Lāzermetināšana – svārstību parametru ietekme uz alumīnija sakausējumu lāzermetināšanu ar regulējamu gredzenveida režīmu (ARM)

Lāzermetināšana – svārstību parametru ietekme uz alumīnija sakausējumu lāzermetināšanu ar regulējamu gredzenveida režīmu (ARM)

1. Kopsavilkums

Šajā pētījumā tiek pētīta svārstību amplitūdas un frekvences ietekme uz regulējama gredzena režīma (ARM) virsmas kvalitāti, makro un mikrostruktūrām, kā arī porainību.lāzera oscilācijas metinātsA5083 alumīnija sakausējuma plāksnes. Rezultāti liecina, ka, palielinoties svārstību amplitūdai un frekvencei, uzlabojas metinājuma virsmas kvalitāte. Palielinoties amplitūdai, metinājuma šķērsgriezums mainās no "kausa" formas uz "pusmēness" formu. Mikrostruktūras analīze liecina, ka metinājuma graudu izmērs nesamazinās, palielinoties svārstību amplitūdai un frekvencei, jo maisīšanas efekts un dzesēšanas ātruma samazināšanās rada konkurenci. Metinājuma porainība samazinās, palielinoties svārstību parametriem, sasniedzot galīgo porainību 0,22%, ja amplitūda ir 2 mm. Trīsdimensiju rentgentomogrāfija vēl vairāk apstiprina svārstību ietekmi uz poru sadalījumu: lielas poras mēdz agregēties aiz izkausētās vielas baseina, savukārt mazas poras uzrāda labāku simetriju. Šis pētījums sniedz vērtīgu ieskatu svārstību parametru optimizēšanā, lai panāktu augstas kvalitātes lāzermetināšanu A5083 alumīnija sakausējuma pielietojumos.

2 Nozares fons

Alumīnija sakausējumiem ir viegla svara, augstas īpatnējās izturības un labas korozijas izturības priekšrocības, un tos plaši izmanto autobūves, ātrgaitas dzelzceļa, kosmosa un citās nozarēs. Lāzermetināšanai ir tādas priekšrocības kā augsta efektivitāte, maza termiski ietekmētā zona un maza metināšanas deformācija. Tāpēc,Lāzermetināšana ir ekonomiska metināšanas metode, kas piemērota biezām plāksnēm, kas var ievērojami samazināt metināšanas kārtu skaitu. Porainība ir būtisks alumīnija sakausējumu lāzermetināšanas defekts, kas nopietni ietekmē metināto savienojumu mehāniskās īpašības. Tāpēc ir veikti plaši pētījumi, lai samazinātu un novērstu porainības veidošanos, tostarp optimizējot aizsarggāzi, izmantojot divu staru tehnoloģiju, izmantojot modulētas lāzera jaudas sistēmas un ieviešot svārstīgu staru metodes. Lāzera svārstību metināšanas tehnoloģija izceļas ar spēju apvienot lāzermetināšanas priekšrocības ar savām īpašībām. Izmantojot lāzera svārstību metināšanu, var ne tikai samazināt porainību, bet arī uzlabot metinājuma mikrostruktūru un uzlabot metināšanas kvalitāti. Liels skaits pētījumu galvenokārt ir vērsti uz dažādiem lāzera svārstību metināšanas aspektiem, tostarp porainības samazināšanu, enerģijas sadalījuma optimizāciju, graudu struktūras uzlabošanu un kausējuma plūsmas raksturošanu izkausētā vannā. Lāzera enerģijas sadalījumam ir izšķiroša nozīme lāzermetināšanas temperatūras sadalījumā un iespiešanās dziļumā. Pie noteiktas svārstību amplitūdas, palielinoties skenēšanas frekvencei, metināšanas process pāriet no dziļas iespiešanās metināšanas uz nestabilu metināšanu un visbeidzot uz siltumvadītspējas metināšanu. Rezultāti liecina, ka skenēšanas amplitūdas un frekvences palielināšana var samazināt porainību, bet arī ievērojami samazināt metinājuma iespiešanās dziļumu, tādējādi samazinot metinājuma mehāniskās īpašības. Pēdējos gados ir izstrādāts regulējama gredzena režīma (ARM) lāzers, kas sadala lāzera enerģiju kodolā ar augstu enerģijas blīvumu un gredzenā ar zemu enerģijas blīvumu, lai stabilizētu atslēgas caurumu un uzlabotu metināšanas kvalitāti. Pētnieki ir izmantojuši ARM lāzera oscilējošo metināšanu, lai metinātu 6xxx augstas stiprības alumīnija sakausējumus ar dažādām kodola/gredzena jaudas attiecībām un svārstību platumiem. Eksperimentālie rezultāti liecina, ka galvenais faktors, kas ietekmē metināšanas ģeometriju, ir svārstību platums, nevis kodola un gredzena jaudas attiecība. Tomēr poru sadalījums un tā kavēšanas mehānisms svārstību un ARM lāzera superpozīcijas apstākļos nav pētīts. Šajā rakstā tiek izmantota jauna ARM lāzera oscilējošās metināšanas tehnoloģija, lai samazinātu metinājuma porainību, iegūtu lielāku iespiešanās dziļumu un labāku metināšanas kvalitāti. Tiek veikts visaptverošs pētījums par lāzera enerģijas sadalījumu, kausējuma vannas dinamisko uzvedību un mikrostruktūru dažādās svārstību frekvencēs un amplitūdās.

3. Eksperimenta mērķi un procedūras

Alumīnija sakausējumu metināšanai tika izmantota apļveida lāzera oscilācijas metināšanas tehnoloģija. Pamatmateriāls (BM) bija 5083-O alumīnija sakausējums ar izmēriem 300 mm × 100 mm × 5 mm (garums × platums × biezums), un tā ķīmiskais sastāvs ir parādīts tabulā. Pirms metināšanas paraugi tika pulēti, lai noņemtu virsmas oksīda plēvi, pēc tam 15 minūtes tīrīti ar acetonu ultraskaņas vannā, lai noņemtu virsmas eļļu.lāzera metināšanas sistēmagalvenokārt sastāv no Kuka robota, TruDisk 8001 diska lāzera un 3D PFO galvanometra skenera. TruDisk 8001 diska lāzers tika izmantots kā regulējams gredzena režīma lāzera avots ar serdes/gredzena šķiedras attiecību 100/400 μm un maksimālo izejas jaudu 8 kW (viļņa garums 1030 nm, stara kvalitātes parametrs 4,0 mm·rad). Lāzera stars sastāv no serdes daļas un gredzena daļas, kur lāzers centrālajā serdes daļā ģenerē atslēgas caurumu (60% no lāzera enerģijas), un lāzers gredzena daļā nodrošina labu temperatūras sadalījumu (40% no lāzera enerģijas), kā parādīts (b) attēlā. Kolimatora un fokusēšanas lēcas fokusa attālumi ir attiecīgi 138 mm un 450 mm. Metināšanas procesa laikā metināšanas procesa uzraudzībai reāllaikā tika izmantota Phantom V1840 ātrgaitas kamera un Cavilux augstfrekvences gaismas avots ar uzņemšanas ātrumu 5000 kadri sekundē un ekspozīcijas laiku 1 μs. Šajā pētījumā apļveida stara svārstību trajektorija, lāzera kustības ceļš un momentānais ātrums ir definēti, kā parādīts attēlā.

4 Rezultāti un diskusija

4.1 Metinājuma morfoloģijas raksturojums Metinājuma virsmas morfoloģija dažādos lāzera svārstību režīmos ir parādīta attēlā. Rezultāti liecina, ka parastās taisnas līnijas metināšanas metināšanas virsma ir raupja (raupjums 78,01 μm), ar sliktu metināšanas viļņošanās nepārtrauktību un nepietiekamu metināšanas izkliedi. Tika novērota arī nepietiekama metinājuma veidošanās, izteikta šļakata veidošanās un apakšgriezums. Palielinoties svārstību amplitūdai un frekvencei, metināšanas virsmā ir blīvas un vienmērīgas zivju zvīņas. Metinājuma šuvju ar svārstību amplitūdu 0,5 mm, 1 mm un 2 mm virsmas raupjums ir attiecīgi 80,71 μm, 49,63 μm un 31,12 μm. Nav šļakatu izraisītu nelīdzenumu vai izvirzījumu. Rezultāti liecina, ka augstāka svārstību frekvence nodrošina vienmērīgāku kausējuma baseina plūsmu, spēcīgāku lāzera stara maisīšanas efektu un ideālāku metināšanas virsmu. Būtībā lāzera metinājuma forma ir cēloniski saistīta ar lāzera stara kustību. Metināšanas laikā svārstību amplitūdas un frekvences izmaiņas maina metināšanas ātrumu, tādējādi ietekmējot lāzera lineāro enerģijas blīvumu un kopējo siltuma ievadi. Metinājuma šķērsgriezuma morfoloģija ir “kausa” formas, kas sastāv no divām daļām: apakšējā daļa ir “kāts”, bet augšējā daļa ir “bļoda”. Iespiešanās dziļums un “kāts” ir definēti attiecīgi kā H1 un H2, un metinājuma (“bļodas”) un “kāta” platumi ir definēti attiecīgi kā W1 un W2. Abi metināšanas platumi W1 un W2 palielinās sinhroni ar svārstību amplitūdas palielināšanos, un metināšanas morfoloģija pakāpeniski mainās no “kausa” formas uz “pusmēness” formu. Maksimālais lāzera enerģijas blīvums parādās trajektorijas pārklāšanās vietā. Salīdzinot (b, d) un (c, e) attēlus, var redzēt, ka skenēšanas frekvences palielināšana palielinās trajektorijas pārklāšanās laukumu gar skenēšanas ceļu, padarot lāzera enerģijas sadalījumu vienmērīgāku. Tomēr maksimālā enerģijas blīvuma samazināšana novedīs pie metināšanas dziļuma samazināšanās.

4.2 Izkausētās tvertnes uzvedība Lai noskaidrotu skenēšanas ceļa ietekmi uz izkausētās tvertnes uzvedību, tika izmantota ātrgaitas kameru sistēma, lai novērotu izkausētās tvertnes un atslēgas cauruma evolūcijas procesu. (a) attēlā parādīts izkausētās tvertnes evolūcijas process taisnā līnijā. (bf) attēlos ir izkausētās tvertnes evolūcijas diagrammas dažādos svārstību parametros. Palielinoties svārstību frekvencei un amplitūdai, izkausētās tvertnes aizmugurējā daļa kļūst noapaļotāka, pateicoties izkausētās tvertnes platuma paplašināšanai. Palielinoties izkausētās tvertnes garumam, atslēgas cauruma izvirduma izraisītās virsmas svārstības atpakaļejošās izplatīšanās laikā samazinās. Tāpēc izkausētais šķidrais metāls vienmērīgi un vienmērīgi sacietē izkausētās tvertnes aizmugurējā galā, veidojot vienmērīgas un blīvas metinājuma zvīņas. Attēlā parādītas atslēgas cauruma atveres laukuma izmaiņas lāzera metināšanas laikā, kas iegūtas no izkausētās tvertnes ātrgaitas fotografēšanas attēliem. Kā parādīts (a) attēlā, taisnas līnijas metināšanas laikā atslēgas cauruma atveres izmērs uzrāda acīmredzamas svārstības. Tika novēroti vairāki atslēgas cauruma aizvēršanās gadījumi (0 mm²), ar vidējo atslēgas cauruma atveres laukumu 0,47 mm². Svārstību amplitūdas palielināšana var arī samazināt svārstības un uzlabot stabilitāti. Tas ir tāpēc, ka svārstību metināšanā lielāka enerģijas daļa tiek sadalīta abās pusēs. Līdz ar to atslēgas cauruma izeja paplašinās, un svārstību amplitūda palielinās, tādējādi palielinot atveres laukumu. Amplitūdas palielināšanās paplašina lāzera stara maisīšanas diapazonu, kā rezultātā palielinās atslēgas cauruma periodiskās kustības rādiuss. Izkausētā metāla viskozitātes un hidrodinamiskā spiediena dēļ, kas iedarbojas pie atslēgas cauruma sienas, metināšanas kausējuma vannā pie atslēgas cauruma atveres notiek virpuļstrāvas kustība. Atslēgas cauruma atveres laukuma paplašināšanās uzlabo tā stabilitāti, novērš burbuļu veidošanos un tādējādi ievērojami kavē porainību.

4.3 Mikrostruktūra Attēlā parādīta metinājuma šķērsgriezuma EBSD morfoloģija dažādās svārstību frekvencēs un amplitūdās. Blakus lāzera metināšanas kušanas līnijai kolonnveida dendrītu graudi aug metinājuma centra virzienā. Kā parādīts (a) attēlā, starp "bļodas" un "kāta" apgabaliem var novērot acīmredzamas atšķirības kolonnveida graudu sadalījumā. Kolonveida graudi ir izvietoti U veidā gar "bļodas" sienu, savukārt "kāta" apgabalā kolonnveida graudi ir izvietoti U veidā gar kušanas līniju. Metinājuma sacietēšanas laikā daļēji sacietējušie graudi kušanas zonā darbojas kā sacietēšanas frontes kodolu veidošanās vietas un priekšroku dod augšanai perpendikulāri izkausētās vannas robežai maksimālās temperatūras gradienta virzienā. Šī parādība rodas tāpēc, ka lāzera augstais jaudas blīvums noved pie pārkaršanas metināšanas vannā. Augstāks termiskais gradients G un mērens augšanas ātrums R padara G/R lielāku par mikrostruktūras transformācijas slieksni, kā rezultātā veidojas kolonnveida graudi. Temperatūras gradients G metināšanas centrā samazinās, izraisot G/R attiecības pakāpenisku samazināšanos zem mikrostruktūras transformācijas sliekšņa, pārejot uz vienādaksiāliem graudiem. Vienādaksiālie graudi atrodas gan "bļodiņas", gan "kāta" centrālajās daļās. Tā kā metinājuma "kāts" ir šaurs un tuvu pamatmateriālam, dzesēšanas laikā tas pilnībā sacietē pirms "bļodiņas" zonas. Sacietējusī "kāta" daļa darbojas kā kodolu veidošanās vieta "bļodiņas" apakšā, veicinot kolonnveida graudu augšanu uz augšu. Attēlā parādīti taisnas līnijas un oscilējošās metināšanas procesi. Ir parādīts, ka nepārtraukta lāzera stara pozīcijas maiņa lāzera oscilējošajā metināšanā palielinās starpkausējuma garumu, atkārtoti izkausējot jau sacietējušo metālu, kā rezultātā samazinās graudu augšanas ātrums r. Tas var izraisīt G/R samazināšanos apakšējā vienādaksiālajā graudu zonā.

4.4 Porainības sadalījums Trīsdimensiju rentgentomogrāfija tika izmantota, lai veiktu visaptverošu metinājuma pārbaudi, iegūstot trīsdimensiju poru sadalījumu metinājumā, kā parādīts attēlā. Porainība tiek aprēķināta kā kopējais poru tilpums, dalīts ar kopējo metinājuma tilpumu. Salīdzinot taisnas līnijas lāzera oscilācijas metinājumu un apļveida lāzera oscilācijas metinājumu poru morfoloģiju un sadalījumu, tika konstatēts, ka taisnas līnijas lāzera oscilācijas metinājumos ir vairāk liela tilpuma poru ar porainību 2,49%, kas ir ievērojami augstāka nekā apļveida metinājumos.lāzera oscilējošās metināšanas šuvesSalīdzinot (b, c) un (d, e) attēlus, var redzēt, ka svārstību frekvences palielināšana palīdz kavēt poru veidošanos. Salīdzinot (b, d) un (c, e) attēlus, var redzēt, ka svārstību amplitūdas palielinājumam ir arī būtiska loma poru veidošanās kavēšanā. Kad svārstību amplitūda tiek vēl vairāk palielināta līdz 2 mm (f) attēls), porainība vēl vairāk samazinās līdz 0,22%, atstājot tikai maza tilpuma un mazas poras. Attēlā attēlots poru laukuma sadalījums dažādos attālumos no metinājuma centra līnijas, atspoguļojot porainību, pamatojoties uz poru laukuma lielumu. Taisnas līnijas metināšanā poru laukums ir simetriski sadalīts pa metinājuma centra līniju un pakāpeniski samazinās, palielinoties attālumam no metinājuma centra līnijas. Rezultāti liecina, ka atslēgas caurumu izraisītās poras galvenokārt koncentrējas aiz izkausētās šuves daļas metinājuma centra līnijā. Lāzera oscilācijas metināšanā poru sadalījuma simetrija kļūst vājāka. Attēlā parādīts poru laukums dažādos attālumos no metināšanas virsmas, kur sarkanā līnija apzīmē robežu starp "bļodiņas" un "kāta" apgabaliem. Dominējošo lielo poru gadījumā (attēli (ac)) poru laukums virs robežas veido vairāk nekā 85%. Tas ir tāpēc, ka kontūras pāreja garajā itudinālrobežā, visticamāk, aiztur burbuļus metināšanas vannā, un aizturētie burbuļi peldspējas ietekmē mēdz migrēt uz augšu. Dominējošo mazo poru gadījumā (attēli (df)) poras ir koncentrētas 0,5 mm zem robežlīnijas. Šīs parādības iemesli var būt īsais atdzišanas laiks un nelielā nobīde uz augšu.

5 Secinājumi

(1) Dažādiem lāzera svārstību režīmiem ir acīmredzama ietekme uz metinājuma virsmu. Lielāka amplitūda un frekvence var uzlabot virsmas kvalitāti, savukārt pārāk lieli svārstību parametri var palielināt raupjumu un izraisīt ieliektus defektus.

(2) Metinājuma formu galvenokārt nosaka lāzera svārstību parametri, kas ietekmē metināšanas ātrumu, enerģijas sadalījumu un kopējo siltuma ievadi. Palielinoties svārstību amplitūdai, metinājuma morfoloģija mainās no “kausiņa” uz “pusmēness”, un malu attiecība samazinās.

(3) Palielinoties svārstību amplitūdai un frekvencei, izkausētā metināšanas baseins kļūst platāks, un tā aizmugurējā daļa kļūst noapaļota. Svārstību efekts palielina izkausētā metināšanas baseina garumu, kas ir labvēlīgi burbuļu izplūšanai un vienmērīgai sacietēšanai. Taisnās līnijas metināšanas laikā atslēgas cauruma atvēruma laukums svārstās; relatīvi runājot, šīs svārstības var samazināt, uzlabojot metināšanas stabilitāti.

(4) Palielinot svārstību amplitūdu un frekvenci, samazinās gan termiskais gradients, gan augšanas ātrums, kas ir labvēlīgi lielu graudu veidošanās procesam. Tomēr lāzera maisīšanas efekts veicina graudu izmēra uzlabošanu un tekstūras stiprības uzlabošanu. Pie dažādiem lāzera parametriem metinājuma cietība saglabājas relatīvi stabila, nedaudz zemāka nekā pamatmateriālam, kas var būt saistīts ar magnija iztvaikošanas zudumiem.

(5) Trīsdimensiju rentgentomogrāfija rāda, ka taisnas līnijas metināšanai ir lielāka porainība (2,49%) un lielāks poru tilpums nekā oscilācijas metināšanai. Palielinot svārstību parametrus, porainību var ievērojami samazināt, sasniedzot pat 0,22%, ja amplitūda ir 2 mm. Poru laukuma sadalījums mainās līdz ar svārstībām: lielas poras agregējas aiz izkausētās vielas baseina, un mazām porām ir labāka simetrija. Lielas poras galvenokārt ir izkliedētas virs robežas starp "bļodas" un "kāta" apgabaliem, savukārt mazas poras ir koncentrētas zem robežas.