota Kuka, diskového laseru TruDisk 8001 a 3D PFO galvanometrického skeneru. Jako nastavitelný prstencový laserový zdroj byl použit diskový laser TruDisk 8001 s poměrem jádro/prstencové vlákno 100/400 μm a maximálním výstupním výkonem 8 kW (vlnová délka 1030 nm, parametr kvality paprsku 4,0 mm·rad). Laserový paprsek se skládá z jádrové části a prstencové části, kde laser v centrální části jádra generuje klíčovou díru (60 % laserové energie) a laser v prstencové části zajišťuje dobré rozložení teploty (40 % laserové energie), jak je znázorněno na obrázku (b). Ohniskové vzdálenosti kolimátoru a zaostřovací čočky jsou 138 mm a 450 mm. Během svařovacího procesu byla k monitorování svařovacího procesu v reálném čase použita vysokorychlostní kamera Phantom V1840 a vysokofrekvenční světelný zdroj Cavilux s rychlostí snímání 5000 fps a dobou expozice 1 μs. V této studii jsou trajektorie kmitání kruhového paprsku, dráha pohybu laseru a okamžitá rychlost definovány, jak je znázorněno na obrázku.

4 Výsledky a diskuse

4.1 Charakteristiky morfologie svaru Na obrázku je znázorněna morfologie povrchu svaru za různých režimů laserového kmitání. Výsledky ukazují, že povrch svaru konvenčního přímočarého svařování je drsný (drsnost 78,01 μm), se špatnou kontinuitou zvlnění svaru a nedostatečným rozptylem svaru. Byla také pozorována nedostatečná tvorba svaru, silný rozstřik a podřezání. Se zvyšující se amplitudou a frekvencí kmitání vykazuje povrch svaru husté a rovnoměrné rybí šupiny. Drsnost povrchu svarů s amplitudami kmitání 0,5 mm, 1 mm a 2 mm je 80,71 μm, 49,63 μm a 31,12 μm. Nejsou zde žádné nerovnosti ani výstupky způsobené rozstřikem. Výsledky naznačují, že vyšší frekvence kmitání vede k pravidelnějšímu proudění taveniny, silnějšímu míchacímu účinku laserového paprsku a ideálnějšímu povrchu svaru. Tvar laserového svaru je v zásadě kauzálně souvislý s pohybem laserového paprsku. Během svařování změny amplitudy a frekvence oscilací mění rychlost svařování, čímž ovlivňují lineární hustotu energie a celkový tepelný příkon laseru. Průřezová morfologie svaru má tvar „kalíšku“ a skládá se ze dvou částí: spodní část je „stonek“ a horní část je „miska“. Hloubka průniku a „stonek“ jsou definovány jako H1 a H2 a šířky svaru („miska“) a „stonku“ jsou definovány jako W1 a W2. Obě šířky svaru, W1 a W2, se synchronně zvětšují se zvyšující se amplitudou oscilací a morfologie svaru se postupně mění z tvaru „kalíšku“ na tvar „půlměsíce“. Maximální hustota laserové energie se objevuje v místě překrytí trajektorie. Z porovnání obrázků (b, d) a (c, e) je patrné, že zvýšení skenovací frekvence zvětší plochu překrytí trajektorie podél skenovací dráhy, čímž se rozložení laserové energie stane rovnoměrnějším. Snížení maximální hustoty energie však povede ke snížení hloubky svaru.

4.2 Chování roztavené lázně Pro objasnění vlivu skenovací dráhy na chování roztavené lázně byl použit vysokorychlostní kamerový systém k pozorování procesu vývoje roztavené lázně a klíčové díry. Obrázek (a) znázorňuje proces vývoje roztavené lázně pod přímočarou dráhou. Obrázky (bf) jsou diagramy vývoje roztavené lázně za různých parametrů oscilace. Se zvyšující se frekvencí a amplitudou oscilace se zadní část roztavené lázně stává zaoblenější v důsledku zvětšování šířky roztavené lázně. S rostoucí délkou roztavené lázně se povrchové kolísání způsobené erupcí klíčové díry během zpětného šíření snižuje. Roztavený tekutý kov proto na zadním konci roztavené lázně hladce a pravidelně tuhne a vytváří rovnoměrné a husté svarové rybí šupiny. Obrázek ukazuje změnu plochy otvoru klíčové díry během laserového svařování, která je odvozena z vysokorychlostních fotografických snímků roztavené lázně. Jak je znázorněno na obrázku (a), během přímočarého svařování vykazuje velikost otvoru klíčové díry zjevné kolísání. Bylo pozorováno několik případů uzavření klíčové díry (0 mm²) s průměrnou plochou otvoru klíčové díry 0,47 mm². Zvýšení amplitudy kmitání může také snížit fluktuace a zlepšit stabilitu. Je to proto, že při oscilačním svařování je větší podíl energie rozložen na obě strany. Výstup na klíčovém otvoru se proto rozšiřuje a amplituda kmitání se zvyšuje, čímž se zvětšuje plocha otvoru. Zvýšení amplitudy rozšiřuje dosah míchání laserového paprsku, což vede k rozšíření poloměru periodického pohybu klíčového otvoru. V důsledku viskozity roztaveného kovu a hydrodynamického tlaku působícího v blízkosti stěny klíčového otvoru dochází v tavenině svařované v blízkosti otvoru klíčového otvoru k pohybu vířivých proudů. Rozšíření plochy otvoru klíčového otvoru zvyšuje jeho stabilitu, zabraňuje tvorbě bublin a tím významně snižuje pórovitost.

4.3 Mikrostruktura Obrázek znázorňuje EBSD morfologii průřezu svaru za různých frekvencí a amplitud oscilací. V blízkosti linie tavení laserového svaru rostou sloupcová dendritická zrna směrem ke středu svaru. Jak je znázorněno na obrázku (a), mezi oblastmi „misky“ a „stonku“ lze pozorovat zjevné rozdíly v rozložení sloupcových zrn. Sloupcová zrna jsou rozložena ve tvaru U podél stěny „misky“, zatímco v oblasti „stonku“ jsou sloupcová zrna rozložena ve tvaru U podél linie tavení. Během tuhnutí svaru fungují částečně ztuhlá zrna v zóně tavení jako nukleační místa pro frontu tuhnutí a přednostně rostou kolmo k hranici tavné lázně ve směru maximálního teplotního gradientu. K tomuto jevu dochází, protože vysoká hustota výkonu laseru vede k přehřátí uvnitř tavné lázně. Vyšší tepelný gradient G a střední rychlost růstu R způsobují, že poměr G/R je vyšší než prahová hodnota pro transformaci mikrostruktury, což vede k tvorbě sloupcových zrn. Teplotní gradient G ve středu svaru se snižuje, což způsobuje postupný pokles poměru G/R pod prahovou hodnotu transformace mikrostruktury a přechod k rovnoosým zrnům. Rovnoosá zrna se nacházejí ve středních částech „misky“ i „stonku“. Protože je „stonek“ svaru úzký a blízko základního materiálu, během chlazení zcela tuhne před oblastí „misky“. Ztuhlá část „stonku“ působí jako nukleační místo na dně „misky“, což podporuje růst sloupcových zrn směrem nahoru. Obrázek znázorňuje přímočarý a oscilační proces svařování. Je ukázáno, že kontinuální změna polohy laserového paprsku při laserovém oscilačním svařování zvětšuje délku mezilehlé taveniny, čímž se znovu taví již ztuhlý kov, což vede ke snížení rychlosti růstu zrn r. To může vést ke snížení poměru G/R v dolní zóně rovnoosých zrn.

4.4 Rozložení pórovitosti Pro provedení komplexní kontroly svaru byla použita trojrozměrná rentgenová tomografie, která získala trojrozměrné rozložení pórů ve svaru, jak je znázorněno na obrázku. Pórovitost se vypočítá jako celkový objem pórů dělený celkovým objemem svaru. Porovnáním morfologie a rozložení pórů u přímočarých laserových oscilačních svarů a kruhových laserových oscilačních svarů bylo zjištěno, že přímočaré laserové oscilační svary obsahují více pórů s velkým objemem s pórovitostí 2,49 %, což je výrazně více než u kruhových svarů.laserové oscilační svaryPorovnáním obrázků (b, c) a (d, e) je patrné, že zvýšení frekvence oscilací pomáhá potlačovat tvorbu pórů. Porovnáním obrázků (b, d) a (c, e) je patrné, že zvýšení amplitudy oscilací hraje také významnou roli v potlačování tvorby pórů. Když se amplituda oscilací dále zvýší na 2 mm (obrázek (f)), pórovitost se dále sníží na 0,22 %, takže zůstanou pouze póry s malým objemem a malými rozměry. Obrázek znázorňuje rozložení plochy pórů v různých vzdálenostech od středové čáry svaru, což představuje pórovitost na základě velikosti plochy pórů. U přímočarého svařování je plocha pórů symetricky rozložena podél středové čáry svaru a postupně se snižuje se zvětšující se vzdáleností od středové čáry svaru. Výsledky ukazují, že póry vzniklé klíčovými dírkami jsou soustředěny hlavně za okrajem roztavené lázně ve středové čáre svaru. U laserového oscilačního svařování se symetrie rozložení pórů slabší. Obrázek znázorňuje plochu pórů v různých vzdálenostech od povrchu svaru, kde červená čára představuje hranici mezi oblastmi „misky“ a „stonku“. V případě dominantně velkých pórů (obrázky (ac)) tvoří plocha pórů nad hranicí více než 85 %. Je to proto, že přechod obrysu na dlouhé itudinální hranici s větší pravděpodobností zachycuje bubliny ve svarové lázni a zachycené bubliny mají tendenci migrovat vzhůru vlivem vztlaku. V případě dominantně malých pórů (obrázky (df)) jsou póry koncentrovány v oblasti do 0,5 mm pod hraniční čarou. Důvodem tohoto jevu může být krátká doba chlazení a malý posun směrem nahoru.

5 Závěry

(1) Různé režimy laserového kmitání mají zjevné účinky na povrch svaru. Vyšší amplituda a frekvence mohou zlepšit kvalitu povrchu, zatímco nadměrně velké parametry kmitání mohou zvýšit drsnost a způsobit konkávní vady.

(2) Tvar svaru je určen především parametry laserového kmitání, které ovlivňují rychlost svařování, rozložení energie a celkový tepelný příkon. Se zvyšující se amplitudou kmitání se morfologie svaru mění z „kalíšku“ na „půlměsíc“ a poměr stran se snižuje.

(3) Se zvyšující se amplitudou a frekvencí kmitání se roztavená lázeň rozšiřuje a zadní část se zaobluje. Kmitací se zvětšuje délka roztavené lázně, což je výhodné pro únik bublin a rovnoměrné tuhnutí. Během přímočarého svařování plocha otvoru klíčového otvoru kolísá; relativně řečeno, toto kolísání lze snížit, což zlepšuje stabilitu svařování.

(4) Zvyšující se amplituda a frekvence oscilací snižuje jak tepelný gradient, tak rychlost růstu, což je prospěšné pro tvorbu velkých zrn. Laserové míchání však vede ke zjemnění velikosti zrn a zlepšení pevnosti textury. Při různých parametrech laseru zůstává tvrdost svaru relativně stabilní, mírně nižší než u základního materiálu, což může být způsobeno ztrátou hořčíku odpařováním.

(5) Trojrozměrná rentgenová tomografie ukazuje, že přímočaré svařování má vyšší pórovitost (2,49 %) a větší objem pórů než oscilační svařování. Zvyšující se parametry oscilace mohou výrazně snížit pórovitost, a to až na 0,22 % při amplitudě 2 mm. Rozložení plochy pórů se s oscilací mění: velké póry se agregují za roztavenou lázní a malé póry mají lepší symetrii. Velké póry jsou rozloženy hlavně nad hranicí mezi oblastmi „misky“ a „stonku“, zatímco malé póry jsou koncentrovány pod hranicí.