Ласерско заварување – Влијание на осцилациските параметри врз прилагодливиот режим на прстен (ARM) Ласерско заварување на алуминиумски легури

Ласерско заварување – Влијание на осцилациските параметри врз прилагодливиот режим на прстен (ARM) Ласерско заварување на алуминиумски легури

1. Апстракт

Оваа студија ги истражува ефектите од амплитудата и фреквенцијата на осцилациите врз квалитетот на површината, макро и микроструктурите и порозноста на прилагодливиот прстенест режим (ARM)ласерско осцилирачки заварениПлочи од алуминиумска легура A5083. Резултатите покажуваат дека со зголемување на амплитудата и фреквенцијата на осцилацијата, квалитетот на површината на заварот се подобрува. Со зголемување на амплитудата, пресекот на заварот се трансформира од форма на „пехар“ во форма на „полумесечина“. Микроструктурната анализа покажува дека големината на зрната на заварот не се намалува со зголемување на амплитудата и фреквенцијата на осцилацијата поради конкуренцијата помеѓу ефектот на мешање и намалувањето на брзината на ладење. Порозноста на заварот се намалува со зголемување на параметрите на осцилацијата, достигнувајќи конечна порозност од 0,22% кога амплитудата е 2 mm. Тридимензионалната рендгенска томографија дополнително го потврдува влијанието на осцилацијата врз распределбата на порите: големите пори имаат тенденција да се агрегираат зад растопениот базен, додека малите пори покажуваат подобра симетрија. Ова истражување дава вредни сознанија за оптимизирање на параметрите на осцилацијата за да се постигне висококвалитетно ласерско заварување во апликации со алуминиумска легура A5083.

2 Индустриска позадина

Алуминиумските легури имаат предности како што се мала тежина, висока специфична цврстина и добра отпорност на корозија, и се широко користени во автомобилската, брзата железница, воздухопловната и други индустрии. Ласерското заварување има предности како што се висока ефикасност, мала зона погодена од топлина и мала деформација на заварувањето. Затоа,Ласерското заварување е економичен метод на заварување погоден за дебели плочи, што може значително да го намали бројот на поминувања низ заварувањето. Порозноста е значаен дефект при ласерското заварување на алуминиумски легури, што сериозно влијае на механичките својства на заварените споеви. Затоа, спроведени се обемни студии за намалување и елиминирање на формирањето на порозност, вклучувајќи оптимизирање на заштитен гас, примена на технологија со двоен зрак, користење на модулирани ласерски системи за напојување и усвојување на методи со осцилирачки зрак. Технологијата на ласерско осцилирачки заварување се издвојува по својата способност да ги комбинира предностите на ласерското заварување со сопствените карактеристики. Употребата на ласерско осцилирачки заварување не само што може да ја намали порозноста, туку и да ја подобри микроструктурата на заварот и да го подобри квалитетот на заварувањето. Голем број студии главно се фокусираа на различни аспекти на ласерското осцилирачки заварување, вклучувајќи намалување на порозноста, оптимизација на распределбата на енергијата, рафинирање на структурата на зрната и карактеризација на протокот на топење во базенот на стопена течност. Распределбата на ласерската енергија игра клучна улога во распределбата на температурата и длабочината на пенетрација на ласерското заварување. При одредена амплитуда на осцилација, со зголемување на фреквенцијата на скенирање, процесот на заварување преминува од заварување со длабока пенетрација во нестабилно заварување и конечно во заварување со топлинска спроводливост. Резултатите покажуваат дека зголемувањето на амплитудата и фреквенцијата на скенирање може да ја намали порозноста, но исто така значително да ја намали длабочината на пенетрација на заварот, со што се намалуваат механичките својства на заварот. Во последниве години, развиен е ласер со прилагодлив прстенест режим (ARM), кој ја дели енергијата на ласерот на јадро со висока густина на енергија и прстен со ниска густина на енергија, со цел да се стабилизира клучалката и да се подобри квалитетот на заварувањето. Истражувачите користеле ARM ласерско осцилаторно заварување за заварување на легури на алуминиум со висока цврстина 6xxx под различни соодноси на моќност јадро/прстен и ширини на осцилација. Експерименталните резултати покажуваат дека главниот фактор што влијае на геометријата на заварот е ширината на осцилацијата, а не соодносот на моќност јадро-прстен. Сепак, распределбата на порите и нејзиниот механизам за инхибиција под суперпозиција на осцилација и ARM ласер не се проучени. Во овој труд, се усвојува нова ARM ласерска технологија за осцилирање на заварот за да се намали порозноста на заварот, да се добие поголема длабочина на пенетрација и подобар квалитет на заварот. Спроведена е сеопфатна студија за распределбата на енергијата на ласерот, динамичкото однесување на базенот на стопена течност и микроструктурата под различни фреквенции и амплитуди на осцилација.

3. Експериментални цели и процедури

За заварување на алуминиумски легури беше користена технологија на кружно ласерско осцилирање на заварување. Основниот материјал (BM) беше алуминиумска легура 5083-O со димензии 300 mm × 100 mm × 5 mm (должина × ширина × дебелина), а нејзиниот хемиски состав е прикажан во табелата. Пред заварувањето, примероците беа полирани за да се отстрани површинскиот оксиден филм, а потоа исчистени со ацетон во ултразвучна бања 15 минути за да се отстрани површинското масло.систем за ласерско заварувањеглавно се состои од робот Kuka, диск ласер TruDisk 8001 и 3D PFO галванометарски скенер. Диск ласер TruDisk 8001 беше користен како извор на ласер со прилагодлив прстенест режим, со сооднос јадро/прстенест влакна од 100/400 μm и максимална излезна моќност од 8 kW (бранова должина од 1030 nm, параметар за квалитет на зракот од 4,0 mm·rad). Ласерскиот зрак е составен од јадро и прстенест дел, каде што ласерот во централниот јадро генерира клучалка (60% од енергијата на ласерот), а ласерот во прстенестиот дел обезбедува добра распределба на температурата (40% од енергијата на ласерот), како што е прикажано на Слика (б). Фокусните должини на колиматорот и фокусирачкиот објектив се 138 mm и 450 mm, соодветно. За време на процесот на заварување, за следење на процесот на заварување во реално време беа користени камера со голема брзина Phantom V1840 и извор на висока фреквенција на светлина Cavilux, со брзина на снимање од 5000 fps и време на експозиција од 1 μs. Во оваа студија, траекторијата на осцилација на кружниот зрак, патеката на движење на ласерот и моменталната брзина се дефинирани како што е прикажано на сликата.

4 Резултати и дискусија

4.1 Карактеристики на морфологијата на заварот Морфологиите на површината на заварот под различни режими на ласерска осцилација се прикажани на сликата. Резултатите покажуваат дека површината на заварот при конвенционално праволиниско заварување е груба (рапавост од 78,01 μm), со слаб континуитет на бранувањата на заварот и недоволно ширење на заварот. Исто така, забележани се недоволно формирање на завар, силно прскање и поткопување. Со зголемување на амплитудата и фреквенцијата на осцилацијата, површината на заварот претставува густи и униформни рибни лушпи. Површинската грубост на заварите со амплитуди на осцилација од 0,5 mm, 1 mm и 2 mm е 80,71 μm, 49,63 μm и 31,12 μm, соодветно. Нема неправилности или испакнатини предизвикани од прскање. Резултатите покажуваат дека поголемата фреквенција на осцилација води до поправеден проток на топена материја, посилен ефект на мешање на ласерскиот зрак и поидеална површина на заварот. Фундаментално, обликот на ласерскиот завар е причинско-последично поврзан со движењето на ласерскиот зрак. За време на заварувањето, промените во амплитудата и фреквенцијата на осцилацијата ја менуваат брзината на заварувањето, со што влијаат на линеарната густина на енергијата и вкупниот влез на топлина на ласерот. Морфологијата на попречниот пресек на заварот е во облик на „пече“, која се состои од два дела: долниот дел е „стеблото“, а горниот дел е „чинијата“. Длабочината на пенетрација и „стеблото“ се дефинирани како H1 и H2, соодветно, а ширините на заварот („чинијата“) и „стеблото“ се дефинирани како W1 и W2, соодветно. Ширините на заварот W1 и W2 се зголемуваат синхроно со зголемувањето на амплитудата на осцилацијата, а морфологијата на заварот постепено се трансформира од форма на „пече“ во форма на „полумесечина“. Максималната густина на енергијата на ласерот се појавува при преклопување на траекторијата. Споредувајќи ги сликите (b, d) и (c, e), може да се види дека зголемувањето на фреквенцијата на скенирање ќе ја зголеми површината на преклопување на траекторијата по патеката на скенирање, правејќи ја распределбата на енергијата на ласерот порамномерна. Сепак, намалувањето на максималната густина на енергија ќе доведе до намалување на длабочината на заварот.

4.2 Однесување на стопениот базен За да се разјасни влијанието на патеката на скенирање врз однесувањето на стопениот базен, беше користен систем на камери со голема брзина за да се набљудува процесот на еволуција на стопениот базен и клучалката. Слика (а) го прикажува процесот на еволуција на стопениот базен под права линија. Сликите (bf) се дијаграми на еволуција на стопениот базен под различни параметри на осцилација. Со зголемување на фреквенцијата и амплитудата на осцилацијата, задниот дел од стопениот базен станува позаоблен поради ширењето на ширината на стопениот базен. Како што се зголемува должината на стопениот базен, површинската флуктуација предизвикана од ерупцијата на клучалката се намалува за време на обратното ширење. Затоа, стопениот течен метал се стврднува непречено и редовно на задниот крај на стопениот базен, формирајќи униформни и густи рибји лушпи од заварување. Сликата ја покажува промената на површината на отворот на клучалката за време на ласерското заварување, што е изведено од сликите со голема брзина на фотографирање на стопениот базен. Како што е прикажано на Слика (а), за време на праволиниско заварување, големината на отворот на клучалката покажува очигледни флуктуации. Забележани се неколку случаи на затворање на клучалката (0 mm²), со просечна површина на отворање на клучалката од 0,47 mm². Зголемувањето на амплитудата на осцилациите може да ги намали флуктуациите и да ја подобри стабилноста. Ова е затоа што при осцилирачкото заварување, поголем дел од енергијата се распределува на двете страни. Затоа, излезот на клучалката се шири, а амплитудата на осцилациите се зголемува, со што се зголемува површината на отворањето. Зголемувањето на амплитудата го проширува опсегот на мешање на ласерскиот зрак, што доведува до проширување на радиусот на периодичното движење на клучалката. Поради вискозноста на стопениот метал и хидродинамичкиот притисок што дејствува во близина на ѕидот на клучалката, движењето на вртложните струи се јавува во базенот на стопениот материјал за заварување во близина на отворот на клучалката. Проширувањето на површината на отворот на клучалката ја зголемува нејзината стабилност, го избегнува формирањето на меурчиња и со тоа значително ја инхибира порозноста.

4.3 Микроструктура Сликата ја прикажува EBSD морфологијата на напречниот пресек на заварот под различни фреквенции и амплитуди на осцилација. Во близина на линијата на фузија на ласерскиот завар, столбовите дендритни зрна растат кон центарот на заварот. Како што е прикажано на Слика (а), помеѓу регионите „чинија“ и „стебло“, може да се забележат очигледни разлики во распределбата на столбовите зрна. Столбовите зрна се распоредени во U-форма по должината на ѕидот на „чинијата“, додека во регионот „стебло“, столбовите зрна се распоредени во U-форма по должината на линијата на фузија. За време на зацврстувањето на заварот, делумно зацврстените зрна во зоната на фузија дејствуваат како места на нуклеација за фронтот на зацврстување и преференцијално растат нормално на границата на стопениот базен по должината на насоката на максималниот температурен градиент. Овој феномен се јавува затоа што високата густина на моќност на ласерот доведува до прегревање во внатрешноста на базенот за заварување. Повисокиот термички градиент G и умерената стапка на раст R го прават G/R поголем од прагот за трансформација на микроструктурата, што резултира со формирање на столбови зрна. Температурниот градиент G во центарот на заварот се намалува, предизвикувајќи односот G/R постепено да паѓа под прагот на трансформација на микроструктурата, преминувајќи кон еквиоксирани зрна. Еквиоксираните зрна се наоѓаат во централните делови и на „чинијата“ и на „стеблото“. Бидејќи „стеблото“ на заварот е тесно и блиску до основниот материјал, тој целосно се стврднува пред регионот на „чинијата“ за време на ладењето. Стврднатиот дел од „стеблото“ делува како место за нуклеација на дното на „чинијата“, промовирајќи го растот нагоре на столбовите зрна. Сликата ги прикажува праволиниските и осцилирачките процеси на заварување. Покажано е дека континуираната промена на положбата на ласерскиот зрак при ласерско осцилирачки заварување ќе ја зголеми должината на средниот стопен базен, повторно топејќи го веќе стврднатиот метал, што резултира со намалување на стапката на раст на зрната r. Ова може да доведе до намалување на G/R во долната еквиоксирана зона на зрна.

4.4 Распределба на порозноста Тридимензионална рендгенска томографија беше употребена за да се спроведе сеопфатен преглед на заварот, со што се доби тродимензионалната дистрибуција на порите во заварот, како што е прикажано на сликата. Порозноста се пресметува како вкупен волумен на порите поделен со вкупниот волумен на заварот. Со споредување на морфологијата на порите и дистрибуцијата на праволиниските ласерски осцилирачки завари и кружните ласерски осцилирачки завари, се покажа дека праволиниските ласерски осцилирачки завари содржат повеќе пори со голем волумен, со порозност од 2,49%, што е значително повисока од онаа на кружнителасерски осцилирачки заварувањаСо споредување на сликите (б, в) и (г, д), може да се види дека зголемувањето на фреквенцијата на осцилација помага да се спречи формирањето на пори. Споредувајќи ги сликите (б, г) и (в, д), може да се види дека зголемувањето на амплитудата на осцилација, исто така, игра значајна улога во спречувањето на формирањето на пори. Кога амплитудата на осцилација дополнително се зголемува на 2 mm (слика (ѓ)), порозноста дополнително се намалува на 0,22%, оставајќи само пори со мал волумен и мали пори. Сликата ја прикажува распределбата на површината на порите на различни растојанија од централната линија на заварот, претставувајќи ја порозноста врз основа на големината на површината на порите. За праволиниско заварување, површината на порите е симетрично распределена по централната линија на заварот и постепено се намалува со зголемување на растојанието од централната линија на заварот. Резултатите покажуваат дека порите предизвикани од клучалката се главно концентрирани зад оградата на стопениот базен на централната линија на заварот. За ласерско осцилирачко заварување, симетријата на распределбата на порите станува послаба. На сликата е прикажана површината на порите на различни растојанија од површината на заварот, каде што црвената линија ја претставува границата помеѓу регионите „чинија“ и „стебло“. Во случај на доминантни големи пори (слики (ac)), површината на порите над границата сочинува повеќе од 85%. Ова е затоа што контурниот премин на долгата итудинална граница е поверојатно да зароби меурчиња во базенот за заварување, а заробените меурчиња имаат тенденција да мигрираат нагоре под влијание на пловноста. Во случај на доминантни мали пори (слики (df)), порите се концентрирани во областа во рамките на 0,5 mm под граничната линија. Краткото време на ладење и малото поместување нагоре може да бидат причините за овој феномен.

5 Заклучоци

(1) Различните режими на ласерска осцилација имаат очигледни ефекти врз површината на заварот. Повисоката амплитуда и фреквенција можат да го подобрат квалитетот на површината, додека претерано големите параметри на осцилација можат да ја зголемат рапавоста и да предизвикаат конкавни дефекти.

(2) Обликот на заварот главно се одредува според параметрите на ласерските осцилации, кои влијаат на брзината на заварување, распределбата на енергијата и вкупниот внес на топлина. Со зголемување на амплитудата на осцилацијата, морфологијата на заварот се менува од „пехар“ во „полумесечина“, а соодносот на ширина и висина се намалува.

(3) Со зголемување на амплитудата и фреквенцијата на осцилациите, стопениот базен станува поширок, а задниот дел заоблен. Ефектот на осцилација ја зголемува должината на стопениот базен, што е корисно за излегување на меурчиња и рамномерно стврднување. За време на праволиниското заварување, површината на отворот на клучалката флуктуира; релативно кажано, ова флуктуирање може да се намали, подобрувајќи ја стабилноста на заварувањето.

(4) Зголемувањето на амплитудата и фреквенцијата на осцилацијата го намалува и термичкиот градиент и стапката на раст, што е корисно за формирање на големи зрна. Сепак, ефектот на ласерско мешање е погоден за рафинирање на големината на зрната и подобрување на цврстината на текстурата. Под различни ласерски параметри, тврдоста на заварувањето останува релативно стабилна, малку пониска од онаа на основниот материјал, што може да се должи на губењето на магнезиумот при испарување.

(5) Тридимензионалната рендгенска томографија покажува дека праволиниското заварување има поголема порозност (2,49%) и поголем волумен на порите од осцилирачкото заварување. Зголемувањето на параметрите на осцилација може значително да ја намали порозноста, дури достигнувајќи 0,22% кога амплитудата е 2 mm. Распределбата на површината на порите се менува со осцилацијата: големите пори се агрегираат зад стопениот базен, а малите пори имаат подобра симетрија. Големите пори се главно распоредени над границата помеѓу регионите „чинија“ и „стебло“, додека малите пори се концентрирани под границата.