Laserkeevitus – võnkeparameetrite mõju alumiiniumisulamite reguleeritava rõngasrežiimiga (ARM) laserkeevitusele

Laserkeevitus – võnkeparameetrite mõju alumiiniumisulamite reguleeritava rõngasrežiimiga (ARM) laserkeevitusele

1. Kokkuvõte

See uuring uurib võnkumisamplituudi ja -sageduse mõju reguleeritava rõngasrežiimi (ARM) pinna kvaliteedile, makro- ja mikrostruktuuridele ning poorsusele.laservõnkumisega keevitatudA5083 alumiiniumsulamist plaadid. Tulemused näitavad, et võnke amplituudi ja sageduse suurenemisega paraneb keevisõmbluse pinna kvaliteet. Amplituudi suurenedes muutub keevisõmbluse ristlõige "pokaali" kujust "poolkuu" kujuks. Mikrostruktuuri analüüs näitab, et keevisõmbluse tera suurus ei vähene võnke amplituudi ja sageduse suurenemisega segamisefekti ja jahutuskiiruse vähenemise vahelise konkurentsi tõttu. Keevisõmbluse poorsus väheneb võnkeparameetrite suurenemisega, saavutades lõpliku poorsuse 0,22%, kui amplituud on 2 mm. Kolmemõõtmeline röntgentomograafia kinnitab veelgi võnkumise mõju pooride jaotusele: suured poorid kipuvad sulavanni taha agregeeruma, samas kui väikesed poorid näitavad paremat sümmeetriat. See uuring annab väärtuslikke teadmisi võnkeparameetrite optimeerimiseks, et saavutada A5083 alumiiniumisulamist rakendustes kvaliteetne laserkeevitus.

2 Tööstusharu taust

Alumiiniumsulamitel on eelised kerge kaal, kõrge eritugevus ja hea korrosioonikindlus ning neid kasutatakse laialdaselt autotööstuses, kiirraudteel, lennunduses ja muudes tööstusharudes. Laserkeevituse eelised on kõrge efektiivsus, väike kuummõjutsoon ja väike keevitusdeformatsioon. Seetõttu...Laserkeevitus on ökonoomne keevitusmeetod, mis sobib paksude plaatide jaoks, mis võib oluliselt vähendada keevisõmbluste arvu. Poorsus on alumiiniumisulamite laserkeevituse oluline defekt, mis mõjutab tõsiselt keevisliidete mehaanilisi omadusi. Seetõttu on poorsuse tekke vähendamiseks ja kõrvaldamiseks läbi viidud ulatuslikke uuringuid, sealhulgas kaitsegaasi optimeerimine, kahekiirelise tehnoloogia rakendamine, moduleeritud laservõimsussüsteemide kasutamine ja võnkekiire meetodite kasutuselevõtt. Laser-ostsillatsiooniga keevitustehnoloogia paistab silma oma võime poolest ühendada laserkeevituse eelised oma omadustega. Laser-ostsillatsiooniga keevitamise abil saab mitte ainult vähendada poorsust, vaid ka parandada keevisõmbluse mikrostruktuuri ja parandada keevituse kvaliteeti. Suur hulk uuringuid on keskendunud peamiselt laser-ostsillatsiooniga keevitamise erinevatele aspektidele, sealhulgas poorsuse vähendamisele, energiajaotuse optimeerimisele, terastruktuuri täiustamisele ja sulavanni sulavoo iseloomustamisele. Laserenergia jaotus mängib olulist rolli laserkeevituse temperatuurijaotuses ja läbitungimissügavuses. Teatud võnkeamplituudi korral, skaneerimissageduse suurenemisega, läheb keevitusprotsess üle sügavast läbitungimiskeevitusest ebastabiilsele keevitamisele ja lõpuks soojusjuhtivusega keevitamisele. Tulemused näitavad, et skaneerimise amplituudi ja sageduse suurendamine võib vähendada poorsust, aga ka oluliselt vähendada keevisõmbluse läbitungimissügavust, vähendades seeläbi keevisõmbluse mehaanilisi omadusi. Viimastel aastatel on välja töötatud reguleeritava rõngasrežiimiga (ARM) laser, mis jagab laseri energia suure energiatihedusega südamikuks ja madala energiatihedusega rõngaks, eesmärgiga stabiliseerida võtmeauku ja parandada keevituse kvaliteeti. Teadlased on kasutanud ARM-laser-ostsillatsioonikeevitust 6xxx ülitugevate alumiiniumisulamite keevitamiseks erinevate südamiku/rõnga võimsussuhete ja võnkelaiuste korral. Eksperimentaalsed tulemused näitavad, et keevisõmbluse geomeetriat mõjutab peamiselt võnke laius, mitte südamiku-rõnga võimsussuhe. Pooride jaotust ja selle pärssimismehhanismi võnkumise ja ARM-laseri superpositsiooni korral pole aga uuritud. Selles artiklis võetakse kasutusele uus ARM-laser-ostsillatsioonikeevituse tehnoloogia, et vähendada keevisõmbluse poorsust, saavutada suurem läbitungimissügavus ja parem keevisõmbluse kvaliteet. Viidi läbi põhjalik uuring laseri energia jaotuse, sulavanni dünaamilise käitumise ja mikrostruktuuri kohta erinevate võnkesageduste ja -amplituudide korral.

3. Katse eesmärgid ja protseduurid

Alumiiniumsulamite keevitamiseks kasutati ringlaser-ostsillatsioonikeevituse tehnoloogiat. Alusmaterjaliks (BM) oli 5083-O alumiiniumisulam mõõtmetega 300 mm × 100 mm × 5 mm (pikkus × laius × paksus) ja selle keemiline koostis on esitatud tabelis. Enne keevitamist poleeriti proove pinnaoksiidikihi eemaldamiseks ja seejärel puhastati neid 15 minutit ultrahelivannis atsetooniga pinnaõli eemaldamiseks.laserkeevitussüsteemKoosneb peamiselt Kuka robotist, TruDisk 8001 ketaslaserist ja 3D PFO galvanomeetri skannerist. TruDisk 8001 ketaslaserit kasutati reguleeritava rõngasrežiimiga laserallikana, mille südamiku/rõnga kiudude suhe on 100/400 μm ja maksimaalne väljundvõimsus 8 kW (lainepikkus 1030 nm, kiire kvaliteediparameeter 4,0 mm·rad). Laserkiir koosneb südamikust ja rõngasosast, kusjuures tsentraalses südamikus olev laser tekitab võtmeaugu (60% laseri energiast) ja rõngasosas olev laser tagab hea temperatuurijaotuse (40% laseri energiast), nagu on näidatud joonisel (b). Kollimaatori ja fokuseeriva läätse fookuskaugused on vastavalt 138 mm ja 450 mm. Keevitusprotsessi ajal jälgiti keevitusprotsessi reaalajas Phantom V1840 kiirkaamerat ja Cavilux kõrgsagedusvalgusallikat, pildistamiskiirusega 5000 kaadrit sekundis ja säriajaga 1 μs. Käesolevas uuringus on ringikujulise kiire võnkumise trajektoor, laseri liikumistee ja hetkeline kiirus määratletud vastavalt joonisele.

4 Tulemused ja arutelu

4.1 Keevisõmbluse morfoloogia Joonisel on näidatud keevisõmbluse pinna morfoloogia erinevate laserostsillatsioonirežiimide korral. Tulemused näitavad, et tavapärase sirgjoonelise keevituse keevisõmbluse pind on kare (karedus 78,01 μm), keevisõmbluse lainete järjepidevus on halb ja keevisõmbluse laius ebapiisav. Samuti täheldati ebapiisavat keevisõmbluse moodustumist, tugevat pritsmeid ja altlõiget. Võnkeamplituudi ja -sageduse suurenemisega ilmnevad keevisõmbluse pinnal tihedad ja ühtlased kalasoomused. 0,5 mm, 1 mm ja 2 mm võnkeamplituudiga keevisõmbluse pinna karedus on vastavalt 80,71 μm, 49,63 μm ja 31,12 μm. Pritsmetest tingitud ebakorrapärasusi ega eendeid ei esine. Tulemused näitavad, et kõrgem võnkesagedus viib ühtlasema sulavanni vooluni, laserkiire tugevama segava efekti ja ideaalsema keevisõmbluse pinnani. Põhimõtteliselt on laserkeevituse kuju põhjuslikus seoses laserkiire liikumisega. Keevitamise ajal muudavad võnkumise amplituudi ja sageduse muutused keevituskiirust, mõjutades seeläbi laseri lineaarset energiatihedust ja kogu soojussisendit. Keevisõmbluse ristlõike morfoloogia on "pokaali" kujuline, mis koosneb kahest osast: alumine osa on "vars" ja ülemine osa on "kauss". Läbitungimissügavus ja "vars" on defineeritud vastavalt kui H1 ja H2 ning keevisõmbluse ("kauss") ja "varre" laiused on defineeritud vastavalt kui W1 ja W2. Mõlema keevisõmbluse laius W1 ja W2 suurenevad sünkroonselt võnkumise amplituudi suurenemisega ning keevisõmbluse morfoloogia muutub järk-järgult "pokaali" kujust "poolkuu" kujuks. Maksimaalne laseri energiatihedus ilmneb trajektoori kattumisel. Jooniste (b, d) ja (c, e) võrdlemisel on näha, et skaneerimissageduse suurenemine suurendab trajektoori kattuvusala piki skaneerimisteed, muutes laseri energiajaotuse ühtlasemaks. Maksimaalse energiatiheduse vähendamine aga vähendab keevisõmbluse sügavust.

4.2 Sulabasseini käitumine Skaneerimise teekonna mõju selgitamiseks sulabasseini käitumisele kasutati sulabasseini ja võtmeaugu evolutsiooniprotsessi jälgimiseks kiire kaamerasüsteemi. Joonis (a) näitab sulabasseini evolutsiooniprotsessi sirgjoonelisel teel. Joonistel (bf) on kujutatud sulabasseini evolutsioonidiagrammid erinevate võnkeparameetrite korral. Võnkesageduse ja amplituudi suurenemisega muutub sulabasseini tagumine osa ümaramaks sulabasseini laiuse laienemise tõttu. Sulabasseini pikkuse suurenedes väheneb võtmeaugu purskest põhjustatud pinna kõikumine tagasi levimise ajal. Seetõttu tahkestub sula vedel metall sujuvalt ja korrapäraselt sulabasseini tagumises otsas, moodustades ühtlaseid ja tihedaid keevissoomuseid. Joonis näitab võtmeaugu ava pindala muutust laserkeevituse ajal, mis on tuletatud sulabasseini kiirelt pildistatud piltidest. Nagu joonisel (a) näidatud, näitab võtmeaugu ava suurus sirgjoonelise keevitamise ajal ilmseid kõikumisi. Täheldati mitmeid võtmeaugu sulgumise juhtumeid (0 mm²), keskmise võtmeaugu ava pindalaga 0,47 mm². Võnkumise amplituudi suurenemine võib samuti vähendada kõikumisi ja parandada stabiilsust. See on tingitud asjaolust, et võnkuva keevituse korral jaotub suurem osa energiast mõlemale poolele. Seetõttu laieneb võtmeaugu väljalaskeava ja võnkumise amplituud suureneb, suurendades seeläbi ava pindala. Amplituudi suurenemine laiendab laserkiire segamisvahemikku, mis omakorda suurendab võtmeaugu perioodilise liikumise raadiust. Sulametalli viskoossuse ja võtmeaugu seina lähedal mõjuva hüdrodünaamilise rõhu tõttu tekib võtmeaugu ava lähedal keevitussulavannis pöörisvoolu liikumine. Võtmeaugu ava pindala laienemine suurendab selle stabiilsust, hoiab ära mullide tekkimise ja seega pärsib oluliselt poorsust.

4.3 Mikrostruktuur Joonisel on näidatud keevisõmbluse ristlõike EBSD morfoloogia erinevate võnkesageduste ja amplituudide korral. Laserkeevituse sulamisjoone lähedal kasvavad sammasjad dendriitiderad keevisõmbluse keskpunkti suunas. Nagu joonisel (a) näidatud, on „kausi“ ja „varre“ piirkondade vahel sammasterade jaotuses märgatavaid erinevusi. Sammasjad terad on jaotunud U-kujuliselt piki „kausi“ seina, samas kui „varre“ piirkonnas on sammasjad terad jaotunud U-kujuliselt piki sulamisjoont. Keevisõmbluse tahkumise ajal toimivad sulamistsoonis osaliselt tahkestunud terad tahkumisfrondi tuumastumiskohtadena ja kasvavad eelistatavalt risti sulavanni piiriga maksimaalse temperatuurigradiendi suunas. See nähtus tekib seetõttu, et laseri suur võimsustihedus viib keevisvanni ülekuumenemiseni. Kõrgem termiline gradient G ja mõõdukas kasvukiirus R muudavad G/R suhte suuremaks kui mikrostruktuuri transformatsiooni lävi, mille tulemuseks on sammasjate terade moodustumine. Keevituse keskmes temperatuurigradient G väheneb, põhjustades G/R suhte järkjärgulist langust alla mikrostruktuuri muundumise läve, minnes üle võrdteljelistele teradele. Võrdteljelised terad asuvad nii "kausi" kui ka "tüve" keskosades. Kuna keevisõmbluse "tüvi" on kitsas ja alusmaterjali lähedal, tahkestub see jahtumise ajal täielikult enne "kaussi" piirkonda. Tahkunud "tüve" osa toimib "kausi" põhjas tuumastumiskohana, soodustades sammasterade ülespoole kasvu. Joonisel on näidatud sirgjooneline ja võnkuv keevitusprotsess. On näidatud, et laserkiire asukoha pidev muutmine laserostsillatsiooniga keevitamisel suurendab vahepealse sulavanni pikkust, sulatades uuesti juba tahkestunud metalli, mille tulemuseks on terade kasvukiiruse r vähenemine. See võib viia G/R suhte vähenemiseni alumises võrdteljelises teratsoonis.

4.4 Poorsuse jaotus Keevisõmbluse põhjalikuks kontrollimiseks kasutati kolmemõõtmelist röntgentomograafiat, mille abil saadi keevisõmbluse pooride kolmemõõtmeline jaotus, nagu on näidatud joonisel. Poorsus arvutatakse pooride kogumahu jagamisel keevisõmbluse kogumahuga. Sirgjooneliste laserostsillatsiooniga keevisõmbluse ja ringlõikeliste laserostsillatsiooniga keevisõmbluse pooride morfoloogia ja jaotuse võrdlemisel leiti, et sirgjooneliste laserostsillatsiooniga keevisõmblustel on rohkem suuremahulisi poore, mille poorsus on 2,49%, mis on oluliselt suurem kui ringlõikelistel keevisõmblustel.laservõnkumisega keevisõmblusedJooniste (b, c) ja (d, e) võrdlemisel on näha, et võnkesageduse suurendamine aitab pooride teket pärssida. Jooniste (b, d) ja (c, e) võrdlemisel on näha, et ka võnkeamplituudi suurendamine mängib olulist rolli pooride moodustumise pärssimisel. Kui võnkeamplituudi suurendatakse veelgi 2 mm-ni (joonis (f)), väheneb poorsus veelgi 0,22%-ni, jättes alles vaid väikesemahulised ja väikesed poorid. Joonisel on kujutatud pooride pindala jaotust keevisõmbluse keskjoonest erinevatel kaugustel, mis esindab poorsust pooride pindala suuruse põhjal. Sirgjoonelise keevituse korral on pooride pindala jaotunud sümmeetriliselt piki keevisõmbluse keskjoont ja väheneb järk-järgult kauguse suurenemisega keevisõmbluse keskjoonest. Tulemused näitavad, et võtmeaugu tekitatud poorid koonduvad peamiselt sulavanni taha keevisõmbluse keskjoonel. Laserostsillatsiooniga keevituse korral muutub pooride jaotuse sümmeetria nõrgemaks. Joonisel on näidatud pooride pindala keevisõmbluse pinnast erinevatel kaugustel, kus punane joon tähistab „kausi“ ja „varre“ piirkondade vahelist piiri. Domineerivate suurte pooride puhul (joonised (ac)) moodustab pooride pindala piiri kohal üle 85%. See on tingitud asjaolust, et kontuuri üleminek pikal pooride piiril püüab tõenäolisemalt mulle keevisvanni kinni ja lõksus olevad mullid kipuvad ujuvuse mõjul ülespoole liikuma. Domineerivate väikeste pooride puhul (joonised (df)) on poorid koondunud piirjoonest 0,5 mm allapoole jäävale alale. Selle nähtuse põhjuseks võivad olla lühike jahutusaeg ja väike nihe ülespoole.

5 Järeldused

(1) Erinevatel laserostsillatsioonirežiimidel on keevisõmbluse pinnale ilmne mõju. Suurem amplituud ja sagedus võivad parandada pinna kvaliteeti, samas kui liiga suured võnkeparameetrid võivad suurendada karedust ja põhjustada nõgusdefekte.

(2) Keevisõmbluse kuju määratakse peamiselt laserostsillatsiooni parameetrite abil, mis mõjutavad keevituskiirust, energiajaotust ja kogu soojussisendit. Võnkeamplituudi suurenemisega muutub keevisõmbluse morfoloogia „karikast“ „poolkuuks“ ja kuvasuhe väheneb.

(3) Võnkumise amplituudi ja sageduse suurenemisega muutub sulavann laiemaks ja tagumine osa ümardatuks. Võnkumisefekt suurendab sulavanni pikkust, mis on kasulik mullide väljumiseks ja ühtlaseks tahkumiseks. Sirgjoonelise keevitamise ajal keevitusava ava pindala kõigub; suhteliselt öeldes saab seda kõikumist vähendada, parandades keevituse stabiilsust.

(4) Võnkumise amplituudi ja sageduse suurendamine vähendab nii termilist gradienti kui ka kasvukiirust, mis on kasulik suurte terasuuruste moodustumiseks. Laseri segamisefekt soodustab aga terasuuruse täpsustamist ja tekstuuri tugevuse parandamist. Erinevate laserparameetrite korral jääb keevisõmbluse kõvadus suhteliselt stabiilseks, veidi madalamaks kui alusmaterjalil, mis võib olla tingitud magneesiumi aurustumiskadudest.

(5) Kolmemõõtmeline röntgentomograafia näitab, et sirgjoonelisel keevitamisel on suurem poorsus (2,49%) ja suurem pooride maht kui võnkeevitamisel. Võnkeparameetrite suurendamine võib poorsust oluliselt vähendada, ulatudes isegi 0,22%-ni, kui amplituud on 2 mm. Pooride pindala jaotus nihkub võnkumisega: suured poorid agregeeruvad sulavanni taha ja väikestel pooridel on parem sümmeetria. Suured poorid paiknevad peamiselt „kausi“ ja „varre“ piirkondade vahelise piiri kohal, väikesed poorid aga koonduvad piiri alla.