Lasersveising – Påvirkningen av oscillasjonsparametere på lasersveising av aluminiumslegeringer med justerbar ringmodus (ARM)

Lasersveising – Påvirkningen av oscillasjonsparametere på lasersveising av aluminiumslegeringer med justerbar ringmodus (ARM)

1. Sammendrag

Denne studien undersøker effektene av oscillasjonsamplitude og -frekvens på overflatekvaliteten, makro- og mikrostrukturer, og porøsiteten til justerbar ringmodus (ARM).laseroscillerende sveisetA5083 aluminiumslegeringsplater. Resultatene viser at med økningen av oscillasjonsamplitude og -frekvens forbedres sveiseoverflatekvaliteten. Når amplituden øker, forvandles sveisetverrsnittet fra en "beger"-form til en "halvmåne"-form. Mikrostrukturanalyse indikerer at kornstørrelsen til sveisen ikke avtar med økningen av oscillasjonsamplitude og -frekvens på grunn av konkurransen mellom omrøringseffekten og reduksjonen av kjølehastigheten. Sveiseporøsiteten avtar med økningen av oscillasjonsparametere, og når en endelig porøsitet på 0,22 % når amplituden er 2 mm. Tredimensjonal røntgentomografi bekrefter ytterligere oscillasjonens påvirkning på porefordelingen: store porer har en tendens til å aggregere bak smeltebadet, mens små porer viser bedre symmetri. Denne forskningen gir verdifull innsikt for å optimalisere oscillasjonsparametere for å oppnå lasersveising av høy kvalitet i A5083 aluminiumslegeringsapplikasjoner.

2 Bransjebakgrunn

Aluminiumslegeringer har fordelene med lav vekt, høy spesifikk styrke og god korrosjonsbestandighet, og er mye brukt i bilindustrien, høyhastighetstog, luftfart og andre industrier. Lasersveising har fordelene med høy effektivitet, liten varmepåvirket sone og liten sveisedeformasjon. Derfor,Lasersveising er en økonomisk sveisemetode som er egnet for tykke plater, noe som kan redusere antall sveisepassasjer betraktelig. Porøsitet er en betydelig mangel ved lasersveising av aluminiumslegeringer, som påvirker de mekaniske egenskapene til sveisede skjøter i alvorlig grad. Derfor har det blitt utført omfattende studier for å redusere og eliminere porøsitetsdannelse, inkludert optimalisering av skjermingsgass, bruk av dobbeltstråleteknologi, bruk av modulerte laserkraftsystemer og bruk av oscillerende strålemetoder. Laseroscillerende sveiseteknologi skiller seg ut ved sin evne til å kombinere fordelene med lasersveising med sine egne egenskaper. Bruk av laseroscillerende sveising kan ikke bare redusere porøsiteten, men også forbedre mikrostrukturen i sveisen og forbedre sveisekvaliteten. Et stort antall studier har hovedsakelig fokusert på ulike aspekter ved laseroscillerende sveising, inkludert porøsitetsreduksjon, optimalisering av energifordeling, forbedring av kornstruktur og karakterisering av smeltestrøm i smeltebadet. Fordelingen av laserenergi spiller en avgjørende rolle i temperaturfordelingen og penetrasjonsdybden til lasersveising. Ved en viss oscillasjonsamplitude, med økningen av skannefrekvensen, overgår sveiseprosessen fra dyp penetrasjonssveising til ustabil sveising, og til slutt til varmeledningssveising. Resultatene viser at økning av skanneamplitude og -frekvens kan redusere porøsiteten, men også redusere sveisens penetrasjonsdybde betydelig, og dermed redusere sveisens mekaniske egenskaper. I de senere år har en justerbar ringmodus (ARM) laser blitt utviklet, som deler laserenergien inn i en kjerne med høy energitetthet og en ring med lav energitetthet, med sikte på å stabilisere nøkkelhullet og forbedre sveisekvaliteten. Forskere har brukt ARM-laseroscillerende sveising for å sveise 6xxx høyfaste aluminiumslegeringer under forskjellige kjerne/ring-effektforhold og oscillasjonsbredder. De eksperimentelle resultatene viser at hovedfaktoren som påvirker sveisegeometrien er oscillasjonsbredden, snarere enn kjerne-ring-effektforholdet. Porefordelingen og dens inhiberingsmekanisme under superposisjon av oscillasjon og ARM-laser har imidlertid ikke blitt studert. I denne artikkelen tas en ny ARM-laseroscillerende sveiseteknologi i bruk for å redusere sveisens porøsitet, oppnå høyere penetrasjonsdybde og bedre sveisekvalitet. En omfattende studie av laserenergifordeling, dynamisk oppførsel i smeltebadet og mikrostruktur under forskjellige oscillasjonsfrekvenser og amplituder utføres.

3. Eksperimentelle mål og prosedyrer

Sirkulær laseroscillerende sveiseteknologi ble brukt til å sveise aluminiumslegeringer. Basismaterialet (BM) var 5083-O aluminiumslegering med dimensjoner på 300 mm × 100 mm × 5 mm (lengde × bredde × tykkelse), og den kjemiske sammensetningen er vist i tabellen. Før sveising ble prøvene polert for å fjerne overflateoksidfilmen, deretter renset med aceton i et ultralydbad i 15 minutter for å fjerne overflateolje.lasersveisesystembestår hovedsakelig av en Kuka-robot, en TruDisk 8001-skivelaser og en 3D PFO-galvanometerskanner. TruDisk 8001-skivelaseren ble brukt som justerbar ringmoduslaserkilde, med et kjerne/ringfiber-forhold på 100/400 μm og en maksimal utgangseffekt på 8 kW (bølgelengde på 1030 nm, strålekvalitetsparameter på 4,0 mm·rad). Laserstrålen består av en kjernedel og en ringdel, hvor laseren i den sentrale kjernedelen genererer et nøkkelhull (60 % av laserenergien), og laseren i ringdelen sikrer en god temperaturfordeling (40 % av laserenergien), som vist i figur (b). Brennviddene til kollimatoren og fokuseringslinsen er henholdsvis 138 mm og 450 mm. Under sveiseprosessen ble et Phantom V1840 høyhastighetskamera og en Cavilux høyfrekvent lyskilde brukt til å overvåke sveiseprosessen i sanntid, med en skytehastighet på 5000 fps og en eksponeringstid på 1 μs. I denne studien er den sirkulære strålens oscillasjonsbane, laserens bevegelsesbane og den øyeblikkelige hastigheten definert som vist i figuren.

4 Resultater og diskusjon

4.1 Egenskaper ved sveisemorfologi Sveiseoverflatemorfologien under forskjellige laseroscillasjonsmoduser er vist i figuren. Resultatene viser at sveiseoverflaten ved konvensjonell rettlinjesveising er ru (ruhet på 78,01 μm), med dårlig kontinuitet i sveisebøyninger og utilstrekkelig sveisespredning. Utilstrekkelig sveisedannelse, kraftig sprut og underskjæring ble også observert. Med økningen av oscillasjonsamplitude og -frekvens viser sveiseoverflaten tette og ensartede fiskeskjell. Overflateruheten til sveiser med oscillasjonsamplituder på 0,5 mm, 1 mm og 2 mm er henholdsvis 80,71 μm, 49,63 μm og 31,12 μm. Det er ingen uregelmessigheter eller fremspring forårsaket av sprut. Resultatene indikerer at en høyere oscillasjonsfrekvens fører til en mer regelmessig smeltebadstrømning, sterkere omrøringseffekt av laserstrålen og en mer ideell sveiseoverflate. Fundamentalt sett er formen på lasersveisen årsakssammenhengende med bevegelsen til laserstrålen. Under sveising endrer endringer i oscillasjonsamplitude og -frekvens sveisehastigheten, og påvirker dermed laserens lineære energitetthet og totale varmetilførsel. Sveisesveisens tverrsnittsmorfologi er "beger"-formet og består av to deler: den nedre delen er "stammen", og den øvre delen er "skålen". Inntrengningsdybden og "stammen" er definert som henholdsvis H1 og H2, og bredden på sveisen ("skålen") og "stammen" er definert som henholdsvis W1 og W2. Begge sveisebreddene W1 og W2 øker synkront med økningen av oscillasjonsamplitude, og sveisemorfologien forvandles gradvis fra "beger"-form til "halvmåne"-form. Den maksimale laserenergitettheten vises ved baneoverlappingen. Ved å sammenligne figur (b, d) og (c, e) kan man se at økningen av skannefrekvensen vil øke baneoverlappingsområdet langs skannebanen, noe som gjør laserenergifordelingen mer jevn. Reduksjonen av den maksimale energitettheten vil imidlertid føre til en reduksjon i sveisedybden.

4.2 Oppførsel av smeltebad For å tydeliggjøre skannebanens påvirkning på smeltebadets oppførsel ble et høyhastighetskamerasystem brukt til å observere utviklingsprosessen til smeltebadet og nøkkelhullet. Figur (a) viser utviklingsprosessen til smeltebadet under en rettlinjet bane. Figur (bf) er utviklingsdiagrammer av smeltebadet under forskjellige oscillasjonsparametere. Med økningen av oscillasjonsfrekvens og amplitude blir den bakre delen av smeltebadet mer avrundet på grunn av utvidelsen av bredden på smeltebadet. Etter hvert som lengden på smeltebadet øker, reduseres overflatefluktuasjonene forårsaket av nøkkelhullsutbrudd under bakoverforplantning. Derfor størkner det smeltede flytende metallet jevnt og regelmessig i den bakre enden av smeltebadet, og danner ensartede og tette sveiseskjell. Figuren viser endringen i nøkkelhullåpningsområdet under lasersveising, som er avledet fra høyhastighetsfotografiske bilder av smeltebadet. Som vist i figur (a), viser størrelsen på nøkkelhullåpningen tydelige svingninger under rettlinjesveising. Flere tilfeller av nøkkelhullslukking (0 mm²) ble observert, med et gjennomsnittlig nøkkelhullåpningsareal på 0,47 mm². Økningen i oscillasjonsamplitude kan også redusere fluktuasjoner og forbedre stabiliteten. Dette skyldes at ved oscillerende sveising fordeles en større andel energi til begge sider. Derfor utvides utløpet på nøkkelhullet, og oscillasjonsamplituden øker, og dermed øker åpningsarealet. Økningen i amplitude utvider laserstrålens røreområde, noe som fører til utvidelse av radiusen til nøkkelhullets periodiske bevegelse. På grunn av viskositeten til det smeltede metallet og det hydrodynamiske trykket som virker nær nøkkelhullsveggen, oppstår virvelstrømsbevegelse i sveisesmeltebassenget nær nøkkelhullåpningen. Utvidelsen av nøkkelhullåpningsarealet forbedrer stabiliteten, unngår dannelse av bobler og hemmer dermed porøsiteten betydelig.

4.3 Mikrostruktur Figuren viser EBSD-morfologien til sveisetverrsnittet under forskjellige oscillasjonsfrekvenser og amplituder. Nær smeltelinjen til lasersveisen vokser søyleformede dendrittkorn mot sveisesenteret. Som vist i figur (a) kan man observere tydelige forskjeller i søyleformede kornfordeling mellom «bolle»- og «stamme»-områdene. Søyleformede korn er fordelt i en U-form langs «bolle»-veggen, mens søyleformede korn i «stamme»-området er fordelt i en U-form langs smeltelinjen. Under størkningen av sveisen fungerer de delvis størknede kornene i smeltesonen som kimdannelsessteder for størkningsfronten og vokser fortrinnsvis vinkelrett på smeltebadgrensen langs retningen av den maksimale temperaturgradienten. Dette fenomenet oppstår fordi laserens høye effekttetthet fører til overoppheting inne i sveisebadet. Den høyere termiske gradienten G og den moderate vekstraten R gjør G/R større enn terskelen for mikrostrukturtransformasjon, noe som resulterer i dannelsen av søyleformede korn. Temperaturgradienten G ved sveisesenteret avtar, noe som fører til at G/R-forholdet gradvis faller under mikrostrukturtransformasjonsterskelen, og går over til likeaksede korn. Likeaksede korn er plassert i de sentrale delene av både "skålen" og "stammen". Siden "stammen" på sveisen er smal og nær basismaterialet, størkner den fullstendig før "skål"-området under avkjøling. Den størknede "stamme"-delen fungerer som et kimdannelsessted i bunnen av "skålen", noe som fremmer den oppadgående veksten av søyleformede korn. Figuren viser de rettlinjede og oscillerende sveiseprosessene. Det er vist at den kontinuerlige endringen av laserstråleposisjonen i laseroscillerende sveising vil øke lengden på det mellomliggende smeltebadet, og smelte det allerede størknede metallet på nytt, noe som resulterer i en reduksjon i kornvekstraten r. Dette kan føre til en reduksjon i G/R i den nedre likeaksede kornsonen.

4.4 Porøsitetsfordeling Tredimensjonal røntgentomografi ble brukt til å utføre en omfattende inspeksjon av sveisen, og oppnå den tredimensjonale fordelingen av porene i sveisen, som vist i figuren. Porøsitet beregnes som det totale volumet av porer delt på sveisens totale volum. Ved å sammenligne poremorfologien og fordelingen av rettlinjede laseroscillerende sveiser og sirkulære laseroscillerende sveiser, finner man at rettlinjede laseroscillerende sveiser inneholder flere porer med stort volum, med en porøsitet på 2,49 %, som er betydelig høyere enn for sirkulære.laseroscillerende sveiserVed å sammenligne figur (b, c) og (d, e) kan man se at økning av oscillasjonsfrekvensen bidrar til å hemme dannelsen av porer. Ved å sammenligne figur (b, d) og (c, e) kan man se at økningen av oscillasjonsamplitude også spiller en betydelig rolle i å hemme poredannelse. Når oscillasjonsamplituden økes ytterligere til 2 mm (figur (f)), reduseres porøsiteten ytterligere til 0,22 %, slik at bare porer med lite volum og små porer blir igjen. Figuren viser porearealfordelingen i forskjellige avstander fra sveisens senterlinje, som representerer porøsiteten basert på porearealstørrelse. For rettlinjesveising er porearealet symmetrisk fordelt langs sveisens senterlinje, og avtar gradvis med økende avstand fra sveisens senterlinje. Resultatene viser at nøkkelhullinduserte porer hovedsakelig er konsentrert bak smeltebadet ved sveisens senterlinje. For laseroscillerende sveising blir symmetrien i porefordelingen svakere. Figuren viser porearealet i forskjellige avstander fra sveiseoverflaten, der den røde linjen representerer grensen mellom «skål»- og «stilk»-områdene. Ved dominerende store porer (figur (ac)) utgjør porearealet over grensen mer enn 85 %. Dette skyldes at konturovergangen ved den lange itudinale grensen har større sannsynlighet for å fange bobler i sveisebadet, og de fangede boblene har en tendens til å migrere oppover under påvirkning av oppdrift. Ved dominerende små porer (figur (df)) er porene konsentrert i området innenfor 0,5 mm under grenselinjen. Den korte avkjølingstiden og den lille oppovergående forskyvningen kan være årsakene til dette fenomenet.

5 konklusjoner

(1) Ulike laseroscillasjonsmoduser har åpenbare effekter på sveiseoverflaten. Høyere amplitude og frekvens kan forbedre overflatekvaliteten, mens for store oscillasjonsparametere kan øke ruheten og forårsake konkave defekter.

(2) Sveiseformen bestemmes hovedsakelig av laseroscillasjonsparametere, som påvirker sveisehastighet, energifordeling og total varmetilførsel. Med økningen av oscillasjonsamplitude endres sveisemorfologien fra «beger» til «halvmåne», og sideforholdet reduseres.

(3) Med økningen av oscillasjonsamplitude og -frekvens blir smeltebadet bredere og den bakre delen blir avrundet. Oscillasjonseffekten øker lengden på smeltebadet, noe som er gunstig for bobleutslipp og jevn størkning. Under rettlinjesveising fluktuerer nøkkelhullåpningsområdet; relativt sett kan denne fluktuasjonen reduseres, noe som forbedrer sveisestabiliteten.

(4) Økende oscillasjonsamplitude og -frekvens reduserer både termisk gradient og veksthastighet, noe som er gunstig for dannelsen av store kornstørrelser. Laserrøringseffekten bidrar imidlertid til å forbedre kornstørrelsen og teksturstyrken. Under forskjellige laserparametere forblir sveisehardheten relativt stabil, litt lavere enn basismaterialets, noe som kan skyldes fordampningstap av magnesium.

(5) Tredimensjonal røntgentomografi viser at rettlinjesveising har høyere porøsitet (2,49 %) og større porevolum enn oscillerende sveising. Økende oscillasjonsparametere kan redusere porøsiteten betydelig, til og med nå 0,22 % når amplituden er 2 mm. Porearealfordelingen endres med oscillasjonen: store porer aggregerer bak smeltebadet, og små porer har bedre symmetri. Store porer er hovedsakelig fordelt over grensen mellom «skål»- og «stilk»-områdene, mens små porer er konsentrert under grensen.