Lasersvetsning – Inverkan av oscillationsparametrar på lasersvetsning med justerbar ringläge (ARM) av aluminiumlegeringar

Lasersvetsning – Inverkan av oscillationsparametrar på lasersvetsning med justerbar ringläge (ARM) av aluminiumlegeringar

1. Sammanfattning

Denna studie undersöker effekterna av oscillationsamplitud och -frekvens på ytkvalitet, makro- och mikrostrukturer samt porositet hos justerbar ringmod (ARM).laseroscillerande svetsadA5083-aluminiumlegeringsplattor. Resultaten visar att svetsytans kvalitet förbättras med ökande oscillationsamplitud och -frekvens. När amplituden ökar omvandlas svetssnittet från en "bägare"-form till en "halvmåne"-form. Mikrostrukturanalys indikerar att svetsens kornstorlek inte minskar med ökande oscillationsamplitud och -frekvens på grund av konkurrensen mellan omrörningseffekten och minskningen av kylningshastigheten. Svetsporositeten minskar med ökande oscillationsparametrar och når en slutlig porositet på 0,22 % när amplituden är 2 mm. Tredimensionell röntgentomografi bekräftar ytterligare oscillationens inverkan på porfördelningen: stora porer tenderar att aggregeras bakom smältbadet, medan små porer uppvisar bättre symmetri. Denna forskning ger värdefulla insikter för att optimera oscillationsparametrar för att uppnå högkvalitativ lasersvetsning i A5083-aluminiumlegeringsapplikationer.

2 Branschbakgrund

Aluminiumlegeringar har fördelarna med låg vikt, hög specifik hållfasthet och god korrosionsbeständighet och används ofta inom fordonsindustrin, höghastighetståg, flyg- och rymdindustrin och andra industrier. Lasersvetsning har fördelarna med hög effektivitet, liten värmepåverkad zon och liten svetsdeformation. Därför,Lasersvetsning är en ekonomisk svetsmetod som är lämplig för tjocka plåtar, vilket kan minska antalet svetspassager kraftigt. Porositet är en betydande defekt vid lasersvetsning av aluminiumlegeringar, vilket allvarligt påverkar de mekaniska egenskaperna hos svetsade fogar. Därför har omfattande studier genomförts för att minska och eliminera porositetsbildning, inklusive optimering av skyddsgas, tillämpning av dubbelstrålningsteknik, användning av modulerade laserkraftsystem och antagande av oscillerande strålmetoder. Laseroscillerande svetsteknik utmärker sig genom sin förmåga att kombinera fördelarna med lasersvetsning med sina egna egenskaper. Användning av laseroscillerande svetsning kan inte bara minska porositeten utan också förbättra svetsens mikrostruktur och förbättra svetskvaliteten. Ett stort antal studier har huvudsakligen fokuserat på olika aspekter av laseroscillerande svetsning, inklusive porositetsreduktion, optimering av energifördelning, förfining av kornstruktur och karakterisering av smältflöde i smältbadet. Fördelningen av laserenergi spelar en avgörande roll i temperaturfördelningen och penetrationsdjupet vid lasersvetsning. Vid en viss oscillationsamplitud, med ökningen av skanningsfrekvensen, övergår svetsprocessen från djupsvetsning till instabil svetsning och slutligen till värmeledningssvetsning. Resultaten visar att ökad skanningsamplitud och -frekvens kan minska porositeten, men också avsevärt minska svetsens penetrationsdjup, vilket därigenom minskar svetsens mekaniska egenskaper. På senare år har en justerbar ringlägeslaser (ARM) utvecklats, som delar upp laserenergin i en kärna med hög energitäthet och en ring med låg energitäthet, i syfte att stabilisera nyckelhålet och förbättra svetskvaliteten. Forskare har använt ARM-laseroscillerande svetsning för att svetsa 6xxx höghållfasta aluminiumlegeringar under olika kärn-/ringeffektförhållanden och oscillationsbredder. De experimentella resultaten visar att den huvudsakliga faktorn som påverkar svetsgeometrin är oscillationsbredden, snarare än kärna-ringeffektförhållandet. Porfördelningen och dess hämningsmekanism under superposition av oscillation och ARM-laser har dock inte studerats. I denna artikel används en ny ARM-laseroscillerande svetsteknik för att minska svetsens porositet, uppnå högre penetrationsdjup och bättre svetskvalitet. En omfattande studie av laserenergifördelning, dynamiskt beteende hos smältbadet och mikrostruktur under olika oscillationsfrekvenser och amplituder genomförs.

3. Experimentella mål och procedurer

Cirkulär laseroscillerande svetsteknik användes för att svetsa aluminiumlegeringar. Basmaterialet (BM) var 5083-O aluminiumlegering med måtten 300 mm × 100 mm × 5 mm (längd × bredd × tjocklek), och dess kemiska sammansättning visas i tabellen. Före svetsning polerades proverna för att avlägsna ytoxidfilmen och rengjordes sedan med aceton i ett ultraljudsbad i 15 minuter för att avlägsna ytolja.lasersvetssystembestår huvudsakligen av en Kuka-robot, en TruDisk 8001-skivlaser och en 3D PFO-galvanometerskanner. TruDisk 8001-skivlasern användes som justerbar ringlägeslaserkälla, med ett kärna/ringfiberförhållande på 100/400 μm och en maximal uteffekt på 8 kW (våglängd 1030 nm, strålkvalitetsparameter på 4,0 mm·rad). Laserstrålen består av en kärndel och en ringdel, där lasern i den centrala kärndelen genererar ett nyckelhål (60 % av laserenergin) och lasern i ringdelen säkerställer en god temperaturfördelning (40 % av laserenergin), såsom visas i figur (b). Brännvidderna för kollimatorn och fokuseringslinsen är 138 mm respektive 450 mm. Under svetsprocessen användes en Phantom V1840 höghastighetskamera och en Cavilux högfrekvent ljuskälla för att övervaka svetsprocessen i realtid, med en fotograferingshastighet på 5000 fps och en exponeringstid på 1 μs. I denna studie definieras den cirkulära strålens oscillationsbana, laserns rörelsebana och den momentana hastigheten enligt figuren.

4 Resultat och diskussion

4.1 Svetsmorfologins egenskaper Svetsytans morfologi under olika laseroscillationslägen visas i figuren. Resultaten visar att svetsytan vid konventionell linjärsvetsning är ojämn (ojämnhet på 78,01 μm), med dålig kontinuitet i svetsvågorna och otillräcklig svetsspridning. Otillräcklig svetsbildning, kraftigt stänk och underskärning observerades också. Med ökningen av oscillationsamplitud och frekvens uppvisar svetsytan täta och enhetliga fiskfjäll. Ytjämnheten hos svetsar med oscillationsamplituder på 0,5 mm, 1 mm och 2 mm är 80,71 μm, 49,63 μm respektive 31,12 μm. Det finns inga oregelbundenheter eller utbuktningar orsakade av stänk. Resultaten indikerar att en högre oscillationsfrekvens leder till ett mer regelbundet smältflöde, starkare omrörningseffekt av laserstrålen och en mer idealisk svetsyta. I grund och botten är lasersvetsens form orsakssamband med laserstrålens rörelse. Under svetsning förändrar förändringar i oscillationsamplitud och -frekvens svetshastigheten, vilket påverkar laserns linjära energitäthet och totala värmetillförsel. Svetsfogens tvärsnittsmorfologi är "bägare"-formad och består av två delar: den nedre delen är "skaftet" och den övre delen är "skålen". Penetrationsdjupet och "skaftet" definieras som H1 respektive H2, och bredden på svetsfogen ("skålen") och "skaftet" definieras som W1 respektive W2. Båda svetsbredderna W1 och W2 ökar synkront med ökningen av oscillationsamplituden, och svetsmorfologin omvandlas gradvis från "bägare"-form till "halvmåneform". Den maximala laserenergitätheten uppträder vid banöverlappningen. Om man jämför figurerna (b, d) och (c, e) kan man se att ökningen av skanningsfrekvensen kommer att öka banöverlappningsarean längs skanningsbanan, vilket gör laserenergifördelningen mer enhetlig. Minskningen av den maximala energitätheten kommer dock att leda till en minskning av svetsdjupet.

4.2 Smältbadets beteende För att klargöra skanningsbanans inverkan på smältbadets beteende användes ett höghastighetskamerasystem för att observera smältbadets och nyckelhålets utvecklingsprocessen. Figur (a) visar smältbadets och nyckelhålets utvecklingsprocessen längs en rätlinjebana. Figurerna (bf) är utvecklingsdiagram för smältbadet under olika oscillationsparametrar. Med ökningen av oscillationsfrekvens och amplitud blir den bakre delen av smältbadet mer rundad på grund av expansionen av smältbadets bredd. Allt eftersom smältbadets längd ökar minskar ytfluktuationerna som orsakas av nyckelhålsutbrott under bakåtgående propagering. Därför stelnar den smälta flytande metallen jämnt och regelbundet vid den bakre änden av smältbadet och bildar enhetliga och täta svetsfjäll. Figuren visar förändringen av nyckelhålets öppningsarea under lasersvetsning, vilket härleds från höghastighetsfotografiska bilder av smältbadet. Som visas i figur (a) visar nyckelhålets öppningsstorlek tydliga fluktuationer under rätlinjesvetsning. Flera fall av nyckelhålsförslutning (0 mm²) observerades, med en genomsnittlig nyckelhålsöppningsarea på 0,47 mm². Ökningen av oscillationsamplituden kan också minska fluktuationer och förbättra stabiliteten. Detta beror på att vid oscillerande svetsning fördelas en större andel energi till båda sidor. Därför expanderar utloppet på nyckelhålet, och oscillationsamplituden ökar, vilket ökar öppningsarean. Ökningen av amplituden expanderar laserstrålens omrörningsområde, vilket leder till en expansion av radien för nyckelhålets periodiska rörelse. På grund av viskositeten hos den smälta metallen och det hydrodynamiska trycket som verkar nära nyckelhålsväggen, uppstår virvelströmsrörelser i svetssmältan nära nyckelhålsöppningen. Expansionen av nyckelhålsöppningsarean förbättrar dess stabilitet, undviker bildandet av bubblor och hämmar därmed porositeten avsevärt.

4.3 Mikrostruktur Figuren visar EBSD-morfologin för svetssektionen under olika oscillationsfrekvenser och amplituder. Nära lasersvetsens smältlinje växer kolumnära dendritkorn mot svetscentrum. Som visas i figur (a) kan man observera tydliga skillnader i kolumnära kornfördelning mellan "skål"- och "stam"-regionerna. Kolumnära korn är fördelade i en U-form längs "skål"-väggen, medan kolumnära korn i "stam"-regionen är fördelade i en U-form längs smältlinjen. Under svetsens stelning fungerar de delvis stelnade kornen i smältzonen som kärnbildningsplatser för stelningsfronten och växer företrädesvis vinkelrätt mot smältbadets gräns längs riktningen för den maximala temperaturgradienten. Detta fenomen uppstår eftersom laserns höga effekttäthet leder till överhettning inuti svetsbadet. Den högre termiska gradienten G och den måttliga tillväxthastigheten R gör G/R större än tröskeln för mikrostrukturtransformation, vilket resulterar i bildandet av kolumnära korn. Temperaturgradienten G vid svetscentrum minskar, vilket gör att G/R-förhållandet gradvis sjunker under tröskelvärdet för mikrostrukturtransformation och övergår till likaxliga korn. Likaxliga korn är belägna i de centrala delarna av både "skålen" och "skaftet". Eftersom svetsens "skaft" är smalt och nära basmaterialet, stelnar det helt före "skål"-området under kylning. Den stelnade "skaft"-delen fungerar som en kärnbildningsplats i botten av "skålen", vilket främjar den uppåtgående tillväxten av kolumnära korn. Figuren visar de raka och oscillerande svetsprocesserna. Det visas att den kontinuerliga förändringen av laserstrålens position vid laseroscillerande svetsning kommer att öka längden på den mellanliggande smälta poolen, vilket återsmälter den redan stelnade metallen, vilket resulterar i en minskning av korntillväxthastigheten r. Detta kan leda till en minskning av G/R i den nedre likaxliga kornzonen.

4.4 Porositetsfördelning Tredimensionell röntgentomografi användes för att genomföra en omfattande inspektion av svetsen, vilket erhöll den tredimensionella fördelningen av porer i svetsen, såsom visas i figuren. Porositeten beräknas som den totala volymen av porer dividerad med svetsens totala volym. Genom att jämföra pormorfologin och fördelningen av rätlinjiga laseroscillerande svetsar och cirkulära laseroscillerande svetsar, konstateras det att rätlinjiga laseroscillerande svetsar innehåller fler porer med stor volym, med en porositet på 2,49 %, vilket är betydligt högre än för cirkulära.laseroscillerande svetsarGenom att jämföra figurerna (b, c) och (d, e) kan man se att en ökning av oscillationsfrekvensen hjälper till att hämma porbildningen. Om man jämför figurerna (b, d) och (c, e) kan man se att ökningen av oscillationsamplituden också spelar en betydande roll för att hämma porbildning. När oscillationsamplituden ökas ytterligare till 2 mm (figur (f)) minskas porositeten ytterligare till 0,22 %, vilket lämnar endast porer med liten volym och små porer. Figuren visar porareafördelningen på olika avstånd från svetsens mittlinje, vilket representerar porositeten baserat på porareastorlek. Vid linjärsvetsning är porarean symmetriskt fördelad längs svetsens mittlinje och minskar gradvis med ökande avstånd från svetsens mittlinje. Resultaten visar att nyckelhålsinducerade porer huvudsakligen är koncentrerade bakom smältbadet vid svetsens mittlinje. Vid laseroscillerande svetsning blir symmetrin i porfördelningen svagare. Figuren visar porarean på olika avstånd från svetsytan, där den röda linjen representerar gränsen mellan "skål"- och "skaft"-regionerna. Vid dominerande stora porer (Figur (ac)) står porarean ovanför gränsen för mer än 85 %. Detta beror på att konturövergången vid den långa itudinella gränsen är mer benägen att fånga bubblor i smältbadet, och de fångade bubblorna tenderar att migrera uppåt under påverkan av flytkraft. Vid dominerande små porer (Figur (df)) är porerna koncentrerade till området inom 0,5 mm under gränslinjen. Den korta kylningstiden och den lilla uppåtgående förskjutningen kan vara orsakerna till detta fenomen.

5 Slutsatser

(1) Olika laseroscillationslägen har tydliga effekter på svetsytan. Högre amplitud och frekvens kan förbättra ytkvaliteten, medan alltför stora oscillationsparametrar kan öka ojämnheten och orsaka konkava defekter.

(2) Svetsformen bestäms huvudsakligen av laseroscillationsparametrar, vilka påverkar svetshastighet, energifördelning och total värmetillförsel. Med ökande oscillationsamplitud ändras svetsmorfologin från "bägare" till "halvmåne", och bildförhållandet minskar.

(3) Med ökande oscillationsamplitud och -frekvens blir smältbadet bredare och den bakre delen rundad. Oscillationseffekten ökar smältbadets längd, vilket är fördelaktigt för bubbelfrigöring och jämn stelning. Vid linjär svetsning fluktuerar nyckelhålets öppningsarea; relativt sett kan denna fluktuation minskas, vilket förbättrar svetsstabiliteten.

(4) Ökad oscillationsamplitud och -frekvens minskar både termisk gradient och tillväxthastighet, vilket är fördelaktigt för bildandet av stora kornstorlekar. Laseromrörningseffekten bidrar dock till att förfina kornstorleken och förbättra texturstyrkan. Under olika laserparametrar förblir svetshårdheten relativt stabil, något lägre än basmaterialets, vilket kan bero på avdunstningsförlusten av magnesium.

(5) Tredimensionell röntgentomografi visar att linjär svetsning har högre porositet (2,49 %) och större porvolym än oscillerande svetsning. Ökande oscillationsparametrar kan minska porositeten avsevärt, till och med upp till 0,22 % när amplituden är 2 mm. Porareafördelningen förändras med oscillationen: stora porer aggregeras bakom smältbadet, och små porer har bättre symmetri. Stora porer är huvudsakligen fördelade ovanför gränsen mellan "skål"- och "skaft"-regionerna, medan små porer är koncentrerade under gränsen.