Soldadura làser: la influència dels paràmetres d'oscil·lació en la soldadura làser en mode d'anell ajustable (ARM) d'aliatges d'alumini

Soldadura làser: la influència dels paràmetres d'oscil·lació en la soldadura làser en mode d'anell ajustable (ARM) d'aliatges d'alumini

1. Resum

Aquest estudi investiga els efectes de l'amplitud i la freqüència d'oscil·lació sobre la qualitat de la superfície, les macro i microestructures, i la porositat del mode d'anell ajustable (ARM).soldat per làser oscil·lantPlanxes d'aliatge d'alumini A5083. Els resultats mostren que amb l'augment de l'amplitud i la freqüència d'oscil·lació, la qualitat de la superfície de la soldadura millora. A mesura que augmenta l'amplitud, la secció transversal de la soldadura es transforma d'una forma de "calce" a una forma de "creixent". L'anàlisi microestructural indica que la mida de gra de la soldadura no disminueix amb l'augment de l'amplitud i la freqüència d'oscil·lació a causa de la competència entre l'efecte d'agitació i la reducció de la velocitat de refredament. La porositat de la soldadura disminueix amb l'augment dels paràmetres d'oscil·lació, arribant a una porositat final del 0,22% quan l'amplitud és de 2 mm. La tomografia de raigs X tridimensional confirma encara més la influència de l'oscil·lació en la distribució dels porus: els porus grans tendeixen a agregar-se darrere del bany fos, mentre que els porus petits mostren una millor simetria. Aquesta investigació proporciona informació valuosa per optimitzar els paràmetres d'oscil·lació per aconseguir soldadura làser d'alta qualitat en aplicacions d'aliatge d'alumini A5083.

2 Antecedents de la indústria

Els aliatges d'alumini tenen els avantatges de ser lleugers, tenir una alta resistència específica i una bona resistència a la corrosió, i s'utilitzen àmpliament en automoció, ferrocarrils d'alta velocitat, aeroespacial i altres indústries. La soldadura làser té els avantatges d'una alta eficiència, una petita zona afectada per la calor i una petita deformació de la soldadura. Per tant,La soldadura làser és un mètode de soldadura econòmic adequat per a plaques gruixudes, cosa que pot reduir considerablement el nombre de passades de soldadura. La porositat és un defecte significatiu en la soldadura làser d'aliatges d'alumini, que afecta greument les propietats mecàniques de les unions soldades. Per tant, s'han dut a terme estudis exhaustius per reduir i eliminar la formació de porositat, incloent-hi l'optimització del gas de protecció, l'aplicació de tecnologia de doble feix, l'ús de sistemes de potència làser modulada i l'adopció de mètodes de feix oscil·lant. La tecnologia de soldadura oscil·lant làser destaca per la seva capacitat de combinar els avantatges de la soldadura làser amb les seves pròpies característiques. L'ús de la soldadura oscil·lant làser no només pot reduir la porositat, sinó que també pot millorar la microestructura de la soldadura i millorar la qualitat de la soldadura. Un gran nombre d'estudis s'han centrat principalment en diversos aspectes de la soldadura oscil·lant làser, incloent-hi la reducció de la porositat, l'optimització de la distribució d'energia, el refinament de l'estructura del gra i la caracterització del flux de fosa a la piscina fosa. La distribució de l'energia làser juga un paper crucial en la distribució de la temperatura i la profunditat de penetració de la soldadura làser. A una determinada amplitud d'oscil·lació, amb l'augment de la freqüència d'escaneig, el procés de soldadura passa de la soldadura de penetració profunda a la soldadura inestable i, finalment, a la soldadura per conducció de calor. Els resultats mostren que augmentar l'amplitud i la freqüència d'escaneig pot reduir la porositat, però també reduir significativament la profunditat de penetració de la soldadura, reduint així les propietats mecàniques de la soldadura. En els darrers anys, s'ha desenvolupat un làser de mode d'anell ajustable (ARM), que divideix l'energia làser en un nucli amb alta densitat d'energia i un anell amb baixa densitat d'energia, amb l'objectiu d'estabilitzar el forat del pany i millorar la qualitat de la soldadura. Els investigadors han utilitzat la soldadura oscil·lant làser ARM per soldar aliatges d'alumini d'alta resistència 6xxx sota diferents relacions de potència nucli/anell i amplades d'oscil·lació. Els resultats experimentals mostren que el principal factor que afecta la geometria de la soldadura és l'amplada d'oscil·lació, en lloc de la relació de potència nucli-anell. Tanmateix, no s'ha estudiat la distribució dels porus ni el seu mecanisme d'inhibició sota la superposició d'oscil·lació i el làser ARM. En aquest article, s'adopta una nova tecnologia de soldadura oscil·lant làser ARM per reduir la porositat de la soldadura, obtenir una major profunditat de penetració i una millor qualitat de soldadura. Es duu a terme un estudi exhaustiu sobre la distribució de l'energia làser, el comportament dinàmic de la piscina fosa i la microestructura sota diferents freqüències i amplituds d'oscil·lació.

3. Objectius i procediments experimentals

Es va utilitzar tecnologia de soldadura oscil·lant làser circular per soldar aliatges d'alumini. El material base (BM) era un aliatge d'alumini 5083-O amb unes dimensions de 300 mm × 100 mm × 5 mm (longitud × amplada × gruix), i la seva composició química es mostra a la taula. Abans de soldar, les mostres es van polir per eliminar la pel·lícula d'òxid superficial i després es van netejar amb acetona en un bany d'ultrasons durant 15 minuts per eliminar l'oli superficial. Elsistema de soldadura làserconsisteix principalment en un robot Kuka, un làser de disc TruDisk 8001 i un escàner galvanòmetre 3D PFO. El làser de disc TruDisk 8001 es va utilitzar com a font làser de mode d'anell ajustable, amb una relació nucli/fibra d'anell de 100/400 μm i una potència de sortida màxima de 8 kW (longitud d'ona de 1030 nm, paràmetre de qualitat del feix de 4,0 mm·rad). El feix làser està compost per una part central i una part circular, on el làser de la part central del nucli genera un forat de pany (60% de l'energia làser) i el làser de la part circular garanteix una bona distribució de la temperatura (40% de l'energia làser), com es mostra a la figura (b). Les distàncies focals del colimador i la lent d'enfocament són de 138 mm i 450 mm, respectivament. Durant el procés de soldadura, es va utilitzar una càmera d'alta velocitat Phantom V1840 i una font de llum d'alta freqüència Cavilux per monitoritzar el procés de soldadura en temps real, amb una velocitat de tret de 5000 fps i un temps d'exposició d'1 μs. En aquest estudi, la trajectòria d'oscil·lació del feix circular, la trajectòria de moviment del làser i la velocitat instantània es defineixen tal com es mostra a la figura.

4 Resultats i discussió

4.1 Característiques de la morfologia de la soldadura Les morfologies de la superfície de la soldadura sota diferents modes d'oscil·lació làser es mostren a la figura. Els resultats mostren que la superfície de la soldadura de la soldadura convencional en línia recta és rugosa (rugositat de 78,01 μm), amb una mala continuïtat de les ondulacions de la soldadura i una dispersió insuficient de la soldadura. També es va observar una formació insuficient de la soldadura, esquitxades importants i socavament. Amb l'augment de l'amplitud i la freqüència d'oscil·lació, la superfície de la soldadura presenta escates de peix denses i uniformes. La rugositat superficial de les soldadures amb amplituds d'oscil·lació de 0,5 mm, 1 mm i 2 mm és de 80,71 μm, 49,63 μm i 31,12 μm, respectivament. No hi ha irregularitats ni protuberàncies causades per esquitxades. Els resultats indiquen que una freqüència d'oscil·lació més alta condueix a un flux de bany fos més regular, un efecte d'agitació més fort del feix làser i una superfície de soldadura més ideal. Fonamentalment, la forma de la soldadura làser està causalment relacionada amb el moviment del feix làser. Durant la soldadura, els canvis en l'amplitud i la freqüència d'oscil·lació alteren la velocitat de soldadura, afectant així la densitat d'energia lineal i l'entrada total de calor del làser. La morfologia de la secció transversal de la soldadura té forma de "calce", que consta de dues parts: la part inferior és la "tija" i la part superior és el "bol". La profunditat de penetració i la "tija" es defineixen com a H1 i H2, respectivament, i les amplades de la soldadura ("bol") i la "tija" es defineixen com a W1 i W2, respectivament. Les amplades de soldadura W1 i W2 augmenten sincronitzadament amb l'augment de l'amplitud d'oscil·lació, i la morfologia de la soldadura es transforma gradualment de la forma de "calce" a la forma de "creixent". La densitat màxima d'energia del làser apareix a la superposició de la trajectòria. Comparant les figures (b, d) i (c, e), es pot veure que l'augment de la freqüència d'escaneig augmentarà l'àrea de superposició de la trajectòria al llarg de la trajectòria d'escaneig, fent que la distribució de l'energia del làser sigui més uniforme. Tanmateix, la reducció de la densitat màxima d'energia comportarà una disminució de la profunditat de la soldadura.

4.2 Comportament de la piscina fosa Per aclarir la influència de la trajectòria d'escaneig en el comportament de la piscina fosa, es va utilitzar un sistema de càmeres d'alta velocitat per observar el procés d'evolució de la piscina fosa i el forat del pany. La figura (a) mostra el procés d'evolució de la piscina fosa sota una trajectòria en línia recta. Les figures (bf) són els diagrames d'evolució de la piscina fosa sota diferents paràmetres d'oscil·lació. Amb l'augment de la freqüència i l'amplitud d'oscil·lació, la part posterior de la piscina fosa es torna més arrodonida a causa de l'expansió de l'amplada de la piscina fosa. A mesura que augmenta la longitud de la piscina fosa, la fluctuació superficial causada per l'erupció del forat del pany disminueix durant la propagació cap enrere. Per tant, el metall líquid fos se solidifica suaument i regularment a l'extrem posterior de la piscina fosa, formant escates de peix de soldadura uniformes i denses. La figura mostra el canvi de l'àrea d'obertura del forat del pany durant la soldadura làser, que es deriva de les imatges fotogràfiques d'alta velocitat de la piscina fosa. Com es mostra a la figura (a), durant la soldadura en línia recta, la mida de l'obertura del forat del pany mostra fluctuacions òbvies. Es van observar diversos casos de tancament del forat del pany (0 mm²), amb una àrea mitjana d'obertura del forat del pany de 0,47 mm². L'augment de l'amplitud d'oscil·lació també pot reduir les fluctuacions i millorar l'estabilitat. Això es deu al fet que en la soldadura oscil·lant, es distribueix una proporció més gran d'energia a banda i banda. Per tant, la sortida del forat del pany s'expandeix i l'amplitud d'oscil·lació augmenta, augmentant així l'àrea d'obertura. L'augment de l'amplitud amplia el rang d'agitació del feix làser, cosa que porta a l'expansió del radi del moviment periòdic del forat del pany. A causa de la viscositat del metall fos i la pressió hidrodinàmica que actua prop de la paret del forat del pany, es produeix un moviment de corrents de Foucault a la piscina de metall fos de soldadura prop de l'obertura del forat del pany. L'expansió de l'àrea d'obertura del forat del pany millora la seva estabilitat, evita la formació de bombolles i, per tant, inhibeix significativament la porositat.

4.3 Microestructura La figura mostra la morfologia EBSD de la secció transversal de la soldadura sota diferents freqüències i amplituds d'oscil·lació. Prop de la línia de fusió de la soldadura làser, els grans dendrítics columnars creixen cap al centre de la soldadura. Com es mostra a la figura (a), entre les regions del "bol" i la "tija", es poden observar diferències òbvies en la distribució dels grans columnars. Els grans columnars es distribueixen en forma d'U al llarg de la paret del "bol", mentre que a la regió de la "tija", els grans columnars es distribueixen en forma d'U al llarg de la línia de fusió. Durant la solidificació de la soldadura, els grans parcialment solidificats a la zona de fusió actuen com a llocs de nucleació per al front de solidificació i creixen preferentment perpendicularment al límit de la piscina fosa al llarg de la direcció del gradient de temperatura màxima. Aquest fenomen es produeix perquè l'alta densitat de potència del làser provoca un sobreescalfament dins de la piscina de soldadura. El gradient tèrmic més alt G i la taxa de creixement moderada R fan que G/R sigui superior al llindar per a la transformació de la microestructura, donant lloc a la formació de grans columnars. El gradient de temperatura G al centre de la soldadura disminueix, fent que la relació G/R caigui gradualment per sota del llindar de transformació de la microestructura, passant a grans equiaxials. Els grans equiaxials es troben a les parts centrals tant del "bol" com de la "tija". Com que la "tija" de la soldadura és estreta i propera al material base, se solidifica completament abans de la regió del "bol" durant el refredament. La part solidificada de la "tija" actua com a lloc de nucleació a la part inferior del "bol", promovent el creixement ascendent dels grans columnars. La figura mostra els processos de soldadura en línia recta i oscil·lant. Es demostra que el canvi continu de la posició del feix làser en la soldadura oscil·lant amb làser augmentarà la longitud del bany fos intermedi, tornant a fondre el metall ja solidificat, cosa que provocarà una disminució de la taxa de creixement del gra r. Això pot conduir a una disminució de G/R a la zona de gra equiaxial inferior.

4.4 Distribució de la porositat Es va utilitzar una tomografia de raigs X tridimensional per dur a terme una inspecció completa de la soldadura, obtenint la distribució tridimensional dels porus a la soldadura, tal com es mostra a la figura. La porositat es calcula com el volum total de porus dividit pel volum total de la soldadura. En comparar la morfologia i la distribució dels porus de les soldadures oscil·lants làser en línia recta i les soldadures oscil·lants làser circulars, es constata que les soldadures oscil·lants làser en línia recta contenen més porus de gran volum, amb una porositat del 2,49%, que és significativament més alta que la de les circulars.soldadures oscil·lants làserSi comparem les figures (b, c) i (d, e), es pot veure que augmentar la freqüència d'oscil·lació ajuda a inhibir la formació de porus. Si comparem les figures (b, d) i (c, e), es pot veure que l'augment de l'amplitud d'oscil·lació també juga un paper significatiu en la inhibició de la formació de porus. Quan l'amplitud d'oscil·lació augmenta encara més a 2 mm (Figura (f)), la porositat es redueix encara més a un 0,22%, deixant només porus de petit volum i petits. La figura representa la distribució de l'àrea dels porus a diferents distàncies de la línia central de la soldadura, representant la porositat en funció de la mida de l'àrea dels porus. Per a la soldadura en línia recta, l'àrea dels porus es distribueix simètricament al llarg de la línia central de la soldadura i disminueix gradualment amb l'augment de la distància des de la línia central de la soldadura. Els resultats mostren que els porus induïts per forats de pany es concentren principalment darrere de la superfície del bany fos a la línia central de la soldadura. Per a la soldadura oscil·lant amb làser, la simetria de la distribució dels porus es debilita. La figura mostra l'àrea dels porus a diferents distàncies de la superfície de la soldadura, on la línia vermella representa el límit entre les regions de "bol" i "tija". En el cas dels porus grans dominants (figures (ac)), l'àrea dels porus per sobre del límit representa més del 85%. Això es deu al fet que la transició de contorn al límit itudinal llarg és més probable que atrapi bombolles al bany de soldadura, i les bombolles atrapades tendeixen a migrar cap amunt sota la influència de la flotabilitat. En el cas dels porus petits dominants (figures (df)), els porus es concentren a la zona dins dels 0,5 mm per sota de la línia límit. El curt temps de refredament i el petit desplaçament cap amunt poden ser les raons d'aquest fenomen.

5 Conclusions

(1) Els diferents modes d'oscil·lació làser tenen efectes evidents sobre la superfície de la soldadura. Una amplitud i una freqüència més altes poden millorar la qualitat de la superfície, mentre que uns paràmetres d'oscil·lació excessivament grans poden augmentar la rugositat i causar defectes còncaus.

(2) La forma de la soldadura es determina principalment pels paràmetres d'oscil·lació del làser, que afecten la velocitat de soldadura, la distribució d'energia i l'entrada total de calor. Amb l'augment de l'amplitud d'oscil·lació, la morfologia de la soldadura canvia de "goblet" a "creixent", i la relació d'aspecte disminueix.

(3) Amb l'augment de l'amplitud i la freqüència d'oscil·lació, el bany fos s'eixampla i la part posterior s'arrodonirà. L'efecte d'oscil·lació augmenta la longitud del bany fos, cosa que és beneficiosa per a l'escapament de bombolles i la solidificació uniforme. Durant la soldadura en línia recta, l'àrea d'obertura del forat de pany fluctua; relativament parlant, aquesta fluctuació es pot reduir, millorant l'estabilitat de la soldadura.

(4) L'augment de l'amplitud i la freqüència d'oscil·lació redueix tant el gradient tèrmic com la velocitat de creixement, cosa que és beneficiosa per a la formació de grans mides de gra. Tanmateix, l'efecte d'agitació làser afavoreix el refinament de la mida del gra i la millora de la resistència de la textura. Sota diferents paràmetres làser, la duresa de la soldadura es manté relativament estable, lleugerament inferior a la del material base, cosa que pot ser deguda a la pèrdua per evaporació del magnesi.

(5) La tomografia de raigs X tridimensional mostra que la soldadura en línia recta té una porositat més alta (2,49%) i un volum de porus més gran que la soldadura oscil·lant. L'augment dels paràmetres d'oscil·lació pot reduir significativament la porositat, fins i tot arribant al 0,22% quan l'amplitud és de 2 mm. La distribució de l'àrea dels porus canvia amb l'oscil·lació: els porus grans s'agreguen darrere del bany fos, i els porus petits tenen una millor simetria. Els porus grans es distribueixen principalment per sobre del límit entre les regions "bol" i "tija", mentre que els porus petits es concentren per sota del límit.