Lazerinis suvirinimas – osciliacijos parametrų įtaka aliuminio lydinių reguliuojamo žiedinio režimo (ARM) lazeriniam suvirinimui

Lazerinis suvirinimas – osciliacijos parametrų įtaka aliuminio lydinių reguliuojamo žiedinio režimo (ARM) lazeriniam suvirinimui

1. Santrauka

Šiame tyrime nagrinėjamas virpesių amplitudės ir dažnio poveikis reguliuojamo žiedinio režimo (ARM) paviršiaus kokybei, makro ir mikrostruktūroms bei poringumui.lazeriu osciliuojantis suvirinimasA5083 aliuminio lydinio plokštės. Rezultatai rodo, kad didėjant virpesių amplitudei ir dažniui, pagerėja suvirinimo paviršiaus kokybė. Didėjant amplitudei, suvirinimo skerspjūvis iš „taurės“ formos keičiasi į „pusmėnulio“ formą. Mikrostruktūrinė analizė rodo, kad suvirinimo siūlės grūdelių dydis nemažėja didėjant virpesių amplitudei ir dažniui dėl konkurencijos tarp maišymo efekto ir aušinimo greičio sumažėjimo. Suvirinimo siūlės poringumas mažėja didėjant virpesių parametrams, o galutinis poringumas pasiekia 0,22 %, kai amplitudė yra 2 mm. Trimatė rentgeno tomografija dar kartą patvirtina virpesių įtaką porų pasiskirstymui: didelės poros linkusios kauptis už išlydyto metalo telkinio, o mažos poros pasižymi geresne simetrija. Šis tyrimas suteikia vertingų įžvalgų, kaip optimizuoti virpesių parametrus, siekiant aukštos kokybės lazerinio suvirinimo A5083 aliuminio lydinio srityje.

2 Pramonės istorija

Aliuminio lydiniai pasižymi lengvu svoriu, dideliu savituoju stiprumu ir geru atsparumu korozijai, todėl yra plačiai naudojami automobilių, greitųjų geležinkelių, aviacijos ir kosmoso bei kitose pramonės šakose. Lazerinis suvirinimas pasižymi dideliu efektyvumu, maža karščio paveikta zona ir maža suvirinimo deformacija. Todėl...Lazerinis suvirinimas yra ekonomiškas suvirinimo metodas, tinkantis storoms plokštėms, o tai gali gerokai sumažinti suvirinimo siūlių skaičių. Poringumas yra reikšmingas aliuminio lydinių lazerinio suvirinimo defektas, kuris daro didelę įtaką suvirintų jungčių mechaninėms savybėms. Todėl atlikti išsamūs tyrimai, siekiant sumažinti ir pašalinti poringumo susidarymą, įskaitant apsauginių dujų optimizavimą, dviejų spindulių technologijos taikymą, moduliuotos lazerinės galios sistemų naudojimą ir osciliacinių spindulių metodų taikymą. Lazerinio osciliacinio suvirinimo technologija išsiskiria tuo, kad gali derinti lazerinio suvirinimo privalumus su savo savybėmis. Naudojant lazerinį osciliacinį suvirinimą, galima ne tik sumažinti poringumą, bet ir pagerinti suvirinimo mikrostruktūrą bei pagerinti suvirinimo kokybę. Daugybė tyrimų daugiausia buvo skirti įvairiems lazerinio osciliacinio suvirinimo aspektams, įskaitant poringumo mažinimą, energijos paskirstymo optimizavimą, grūdelių struktūros tobulinimą ir lydalo tekėjimo išlydytoje vonioje apibūdinimą. Lazerio energijos pasiskirstymas vaidina lemiamą vaidmenį lazerinio suvirinimo temperatūros pasiskirstyme ir įsiskverbimo gylyje. Esant tam tikrai osciliacijos amplitudei, didėjant skenavimo dažniui, suvirinimo procesas pereina nuo gilaus įsiskverbimo suvirinimo prie nestabilaus suvirinimo ir galiausiai prie šilumos laidumo suvirinimo. Rezultatai rodo, kad didinant skenavimo amplitudę ir dažnį galima sumažinti poringumą, bet taip pat žymiai sumažinti suvirinimo siūlės įsiskverbimo gylį, dėl to sumažėja suvirinimo siūlės mechaninės savybės. Pastaraisiais metais buvo sukurtas reguliuojamo žiedinio režimo (ARM) lazeris, kuris padalija lazerio energiją į didelio energijos tankio šerdį ir mažo energijos tankio žiedą, siekiant stabilizuoti rakto skylę ir pagerinti suvirinimo kokybę. Tyrėjai naudojo ARM lazerinį osciliacinį suvirinimą 6xxx didelio stiprumo aliuminio lydiniams suvirinti esant skirtingam šerdies/žiedo galios santykiui ir osciliacijų pločiui. Eksperimentiniai rezultatai rodo, kad pagrindinis veiksnys, turintis įtakos suvirinimo geometrijai, yra osciliacijų plotis, o ne šerdies ir žiedo galios santykis. Tačiau porų pasiskirstymas ir jo slopinimo mechanizmas, veikiant osciliacijoms ir ARM lazeriui, nebuvo tirtas. Šiame straipsnyje pristatoma nauja ARM lazerinio osciliacinio suvirinimo technologija, skirta sumažinti suvirinimo siūlės poringumą, gauti didesnį įsiskverbimo gylį ir geresnę suvirinimo kokybę. Atliktas išsamus lazerio energijos pasiskirstymo, išlydyto metalo dinaminio elgesio ir mikrostruktūros tyrimas esant skirtingiems osciliacijų dažniams ir amplitudėms.

3. Eksperimento tikslai ir procedūros

Aliuminio lydiniams suvirinti buvo naudojama žiedinio lazerinio osciliacinio suvirinimo technologija. Pagrindinė medžiaga (BM) buvo 5083-O aliuminio lydinys, kurio matmenys buvo 300 mm × 100 mm × 5 mm (ilgis × plotis × storis), o jo cheminė sudėtis pateikta lentelėje. Prieš suvirinimą mėginiai buvo poliruoti, kad būtų pašalinta paviršiaus oksido plėvelė, o po to 15 minučių valomi acetonu ultragarsinėje vonelėje, kad būtų pašalintas paviršiaus aliejus.lazerinio suvirinimo sistemadaugiausia sudaro „Kuka“ robotas, „TruDisk 8001“ diskinis lazeris ir 3D PFO galvanometrinis skaitytuvas. „TruDisk 8001“ diskinis lazeris buvo naudojamas kaip reguliuojamo žiedinio režimo lazerio šaltinis, kurio šerdies ir žiedo pluošto santykis yra 100/400 μm, o maksimali išėjimo galia – 8 kW (bangos ilgis 1030 nm, spindulio kokybės parametras 4,0 mm·rad). Lazerio spindulys sudarytas iš šerdies ir žiedinės dalių, kur lazeris centrinėje šerdies dalyje generuoja skylutę (60 % lazerio energijos), o lazeris žiedinėje dalyje užtikrina gerą temperatūros pasiskirstymą (40 % lazerio energijos), kaip parodyta (b) paveiksle. Kolimatoriaus ir fokusavimo lęšio židinio nuotoliai yra atitinkamai 138 mm ir 450 mm. Suvirinimo proceso metu realiuoju laiku buvo stebima „Phantom V1840“ didelės spartos kamera ir „Cavilux“ aukšto dažnio šviesos šaltinis, filmavimo greitis – 5000 kadrų per sekundę, o ekspozicijos laikas – 1 μs. Šiame tyrime apskrito spindulio svyravimo trajektorija, lazerio judėjimo kelias ir momentinis greitis apibrėžti taip, kaip parodyta paveiksle.

4 Rezultatai ir aptarimas

4.1 Suvirinimo siūlės morfologijos charakteristikos Suvirinimo paviršiaus morfologija, veikiant skirtingiems lazerio virpesių režimams, parodyta paveiksle. Rezultatai rodo, kad įprastinio tiesiojo suvirinimo suvirinimo paviršius yra šiurkštus (šiurkštumas 78,01 μm), prastas suvirinimo raibuliavimo vientisumas ir nepakankamas suvirinimo siūlės išplitimas. Taip pat pastebėtas nepakankamas suvirinimo siūlės susidarymas, stiprus taškymasis ir įpjovimas. Didėjant svyravimų amplitudei ir dažniui, suvirinimo paviršiuje atsiranda tankūs ir vienodi žuvų žvynai. Suvirinimo siūlių, kurių svyravimų amplitudės yra 0,5 mm, 1 mm ir 2 mm, paviršiaus šiurkštumas yra atitinkamai 80,71 μm, 49,63 μm ir 31,12 μm. Nėra jokių taškymosi sukeltų nelygumų ar išsikišimų. Rezultatai rodo, kad didesnis svyravimų dažnis lemia tolygesnį išlydyto metalo tekėjimą, stipresnį lazerio spindulio maišymo efektą ir idealesnį suvirinimo paviršių. Iš esmės lazerinio suvirinimo siūlės forma yra priežastiniu ryšiu susijusi su lazerio spindulio judėjimu. Suvirinimo metu svyravimų amplitudės ir dažnio pokyčiai keičia suvirinimo greitį, taip paveikdami lazerio linijinį energijos tankį ir bendrą šilumos tiekimą. Suvirinimo siūlės skerspjūvio morfologija yra „taurės“ formos, sudaryta iš dviejų dalių: apatinė dalis yra „stiebas“, o viršutinė dalis – „dubuo“. Įsiskverbimo gylis ir „stiebas“ apibrėžiami atitinkamai kaip H1 ir H2, o suvirinimo siūlės („dubuo“) ir „stiebo“ pločiai apibrėžiami atitinkamai kaip W1 ir W2. Abu suvirinimo siūlės pločiai W1 ir W2 didėja sinchroniškai didėjant svyravimų amplitudei, o suvirinimo siūlės morfologija palaipsniui keičiasi iš „taurės“ formos į „pusmėnulio“ formą. Didžiausias lazerio energijos tankis atsiranda trajektorijų persidengimo vietoje. Palyginus (b, d) ir (c, e) paveikslus, matyti, kad padidinus skenavimo dažnį, padidės trajektorijų persidengimo plotas išilgai skenavimo kelio, todėl lazerio energijos pasiskirstymas taps tolygesnis. Tačiau sumažėjus maksimaliam energijos tankiui, sumažės suvirinimo gylis.

4.2 Išlydyto metalo baseino elgsena Siekiant išsiaiškinti skenavimo kelio įtaką išlydyto metalo baseino elgsena, buvo naudojama didelės spartos kamerų sistema, skirta stebėti išlydyto metalo baseino ir rakto skylutės evoliucijos procesą. (a) paveiksle parodytas išlydyto metalo baseino evoliucijos procesas tiesia linija. (bf) paveiksluose pateiktos išlydyto metalo baseino evoliucijos diagramos esant skirtingiems virpesių parametrams. Didėjant virpesių dažniui ir amplitudei, išlydyto metalo baseino galinė dalis tampa apvalesnė dėl išlydyto metalo baseino pločio didėjimo. Didėjant išlydyto metalo baseino ilgiui, rakto skylutės išsiveržimo sukeliamas paviršiaus svyravimas atgalinio sklidimo metu mažėja. Todėl išlydytas skystas metalas tolygiai ir tolygiai kietėja išlydyto metalo baseino gale, sudarydamas vienodus ir tankius suvirinimo „žuvies žvynus“. Paveiksle parodytas rakto skylutės angos ploto pokytis lazerinio suvirinimo metu, kuris gaunamas iš išlydyto metalo baseino didelės spartos fotografijos vaizdų. Kaip parodyta (a) paveiksle, tiesiaeigio suvirinimo metu rakto skylutės angos dydis rodo akivaizdžius svyravimus. Buvo pastebėti keli rakto skylutės užsidarymo (0 mm²) atvejai, o vidutinis rakto skylutės angos plotas buvo 0,47 mm². Padidinus svyravimus, taip pat galima sumažinti svyravimus ir pagerinti stabilumą. Taip yra todėl, kad osciliacinio suvirinimo metu didesnė energijos dalis paskirstoma abiem pusėms. Todėl rakto skylutės išleidimo anga išsiplečia, o svyravimų amplitudė padidėja, taip padidindama angos plotą. Padidinus amplitudę, išsiplečia lazerio spindulio maišymo diapazonas, o tai lemia rakto skylutės periodinio judėjimo spindulio išsiplėtimą. Dėl išlydyto metalo klampumo ir hidrodinaminio slėgio, veikiančio šalia rakto skylutės sienelės, suvirinimo išlydyto metalo vonelėje šalia rakto skylutės angos vyksta sūkurinių srovių judėjimas. Rakto skylutės angos ploto išplėtimas padidina jo stabilumą, padeda išvengti burbuliukų susidarymo ir taip žymiai sumažina poringumą.

4.3 Mikrostruktūra Paveiksle parodyta suvirinimo siūlės skerspjūvio EBSD morfologija esant skirtingiems virpesių dažniams ir amplitudėms. Šalia lazerinio suvirinimo siūlės lydymosi linijos stulpeliniai dendritų grūdeliai auga link suvirinimo centro. Kaip parodyta (a) paveiksle, tarp „dubens“ ir „stiebo“ sričių galima pastebėti akivaizdžius stulpelinių grūdelių pasiskirstymo skirtumus. Stulpeliniai grūdeliai pasiskirstę U forma išilgai „dubens“ sienelės, o „stiebo“ srityje stulpeliniai grūdeliai pasiskirstę U forma išilgai lydymosi linijos. Suvirinimo siūlei kietėjant, iš dalies sukietėję grūdeliai lydymosi zonoje veikia kaip kietėjimo fronto branduolio vietos ir pirmiausia auga statmenai išlydyto metalo baseino ribai maksimalios temperatūros gradiento kryptimi. Šis reiškinys atsiranda dėl to, kad didelis lazerio galios tankis sukelia perkaitimą suvirinimo vonelėje. Didesnis terminis gradientas G ir vidutinis augimo greitis R lemia, kad G/R yra didesnis už mikrostruktūros transformacijos slenkstį, todėl susidaro stulpeliniai grūdeliai. Suvirinimo centre temperatūros gradientas G mažėja, todėl G/R santykis palaipsniui mažėja žemiau mikrostruktūros transformacijos slenksčio, pereinant prie lygiaašių grūdelių. Lygiaašiai grūdeliai yra tiek „dubens“, tiek „stiebo“ centrinėse dalyse. Kadangi suvirinimo siūlės „stiebas“ yra siauras ir arti pagrindinės medžiagos, aušinimo metu jis visiškai sukietėja prieš „dubens“ sritį. Sukietėjusi „stiebo“ dalis veikia kaip branduolio susidarymo vieta „dubens“ apačioje, skatindama stulpelinių grūdelių augimą į viršų. Paveiksle parodyti tiesiosios ir osciliacinio suvirinimo procesai. Parodyta, kad nuolat keičiant lazerio spindulio padėtį lazerinio osciliacinio suvirinimo metu, padidėja tarpinio išlydyto metalo ilgis, išlydydamas jau sukietėjusį metalą, todėl sumažėja grūdelių augimo greitis r. Tai gali lemti G/R sumažėjimą apatinėje lygiaašių grūdelių zonoje.

4.4 Poringumo pasiskirstymas. Išsamiam suvirinimo siūlės patikrinimui atlikti buvo naudojama trimatė rentgeno tomografija, kurios metu buvo gautas trimatis porų pasiskirstymas suvirinimo siūlėje, kaip parodyta paveiksle. Poringumas apskaičiuojamas bendrą porų tūrį padalijus iš bendro suvirinimo siūlės tūrio. Palyginus tiesiaeigių lazerinių osciliacinių suvirinimo siūlių ir apskritų lazerinių osciliacinių suvirinimo siūlių porų morfologiją ir pasiskirstymą, nustatyta, kad tiesiaeigiuose lazeriniuose osciliaciniuose suvirinimo siūlėse yra daugiau didelio tūrio porų, kurių poringumas siekia 2,49 %, o tai yra žymiai daugiau nei apskritų suvirinimo siūlių.lazerio osciliaciniai suvirinimo siūlėsPalyginus (b, c) ir (d, e) paveikslus, matyti, kad padidinus virpesių dažnį, slopinamas porų susidarymas. Palyginus (b, d) ir (c, e) paveikslus, matyti, kad virpesių amplitudės padidėjimas taip pat vaidina svarbų vaidmenį slopinant porų susidarymą. Kai virpesių amplitudė dar labiau padidinama iki 2 mm (f pav.), poringumas dar labiau sumažėja iki 0,22 %, paliekant tik mažo tūrio ir mažas poras. Paveiksle pavaizduotas porų ploto pasiskirstymas skirtingais atstumais nuo suvirinimo centrinės linijos, vaizduojant poringumą pagal porų ploto dydį. Tiesiojo suvirinimo metu porų plotas yra simetriškai pasiskirstęs išilgai suvirinimo centrinės linijos ir palaipsniui mažėja didėjant atstumui nuo suvirinimo centrinės linijos. Rezultatai rodo, kad rakto skylutės sukeltos poros daugiausia susikaupusios už išlydyto lydinio vonios paviršiaus ties suvirinimo centrine linija. Lazerinio osciliacinio suvirinimo metu porų pasiskirstymo simetrija silpnėja. Paveiksle parodytas porų plotas skirtingais atstumais nuo suvirinimo paviršiaus, kur raudona linija žymi ribą tarp „dubens“ ir „stiebo“ sričių. Esant dominuojančioms didelėms poroms ((ac) paveikslai), porų plotas virš ribos sudaro daugiau nei 85 %. Taip yra todėl, kad kontūro perėjimas ties ilgąja ribine dalimi labiau linkęs įkalinti burbuliukus suvirinimo vonelėje, o įkalinti burbuliukai, veikiami plūdrumo, linkę migruoti aukštyn. Esant dominuojančioms mažoms poroms ((df) paveikslai), poros susitelkusios 0,5 mm žemiau ribinės linijos. Šio reiškinio priežastys gali būti trumpas aušinimo laikas ir mažas poslinkis aukštyn.

5 Išvados

(1) Įvairūs lazerio osciliacijos režimai turi akivaizdų poveikį suvirinimo paviršiui. Didesnė amplitudė ir dažnis gali pagerinti paviršiaus kokybę, o pernelyg dideli osciliacijos parametrai gali padidinti šiurkštumą ir sukelti įgaubtus defektus.

(2) Suvirinimo formą daugiausia lemia lazerio osciliacijos parametrai, kurie turi įtakos suvirinimo greičiui, energijos pasiskirstymui ir bendram šilumos tiekimui. Didėjant osciliacijos amplitudei, suvirinimo siūlės morfologija keičiasi iš „taurės“ į „pusmėnulio“, o kraštinių santykis mažėja.

(3) Didėjant virpesių amplitudei ir dažniui, išlydyto metalo vonelė tampa platesnė, o galinė dalis – apvalesnė. Dėl virpesių poveikio išlydyto metalo vonelės ilgis didėja, o tai padeda išbėgti burbuliukams ir tolygiai sukietėti. Tiesiai suvirinant, skylutės plotas svyruoja; santykinai šį svyravimą galima sumažinti, pagerinant suvirinimo stabilumą.

(4) Didinant svyravimų amplitudę ir dažnį, sumažėja ir terminis gradientas, ir augimo greitis, o tai naudinga didelių grūdelių formavimuisi. Tačiau lazerio maišymo efektas padeda smulkinti grūdelių dydį ir pagerinti tekstūros stiprumą. Esant skirtingiems lazerio parametrams, suvirinimo siūlės kietumas išlieka santykinai stabilus, šiek tiek mažesnis nei pagrindinės medžiagos, o tai gali būti dėl magnio garavimo nuostolių.

(5) Trimatė rentgeno tomografija rodo, kad tiesiosios linijos suvirinimas pasižymi didesniu poringumu (2,49 %) ir didesniu porų tūriu nei osciliacinis suvirinimas. Didinant osciliacinius parametrus, poringumas gali žymiai sumažėti, net pasiekdamas 0,22 %, kai amplitudė yra 2 mm. Porų ploto pasiskirstymas keičiasi osciliacijos metu: didelės poros kaupiasi už išlydyto metalo telkinio, o mažos poros yra geriau simetriškos. Didelės poros daugiausia pasiskirsto virš ribos tarp „dubens“ ir „stiebo“ sričių, o mažos poros susitelkusios žemiau ribos.