Lasersweiswerk – Die invloed van ossillasieparameters op verstelbare ringmodus (ARM) lasersweiswerk van aluminiumlegerings

Lasersweiswerk – Die invloed van ossillasieparameters op verstelbare ringmodus (ARM) lasersweiswerk van aluminiumlegerings

1. Opsomming

Hierdie studie ondersoek die effekte van ossillasie-amplitude en -frekwensie op die oppervlakkwaliteit, makro- en mikrostrukture, en porositeit van verstelbare ringmodus (ARM)laser ossillerende gesweisA5083 aluminiumlegeringsplate. Die resultate toon dat met die toename in ossillasie-amplitude en -frekwensie, die kwaliteit van die sweislasoppervlak verbeter word. Soos die amplitude toeneem, verander die sweislasdeursnit van 'n "beker"-vorm na 'n "sekelvorm". Mikrostrukturele analise dui daarop dat die korrelgrootte van die sweislas nie afneem met die toename in ossillasie-amplitude en -frekwensie nie as gevolg van die kompetisie tussen die roereffek en die vermindering van die verkoelingstempo. Die sweislasporositeit neem af met die toename in ossillasieparameters en bereik 'n finale porositeit van 0.22% wanneer die amplitude 2 mm is. Driedimensionele X-straaltomografie bevestig verder die invloed van ossillasie op porieverspreiding: groot porieë is geneig om agter die gesmelte poel te aggregeer, terwyl klein porieë beter simmetrie toon. Hierdie navorsing bied waardevolle insigte vir die optimalisering van ossillasieparameters om hoëgehalte-lasersweiswerk in A5083 aluminiumlegeringstoepassings te bereik.

2 Bedryfsagtergrond

Aluminiumlegerings het die voordele van ligte gewig, hoë spesifieke sterkte en goeie korrosiebestandheid, en word wyd gebruik in die motor-, hoëspoed-spoor-, lugvaart- en ander nywerhede. Lasersweiswerk het die voordele van hoë doeltreffendheid, klein hitte-geaffekteerde sone en klein sweisvervorming. Daarom,lasersweiswerk is 'n ekonomiese sweismetode wat geskik is vir dik plate, wat die aantal sweispasse aansienlik kan verminder. Porositeit is 'n beduidende defek in lasersweis van aluminiumlegerings, wat die meganiese eienskappe van gesweisde verbindings ernstig beïnvloed. Daarom is uitgebreide studies uitgevoer om porositeitsvorming te verminder en uit te skakel, insluitend die optimalisering van beskermingsgas, die toepassing van dubbelstraaltegnologie, die gebruik van gemoduleerde laserkragstelsels en die aanneming van ossillerende straalmetodes. Laserossillerende sweistegnologie staan ​​uit vir sy vermoë om die voordele van lasersweis met sy eie eienskappe te kombineer. Die gebruik van laserossillerende sweis kan nie net porositeit verminder nie, maar ook die mikrostruktuur van die sweislas verbeter en die sweiskwaliteit verbeter. 'n Groot aantal studies het hoofsaaklik gefokus op verskeie aspekte van laserossillerende sweis, insluitend porositeitsvermindering, optimalisering van energieverspreiding, verfyning van korrelstruktuur en karakterisering van smeltvloei in die gesmelte poel. Die verspreiding van laserenergie speel 'n belangrike rol in die temperatuurverspreiding en penetrasiediepte van lasersweis. By 'n sekere ossillasie-amplitude, met die toename van skanderingsfrekwensie, gaan die sweisproses oor van diep penetrasiesweis na onstabiele sweis, en uiteindelik na hittegeleidingssweis. Die resultate toon dat die verhoging van die skanderingsamplitude en -frekwensie porositeit kan verminder, maar ook die penetrasiediepte van die sweislas aansienlik kan verminder, waardeur die meganiese eienskappe van die sweislas verminder word. In onlangse jare is 'n verstelbare ringmodus (ARM) laser ontwikkel, wat die laserenergie verdeel in 'n kern met hoë energiedigtheid en 'n ring met lae energiedigtheid, met die doel om die sleutelgat te stabiliseer en die sweiskwaliteit te verbeter. Navorsers het ARM-laser-ossillerende sweiswerk gebruik om 6xxx hoësterkte aluminiumlegerings onder verskillende kern/ring-kragverhoudings en ossillasiewydtes te sweis. Die eksperimentele resultate toon dat die hooffaktor wat die sweisgeometrie beïnvloed, die ossillasiewydte is, eerder as die kern-ring-kragverhouding. Die porieverspreiding en die inhibisiemeganisme daarvan onder die superposisie van ossillasie en ARM-laser is egter nie bestudeer nie. In hierdie artikel word 'n nuwe ARM-laser-ossillerende sweistegnologie aangeneem om die porositeit van die sweislas te verminder, hoër penetrasiediepte en beter sweiskwaliteit te verkry. 'n Omvattende studie oor laserenergieverspreiding, dinamiese gedrag van die gesmelte poel en mikrostruktuur onder verskillende ossillasiefrekwensies en amplitudes word uitgevoer.

3. Eksperimentele Doelwitte en Prosedures

Sirkulêre laser-ossillerende sweistegnologie is gebruik om aluminiumlegerings te sweis. Die basismateriaal (BM) was 5083-O aluminiumlegering met afmetings van 300 mm × 100 mm × 5 mm (lengte × breedte × dikte), en die chemiese samestelling daarvan word in die tabel getoon. Voor sweiswerk is die monsters gepoleer om die oppervlakoksiedfilm te verwyder, en dan vir 15 minute met asetoon in 'n ultrasoniese bad skoongemaak om oppervlakolie te verwyder. Dielasersweisstelselbestaan ​​hoofsaaklik uit 'n Kuka-robot, 'n TruDisk 8001-skyflaser en 'n 3D PFO-galvanometerskandeerder. Die TruDisk 8001-skyflaser is gebruik as die verstelbare ringmodus-laserbron, met 'n kern/ringvesel-verhouding van 100/400 μm en 'n maksimum uitsetkrag van 8 kW (golflengte van 1030 nm, straalkwaliteitsparameter van 4.0 mm·rad). Die laserstraal bestaan ​​uit 'n kerndeel en 'n ringdeel, waar die laser in die sentrale kerndeel 'n sleutelgat genereer (60% van die laserenergie), en die laser in die ringdeel 'n goeie temperatuurverspreiding verseker (40% van die laserenergie), soos getoon in Figuur (b). Die brandpuntsafstande van die kollimator en fokuslens is onderskeidelik 138 mm en 450 mm. Tydens die sweisproses is 'n Phantom V1840 hoëspoedkamera en 'n Cavilux hoëfrekwensie ligbron gebruik om die sweisproses intyds te monitor, met 'n skietspoed van 5000 fps en 'n blootstellingstyd van 1 μs. In hierdie studie word die sirkelvormige bundel-ossillasietrajek, laserbewegingspad en oombliklike snelheid gedefinieer soos in die figuur getoon.

4 Resultate en Bespreking

4.1 Eienskappe van die lasmorfologie Die lasoppervlakmorfologieë onder verskillende laser-ossillasiemodusse word in die figuur getoon. Die resultate toon dat die lasoppervlak van konvensionele reguitlynsweiswerk ru is (ruheid van 78.01 μm), met swak kontinuïteit van lasrimpels en onvoldoende lasverspreiding. Onvoldoende lasvorming, erge spatsels en ondersnyding is ook waargeneem. Met die toename in ossillasie-amplitude en -frekwensie, toon die lasoppervlak digte en eenvormige visskubbe. Die oppervlakruheid van sweislasse met ossillasie-amplitudes van 0.5 mm, 1 mm en 2 mm is onderskeidelik 80.71 μm, 49.63 μm en 31.12 μm. Daar is geen onreëlmatighede of uitsteeksels wat deur spatsels veroorsaak word nie. Die resultate dui daarop dat 'n hoër ossillasiefrekwensie lei tot meer gereelde vloei van die smeltpoel, 'n sterker roereffek van die laserstraal en 'n meer ideale lasoppervlak. Fundamenteel is die vorm van die laserlas oorsaaklik verwant aan die beweging van die laserstraal. Tydens sweiswerk verander veranderinge in ossillasie-amplitude en -frekwensie die sweisspoed, wat die lineêre energiedigtheid en totale hitte-invoer van die laser beïnvloed. Die dwarssnitmorfologie van die sweislas is "beker"-vormig, bestaande uit twee dele: die onderste deel is die "stam", en die boonste deel is die "bak". Die penetrasiediepte en die "stam" word onderskeidelik as H1 en H2 gedefinieer, en die breedtes van die sweislas ("bak") en die "stam" word onderskeidelik as W1 en W2 gedefinieer. Beide sweiswydtes W1 en W2 neem sinchroon toe met die toename van ossillasie-amplitude, en die sweismorfologie verander geleidelik van "beker"-vorm na "sekelvorm". Die maksimum laserenergiedigtheid verskyn by die trajekoorvleueling. As figure (b, d) en (c, e) vergelyk word, kan gesien word dat die toename in skanderingsfrekwensie die trajekoorvleuelingsarea langs die skanderingspad sal vergroot, wat die laserenergieverspreiding meer eenvormig sal maak. Die vermindering van die maksimum energiedigtheid sal egter lei tot 'n afname in sweisdiepte.

4.2 Gedrag van die gesmelte poel Om die invloed van die skanderingspad op die gedrag van die gesmelte poel te verduidelik, is 'n hoëspoed-kamerastelsel gebruik om die evolusieproses van die gesmelte poel en sleutelgat waar te neem. Figuur (a) toon die evolusieproses van die gesmelte poel onder 'n reguitlynpad. Figure (bf) is die evolusiediagramme van die gesmelte poel onder verskillende ossillasieparameters. Met die toename in ossillasiefrekwensie en -amplitude word die agterste gedeelte van die gesmelte poel meer afgerond as gevolg van die uitbreiding van die breedte van die gesmelte poel. Soos die lengte van die gesmelte poel toeneem, neem die oppervlakfluktuasie wat deur sleutelgatuitbarsting veroorsaak word, af tydens terugwaartse voortplanting. Daarom stol die gesmelte vloeibare metaal glad en gereeld aan die agterkant van die gesmelte poel, wat eenvormige en digte sweisvisskubbe vorm. Die figuur toon die verandering van die sleutelgatopeningarea tydens lasersweiswerk, wat afgelei is van die hoëspoed-fotografiebeelde van die gesmelte poel. Soos in Figuur (a) getoon, toon die sleutelgatopeninggrootte tydens reguitlynsweiswerk duidelike fluktuasies. Verskeie gevalle van sleutelgat-sluiting (0 mm²) is waargeneem, met 'n gemiddelde sleutelgat-openingsarea van 0.47 mm². Die toename in ossillasie-amplitude kan ook skommelinge verminder en stabiliteit verbeter. Dit is omdat 'n groter deel van die energie in ossillerende sweiswerk na beide kante versprei word. Daarom brei die uitlaat op die sleutelgat uit, en die ossillasie-amplitude neem toe, waardeur die openingsarea vergroot word. Die toename in amplitude vergroot die roerbereik van die laserstraal, wat lei tot die uitbreiding van die radius van die sleutelgat se periodieke beweging. As gevolg van die viskositeit van die gesmelte metaal en die hidrodinamiese druk wat naby die sleutelgatwand inwerk, vind wervelstroombeweging plaas in die sweissmeltpoel naby die sleutelgatopening. Die uitbreiding van die sleutelgatopeningsarea verbeter die stabiliteit daarvan, vermy die vorming van borrels en inhibeer dus porositeit aansienlik.

4.3 Mikrostruktuur Die figuur toon die EBSD-morfologie van die sweislas-dwarssnit onder verskillende ossillasiefrekwensies en amplitudes. Naby die smeltlyn van die lasersweislas groei kolomvormige dendrietkorrels na die sweismiddelpunt. Soos getoon in Figuur (a), kan tussen die "bak"- en "stam"-streke duidelike verskille in kolomvormige korrelverspreiding waargeneem word. Kolomvormige korrels is in 'n U-vorm langs die "bak"-wand versprei, terwyl in die "stam"-streek kolomvormige korrels in 'n U-vorm langs die smeltlyn versprei is. Tydens die stolling van die sweislas tree die gedeeltelik gestolde korrels in die smeltsone op as nukleasieplekke vir die stollingsfront en groei verkieslik loodreg op die smeltpoelgrens langs die rigting van die maksimum temperatuurgradiënt. Hierdie verskynsel vind plaas omdat die hoë drywingsdigtheid van die laser lei tot oorverhitting binne die sweispoel. Die hoër termiese gradiënt G en matige groeikoers R maak G/R groter as die drempel vir mikrostruktuurtransformasie, wat lei tot die vorming van kolomvormige korrels. Die temperatuurgradiënt G by die sweissentrum neem af, wat veroorsaak dat die G/R-verhouding geleidelik onder die mikrostruktuurtransformasiedrempel daal en oorgaan na gelykas-korrels. Gelykas-korrels is in die sentrale dele van beide die "bak" en "stingel" geleë. Aangesien die "stingel" van die sweislas smal en naby die basismateriaal is, stol dit volledig voor die "bak"-gebied tydens afkoeling. Die gestolde "stingel"-deel dien as 'n nukleasieplek aan die onderkant van die "bak", wat die opwaartse groei van kolomvormige korrels bevorder. Die figuur toon die reguitlyn- en ossillerende sweisprosesse. Daar word getoon dat die voortdurende verandering van die laserstraalposisie in laser-ossillerende sweising die lengte van die tussenliggende gesmelte poel sal verhoog, wat die reeds gestolde metaal weer sal smelt, wat lei tot 'n afname in die korrelgroeikoers r. Dit kan lei tot 'n afname in G/R in die onderste gelykas-korrelsone.

4.4 Porositeitsverspreiding Driedimensionele X-straaltomografie is gebruik om 'n omvattende inspeksie van die las uit te voer, wat die driedimensionele verspreiding van porieë in die las verkry het, soos in die figuur getoon. Porositeit word bereken as die totale volume van porieë gedeel deur die totale volume van die las. Deur die poriemorfologie en verspreiding van reguitlyn-laser-ossillerende lasse en sirkelvormige laser-ossillerende lasse te vergelyk, word gevind dat reguitlyn-laser-ossillerende lasse meer grootvolume porieë bevat, met 'n porositeit van 2.49%, wat aansienlik hoër is as dié van sirkelvormige.laser-ossillerende sweislasseDeur Figure (b, c) en (d, e) te vergelyk, kan gesien word dat die verhoging van die ossillasiefrekwensie help om die vorming van porieë te inhibeer. Deur Figure (b, d) en (c, e) te vergelyk, kan gesien word dat die toename in ossillasie-amplitude ook 'n beduidende rol speel in die inhibering van porievorming. Wanneer die ossillasie-amplitude verder verhoog word tot 2 mm (Figuur (f)), word die porositeit verder verminder tot 0.22%, wat slegs klein porieë met 'n klein volume oorlaat. Die figuur toon die porie-areaverspreiding op verskillende afstande vanaf die sweismiddellyn, wat die porositeit gebaseer op porie-areagrootte verteenwoordig. Vir reguitlynsweising is die porie-area simmetries versprei langs die sweismiddellyn, en neem geleidelik af met die toename in afstand vanaf die sweismiddellyn. Die resultate toon dat sleutelgat-geïnduseerde porieë hoofsaaklik agter die smeltpoel van die smeltbad by die sweismiddellyn gekonsentreer is. Vir laser-ossillerende sweising word die simmetrie van porieverspreiding swakker. Die figuur toon die porie-area op verskillende afstande vanaf die sweisoppervlak, waar die rooi lyn die grens tussen die "bak"- en "stingel"-streke verteenwoordig. In die geval van dominante groot porieë (Figure (ac)), maak die porie-area bokant die grens meer as 85% uit. Dit is omdat die kontoeroorgang by die lang itudinale grens meer geneig is om borrels in die sweispoel vas te vang, en die vasgekeerde borrels is geneig om opwaarts te migreer onder die invloed van dryfvermoë. In die geval van dominante klein porieë (Figure (df)), is die porieë gekonsentreer in die area binne 0.5 mm onder die grenslyn. Die kort afkoeltyd en klein opwaartse verplasing kan die redes vir hierdie verskynsel wees.

5 Gevolgtrekkings

(1) Verskillende laser-ossillasiemodusse het duidelike effekte op die sweisoppervlak. Hoër amplitude en frekwensie kan die oppervlakkwaliteit verbeter, terwyl buitensporig groot ossillasieparameters ruheid kan verhoog en konkawe defekte kan veroorsaak.

(2) Die lasvorm word hoofsaaklik bepaal deur laser-ossillasieparameters, wat die sweisspoed, energieverspreiding en totale hitte-invoer beïnvloed. Met die toename van ossillasie-amplitude verander die lasmorfologie van "beker" na "sekelvormig", en die aspekverhouding neem af.

(3) Met die toename in ossillasie-amplitude en -frekwensie word die smeltpoel wyer en die agterste gedeelte word afgerond. Die ossillasie-effek verhoog die lengte van die smeltpoel, wat voordelig is vir die ontsnapping van borrels en die eenvormige stolling. Tydens reguitlynsweising fluktueer die sleutelgat-openingsarea; relatief gesproke kan hierdie fluktuasie verminder word, wat die sweisstabiliteit verbeter.

(4) Verhoogde ossillasie-amplitude en -frekwensie verminder beide die termiese gradiënt en groeikoers, wat voordelig is vir die vorming van groot korrelgroottes. Die laserroereffek is egter bevorderlik vir die verfyning van korrelgrootte en die verbetering van tekstuursterkte. Onder verskillende laserparameters bly die lashardheid relatief stabiel, effens laer as dié van die basismateriaal, wat moontlik te wyte is aan die verdampingsverlies van magnesium.

(5) Driedimensionele X-straaltomografie toon dat reguitlynsweiswerk 'n hoër porositeit (2.49%) en 'n groter porievolume het as ossillerende sweiswerk. Verhoogde ossillasieparameters kan porositeit aansienlik verminder, selfs 0.22% bereik wanneer die amplitude 2 mm is. Die porie-areaverspreiding verskuif met ossillasie: groot porieë aggregeer agter die gesmelte poel, en klein porieë het beter simmetrie. Groot porieë is hoofsaaklik versprei bo die grens tussen die "bak"- en "stam"-streke, terwyl klein porieë onder die grens gekonsentreer is.