Lasersko zavarivanje – Utjecaj parametara oscilacije na lasersko zavarivanje aluminijskih legura podesivim prstenastim načinom rada (ARM)

Lasersko zavarivanje – Utjecaj parametara oscilacije na lasersko zavarivanje aluminijskih legura podesivim prstenastim načinom rada (ARM)

1. Sažetak

Ova studija istražuje uticaj amplitude i frekvencije oscilacija na kvalitet površine, makro i mikrostrukture, te poroznost podesivog prstenastog moda (ARM).lasersko oscilirajuće zavarivanjePloče od aluminijske legure A5083. Rezultati pokazuju da se s povećanjem amplitude i frekvencije oscilacija poboljšava kvalitet površine zavara. Kako se amplituda povećava, poprečni presjek zavara transformira iz oblika "pehara" u oblik "polumjeseca". Mikrostrukturna analiza pokazuje da se veličina zrna zavara ne smanjuje s povećanjem amplitude i frekvencije oscilacija zbog konkurencije između efekta miješanja i smanjenja brzine hlađenja. Poroznost zavara se smanjuje s povećanjem parametara oscilacija, dostižući konačnu poroznost od 0,22% kada je amplituda 2 mm. Trodimenzionalna rendgenska tomografija dodatno potvrđuje utjecaj oscilacija na raspodjelu pora: velike pore imaju tendenciju agregacije iza rastopljenog bazena, dok male pore pokazuju bolju simetriju. Ovo istraživanje pruža vrijedne uvide za optimizaciju parametara oscilacija kako bi se postiglo visokokvalitetno lasersko zavarivanje u primjenama aluminijske legure A5083.

2 Pozadina industrije

Aluminijske legure imaju prednosti male težine, visoke specifične čvrstoće i dobre otpornosti na koroziju, te se široko koriste u automobilskoj, brzoj željeznici, zrakoplovnoj i drugim industrijama. Lasersko zavarivanje ima prednosti visoke efikasnosti, male zone utjecaja topline i male deformacije zavarivanja. Stoga,Lasersko zavarivanje je ekonomična metoda zavarivanja pogodna za debele ploče, što može značajno smanjiti broj prolaza zavara. Poroznost je značajan nedostatak u laserskom zavarivanju aluminijskih legura, koji ozbiljno utiče na mehanička svojstva zavarenih spojeva. Stoga su provedene opsežne studije kako bi se smanjilo i eliminiralo stvaranje poroznosti, uključujući optimizaciju zaštitnog plina, primjenu tehnologije dvostrukog snopa, korištenje moduliranih laserskih sistema snage i usvajanje metoda oscilirajućeg snopa. Tehnologija laserskog oscilirajućeg zavarivanja ističe se svojom sposobnošću da kombinira prednosti laserskog zavarivanja sa svojim vlastitim karakteristikama. Korištenje laserskog oscilirajućeg zavarivanja može ne samo smanjiti poroznost, već i poboljšati mikrostrukturu zavara i poboljšati kvalitet zavara. Veliki broj studija uglavnom se fokusirao na različite aspekte laserskog oscilirajućeg zavarivanja, uključujući smanjenje poroznosti, optimizaciju raspodjele energije, pročišćavanje strukture zrna i karakterizaciju toka taline u rastopljenom bazenu. Raspodjela laserske energije igra ključnu ulogu u raspodjeli temperature i dubini prodiranja laserskog zavarivanja. Pri određenoj amplitudi oscilacija, s povećanjem frekvencije skeniranja, proces zavarivanja prelazi iz dubokog prodiranja u nestabilno zavarivanje i konačno u zavarivanje provođenjem topline. Rezultati pokazuju da povećanje amplitude i frekvencije skeniranja može smanjiti poroznost, ali i značajno smanjiti dubinu prodiranja zavara, čime se smanjuju mehanička svojstva zavara. Posljednjih godina razvijen je laser s podesivim prstenastim modom (ARM), koji dijeli lasersku energiju na jezgro s visokom gustoćom energije i prsten s niskom gustoćom energije, s ciljem stabilizacije ključaonice i poboljšanja kvalitete zavarivanja. Istraživači su koristili ARM lasersko oscilirajuće zavarivanje za zavarivanje 6xxx aluminijskih legura visoke čvrstoće pod različitim omjerima snage jezgra/prsten i širinama oscilacija. Eksperimentalni rezultati pokazuju da je glavni faktor koji utječe na geometriju zavara širina oscilacije, a ne omjer snage jezgra-prsten. Međutim, raspodjela pora i njen mehanizam inhibicije pod superpozicijom oscilacije i ARM lasera nisu proučavani. U ovom radu usvojena je nova tehnologija ARM laserskog oscilirajućeg zavarivanja kako bi se smanjila poroznost zavara, postigla veća dubina prodiranja i bolji kvalitet zavara. Provedena je sveobuhvatna studija o raspodjeli laserske energije, dinamičkom ponašanju rastopljenog sloja i mikrostrukturi pod različitim frekvencijama i amplitudama oscilacija.

3. Eksperimentalni ciljevi i postupci

Za zavarivanje aluminijskih legura korištena je tehnologija kružnog laserskog oscilirajućeg zavarivanja. Osnovni materijal (BM) bila je aluminijska legura 5083-O dimenzija 300 mm × 100 mm × 5 mm (dužina × širina × debljina), a njen hemijski sastav prikazan je u tabeli. Prije zavarivanja, uzorci su polirani kako bi se uklonio površinski oksidni film, a zatim očišćeni acetonom u ultrazvučnoj kupki 15 minuta kako bi se uklonilo površinsko ulje.sistem za lasersko zavarivanjeuglavnom se sastoji od Kuka robota, TruDisk 8001 disk lasera i 3D PFO galvanometra. TruDisk 8001 disk laser korišten je kao podesivi prstenasti laserski izvor, s omjerom jezgra/prstenastih vlakana od 100/400 μm i maksimalnom izlaznom snagom od 8 kW (talasna dužina 1030 nm, parametar kvaliteta snopa od 4,0 mm·rad). Laserski snop se sastoji od jezgra i prstena, gdje laser u centralnom dijelu jezgra generiše ključaonicu (60% laserske energije), a laser u prstenastom dijelu osigurava dobru raspodjelu temperature (40% laserske energije), kao što je prikazano na slici (b). Žižne daljine kolimatora i fokusirajućeg sočiva su 138 mm i 450 mm, respektivno. Tokom procesa zavarivanja, korištena je brza kamera Phantom V1840 i visokofrekventni izvor svjetlosti Cavilux za praćenje procesa zavarivanja u realnom vremenu, sa brzinom snimanja od 5000 fps i vremenom ekspozicije od 1 μs. U ovoj studiji, putanja oscilacije kružnog snopa, putanja kretanja lasera i trenutna brzina definirani su kao što je prikazano na slici.

4 Rezultati i diskusija

4.1 Karakteristike morfologije zavara Morfologije površine zavara pod različitim modovima laserskog osciliranja prikazane su na slici. Rezultati pokazuju da je površina zavara konvencionalnog pravolinijskog zavarivanja hrapava (hrapavost od 78,01 μm), sa slabim kontinuitetom valova zavara i nedovoljnim širenjem zavara. Također su uočeni nedovoljno formiranje zavara, jako prskanje i podrezivanje. S povećanjem amplitude i frekvencije oscilacija, površina zavara pokazuje guste i ujednačene riblje ljuske. Hrapavost površine zavara s amplitudama oscilacija od 0,5 mm, 1 mm i 2 mm iznosi 80,71 μm, 49,63 μm i 31,12 μm, respektivno. Nema nepravilnosti ili izbočina uzrokovanih prskanjem. Rezultati pokazuju da veća frekvencija oscilacija dovodi do pravilnijeg toka rastopljenog sloja, jačeg efekta miješanja laserskog snopa i idealnije površine zavara. U osnovi, oblik laserskog zavara je uzročno povezan s kretanjem laserskog snopa. Tokom zavarivanja, promjene amplitude i frekvencije oscilacija mijenjaju brzinu zavarivanja, čime utiču na linearnu gustinu energije i ukupni unos toplote lasera. Morfologija poprečnog presjeka zavara je u obliku "pehara", koja se sastoji od dva dijela: donji dio je "stabljika", a gornji dio je "zdjela". Dubina prodiranja i "stabljika" definirani su kao H1 i H2, respektivno, a širine zavara ("zdjela") i "stabljike" definirane su kao W1 i W2, respektivno. Obje širine zavara, W1 i W2, povećavaju se sinhrono s povećanjem amplitude oscilacija, a morfologija zavara postepeno se transformira iz oblika "pehara" u oblik "polumjeseca". Maksimalna gustina laserske energije pojavljuje se na preklapanju putanje. Upoređujući slike (b, d) i (c, e), može se vidjeti da će povećanje frekvencije skeniranja povećati područje preklapanja putanje duž putanje skeniranja, čineći raspodjelu laserske energije ujednačenijom. Međutim, smanjenje maksimalne gustine energije dovest će do smanjenja dubine zavara.

4.2 Ponašanje rastopljenog bazena Da bi se razjasnio utjecaj putanje skeniranja na ponašanje rastopljenog bazena, korišten je sistem brzih kamera za promatranje procesa evolucije rastopljenog bazena i ključaonice. Slika (a) prikazuje proces evolucije rastopljenog bazena pod pravolinijskom putanjom. Slike (bf) su dijagrami evolucije rastopljenog bazena pod različitim parametrima oscilacija. S povećanjem frekvencije i amplitude oscilacija, stražnji dio rastopljenog bazena postaje zaobljeniji zbog širenja širine rastopljenog bazena. Kako se dužina rastopljenog bazena povećava, površinske fluktuacije uzrokovane erupcijom ključaonice smanjuju se tokom širenja unatrag. Stoga se rastopljeni tekući metal glatko i pravilno stvrdnjava na stražnjem kraju rastopljenog bazena, formirajući ujednačene i guste zavarene riblje krljušti. Slika prikazuje promjenu površine otvora ključaonice tokom laserskog zavarivanja, koja je izvedena iz snimaka rastopljenog bazena velikom brzinom. Kao što je prikazano na slici (a), tokom pravolinijskog zavarivanja, veličina otvora ključaonice pokazuje očite fluktuacije. Uočeno je nekoliko slučajeva zatvaranja ključaonice (0 mm²), s prosječnom površinom otvora ključaonice od 0,47 mm². Povećanje amplitude oscilacija također može smanjiti fluktuacije i poboljšati stabilnost. To je zato što se kod oscilirajućeg zavarivanja veći udio energije raspoređuje na obje strane. Stoga se izlaz na ključaonici širi, a amplituda oscilacija se povećava, čime se povećava površina otvora. Povećanje amplitude proširuje raspon miješanja laserskog snopa, što dovodi do širenja radijusa periodičnog kretanja ključanice. Zbog viskoznosti rastopljenog metala i hidrodinamičkog pritiska koji djeluje u blizini stijenke ključanice, dolazi do kretanja vrtložnih struja u rastopljenom bazenu za zavarivanje u blizini otvora ključanice. Proširenje površine otvora ključanice poboljšava njegovu stabilnost, sprječava stvaranje mjehurića i time značajno inhibira poroznost.

4.3 Mikrostruktura Slika prikazuje EBSD morfologiju poprečnog presjeka zavara pod različitim frekvencijama i amplitudama oscilacija. U blizini linije taljenja laserskog zavara, stupčasta dendritna zrna rastu prema centru zavara. Kao što je prikazano na slici (a), između područja "zdlice" i "stabljike" mogu se uočiti očigledne razlike u raspodjeli stupčastih zrna. Stupčasta zrna su raspoređena u obliku slova U duž zida "zdlice", dok su u području "stabljike" stupčasta zrna raspoređena u obliku slova U duž linije taljenja. Tokom skrućivanja zavara, djelomično skrućena zrna u zoni taljenja djeluju kao mjesta nukleacije za front skrućivanja i preferencijalno rastu okomito na granicu rastopljenog bazena duž smjera maksimalnog temperaturnog gradijenta. Ovaj fenomen se javlja jer visoka gustoća snage lasera dovodi do pregrijavanja unutar zavarivačkog bazena. Viši termički gradijent G i umjerena brzina rasta R čine G/R većim od praga za transformaciju mikrostrukture, što rezultira formiranjem stupčastih zrna. Temperaturni gradijent G u centru zavara se smanjuje, uzrokujući postepeni pad odnosa G/R ispod praga transformacije mikrostrukture, prelazeći na jednakoosna zrna. Jednakoosna zrna se nalaze u centralnim dijelovima i "zdlice" i "stabljike". Budući da je "stabljika" zavara uska i blizu osnovnog materijala, ona se potpuno stvrdnjava prije područja "zdlice" tokom hlađenja. Stvrdnuti dio "stabljike" djeluje kao mjesto nukleacije na dnu "zdlice", potičući rast stupčastih zrna prema gore. Slika prikazuje pravolinijski i oscilirajući proces zavarivanja. Pokazano je da kontinuirana promjena položaja laserskog snopa kod laserskog oscilirajućeg zavarivanja povećava dužinu međurastopljenog bazena, ponovno topi već stvrdnuti metal, što rezultira smanjenjem brzine rasta zrna r. To može dovesti do smanjenja G/R u donjoj zoni jednakoosnih zrna.

4.4 Raspodjela poroznosti Trodimenzionalna rendgenska tomografija korištena je za provođenje sveobuhvatnog pregleda zavara, dobivajući trodimenzionalnu raspodjelu pora u zavaru, kao što je prikazano na slici. Poroznost se izračunava kao ukupni volumen pora podijeljen s ukupnim volumenom zavara. Poređenjem morfologije i raspodjele pora kod pravolinijski laserski oscilirajućih zavara i kružnih laserski oscilirajućih zavara, utvrđeno je da pravolinijski laserski oscilirajući zavari sadrže više pora velikog volumena, s poroznošću od 2,49%, što je znatno više od one kod kružnih zavara.laserski oscilirajući zavariPoređenjem slika (b, c) i (d, e), može se vidjeti da povećanje frekvencije oscilacija pomaže u inhibiranju stvaranja pora. Poređenjem slika (b, d) i (c, e), može se vidjeti da povećanje amplitude oscilacija također igra značajnu ulogu u inhibiranju stvaranja pora. Kada se amplituda oscilacija dodatno poveća na 2 mm (slika (f)), poroznost se dodatno smanjuje na 0,22%, ostavljajući samo pore malog volumena i male pore. Slika prikazuje raspodjelu površine pora na različitim udaljenostima od središnje linije zavara, što predstavlja poroznost na osnovu veličine površine pora. Kod pravolinijskog zavarivanja, površina pora je simetrično raspoređena duž središnje linije zavara i postepeno se smanjuje s povećanjem udaljenosti od središnje linije zavara. Rezultati pokazuju da su pore izazvane ključaonicama uglavnom koncentrirane iza rastopljenog kupatila na središnjoj liniji zavara. Kod laserskog oscilirajućeg zavarivanja, simetrija raspodjele pora postaje slabija. Slika prikazuje područje pora na različitim udaljenostima od površine zavara, gdje crvena linija predstavlja granicu između područja "zdlice" i "stabljike". U slučaju dominantno velikih pora (slike (ac)), područje pora iznad granice čini više od 85%. To je zato što je vjerovatnije da će konturni prijelaz na dugoj itudinalnoj granici zarobiti mjehuriće u zavarivačkom bazenu, a zarobljeni mjehurići imaju tendenciju da migriraju prema gore pod utjecajem uzgona. U slučaju dominantno malih pora (slike (df)), pore su koncentrirane u području unutar 0,5 mm ispod granične linije. Kratko vrijeme hlađenja i malo pomicanje prema gore mogu biti razlozi za ovaj fenomen.

5 Zaključaka

(1) Različiti načini rada laserskih oscilacija imaju očigledne efekte na površinu zavara. Veća amplituda i frekvencija mogu poboljšati kvalitet površine, dok pretjerano veliki parametri oscilacija mogu povećati hrapavost i uzrokovati konkavne defekte.

(2) Oblik zavara uglavnom određuju parametri laserskih oscilacija, koji utiču na brzinu zavarivanja, raspodjelu energije i ukupni unos toplote. Sa povećanjem amplitude oscilacija, morfologija zavara se mijenja iz "peharaste" u "polumjesec", a odnos stranica se smanjuje.

(3) S povećanjem amplitude i frekvencije oscilacija, rastopljeni bazen postaje širi, a stražnji dio postaje zaobljen. Efekat oscilacija povećava dužinu rastopljenog bazena, što je korisno za izlazak mjehurića i ravnomjerno skrućivanje. Tokom pravolinijskog zavarivanja, površina otvora ključaonice fluktuira; relativno govoreći, ovo fluktuiranje se može smanjiti, poboljšavajući stabilnost zavarivanja.

(4) Povećanje amplitude i frekvencije oscilacija smanjuje i termalni gradijent i brzinu rasta, što je korisno za formiranje velikih zrna. Međutim, efekat laserskog miješanja pogoduje pročišćavanju veličine zrna i poboljšanju čvrstoće teksture. Pod različitim parametrima lasera, tvrdoća zavara ostaje relativno stabilna, nešto niža od tvrdoće osnovnog materijala, što može biti posljedica gubitka magnezijuma isparavanjem.

(5) Trodimenzionalna rendgenska tomografija pokazuje da pravolinijski zavarivanje ima veću poroznost (2,49%) i veći volumen pora od oscilirajućeg zavarivanja. Povećanje parametara oscilacije može značajno smanjiti poroznost, dostižući čak 0,22% kada je amplituda 2 mm. Raspodjela površine pora se mijenja s oscilacijom: velike pore se agregiraju iza rastopljenog bazena, a male pore imaju bolju simetriju. Velike pore su uglavnom raspoređene iznad granice između područja "zdlice" i "stabljike", dok su male pore koncentrirane ispod granice.