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

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

1. Sažetak

Ova studija istražuje utjecaj amplitude i frekvencije oscilacija na kvalitetu 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 kvaliteta površine zavara. Kako se amplituda povećava, 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 učinka miješanja i smanjenja brzine hlađenja. Poroznost zavara smanjuje se s povećanjem parametara oscilacija, dosežući 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 rastaljenog sloja, 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 učinkovitosti, male zone utjecaja topline i male deformacije zavarivanja. Stoga,Lasersko zavarivanje je ekonomična metoda zavarivanja pogodna za debele ploče, što može uvelike smanjiti broj prolaza zavara. Poroznost je značajan nedostatak u laserskom zavarivanju aluminijskih legura, koji ozbiljno utječe na mehanička svojstva zavarenih spojeva. Stoga su provedena opsežna istraživanja kako bi se smanjilo i uklonilo stvaranje poroznosti, uključujući optimizaciju zaštitnog plina, primjenu tehnologije dvostrukog snopa, korištenje moduliranih laserskih sustava snage i usvajanje metoda oscilirajućeg snopa. Tehnologija laserskog oscilirajućeg zavarivanja ističe se svojom sposobnošću kombiniranja prednosti laserskog zavarivanja s vlastitim karakteristikama. Korištenje laserskog oscilirajućeg zavarivanja ne samo da može smanjiti poroznost, već i poboljšati mikrostrukturu zavara i poboljšati kvalitetu zavara. Veliki broj studija uglavnom se usredotočio na različite aspekte laserskog oscilirajućeg zavarivanja, uključujući smanjenje poroznosti, optimizaciju raspodjele energije, pročišćavanje strukture zrna i karakterizaciju toka taline u rastaljenom 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 načinom rada (ARM) koji dijeli lasersku energiju na jezgru s visokom gustoćom energije i prsten s niskom gustoćom energije, s ciljem stabilizacije ključanice i poboljšanja kvalitete zavarivanja. Istraživači su koristili ARM lasersko oscilirajuće zavarivanje za zavarivanje 6xxx aluminijskih legura visoke čvrstoće pod različitim omjerima snage jezgre/prstena i širinama oscilacija. Eksperimentalni rezultati pokazuju da je glavni čimbenik koji utječe na geometriju zavara širina oscilacije, a ne omjer snage jezgre i prstena. Međutim, raspodjela pora i mehanizam njezine 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 bolja kvaliteta zavara. Provedena je sveobuhvatna studija o raspodjeli laserske energije, dinamičkom ponašanju rastaljene kupke 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 (duljina × širina × debljina), a njezin kemijski sastav prikazan je u tablici. Prije zavarivanja, uzorci su polirani kako bi se uklonio površinski oksidni film, a zatim očišćeni acetonom u ultrazvučnoj kupelji 15 minuta kako bi se uklonilo površinsko ulje.sustav 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 jezgre i prstenastih vlakana od 100/400 μm i maksimalnom izlaznom snagom od 8 kW (valna duljina 1030 nm, parametar kvalitete snopa od 4,0 mm·rad). Laserski snop sastoji se od jezgre i prstenastog dijela, gdje laser u središnjem dijelu jezgre generira ključanicu (60% laserske energije), a laser u prstenastom dijelu osigurava dobru raspodjelu temperature (40% laserske energije), kao što je prikazano na slici (b). Žarišne duljine kolimatora i fokusne leće su 138 mm odnosno 450 mm. Tijekom procesa zavarivanja, za praćenje procesa zavarivanja u stvarnom vremenu korištena je brza kamera Phantom V1840 i visokofrekventni izvor svjetlosti Cavilux, s brzinom snimanja od 5000 fps i vremenom ekspozicije od 1 μs. U ovoj studiji, putanja oscilacije kružnog snopa, put kretanja lasera i trenutna brzina definirani su kao što je prikazano na slici.

4 Rezultati i rasprava

4.1 Karakteristike morfologije zavara Morfologije površine zavara pod različitim načinima laserskog osciliranja prikazane su na slici. Rezultati pokazuju da je površina zavara konvencionalnog ravnolinijske obrade hrapava (hrapavost 78,01 μm), sa slabim kontinuitetom valovitosti zavara i nedovoljnim širenjem zavara. Također je uočeno 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. Nema nepravilnosti ili izbočina uzrokovanih prskanjem. Rezultati pokazuju da veća frekvencija oscilacija dovodi do pravilnijeg toka rastaljene kupke, jačeg učinka miješanja laserske zrake i idealnije površine zavara. U osnovi, oblik laserskog zavara uzročno je povezan s kretanjem laserske zrake. Tijekom zavarivanja, promjene amplitude i frekvencije oscilacija mijenjaju brzinu zavarivanja, čime utječu na linearnu gustoću energije i ukupni unos topline 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. Obje širine zavara, W1 i W2, povećavaju se sinkronizirano s povećanjem amplitude oscilacija, a morfologija zavara postupno se transformira iz oblika "pehara" u oblik "polumjeseca". Maksimalna gustoća laserske energije pojavljuje se na preklapanju putanje. Uspoređujući 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 gustoće energije dovest će do smanjenja dubine zavara.

4.2 Ponašanje rastaljenog kupelji Kako bi se razjasnio utjecaj putanje skeniranja na ponašanje rastaljenog kupelji, korišten je sustav brzih kamera za promatranje procesa evolucije rastaljenog kupelji i ključanice. Slika (a) prikazuje proces evolucije rastaljenog kupelji pod pravolinijskom putanjom. Slike (bf) su dijagrami evolucije rastaljenog kupelji pod različitim parametrima oscilacija. S povećanjem frekvencije i amplitude oscilacija, stražnji dio rastaljenog kupelji postaje zaobljeniji zbog širenja širine rastaljenog kupelji. Kako se duljina rastaljenog kupelji povećava, površinske fluktuacije uzrokovane erupcijom ključanice smanjuju se tijekom širenja unatrag. Stoga se rastaljeni tekući metal glatko i redovito skrućuje na stražnjem kraju rastaljenog kupelji, formirajući jednolike i guste zavarene riblje ljuske. Slika prikazuje promjenu površine otvora ključanice tijekom laserskog zavarivanja, koja je izvedena iz slika rastaljenog kupelji snimljenih velikom brzinom. Kao što je prikazano na slici (a), tijekom pravolinijskog zavarivanja, veličina otvora ključanice pokazuje očite fluktuacije. Uočeno je nekoliko slučajeva zatvaranja ključanice (0 mm²), s prosječnom površinom otvora ključanice 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 ključanici širi, a amplituda oscilacija se povećava, čime se povećava površina otvora. Povećanje amplitude proširuje raspon miješanja laserske zrake, što dovodi do širenja radijusa periodičnog kretanja ključanice. Zbog viskoznosti rastaljenog metala i hidrodinamičkog tlaka koji djeluje u blizini stijenke ključanice, u taline za zavarivanje u blizini otvora ključanice dolazi do kretanja vrtložnih struja. Proširenje područja otvora ključanice poboljšava njegovu stabilnost, sprječava stvaranje mjehurića i time značajno inhibira poroznost.

4.3 Mikrostruktura Slika prikazuje EBSD morfologiju presjeka zavara pod različitim frekvencijama i amplitudama oscilacija. U blizini linije taljenja laserskog zavara, stupčasta dendritna zrna rastu prema središtu zavara. Kao što je prikazano na slici (a), između područja "zdjele" i "stabljike" mogu se uočiti očite razlike u raspodjeli stupčastih zrna. Stupčasta zrna su raspoređena u obliku slova U duž stijenke "zdjele", dok su u području "stabljike" stupčasta zrna raspoređena u obliku slova U duž linije taljenja. Tijekom skrućivanja zavara, djelomično skrućena zrna u zoni taljenja djeluju kao mjesta nukleacije za frontu skrućivanja i preferencijalno rastu okomito na granicu rastaljene kupke duž smjera maksimalnog temperaturnog gradijenta. Ovaj fenomen nastaje jer visoka gustoća snage lasera dovodi do pregrijavanja unutar zavarivačke kupke. Viši toplinski gradijent G i umjerena brzina rasta R čine G/R većim od praga za transformaciju mikrostrukture, što rezultira stvaranjem stupčastih zrna. Temperaturni gradijent G u središtu zavara smanjuje se, uzrokujući postupni pad omjera G/R ispod praga transformacije mikrostrukture, prelazeći na jednakoosna zrna. Jednakoosna zrna nalaze se u središnjim dijelovima i "zdlice" i "stabljike". Budući da je "stabljika" zavara uska i blizu osnovnog materijala, tijekom hlađenja se potpuno skrućuje prije područja "zdlice". Skrutnuti 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 će kontinuirana promjena položaja laserske zrake kod laserskog oscilirajućeg zavarivanja povećati duljinu međustaljenog bazena, ponovno talijući već skrutnuti 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. Usporedbom morfologije i raspodjele pora ravnolinijskim laserskim oscilirajućim zavarima i kružnim laserskim oscilirajućim zavarima, utvrđeno je da ravnolinijski laserski oscilirajući zavarima sadrže više pora velikog volumena, s poroznošću od 2,49%, što je znatno više od one kod kružnihlaserski oscilirajući zavariUsporedbom slika (b, c) i (d, e), može se vidjeti da povećanje frekvencije oscilacija pomaže u sprječavanju stvaranja pora. Usporedbom slika (b, d) i (c, e), može se vidjeti da povećanje amplitude oscilacija također igra značajnu ulogu u sprječavanju 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 temelju veličine površine pora. Kod ravnolinijske zavarivanja, površina pora je simetrično raspoređena duž središnje linije zavara i postupno se smanjuje s povećanjem udaljenosti od središnje linije zavara. Rezultati pokazuju da su pore izazvane ključanicama uglavnom koncentrirane iza rastaljene kupke u 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 vjerojatnije da će konturni prijelaz na dugoj itudinalnoj granici zarobiti mjehuriće u zavarivačkom bazenu, a zarobljeni mjehurići imaju tendenciju migracije 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 mali pomak prema gore mogu biti razlozi za ovaj fenomen.

5 Zaključaka

(1) Različiti načini rada laserskih oscilacija imaju očite učinke na površinu zavara. Veća amplituda i frekvencija mogu poboljšati kvalitetu površine, dok pretjerano veliki parametri oscilacija mogu povećati hrapavost i uzrokovati konkavne nedostatke.

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

(3) S povećanjem amplitude i frekvencije oscilacija, talina postaje šira, a stražnji dio zaobljen. Učinak oscilacija povećava duljinu taline, što je korisno za izlazak mjehurića i ravnomjerno skrućivanje. Tijekom ravnog zavarivanja, površina otvora ključanice fluktuira; relativno govoreći, ta se fluktuacija može smanjiti, poboljšavajući stabilnost zavarivanja.

(4) Povećanje amplitude i frekvencije oscilacija smanjuje i toplinski gradijent i brzinu rasta, što je korisno za stvaranje velikih zrna. Međutim, učinak laserskog miješanja pogoduje profinjivanju veličine zrna i poboljšanju čvrstoće teksture. Pod različitim parametrima lasera, tvrdoća zavara ostaje relativno stabilna, nešto niža od one osnovnog materijala, što može biti posljedica gubitka magnezija isparavanjem.

(5) Trodimenzionalna rendgenska tomografija pokazuje da ravnolinijski zavarivanje ima veću poroznost (2,49%) i veći volumen pora od oscilirajućeg zavarivanja. Povećanje parametara oscilacije može značajno smanjiti poroznost, čak dosežući 0,22% kada je amplituda 2 mm. Raspodjela površine pora mijenja se s oscilacijom: velike pore se agregiraju iza rastaljenog sloja, 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.