Laser Welding – Ang Impluwensya ng mga Parameter ng Osilasyon sa Adjustable Ring Mode (ARM) Laser Welding ng mga Aluminum Alloy

Laser Welding – Ang Impluwensya ng mga Parameter ng Osilasyon sa Adjustable Ring Mode (ARM) Laser Welding ng mga Aluminum Alloy

1. Abstrak

Sinusuri ng pag-aaral na ito ang mga epekto ng amplitude at frequency ng oscillation sa kalidad ng ibabaw, macro at microstructures, at porosity ng adjustable ring mode (ARM).hinang na may oscillating na laserMga platong haluang metal na A5083. Ipinapakita ng mga resulta na sa pagtaas ng amplitude at frequency ng oscillation, bumubuti ang kalidad ng ibabaw ng hinang. Habang tumataas ang amplitude, ang cross-section ng hinang ay nagbabago mula sa hugis na "goblet" patungo sa hugis na "crescent". Ipinapahiwatig ng microstructural analysis na ang laki ng butil ng hinang ay hindi nababawasan sa pagtaas ng amplitude at frequency ng oscillation dahil sa kompetisyon sa pagitan ng stirring effect at pagbaba ng cooling rate. Bumababa ang porosity ng hinang kasabay ng pagtaas ng mga parameter ng oscillation, na umaabot sa pangwakas na porosity na 0.22% kapag ang amplitude ay 2 mm. Kinukumpirma pa ng three-dimensional X-ray tomography ang impluwensya ng oscillation sa distribusyon ng butas: ang malalaking butas ay may posibilidad na magsama-sama sa likod ng tinunaw na pool, habang ang maliliit na butas ay nagpapakita ng mas mahusay na simetriya. Nagbibigay ang pananaliksik na ito ng mahahalagang pananaw para sa pag-optimize ng mga parameter ng oscillation upang makamit ang mataas na kalidad na laser welding sa mga aplikasyon ng haluang metal na A5083.

2 Kaligiran ng Industriya

Ang mga haluang metal na aluminyo ay may mga bentahe ng magaan, mataas na tiyak na lakas, at mahusay na resistensya sa kalawang, at malawakang ginagamit sa mga industriya ng sasakyan, high-speed rail, aerospace at iba pang mga industriya. Ang laser welding ay may mga bentahe ng mataas na kahusayan, maliit na sona na apektado ng init, at maliit na deformasyon ng hinang. Samakatuwid,Ang laser welding ay isang matipid na paraan ng hinang na angkop para sa makapal na mga plato, na maaaring lubos na makabawas sa bilang ng mga pagdaan sa hinang. Ang porosity ay isang mahalagang depekto sa laser welding ng mga aluminum alloy, na seryosong nakakaapekto sa mga mekanikal na katangian ng mga hinang na dugtungan. Samakatuwid, malawakang pag-aaral ang isinagawa upang mabawasan at maalis ang pagbuo ng porosity, kabilang ang pag-optimize ng shielding gas, paglalapat ng dual-beam technology, paggamit ng modulated laser power systems, at pag-aampon ng mga oscillating beam methods. Ang laser oscillating welding technology ay namumukod-tangi dahil sa kakayahang pagsamahin ang mga bentahe ng laser welding sa sarili nitong mga katangian. Ang paggamit ng laser oscillating welding ay hindi lamang nakakabawas ng porosity kundi nakakapagpabuti rin ng microstructure ng weld at nakakapagpahusay ng kalidad ng weld. Maraming pag-aaral ang pangunahing nakatuon sa iba't ibang aspeto ng laser oscillating welding, kabilang ang pagbabawas ng porosity, pag-optimize ng distribusyon ng enerhiya, pagpipino ng istruktura ng butil, at paglalarawan ng daloy ng natunaw sa tinunaw na pool. Ang distribusyon ng enerhiya ng laser ay gumaganap ng mahalagang papel sa distribusyon ng temperatura at lalim ng pagtagos ng laser welding. Sa isang tiyak na amplitude ng oscillation, kasabay ng pagtaas ng scanning frequency, ang proseso ng hinang ay lumilipat mula sa deep penetration welding patungo sa unstable welding, at sa huli ay sa heat conduction welding. Ipinapakita ng mga resulta na ang pagtaas ng scanning amplitude at frequency ay maaaring makabawas sa porosity, ngunit makabuluhang makakabawas din sa penetration depth ng weld, sa gayon ay mababawasan ang mga mechanical properties ng weld. Sa mga nakaraang taon, isang adjustable ring mode (ARM) laser ang nabuo, na naghahati sa laser energy sa isang core na may mataas na energy density at isang ring na may mababang energy density, na naglalayong patatagin ang keyhole at pagbutihin ang kalidad ng hinang. Ginamit ng mga mananaliksik ang ARM laser oscillating welding upang magwelding ng 6xxx high-strength aluminum alloys sa ilalim ng iba't ibang core/ring power ratios at oscillation widths. Ipinapakita ng mga resulta ng eksperimento na ang pangunahing salik na nakakaapekto sa weld geometry ay ang oscillation width, sa halip na ang core-ring power ratio. Gayunpaman, ang pore distribution at ang inhibition mechanism nito sa ilalim ng superposition ng oscillation at ARM laser ay hindi pa napag-aaralan. Sa papel na ito, isang bagong ARM laser oscillating welding technology ang ginamit upang mabawasan ang porosity ng weld, makakuha ng mas mataas na penetration depth at mas mahusay na kalidad ng weld. Isinagawa ang isang komprehensibong pag-aaral sa laser energy distribution, molten pool dynamic behavior, at microstructure sa ilalim ng iba't ibang oscillation frequency at amplitude.

3. Mga Layunin at Pamamaraan ng Eksperimental

Ginamit ang teknolohiyang circular laser oscillating welding upang magwelding ng mga aluminum alloy. Ang base material (BM) ay 5083-O aluminum alloy na may sukat na 300mm × 100mm × 5mm (haba × lapad × kapal), at ang kemikal na komposisyon nito ay ipinapakita sa talahanayan. Bago magwelding, ang mga sample ay pinakintab upang matanggal ang surface oxide film, pagkatapos ay nilinis gamit ang acetone sa isang ultrasonic bath sa loob ng 15 minuto upang matanggal ang surface oil. Angsistema ng hinang na laserPangunahing binubuo ito ng isang Kuka robot, isang TruDisk 8001 disk laser, at isang 3D PFO galvanometer scanner. Ang TruDisk 8001 disk laser ay ginamit bilang adjustable ring mode laser source, na may core/ring fiber ratio na 100/400 μm at maximum output power na 8 kW (wavelength na 1030 nm, beam quality parameter na 4.0 mm·rad). Ang laser beam ay binubuo ng isang core part at isang ring part, kung saan ang laser sa central core part ay bumubuo ng keyhole (60% ng laser energy), at ang laser sa ring part ay nagsisiguro ng mahusay na distribusyon ng temperatura (40% ng laser energy), gaya ng ipinapakita sa Figure (b). Ang focal lengths ng collimator at focusing lens ay 138 mm at 450 mm, ayon sa pagkakabanggit. Sa proseso ng hinang, isang Phantom V1840 high-speed camera at isang Cavilux high-frequency light source ang ginamit upang masubaybayan ang proseso ng hinang sa real-time, na may bilis ng pagbaril na 5000 fps at oras ng pagkakalantad na 1 μs. Sa pag-aaral na ito, ang trajectory ng circular beam oscillation, landas ng paggalaw ng laser, at instantaneous velocity ay tinukoy gaya ng ipinapakita sa pigura.

4 Mga Resulta at Talakayan

4.1 Mga Katangian ng Morpolohiya ng Hinang Ang mga morpolohiya ng ibabaw ng hinang sa ilalim ng iba't ibang mga mode ng oscillation ng laser ay ipinapakita sa pigura. Ipinapakita ng mga resulta na ang ibabaw ng hinang sa kumbensyonal na straight-line welding ay magaspang (kagaspangan na 78.01 μm), na may mahinang pagpapatuloy ng mga alon ng hinang at hindi sapat na pagkalat ng hinang. Naobserbahan din ang hindi sapat na pagbuo ng hinang, matinding pagtalsik, at pagkabulok. Sa pagtaas ng amplitude at dalas ng oscillation, ang ibabaw ng hinang ay nagpapakita ng siksik at pare-parehong kaliskis ng isda. Ang kagaspangan ng ibabaw ng mga hinang na may mga amplitude ng oscillation na 0.5 mm, 1 mm, at 2 mm ay 80.71 μm, 49.63 μm, at 31.12 μm, ayon sa pagkakabanggit. Walang mga iregularidad o protrusion na dulot ng pagtalsik. Ipinapahiwatig ng mga resulta na ang mas mataas na dalas ng oscillation ay humahantong sa mas regular na daloy ng tinunaw na pool, mas malakas na epekto ng paghalo ng laser beam, at isang mas mainam na ibabaw ng hinang. Sa panimula, ang hugis ng laser weld ay sanhi ng kaugnayan sa paggalaw ng laser beam. Habang nagwe-welding, ang mga pagbabago sa amplitude at frequency ng oscillation ay nagbabago sa bilis ng pag-welding, kaya naaapektuhan ang linear energy density at kabuuang heat input ng laser. Ang cross-sectional morphology ng weld ay hugis-goblet, na binubuo ng dalawang bahagi: ang ibabang bahagi ay ang "stem", at ang itaas na bahagi ay ang "bowl". Ang penetration depth at ang "stem" ay tinukoy bilang H1 at H2, ayon sa pagkakabanggit, at ang lapad ng weld ("bowl") at ang "stem" ay tinukoy bilang W1 at W2, ayon sa pagkakabanggit. Ang parehong lapad ng weld na W1 at W2 ay tumataas nang sabay-sabay kasabay ng pagtaas ng oscillation amplitude, at ang morphology ng weld ay unti-unting nagbabago mula sa hugis ng "goblet" patungo sa hugis ng "crescent". Ang maximum na laser energy density ay lumilitaw sa trajectory overlap. Kung ikukumpara ang mga Figure (b, d) at (c, e), makikita na ang pagtaas ng scanning frequency ay magpapataas sa trajectory overlap area sa kahabaan ng scanning path, na gagawing mas pare-pareho ang distribusyon ng enerhiya ng laser. Gayunpaman, ang pagbawas ng maximum energy density ay hahantong sa pagbaba ng weld depth.

4.2 Gawi ng Natunaw na Pool Upang linawin ang impluwensya ng scanning path sa gawi ng natunaw na pool, isang high-speed camera system ang ginamit upang obserbahan ang proseso ng ebolusyon ng natunaw na pool at keyhole. Ipinapakita ng Figure (a) ang proseso ng ebolusyon ng natunaw na pool sa ilalim ng isang tuwid na linya ng landas. Ang mga Figure (bf) ay ang mga evolution diagram ng natunaw na pool sa ilalim ng iba't ibang mga parameter ng oscillation. Sa pagtaas ng dalas at amplitude ng oscillation, ang likurang bahagi ng natunaw na pool ay nagiging mas bilugan dahil sa paglawak ng lapad ng natunaw na pool. Habang tumataas ang haba ng natunaw na pool, ang pagbabago-bago sa ibabaw na dulot ng pagsabog ng keyhole ay bumababa habang pabalik na lumalaganap. Samakatuwid, ang natunaw na likidong metal ay tumigas nang maayos at regular sa likurang dulo ng natunaw na pool, na bumubuo ng pare-pareho at siksik na mga kaliskis ng isda na parang weld. Ipinapakita ng figure ang pagbabago ng lugar ng bukana ng keyhole habang hinang gamit ang laser, na nagmula sa mga high-speed na larawan ng potograpiya ng natunaw na pool. Tulad ng ipinapakita sa Figure (a), habang hinang gamit ang tuwid na linya, ang laki ng bukana ng keyhole ay nagpapakita ng mga halatang pagbabago-bago. Ilang pagkakataon ng pagsasara ng keyhole (0 mm²) ang naobserbahan, na may average na lawak ng pagbubukas ng keyhole na 0.47 mm². Ang pagtaas ng amplitude ng oscillation ay maaari ring mabawasan ang mga pagbabago-bago at mapabuti ang katatagan. Ito ay dahil sa oscillating welding, mas malaking proporsyon ng enerhiya ang ipinamamahagi sa magkabilang panig. Samakatuwid, ang labasan sa keyhole ay lumalawak, at ang amplitude ng oscillation ay tumataas, sa gayon ay pinapataas ang lawak ng pagbubukas. Ang pagtaas ng amplitude ay nagpapalawak sa saklaw ng pag-stirring ng laser beam, na humahantong sa paglawak ng radius ng pana-panahong paggalaw ng keyhole. Dahil sa lagkit ng tinunaw na metal at ng hydrodynamic pressure na kumikilos malapit sa dingding ng keyhole, ang paggalaw ng eddy current ay nangyayari sa tinunaw na pool ng welding malapit sa butas ng keyhole. Ang paglawak ng lugar ng pagbubukas ng keyhole ay nagpapahusay sa katatagan nito, iniiwasan ang pagbuo ng mga bula, at sa gayon ay makabuluhang pinipigilan ang porosity.

4.3 Mikroistruktura Ipinapakita ng pigura ang morpolohiya ng EBSD ng cross-section ng weld sa ilalim ng iba't ibang frequency at amplitude ng oscillation. Malapit sa fusion line ng laser weld, ang mga columnar dendrite grains ay lumalaki patungo sa sentro ng weld. Gaya ng ipinapakita sa Pigura (a), sa pagitan ng mga rehiyon ng "bowl" at "stem", makikita ang mga malinaw na pagkakaiba sa distribusyon ng columnar grain. Ang mga columnar grains ay ipinamamahagi sa hugis-U sa kahabaan ng dingding ng "bowl", habang sa rehiyon ng "stem", ang mga columnar grains ay ipinamamahagi sa hugis-U sa kahabaan ng fusion line. Sa panahon ng solidification ng weld, ang mga partially solidified grains sa fusion zone ay nagsisilbing nucleation sites para sa solidification front at mas pinipiling lumaki nang patayo sa hangganan ng molten pool sa direksyon ng maximum temperature gradient. Nangyayari ang phenomenon na ito dahil ang mataas na power density ng laser ay humahantong sa sobrang pag-init sa loob ng welding pool. Ang mas mataas na thermal gradient na G at katamtamang growth rate na R ay ginagawang mas malaki ang G/R kaysa sa threshold para sa microstructure transformation, na nagreresulta sa pagbuo ng mga columnar grains. Bumababa ang temperature gradient na G sa weld center, na nagiging sanhi ng unti-unting pagbaba ng G/R ratio sa ibaba ng microstructure transformation threshold, na lumilipat sa equiaxed grains. Ang equiaxed grains ay matatagpuan sa mga gitnang bahagi ng parehong "bowl" at "stem". Dahil ang "stem" ng weld ay makitid at malapit sa base material, ito ay tuluyang tumigas bago ang rehiyon ng "bowl" habang pinapalamig. Ang solidified na bahagi ng "stem" ay gumaganap bilang isang nucleation site sa ilalim ng "bowl", na nagtataguyod ng pataas na paglaki ng mga columnar grains. Ipinapakita ng figure ang straight-line at oscillating welding processes. Ipinapakita na ang patuloy na pagbabago ng posisyon ng laser beam sa laser oscillating welding ay magpapataas sa haba ng intermediate molten pool, na muling magtutunaw sa solidified na metal, na magreresulta sa pagbaba ng grain growth rate na r. Maaari itong humantong sa pagbaba ng G/R sa lower equiaxed grain zone.

4.4 Distribusyon ng Porosity Ginamit ang three-dimensional X-ray tomography upang magsagawa ng komprehensibong inspeksyon ng hinang, upang makuha ang three-dimensional na distribusyon ng mga pores sa hinang, gaya ng ipinapakita sa pigura. Ang porosity ay kinakalkula bilang ang kabuuang volume ng mga pores na hinati sa kabuuang volume ng hinang. Sa pamamagitan ng paghahambing ng morpolohiya ng pore at distribusyon ng mga straight-line laser oscillating weld at circular laser oscillating weld, natuklasan na ang mga straight-line laser oscillating weld ay naglalaman ng mas maraming large-volume pores, na may porosity na 2.49%, na mas mataas nang malaki kaysa sa circular.mga laser oscillating weldSa paghahambing ng mga Larawan (b, c) at (d, e), makikita na ang pagtaas ng dalas ng oscillation ay nakakatulong upang mapigilan ang pagbuo ng mga pores. Sa paghahambing ng mga Larawan (b, d) at (c, e), makikita na ang pagtaas ng amplitude ng oscillation ay gumaganap din ng isang mahalagang papel sa pagpigil sa pagbuo ng pore. Kapag ang amplitude ng oscillation ay higit pang nadagdagan sa 2 mm (Larawan (f)), ang porosity ay higit pang nababawasan sa 0.22%, na nag-iiwan lamang ng maliliit na volume at maliliit na pores. Inilalarawan ng larawan ang distribusyon ng pore area sa iba't ibang distansya mula sa weld centerline, na kumakatawan sa porosity batay sa laki ng pore area. Para sa straight-line welding, ang pore area ay simetriko na ipinamamahagi sa kahabaan ng weld centerline, at unti-unting bumababa kasabay ng pagtaas ng distansya mula sa weld centerline. Ipinapakita ng mga resulta na ang mga pores na dulot ng keyhole ay pangunahing naka-concentrate sa likod ng 后壁 ng molten pool sa weld centerline. Para sa laser oscillating welding, ang simetriya ng distribusyon ng pore ay nagiging mas mahina. Ipinapakita ng pigura ang pore area sa iba't ibang distansya mula sa weld surface, kung saan ang pulang linya ay kumakatawan sa hangganan sa pagitan ng mga rehiyon ng "bowl" at "stem". Sa kaso ng mga dominanteng malalaking pores (Mga Larawan (ac)), ang pore area sa itaas ng hangganan ay bumubuo ng higit sa 85%. Ito ay dahil ang contour transition sa mahabang itudinal boundary ay mas malamang na makakulong ng mga bula sa weld pool, at ang mga nakulong na bula ay may posibilidad na lumipat pataas sa ilalim ng impluwensya ng buoyancy. Sa kaso ng mga dominanteng maliliit na pores (Mga Larawan (df)), ang mga pores ay nakakonsentra sa lugar sa loob ng 0.5 mm sa ibaba ng boundary line. Ang maikling oras ng paglamig at maliit na pataas na paggalaw ay maaaring ang mga dahilan para sa phenomenon na ito.

5 Konklusyon

(1) Ang iba't ibang mga mode ng osilasyon ng laser ay may malinaw na epekto sa ibabaw ng hinang. Ang mas mataas na amplitude at frequency ay maaaring mapabuti ang kalidad ng ibabaw, habang ang labis na malalaking parameter ng osilasyon ay maaaring magpataas ng pagkamagaspang at magdulot ng mga depekto sa malukong.

(2) Ang hugis ng hinang ay pangunahing natutukoy ng mga parameter ng oscillation ng laser, na nakakaapekto sa bilis ng hinang, distribusyon ng enerhiya, at kabuuang init na pumapasok. Sa pagtaas ng amplitude ng oscillation, ang morpolohiya ng hinang ay nagbabago mula sa "goblet" patungo sa "crescent", at ang aspect ratio ay bumababa.

(3) Sa pagtaas ng amplitude at frequency ng oscillation, ang molten pool ay nagiging mas malapad at ang likurang bahagi ay nagiging bilugan. Ang epekto ng oscillation ay nagpapataas ng haba ng molten pool, na kapaki-pakinabang sa paglabas ng bula at pare-parehong solidification. Sa panahon ng straight-line welding, ang lugar ng pagbubukas ng keyhole ay nagbabago-bago; sa relatibong pagsasalita, ang pagbabago-bagong ito ay maaaring mabawasan, na nagpapabuti sa katatagan ng hinang.

(4) Ang pagtaas ng amplitude at frequency ng oscillation ay nakakabawas sa parehong thermal gradient at growth rate, na kapaki-pakinabang sa pagbuo ng malalaking laki ng butil. Gayunpaman, ang epekto ng laser stirring ay nakakatulong sa pagpino ng laki ng butil at pagpapabuti ng lakas ng tekstura. Sa ilalim ng iba't ibang parameter ng laser, ang katigasan ng weld ay nananatiling medyo matatag, bahagyang mas mababa kaysa sa base material, na maaaring dahil sa pagkawala ng magnesium dahil sa evaporation.

(5) Ipinapakita ng three-dimensional X-ray tomography na ang straight-line welding ay may mas mataas na porosity (2.49%) at mas malaking pore volume kaysa sa oscillating welding. Ang pagtaas ng mga parameter ng oscillation ay maaaring makabuluhang bawasan ang porosity, kahit na umabot sa 0.22% kapag ang amplitude ay 2 mm. Ang distribusyon ng pore area ay nagbabago kasabay ng oscillation: ang malalaking pores ay nagtitipon sa likod ng tinunaw na pool, at ang maliliit na pores ay may mas mahusay na simetriya. Ang malalaking pores ay pangunahing ipinamamahagi sa itaas ng hangganan sa pagitan ng mga rehiyon ng "mangkok" at "tangkay", habang ang maliliit na pores ay naka-concentrate sa ibaba ng hangganan.