Spawanie laserowe – wpływ parametrów oscylacji na spawanie laserowe stopów aluminium w trybie ARM (Regulowany Pierścień)

Spawanie laserowe – wpływ parametrów oscylacji na spawanie laserowe stopów aluminium w trybie ARM (Regulowany Pierścień)

1. Streszczenie

W niniejszym badaniu zbadano wpływ amplitudy i częstotliwości oscylacji na jakość powierzchni, makro- i mikrostruktury oraz porowatość regulowanego trybu pierścieniowego (ARM).spawane laserowo oscylującoBlachy ze stopu aluminium A5083. Wyniki pokazują, że wraz ze wzrostem amplitudy i częstotliwości oscylacji poprawia się jakość powierzchni spoiny. Wraz ze wzrostem amplitudy przekrój spoiny zmienia kształt z „kielicha” na „półksiężyc”. Analiza mikrostrukturalna wskazuje, że wielkość ziarna spoiny nie zmniejsza się wraz ze wzrostem amplitudy i częstotliwości oscylacji ze względu na konkurencję między efektem mieszania a zmniejszeniem szybkości chłodzenia. Porowatość spoiny zmniejsza się wraz ze wzrostem parametrów oscylacji, osiągając porowatość końcową 0,22% przy amplitudzie 2 mm. Trójwymiarowa tomografia rentgenowska dodatkowo potwierdza wpływ oscylacji na rozkład porów: duże pory mają tendencję do agregacji za jeziorkiem stopowym, podczas gdy małe pory wykazują lepszą symetrię. Badania te dostarczają cennych informacji na temat optymalizacji parametrów oscylacji w celu uzyskania wysokiej jakości spawania laserowego w zastosowaniach ze stopem aluminium A5083.

2 Tło branżowe

Stopy aluminium charakteryzują się niską wagą, wysoką wytrzymałością właściwą i dobrą odpornością na korozję, dzięki czemu są szeroko stosowane w przemyśle motoryzacyjnym, kolei dużych prędkości, lotnictwie i innych gałęziach przemysłu. Spawanie laserowe charakteryzuje się wysoką wydajnością, małą strefą wpływu ciepła i niewielkimi odkształceniami spawalniczymi. Dlatego teżspawanie laserowe jest ekonomiczną metodą spawania, odpowiednią do grubych blach, co może znacznie zmniejszyć liczbę ściegów spawalniczych. Porowatość jest istotną wadą spawania laserowego stopów aluminium, która poważnie wpływa na właściwości mechaniczne spoin. Dlatego przeprowadzono szeroko zakrojone badania mające na celu redukcję i eliminację powstawania porowatości, w tym optymalizację gazu osłonowego, zastosowanie technologii podwójnej wiązki, wykorzystanie modulowanych systemów mocy lasera oraz zastosowanie metod wiązki oscylacyjnej. Technologia spawania laserowego oscylacyjnego wyróżnia się możliwością łączenia zalet spawania laserowego z własnymi właściwościami. Zastosowanie spawania laserowego oscylacyjnego może nie tylko zmniejszyć porowatość, ale także poprawić mikrostrukturę spoiny i poprawić jej jakość. Wiele badań koncentrowało się głównie na różnych aspektach spawania laserowego oscylacyjnego, w tym na redukcji porowatości, optymalizacji rozkładu energii, rozdrobnieniu struktury ziaren i charakterystyce przepływu stopionego materiału w jeziorku spawalniczym. Rozkład energii lasera odgrywa kluczową rolę w rozkładzie temperatury i głębokości penetracji podczas spawania laserowego. Przy określonej amplitudzie oscylacji, wraz ze wzrostem częstotliwości skanowania, proces spawania przechodzi od spawania z głębokim wtopieniem do spawania niestabilnego, a ostatecznie do spawania przewodzącego ciepło. Wyniki pokazują, że zwiększenie amplitudy i częstotliwości skanowania może zmniejszyć porowatość, ale także znacząco zmniejszyć głębokość wtopienia spoiny, tym samym pogarszając jej właściwości mechaniczne. W ostatnich latach opracowano laser o regulowanym trybie pierścieniowym (ARM), który dzieli energię lasera na rdzeń o wysokiej gęstości energii i pierścień o niskiej gęstości energii, co ma na celu stabilizację otworu klucza i poprawę jakości spawania. Naukowcy wykorzystali spawanie oscylacyjne laserem ARM do spawania stopów aluminium o wysokiej wytrzymałości 6xxx przy różnych stosunkach mocy rdzeń/pierścień i szerokościach oscylacji. Wyniki eksperymentalne pokazują, że głównym czynnikiem wpływającym na geometrię spoiny jest szerokość oscylacji, a nie stosunek mocy rdzeń-pierścień. Jednakże rozkład porów i jego mechanizm hamowania przy superpozycji oscylacji i lasera ARM nie zostały zbadane. W niniejszym artykule przedstawiono nową technologię spawania oscylacyjnego laserem ARM, która pozwala na zmniejszenie porowatości spoiny, uzyskanie większej głębokości wtopienia i lepszej jakości spoiny. Przeprowadzono kompleksowe badanie rozkładu energii lasera, dynamiki jeziorka spawalniczego oraz mikrostruktury przy różnych częstotliwościach i amplitudach oscylacji.

3. Cele i procedury eksperymentalne

Do spawania stopów aluminium zastosowano technologię spawania laserowego oscylacyjnego z wykorzystaniem lasera kołowego. Materiałem bazowym (BM) był stop aluminium 5083-O o wymiarach 300 mm × 100 mm × 5 mm (długość × szerokość × grubość), a jego skład chemiczny przedstawiono w tabeli. Przed spawaniem próbki polerowano w celu usunięcia warstwy tlenków z powierzchni, a następnie czyszczono acetonem w kąpieli ultradźwiękowej przez 15 minut w celu usunięcia oleju z powierzchni.system spawania laserowegoSkłada się głównie z robota Kuka, lasera dyskowego TruDisk 8001 i skanera galwanometru 3D PFO. Laser dyskowy TruDisk 8001 został użyty jako regulowane źródło laserowe w trybie pierścieniowym, ze stosunkiem włókien rdzeniowych do pierścieniowych wynoszącym 100/400 μm i maksymalną mocą wyjściową 8 kW (długość fali 1030 nm, parametr jakości wiązki 4,0 mm·rad). Wiązka laserowa składa się z części rdzeniowej i pierścieniowej, gdzie laser w centralnej części rdzeniowej generuje dziurkę od klucza (60% energii lasera), a laser w części pierścieniowej zapewnia dobry rozkład temperatury (40% energii lasera), jak pokazano na rysunku (b). Ogniskowe kolimatora i soczewki skupiającej wynoszą odpowiednio 138 mm i 450 mm. Podczas procesu spawania wykorzystano kamerę szybkoobrotową Phantom V1840 oraz źródło światła wysokiej częstotliwości Cavilux do monitorowania procesu spawania w czasie rzeczywistym, z prędkością 5000 klatek na sekundę i czasem naświetlania 1 μs. W niniejszym badaniu trajektoria oscylacji wiązki kołowej, ścieżka ruchu lasera oraz prędkość chwilowa zostały zdefiniowane, jak pokazano na rysunku.

4 Wyniki i dyskusja

4.1 Charakterystyka morfologii spoiny Morfologia powierzchni spoiny przy różnych trybach oscylacji lasera jest pokazana na rysunku. Wyniki pokazują, że powierzchnia spoiny konwencjonalnego spawania prostoliniowego jest chropowata (chropowatość 78,01 μm), ze słabą ciągłością harmonijek spoiny i niewystarczającym rozpływem spoiny. Zaobserwowano również niewystarczające formowanie spoiny, duże odpryski i podtopienie. Wraz ze wzrostem amplitudy i częstotliwości oscylacji powierzchnia spoiny prezentuje gęste i jednolite łuski rybie. Chropowatość powierzchni spoin o amplitudach oscylacji 0,5 mm, 1 mm i 2 mm wynosi odpowiednio 80,71 μm, 49,63 μm i 31,12 μm. Nie ma żadnych nieregularności ani wypukłości spowodowanych odpryskami. Wyniki wskazują, że wyższa częstotliwość oscylacji prowadzi do bardziej regularnego przepływu jeziorka stopowego, silniejszego efektu mieszania wiązki laserowej i bardziej idealnej powierzchni spoiny. Zasadniczo kształt spoiny laserowej jest przyczynowo związany z ruchem wiązki laserowej. Podczas spawania zmiany amplitudy i częstotliwości oscylacji zmieniają prędkość spawania, wpływając tym samym na liniową gęstość energii i całkowite ciepło doprowadzone lasera. Morfologia przekroju poprzecznego spoiny ma kształt „kielicha”, składający się z dwóch części: dolnej części zwanej „trzpieniem”, a górnej części zwanej „czaszą”. Głębokość wtopienia i „trzpień” są zdefiniowane odpowiednio jako H1 i H2, a szerokości spoiny („czaszy”) i „trzpienia” są zdefiniowane odpowiednio jako W1 i W2. Obie szerokości spoiny W1 i W2 rosną synchronicznie wraz ze wzrostem amplitudy oscylacji, a morfologia spoiny stopniowo przekształca się z kształtu „kielicha” w kształt „sierpa”. Maksymalna gęstość energii lasera występuje w miejscu nakładania się trajektorii. Porównując rysunki (b, d) i (c, e), można zauważyć, że wzrost częstotliwości skanowania zwiększa obszar nakładania się trajektorii wzdłuż ścieżki skanowania, co sprawia, że ​​rozkład energii lasera jest bardziej równomierny. Jednak zmniejszenie maksymalnej gęstości energii prowadzi do zmniejszenia głębokości spoiny.

4.2 Zachowanie się ciekłego metalu Aby wyjaśnić wpływ ścieżki skanowania na zachowanie ciekłego metalu, zastosowano system kamer szybkoobrotowych do obserwacji procesu ewolucji ciekłego metalu i otworu wlotowego. Rysunek (a) przedstawia proces ewolucji ciekłego metalu w linii prostej. Rysunki (bf) przedstawiają diagramy ewolucji ciekłego metalu przy różnych parametrach oscylacji. Wraz ze wzrostem częstotliwości i amplitudy oscylacji, tylna część ciekłego metalu staje się bardziej zaokrąglona ze względu na rozszerzenie szerokości ciekłego metalu. Wraz ze wzrostem długości ciekłego metalu, fluktuacje powierzchni spowodowane erupcją w kształcie otworu wlotowego maleją podczas propagacji wstecznej. W związku z tym ciekły metal krzepnie płynnie i regularnie w tylnej części ciekłego metalu, tworząc równomierne i gęste łuski spawalnicze. Rysunek przedstawia zmianę powierzchni otworu wlotowego metalu podczas spawania laserowego, co wynika z obrazów wykonanych szybką fotografią ciekłego metalu. Jak pokazano na rysunku (a), podczas spawania liniowego, rozmiar otworu w otworze w kluczu wykazuje wyraźne wahania. Zaobserwowano kilka przypadków zamknięcia otworu w kluczu (0 mm²), przy średniej powierzchni otworu w otworze wynoszącej 0,47 mm². Wzrost amplitudy oscylacji może również zmniejszyć wahania i poprawić stabilność. Dzieje się tak, ponieważ podczas spawania oscylacyjnego większa część energii jest rozprowadzana po obu stronach. W związku z tym wylot w otworze w kluczu rozszerza się, a amplituda oscylacji wzrasta, zwiększając tym samym powierzchnię otworu. Wzrost amplitudy rozszerza zakres mieszania wiązki laserowej, co prowadzi do wydłużenia promienia okresowego ruchu otworu w kluczu. Ze względu na lepkość stopionego metalu i ciśnienie hydrodynamiczne działające w pobliżu ścianki otworu w kluczu, w jeziorku spawalniczym w pobliżu otworu w kluczu występuje ruch prądów wirowych. Rozszerzenie powierzchni otworu w otworze w kluczu poprawia jego stabilność, zapobiega tworzeniu się pęcherzyków, a tym samym znacznie ogranicza porowatość.

4.3 Mikrostruktura Rysunek przedstawia morfologię EBSD przekroju poprzecznego spoiny przy różnych częstotliwościach i amplitudach oscylacji. W pobliżu linii wtopienia spoiny laserowej, ziarna dendrytów kolumnowych rosną w kierunku środka spoiny. Jak pokazano na rysunku (a), pomiędzy obszarami „miski” i „trzonu” można zaobserwować oczywiste różnice w rozkładzie ziaren kolumnowych. Ziarna kolumnowe są rozmieszczone w kształcie litery U wzdłuż ścianki „miski”, podczas gdy w obszarze „trzonu” ziarna kolumnowe są rozmieszczone w kształcie litery U wzdłuż linii wtopienia. Podczas krzepnięcia spoiny, częściowo zestalone ziarna w strefie wtopienia działają jako miejsca zarodkowania dla frontu krzepnięcia i preferencyjnie rosną prostopadle do granicy jeziorka spawalniczego wzdłuż kierunku maksymalnego gradientu temperatury. Zjawisko to występuje, ponieważ wysoka gęstość mocy lasera prowadzi do przegrzania wewnątrz jeziorka spawalniczego. Wyższy gradient temperatury G i umiarkowana szybkość wzrostu R sprawiają, że stosunek G/R jest większy niż próg przemiany mikrostruktury, co skutkuje tworzeniem ziaren kolumnowych. Gradient temperatury G w środku spoiny maleje, powodując stopniowy spadek stosunku G/R poniżej progu przemiany mikrostruktury, przechodząc w ziarna równoosiowe. Ziarna równoosiowe znajdują się w centralnych częściach zarówno „miski”, jak i „trzpienia”. Ponieważ „trzpień” spoiny jest wąski i znajduje się blisko materiału bazowego, krzepnie całkowicie przed obszarem „miski” podczas chłodzenia. Zestalona część „trzpienia” działa jako miejsce zarodkowania na dnie „miski”, promując wzrost ziaren kolumnowych w górę. Rysunek przedstawia procesy spawania liniowego i oscylacyjnego. Pokazano, że ciągła zmiana położenia wiązki laserowej podczas laserowego spawania oscylacyjnego zwiększa długość pośredniego jeziorka stopionego materiału, ponownie topiąc już zakrzepły metal, co powoduje zmniejszenie szybkości wzrostu ziarna r. Może to prowadzić do zmniejszenia stosunku G/R w strefie dolnego ziarna równoosiowego.

4.4 Rozkład porowatości Trójwymiarowa tomografia rentgenowska została użyta do przeprowadzenia kompleksowej kontroli spoiny, uzyskując trójwymiarowy rozkład porów w spoinie, jak pokazano na rysunku. Porowatość oblicza się jako całkowitą objętość porów podzieloną przez całkowitą objętość spoiny. Porównując morfologię i rozkład porów w spoinach prostoliniowych i kołowych, stwierdzono, że spoiny prostoliniowe zawierają więcej porów o dużej objętości, z porowatością 2,49%, która jest znacznie wyższa niż w przypadku spoin kołowych.spawy oscylacyjne laserowePorównując rysunki (b, c) i (d, e), widać, że zwiększenie częstotliwości oscylacji pomaga hamować tworzenie się porów. Porównując rysunki (b, d) i (c, e), widać, że wzrost amplitudy oscylacji również odgrywa znaczącą rolę w hamowaniu tworzenia się porów. Gdy amplituda oscylacji zostanie zwiększona do 2 mm (rysunek (f)), porowatość zmniejsza się do 0,22%, pozostawiając jedynie pory o małej objętości i małe. Rysunek przedstawia rozkład powierzchni porów w różnych odległościach od osi spoiny, reprezentując porowatość w oparciu o rozmiar powierzchni porów. W przypadku spawania liniowego powierzchnia porów jest symetrycznie rozłożona wzdłuż osi spoiny i stopniowo zmniejsza się wraz ze wzrostem odległości od osi spoiny. Wyniki pokazują, że pory indukowane dziurkami od klucza koncentrują się głównie za 后壁 jeziorka stopionego metalu na osi spoiny. W przypadku laserowego spawania oscylacyjnego symetria rozkładu porów staje się słabsza. Rysunek przedstawia obszar porów w różnych odległościach od powierzchni spoiny, gdzie czerwona linia reprezentuje granicę między obszarami „miski” i „trzpienia”. W przypadku dominujących dużych porów (rysunki (ac)), obszar porów powyżej granicy stanowi ponad 85%. Dzieje się tak, ponieważ przejście konturowe na długiej granicy wzdłużnej z większym prawdopodobieństwem zatrzymuje pęcherzyki w jeziorku spawalniczym, a uwięzione pęcherzyki mają tendencję do migracji w górę pod wpływem siły wyporu. W przypadku dominujących małych porów (rysunki (df)), pory koncentrują się w obszarze do 0,5 mm poniżej linii granicznej. Krótki czas chłodzenia i niewielkie przemieszczenie w górę mogą być przyczyną tego zjawiska.

5 Wnioski

(1) Różne tryby oscylacji lasera mają oczywisty wpływ na powierzchnię spoiny. Wyższa amplituda i częstotliwość mogą poprawić jakość powierzchni, natomiast zbyt wysokie parametry oscylacji mogą zwiększyć chropowatość i powodować wady wklęsłe.

(2) Kształt spoiny jest determinowany głównie przez parametry oscylacji lasera, które wpływają na prędkość spawania, rozkład energii i całkowitą ilość ciepła doprowadzonego. Wraz ze wzrostem amplitudy oscylacji morfologia spoiny zmienia się z „kielicha” na „sierp”, a współczynnik kształtu maleje.

(3) Wraz ze wzrostem amplitudy i częstotliwości oscylacji, jeziorko stopu staje się szersze, a tylna część zaokrąglona. Efekt oscylacji zwiększa długość jeziorka stopu, co sprzyja wydostawaniu się pęcherzyków powietrza i równomiernemu krzepnięciu. Podczas spawania prostoliniowego obszar otworu klucza ulega wahaniom; relatywnie rzecz biorąc, wahania te można zmniejszyć, poprawiając stabilność spawania.

(4) Zwiększenie amplitudy i częstotliwości oscylacji zmniejsza zarówno gradient termiczny, jak i tempo wzrostu, co jest korzystne dla tworzenia dużych ziaren. Jednakże efekt mieszania laserowego sprzyja rozdrobnieniu ziarna i poprawie wytrzymałości tekstury. Przy różnych parametrach lasera twardość spoiny pozostaje stosunkowo stabilna, nieznacznie niższa niż twardość materiału bazowego, co może być spowodowane utratą magnezu przez parowanie.

(5) Trójwymiarowa tomografia rentgenowska pokazuje, że spawanie w linii prostej charakteryzuje się wyższą porowatością (2,49%) i większą objętością porów niż spawanie oscylacyjne. Zwiększenie parametrów oscylacji może znacząco zmniejszyć porowatość, sięgając nawet 0,22% przy amplitudzie 2 mm. Rozkład powierzchni porów zmienia się wraz z oscylacją: duże pory gromadzą się za jeziorkiem stopionego materiału, a małe pory charakteryzują się lepszą symetrią. Duże pory są rozmieszczone głównie powyżej granicy między obszarami „miski” i „trzpienia”, podczas gdy małe pory koncentrują się poniżej tej granicy.