Laserové zváranie – vplyv oscilačných parametrov na laserové zváranie hliníkových zliatin v nastaviteľnom prstencovom režime (ARM)

Laserové zváranie – vplyv oscilačných parametrov na laserové zváranie hliníkových zliatin v nastaviteľnom prstencovom režime (ARM)

1. Abstrakt

Táto štúdia skúma vplyv amplitúdy a frekvencie oscilácií na kvalitu povrchu, makro a mikroštruktúry a pórovitosť nastaviteľného prstencového módu (ARM).laserové oscilačné zváranieDosky z hliníkovej zliatiny A5083. Výsledky ukazujú, že so zvyšujúcou sa amplitúdou a frekvenciou kmitania sa zlepšuje kvalita zvarového povrchu. S rastúcou amplitúdou sa prierez zvaru transformuje z tvaru „pohárika“ na tvar „polmesiaca“. Mikroštrukturálna analýza naznačuje, že veľkosť zŕn zvaru sa so zvyšujúcou sa amplitúdou a frekvenciou kmitania neznižuje v dôsledku konkurencie medzi miešacím účinkom a znížením rýchlosti chladenia. Pórovitosť zvaru sa znižuje so zvyšujúcimi sa parametrami kmitania a dosahuje konečnú pórovitosť 0,22 % pri amplitúde 2 mm. Trojrozmerná röntgenová tomografia ďalej potvrdzuje vplyv kmitania na rozloženie pórov: veľké póry majú tendenciu agregovať za roztaveným kúpeľom, zatiaľ čo malé póry vykazujú lepšiu symetriu. Tento výskum poskytuje cenné poznatky pre optimalizáciu parametrov kmitania na dosiahnutie vysokokvalitného laserového zvárania v aplikáciách hliníkovej zliatiny A5083.

2 Pozadie odvetvia

Hliníkové zliatiny majú výhody nízkej hmotnosti, vysokej špecifickej pevnosti a dobrej odolnosti proti korózii a sú široko používané v automobilovom priemysle, vysokorýchlostných železniciach, leteckom priemysle a ďalších odvetviach. Laserové zváranie má výhody vysokej účinnosti, malej tepelne ovplyvnenej zóny a malej deformácie zvárania. Preto,Laserové zváranie je ekonomická metóda zvárania vhodná pre hrubé plechy, čo môže výrazne znížiť počet zvarových prechodov. Pórovitosť je významnou chybou pri laserovom zváraní hliníkových zliatin, ktorá vážne ovplyvňuje mechanické vlastnosti zvarových spojov. Preto sa vykonali rozsiahle štúdie zamerané na zníženie a elimináciu tvorby pórovitosti, vrátane optimalizácie ochranného plynu, použitia technológie dvojitého lúča, použitia modulovaných laserových výkonových systémov a prijatia metód oscilačného lúča. Technológia laserového oscilačného zvárania vyniká svojou schopnosťou kombinovať výhody laserového zvárania s vlastnými vlastnosťami. Použitie laserového oscilačného zvárania môže nielen znížiť pórovitosť, ale aj zlepšiť mikroštruktúru zvaru a zvýšiť kvalitu zvaru. Veľký počet štúdií sa zameral najmä na rôzne aspekty laserového oscilačného zvárania vrátane zníženia pórovitosti, optimalizácie rozloženia energie, zjemnenia štruktúry zŕn a charakterizácie toku taveniny v roztavenom kúpeli. Rozloženie laserovej energie hrá kľúčovú úlohu v rozložení teploty a hĺbke prieniku laserového zvárania. Pri určitej amplitúde oscilácie, so zvyšujúcou sa frekvenciou skenovania, proces zvárania prechádza z hlbokého prieniku na nestabilné zváranie a nakoniec na tepelné vedenie. Výsledky ukazujú, že zvýšenie amplitúdy a frekvencie skenovania môže znížiť pórovitosť, ale tiež výrazne znížiť hĺbku prieniku zvaru, čím sa znížia mechanické vlastnosti zvaru. V posledných rokoch bol vyvinutý laser s nastaviteľným prstencovým režimom (ARM), ktorý rozdeľuje laserovú energiu na jadro s vysokou hustotou energie a prstenec s nízkou hustotou energie s cieľom stabilizovať kľúčovú dierku a zlepšiť kvalitu zvárania. Výskumníci použili oscilačné zváranie ARM laserom na zváranie vysokopevnostných hliníkových zliatin 6xxx pri rôznych pomeroch výkonu jadra a prstenca a šírkach oscilácií. Experimentálne výsledky ukazujú, že hlavným faktorom ovplyvňujúcim geometriu zvaru je šírka oscilácie, a nie pomer výkonu jadra a prstenca. Rozloženie pórov a mechanizmus jeho inhibície pri superpozícii oscilácie a ARM laseru však neboli študované. V tomto článku sa používa nová technológia oscilačného zvárania ARM laserom na zníženie pórovitosti zvaru, dosiahnutie vyššej hĺbky prieniku a lepšej kvality zvaru. Vykonáva sa komplexná štúdia rozloženia laserovej energie, dynamického správania sa roztaveného kúpeľa a mikroštruktúry pri rôznych frekvenciách a amplitúdach oscilácií.

3. Experimentálne ciele a postupy

Na zváranie hliníkových zliatin bola použitá technológia kruhového laserového oscilačného zvárania. Základným materiálom (BM) bola hliníková zliatina 5083-O s rozmermi 300 mm × 100 mm × 5 mm (dĺžka × šírka × hrúbka) a jej chemické zloženie je uvedené v tabuľke. Pred zváraním boli vzorky vyleštené, aby sa odstránil povrchový oxidový film, a potom boli 15 minút čistené acetónom v ultrazvukovom kúpeli, aby sa odstránil povrchový olej.laserový zvárací systémpozostáva hlavne z robota Kuka, diskového laseru TruDisk 8001 a 3D PFO galvanometrického skenera. Diskový laser TruDisk 8001 bol použitý ako nastaviteľný kruhový laserový zdroj s pomerom jadro/kruhové vlákno 100/400 μm a maximálnym výstupným výkonom 8 kW (vlnová dĺžka 1030 nm, parameter kvality lúča 4,0 mm·rad). Laserový lúč sa skladá z jadrovej časti a prstencovej časti, kde laser v centrálnej jadrovej časti generuje kľúčovú dierku (60 % laserovej energie) a laser v prstencovej časti zaisťuje dobré rozloženie teploty (40 % laserovej energie), ako je znázornené na obrázku (b). Ohniskové vzdialenosti kolimátora a zaostrovacej šošovky sú 138 mm a 450 mm. Počas procesu zvárania sa na monitorovanie procesu zvárania v reálnom čase použila vysokorýchlostná kamera Phantom V1840 a vysokofrekvenčný svetelný zdroj Cavilux s rýchlosťou snímania 5000 fps a expozičným časom 1 μs. V tejto štúdii sú definované trajektória kmitania kruhového lúča, dráha pohybu laseru a okamžitá rýchlosť, ako je znázornené na obrázku.

4 Výsledky a diskusia

4.1 Charakteristiky morfológie zvaru Na obrázku sú znázornené morfológie povrchu zvaru pri rôznych režimoch laserového kmitania. Výsledky ukazujú, že povrch zvaru pri konvenčnom priamočiarom zváraní je drsný (drsnosť 78,01 μm), so zlou kontinuitou zvlnenia zvaru a nedostatočným rozptylom zvaru. Pozorovala sa aj nedostatočná tvorba zvaru, silný rozstrek a podrezanie. So zvyšujúcou sa amplitúdou a frekvenciou kmitania vykazuje povrch zvaru husté a rovnomerné rybie šupiny. Drsnosť povrchu zvarov s amplitúdami kmitania 0,5 mm, 1 mm a 2 mm je 80,71 μm, 49,63 μm a 31,12 μm. Nie sú žiadne nerovnosti ani výčnelky spôsobené rozstrekom. Výsledky naznačujú, že vyššia frekvencia kmitania vedie k pravidelnejšiemu prúdeniu roztavenej zmesi, silnejšiemu miešaciemu efektu laserového lúča a ideálnejšiemu povrchu zvaru. Tvar laserového zvaru je v podstate kauzálne spojený s pohybom laserového lúča. Počas zvárania zmeny amplitúdy a frekvencie kmitania menia rýchlosť zvárania, čím ovplyvňujú lineárnu hustotu energie a celkový tepelný príkon lasera. Prierezová morfológia zvaru má tvar „kašičky“, pozostávajúca z dvoch častí: spodná časť je „stonka“ a horná časť je „miska“. Hĺbka prieniku a „stonka“ sú definované ako H1 a H2 a šírky zvaru („miska“) a „stonky“ sú definované ako W1 a W2. Šírka zvaru W1 a W2 sa zväčšujú synchrónne so zvyšujúcou sa amplitúdou kmitania a morfológia zvaru sa postupne transformuje z tvaru „kašičky“ na tvar „polmesiaca“. Maximálna hustota laserovej energie sa objavuje v mieste prekrytia trajektórie. Z porovnaní obrázkov (b, d) a (c, e) je zrejmé, že zvýšenie frekvencie skenovania zväčší plochu prekrytia trajektórie pozdĺž skenovacej dráhy, čím sa rozloženie laserovej energie stane rovnomernejším. Zníženie maximálnej hustoty energie však povedie k zníženiu hĺbky zvaru.

4.2 Správanie sa roztaveného kúpeľa Na objasnenie vplyvu skenovacej dráhy na správanie roztaveného kúpeľa bol použitý vysokorýchlostný kamerový systém na pozorovanie procesu vývoja roztaveného kúpeľa a kľúčovej dierky. Obrázok (a) znázorňuje proces vývoja roztaveného kúpeľa pod priamou dráhou. Obrázky (bf) sú diagramy vývoja roztaveného kúpeľa pri rôznych parametroch oscilácie. So zvyšujúcou sa frekvenciou a amplitúdou oscilácie sa zadná časť roztaveného kúpeľa stáva zaoblenejšou v dôsledku rozširovania šírky roztaveného kúpeľa. S rastúcou dĺžkou roztaveného kúpeľa sa povrchové kolísanie spôsobené erupciou kľúčovej dierky počas spätného šírenia znižuje. Preto roztavený tekutý kov hladko a pravidelne tuhne na zadnom konci roztaveného kúpeľa a vytvára rovnomerné a husté zvarové rybie šupiny. Obrázok znázorňuje zmenu plochy otvoru kľúčovej dierky počas laserového zvárania, ktorá je odvodená z vysokorýchlostných fotografických snímok roztaveného kúpeľa. Ako je znázornené na obrázku (a), počas priamočiareho zvárania vykazuje veľkosť otvoru kľúčovej dierky zjavné kolísania. Bolo pozorovaných niekoľko prípadov uzavretia kľúčovej dierky (0 mm²) s priemernou plochou otvoru kľúčovej dierky 0,47 mm². Zvýšenie amplitúdy oscilácie môže tiež znížiť fluktuácie a zlepšiť stabilitu. Je to preto, že pri oscilačnom zváraní sa väčší podiel energie rozdeľuje na obe strany. Preto sa výstup na kľúčovej dierke rozširuje a amplitúda oscilácie sa zvyšuje, čím sa zväčšuje plocha otvoru. Zvýšenie amplitúdy rozširuje rozsah miešania laserového lúča, čo vedie k rozšíreniu polomeru periodického pohybu kľúčovej dierky. V dôsledku viskozity roztaveného kovu a hydrodynamického tlaku pôsobiaceho v blízkosti steny kľúčovej dierky dochádza v tavenine zvárania v blízkosti otvoru kľúčovej dierky k pohybu vírivých prúdov. Rozšírenie plochy otvoru kľúčovej dierky zvyšuje jeho stabilitu, zabraňuje tvorbe bublín a tým výrazne potláča pórovitosť.

4.3 Mikroštruktúra Obrázok znázorňuje EBSD morfológiu prierezu zvaru pri rôznych frekvenciách a amplitúdach oscilácií. V blízkosti čiary tavenia laserového zvaru rastú stĺpcové dendritické zrná smerom k stredu zvaru. Ako je znázornené na obrázku (a), medzi oblasťami „misky“ a „stonky“ možno pozorovať zjavné rozdiely v rozložení stĺpcových zŕn. Stĺpcové zrná sú rozmiestnené v tvare U pozdĺž steny „misky“, zatiaľ čo v oblasti „stonky“ sú stĺpcové zrná rozmiestnené v tvare U pozdĺž čiary tavenia. Počas tuhnutia zvaru čiastočne stuhnuté zrná v zóne tavenia pôsobia ako nukleačné miesta pre front tuhnutia a prednostne rastú kolmo na hranicu roztaveného kúpeľa pozdĺž smeru maximálneho teplotného gradientu. Tento jav nastáva, pretože vysoká hustota výkonu laseru vedie k prehrievaniu vo vnútri zvarového kúpeľa. Vyšší tepelný gradient G a mierna rýchlosť rastu R spôsobujú, že G/R je vyššie ako prahová hodnota pre transformáciu mikroštruktúry, čo vedie k tvorbe stĺpcových zŕn. Teplotný gradient G v strede zvaru sa znižuje, čo spôsobuje postupný pokles pomeru G/R pod prah transformácie mikroštruktúry a prechod na rovnoosé zrná. Rovnoosé zrná sa nachádzajú v centrálnych častiach „misky“ aj „stonky“. Keďže „stonka“ zvaru je úzka a blízko základného materiálu, počas chladnutia úplne stuhne pred oblasťou „misky“. Stuhnutá časť „stonky“ pôsobí ako nukleačné miesto na dne „misky“, čo podporuje rast stĺpcových zŕn smerom nahor. Obrázok znázorňuje priamočiary a oscilačný proces zvárania. Je ukázané, že kontinuálna zmena polohy laserového lúča pri oscilačnom laserovom zváraní zväčší dĺžku medziľahlej taveniny, čím sa opäť roztaví už stuhnutý kov, čo vedie k zníženiu rýchlosti rastu zŕn r. To môže viesť k zníženiu pomeru G/R v dolnej zóne rovnoosých zŕn.

4.4 Rozloženie pórovitosti Na vykonanie komplexnej kontroly zvaru bola použitá trojrozmerná röntgenová tomografia, ktorá získala trojrozmerné rozloženie pórov vo zvare, ako je znázornené na obrázku. Pórovitosť sa vypočíta ako celkový objem pórov delený celkovým objemom zvaru. Porovnaním morfológie a rozloženia pórov pri priamočiarych laserových oscilačných zvaroch a kruhových laserových oscilačných zvaroch sa zistilo, že priamočiare laserové oscilačné zvary obsahujú viac pórov s veľkým objemom s pórovitosťou 2,49 %, čo je výrazne viac ako pri kruhových zvaroch.laserové oscilačné zvaryPorovnaním obrázkov (b, c) a (d, e) je zrejmé, že zvýšenie frekvencie kmitania pomáha brániť tvorbe pórov. Porovnaním obrázkov (b, d) a (c, e) je zrejmé, že zvýšenie amplitúdy kmitania tiež zohráva významnú úlohu pri bránení tvorbe pórov. Keď sa amplitúda kmitania ďalej zvýši na 2 mm (obrázok (f)), pórovitosť sa ďalej zníži na 0,22 %, pričom zostanú iba póry s malým objemom a malými rozmermi. Obrázok znázorňuje rozloženie plochy pórov v rôznych vzdialenostiach od stredovej čiary zvaru, čo predstavuje pórovitosť na základe veľkosti plochy pórov. Pri priamočiarom zváraní je plocha pórov symetricky rozložená pozdĺž stredovej čiary zvaru a postupne sa zmenšuje so zvyšujúcou sa vzdialenosťou od stredovej čiary zvaru. Výsledky ukazujú, že póry vyvolané kľúčovou dierkou sú sústredené hlavne za okrajom roztaveného kúpeľa v stredovej čiare zvaru. Pri laserovom oscilačnom zváraní sa symetria rozloženia pórov slabne. Obrázok znázorňuje plochu pórov v rôznych vzdialenostiach od zvarového povrchu, kde červená čiara predstavuje hranicu medzi oblasťami „misky“ a „stonky“. V prípade dominantných veľkých pórov (obrázky (ac)) predstavuje plocha pórov nad hranicou viac ako 85 %. Je to preto, že prechod obrysu na dlhej vnútornej hranici s väčšou pravdepodobnosťou zachytáva bubliny v zvarovom kúpeli a zachytené bubliny majú tendenciu migrovať nahor pod vplyvom vztlaku. V prípade dominantných malých pórov (obrázky (df)) sú póry koncentrované v oblasti do 0,5 mm pod vnútornou hranicou. Dôvodom tohto javu môže byť krátky čas chladnutia a malý posun nahor.

5 Závery

(1) Rôzne režimy laserového kmitania majú zjavný vplyv na zvarový povrch. Vyššia amplitúda a frekvencia môžu zlepšiť kvalitu povrchu, zatiaľ čo nadmerne veľké parametre kmitania môžu zvýšiť drsnosť a spôsobiť konkávne defekty.

(2) Tvar zvaru je určený hlavne parametrami laserového kmitania, ktoré ovplyvňujú rýchlosť zvárania, rozloženie energie a celkový tepelný príkon. So zvyšujúcou sa amplitúdou kmitania sa morfológia zvaru mení z „miecholistého“ na „polmesiac“ a pomer strán sa znižuje.

(3) So zvyšujúcou sa amplitúdou a frekvenciou kmitania sa roztavený kúpeľ rozširuje a zadná časť sa zaoblieva. Kmitací efekt zväčšuje dĺžku roztaveného kúpeľa, čo je prospešné pre únik bublín a rovnomerné tuhnutie. Počas priamočiareho zvárania plocha otvoru kľúčovej dierky kolíše; relatívne povedané, toto kolísanie sa dá znížiť, čím sa zlepšuje stabilita zvárania.

(4) Zvyšujúca sa amplitúda a frekvencia oscilácií znižuje tepelný gradient aj rýchlosť rastu, čo je prospešné pre tvorbu veľkých zŕn. Avšak laserový miešací efekt prispieva k zjemneniu veľkosti zŕn a zlepšeniu pevnosti textúry. Pri rôznych parametroch laseru zostáva tvrdosť zvaru relatívne stabilná, o niečo nižšia ako tvrdosť základného materiálu, čo môže byť spôsobené stratou horčíka odparovaním.

(5) Trojrozmerná röntgenová tomografia ukazuje, že priamočiare zváranie má vyššiu pórovitosť (2,49 %) a väčší objem pórov ako oscilačné zváranie. Zvyšovanie parametrov oscilácie môže výrazne znížiť pórovitosť, dokonca až na 0,22 % pri amplitúde 2 mm. Rozloženie plochy pórov sa mení s osciláciou: veľké póry sa zhlukujú za roztaveným kúpeľom a malé póry majú lepšiu symetriu. Veľké póry sú rozmiestnené hlavne nad hranicou medzi oblasťami „misky“ a „stonky“, zatiaľ čo malé póry sú sústredené pod hranicou.