Лазерно заваряване – Влияние на параметрите на трептене върху лазерно заваряване с регулируем пръстеновиден режим (ARM) на алуминиеви сплави

Лазерно заваряване – Влияние на параметрите на трептене върху лазерно заваряване с регулируем пръстеновиден режим (ARM) на алуминиеви сплави

1. Резюме

Това изследване изследва влиянието на амплитудата и честотата на трептенията върху качеството на повърхността, макро- и микроструктурите и порьозността на регулируемия пръстеновиден режим (ARM).лазерно осцилиращо заваряванеПлочи от алуминиева сплав A5083. Резултатите показват, че с увеличаване на амплитудата и честотата на трептенията, качеството на заваръчния шев се подобрява. С увеличаване на амплитудата, напречното сечение на заваръчния шев се трансформира от форма на „чаша“ във форма на „полумесец“. Микроструктурният анализ показва, че размерът на зърната на заваръчния шев не намалява с увеличаване на амплитудата и честотата на трептенията поради конкуренцията между ефекта на разбъркване и намаляването на скоростта на охлаждане. Порьозността на заваръчния шев намалява с увеличаване на параметрите на трептенията, достигайки крайна порьозност от 0,22%, когато амплитудата е 2 mm. Триизмерната рентгенова томография допълнително потвърждава влиянието на трептенията върху разпределението на порите: големите пори са склонни да се агрегират зад разтопената вана, докато малките пори показват по-добра симетрия. Това изследване предоставя ценна информация за оптимизиране на параметрите на трептенията за постигане на висококачествено лазерно заваряване в приложения с алуминиева сплав A5083.

2 История на индустрията

Алуминиевите сплави имат предимствата на леко тегло, висока специфична якост и добра устойчивост на корозия и се използват широко в автомобилната, високоскоростната железопътна, аерокосмическата и други индустрии. Лазерното заваряване има предимствата на висока ефективност, малка зона на термично въздействие и малка деформация при заваряване. Следователно,Лазерното заваряване е икономичен метод за заваряване, подходящ за дебели плочи, което може значително да намали броя на заваръчните проходи. Порьозността е съществен дефект при лазерното заваряване на алуминиеви сплави, който сериозно влияе върху механичните свойства на заварените съединения. Поради това са проведени обширни изследвания за намаляване и елиминиране на образуването на порьозност, включително оптимизиране на защитния газ, прилагане на технология с два лъча, използване на модулирани лазерни мощностни системи и приемане на методи с осцилиращ лъч. Технологията на лазерно осцилиращо заваряване се откроява със способността си да комбинира предимствата на лазерното заваряване със собствените си характеристики. Използването на лазерно осцилиращо заваряване може не само да намали порьозността, но и да подобри микроструктурата на заваръчния шев и да подобри качеството на заварката. Голям брой изследвания са фокусирани главно върху различни аспекти на лазерно осцилиращото заваряване, включително намаляване на порьозността, оптимизиране на разпределението на енергията, усъвършенстване на структурата на зърната и характеризиране на потока на стопилката в разтопената вана. Разпределението на лазерната енергия играе решаваща роля в разпределението на температурата и дълбочината на проникване на лазерното заваряване. При определена амплитуда на трептене, с увеличаване на честотата на сканиране, процесът на заваряване преминава от заваряване с дълбоко проникване към нестабилно заваряване и накрая към заваряване с топлопроводимост. Резултатите показват, че увеличаването на амплитудата и честотата на сканиране може да намали порьозността, но също така значително да намали дълбочината на проникване на заваръчния шев, като по този начин намали механичните свойства на заваръчния шев. През последните години е разработен лазер с регулируем пръстеновиден режим (ARM), който разделя лазерната енергия на ядро ​​с висока енергийна плътност и пръстен с ниска енергийна плътност, с цел стабилизиране на отвора за заваряване и подобряване на качеството на заваряване. Изследователите са използвали осцилиращо заваряване с ARM лазер, за да заваряват високоякостни алуминиеви сплави 6xxx при различни съотношения на мощност ядро/пръстен и ширини на трептене. Експерименталните резултати показват, че основният фактор, влияещ върху геометрията на заваръчния шев, е ширината на трептенето, а не съотношението мощност ядро-пръстен. Разпределението на порите и механизмът му на инхибиране при суперпозиция на трептене и ARM лазер обаче не са изследвани. В тази статия е приложена нова технология за осцилиращо заваряване с ARM лазер, за да се намали порьозността на заваръчния шев, да се получи по-голяма дълбочина на проникване и по-добро качество на заваръчния шев. Проведено е цялостно проучване на разпределението на лазерната енергия, динамичното поведение на разтопената вана и микроструктурата при различни честоти и амплитуди на трептене.

3. Експериментални цели и процедури

За заваряване на алуминиеви сплави е използвана технология за кръгово лазерно осцилиращо заваряване. Основният материал (BM) е алуминиева сплав 5083-O с размери 300 мм × 100 мм × 5 мм (дължина × ширина × дебелина), а химичният ѝ състав е показан в таблицата. Преди заваряване пробите са полирани, за да се отстрани повърхностният оксиден филм, след което са почистени с ацетон в ултразвукова вана в продължение на 15 минути, за да се отстрани повърхностното масло.лазерна заваръчна системаСъстои се основно от робот Kuka, дисков лазер TruDisk 8001 и 3D PFO галванометър скенер. Дисковият лазер TruDisk 8001 е използван като регулируем пръстеновиден лазерен източник, със съотношение сърцевина/пръстеновидно влакно 100/400 μm и максимална изходна мощност 8 kW (дължина на вълната 1030 nm, параметър за качество на лъча 4,0 mm·rad). Лазерният лъч е съставен от сърцевина и пръстеновидна част, където лазерът в централната сърцевина генерира „ключова дупка“ (60% от лазерната енергия), а лазерът в пръстеновидната част осигурява добро разпределение на температурата (40% от лазерната енергия), както е показано на Фигура (b). Фокусните разстояния на колиматора и фокусиращата леща са съответно 138 mm и 450 mm. По време на процеса на заваряване, за наблюдение на процеса на заваряване в реално време са използвани високоскоростна камера Phantom V1840 и високочестотен източник на светлина Cavilux, със скорост на заснемане от 5000 кадъра в секунда и време на експозиция от 1 μs. В това изследване траекторията на кръговото трептене на лъча, пътят на движение на лазера и моментната скорост са дефинирани, както е показано на фигурата.

4 Резултати и дискусия

4.1 Характеристики на морфологията на заваръчния шев Морфологията на заваръчния шев при различни режими на лазерно трептене е показана на фигурата. Резултатите показват, че заваръчният шев при конвенционално праволинейно заваряване е грапав (грапавост 78,01 μm), с лоша непрекъснатост на вълните на заваръчния шев и недостатъчно разпространение на заваръчния шев. Наблюдавани са също недостатъчно образуване на заваръчния шев, силно разпръскване и подрязване. С увеличаване на амплитудата и честотата на трептенията, заваръчният шев показва плътни и равномерни рибешки люспи. Грапавостта на повърхността на заваръчните шевове с амплитуди на трептене от 0,5 mm, 1 mm и 2 mm е съответно 80,71 μm, 49,63 μm и 31,12 μm. Няма неравности или издатини, причинени от пръски. Резултатите показват, че по-високата честота на трептене води до по-равномерен поток на разтопената вана, по-силен разбъркващ ефект на лазерния лъч и по-идеална заваръчна повърхност. По принцип формата на лазерния заваръчен шев е причинно-следствено свързана с движението на лазерния лъч. По време на заваряване, промените в амплитудата и честотата на трептенията променят скоростта на заваряване, като по този начин влияят на линейната енергийна плътност и общия топлинен вход на лазера. Морфологията на напречното сечение на заваръчния шев е с форма на „чаша“, състояща се от две части: долната част е „стъблото“, а горната част е „купата“. Дълбочината на проникване и „стъблото“ са определени съответно като H1 и H2, а ширините на заваръчния шев („купата“) и „стъблото“ са определени съответно като W1 и W2. И двете ширини на заваръчния шев W1 и W2 се увеличават синхронно с увеличаването на амплитудата на трептене, а морфологията на заваръчния шев постепенно се трансформира от форма на „чаша“ във форма на „полумесец“. Максималната плътност на лазерната енергия се появява при припокриване на траекториите. Сравнявайки фигури (b, d) и (c, e), може да се види, че увеличаването на честотата на сканиране ще увеличи площта на припокриване на траекториите по пътя на сканиране, което ще направи разпределението на лазерната енергия по-равномерно. Намаляването на максималната плътност на енергията обаче ще доведе до намаляване на дълбочината на заваръчния шев.

4.2 Поведение на разтопения басейн За да се изясни влиянието на пътя на сканиране върху поведението на разтопения басейн, беше използвана високоскоростна камера за наблюдение на процеса на еволюция на разтопения басейн и ключалката. Фигура (a) показва процеса на еволюция на разтопения басейн по праволинеен път. Фигури (bf) са диаграми на еволюцията на разтопения басейн при различни параметри на трептене. С увеличаване на честотата и амплитудата на трептене, задната част на разтопения басейн става по-закръглена поради разширяването на ширината на разтопения басейн. С увеличаване на дължината на разтопения басейн, повърхностните колебания, причинени от изригването на ключалката, намаляват по време на обратното разпространение. Следователно, разтопеният течен метал се втвърдява плавно и равномерно в задния край на разтопения басейн, образувайки равномерни и плътни заваръчни люспи тип „рибешка люспа“. Фигурата показва промяната на площта на отвора на ключалката по време на лазерно заваряване, която е получена от високоскоростните фотографски изображения на разтопения басейн. Както е показано на Фигура (a), по време на праволинейно заваряване размерът на отвора на ключалката показва очевидни колебания. Наблюдавани са няколко случая на затваряне на ключалката (0 mm²), със средна площ на отвора на ключалката от 0,47 mm². Увеличаването на амплитудата на трептенията може също да намали флуктуациите и да подобри стабилността. Това е така, защото при осцилиращото заваряване по-голяма част от енергията се разпределя към двете страни. Следователно, изходът на ключалката се разширява и амплитудата на трептенията се увеличава, като по този начин се увеличава площта на отвора. Увеличаването на амплитудата разширява обхвата на разбъркване на лазерния лъч, което води до разширяване на радиуса на периодичното движение на ключалката. Поради вискозитета на разтопения метал и хидродинамичното налягане, действащо близо до стената на ключалката, в заваръчния стопен басейн близо до отвора на ключалката възниква движение на вихрови токове. Разширяването на площта на отвора на ключалката повишава неговата стабилност, предотвратява образуването на мехурчета и по този начин значително инхибира порьозността.

4.3 Микроструктура Фигурата показва EBSD морфологията на напречното сечение на заваръчния шев при различни честоти и амплитуди на трептене. Близо до линията на сливане на лазерния заваръчен шев, колоновидните дендритни зърна растат към центъра на заваръчния шев. Както е показано на Фигура (а), между областите на „купата“ и „стеблото“ могат да се наблюдават очевидни разлики в разпределението на колоновидните зърна. Колоновидните зърна са разпределени U-образно по стената на „купата“, докато в областта на „стеблото“ колоновидните зърна са разпределени U-образно по линията на сливане. По време на втвърдяването на заваръчния шев, частично втвърдените зърна в зоната на сливане действат като места за образуване на зародиши за фронта на втвърдяване и преференциално растат перпендикулярно на границата на разтопената вана по посока на максималния температурен градиент. Това явление се получава, защото високата плътност на мощността на лазера води до прегряване вътре в заваръчната вана. По-високият термичен градиент G и умерената скорост на растеж R правят G/R по-голямо от прага за трансформация на микроструктурата, което води до образуване на колоновидни зърна. Температурният градиент G в центъра на заваръчния шев намалява, което води до постепенно спадане на съотношението G/R под прага на трансформация на микроструктурата, преминавайки към равноосни зърна. Равноосните зърна са разположени в централните части както на „купата“, така и на „стъблото“. Тъй като „стъблото“ на заваръчния шев е тясно и близо до основния материал, то се втвърдява напълно преди областта на „купата“ по време на охлаждане. Втвърдената част на „стъблото“ действа като място за зародишообразуване в дъното на „купата“, насърчавайки растежа нагоре на колоновидните зърна. Фигурата показва процесите на праволинейно и осцилиращо заваряване. Показано е, че непрекъснатата промяна на позицията на лазерния лъч при лазерно осцилиращо заваряване ще увеличи дължината на междинния разтопен басейн, претопявайки вече втвърдения метал, което води до намаляване на скоростта на растеж на зърната r. Това може да доведе до намаляване на G/R в долната равноосна зона на зърната.

4.4 Разпределение на порьозността Триизмерна рентгенова томография е използвана за провеждане на цялостна проверка на заваръчния шев, като е получено триизмерното разпределение на порите в него, както е показано на фигурата. Порьозността се изчислява като общия обем на порите, разделен на общия обем на заваръчния шев. Чрез сравняване на морфологията и разпределението на порите при праволинейни лазерни осцилиращи заваръчни шевове и кръгови лазерни осцилиращи заваръчни шевове е установено, че праволинейните лазерни осцилиращи заваръчни шевове съдържат повече пори с голям обем, с порьозност от 2,49%, което е значително по-високо от това на кръглите.лазерни осцилиращи заваркиЧрез сравняване на фигури (b, c) и (d, e) може да се види, че увеличаването на честотата на трептене помага за инхибиране на образуването на пори. Сравнявайки фигури (b, d) и (c, e), може да се види, че увеличаването на амплитудата на трептене също играе важна роля за инхибиране на образуването на пори. Когато амплитудата на трептене се увеличи допълнително до 2 mm (Фигура (f)), порьозността се намалява допълнително до 0,22%, оставяйки само малки пори с малък обем. Фигурата изобразява разпределението на площта на порите на различни разстояния от централната линия на заваръчния шев, представлявайки порьозността въз основа на размера на площта на порите. При праволинейно заваряване площта на порите е симетрично разпределена по централната линия на заваръчния шев и постепенно намалява с увеличаване на разстоянието от централната линия на заваръчния шев. Резултатите показват, че порите, индуцирани от „ключови отвори“, са концентрирани главно зад разтопената вана в централната линия на заваръчния шев. При лазерно осцилиращо заваряване симетрията на разпределението на порите отслабва. Фигурата показва площта на порите на различни разстояния от повърхността на заваръчния шев, където червената линия представлява границата между областите на „купата“ и „стеблото“. В случай на доминиращи големи пори (фигури (ac)), площта на порите над границата е повече от 85%. Това е така, защото контурният преход на дългата интуитивна граница е по-вероятно да улови мехурчета в заваръчната вана, а уловените мехурчета са склонни да мигрират нагоре под влиянието на плаваемостта. В случай на доминиращи малки пори (фигури (df)), порите са концентрирани в областта до 0,5 mm под граничната линия. Краткото време за охлаждане и малкото изместване нагоре може да са причините за това явление.

5 Заключения

(1) Различните режими на лазерно трептене имат очевидни ефекти върху заваръчната повърхност. По-високата амплитуда и честота могат да подобрят качеството на повърхността, докато прекомерно големите параметри на трептене могат да увеличат грапавостта и да причинят вдлъбнати дефекти.

(2) Формата на заваръчния шев се определя главно от параметрите на лазерните трептения, които влияят върху скоростта на заваряване, разпределението на енергията и общото вложено топлина. С увеличаването на амплитудата на трептене, морфологията на заваръчния шев се променя от „чашка“ на „полумесец“, а съотношението на страните намалява.

(3) С увеличаване на амплитудата и честотата на трептенията, разтопената вана се разширява, а задната част се заоблява. Ефектът на трептене увеличава дължината на разтопената вана, което е благоприятно за излизането на мехурчета и равномерното втвърдяване. По време на праволинейно заваряване, площта на отвора на ключалката се колебае; относително казано, това колебание може да бъде намалено, подобрявайки стабилността на заваряването.

(4) Увеличаването на амплитудата и честотата на трептенията намалява както термичния градиент, така и скоростта на растеж, което е благоприятно за образуването на големи размери на зърната. Ефектът на лазерно разбъркване обаче благоприятства рафинирането на размера на зърната и подобряването на якостта на текстурата. При различни лазерни параметри твърдостта на заваръчния шев остава относително стабилна, малко по-ниска от тази на основния материал, което може да се дължи на загубата на магнезий от изпарение.

(5) Триизмерната рентгенова томография показва, че праволинейното заваряване има по-висока порьозност (2,49%) и по-голям обем на порите от осцилиращото заваряване. Увеличаването на параметрите на осцилацията може значително да намали порьозността, достигайки дори 0,22%, когато амплитудата е 2 mm. Разпределението на площта на порите се измества с осцилацията: големите пори се агрегират зад разтопената вана, а малките пори имат по-добра симетрия. Големите пори са разпределени главно над границата между областите „купа“ и „стъбло“, докато малките пори са концентрирани под границата.