Лазерне зварювання – вплив параметрів коливань на лазерне зварювання алюмінієвих сплавів у регульованому кільцевому режимі (ARM)

Лазерне зварювання – вплив параметрів коливань на лазерне зварювання алюмінієвих сплавів у регульованому кільцевому режимі (ARM)

1. Анотація

Це дослідження досліджує вплив амплітуди та частоти коливань на якість поверхні, макро- та мікроструктури, а також пористість регульованого кільцевого режиму (ARM).лазерне коливальне зварюванняПластини з алюмінієвого сплаву A5083. Результати показують, що зі збільшенням амплітуди та частоти коливань якість поверхні зварного шва покращується. Зі збільшенням амплітуди поперечний переріз зварного шва перетворюється з «келихоподібної» форми на «півмісяць». Мікроструктурний аналіз показує, що розмір зерна зварного шва не зменшується зі збільшенням амплітуди та частоти коливань через конкуренцію між ефектом перемішування та зменшенням швидкості охолодження. Пористість зварного шва зменшується зі збільшенням параметрів коливань, досягаючи кінцевої пористості 0,22% при амплітуді 2 мм. Тривимірна рентгенівська томографія додатково підтверджує вплив коливань на розподіл пор: великі пори мають тенденцію до агрегації за розплавленою ванною, тоді як малі пори демонструють кращу симетрію. Це дослідження надає цінну інформацію для оптимізації параметрів коливань для досягнення високоякісного лазерного зварювання в алюмінієвих сплавах A5083.

2 Галузева інформація

Алюмінієві сплави мають такі переваги, як легка вага, висока питома міцність та добра стійкість до корозії, і широко використовуються в автомобільній, високошвидкісній залізничній, аерокосмічній та інших галузях промисловості. Лазерне зварювання має такі переваги, як висока ефективність, мала зона термічного впливу та мала деформація зварювання. Тому...Лазерне зварювання – це економічний метод зварювання, що підходить для товстих пластин, що може значно зменшити кількість зварних проходів. Пористість є суттєвим дефектом лазерного зварювання алюмінієвих сплавів, який серйозно впливає на механічні властивості зварних з'єднань. Тому були проведені масштабні дослідження для зменшення та усунення утворення пористості, включаючи оптимізацію захисного газу, застосування технології подвійного променя, використання модульованих лазерних систем потужності та впровадження методів коливального променя. Технологія лазерного коливального зварювання вирізняється своєю здатністю поєднувати переваги лазерного зварювання з власними характеристиками. Використання лазерного коливального зварювання може не тільки зменшити пористість, але й покращити мікроструктуру зварного шва та підвищити якість зварювання. Велика кількість досліджень в основному зосереджена на різних аспектах лазерного коливального зварювання, включаючи зменшення пористості, оптимізацію розподілу енергії, уточнення структури зерен та характеристику потоку розплаву в розплавленій ванні. Розподіл лазерної енергії відіграє вирішальну роль у розподілі температури та глибині проникнення лазерного зварювання. При певній амплітуді коливань, зі збільшенням частоти сканування, процес зварювання переходить від зварювання глибоким проникненням до нестабільного зварювання, і, нарешті, до зварювання теплопровідністю. Результати показують, що збільшення амплітуди та частоти сканування може зменшити пористість, але також значно зменшити глибину проникнення зварного шва, тим самим знижуючи механічні властивості зварного шва. В останні роки був розроблений лазер з регульованим кільцевим режимом (ARM), який розділяє лазерну енергію на ядро ​​з високою щільністю енергії та кільце з низькою щільністю енергії, з метою стабілізації замкової щілини та покращення якості зварювання. Дослідники використовували коливальне зварювання ARM-лазером для зварювання високоміцних алюмінієвих сплавів 6xxx за різних співвідношень потужності ядро/кільце та ширини коливань. Експериментальні результати показують, що основним фактором, що впливає на геометрію зварного шва, є ширина коливань, а не співвідношення потужності ядро-кільце. Однак розподіл пор та механізм його гальмування за умови суперпозиції коливань та ARM-лазера не вивчалися. У цій статті застосовується нова технологія коливального зварювання ARM-лазером для зменшення пористості зварного шва, отримання більшої глибини проникнення та кращої якості зварного шва. Проведено комплексне дослідження розподілу лазерної енергії, динамічної поведінки розплавленої ванни та мікроструктури за різних частот та амплітуд коливань.

3. Експериментальні цілі та процедури

Для зварювання алюмінієвих сплавів використовувалася технологія кругового лазерного коливального зварювання. Основним матеріалом (BM) був алюмінієвий сплав 5083-O з розмірами 300 мм × 100 мм × 5 мм (довжина × ширина × товщина), а його хімічний склад наведено в таблиці. Перед зварюванням зразки полірували для видалення поверхневої оксидної плівки, а потім очищали ацетоном в ультразвуковій ванні протягом 15 хвилин для видалення поверхневого масла.лазерна зварювальна системаВ основному складається з робота Kuka, дискового лазера TruDisk 8001 та 3D-гальванометра PFO. Дисковий лазер TruDisk 8001 використовувався як регульоване джерело лазера в кільцевому режимі зі співвідношенням серцевина/кільцеве волокно 100/400 мкм та максимальною вихідною потужністю 8 кВт (довжина хвилі 1030 нм, параметр якості променя 4,0 мм·рад). Лазерний промінь складається з серцевини та кільцевої частини, де лазер у центральній серцевині генерує замкову щілину (60% лазерної енергії), а лазер у кільцевій частині забезпечує хороший розподіл температури (40% лазерної енергії), як показано на рисунку (b). Фокусні відстані коліматора та фокусуючої лінзи становлять 138 мм та 450 мм відповідно. Під час зварювання для моніторингу процесу зварювання в режимі реального часу використовувалися високошвидкісна камера Phantom V1840 та високочастотне джерело світла Cavilux зі швидкістю зйомки 5000 кадрів/с та часом експозиції 1 мкс. У цьому дослідженні кругова траєкторія коливань променя, шлях руху лазера та миттєва швидкість визначені, як показано на рисунку.

4 Результати та обговорення

4.1 Характеристики морфології зварного шва На рисунку показано морфологію поверхні зварного шва за різних режимів лазерних коливань. Результати показують, що поверхня зварного шва звичайного прямолінійного зварювання є шорсткою (шорсткість 78,01 мкм), з поганою безперервністю брижів зварного шва та недостатнім розкидом шва. Також спостерігалося недостатнє формування шва, значне розбризкування та підрізання. Зі збільшенням амплітуди та частоти коливань поверхня зварного шва має щільну та однорідну риб'ячу луску. Шорсткість поверхні зварних швів з амплітудами коливань 0,5 мм, 1 мм та 2 мм становить 80,71 мкм, 49,63 мкм та 31,12 мкм відповідно. Немає нерівностей або виступів, спричинених розбризкуванням. Результати показують, що вища частота коливань призводить до більш рівномірного потоку розплавленої ванни, сильнішого перемішувального ефекту лазерного променя та більш ідеальної поверхні зварного шва. По суті, форма лазерного зварного шва причинно-наслідково пов'язана з рухом лазерного променя. Під час зварювання зміни амплітуди та частоти коливань змінюють швидкість зварювання, тим самим впливаючи на лінійну густину енергії та загальну теплову потужність лазера. Поперечний переріз зварного шва має форму «келиха», що складається з двох частин: нижня частина – «стержень», а верхня частина – «чаша». Глибина проникнення та «стержень» визначаються як H1 та H2 відповідно, а ширина зварного шва («чаша») та «стержень» визначаються як W1 та W2 відповідно. Обидві ширини зварного шва, W1 та W2, збільшуються синхронно зі збільшенням амплітуди коливань, і морфологія зварного шва поступово переходить з форми «келиха» на форму «півмісяця». Максимальна густина лазерної енергії з'являється в місці перекриття траєкторій. Порівнюючи рисунки (b, d) та (c, e), видно, що збільшення частоти сканування збільшить площу перекриття траєкторій вздовж шляху сканування, роблячи розподіл лазерної енергії більш рівномірним. Однак зменшення максимальної густини енергії призведе до зменшення глибини зварного шва.

4.2 Поведінка розплавленої ванни Щоб з'ясувати вплив шляху сканування на поведінку розплавленої ванни, було використано високошвидкісну систему камер для спостереження за процесом еволюції розплавленої ванни та замкової щілини. На рисунку (a) показано процес еволюції розплавленої ванни за прямолінійною траєкторією. На рисунках (bf) представлені діаграми еволюції розплавленої ванни за різних параметрів коливань. Зі збільшенням частоти та амплітуди коливань задня частина розплавленої ванни стає більш округлою через розширення ширини розплавленої ванни. Зі збільшенням довжини розплавленої ванни коливання поверхні, спричинені виверженням замкової щілини, зменшуються під час зворотного поширення. Таким чином, розплавлений рідкий метал плавно та регулярно твердне на задньому кінці розплавленої ванни, утворюючи рівномірну та щільну зварну риб'ячу луску. На рисунку показано зміну площі отвору замкової щілини під час лазерного зварювання, яка отримана на основі високошвидкісних фотографій розплавленої ванни. Як показано на рисунку (a), під час прямолінійного зварювання розмір отвору замкової щілини демонструє очевидні коливання. Спостерігалося кілька випадків закриття замкової щілини (0 мм²) із середньою площею отвору замкової щілини 0,47 мм². Збільшення амплітуди коливань також може зменшити коливання та покращити стабільність. Це пояснюється тим, що при коливальному зварюванні більша частка енергії розподіляється по обидва боки. Тому вихідний отвір на замковій щілині розширюється, а амплітуда коливань збільшується, тим самим збільшуючи площу отвору. Збільшення амплітуди розширює діапазон перемішування лазерного променя, що призводить до розширення радіуса періодичного руху замкової щілини. Через в'язкість розплавленого металу та гідродинамічний тиск, що діє поблизу стінки замкової щілини, у зварювальній ванні розплавленого металу поблизу отвору замкової щілини виникає рух вихрових струмів. Розширення площі отвору замкової щілини підвищує його стабільність, запобігає утворенню бульбашок і таким чином значно гальмує пористість.

4.3 Мікроструктура На рисунку показано морфологію EBSD поперечного перерізу зварного шва за різних частот та амплітуд коливань. Поблизу лінії сплавлення лазерного зварювання стовпчасті дендритні зерна ростуть до центру зварного шва. Як показано на рисунку (а), між областями «чаші» та «стебла» можна спостерігати очевидні відмінності в розподілі стовпчастих зерен. Стовпчасті зерна розподілені U-подібно вздовж стінки «чаші», тоді як в області «стебла» стовпчасті зерна розподілені U-подібно вздовж лінії сплавлення. Під час затвердіння зварного шва частково затверділі зерна в зоні сплавлення діють як центри нуклеації для фронту затвердіння та переважно ростуть перпендикулярно до межі розплавленої ванни вздовж напрямку максимального градієнта температури. Це явище виникає тому, що висока щільність потужності лазера призводить до перегріву всередині зварювальної ванни. Вищий тепловий градієнт G та помірна швидкість росту R роблять G/R більшим за поріг для перетворення мікроструктури, що призводить до утворення стовпчастих зерен. Градієнт температури G у центрі зварного шва зменшується, що призводить до поступового падіння співвідношення G/R ​​нижче порогу перетворення мікроструктури, переходячи до рівноосьових зерен. Рівноосьові зерна розташовані в центральних частинах як «чаші», так і «стебла». Оскільки «стебло» зварного шва вузьке та близько до основного матеріалу, воно повністю твердне раніше області «чаші» під час охолодження. Затверділа частина «стебла» діє як центр зародження на дні «чаші», сприяючи росту стовпчастих зерен вгору. На рисунку показано прямолінійний та коливальний процеси зварювання. Показано, що безперервна зміна положення лазерного променя при лазерному коливальному зварюванні збільшить довжину проміжної розплавленої ванни, переплавляючи вже затверділий метал, що призведе до зменшення швидкості росту зерен r. Це може призвести до зменшення G/R ​​у нижній рівноосьовій зоні зерен.

4.4 Розподіл пористості Для проведення комплексного огляду зварного шва було використано тривимірну рентгенівську томографію, яка отримала тривимірний розподіл пор у зварному шві, як показано на рисунку. Пористість розраховується як загальний об'єм пор, поділений на загальний об'єм зварного шва. Порівнюючи морфологію та розподіл пор прямолінійних лазерних коливальних зварних швів та кругових лазерних коливальних зварних швів, було виявлено, що прямолінійні лазерні коливальні зварні шви містять більше пор великого об'єму, з пористістю 2,49%, що значно вище, ніж у кругових.лазерні коливальні зварні швиПорівнюючи рисунки (b, c) та (d, e), можна побачити, що збільшення частоти коливань допомагає перешкоджати утворенню пор. Порівнюючи рисунки (b, d) та (c, e), можна побачити, що збільшення амплітуди коливань також відіграє значну роль у перешкоджанні утворенню пор. Коли амплітуда коливань додатково збільшується до 2 мм (рисунок (f)), пористість ще більше зменшується до 0,22%, залишаючи лише пори малого об'єму та дрібні пори. На рисунку зображено розподіл площі пор на різних відстанях від центральної лінії зварного шва, що представляє пористість на основі розміру площі пор. Для прямолінійного зварювання площа пор симетрично розподілена вздовж центральної лінії зварного шва та поступово зменшується зі збільшенням відстані від центральної лінії зварного шва. Результати показують, що пори, що утворюються у вигляді замкових отворів, в основному зосереджені за межами розплавленої ванни на центральній лінії зварного шва. Для лазерного коливального зварювання симетрія розподілу пор слабшає. На рисунку показано площу пор на різних відстанях від поверхні зварного шва, де червона лінія представляє межу між областями «чаші» та «стебла». У випадку домінування великих пор (рисунки (ac)), площа пор над межею становить понад 85%. Це пояснюється тим, що контурний перехід на довгій нульовій межі з більшою ймовірністю захоплює бульбашки у зварювальній ванні, а захоплені бульбашки мають тенденцію мігрувати вгору під впливом плавучості. У випадку домінування малих пор (рисунки (df)), пори зосереджені в області в межах 0,5 мм нижче лінії межі. Короткий час охолодження та невелике зміщення вгору можуть бути причинами цього явища.

5 Висновки

(1) Різні режими лазерних коливань мають очевидний вплив на поверхню зварного шва. Вища амплітуда та частота можуть покращити якість поверхні, тоді як надмірно великі параметри коливань можуть збільшити шорсткість та спричинити увігнуті дефекти.

(2) Форма зварного шва головним чином визначається параметрами лазерних коливань, які впливають на швидкість зварювання, розподіл енергії та загальне підведення тепла. Зі збільшенням амплітуди коливань морфологія зварного шва змінюється з «чашоподібної» на «серпоподібну», а співвідношення сторін зменшується.

(3) Зі збільшенням амплітуди та частоти коливань розплавлена ​​ванна стає ширшою, а задня частина заокруглюється. Ефект коливань збільшує довжину розплавленої ванни, що сприяє виходу бульбашок та рівномірному затвердінню. Під час прямолінійного зварювання площа отвору замкової щілини коливається; умовно кажучи, це коливання можна зменшити, покращуючи стабільність зварювання.

(4) Збільшення амплітуди та частоти коливань зменшує як тепловий градієнт, так і швидкість росту, що сприяє утворенню великих зерен. Однак ефект лазерного перемішування сприяє подрібненню зерен та покращенню міцності текстури. За різних параметрів лазера твердість зварного шва залишається відносно стабільною, трохи нижчою, ніж у основного матеріалу, що може бути пов'язано з втратою магнію внаслідок випаровування.

(5) Тривимірна рентгенівська томографія показує, що прямолінійне зварювання має вищу пористість (2,49%) та більший об'єм пор, ніж коливальне зварювання. Збільшення параметрів коливань може значно зменшити пористість, навіть досягаючи 0,22% при амплітуді 2 мм. Розподіл площі пор зміщується з коливаннями: великі пори агрегуються позаду розплавленої ванни, а малі пори мають кращу симетрію. Великі пори в основному розподілені над межею між областями «чаші» та «стебла», тоді як малі пори зосереджені нижче межі.