Laserhitsaus – Oskillaatioparametrien vaikutus alumiiniseosten säädettävän rengasmoodin (ARM) laserhitsaukseen

Laserhitsaus – Oskillaatioparametrien vaikutus alumiiniseosten säädettävän rengasmoodin (ARM) laserhitsaukseen

1. Tiivistelmä

Tässä tutkimuksessa selvitetään värähtelyamplitudin ja -taajuuden vaikutuksia säädettävän rengasmoodin (ARM) pinnanlaatuun, makro- ja mikrorakenteisiin sekä huokoisuuteen.laservärähtelevä hitsattuA5083-alumiiniseoslevyt. Tulokset osoittavat, että värähtelyamplitudin ja -taajuuden kasvaessa hitsauspinnan laatu paranee. Amplitudin kasvaessa hitsin poikkileikkaus muuttuu "pikarin" muodosta "puolikuun" muotoon. Mikrorakenneanalyysi osoittaa, että hitsin raekoko ei pienene värähtelyamplitudin ja -taajuuden kasvaessa sekoitusvaikutuksen ja jäähdytysnopeuden vähenemisen välisen kilpailun vuoksi. Hitsauksen huokoisuus pienenee värähtelyparametrien kasvaessa ja saavuttaa lopullisen huokoisuuden 0,22 %, kun amplitudi on 2 mm. Kolmiulotteinen röntgentomografia vahvistaa edelleen värähtelyn vaikutuksen huokosten jakautumiseen: suuret huokoset pyrkivät aggregoitumaan sulan altaan taakse, kun taas pienet huokoset osoittavat parempaa symmetriaa. Tämä tutkimus tarjoaa arvokasta tietoa värähtelyparametrien optimoimiseksi korkealaatuisen laserhitsauksen saavuttamiseksi A5083-alumiiniseossovelluksissa.

2 Teollisuuden tausta

Alumiiniseoksilla on etunaan keveys, korkea ominaislujuus ja hyvä korroosionkestävyys, ja niitä käytetään laajalti autoteollisuudessa, suurnopeusjunissa, ilmailu- ja muilla teollisuudenaloilla. Laserhitsauksella on etunaan korkea hyötysuhde, pieni lämpövaikutusalue ja pieni hitsauksen muodonmuutos. SiksiLaserhitsaus on taloudellinen hitsausmenetelmä, joka sopii paksuille levyille, mikä voi merkittävästi vähentää hitsauskertojen määrää. Huokoisuus on merkittävä vika alumiiniseosten laserhitsauksessa, joka vaikuttaa vakavasti hitsattujen liitosten mekaanisiin ominaisuuksiin. Siksi on tehty laajoja tutkimuksia huokoisuuden muodostumisen vähentämiseksi ja poistamiseksi, mukaan lukien suojakaasun optimointi, kaksoissädetekniikan käyttö, moduloitujen lasertehojärjestelmien käyttö ja oskilloivien sädemenetelmien käyttöönotto. Laseroskilloiva hitsaustekniikka erottuu kyvystään yhdistää laserhitsauksen edut omiin ominaisuuksiinsa. Laseroskilloivan hitsauksen käyttö voi paitsi vähentää huokoisuutta, myös parantaa hitsin mikrorakennetta ja parantaa hitsin laatua. Suuri määrä tutkimuksia on keskittynyt pääasiassa laseroskilloivan hitsauksen eri näkökohtiin, mukaan lukien huokoisuuden vähentäminen, energian jakautumisen optimointi, raerakenteen hienosäätö ja sulan virtauksen karakterisointi sulassa altaassa. Laserenergian jakautumisella on ratkaiseva rooli laserhitsauksen lämpötilajakaumassa ja tunkeutumissyvyydessä. Tietyllä oskillaatioamplitudilla, skannaustaajuuden kasvaessa, hitsausprosessi siirtyy syvätunkevasta hitsauksesta epävakaaseen hitsaukseen ja lopulta lämmönjohtavuushitsaukseen. Tulokset osoittavat, että skannausamplitudin ja -taajuuden lisääminen voi vähentää huokoisuutta, mutta myös merkittävästi pienentää hitsin tunkeutumissyvyyttä, mikä heikentää hitsin mekaanisia ominaisuuksia. Viime vuosina on kehitetty säädettävä rengasmoodilaser (ARM), joka jakaa laserenergian korkean energiatiheyden omaavaan ytimeen ja matalan energiatiheyden omaavaan renkaaseen. Tavoitteena on vakauttaa avainreikä ja parantaa hitsauksen laatua. Tutkijat ovat käyttäneet ARM-laseroskillointihitsausta 6xxx-lujuusalumiiniseosten hitsaamiseen eri ydin/rengastehosuhteilla ja oskillointileveyksillä. Kokeelliset tulokset osoittavat, että hitsausgeometriaan vaikuttava päätekijä on oskilloinnin leveys eikä ydin-rengastehosuhde. Huokosjakaumaa ja sen estomekanismia oskilloinnin ja ARM-laserin superpositiossa ei kuitenkaan ole tutkittu. Tässä artikkelissa otetaan käyttöön uusi ARM-laseroskillointihitsaustekniikka hitsin huokoisuuden vähentämiseksi, suuremman tunkeutumissyvyyden ja paremman hitsauslaadun saavuttamiseksi. Tutkimuksessa tutkitaan kattavasti laserenergian jakautumista, sulan dynaamista käyttäytymistä ja mikrorakennetta eri oskillointitaajuuksilla ja -amplitudeilla.

3. Kokeelliset tavoitteet ja menetelmät

Alumiiniseosten hitsaukseen käytettiin pyöreää laseroskillointitekniikkaa. Perusmateriaalina (BM) oli 5083-O-alumiiniseos, jonka mitat olivat 300 mm × 100 mm × 5 mm (pituus × leveys × paksuus), ja sen kemiallinen koostumus on esitetty taulukossa. Ennen hitsausta näytteet kiillotettiin pinnan oksidikalvon poistamiseksi ja puhdistettiin sitten asetonilla ultraäänihauteessa 15 minuutin ajan pintaöljyn poistamiseksi.laserhitsausjärjestelmäKoostuu pääasiassa Kuka-robotista, TruDisk 8001 -kiekkolaserista ja 3D PFO -galvanometriskannerista. TruDisk 8001 -kiekkolaseria käytettiin säädettävänä rengasmuotoisena laserlähteenä, jonka ydin/rengaskuitu-suhde oli 100/400 μm ja suurin lähtöteho 8 kW (aallonpituus 1030 nm, säteen laatuparametri 4,0 mm·rad). Lasersäde koostuu ydinosasta ja rengasosasta, joissa keskimmäisen ydinosan laser tuottaa avaimenreiän (60 % laserenergiasta) ja rengasosan laser varmistaa hyvän lämpötilajakauman (40 % laserenergiasta), kuten kuvassa (b) on esitetty. Kollimaattorin ja tarkennuslinssin polttovälit ovat vastaavasti 138 mm ja 450 mm. Hitsausprosessin aikana käytettiin Phantom V1840 -suurnopeuskameraa ja Cavilux-suurtaajuusvalonlähdettä hitsausprosessin seurantaan reaaliajassa 5000 fps:n kuvausnopeudella ja 1 μs:n valotusajalla. Tässä tutkimuksessa ympyränsäteen värähtelyreitti, laserin liikerata ja hetkellinen nopeus on määritelty kuvan mukaisesti.

4 Tulokset ja keskustelu

4.1 Hitsauksen morfologian ominaisuudet Kuvassa on esitetty hitsauspinnan morfologia eri laseroskillaatiomoodeissa. Tulokset osoittavat, että perinteisen suoraviivaisen hitsauksen hitsauspinta on karhea (karheus 78,01 μm), siinä on heikko hitsausaaltojen jatkuvuus ja riittämätön hitsauksen leviäminen. Myös riittämätöntä hitsin muodostumista, voimakasta roisketta ja alileikkausta havaittiin. Oskillaatioamplitudin ja -taajuuden kasvaessa hitsauspinnassa on tiheitä ja tasaisia ​​suomuja. Oskillaatioamplitudin ollessa 0,5 mm, 1 mm ja 2 mm, hitsien pinnan karheus on vastaavasti 80,71 μm, 49,63 μm ja 31,12 μm. Roiskeiden aiheuttamia epäsäännöllisyyksiä tai ulkonemia ei ole. Tulokset osoittavat, että korkeampi oskillaatiotaajuus johtaa tasaisempaan sulan virtaukseen, lasersäteen voimakkaampaan sekoitusvaikutukseen ja ihanteellisempaan hitsauspintaan. Pohjimmiltaan laserhitsauksen muoto on syy-seuraussuhteessa lasersäteen liikkeeseen. Hitsauksen aikana värähtelyamplitudin ja -taajuuden muutokset muuttavat hitsausnopeutta, mikä vaikuttaa laserin lineaariseen energiatiheyteen ja kokonaislämmöntuontiin. Hitsauksen poikkileikkausmuoto on "pikarin" muotoinen ja koostuu kahdesta osasta: alempi osa on "varsi" ja ylempi osa on "kulho". Tunkeutumissyvyys ja "varsi" on määritelty vastaavasti H1:ksi ja H2:ksi, ja hitsin ("kulhon") ja "varren" leveydet on määritelty vastaavasti W1:ksi ja W2:ksi. Sekä hitsin leveydet W1 että W2 kasvavat synkronisesti värähtelyamplitudin kasvun kanssa, ja hitsin morfologia muuttuu vähitellen "pikarin" muodosta "puolikuun" muotoon. Suurin laserenergiatiheys näkyy radan päällekkäisyydessä. Kuvia (b, d) ja (c, e) vertaillessa voidaan nähdä, että skannaustaajuuden kasvu lisää radan päällekkäisyyttä skannausreitillä, mikä tekee laserenergian jakautumisesta tasaisempaa. Suurimman energiatiheyden pieneneminen johtaa kuitenkin hitsaussyvyyden pienenemiseen.

4.2 Sulan altaan käyttäytyminen Skannausreitin vaikutuksen sulan altaan käyttäytymiseen selvittämiseksi käytettiin nopeaa kamerajärjestelmää sulan altaan ja avainreiän sulkeutumisen tarkkailuun. Kuva (a) esittää sulan altaan kehitysprosessia suoraviivaista reittiä pitkin. Kuvat (bf) ovat sulan altaan kehityskaavioita eri värähtelyparametrien vaikutuksesta. Värähtelytaajuuden ja -amplitudin kasvaessa sulan altaan takaosa pyöristyy sulan altaan leveyden laajenemisen vuoksi. Sulan altaan pituuden kasvaessa avainreiän purkauksen aiheuttama pinnan vaihtelu pienenee taaksepäin etenemisen aikana. Näin ollen sula nestemäinen metalli jähmettyy tasaisesti ja säännöllisesti sulan altaan takaosaan muodostaen yhtenäisiä ja tiheitä hitsauskalan suomuja. Kuva esittää avainreiän aukon pinta-alan muutosta laserhitsauksen aikana, joka on johdettu sulan altaan suurnopeusvalokuvauskuvista. Kuten kuvassa (a) on esitetty, suoraviivaisen hitsauksen aikana avainreiän aukon koko vaihtelee selvästi. Havaittiin useita tapauksia avainreiän sulkeutumisesta (0 mm²), ja keskimääräinen avainreiän aukon pinta-ala oli 0,47 mm². Värähtelyamplitudin kasvu voi myös vähentää vaihteluita ja parantaa vakautta. Tämä johtuu siitä, että värähtelyhitsauksessa suurempi osa energiasta jakautuu molemmille puolille. Tämän seurauksena avaimenreiän ulostulo laajenee ja värähtelyamplitudi kasvaa, mikä suurentaa aukon pinta-alaa. Amplitudin kasvu laajentaa lasersäteen sekoitusaluetta, mikä johtaa avaimenreiän jaksollisen liikkeen säteen laajenemiseen. Sulan metallin viskositeetin ja avaimenreiän seinämän lähellä vaikuttavan hydrodynaamisen paineen vuoksi hitsaussula-altaassa avaimenreiän aukon lähellä tapahtuu pyörrevirtaliikettä. Avaimenreiän aukon pinta-alan laajeneminen parantaa sen vakautta, estää kuplien muodostumisen ja siten estää merkittävästi huokoisuutta.

4.3 Mikrorakenne Kuvassa on esitetty hitsauspoikkileikkauksen EBSD-morfologia eri värähtelytaajuuksilla ja -amplitudeilla. Laserhitsauksen sulamislinjan lähellä pylväsmäiset dendriittirakeet kasvavat kohti hitsauskeskustaa. Kuten kuvassa (a) on esitetty, "kulho"- ja "varsi"-alueiden välillä voidaan havaita selviä eroja pylväsmäisessä raekokojakaumassa. Pylväsmäiset rakeet ovat jakautuneet U-muotoon "kulho"-seinämää pitkin, kun taas "varsi"-alueella pylväsmäiset rakeet ovat jakautuneet U-muotoon sulamislinjaa pitkin. Hitsauksen jähmettymisen aikana osittain jähmettyneet rakeet sulamisvyöhykkeellä toimivat jähmettymisrintaman ydintymispaikkoina ja kasvavat ensisijaisesti kohtisuorassa hitsisulaan nähden suurimman lämpötilagradientin suuntaan. Tämä ilmiö johtuu siitä, että laserin suuri tehotiheys johtaa ylikuumenemiseen hitsaussulan sisällä. Korkeampi lämpötilagradientti G ja kohtalainen kasvunopeus R tekevät G/R-suhteesta suuremman kuin mikrorakenteen muutoksen kynnysarvo, mikä johtaa pylväsmäisten rakeiden muodostumiseen. Lämpötilagradientti G hitsauskeskipisteessä pienenee, minkä seurauksena G/R-suhde laskee vähitellen mikrorakenteen muutoskynnyksen alapuolelle ja siirtyy tasa-aksiaalisiin rakeihin. Tasa-aksiaaliset rakeet sijaitsevat sekä "kulhon" että "varren" keskiosissa. Koska hitsin "varsi" on kapea ja lähellä perusmateriaalia, se jähmettyy kokonaan ennen "kulhoa" jäähtyessään. Jähmettynyt "varsi" toimii ydintymispaikkana "kulhon" pohjalla ja edistää pylväsmäisten rakeiden kasvua ylöspäin. Kuvassa on esitetty suoraviivainen ja oskilloiva hitsausprosessi. Kuvassa on osoitettu, että lasersäteen sijainnin jatkuva muutos laseroskilloivassa hitsauksessa lisää välissä olevan sulan altaan pituutta, sulattaen uudelleen jo jähmettyneen metallin, mikä johtaa rakeiden kasvunopeuden r hidastumiseen. Tämä voi johtaa G/R-suhteen pienenemiseen alemmalla tasa-aksiaalisella raevyöhykkeellä.

4.4 Huokoisuusjakauma Kolmiulotteista röntgentomografiaa käytettiin hitsin kattavaan tarkasteluun, jolla saatiin huokosten kolmiulotteinen jakauma, kuten kuvassa on esitetty. Huokoisuus lasketaan jakamalla huokosten kokonaistilavuus hitsin kokonaistilavuudella. Vertaamalla suoraviivaisten laseroskilloivien hitsien ja pyöreiden laseroskilloivien hitsien huokosmorfologiaa ja jakaumaa havaitaan, että suoraviivaisissa laseroskilloivissa hitsauksissa on enemmän suuritilavuuksisia huokosia, joiden huokoisuus on 2,49 %, mikä on huomattavasti korkeampi kuin pyöreiden laseroskilloivien hitsien.laservärähtelevät hitsauksetVertailemalla kuvia (b, c) ja (d, e) voidaan nähdä, että värähtelytaajuuden lisääminen auttaa estämään huokosten muodostumista. Vertailemalla kuvia (b, d) ja (c, e) voidaan nähdä, että värähtelyamplitudin kasvulla on myös merkittävä rooli huokosten muodostumisen estämisessä. Kun värähtelyamplitudia lisätään edelleen 2 mm:iin (kuva (f)), huokoisuus pienenee edelleen 0,22 %:iin, jolloin jäljelle jää vain pienitilavuuksisia ja pieniä huokosia. Kuvassa on esitetty huokospinta-alan jakautuminen eri etäisyyksillä hitsauksen keskiviivasta ja se edustaa huokoisuutta huokospinta-alan koon perusteella. Suoraviivahitsauksessa huokospinta-ala jakautuu symmetrisesti hitsauksen keskiviivaa pitkin ja pienenee vähitellen etäisyyden kasvaessa hitsauksen keskiviivasta. Tulokset osoittavat, että tähystysreiän aiheuttamat huokoset keskittyvät pääasiassa hitsisulaman taakse hitsauksen keskiviivalle. Laseroskilloivahitsauksessa huokosjakauman symmetria heikkenee. Kuvassa näkyy huokospinta-ala eri etäisyyksillä hitsauspinnasta, jossa punainen viiva edustaa "kulho"- ja "varsi"-alueiden välistä rajaa. Suurissa huokosissa (kuvat (ac)) rajan yläpuolella oleva huokospinta-ala on yli 85 %. Tämä johtuu siitä, että pitkän ääriviivan ääriviivan ääriviivan siirtymä todennäköisemmin vangitsee kuplia hitsaussulaan, ja loukkuun jääneet kuplat pyrkivät siirtymään ylöspäin kelluvuuden vaikutuksesta. Pienissä huokosissa (kuvat (df)) huokoset keskittyvät 0,5 mm:n säteellä rajaviivasta. Lyhyt jäähtymisaika ja pieni ylöspäin suuntautuva siirtymä voivat olla tämän ilmiön syitä.

5 Johtopäätökset

(1) Erilaisilla laservärähtelymoodeilla on selviä vaikutuksia hitsauspintaan. Suurempi amplitudi ja taajuus voivat parantaa pinnan laatua, kun taas liian suuret värähtelyparametrit voivat lisätä karheutta ja aiheuttaa koveria vikoja.

(2) Hitsausliitoksen muoto määräytyy pääasiassa laservärähtelyparametrien perusteella, jotka vaikuttavat hitsausnopeuteen, energian jakautumiseen ja kokonaislämmöntuontiin. Värähtelyamplitudin kasvaessa hitsausliitoksen muoto muuttuu pikarimaisesta puolikuuksi ja sivusuhde pienenee.

(3) Värähtelyn amplitudin ja taajuuden kasvaessa sula allas levenee ja sen takaosa pyöristyy. Värähtelyn vaikutus lisää sulan altaan pituutta, mikä on hyödyllistä kuplien poistumiselle ja tasaiselle jähmettymiselle. Suoraviivahitsauksessa avainreiän aukon pinta-ala vaihtelee; suhteellisesti ottaen tätä vaihtelua voidaan pienentää, mikä parantaa hitsauksen vakautta.

(4) Värähtelyamplitudin ja -taajuuden kasvattaminen pienentää sekä lämpögradienttia että kasvunopeutta, mikä on hyödyllistä suurten raekokojen muodostumiselle. Lasersekoitusvaikutus kuitenkin parantaa raekokoa ja tekstuurin lujuutta. Eri laserparametreilla hitsauskovuus pysyy suhteellisen vakaana, hieman alhaisempana kuin perusmateriaalin, mikä voi johtua magnesiumin haihtumishäviöstä.

(5) Kolmiulotteinen röntgentomografia osoittaa, että suoraviivaisella hitsauksella on suurempi huokoisuus (2,49 %) ja suurempi huokostilavuus kuin oskilloivalla hitsauksella. Oskillointiparametrien kasvattaminen voi vähentää huokoisuutta merkittävästi, jopa 0,22 %:iin asti, kun amplitudi on 2 mm. Huokospinta-alan jakauma muuttuu oskilloinnin mukana: suuret huokoset kasaantuvat hitsaussulan taakse ja pienillä huokosilla on parempi symmetria. Suuret huokoset sijaitsevat pääasiassa "kulho"- ja "varsi"-alueiden välisen rajan yläpuolella, kun taas pienet huokoset keskittyvät rajan alapuolelle.