Soldadura láser: a influencia dos parámetros de oscilación na soldadura láser en modo de anel axustable (ARM) de aliaxes de aluminio

Soldadura láser: a influencia dos parámetros de oscilación na soldadura láser en modo de anel axustable (ARM) de aliaxes de aluminio

1. Resumo

Este estudo investiga os efectos da amplitude e frecuencia de oscilación na calidade da superficie, as macroestruturas e microestruturas e a porosidade do modo de anel axustable (ARM)soldado con láser oscilantePlacas de aliaxe de aluminio A5083. Os resultados amosan que co aumento da amplitude e da frecuencia de oscilación, a calidade da superficie da soldadura mellora. A medida que a amplitude aumenta, a sección transversal da soldadura transfórmase dunha forma de "cáliz" a unha forma de "crecente". A análise microestrutural indica que o tamaño do gran da soldadura non diminúe co aumento da amplitude e da frecuencia de oscilación debido á competencia entre o efecto de axitación e a redución da velocidade de arrefriamento. A porosidade da soldadura diminúe co aumento dos parámetros de oscilación, alcanzando unha porosidade final do 0,22 % cando a amplitude é de 2 mm. A tomografía de raios X tridimensional confirma aínda máis a influencia da oscilación na distribución dos poros: os poros grandes tenden a agregarse detrás do baño fundido, mentres que os poros pequenos mostran unha mellor simetría. Esta investigación proporciona información valiosa para optimizar os parámetros de oscilación para lograr soldadura láser de alta calidade en aplicacións de aliaxe de aluminio A5083.

2 Antecedentes da industria

As aliaxes de aluminio teñen as vantaxes de ser lixeiras, ter unha alta resistencia específica e unha boa resistencia á corrosión, e úsanse amplamente na industria automotriz, ferroviaria de alta velocidade, aeroespacial e outras. A soldadura por láser ten as vantaxes dunha alta eficiencia, unha pequena zona afectada pola calor e unha pequena deformación da soldadura. Polo tanto,A soldadura láser é un método de soldadura económico axeitado para placas grosas, o que pode reducir considerablemente o número de pasadas de soldadura. A porosidade é un defecto significativo na soldadura láser de aliaxes de aluminio, que afecta gravemente as propiedades mecánicas das unións soldadas. Polo tanto, realizáronse estudos exhaustivos para reducir e eliminar a formación de porosidade, incluíndo a optimización do gas de protección, a aplicación de tecnoloxía de dobre feixe, o uso de sistemas de potencia láser modulada e a adopción de métodos de feixe oscilante. A tecnoloxía de soldadura láser oscilante destaca pola súa capacidade para combinar as vantaxes da soldadura láser coas súas propias características. O uso da soldadura láser oscilante non só pode reducir a porosidade, senón tamén mellorar a microestrutura da soldadura e mellorar a calidade da soldadura. Un gran número de estudos centráronse principalmente en varios aspectos da soldadura láser oscilante, incluíndo a redución da porosidade, a optimización da distribución de enerxía, o refinamento da estrutura do gran e a caracterización do fluxo de masa fundida no baño fundido. A distribución da enerxía láser xoga un papel crucial na distribución da temperatura e na profundidade de penetración da soldadura láser. A unha determinada amplitude de oscilación, co aumento da frecuencia de dixitalización, o proceso de soldadura pasa da soldadura de penetración profunda á soldadura inestable e, finalmente, á soldadura por condución térmica. Os resultados amosan que aumentar a amplitude e a frecuencia de varrido pode reducir a porosidade, pero tamén reducir significativamente a profundidade de penetración da soldadura, reducindo así as propiedades mecánicas da soldadura. Nos últimos anos, desenvolveuse un láser de modo de anel axustable (ARM), que divide a enerxía láser nun núcleo con alta densidade de enerxía e un anel con baixa densidade de enerxía, co obxectivo de estabilizar o burato da fechadura e mellorar a calidade da soldadura. Os investigadores utilizaron a soldadura oscilante láser ARM para soldar aliaxes de aluminio de alta resistencia 6xxx baixo diferentes relacións de potencia núcleo/anelar e anchos de oscilación. Os resultados experimentais amosan que o principal factor que afecta a xeometría da soldadura é o ancho de oscilación, en lugar da relación de potencia núcleo-anelar. Non obstante, non se estudou a distribución dos poros nin o seu mecanismo de inhibición baixo a superposición da oscilación e o láser ARM. Neste artigo, adóptase unha nova tecnoloxía de soldadura oscilante láser ARM para reducir a porosidade da soldadura, obter unha maior profundidade de penetración e unha mellor calidade da soldadura. Realízase un estudo exhaustivo sobre a distribución da enerxía láser, o comportamento dinámico da masa fundida e a microestrutura baixo diferentes frecuencias e amplitudes de oscilación.

3. Obxectivos e procedementos experimentais

Empregouse tecnoloxía de soldadura por oscilación láser circular para soldar aliaxes de aluminio. O material base (BM) foi unha aliaxe de aluminio 5083-O con dimensións de 300 mm × 100 mm × 5 mm (lonxitude × anchura × grosor) e a súa composición química móstrase na táboa. Antes da soldadura, as mostras pulíronse para eliminar a película de óxido superficial e, a continuación, limpáronse con acetona nun baño ultrasónico durante 15 minutos para eliminar o aceite superficial.sistema de soldadura láserconsiste principalmente nun robot Kuka, un láser de disco TruDisk 8001 e un escáner galvanómetro 3D PFO. O láser de disco TruDisk 8001 utilizouse como fonte láser de modo de anel axustable, cunha relación núcleo/fibra de anel de 100/400 μm e unha potencia de saída máxima de 8 kW (lonxitude de onda de 1030 nm, parámetro de calidade do feixe de 4,0 mm·rad). O feixe láser está composto por unha parte central e unha parte circular, onde o láser na parte central do núcleo xera un burato de fechadura (60 % da enerxía do láser) e o láser na parte circular garante unha boa distribución da temperatura (40 % da enerxía do láser), como se mostra na Figura (b). As distancias focais do colimador e da lente de enfoque son de 138 mm e 450 mm, respectivamente. Durante o proceso de soldadura, empregáronse unha cámara de alta velocidade Phantom V1840 e unha fonte de luz de alta frecuencia Cavilux para monitorizar o proceso de soldadura en tempo real, cunha velocidade de disparo de 5000 fps e un tempo de exposición de 1 μs. Neste estudo, a traxectoria de oscilación do feixe circular, a ruta de movemento do láser e a velocidade instantánea defínense como se mostra na figura.

4 Resultados e debate

4.1 Características da morfoloxía da soldadura As morfoloxías da superficie da soldadura baixo diferentes modos de oscilación láser móstranse na figura. Os resultados mostran que a superficie da soldadura da soldadura convencional en liña recta é rugosa (rugosidade de 78,01 μm), con pouca continuidade das ondulacións da soldadura e unha dispersión insuficiente da soldadura. Tamén se observou unha formación insuficiente da soldadura, salpicaduras severas e socavado. Co aumento da amplitude e frecuencia de oscilación, a superficie da soldadura presenta escamas de peixe densas e uniformes. A rugosidade superficial das soldaduras con amplitudes de oscilación de 0,5 mm, 1 mm e 2 mm é de 80,71 μm, 49,63 μm e 31,12 μm, respectivamente. Non hai irregularidades nin protuberancias causadas por salpicaduras. Os resultados indican que unha maior frecuencia de oscilación leva a un fluxo de masa fundida máis regular, a un efecto de axitación máis forte do feixe láser e a unha superficie de soldadura máis ideal. Fundamentalmente, a forma da soldadura láser está causalmente relacionada co movemento do feixe láser. Durante a soldadura, os cambios na amplitude e frecuencia de oscilación alteran a velocidade de soldadura, o que afecta á densidade de enerxía lineal e á entrada total de calor do láser. A morfoloxía da sección transversal da soldadura ten forma de "cáliz", que consta de dúas partes: a parte inferior é o "vástago" e a parte superior é a "taza". A profundidade de penetración e o "vástago" defínense como H1 e H2, respectivamente, e os anchos da soldadura ("taza") e do "vástago" defínense como W1 e W2, respectivamente. Ambos os anchos de soldadura W1 e W2 aumentan sincronicamente co aumento da amplitude de oscilación, e a morfoloxía da soldadura transfórmase gradualmente da forma de "cáliz" á forma de "crecente". A densidade máxima de enerxía do láser aparece na superposición da traxectoria. Comparando as figuras (b, d) e (c, e), pódese ver que o aumento da frecuencia de dixitalización aumentará a área de superposición da traxectoria ao longo da traxectoria de dixitalización, facendo que a distribución da enerxía do láser sexa máis uniforme. Non obstante, a redución da densidade máxima de enerxía levará a unha diminución da profundidade de soldadura.

4.2 Comportamento da piscina fundida Para aclarar a influencia da traxectoria de dixitalización no comportamento da piscina fundida, empregouse un sistema de cámaras de alta velocidade para observar o proceso de evolución da piscina fundida e do burato da fechadura. A figura (a) mostra o proceso de evolución da piscina fundida baixo unha traxectoria en liña recta. As figuras (bf) son os diagramas de evolución da piscina fundida baixo diferentes parámetros de oscilación. Co aumento da frecuencia e amplitude de oscilación, a parte traseira da piscina fundida faise máis redondeada debido á expansión da anchura da piscina fundida. A medida que aumenta a lonxitude da piscina fundida, a flutuación superficial causada pola erupción do burato da fechadura diminúe durante a propagación cara atrás. Polo tanto, o metal líquido fundido solidifícase de forma suave e regular no extremo traseiro da piscina fundida, formando escamas de peixe de soldadura uniformes e densas. A figura mostra o cambio na área de abertura do burato da fechadura durante a soldadura láser, que se deriva das imaxes fotográficas de alta velocidade da piscina fundida. Como se mostra na figura (a), durante a soldadura en liña recta, o tamaño da abertura do burato da fechadura mostra flutuacións evidentes. Observáronse varios casos de peche de burato da fechadura (0 mm²), cunha área media de abertura do burato da fechadura de 0,47 mm². O aumento da amplitude de oscilación tamén pode reducir as flutuacións e mellorar a estabilidade. Isto débese a que na soldadura oscilante, unha maior proporción de enerxía distribúese a ambos os dous lados. Polo tanto, a saída do burato da fechadura expándese e a amplitude de oscilación aumenta, aumentando así a área de abertura. O aumento da amplitude amplía o rango de axitación do raio láser, o que leva á expansión do raio do movemento periódico do burato da fechadura. Debido á viscosidade do metal fundido e á presión hidrodinámica que actúa preto da parede do burato da fechadura, prodúcese movemento por correntes de Foucault no charco de metal fundido de soldadura preto da abertura do burato da fechadura. A expansión da área de abertura do burato da fechadura mellora a súa estabilidade, evita a formación de burbullas e, polo tanto, inhibe significativamente a porosidade.

4.3 Microestrutura A figura mostra a morfoloxía EBSD da sección transversal da soldadura baixo diferentes frecuencias e amplitudes de oscilación. Preto da liña de fusión da soldadura láser, os grans dendríticos columnares medran cara ao centro da soldadura. Como se mostra na Figura (a), entre as rexións "taza" e "tasta", pódense observar diferenzas obvias na distribución dos grans columnares. Os grans columnares distribúense en forma de U ao longo da parede da "taza", mentres que na rexión do "tasta", os grans columnares distribúense en forma de U ao longo da liña de fusión. Durante a solidificación da soldadura, os grans parcialmente solidificados na zona de fusión actúan como sitios de nucleación para a fronte de solidificación e medran preferentemente perpendicularmente ao límite da piscina fundida ao longo da dirección do gradiente de temperatura máximo. Este fenómeno ocorre porque a alta densidade de potencia do láser leva a un sobrequecemento dentro da piscina de soldadura. O maior gradiente térmico G e a taxa de crecemento moderada R fan que G/R sexa maior que o limiar para a transformación da microestrutura, o que resulta na formación de grans columnares. O gradiente de temperatura G no centro da soldadura diminúe, o que fai que a relación G/R caia gradualmente por debaixo do limiar de transformación da microestrutura, pasando a grans equiaxiales. Os grans equiaxiales están situados nas partes centrais tanto da "taza" como do "husto". Dado que o "husto" da soldadura é estreito e está preto do material base, solidifícase completamente antes da rexión da "taza" durante o arrefriamento. A parte solidificada do "husto" actúa como un sitio de nucleación no fondo da "taza", promovendo o crecemento ascendente dos grans columnares. A figura mostra os procesos de soldadura en liña recta e oscilante. Móstrase que o cambio continuo da posición do feixe láser na soldadura oscilante con láser aumentará a lonxitude do baño fundido intermedio, refundindo o metal xa solidificado, o que resulta nunha diminución da taxa de crecemento do gran r. Isto pode levar a unha diminución de G/R na zona inferior de grans equiaxiales.

4.4 Distribución da porosidade Empregouse unha tomografía de raios X tridimensional para realizar unha inspección exhaustiva da soldadura, obtendo a distribución tridimensional dos poros na soldadura, como se mostra na figura. A porosidade calcúlase como o volume total de poros dividido polo volume total da soldadura. Ao comparar a morfoloxía dos poros e a distribución das soldaduras oscilantes láser en liña recta e as soldaduras oscilantes láser circulares, obsérvase que as soldaduras oscilantes láser en liña recta conteñen poros de maior volume, cunha porosidade do 2,49 %, que é significativamente maior que a das circulares.soldaduras oscilantes por láserAo comparar as figuras (b, c) e (d, e), pódese observar que o aumento da frecuencia de oscilación axuda a inhibir a formación de poros. Ao comparar as figuras (b, d) e (c, e), pódese observar que o aumento da amplitude de oscilación tamén xoga un papel significativo na inhibición da formación de poros. Cando a amplitude de oscilación se aumenta aínda máis a 2 mm (Figura (f)), a porosidade redúcese aínda máis ao 0,22 %, deixando só poros de pequeno volume e pequenos. A figura representa a distribución da área dos poros a diferentes distancias da liña central da soldadura, representando a porosidade en función do tamaño da área dos poros. Para a soldadura en liña recta, a área dos poros distribúese simetricamente ao longo da liña central da soldadura e diminúe gradualmente co aumento da distancia desde a liña central da soldadura. Os resultados mostran que os poros inducidos por buratos de chave concéntranse principalmente detrás do depósito de masa fundida na liña central da soldadura. Para a soldadura oscilante con láser, a simetría da distribución dos poros faise máis débil. A figura mostra a área dos poros a diferentes distancias da superficie da soldadura, onde a liña vermella representa o límite entre as rexións de "cuba" e "tallo". No caso de poros grandes dominantes (Figuras (ac)), a área dos poros por riba do límite representa máis do 85 %. Isto débese a que a transición de contorno no límite itudinal longo ten máis probabilidades de atrapar burbullas no baño de soldadura, e as burbullas atrapadas tenden a migrar cara arriba baixo a influencia da flotabilidade. No caso de poros pequenos dominantes (Figuras (df)), os poros concéntranse na área dentro de 0,5 mm por debaixo da liña límite. O curto tempo de arrefriamento e o pequeno desprazamento cara arriba poden ser as razóns deste fenómeno.

5 Conclusións

(1) Os diferentes modos de oscilación láser teñen efectos evidentes na superficie da soldadura. Unha amplitude e unha frecuencia máis elevadas poden mellorar a calidade da superficie, mentres que uns parámetros de oscilación excesivamente grandes poden aumentar a rugosidade e causar defectos cóncavos.

(2) A forma da soldadura está determinada principalmente polos parámetros de oscilación do láser, que afectan á velocidade de soldadura, á distribución de enerxía e á entrada total de calor. Co aumento da amplitude de oscilación, a morfoloxía da soldadura cambia de "cáliz" a "crecente" e a relación de aspecto diminúe.

(3) Co aumento da amplitude e da frecuencia de oscilación, a piscina de metal fundido faise máis ancha e a parte traseira redondéase. O efecto de oscilación aumenta a lonxitude da piscina de metal fundido, o que é beneficioso para a saída de burbullas e a solidificación uniforme. Durante a soldadura en liña recta, a área de abertura do burato de chave flutúa; en termos relativos, esta flutuación pódese reducir, mellorando a estabilidade da soldadura.

(4) Aumentar a amplitude e a frecuencia de oscilación reduce tanto o gradiente térmico como a taxa de crecemento, o que é beneficioso para a formación de grandes tamaños de gran. Non obstante, o efecto de axitación láser favorece o refinamento do tamaño do gran e a mellora da resistencia da textura. Baixo diferentes parámetros do láser, a dureza da soldadura permanece relativamente estable, lixeiramente inferior á do material base, o que pode deberse á perda por evaporación do magnesio.

(5) A tomografía de raios X tridimensional mostra que a soldadura en liña recta ten unha maior porosidade (2,49 %) e un maior volume de poros que a soldadura oscilante. O aumento dos parámetros de oscilación pode reducir significativamente a porosidade, chegando mesmo ao 0,22 % cando a amplitude é de 2 mm. A distribución da área dos poros cambia coa oscilación: os poros grandes agréganse detrás do baño fundido e os poros pequenos teñen unha mellor simetría. Os poros grandes distribúense principalmente por riba do límite entre as rexións "taza" e "talo", mentres que os poros pequenos concéntranse por debaixo do límite.