Lézerhegesztés – Az oszcillációs paraméterek hatása az alumíniumötvözetek állítható gyűrűs módusú (ARM) lézerhegesztésére

Lézerhegesztés – Az oszcillációs paraméterek hatása az alumíniumötvözetek állítható gyűrűs módusú (ARM) lézerhegesztésére

1. Absztrakt

Ez a tanulmány az oszcillációs amplitúdó és frekvencia hatását vizsgálja az állítható gyűrűs módus (ARM) felületi minőségére, makro- és mikroszerkezetére, valamint porozitására.lézeres oszcilláló hegesztésselA5083 alumíniumötvözet lemezek. Az eredmények azt mutatják, hogy az oszcillációs amplitúdó és frekvencia növekedésével a hegesztési felület minősége javul. Az amplitúdó növekedésével a hegesztési keresztmetszet „kehely” alakúból „félhold” alakúvá alakul. A mikroszerkezeti elemzés azt mutatja, hogy a hegesztés szemcsemérete nem csökken az oszcillációs amplitúdó és frekvencia növekedésével a keverési hatás és a hűtési sebesség csökkenése közötti verseny miatt. A hegesztési varrat porozitása az oszcillációs paraméterek növekedésével csökken, és 2 mm-es amplitúdónál 0,22%-os végső porozitást ér el. A háromdimenziós röntgentomográfia tovább megerősíti az oszcilláció hatását a póruseloszlásra: a nagy pórusok hajlamosak az olvadékfürdő mögött aggregálódni, míg a kisebb pórusok jobb szimmetriát mutatnak. Ez a kutatás értékes információkat nyújt az oszcillációs paraméterek optimalizálásához az A5083 alumíniumötvözet alkalmazásokban a kiváló minőségű lézerhegesztés elérése érdekében.

2 Iparági háttér

Az alumíniumötvözetek előnyei közé tartozik a könnyű súly, a nagy fajlagos szilárdság és a jó korrózióállóság, és széles körben használják őket az autóiparban, a nagysebességű vasúti közlekedésben, a repülőgépiparban és más iparágakban. A lézerhegesztés előnyei közé tartozik a nagy hatásfok, a kis hőhatásövezet és a kis hegesztési deformáció. Ezért...A lézerhegesztés egy gazdaságos hegesztési módszer, amely vastag lemezekhez alkalmas., ami jelentősen csökkentheti a hegesztési varratok számát. A porozitás az alumíniumötvözetek lézerhegesztésének jelentős hibája, amely komolyan befolyásolja a hegesztett kötések mechanikai tulajdonságait. Ezért kiterjedt tanulmányokat végeztek a porozitás kialakulásának csökkentésére és kiküszöbölésére, beleértve a védőgáz optimalizálását, a kétsugaras technológia alkalmazását, a modulált lézerteljesítmény-rendszerek használatát és az oszcilláló sugaras módszerek bevezetését. A lézeres oszcilláló hegesztés technológiája kiemelkedik azzal a képességével, hogy a lézerhegesztés előnyeit saját jellemzőivel ötvözi. A lézeres oszcilláló hegesztés alkalmazása nemcsak a porozitás csökkentését, hanem a hegesztés mikroszerkezetének javítását és a hegesztés minőségének javítását is lehetővé teszi. Számos tanulmány elsősorban a lézeres oszcilláló hegesztés különböző aspektusaira összpontosított, beleértve a porozitás csökkentését, az energiaeloszlás optimalizálását, a szemcseszerkezet finomítását és az olvadékfolyás jellemzését az olvadékmedencében. A lézerenergia eloszlása ​​kulcsfontosságú szerepet játszik a lézerhegesztés hőmérséklet-eloszlásában és behatolási mélységében. Egy bizonyos oszcillációs amplitúdónál, a pásztázási frekvencia növekedésével a hegesztési folyamat a mély behatolású hegesztésről az instabil hegesztésre, végül pedig a hővezetéses hegesztésre vált. Az eredmények azt mutatják, hogy a pásztázási amplitúdó és frekvencia növelése csökkentheti a porozitást, de jelentősen csökkentheti a hegesztés behatolási mélységét is, ezáltal rontva a hegesztés mechanikai tulajdonságait. Az elmúlt években kifejlesztettek egy állítható gyűrűs módusú (ARM) lézert, amely a lézerenergiát egy nagy energiasűrűségű magra és egy alacsony energiasűrűségű gyűrűre osztja, azzal a céllal, hogy stabilizálja a kulcslyukat és javítsa a hegesztés minőségét. A kutatók ARM lézeres oszcilláló hegesztést alkalmaztak 6xxx nagy szilárdságú alumíniumötvözetek hegesztésére különböző mag/gyűrű teljesítményarányok és oszcillációs szélességek mellett. A kísérleti eredmények azt mutatják, hogy a hegesztési geometriát befolyásoló fő tényező az oszcillációs szélesség, nem pedig a mag-gyűrű teljesítményarány. Az oszcilláció és az ARM lézer szuperpozíciója alatt a póruseloszlást és annak gátlási mechanizmusát azonban még nem vizsgálták. Ebben a cikkben egy új ARM lézeres oszcilláló hegesztési technológiát alkalmaznak a hegesztés porozitásának csökkentése, a nagyobb behatolási mélység és a jobb hegesztési minőség elérése érdekében. Átfogó tanulmányt végeznek a lézerenergia-eloszlásról, az olvadékfürdő dinamikus viselkedéséről és a mikroszerkezetről különböző oszcillációs frekvenciákon és amplitúdókon.

3. Kísérleti célok és eljárások

Alumíniumötvözetek hegesztéséhez körkörös lézeres oszcilláló hegesztési technológiát alkalmaztak. Az alapanyag (BM) 5083-O alumíniumötvözet volt, amelynek méretei 300 mm × 100 mm × 5 mm (hosszúság × szélesség × vastagság), kémiai összetételét a táblázat tartalmazza. Hegesztés előtt a mintákat polírozták a felületi oxidfilm eltávolítása érdekében, majd ultrahangos fürdőben 15 percig acetonnal tisztították a felületi olaj eltávolítása érdekében.lézeres hegesztőrendszerfőként egy Kuka robotból, egy TruDisk 8001 tárcsás lézerből és egy 3D PFO galvanométer szkennerből áll. A TruDisk 8001 tárcsás lézert állítható gyűrűs módusú lézerforrásként használták, 100/400 μm mag/gyűrű szál aránnyal és 8 kW maximális kimenő teljesítménnyel (1030 nm hullámhossz, 4,0 mm·rad nyalábminőségi paraméter). A lézersugár egy magrészből és egy gyűrűrészből áll, ahol a központi magrészben lévő lézer kulcslyukfényt generál (a lézerenergia 60%-a), a gyűrűrészben lévő lézer pedig jó hőmérséklet-eloszlást biztosít (a lézerenergia 40%-a), ahogy az a (b) ábrán látható. A kollimátor és a fókuszáló lencse fókusztávolsága 138 mm, illetve 450 mm. A hegesztési folyamat során egy Phantom V1840 nagysebességű kamerát és egy Cavilux nagyfrekvenciás fényforrást használtak a hegesztési folyamat valós idejű monitorozására, 5000 fps felvételi sebességgel és 1 μs expozíciós idővel. Ebben a vizsgálatban a kör alakú sugár oszcillációs pályáját, a lézer mozgási útvonalát és a pillanatnyi sebességet az ábrán látható módon határozták meg.

4 Eredmények és megbeszélés

4.1 Hegesztési varrat morfológiai jellemzői Az ábra a különböző lézeres oszcillációs módok alatti hegesztési felület morfológiáját mutatja. Az eredmények azt mutatják, hogy a hagyományos egyenes vonalú hegesztés hegesztési felülete érdes (érdesség 78,01 μm), a hegesztési hullámok folytonossága gyenge, a hegesztési varrat pedig nem megfelelő. Nem megfelelő hegesztési képződés, erős fröccsenés és alámetszés is megfigyelhető. Az oszcillációs amplitúdó és frekvencia növekedésével a hegesztési felület sűrű és egyenletes pikkelyeket mutat. A 0,5 mm, 1 mm és 2 mm oszcillációs amplitúdójú hegesztések felületi érdessége rendre 80,71 μm, 49,63 μm és 31,12 μm. Nincsenek fröccsenés okozta szabálytalanságok vagy kiemelkedések. Az eredmények azt mutatják, hogy a magasabb oszcillációs frekvencia szabályosabb olvadékfürdő-áramlást, a lézersugár erősebb keverőhatását és ideálisabb hegesztési felületet eredményez. Alapvetően a lézerhegesztés alakja ok-okozati összefüggésben áll a lézersugár mozgásával. Hegesztés során az oszcillációs amplitúdó és frekvencia változásai megváltoztatják a hegesztési sebességet, ezáltal befolyásolva a lézer lineáris energiasűrűségét és teljes hőbevitelét. A hegesztés keresztmetszeti morfológiája „kehely” alakú, két részből áll: az alsó rész a „szár”, a felső rész pedig a „tál”. A behatolási mélységet és a „szárat” H1-ként és H2-ként definiáljuk, a hegesztés („tál”) és a „szár” szélességét pedig W1-ként és W2-ként definiáljuk. Mindkét hegesztési szélesség, W1 és W2, szinkronban növekszik az oszcillációs amplitúdó növekedésével, és a hegesztési morfológia fokozatosan átalakul a „kehely” alakból a „félhold” alakba. A maximális lézerenergia-sűrűség a pálya átfedésekor jelenik meg. A (b, d) és (c, e) ábrák összehasonlításával látható, hogy a pásztázási frekvencia növekedése növeli a pálya átfedési területét a pásztázási útvonal mentén, így a lézerenergia-eloszlás egyenletesebbé válik. A maximális energiasűrűség csökkentése azonban a hegesztési mélység csökkenéséhez vezet.

4.2 Olvadékmedence viselkedése A pásztázási útvonal olvadékmedence viselkedésére gyakorolt ​​hatásának tisztázása érdekében nagysebességű kamerarendszert alkalmaztak az olvadékmedence és a kulcslyuk evolúciós folyamatának megfigyelésére. Az (a) ábra az olvadékmedence egyenes vonalú útvonalon történő evolúciós folyamatát mutatja. A (bf) ábrák az olvadékmedence evolúciós diagramjai különböző oszcillációs paraméterek mellett. Az oszcillációs frekvencia és amplitúdó növekedésével az olvadékmedence hátsó része lekerekítettebbé válik az olvadékmedence szélességének bővülése miatt. Az olvadékmedence hosszának növekedésével a kulcslyuk-kitörés okozta felületi ingadozás csökken a visszafelé terjedés során. Ezért az olvadt folyékony fém simán és egyenletesen megszilárdul az olvadékmedence hátsó végén, egyenletes és sűrű hegesztési halpikkelyeket képezve. Az ábra a kulcslyuk nyílásának területváltozását mutatja lézerhegesztés során, amely az olvadékmedence nagysebességű fényképezési képeiből származik. Amint az (a) ábrán látható, egyenes vonalú hegesztés során a kulcslyuk nyílásának mérete egyértelmű ingadozásokat mutat. Több esetben is megfigyeltek kulcslyuk-bezáródást (0 mm²), az átlagos kulcslyuk nyílás területe 0,47 mm² volt. Az oszcillációs amplitúdó növekedése szintén csökkentheti az ingadozásokat és javíthatja a stabilitást. Ez azért van, mert oszcilláló hegesztésnél az energia nagyobb része oszlik el mindkét oldalon. Ezért a kulcslyukon lévő kimenet kitágul, és az oszcillációs amplitúdó megnő, ezáltal növelve a nyílás területét. Az amplitúdó növekedése kiterjeszti a lézersugár keverési tartományát, ami a kulcslyuk periodikus mozgásának sugarának bővüléséhez vezet. Az olvadt fém viszkozitása és a kulcslyuk falához közel ható hidrodinamikai nyomás miatt örvényáram-mozgás jön létre a kulcslyuk nyílása közelében lévő hegesztési olvadékban. A kulcslyuk nyílásának területének kitágulása növeli annak stabilitását, megakadályozza a buborékok képződését, és így jelentősen gátolja a porozitást.

4.3 Mikroszerkezet Az ábra a hegesztési keresztmetszet EBSD morfológiáját mutatja különböző oszcillációs frekvenciákon és amplitúdókon. A lézerhegesztés fúziós vonala közelében oszlopos dendritszemcsék nőnek a hegesztési közepe felé. Amint az (a) ábrán látható, a „tál” és a „szár” régiók között az oszlopos szemcseeloszlásban szembetűnő különbségek figyelhetők meg. Az oszlopos szemcsék U alakban oszlanak el a „tál” fala mentén, míg a „szár” régióban az oszlopos szemcsék U alakban oszlanak el a fúziós vonal mentén. A hegesztés megszilárdulása során a fúziós zónában részben megszilárdult szemcsék a megszilárdulási front nukleációs helyeiként működnek, és előnyösen merőlegesen nőnek az olvadékfürdő határára a maximális hőmérsékleti gradiens irányában. Ez a jelenség azért fordul elő, mert a lézer nagy teljesítménysűrűsége túlmelegedéshez vezet a hegesztési fürdő belsejében. A magasabb G hőgradiens és a mérsékelt R növekedési sebesség miatt a G/R arány nagyobb, mint a mikroszerkezet-átalakítás küszöbértéke, ami oszlopos szemcsék kialakulásához vezet. A hegesztési varrat közepén a G hőmérsékleti gradiens csökken, aminek következtében a G/R arány fokozatosan a mikroszerkezet átalakulási küszöb alá csökken, és egyenlőtengelyű szemcsékké alakul át. Az egyenlőtengelyű szemcsék mind a „tál”, mind a „szár” középső részén találhatók. Mivel a hegesztés „szára” keskeny és közel van az alapanyaghoz, hűtés során a „tál” régió előtt teljesen megszilárdul. A megszilárdult „szár” rész nukleációs helyként működik a „tál” alján, elősegítve az oszlopos szemcsék felfelé irányuló növekedését. Az ábra az egyenes vonalú és az oszcilláló hegesztési folyamatokat mutatja. Látható, hogy a lézersugár pozíciójának folyamatos változása a lézeres oszcilláló hegesztés során növeli a közbenső olvadékmedence hosszát, újra megolvasztva a már megszilárdult fémet, ami a szemcsenövekedési sebesség (r) csökkenéséhez vezet. Ez a G/R csökkenéséhez vezethet az alsó egyenlőtengelyű szemcsezónában.

4.4 Porozitás-eloszlás Háromdimenziós röntgentomográfiát alkalmaztak a hegesztés átfogó vizsgálatára, amelynek során megkapták a pórusok háromdimenziós eloszlását a hegesztésben, ahogy az az ábrán is látható. A porozitást a pórusok teljes térfogatának és a hegesztés teljes térfogatának hányadosaként számítják ki. Az egyenes vonalú lézeres oszcilláló hegesztések és a kör alakú lézeres oszcilláló hegesztések pórusmorfológiájának és eloszlásának összehasonlításával megállapították, hogy az egyenes vonalú lézeres oszcilláló hegesztések több nagy térfogatú pórust tartalmaznak, 2,49%-os porozitással, ami jelentősen magasabb, mint a kör alakú hegesztéseké.lézeres oszcilláló hegesztésekA (b, c) és (d, e) ábrák összehasonlításával látható, hogy az oszcillációs frekvencia növelése segít gátolni a pórusok kialakulását. A (b, d) és (c, e) ábrák összehasonlításával látható, hogy az oszcillációs amplitúdó növekedése is jelentős szerepet játszik a pórusképződés gátlásában. Amikor az oszcillációs amplitúdót tovább növeljük 2 mm-re ((f) ábra), a porozitás tovább csökken 0,22%-ra, így csak kis térfogatú és apró pórusok maradnak. Az ábra a pórusfelület eloszlását ábrázolja a hegesztési középvonaltól különböző távolságokban, a pórusfelület méretén alapuló porozitást reprezentálva. Egyenes vonalú hegesztés esetén a pórusfelület szimmetrikusan oszlik el a hegesztési középvonal mentén, és fokozatosan csökken a hegesztési középvonaltól való távolság növekedésével. Az eredmények azt mutatják, hogy a kulcslyuk által indukált pórusok főként az olvadékfürdő mögött koncentrálódnak a hegesztési középvonalnál. Lézeres oszcillációs hegesztés esetén a póruseloszlás szimmetriája gyengül. Az ábra a pórusok területét mutatja a hegesztési felülettől különböző távolságokban, ahol a piros vonal a „tál” és a „szár” régiók közötti határt jelöli. A domináns nagy pórusok esetében ((ac) ábra) a határ feletti pórusterület több mint 85%-ot tesz ki. Ez azért van, mert a hosszú itudinális határnál a kontúrátmenet nagyobb valószínűséggel csapdába ejti a buborékokat a hegesztési medencében, és a csapdába esett buborékok a felhajtóerő hatására hajlamosak felfelé vándorolni. A domináns kis pórusok esetében ((df) ábra) a pórusok a határvonal alatti 0,5 mm-en belüli területen koncentrálódnak. A rövid lehűlési idő és a kis felfelé irányuló elmozdulás lehet ennek a jelenségnek az oka.

5 Következtetések

(1) A különböző lézeroszcillációs módok nyilvánvaló hatással vannak a hegesztési felületre. A nagyobb amplitúdó és frekvencia javíthatja a felület minőségét, míg a túlzottan nagy oszcillációs paraméterek növelhetik az érdességet és konkáv hibákat okozhatnak.

(2) A hegesztési varrat alakját főként a lézeroszcillációs paraméterek határozzák meg, amelyek befolyásolják a hegesztési sebességet, az energiaeloszlást és a teljes hőbevitelt. Az oszcillációs amplitúdó növekedésével a hegesztési varrat morfológiája „serleg”-ről „félhold”-ra változik, és a képarány csökken.

(3) Az oszcillációs amplitúdó és frekvencia növekedésével az olvadékmedence szélesebbé válik, a hátsó része pedig lekerekítetté válik. Az oszcillációs hatás növeli az olvadékmedence hosszát, ami előnyös a buborékok távozása és az egyenletes megszilárdulás szempontjából. Egyenes vonalú hegesztés során a kulcslyuk nyílásának területe ingadozik; ez az ingadozás viszonylagosan csökkenthető, javítva a hegesztési stabilitást.

(4) A növekvő oszcillációs amplitúdó és frekvencia csökkenti mind a hőgradiens, mind a növekedési sebességet, ami előnyös a nagy szemcseméretek kialakulásához. A lézeres keverőhatás azonban elősegíti a szemcseméret finomítását és a textúra szilárdságának javítását. Különböző lézerparaméterek mellett a hegesztési varrat keménysége viszonylag stabil marad, kissé alacsonyabb, mint az alapanyagé, ami a magnézium párolgási veszteségének tudható be.

(5) A háromdimenziós röntgentomográfia azt mutatja, hogy az egyenes vonalú hegesztés nagyobb porozitással (2,49%) és nagyobb pórustérfogattal rendelkezik, mint az oszcilláló hegesztés. Az oszcillációs paraméterek növelése jelentősen csökkentheti a porozitást, akár 0,22%-ot is elérve, ha az amplitúdó 2 mm. A pórusfelület-eloszlás az oszcillációval eltolódik: a nagy pórusok az olvadékfürdő mögött aggregálódnak, a kis pórusok pedig jobb szimmetriával rendelkeznek. A nagy pórusok főként a „tál” és a „szár” régiók közötti határ felett oszlanak el, míg a kis pórusok a határ alatt koncentrálódnak.