Лазерная сварка – Влияние параметров колебаний на лазерную сварку алюминиевых сплавов в регулируемом кольцевом режиме (ARM)

Лазерная сварка – Влияние параметров колебаний на лазерную сварку алюминиевых сплавов в регулируемом кольцевом режиме (ARM)

1. Аннотация

В данном исследовании изучается влияние амплитуды и частоты колебаний на качество поверхности, макро- и микроструктуру, а также пористость материала с регулируемым кольцевым режимом колебаний (ARM).лазерная осциллирующая сваркаПластины из алюминиевого сплава A5083. Результаты показывают, что с увеличением амплитуды и частоты колебаний качество поверхности сварного шва улучшается. По мере увеличения амплитуды поперечное сечение сварного шва трансформируется из «бокалообразной» формы в «полумесяцевидную». Микроструктурный анализ показывает, что размер зерна сварного шва не уменьшается с увеличением амплитуды и частоты колебаний из-за конкуренции между эффектом перемешивания и снижением скорости охлаждения. Пористость сварного шва уменьшается с увеличением параметров колебаний, достигая конечной пористости 0,22% при амплитуде 2 мм. Трехмерная рентгеновская томография дополнительно подтверждает влияние колебаний на распределение пор: крупные поры имеют тенденцию к агрегации за расплавленной ванной, в то время как мелкие поры демонстрируют лучшую симметрию. Данное исследование предоставляет ценные сведения для оптимизации параметров колебаний с целью достижения высококачественной лазерной сварки в алюминиевом сплаве A5083.

2. Отраслевой контекст

Алюминиевые сплавы обладают преимуществами малого веса, высокой удельной прочности и хорошей коррозионной стойкости, и широко используются в автомобильной, высокоскоростной железнодорожной, аэрокосмической и других отраслях промышленности. Лазерная сварка имеет преимущества высокой эффективности, малой зоны термического воздействия и малой деформации при сварке. Поэтому,Лазерная сварка — это экономичный метод сварки, подходящий для толстых пластин.Это позволяет значительно сократить количество сварочных проходов. Пористость является существенным дефектом лазерной сварки алюминиевых сплавов, серьезно влияющим на механические свойства сварных соединений. Поэтому были проведены обширные исследования по снижению и устранению образования пористости, включая оптимизацию защитного газа, применение двухлучевой технологии, использование систем модулированной мощности лазера и применение методов осциллирующего луча. Технология лазерной осциллирующей сварки выделяется своей способностью сочетать преимущества лазерной сварки со своими собственными характеристиками. Использование лазерной осциллирующей сварки позволяет не только снизить пористость, но и улучшить микроструктуру сварного шва и повысить его качество. Большое количество исследований в основном посвящено различным аспектам лазерной осциллирующей сварки, включая снижение пористости, оптимизацию распределения энергии, измельчение зернистой структуры и характеристику течения расплава в расплавленной ванне. Распределение лазерной энергии играет решающую роль в распределении температуры и глубине проплавления при лазерной сварке. При определенной амплитуде колебаний, с увеличением частоты сканирования, процесс сварки переходит от глубокопроплавленной сварки к нестабильной сварке и, наконец, к сварке с теплопроводностью. Результаты показывают, что увеличение амплитуды и частоты сканирования может уменьшить пористость, но также значительно уменьшить глубину проплавления сварного шва, тем самым снижая механические свойства сварного шва. В последние годы был разработан лазер с регулируемым кольцевым режимом (ARM), который разделяет энергию лазера на ядро ​​с высокой плотностью энергии и кольцо с низкой плотностью энергии, с целью стабилизации сквозного отверстия и улучшения качества сварки. Исследователи использовали лазерную сварку с ARM-осцилляцией для сварки высокопрочных алюминиевых сплавов 6xxx при различных соотношениях мощности ядра/кольца и ширине колебаний. Экспериментальные результаты показывают, что основным фактором, влияющим на геометрию сварного шва, является ширина колебаний, а не соотношение мощности ядра и кольца. Однако распределение пор и механизм их подавления при суперпозиции колебаний и ARM-лазера до сих пор не изучены. В данной работе используется новая технология лазерной осцилляционной сварки ARM для уменьшения пористости сварного шва, достижения большей глубины проплавления и улучшения качества сварного шва. Проведено всестороннее исследование распределения лазерной энергии, динамического поведения расплавленной ванны и микроструктуры при различных частотах и ​​амплитудах колебаний.

3. Экспериментальные цели и процедуры

Для сварки алюминиевых сплавов использовалась технология круговой лазерной осцилляционной сварки. В качестве основного материала (ОМ) использовался алюминиевый сплав 5083-O размерами 300 мм × 100 мм × 5 мм (длина × ширина × толщина), его химический состав приведен в таблице. Перед сваркой образцы полировали для удаления поверхностной оксидной пленки, затем очищали ацетоном в ультразвуковой ванне в течение 15 минут для удаления поверхностного масла.лазерная сварочная системаВ основном, система состоит из робота Kuka, дискового лазера TruDisk 8001 и 3D-сканера гальванометра PFO. Дисковый лазер TruDisk 8001 использовался в качестве регулируемого кольцевого лазерного источника с соотношением сердцевины/кольца волокна 100/400 мкм и максимальной выходной мощностью 8 кВт (длина волны 1030 нм, параметр качества пучка 4,0 мм·рад). Лазерный луч состоит из сердцевины и кольца, где лазер в центральной части сердцевины создает «замочную скважину» (60% энергии лазера), а лазер в кольце обеспечивает хорошее распределение температуры (40% энергии лазера), как показано на рисунке (b). Фокусные расстояния коллиматора и фокусирующей линзы составляют 138 мм и 450 мм соответственно. В процессе сварки для мониторинга процесса в реальном времени использовались высокоскоростная камера Phantom V1840 и высокочастотный источник света Cavilux со скоростью съемки 5000 кадров в секунду и временем экспозиции 1 мкс. В данном исследовании траектория колебаний кругового луча, траектория движения лазера и мгновенная скорость определены, как показано на рисунке.

4. Результаты и обсуждение

4.1 Характеристики морфологии сварного шва На рисунке показана морфология поверхности сварного шва при различных режимах лазерной осцилляции. Результаты показывают, что поверхность сварного шва при обычной прямолинейной сварке шероховатая (шероховатость 78,01 мкм), с плохой непрерывностью волнистости и недостаточным растеканием металла. Также наблюдалось недостаточное формирование сварного шва, сильное разбрызгивание и подрез. С увеличением амплитуды и частоты осцилляции поверхность сварного шва приобретает плотную и однородную чешую. Шероховатость поверхности сварных швов с амплитудой осцилляции 0,5 мм, 1 мм и 2 мм составляет 80,71 мкм, 49,63 мкм и 31,12 мкм соответственно. Неровностей или выступов, вызванных разбрызгиванием, не наблюдается. Результаты показывают, что более высокая частота осцилляции приводит к более равномерному течению расплавленной ванны, более сильному перемешивающему эффекту лазерного луча и более идеальной поверхности сварного шва. В основе своей форма лазерного шва причинно связана с движением лазерного луча. Во время сварки изменения амплитуды и частоты колебаний влияют на скорость сварки, тем самым воздействуя на линейную плотность энергии и общий подвод тепла лазера. Поперечное сечение сварного шва имеет форму «бокала» и состоит из двух частей: нижняя часть — «стержень», а верхняя — «чаша». Глубина проплавления и «стержень» обозначены как H1 и H2 соответственно, а ширина сварного шва («чаши») и «стержня» — как W1 и W2 соответственно. Обе ширины сварного шва W1 и W2 увеличиваются синхронно с увеличением амплитуды колебаний, и морфология сварного шва постепенно трансформируется из формы «бокала» в форму «полумесяца». Максимальная плотность энергии лазера достигается в точке перекрытия траекторий. Сравнивая рисунки (b, d) и (c, e), можно заметить, что увеличение частоты сканирования увеличивает площадь перекрытия траектории вдоль пути сканирования, что делает распределение энергии лазера более равномерным. Однако уменьшение максимальной плотности энергии приведет к уменьшению глубины сварки.

4.2 Поведение расплавленной ванны Для уточнения влияния траектории сканирования на поведение расплавленной ванны использовалась высокоскоростная система камер для наблюдения за процессом эволюции расплавленной ванны и сквозного отверстия. На рисунке (а) показан процесс эволюции расплавленной ванны при прямолинейном движении. На рисунках (бф) представлены диаграммы эволюции расплавленной ванны при различных параметрах колебаний. С увеличением частоты и амплитуды колебаний задняя часть расплавленной ванны становится более округлой из-за расширения ее ширины. По мере увеличения длины расплавленной ванны флуктуации поверхности, вызванные образованием сквозного отверстия, уменьшаются при обратном распространении. Таким образом, расплавленный жидкий металл плавно и равномерно затвердевает в задней части расплавленной ванны, образуя однородные и плотные сварные швы в виде «рыбьей чешуи». На рисунке показано изменение площади отверстия в процессе лазерной сварки, полученное из высокоскоростных фотоснимков расплавленной ванны. Как показано на рисунке (а), при прямолинейной сварке размер отверстия сварочной ванны демонстрирует явные колебания. Было отмечено несколько случаев закрытия сварочной ванны (0 мм²), при этом средняя площадь отверстия составляла 0,47 мм². Увеличение амплитуды колебаний также может уменьшить колебания и повысить стабильность. Это связано с тем, что при осциллирующей сварке большая часть энергии распределяется между обеими сторонами. Следовательно, выходное отверстие сварочной ванны расширяется, амплитуда колебаний увеличивается, тем самым увеличивая площадь отверстия. Увеличение амплитуды расширяет диапазон перемешивания лазерного луча, что приводит к расширению радиуса периодического движения сварочной ванны. Из-за вязкости расплавленного металла и гидродинамического давления, действующего вблизи стенки сварочной ванны, в сварочной ванне вблизи отверстия сварочной ванны происходит вихревое движение. Расширение площади отверстия сварочной ванны повышает ее стабильность, предотвращает образование пузырьков и, таким образом, значительно снижает пористость.

4.3 Микроструктура На рисунке показана морфология поперечного сечения сварного шва, полученная методом EBSD при различных частотах и ​​амплитудах колебаний. Вблизи линии сплавления лазерного сварного шва столбчатые дендритные зерна растут в направлении центра шва. Как показано на рисунке (а), между областями «чаши» и «стержня» наблюдаются явные различия в распределении столбчатых зерен. Столбчатые зерна распределены U-образно вдоль стенки «чаши», тогда как в области «стержня» столбчатые зерна распределены U-образно вдоль линии сплавления. Во время затвердевания сварного шва частично затвердевшие зерна в зоне сплавления действуют как центры зарождения фронта затвердевания и преимущественно растут перпендикулярно границе расплавленной ванны вдоль направления максимального температурного градиента. Это явление происходит потому, что высокая плотность мощности лазера приводит к перегреву внутри сварочной ванны. Более высокий температурный градиент G и умеренная скорость роста R приводят к тому, что G/R превышает пороговое значение для трансформации микроструктуры, что приводит к образованию столбчатых зерен. Температурный градиент G в центре сварного шва уменьшается, в результате чего отношение G/R постепенно падает ниже порога микроструктурной трансформации, переходя к равноосным зернам. Равноосные зерна расположены в центральных частях как «чаши», так и «стержня». Поскольку «стержень» сварного шва узкий и расположен близко к основному материалу, он полностью затвердевает раньше, чем область «чаши», во время охлаждения. Затвердевшая часть «стержня» действует как центр зарождения в нижней части «чаши», способствуя росту столбчатых зерен вверх. На рисунке показаны процессы прямолинейной и осциллирующей сварки. Показано, что непрерывное изменение положения лазерного луча при лазерной осциллирующей сварке увеличивает длину промежуточной расплавленной ванны, повторно расплавляя уже затвердевший металл, что приводит к уменьшению скорости роста зерен r. Это может привести к уменьшению отношения G/R ​​в нижней зоне равноосных зерен.

4.4 Распределение пористости Для проведения всестороннего контроля сварного шва использовалась трехмерная рентгеновская томография, в результате чего было получено трехмерное распределение пор в сварном шве, как показано на рисунке. Пористость рассчитывается как общий объем пор, деленный на общий объем сварного шва. Сравнивая морфологию и распределение пор в прямолинейных и круговых лазерно-осцилляционных сварных швах, было установлено, что прямолинейные лазерно-осцилляционные сварные швы содержат больше крупных пор, с пористостью 2,49%, что значительно выше, чем у круговых.лазерная осциллирующая сваркаСравнивая рисунки (b, c) и (d, e), можно увидеть, что увеличение частоты колебаний помогает подавлять образование пор. Сравнивая рисунки (b, d) и (c, e), можно увидеть, что увеличение амплитуды колебаний также играет значительную роль в подавлении образования пор. При дальнейшем увеличении амплитуды колебаний до 2 мм (рисунок (f)) пористость дополнительно снижается до 0,22%, оставляя только поры малого объема и малого размера. На рисунке показано распределение площади пор на разных расстояниях от центральной линии сварного шва, представляющее пористость в зависимости от размера площади пор. При прямолинейной сварке площадь пор симметрично распределена вдоль центральной линии сварного шва и постепенно уменьшается с увеличением расстояния от центральной линии сварного шва. Результаты показывают, что поры, образующиеся в результате образования сквозных отверстий, в основном концентрируются за расплавленной ванной на центральной линии сварного шва. При лазерной осцилляционной сварке симметрия распределения пор ослабевает. На рисунке показана площадь пор на разных расстояниях от поверхности сварного шва, где красная линия представляет собой границу между областями «чаши» и «стержня». В случае преобладания крупных пор (рисунки (ac)) площадь пор выше границы составляет более 85%. Это объясняется тем, что переход контура на длинной поперечной границе с большей вероятностью приводит к захвату пузырьков в сварочной ванне, и захваченные пузырьки имеют тенденцию перемещаться вверх под действием силы плавучести. В случае преобладания мелких пор (рисунки (df)) поры сконцентрированы в области в пределах 0,5 мм ниже линии границы. Короткое время охлаждения и небольшое смещение вверх могут быть причинами этого явления.

5. Выводы

(1) Различные режимы лазерной осцилляции оказывают очевидное влияние на поверхность сварного шва. Более высокая амплитуда и частота могут улучшить качество поверхности, в то время как чрезмерно большие параметры осцилляции могут увеличить шероховатость и вызвать вогнутые дефекты.

(2) Форма сварного шва в основном определяется параметрами лазерной осцилляции, которые влияют на скорость сварки, распределение энергии и общий подвод тепла. С увеличением амплитуды осцилляции морфология сварного шва изменяется от «бокаловидной» до «полумесяцевидной», а соотношение сторон уменьшается.

(3) С увеличением амплитуды и частоты колебаний расплавленная ванна становится шире, а задняя часть закругляется. Эффект колебаний увеличивает длину расплавленной ванны, что способствует выходу пузырьков и равномерному затвердеванию. При прямолинейной сварке площадь отверстия колеблется; относительно говоря, эти колебания можно уменьшить, повысив стабильность сварки.

(4) Увеличение амплитуды и частоты колебаний уменьшает как температурный градиент, так и скорость роста, что способствует формированию крупных зерен. Однако эффект лазерного перемешивания способствует измельчению зерен и улучшению прочности текстуры. При различных параметрах лазера твердость сварного шва остается относительно стабильной, немного ниже, чем у основного материала, что может быть связано с потерями магния в результате испарения.

(5) Трехмерная рентгеновская томография показывает, что прямолинейная сварка имеет более высокую пористость (2,49%) и больший объем пор, чем осциллирующая сварка. Увеличение параметров осцилляции может значительно снизить пористость, достигая даже 0,22% при амплитуде 2 мм. Распределение площади пор смещается с осцилляцией: крупные поры агрегируются за расплавленной ванной, а мелкие поры обладают лучшей симметрией. Крупные поры в основном распределены выше границы между областями «чаши» и «стебля», в то время как мелкие поры концентрируются ниже этой границы.