Sudarea cu laser – Influența parametrilor de oscilație asupra sudării cu laser în modul inel reglabil (ARM) a aliajelor de aluminiu

Sudarea cu laser – Influența parametrilor de oscilație asupra sudării cu laser în modul inel reglabil (ARM) a aliajelor de aluminiu

1. Rezumat

Acest studiu investighează efectele amplitudinii și frecvenței oscilațiilor asupra calității suprafeței, macro și microstructurilor și porozității modului inelar reglabil (ARM).sudate cu laser oscilantPlăci din aliaj de aluminiu A5083. Rezultatele arată că odată cu creșterea amplitudinii și frecvenței oscilațiilor, calitatea suprafeței sudurii se îmbunătățește. Pe măsură ce amplitudinea crește, secțiunea transversală a sudurii se transformă dintr-o formă de „pahar” într-o formă de „semilună”. Analiza microstructurală indică faptul că dimensiunea granulelor sudurii nu scade odată cu creșterea amplitudinii și frecvenței oscilațiilor datorită concurenței dintre efectul de agitare și reducerea vitezei de răcire. Porozitatea sudurii scade odată cu creșterea parametrilor de oscilație, atingând o porozitate finală de 0,22% când amplitudinea este de 2 mm. Tomografia tridimensională cu raze X confirmă în continuare influența oscilației asupra distribuției porilor: porii mari tind să se agrege în spatele băii topite, în timp ce porii mici prezintă o simetrie mai bună. Această cercetare oferă informații valoroase pentru optimizarea parametrilor de oscilație pentru a obține sudură cu laser de înaltă calitate în aplicațiile din aliajul de aluminiu A5083.

2 Contextul industriei

Aliajele de aluminiu au avantajele greutății reduse, rezistenței specifice ridicate și rezistenței bune la coroziune și sunt utilizate pe scară largă în industria auto, feroviară de mare viteză, aerospațială și alte industrii. Sudarea cu laser are avantajele unei eficiențe ridicate, a unei zone mici afectate termic și a unei deformări mici a sudurii. Prin urmare,Sudarea cu laser este o metodă economică de sudare potrivită pentru plăci groase, ceea ce poate reduce considerabil numărul de treceri de sudură. Porozitatea este un defect semnificativ în sudarea cu laser a aliajelor de aluminiu, care afectează serios proprietățile mecanice ale îmbinărilor sudate. Prin urmare, au fost efectuate studii ample pentru a reduce și elimina formarea porozității, inclusiv optimizarea gazului de protecție, aplicarea tehnologiei cu fascicul dual, utilizarea sistemelor de putere laser modulată și adoptarea metodelor cu fascicul oscilant. Tehnologia de sudare cu laser oscilant se remarcă prin capacitatea sa de a combina avantajele sudării cu laser cu propriile caracteristici. Utilizarea sudării cu laser oscilant nu numai că poate reduce porozitatea, dar poate și îmbunătăți microstructura sudurii și poate spori calitatea sudurii. Un număr mare de studii s-au concentrat în principal pe diverse aspecte ale sudării cu laser oscilant, inclusiv reducerea porozității, optimizarea distribuției energiei, rafinarea structurii granulelor și caracterizarea curgerii topiturii în baia topită. Distribuția energiei laser joacă un rol crucial în distribuția temperaturii și adâncimea de penetrare a sudării cu laser. La o anumită amplitudine de oscilație, odată cu creșterea frecvenței de scanare, procesul de sudare trece de la sudarea cu penetrare profundă la sudarea instabilă și, în final, la sudarea prin conducție termică. Rezultatele arată că creșterea amplitudinii și frecvenței de scanare poate reduce porozitatea, dar și reduce semnificativ adâncimea de penetrare a sudurii, reducând astfel proprietățile mecanice ale acesteia. În ultimii ani, a fost dezvoltat un laser cu mod inelar reglabil (ARM), care împarte energia laserului într-un miez cu densitate energetică mare și un inel cu densitate energetică mică, cu scopul de a stabiliza gaura cheii și de a îmbunătăți calitatea sudurii. Cercetătorii au utilizat sudarea oscilantă cu laser ARM pentru a suda aliaje de aluminiu de înaltă rezistență 6xxx sub diferite raporturi de putere miez/inel și lățimi de oscilație. Rezultatele experimentale arată că principalul factor care afectează geometria sudurii este lățimea de oscilație, mai degrabă decât raportul de putere miez/inel. Cu toate acestea, distribuția porilor și mecanismul său de inhibare sub suprapunerea oscilației și a laserului ARM nu au fost studiate. În această lucrare, este adoptată o nouă tehnologie de sudare oscilantă cu laser ARM pentru a reduce porozitatea sudurii, a obține o adâncime de penetrare mai mare și o calitate mai bună a sudurii. Este efectuat un studiu cuprinzător privind distribuția energiei laserului, comportamentul dinamic al băii topite și microstructura sub diferite frecvențe și amplitudini de oscilație.

3. Obiective și proceduri experimentale

Tehnologia de sudare cu laser circular oscilant a fost utilizată pentru sudarea aliajelor de aluminiu. Materialul de bază (BM) a fost aliajul de aluminiu 5083-O cu dimensiunile de 300 mm × 100 mm × 5 mm (lungime × lățime × grosime), iar compoziția sa chimică este prezentată în tabel. Înainte de sudare, probele au fost lustruite pentru a îndepărta pelicula de oxid de la suprafață, apoi curățate cu acetonă într-o baie cu ultrasunete timp de 15 minute pentru a îndepărta uleiul de la suprafață.sistem de sudare cu laserconstă în principal dintr-un robot Kuka, un laser cu disc TruDisk 8001 și un scaner galvanometric 3D PFO. Laserul cu disc TruDisk 8001 a fost utilizat ca sursă laser în mod inelar reglabil, cu un raport miez/fibră inelară de 100/400 μm și o putere maximă de ieșire de 8 kW (lungime de undă de 1030 nm, parametru de calitate a fasciculului de 4,0 mm·rad). Fasciculul laser este compus dintr-o parte centrală și o parte inelară, unde laserul din partea centrală a miezului generează o gaură de cheie (60% din energia laserului), iar laserul din partea inelară asigură o bună distribuție a temperaturii (40% din energia laserului), așa cum se arată în Figura (b). Distanțele focale ale colimatorului și ale lentilei de focalizare sunt de 138 mm și, respectiv, 450 mm. În timpul procesului de sudare, s-au utilizat o cameră de mare viteză Phantom V1840 și o sursă de lumină de înaltă frecvență Cavilux pentru a monitoriza procesul de sudare în timp real, cu o viteză de fotografiere de 5000 fps și un timp de expunere de 1 μs. În acest studiu, traiectoria de oscilație a fasciculului circular, calea de mișcare a laserului și viteza instantanee sunt definite așa cum se arată în figură.

4 Rezultate și discuții

4.1 Caracteristicile morfologiei sudurii Morfologiile suprafeței sudurii în diferite moduri de oscilație laser sunt prezentate în figură. Rezultatele arată că suprafața sudurii în cazul sudării convenționale în linie dreaptă este rugoasă (rugozitate de 78,01 μm), cu o continuitate slabă a ondulațiilor sudurii și o răspândire insuficientă a sudurii. De asemenea, s-au observat formarea insuficientă a sudurii, stropi severi și subtăieri. Odată cu creșterea amplitudinii și frecvenței oscilațiilor, suprafața sudurii prezintă solzi denși și uniformi. Rugozitatea suprafeței sudurilor cu amplitudini de oscilație de 0,5 mm, 1 mm și 2 mm este de 80,71 μm, 49,63 μm și, respectiv, 31,12 μm. Nu există neregularități sau proeminențe cauzate de stropi. Rezultatele indică faptul că o frecvență de oscilație mai mare duce la o curgere mai regulată a băii de topit, un efect de agitare mai puternic al fasciculului laser și o suprafață de sudură mai ideală. Fundamental, forma sudurii laser este legată cauzal de mișcarea fasciculului laser. În timpul sudării, modificările amplitudinii și frecvenței oscilațiilor modifică viteza de sudare, afectând astfel densitatea liniară a energiei și aportul total de căldură al laserului. Morfologia secțiunii transversale a sudurii este în formă de „calic”, constând din două părți: partea inferioară este „tulpina”, iar partea superioară este „bolul”. Adâncimea de penetrare și „tulpina” sunt definite ca H1 și respectiv H2, iar lățimile sudurii („bolul”) și „tulpina” sunt definite ca W1 și respectiv W2. Ambele lățimi ale sudurii, W1 și W2, cresc sincron odată cu creșterea amplitudinii oscilațiilor, iar morfologia sudurii se transformă treptat de la forma de „calic” la forma de „semilună”. Densitatea maximă a energiei laserului apare la suprapunerea traiectoriei. Comparând figurile (b, d) și (c, e), se poate observa că creșterea frecvenței de scanare va crește zona de suprapunere a traiectoriei de-a lungul traiectoriei de scanare, făcând distribuția energiei laserului mai uniformă. Cu toate acestea, reducerea densității maxime de energie va duce la o scădere a adâncimii sudurii.

4.2 Comportamentul băii de topit Pentru a clarifica influența traiectoriei de scanare asupra comportamentului băii de topit, a fost utilizat un sistem de camere de mare viteză pentru a observa procesul de evoluție a băii de topit și a găurii de cheie. Figura (a) prezintă procesul de evoluție a băii de topit pe o traiectorie liniară. Figurile (bf) reprezintă diagramele de evoluție ale băii de topit sub diferiți parametri de oscilație. Odată cu creșterea frecvenței și amplitudinii oscilației, partea din spate a băii de topit devine mai rotunjită datorită extinderii lățimii băii de topit. Pe măsură ce lungimea băii de topit crește, fluctuația suprafeței cauzată de erupția găurii de cheie scade în timpul propagării inverse. Prin urmare, metalul lichid topit se solidifică lin și regulat la capătul din spate al băii de topit, formând solzi de sudură uniformi și denși. Figura arată modificarea zonei deschiderii găurii de cheie în timpul sudării cu laser, care este derivată din imaginile fotografice de mare viteză ale băii de topit. După cum se arată în Figura (a), în timpul sudării liniare liniară, dimensiunea deschiderii găurii de cheie prezintă fluctuații evidente. Au fost observate mai multe cazuri de închidere a găurii de cheie (0 mm²), cu o zonă medie a deschiderii găurii de cheie de 0,47 mm². Creșterea amplitudinii oscilației poate reduce, de asemenea, fluctuațiile și poate îmbunătăți stabilitatea. Acest lucru se datorează faptului că, în sudarea oscilantă, o proporție mai mare de energie este distribuită pe ambele părți. Prin urmare, ieșirea de pe orificiul de acces se extinde, iar amplitudinea oscilației crește, mărind astfel suprafața deschiderii. Creșterea amplitudinii extinde raza de agitare a fasciculului laser, ducând la extinderea razei mișcării periodice a orificiului de acces. Datorită vâscozității metalului topit și a presiunii hidrodinamice care acționează în apropierea peretelui orificiului de acces, apare o mișcare prin curenți turbionari în baia de metal topit de sudură din apropierea orificiului de acces. Extinderea suprafeței deschiderii orificiului de acces sporește stabilitatea acesteia, evită formarea de bule și, prin urmare, inhibă semnificativ porozitatea.

4.3 Microstructura Figura prezintă morfologia EBSD a secțiunii transversale a sudurii sub diferite frecvențe și amplitudini de oscilație. În apropierea liniei de fuziune a sudurii laser, granulele dendrite columnare cresc spre centrul sudurii. După cum se arată în Figura (a), între regiunile „bol” și „tulpină”, se pot observa diferențe evidente în distribuția granulelor columnare. Granulele columnare sunt distribuite în formă de U de-a lungul peretelui „bol”, în timp ce în regiunea „tulpină”, granulele columnare sunt distribuite în formă de U de-a lungul liniei de fuziune. În timpul solidificării sudurii, granulele parțial solidificate din zona de fuziune acționează ca locuri de nucleație pentru frontul de solidificare și cresc preferențial perpendicular pe limita băii de topit de-a lungul direcției gradientului maxim de temperatură. Acest fenomen apare deoarece densitatea mare de putere a laserului duce la supraîncălzirea în interiorul băii de sudură. Gradientul termic mai mare G și rata de creștere moderată R fac ca G/R să fie mai mare decât pragul de transformare a microstructurii, rezultând formarea de granulele columnare. Gradientul de temperatură G în centrul sudurii scade, determinând scăderea treptată a raportului G/R sub pragul de transformare a microstructurii, trecând la granule echiaxiale. Granulele echiaxiale sunt situate în părțile centrale atât ale „bolului”, cât și ale „tulpinii”. Deoarece „tulpina” sudurii este îngustă și aproape de materialul de bază, aceasta se solidifică complet înainte de regiunea „bolului” în timpul răcirii. Partea solidificată a „tulpinii” acționează ca un loc de nucleație în partea de jos a „bolului”, promovând creșterea ascendentă a granulelor columnare. Figura prezintă procesele de sudare liniară și oscilantă. Se arată că schimbarea continuă a poziției fasciculului laser în sudarea oscilantă cu laser va crește lungimea băii topite intermediare, topind metalul deja solidificat, rezultând o scădere a ratei de creștere a granulelor r. Acest lucru poate duce la o scădere a G/R în zona inferioară a granulelor echiaxiale.

4.4 Distribuția porozității Tomografia tridimensională cu raze X a fost utilizată pentru a efectua o inspecție completă a sudurii, obținându-se distribuția tridimensională a porilor în sudură, așa cum se arată în figură. Porozitatea se calculează ca volumul total al porilor împărțit la volumul total al sudurii. Prin compararea morfologiei și distribuției porilor sudurilor oscilante cu laser liniar drept și a sudurilor oscilante cu laser circular, se constată că sudurile oscilante cu laser liniar drept conțin mai mulți pori cu volum mare, cu o porozitate de 2,49%, semnificativ mai mare decât cea a sudurilor circulare.suduri oscilante cu laserComparând figurile (b, c) și (d, e), se poate observa că creșterea frecvenței de oscilație ajută la inhibarea formării porilor. Comparând figurile (b, d) și (c, e), se poate observa că creșterea amplitudinii oscilației joacă, de asemenea, un rol semnificativ în inhibarea formării porilor. Când amplitudinea oscilației este crescută în continuare la 2 mm (Figura (f)), porozitatea este redusă în continuare la 0,22%, lăsând doar pori de volum mic și pori mici. Figura prezintă distribuția ariei porilor la diferite distanțe de linia centrală a sudurii, reprezentând porozitatea în funcție de dimensiunea ariei porilor. Pentru sudarea în linie dreaptă, aria porilor este distribuită simetric de-a lungul ariei centrale a sudurii și scade treptat odată cu creșterea distanței față de linia centrală a sudurii. Rezultatele arată că porii induși de găurile de cheie sunt concentrați în principal în spatele băii de topit, la linia centrală a sudurii. Pentru sudarea oscilantă cu laser, simetria distribuției porilor devine mai slabă. Figura prezintă aria porilor la diferite distanțe de suprafața sudurii, unde linia roșie reprezintă limita dintre regiunile „bol” și „tulpină”. În cazul porilor mari dominanți (Figurile (ac)), aria porilor de deasupra limitei reprezintă mai mult de 85%. Acest lucru se datorează faptului că tranziția de contur la limita longitudinală lungă este mai probabil să capteze bule în baia de sudură, iar bulele captate tind să migreze în sus sub influența flotabilității. În cazul porilor mici dominanți (Figurile (df)), porii sunt concentrați în zona aflată la 0,5 mm sub linia limită. Timpul scurt de răcire și deplasarea mică în sus pot fi motivele acestui fenomen.

5 Concluzii

(1) Diferite moduri de oscilație laser au efecte evidente asupra suprafeței sudurii. O amplitudine și o frecvență mai mari pot îmbunătăți calitatea suprafeței, în timp ce parametrii de oscilație excesiv de mari pot crește rugozitatea și pot cauza defecte concave.

(2) Forma sudurii este determinată în principal de parametrii de oscilație laser, care afectează viteza de sudare, distribuția energiei și aportul total de căldură. Odată cu creșterea amplitudinii oscilației, morfologia sudurii se schimbă de la „calibru” la „semilună”, iar raportul de aspect scade.

(3) Odată cu creșterea amplitudinii și frecvenței oscilațiilor, baia de material topit devine mai lată, iar partea din spate se rotunjește. Efectul de oscilație mărește lungimea băii de material topit, ceea ce este benefic pentru eliberarea bulelor și solidificarea uniformă. În timpul sudării în linie dreaptă, zona deschiderii orificiului de cheie fluctuează; relativ vorbind, această fluctuație poate fi redusă, îmbunătățind stabilitatea sudării.

(4) Creșterea amplitudinii și frecvenței oscilațiilor reduce atât gradientul termic, cât și rata de creștere, ceea ce este benefic pentru formarea unor granule de dimensiuni mari. Cu toate acestea, efectul de agitare cu laser este propice rafinării dimensiunii granulelor și îmbunătățirii rezistenței texturii. Sub diferiți parametri laser, duritatea sudurii rămâne relativ stabilă, puțin mai mică decât cea a materialului de bază, ceea ce se poate datora pierderii prin evaporare a magneziului.

(5) Tomografia tridimensională cu raze X arată că sudarea în linie dreaptă are o porozitate mai mare (2,49%) și un volum al porilor mai mare decât sudarea oscilantă. Creșterea parametrilor de oscilație poate reduce semnificativ porozitatea, ajungând chiar la 0,22% atunci când amplitudinea este de 2 mm. Distribuția suprafeței porilor se schimbă odată cu oscilația: porii mari se agregă în spatele băii topite, iar porii mici au o simetrie mai bună. Porii mari sunt distribuiți în principal deasupra limitei dintre regiunile „bol” și „tulpină”, în timp ce porii mici sunt concentrați sub limită.