Lasersko varjenje – vpliv oscilacijskih parametrov na lasersko varjenje aluminijevih zlitin z nastavljivim obročastim načinom (ARM)

Lasersko varjenje – vpliv oscilacijskih parametrov na lasersko varjenje aluminijevih zlitin z nastavljivim obročastim načinom (ARM)

1. Povzetek

Ta študija raziskuje vplive amplitude in frekvence nihanja na kakovost površine, makro in mikrostrukture ter poroznost nastavljivega obročastega načina (ARM).lasersko oscilacijsko varjenjePlošče iz aluminijeve zlitine A5083. Rezultati kažejo, da se z naraščanjem amplitude in frekvence nihanja izboljša kakovost varjene površine. Z naraščanjem amplitude se prečni prerez vara spremeni iz "pehaste" oblike v "polmesec". Mikrostrukturna analiza kaže, da se velikost zrn vara ne zmanjšuje z naraščanjem amplitude in frekvence nihanja zaradi tekmovanja med učinkom mešanja in zmanjšanjem hitrosti hlajenja. Poroznost vara se zmanjšuje z naraščanjem parametrov nihanja in doseže končno poroznost 0,22 %, ko je amplituda 2 mm. Tridimenzionalna rentgenska tomografija dodatno potrjuje vpliv nihanja na porazdelitev por: velike pore se ponavadi agregirajo za staljeno kadjo, medtem ko majhne pore kažejo boljšo simetrijo. Ta raziskava ponuja dragocene vpoglede za optimizacijo parametrov nihanja za doseganje visokokakovostnega laserskega varjenja pri aplikacijah iz aluminijeve zlitine A5083.

2 Ozadje industrije

Aluminijeve zlitine imajo prednosti majhne teže, visoke specifične trdnosti in dobre odpornosti proti koroziji ter se pogosto uporabljajo v avtomobilski, hitri železniški, letalski in drugi industriji. Lasersko varjenje ima prednosti visoke učinkovitosti, majhnega območja vpliva toplote in majhne deformacije varjenja. Zato,Lasersko varjenje je ekonomična metoda varjenja, primerna za debele plošče, kar lahko močno zmanjša število varilnih prehodov. Poroznost je pomembna napaka pri laserskem varjenju aluminijevih zlitin, ki resno vpliva na mehanske lastnosti varjenih spojev. Zato so bile izvedene obsežne študije za zmanjšanje in odpravo nastajanja poroznosti, vključno z optimizacijo zaščitnega plina, uporabo tehnologije dvojnega žarka, uporabo moduliranih laserskih močnostnih sistemov in uporabo metod oscilacijskega žarka. Tehnologija laserskega oscilacijskega varjenja izstopa po svoji sposobnosti združevanja prednosti laserskega varjenja s svojimi lastnostmi. Uporaba laserskega oscilacijskega varjenja lahko ne le zmanjša poroznost, temveč tudi izboljša mikrostrukturo zvara in izboljša kakovost zvara. Veliko število študij se je osredotočilo predvsem na različne vidike laserskega oscilacijskega varjenja, vključno z zmanjšanjem poroznosti, optimizacijo porazdelitve energije, izboljšanjem strukture zrn in karakterizacijo toka taline v staljeni talini. Porazdelitev laserske energije igra ključno vlogo pri porazdelitvi temperature in globini prodiranja laserskega varjenja. Pri določeni amplitudi nihanja, s povečanjem frekvence skeniranja, varilni postopek prehaja iz varjenja z globokim prodiranjem v nestabilno varjenje in končno v varjenje s toplotno prevodnostjo. Rezultati kažejo, da lahko povečanje amplitude in frekvence skeniranja zmanjša poroznost, hkrati pa znatno zmanjša globino prodiranja varjenja, s čimer se zmanjšajo mehanske lastnosti varjenja. V zadnjih letih je bil razvit laser z nastavljivim obročastim načinom (ARM), ki lasersko energijo deli na jedro z visoko gostoto energije in obroč z nizko gostoto energije, s ciljem stabilizacije ključavnice in izboljšanja kakovosti varjenja. Raziskovalci so uporabili oscilacijsko varjenje z ARM laserjem za varjenje visokotrdnostnih aluminijevih zlitin 6xxx pri različnih razmerjih moči jedro/obroč in širinah nihanja. Eksperimentalni rezultati kažejo, da je glavni dejavnik, ki vpliva na geometrijo varjenja, širina nihanja in ne razmerje moči jedro-obroč. Vendar pa porazdelitev por in njen mehanizem zaviranja pri superpoziciji nihanja in ARM laserja še nista bila preučena. V tem članku je uporabljena nova tehnologija oscilacijskega varjenja z ARM laserjem za zmanjšanje poroznosti varjenja, doseganje večje globine prodiranja in boljše kakovosti varjenja. Izvedena je celovita študija o porazdelitvi laserske energije, dinamičnem obnašanju staljene talilne kadi in mikrostrukturi pri različnih frekvencah in amplitudah nihanja.

3. Eksperimentalni cilji in postopki

Za varjenje aluminijevih zlitin je bila uporabljena tehnologija krožnega laserskega oscilacijskega varjenja. Osnovni material (BM) je bila aluminijeva zlitina 5083-O z dimenzijami 300 mm × 100 mm × 5 mm (dolžina × širina × debelina), njena kemična sestava pa je prikazana v tabeli. Pred varjenjem so bili vzorci polirani, da se je odstranil površinski oksidni film, nato pa so bili 15 minut očiščeni z acetonom v ultrazvočni kopeli, da se je odstranilo površinsko olje.laserski varilni sistemv glavnem sestavljajo robot Kuka, diskovni laser TruDisk 8001 in 3D PFO galvanometrični skener. Kot nastavljiv laserski vir obročastega načina je bil uporabljen diskovni laser TruDisk 8001 z razmerjem med jedrom in obročastim vlaknom 100/400 μm in največjo izhodno močjo 8 kW (valovna dolžina 1030 nm, parameter kakovosti žarka 4,0 mm·rad). Laserski žarek je sestavljen iz jedra in obročastega dela, kjer laser v osrednjem jedru ustvari ključavnico (60 % laserske energije), laser v obroču pa zagotavlja dobro porazdelitev temperature (40 % laserske energije), kot je prikazano na sliki (b). Goriščni razdalji kolimatorja in fokusne leče sta 138 mm oziroma 450 mm. Med varjenjem sta bila za spremljanje varilnega procesa v realnem času uporabljena visokohitrostna kamera Phantom V1840 in visokofrekvenčni svetlobni vir Cavilux, s hitrostjo snemanja 5000 sličic na sekundo in časom osvetlitve 1 μs. V tej študiji so trajektorija nihanja krožnega žarka, pot gibanja laserja in trenutna hitrost definirane, kot je prikazano na sliki.

4 Rezultati in razprava

4.1 Značilnosti morfologije zvara Morfologija varjene površine pri različnih načinih laserskega nihanja je prikazana na sliki. Rezultati kažejo, da je varjena površina pri konvencionalnem ravnem varjenju hrapava (hrapavost 78,01 μm), s slabo kontinuiteto valovanja zvara in nezadostnim razprševanjem zvara. Opazili so tudi nezadostno oblikovanje zvara, močno brizganje in spodrezovanje. Z naraščanjem amplitude in frekvence nihanja ima varjena površina goste in enakomerne ribje luske. Hrapavost površine zvarov z amplitudami nihanja 0,5 mm, 1 mm in 2 mm je 80,71 μm, 49,63 μm oziroma 31,12 μm. Ni nepravilnosti ali izboklin, ki bi jih povzročalo brizganje. Rezultati kažejo, da višja frekvenca nihanja vodi do bolj enakomernega toka staljene taline, močnejšega mešalnega učinka laserskega žarka in bolj idealne varjene površine. V osnovi je oblika laserskega zvara vzročno povezana z gibanjem laserskega žarka. Med varjenjem spremembe amplitude in frekvence nihanja spreminjajo hitrost varjenja, s čimer vplivajo na linearno gostoto energije in skupni vnos toplote laserja. Prečni prerez zvara je v obliki "peharja", sestavljen iz dveh delov: spodnji del je "steblo" in zgornji del je "skodela". Globina prodiranja in "steblo" sta definirana kot H1 in H2, širina zvara ("skodela") in "stebla" pa sta definirani kot W1 in W2. Obe širini zvara, W1 in W2, se sinhrono povečujeta z naraščanjem amplitude nihanja, morfologija zvara pa se postopoma preoblikuje iz oblike "peharja" v obliko "polmeseca". Največja gostota laserske energije se pojavi na prekrivanju poti skeniranja. Če primerjamo slike (b, d) in (c, e), je razvidno, da povečanje frekvence skeniranja poveča območje prekrivanja poti vzdolž poti skeniranja, zaradi česar je porazdelitev laserske energije bolj enakomerna. Vendar pa zmanjšanje največje gostote energije povzroči zmanjšanje globine zvara.

4.2 Obnašanje staljene lokve Za pojasnitev vpliva poti skeniranja na obnašanje staljene lokve je bil uporabljen sistem hitrih kamer za opazovanje procesa razvoja staljene lokve in ključavnice. Slika (a) prikazuje proces razvoja staljene lokve pod ravno črto. Sliki (bf) sta diagrama razvoja staljene lokve pri različnih parametrih nihanja. Z naraščanjem frekvence in amplitude nihanja zadnji del staljene lokve postane bolj zaobljen zaradi širitve staljene lokve. Z naraščanjem dolžine staljene lokve se nihanje površine, ki ga povzroča izbruh ključavnice, med širjenjem nazaj zmanjšuje. Zato se staljena tekoča kovina gladko in enakomerno strdi na zadnjem koncu staljene lokve, pri čemer tvori enakomerne in goste varilne ribje luske. Slika prikazuje spremembo površine odprtine ključavnice med laserskim varjenjem, ki izhaja iz visokohitrostnih fotografskih slik staljene lokve. Kot je prikazano na sliki (a), med ravnim varjenjem velikost odprtine ključavnice kaže očitna nihanja. Opazili so več primerov zapiranja ključavnice (0 mm²), s povprečno površino odprtine ključavnice 0,47 mm². Povečanje amplitude nihanja lahko tudi zmanjša nihanja in izboljša stabilnost. To je zato, ker se pri nihajnem varjenju večji delež energije porazdeli na obe strani. Zato se izhod na ključavnici razširi in amplituda nihanja se poveča, s čimer se poveča površina odprtine. Povečanje amplitude razširi območje mešanja laserskega žarka, kar vodi do povečanja polmera periodičnega gibanja ključavnice. Zaradi viskoznosti staljene kovine in hidrodinamičnega tlaka, ki deluje v bližini stene ključavnice, se v varilni staljeni talini v bližini odprtine ključavnice pojavi gibanje vrtinčnih tokov. Razširitev površine odprtine ključavnice poveča njeno stabilnost, prepreči nastanek mehurčkov in s tem znatno zavira poroznost.

4.3 Mikrostruktura Slika prikazuje EBSD morfologijo prečnega prereza zvara pri različnih frekvencah in amplitudah nihanja. V bližini talilne linije laserskega zvara rastejo stebrasta dendritna zrna proti središču zvara. Kot je prikazano na sliki (a), je mogoče opaziti očitne razlike v porazdelitvi stebrastih zrn med območjem "sklede" in "stebla". Stebrasta zrna so porazdeljena v obliki črke U vzdolž stene "sklede", medtem ko so v območju "stebla" stebrasta zrna porazdeljena v obliki črke U vzdolž talilne linije. Med strjevanjem zvara delno strjena zrna v talilnem območju delujejo kot mesta nukleacije za fronto strjevanja in prednostno rastejo pravokotno na mejo staljene kadi vzdolž smeri največjega temperaturnega gradienta. Do tega pojava pride, ker visoka gostota moči laserja povzroči pregrevanje znotraj varilne kadi. Višji toplotni gradient G in zmerna hitrost rasti R povzročita, da je G/R večje od praga za transformacijo mikrostrukture, kar povzroči nastanek stebrastih zrn. Temperaturni gradient G v središču zvara se zmanjša, zaradi česar razmerje G/R postopoma pade pod prag transformacije mikrostrukture in preide v enakoosna zrna. Enakoosna zrna se nahajajo v osrednjih delih tako "skodelice" kot "stebla". Ker je "steblo" zvara ozko in blizu osnovnega materiala, se med ohlajanjem popolnoma strdi pred območjem "skodelice". Strjeni del "stebla" deluje kot mesto nukleacije na dnu "skodelice", kar spodbuja rast stebrastih zrn navzgor. Slika prikazuje premočrtni in oscilacijski postopek varjenja. Pokazano je, da bo nenehna sprememba položaja laserskega žarka pri laserskem oscilacijskem varjenju povečala dolžino vmesne taline, kar bo ponovno talilo že strjeno kovino, kar bo povzročilo zmanjšanje hitrosti rasti zrn r. To lahko povzroči zmanjšanje G/R v spodnjem območju enakoosnega zrna.

4.4 Porazdelitev poroznosti Za celovit pregled zvara je bila uporabljena tridimenzionalna rentgenska tomografija, pri kateri je bila pridobljena tridimenzionalna porazdelitev por v zvaru, kot je prikazano na sliki. Poroznost se izračuna kot skupni volumen por, deljen s skupnim volumnom zvara. S primerjavo morfologije in porazdelitve por pri ravnem lasersko oscilirajočem varjenju in krožnem lasersko oscilirajočem varjenju je bilo ugotovljeno, da ravne lasersko oscilirajoče varjenje vsebuje več por z velikim volumnom, s poroznostjo 2,49 %, kar je bistveno več kot pri krožnem varjenju.laserski oscilacijski varilni zvariČe primerjamo slike (b, c) in (d, e), je razvidno, da povečanje frekvence nihanja pomaga zavirati nastanek por. Če primerjamo slike (b, d) in (c, e), je razvidno, da ima povečanje amplitude nihanja pomembno vlogo pri zaviranju nastajanja por. Ko se amplituda nihanja dodatno poveča na 2 mm (slika (f)), se poroznost dodatno zmanjša na 0,22 %, tako da ostanejo le pore majhnega volumna in majhne pore. Slika prikazuje porazdelitev površine por na različnih razdaljah od središčne črte zvara, kar predstavlja poroznost glede na velikost površine por. Pri varjenju v ravni liniji je površina por simetrično porazdeljena vzdolž središčne črte zvara in se postopoma zmanjšuje z naraščanjem oddaljenosti od središčne črte zvara. Rezultati kažejo, da so pore, ki nastanejo zaradi ključavničnih lukenj, večinoma skoncentrirane za robom staljenega bazena na središčni črti zvara. Pri laserskem oscilacijskem varjenju se simetrija porazdelitve por oslabi. Slika prikazuje površino por na različnih razdaljah od varjene površine, kjer rdeča črta predstavlja mejo med območjema »skodelice« in »stebla«. V primeru prevladujočih velikih por (sliki (ac)) površina por nad mejo predstavlja več kot 85 %. To je zato, ker prehod konture na dolgi nuluidi bolj verjetno ujame mehurčke v varilni talini, ujeti mehurčki pa se pod vplivom vzgona nagibajo k selitvi navzgor. V primeru prevladujočih majhnih por (sliki (df)) so pore skoncentrirane na območju znotraj 0,5 mm pod mejno črto. Razlog za ta pojav sta lahko kratek čas ohlajanja in majhen premik navzgor.

5 Zaključki

(1) Različni načini laserskega nihanja imajo očitne učinke na varjeno površino. Višja amplituda in frekvenca lahko izboljšata kakovost površine, medtem ko lahko pretirano veliki parametri nihanja povečajo hrapavost in povzročijo konkavne napake.

(2) Obliko zvara v glavnem določajo parametri laserskega nihanja, ki vplivajo na hitrost varjenja, porazdelitev energije in skupni vnos toplote. Z naraščanjem amplitude nihanja se morfologija zvara spremeni iz "vrčevine" v "polmesec", razmerje stranic pa se zmanjša.

(3) Z naraščanjem amplitude in frekvence nihanja se talina razširi, zadnji del pa postane zaobljen. Učinek nihanja poveča dolžino taline, kar je koristno za uhajanje mehurčkov in enakomerno strjevanje. Med varjenjem v ravni liniji površina odprtine ključavnice niha; relativno gledano se lahko to nihanje zmanjša, kar izboljša stabilnost varjenja.

(4) Povečanje amplitude in frekvence nihanja zmanjša tako toplotni gradient kot hitrost rasti, kar je koristno za nastanek velikih zrn. Vendar pa laserski učinek mešanja ugodno vpliva na prečiščevanje velikosti zrn in izboljšanje teksturne trdnosti. Pri različnih laserskih parametrih ostaja trdota zvara relativno stabilna, nekoliko nižja od osnovnega materiala, kar je lahko posledica izgube magnezija zaradi izhlapevanja.

(5) Tridimenzionalna rentgenska tomografija kaže, da ima varjenje z ravnim gibanjem večjo poroznost (2,49 %) in večji volumen por kot oscilacijsko varjenje. Povečanje oscilacijskih parametrov lahko znatno zmanjša poroznost, ki doseže celo 0,22 % pri amplitudi 2 mm. Porazdelitev površine por se spreminja z oscilacijo: velike pore se združujejo za talino, majhne pore pa imajo boljšo simetrijo. Velike pore so večinoma porazdeljene nad mejo med območjema "skodelice" in "stebla", majhne pore pa so skoncentrirane pod mejo.