Lasersvejsning – Indflydelsen af ​​oscillationsparametre på lasersvejsning af aluminiumlegeringer med justerbar ringtilstand (ARM)

Lasersvejsning – Indflydelsen af ​​oscillationsparametre på lasersvejsning af aluminiumlegeringer med justerbar ringtilstand (ARM)

1. Abstrakt

Denne undersøgelse undersøger virkningerne af oscillationsamplitude og -frekvens på overfladekvaliteten, makro- og mikrostrukturer samt porøsiteten af ​​justerbar ringtilstand (ARM).laseroscillerende svejsetA5083 aluminiumlegeringsplader. Resultaterne viser, at svejseoverfladekvaliteten forbedres med stigende oscillationsamplitude og -frekvens. Når amplituden stiger, ændres svejsetværsnittet fra en "bæger"-form til en "halvmåne"-form. Mikrostrukturanalyse indikerer, at svejsningens kornstørrelse ikke falder med stigende oscillationsamplitude og -frekvens på grund af konkurrencen mellem omrøringseffekten og reduktionen af ​​kølehastigheden. Svejseporøsiteten falder med stigende oscillationsparametre og når en slutporøsitet på 0,22 %, når amplituden er 2 mm. Tredimensionel røntgentomografi bekræfter yderligere oscillationens indflydelse på porefordelingen: store porer har en tendens til at aggregere bag smeltebadet, mens små porer udviser bedre symmetri. Denne forskning giver værdifuld indsigt i optimering af oscillationsparametre for at opnå lasersvejsning af høj kvalitet i A5083 aluminiumlegeringsapplikationer.

2 Branchebaggrund

Aluminiumlegeringer har fordelene ved let vægt, høj specifik styrke og god korrosionsbestandighed og anvendes i vid udstrækning i bilindustrien, højhastighedstog, luftfart og andre industrier. Lasersvejsning har fordelene ved høj effektivitet, lille varmepåvirket zone og lille svejsedeformation. Derfor,Lasersvejsning er en økonomisk svejsemetode, der er egnet til tykke plader, hvilket i høj grad kan reducere antallet af svejsepassager. Porøsitet er en betydelig defekt ved lasersvejsning af aluminiumlegeringer, som alvorligt påvirker de mekaniske egenskaber ved svejsede samlinger. Derfor er der udført omfattende undersøgelser for at reducere og eliminere porøsitetsdannelse, herunder optimering af beskyttelsesgas, anvendelse af dobbeltstråleteknologi, brug af modulerede laserstrømsystemer og anvendelse af oscillerende strålemetoder. Laseroscillerende svejseteknologi skiller sig ud ved sin evne til at kombinere fordelene ved lasersvejsning med sine egne egenskaber. Brug af laseroscillerende svejsning kan ikke kun reducere porøsiteten, men også forbedre svejsningens mikrostruktur og forbedre svejsekvaliteten. Et stort antal undersøgelser har primært fokuseret på forskellige aspekter af laseroscillerende svejsning, herunder porøsitetsreduktion, optimering af energifordeling, forfining af kornstruktur og karakterisering af smeltestrøm i smeltebadet. Fordelingen af ​​laserenergi spiller en afgørende rolle i temperaturfordelingen og indtrængningsdybden ved lasersvejsning. Ved en bestemt oscillationsamplitude, med stigende scanningsfrekvens, overgår svejseprocessen fra dyb penetrationssvejsning til ustabil svejsning og endelig til varmeledningssvejsning. Resultaterne viser, at øget scanningsamplitude og -frekvens kan reducere porøsiteten, men også reducere svejsningens indtrængningsdybde betydeligt og derved reducere svejsningens mekaniske egenskaber. I de senere år er der udviklet en justerbar ringtilstandslaser (ARM), som opdeler laserenergien i en kerne med høj energitæthed og en ring med lav energitæthed med det formål at stabilisere nøglehullet og forbedre svejsekvaliteten. Forskere har brugt ARM-laseroscillerende svejsning til at svejse 6xxx højstyrkealuminiumlegeringer under forskellige kerne/ring-effektforhold og oscillationsbredder. De eksperimentelle resultater viser, at den primære faktor, der påvirker svejsningens geometri, er oscillationsbredden snarere end kerne-ring-effektforholdet. Porefordelingen og dens hæmningsmekanisme under superposition af oscillation og ARM-laser er dog ikke blevet undersøgt. I denne artikel anvendes en ny ARM-laseroscillerende svejseteknologi for at reducere svejsningens porøsitet, opnå højere indtrængningsdybde og bedre svejsekvalitet. Der udføres en omfattende undersøgelse af laserenergifordeling, smeltebassinets dynamiske adfærd og mikrostruktur under forskellige oscillationsfrekvenser og amplituder.

3. Eksperimentelle mål og procedurer

Cirkulær laseroscillerende svejseteknologi blev brugt til at svejse aluminiumlegeringer. Basismaterialet (BM) var 5083-O aluminiumlegering med dimensioner på 300 mm × 100 mm × 5 mm (længde × bredde × tykkelse), og dets kemiske sammensætning er vist i tabellen. Før svejsning blev prøverne poleret for at fjerne overfladeoxidfilmen og derefter renset med acetone i et ultralydsbad i 15 minutter for at fjerne overfladeolie.lasersvejsesystemBestår hovedsageligt af en Kuka-robot, en TruDisk 8001-skivelaser og en 3D PFO-galvanometerscanner. TruDisk 8001-skivelaseren blev brugt som justerbar ringtilstandslaserkilde med et kerne/ringfiberforhold på 100/400 μm og en maksimal udgangseffekt på 8 kW (bølgelængde på 1030 nm, strålekvalitetsparameter på 4,0 mm·rad). Laserstrålen består af en kernedel og en ringdel, hvor laseren i den centrale kernedel genererer et nøglehul (60 % af laserenergien), og laseren i ringdelen sikrer en god temperaturfordeling (40 % af laserenergien), som vist i figur (b). Brændvidderne for kollimatoren og fokuseringslinsen er henholdsvis 138 mm og 450 mm. Under svejseprocessen blev et Phantom V1840 højhastighedskamera og en Cavilux højfrekvent lyskilde brugt til at overvåge svejseprocessen i realtid med en optagehastighed på 5000 fps og en eksponeringstid på 1 μs. I denne undersøgelse er den cirkulære strålesvingningsbane, laserens bevægelsesbane og den øjeblikkelige hastighed defineret som vist i figuren.

4 Resultater og diskussion

4.1 Svejsemorfologiens karakteristika Svejseoverfladens morfologier under forskellige laseroscillationstilstande er vist i figuren. Resultaterne viser, at svejseoverfladen ved konventionel lineær svejsning er ru (ruhed på 78,01 μm) med dårlig kontinuitet af svejsebøl og utilstrækkelig svejsespredning. Utilstrækkelig svejsedannelse, kraftig sprøjt og underskæring blev også observeret. Med stigende oscillationsamplitude og -frekvens udviser svejseoverfladen tætte og ensartede fiskeskæl. Overfladeruheden af ​​svejsninger med oscillationsamplituder på 0,5 mm, 1 mm og 2 mm er henholdsvis 80,71 μm, 49,63 μm og 31,12 μm. Der er ingen uregelmæssigheder eller fremspring forårsaget af sprøjt. Resultaterne indikerer, at en højere oscillationsfrekvens fører til en mere regelmæssig smeltebadsstrømning, en stærkere omrøringseffekt af laserstrålen og en mere ideel svejseoverflade. Fundamentalt set er formen af ​​lasersvejsningen årsagsmæssigt relateret til laserstrålens bevægelse. Under svejsning ændrer ændringer i oscillationsamplitude og -frekvens svejsehastigheden, hvilket påvirker laserens lineære energitæthed og samlede varmetilførsel. Svejsningens tværsnitsmorfologi er "bægerformet" og består af to dele: den nederste del er "stilken", og den øverste del er "skålen". Indtrængningsdybden og "stilken" er defineret som henholdsvis H1 og H2, og bredderne af svejsningen ("skålen") og "stilken" er defineret som henholdsvis W1 og W2. Begge svejsebredder W1 og W2 øges synkront med stigningen i oscillationsamplitude, og svejsemorfologien transformeres gradvist fra "bægerform" til "halvmåneform". Den maksimale laserenergitæthed vises ved baneoverlapningen. Ved at sammenligne figur (b, d) og (c, e) kan det ses, at stigningen i scanningsfrekvensen vil øge baneoverlapningsområdet langs scanningsbanen, hvilket gør laserenergifordelingen mere ensartet. Reduktionen af ​​den maksimale energitæthed vil dog føre til et fald i svejsedybden.

4.2 Smeltebassinets adfærd For at tydeliggøre scanningsbanens indflydelse på smeltebassinets adfærd blev et højhastighedskamerasystem brugt til at observere smeltebassinets og nøglehullets udviklingsprocessen. Figur (a) viser smeltebassinets udviklingsprocessen under en retlinjet bane. Figur (bf) er udviklingsdiagrammer for smeltebassinet under forskellige oscillationsparametre. Med stigende oscillationsfrekvens og amplitude bliver den bageste del af smeltebassinet mere afrundet på grund af udvidelsen af ​​smeltebassinets bredde. Efterhånden som smeltebassinets længde øges, mindskes overfladefluktuationen forårsaget af nøglehulsudbrud under bagudgående udbredelse. Derfor størkner det smeltede flydende metal jævnt og regelmæssigt i den bageste ende af smeltebassinet og danner ensartede og tætte svejseskæl. Figuren viser ændringen i nøglehulsåbningsområdet under lasersvejsning, hvilket er afledt af højhastighedsfotografiske billeder af smeltebassinet. Som vist i figur (a) viser nøglehulsåbningens størrelse tydelige udsving under retlinjet svejsning. Der blev observeret flere tilfælde af nøglehulslukning (0 mm²) med et gennemsnitligt nøglehulsåbningsareal på 0,47 mm². Forøgelsen af ​​oscillationsamplituden kan også reducere fluktuationer og forbedre stabiliteten. Dette skyldes, at en større andel af energien ved oscillerende svejsning fordeles til begge sider. Derfor udvides udløbet på nøglehullet, og oscillationsamplituden øges, hvorved åbningsarealet øges. Forøgelsen af ​​amplituden udvider laserstrålens omrøringsområde, hvilket fører til en udvidelse af radius af nøglehullets periodiske bevægelse. På grund af viskositeten af ​​det smeltede metal og det hydrodynamiske tryk, der virker nær nøglehulsvæggen, forekommer hvirvelstrømsbevægelse i svejsesmeltebassinet nær nøglehulsåbningen. Udvidelsen af ​​nøglehulsåbningsarealet forbedrer dets stabilitet, undgår dannelse af bobler og hæmmer dermed porøsiteten betydeligt.

4.3 Mikrostruktur Figuren viser EBSD-morfologien af ​​svejsetværsnittet under forskellige oscillationsfrekvenser og amplituder. Nær lasersvejsningens smeltelinje vokser søjleformede dendritkorn mod svejsecentret. Som vist i figur (a) kan der observeres tydelige forskelle i søjleformede kornfordeling mellem "skål"- og "stilk"-områderne. Søjleformede korn er fordelt i en U-form langs "skål"-væggen, mens søjleformede korn i "stilk"-området er fordelt i en U-form langs smeltelinjen. Under størkningen af ​​svejsningen fungerer de delvist størknede korn i smeltezonen som kimdannelsessteder for størkningsfronten og vokser fortrinsvis vinkelret på smeltebadets grænse langs retningen af ​​den maksimale temperaturgradient. Dette fænomen opstår, fordi laserens høje effekttæthed fører til overophedning inde i svejsebadet. Den højere termiske gradient G og den moderate vækstrate R gør G/R større end tærsklen for mikrostrukturtransformation, hvilket resulterer i dannelsen af ​​søjleformede korn. Temperaturgradienten G ved svejsecentret falder, hvilket får G/R-forholdet gradvist til at falde til under mikrostrukturtransformationstærsklen og overgå til ligeaksede korn. Ligeaksede korn er placeret i de centrale dele af både "skålen" og "stilken". Da svejsningens "stilk" er smal og tæt på basismaterialet, størkner den fuldstændigt før "skål"-området under afkøling. Den størknede "stilk"-del fungerer som et kimdannelsessted i bunden af ​​"skålen", hvilket fremmer den opadgående vækst af søjleformede korn. Figuren viser de retlinjede og oscillerende svejseprocesser. Det er vist, at den kontinuerlige ændring af laserstrålens position i laseroscillerende svejsning vil øge længden af ​​den mellemliggende smeltebassin, hvilket gensmelter det allerede størknede metal, hvilket resulterer i et fald i kornvæksthastigheden r. Dette kan føre til et fald i G/R i den nedre ligeaksede kornzone.

4.4 Porøsitetsfordeling Tredimensionel røntgentomografi blev brugt til at udføre en omfattende inspektion af svejsningen, hvorved den tredimensionelle fordeling af porer i svejsningen blev opnået, som vist i figuren. Porøsiteten beregnes som det samlede volumen af ​​porer divideret med svejsningens samlede volumen. Ved at sammenligne poremorfologien og fordelingen af ​​​​lineære laseroscillerende svejsninger og cirkulære laseroscillerende svejsninger, konstateres det, at lineære laseroscillerende svejsninger indeholder flere porer med stort volumen, med en porøsitet på 2,49%, hvilket er betydeligt højere end for cirkulære.laseroscillerende svejsningerVed at sammenligne figur (b, c) og (d, e) kan det ses, at en forøgelse af oscillationsfrekvensen hjælper med at hæmme dannelsen af ​​porer. Ved at sammenligne figur (b, d) og (c, e) kan det ses, at stigningen i oscillationsamplitude også spiller en betydelig rolle i at hæmme poredannelsen. Når oscillationsamplitude øges yderligere til 2 mm (figur (f)), reduceres porøsiteten yderligere til 0,22%, hvilket kun efterlader porer med lille volumen og små porer. Figuren viser porearealfordelingen i forskellige afstande fra svejsecenterlinjen, hvilket repræsenterer porøsiteten baseret på porearealets størrelse. Ved ligelinjesvejsning er porearealet symmetrisk fordelt langs svejsecenterlinjen og falder gradvist med stigende afstand fra svejsecenterlinjen. Resultaterne viser, at nøglehulsinducerede porer hovedsageligt er koncentreret bag smeltebadet ved svejsecenterlinjen. Ved laseroscillerende svejsning bliver symmetrien af ​​porefordelingen svagere. Figuren viser porearealet i forskellige afstande fra svejseoverfladen, hvor den røde linje repræsenterer grænsen mellem "skål"- og "stilk"-regionerne. I tilfælde af dominerende store porer (figur (ac)) tegner porearealet over grænsen sig for mere end 85%. Dette skyldes, at konturovergangen ved den lange itudinale grænse er mere tilbøjelig til at fange bobler i smeltebadet, og de fangede bobler har tendens til at migrere opad under påvirkning af opdrift. I tilfælde af dominerende små porer (figur (df)) er porerne koncentreret i området inden for 0,5 mm under grænselinjen. Den korte afkølingstid og den lille opadgående forskydning kan være årsagerne til dette fænomen.

5 Konklusioner

(1) Forskellige laseroscillationstilstande har tydelige effekter på svejseoverfladen. Højere amplitude og frekvens kan forbedre overfladekvaliteten, mens for store oscillationsparametre kan øge ruheden og forårsage konkave defekter.

(2) Svejseformen bestemmes hovedsageligt af laseroscillationsparametre, som påvirker svejsehastighed, energifordeling og den samlede varmetilførsel. Med stigende oscillationsamplitude ændres svejsemorfologien fra "bæger" til "halvmåne", og billedformatet falder.

(3) Med stigende oscillationsamplitude og -frekvens bliver smeltebadet bredere, og den bageste del bliver afrundet. Oscillationseffekten øger smeltebadets længde, hvilket er gavnligt for bobleudslip og ensartet størkning. Under lineær svejsning fluktuerer nøglehullets åbningsareal; relativt set kan denne fluktuation reduceres, hvilket forbedrer svejsestabiliteten.

(4) Øget oscillationsamplitude og -frekvens reducerer både den termiske gradient og væksthastigheden, hvilket er gavnligt for dannelsen af ​​store kornstørrelser. Laseromrøringseffekten er dog befordrende for at forfine kornstørrelsen og forbedre teksturstyrken. Under forskellige laserparametre forbliver svejsehårdheden relativt stabil, lidt lavere end basismaterialets, hvilket kan skyldes fordampningstab af magnesium.

(5) Tredimensionel røntgentomografi viser, at lineær svejsning har højere porøsitet (2,49%) og større porevolumen end oscillerende svejsning. Øgede oscillationsparametre kan reducere porøsiteten betydeligt og endda nå 0,22%, når amplituden er 2 mm. Porearealfordelingen ændrer sig med oscillationen: store porer aggregerer bag smeltebadet, og små porer har bedre symmetri. Store porer er hovedsageligt fordelt over grænsen mellem "skål"- og "stilk"-områderne, mens små porer er koncentreret under grænsen.