Saldatura Laser - L'Influenza di i Parametri d'Oscillazione nantu à a Saldatura Laser in Modu Anellu Ajustabile (ARM) di Leghe d'Alluminiu

Saldatura Laser - L'Influenza di i Parametri d'Oscillazione nantu à a Saldatura Laser in Modu Anellu Ajustabile (ARM) di Leghe d'Alluminiu

1. Riassuntu

Questu studiu investiga l'effetti di l'amplitude è di a frequenza di l'oscillazione nantu à a qualità di a superficia, e macro è microstrutture, è a porosità di a modalità di anellu regulabile (ARM)saldatu à laser oscillantePiastre in lega d'aluminiu A5083. I risultati mostranu chì cù l'aumentu di l'amplitude è di a frequenza di l'oscillazione, a qualità di a superficia di a saldatura hè migliurata. Cù l'aumentu di l'amplitude, a sezione trasversale di a saldatura si trasforma da una forma di "calice" à una forma di "mezzaluna". L'analisi microstrutturale indica chì a dimensione di u granu di a saldatura ùn diminuisce micca cù l'aumentu di l'amplitude è di a frequenza di l'oscillazione per via di a cumpetizione trà l'effettu di agitazione è a riduzione di a velocità di raffreddamentu. A porosità di a saldatura diminuisce cù l'aumentu di i parametri di oscillazione, righjunghjendu una porosità finale di 0,22% quandu l'amplitude hè di 2 mm. A tomografia à raggi X tridimensionale cunfirma ulteriormente l'influenza di l'oscillazione nantu à a distribuzione di i pori: i pori grandi tendenu à aggregà si daretu à u bagnu fusu, mentre chì i pori chjuchi mostranu una migliore simmetria. Questa ricerca furnisce preziose informazioni per ottimizà i parametri di oscillazione per ottene una saldatura laser di alta qualità in applicazioni in lega d'aluminiu A5083.

2 Sfondate di l'industria

E leghe d'aluminiu anu i vantaghji di pesu ligeru, alta resistenza specifica è bona resistenza à a corrosione, è sò largamente aduprate in l'automobile, in i treni à alta velocità, in l'aerospaziale è in altre industrie. A saldatura laser hà i vantaghji di alta efficienza, piccula zona affettata da u calore è piccula deformazione di a saldatura. Dunque,A saldatura laser hè un metudu di saldatura ecunomicu adattatu per piastre spesse, chì pò riduce assai u numeru di passate di saldatura. A porosità hè un difettu significativu in a saldatura laser di leghe d'aluminiu, chì affetta seriamente e proprietà meccaniche di i giunti saldati. Dunque, sò stati realizati studii approfonditi per riduce è eliminà a furmazione di porosità, cumprese l'ottimisazione di u gas di prutezzione, l'applicazione di a tecnulugia à doppiu fasciu, l'usu di sistemi di putenza laser modulati è l'adozione di metudi à fasciu oscillante. A tecnulugia di saldatura laser oscillante si distingue per a so capacità di cumbinà i vantaghji di a saldatura laser cù e so caratteristiche. L'usu di a saldatura laser oscillante pò micca solu riduce a porosità, ma ancu migliurà a microstruttura di a saldatura è migliurà a qualità di a saldatura. Un gran numeru di studii si sò focalizati principalmente nantu à vari aspetti di a saldatura laser oscillante, cumprese a riduzione di a porosità, l'ottimisazione di a distribuzione di l'energia, u raffinamentu di a struttura di i grani è a caratterizazione di u flussu di fusione in u bagnu fusu. A distribuzione di l'energia laser ghjoca un rolu cruciale in a distribuzione di a temperatura è a prufundità di penetrazione di a saldatura laser. À una certa ampiezza di oscillazione, cù l'aumentu di a frequenza di scansione, u prucessu di saldatura passa da a saldatura à penetrazione profonda à a saldatura instabile, è infine à a saldatura à conduzione termica. I risultati mostranu chì l'aumentu di l'amplitude è di a frequenza di scansione pò riduce a porosità, ma ancu riduce significativamente a prufundità di penetrazione di a saldatura, riducendu cusì e proprietà meccaniche di a saldatura. In l'ultimi anni, hè statu sviluppatu un laser in modu anellu regulabile (ARM), chì divide l'energia laser in un core cù alta densità di energia è un anellu cù bassa densità di energia, cù l'obiettivu di stabilizà u foru di serratura è migliurà a qualità di a saldatura. I circadori anu utilizatu a saldatura oscillante laser ARM per saldà leghe d'aluminiu d'alta resistenza 6xxx sottu diversi rapporti di putenza core/anellu è larghezze d'oscillazione. I risultati sperimentali mostranu chì u fattore principale chì influenza a geometria di a saldatura hè a larghezza d'oscillazione, piuttostu chè u rapportu di putenza core-anellu. Tuttavia, a distribuzione di i pori è u so mecanismu d'inibizione sottu a sovrapposizione di l'oscillazione è di u laser ARM ùn sò stati studiati. In questu articulu, una nova tecnulugia di saldatura oscillante laser ARM hè aduttata per riduce a porosità di a saldatura, ottene una prufundità di penetrazione più elevata è una migliore qualità di saldatura. Hè realizatu un studiu cumpletu nantu à a distribuzione di l'energia laser, u cumpurtamentu dinamicu di u bagnu fusu è a microstruttura sottu diverse frequenze è ampiezze d'oscillazione.

3. Obiettivi è prucedure sperimentali

A tecnulugia di saldatura à oscillazione laser circulare hè stata aduprata per saldà leghe d'aluminiu. U materiale di basa (BM) era una lega d'aluminiu 5083-O cù dimensioni di 300 mm × 100 mm × 5 mm (lunghezza × larghezza × spessore), è a so cumpusizione chimica hè mostrata in a tabella. Prima di a saldatura, i campioni sò stati lucidati per rimuovere u film d'ossidu superficiale, poi puliti cù acetone in un bagnu à ultrasoni per 15 minuti per rimuovere l'oliu superficiale. Usistema di saldatura laserSi compone principalmente di un robot Kuka, un laser à discu TruDisk 8001 è un scanner galvanometricu 3D PFO. U laser à discu TruDisk 8001 hè statu utilizatu cum'è fonte laser in modu anellu regulabile, cù un rapportu fibra core/anellu di 100/400 μm è una putenza massima di uscita di 8 kW (lunghezza d'onda di 1030 nm, parametru di qualità di u fasciu di 4,0 mm·rad). U fasciu laser hè cumpostu da una parte core è una parte anellu, induve u laser in a parte core centrale genera un foru di serratura (60% di l'energia laser), è u laser in a parte anellu assicura una bona distribuzione di a temperatura (40% di l'energia laser), cum'è mostratu in a Figura (b). E lunghezze focali di u collimatore è di a lente di focalizazione sò rispettivamente 138 mm è 450 mm. Durante u prucessu di saldatura, una camera à alta velocità Phantom V1840 è una fonte di luce à alta frequenza Cavilux sò state aduprate per monitorà u prucessu di saldatura in tempu reale, cù una velocità di ripresa di 5000 fps è un tempu di esposizione di 1 μs. In questu studiu, a traiettoria di l'oscillazione di u fasciu circulare, u percorsu di u muvimentu laser è a velocità istantanea sò definiti cum'è mostratu in a figura.

4 Risultati è Discussione

4.1 Caratteristiche di a Morfologia di a Saldatura E morfologie di a superficia di a saldatura sottu à diverse modalità d'oscillazione laser sò mostrate in a figura. I risultati mostranu chì a superficia di a saldatura di a saldatura rettilinea cunvinziunale hè ruvida (ruvidità di 78,01 μm), cù una scarsa continuità di l'increspature di a saldatura è una diffusione insufficiente di a saldatura. Sò stati ancu osservati una furmazione insufficiente di a saldatura, spruzzi severi è sottosquadri. Cù l'aumentu di l'ampiezza è di a frequenza di l'oscillazione, a superficia di a saldatura presenta squame di pesce dense è uniformi. A rugosità di a superficia di e saldature cù ampiezze d'oscillazione di 0,5 mm, 1 mm è 2 mm hè rispettivamente di 80,71 μm, 49,63 μm è 31,12 μm. Ùn ci sò irregolarità o sporgenze causate da spruzzi. I risultati indicanu chì una frequenza d'oscillazione più alta porta à un flussu di piscina fusa più regulare, un effettu di agitazione più forte di u fasciu laser è una superficia di saldatura più ideale. Fundamentalmente, a forma di a saldatura laser hè causalmente ligata à u muvimentu di u fasciu laser. Durante a saldatura, i cambiamenti in l'amplitude è a frequenza di l'oscillazione alteranu a velocità di saldatura, affettendu cusì a densità di l'energia lineare è l'apportu termicu tutale di u laser. A morfologia trasversale di a saldatura hè in forma di "calice", custituita da duie parti: a parte inferiore hè u "stelo", è a parte superiore hè a "ciotola". A prufundità di penetrazione è u "stelo" sò definite rispettivamente cum'è H1 è H2, è e larghezze di a saldatura ("ciotola") è di u "stelo" sò definite rispettivamente cum'è W1 è W2. E duie larghezze di saldatura W1 è W2 aumentanu sincronicamente cù l'aumentu di l'amplitude di l'oscillazione, è a morfologia di a saldatura si trasforma gradualmente da a forma di "calice" à a forma di "mezzaluna". A densità massima di l'energia laser appare à a sovrapposizione di a traiettoria. Cunfruntendu e Figure (b, d) è (c, e), si pò vede chì l'aumentu di a frequenza di scansione aumenterà l'area di sovrapposizione di a traiettoria longu u percorsu di scansione, rendendu a distribuzione di l'energia laser più uniforme. Tuttavia, a riduzione di a densità massima di l'energia porterà à una diminuzione di a prufundità di a saldatura.

4.2 Cumportamentu di a Piscina Fusa Per chiarificà l'influenza di u percorsu di scansione nantu à u cumpurtamentu di a piscina fusa, hè statu utilizatu un sistema di camera à alta velocità per osservà u prucessu di evoluzione di a piscina fusa è di u bucu di serratura. A Figura (a) mostra u prucessu di evoluzione di a piscina fusa sottu un percorsu rettilineu. E Figure (bf) sò i diagrammi di evoluzione di a piscina fusa sottu diversi parametri di oscillazione. Cù l'aumentu di a frequenza è di l'ampiezza di l'oscillazione, a parte posteriore di a piscina fusa diventa più arrotondata per via di l'espansione di a larghezza di a piscina fusa. Cù l'aumentu di a lunghezza di a piscina fusa, a fluttuazione superficiale causata da l'eruzione di u bucu di serratura diminuisce durante a propagazione à l'indietro. Dunque, u metallu liquidu fusu si solidifica liscia è regularmente à a parte posteriore di a piscina fusa, furmendu squame di pesce di saldatura uniformi è dense. A figura mostra u cambiamentu di l'area di apertura di u bucu di serratura durante a saldatura laser, chì hè derivatu da l'imaghjini fotografiche à alta velocità di a piscina fusa. Cum'è mostratu in a Figura (a), durante a saldatura rettilinea, a dimensione di l'apertura di u bucu di serratura mostra fluttuazioni evidenti. Parechji casi di chjusura di u bucu di serratura (0 mm²) sò stati osservati, cù una area media di apertura di u bucu di serratura di 0,47 mm². L'aumentu di l'amplitude di l'oscillazione pò ancu riduce e fluttuazioni è migliurà a stabilità. Questu hè perchè in a saldatura oscillante, una proporzione più grande di energia hè distribuita à i dui lati. Dunque, l'uscita nantu à u bucu di a serratura si espande, è l'amplitude di l'oscillazione aumenta, aumentendu cusì l'area di apertura. L'aumentu di l'amplitude espande a gamma di agitazione di u raghju laser, purtendu à l'espansione di u raghju di u muvimentu periodicu di u bucu di a serratura. A causa di a viscosità di u metallu fusu è di a pressione idrodinamica chì agisce vicinu à u muru di u bucu di a serratura, u muvimentu di currenti parassite si verifica in u bagnu fusu di saldatura vicinu à l'apertura di u bucu di a serratura. L'espansione di l'area di apertura di u bucu di a serratura migliora a so stabilità, evita a furmazione di bolle, è cusì inibisce significativamente a porosità.

4.3 Microstruttura A figura mostra a morfologia EBSD di a sezione trasversale di a saldatura sottu à diverse frequenze è ampiezze d'oscillazione. Vicinu à a linea di fusione di a saldatura laser, i grani dendritici colonnari crescenu versu u centru di a saldatura. Cum'è mostratu in a Figura (a), trà e regioni di a "tazza" è di u "fustu", si ponu osservà differenze evidenti in a distribuzione di i grani colonnari. I grani colonnari sò distribuiti in forma di U longu à a parete di a "tazza", mentre chì in a regione di u "fustu", i grani colonnari sò distribuiti in forma di U longu à a linea di fusione. Durante a solidificazione di a saldatura, i grani parzialmente solidificati in a zona di fusione agiscenu cum'è siti di nucleazione per u fronte di solidificazione è crescenu preferenzialmente perpendicolarmente à u cunfine di u bagnu fusu longu a direzzione di u gradiente di temperatura massima. Stu fenomenu si verifica perchè l'alta densità di putenza di u laser porta à u surriscaldamentu in u bagnu di saldatura. U gradiente termicu più altu G è a velocità di crescita moderata R rendenu G/R più grande di a soglia per a trasfurmazione di a microstruttura, risultendu in a furmazione di grani colonnari. U gradiente di temperatura G à u centru di a saldatura diminuisce, pruvucendu una calata graduale di u rapportu G/R sottu à a soglia di trasfurmazione di a microstruttura, passendu à grani equiassiali. I grani equiassiali sò situati in e parti cintrali sia di a "tazza" sia di u "stelo". Siccomu u "stelo" di a saldatura hè strettu è vicinu à u materiale di basa, si solidifica cumpletamente prima di a regione di a "tazza" durante u raffreddamentu. A parte solidificata di u "stelo" agisce cum'è un situ di nucleazione in u fondu di a "tazza", prumove a crescita ascendente di i grani colonnari. A figura mostra i prucessi di saldatura rettilinea è oscillante. Hè dimustratu chì u cambiamentu cuntinuu di a pusizione di u fasciu laser in a saldatura oscillante laser aumenterà a lunghezza di u bagnu fusu intermediu, rifundendu u metallu digià solidificatu, risultendu in una diminuzione di a velocità di crescita di i grani r. Questu pò purtà à una diminuzione di G/R in a zona di i grani equiassiali inferiori.

4.4 Distribuzione di a Porosità A tomografia à raggi X tridimensionale hè stata aduprata per realizà una ispezione cumpleta di a saldatura, ottenendu a distribuzione tridimensionale di i pori in a saldatura, cum'è mostratu in a figura. A porosità hè calculata cum'è u vulume tutale di i pori divisu per u vulume tutale di a saldatura. Paragunendu a morfologia di i pori è a distribuzione di e saldature oscillanti laser in linea retta è di e saldature oscillanti laser circulari, si hè trovu chì e saldature oscillanti laser in linea retta cuntenenu più pori di grande vulume, cù una porosità di 2,49%, chì hè significativamente più alta di quella di e circulari.saldature laser oscillantiCumparandu e Figure (b, c) è (d, e), si pò vede chì l'aumentu di a frequenza d'oscillazione aiuta à impedisce a furmazione di pori. Cumparandu e Figure (b, d) è (c, e), si pò vede chì l'aumentu di l'amplitude d'oscillazione ghjoca ancu un rolu significativu in l'inibizione di a furmazione di pori. Quandu l'amplitude d'oscillazione hè aumentata ulteriormente à 2 mm (Figura (f)), a porosità hè ulteriormente ridutta à 0,22%, lascendu solu pori di picculu vulume è chjuchi. A figura mostra a distribuzione di l'area di i pori à diverse distanze da a linea centrale di a saldatura, chì rapprisenta a porosità basata annantu à a dimensione di l'area di i pori. Per a saldatura in linea retta, l'area di i pori hè distribuita simmetricamente longu a linea centrale di a saldatura, è diminuisce gradualmente cù l'aumentu di a distanza da a linea centrale di a saldatura. I risultati mostranu chì i pori indotti da u foru di serratura sò principalmente cuncentrati daretu à u fondu di u bagnu fusu à a linea centrale di a saldatura. Per a saldatura oscillante laser, a simmetria di a distribuzione di i pori diventa più debule. A figura mostra l'area di i pori à diverse distanze da a superficia di a saldatura, induve a linea rossa rapprisenta u cunfine trà e regioni di a "tazza" è di u "fustu". In u casu di i pori grandi dominanti (Figure (ac)), l'area di i pori sopra u cunfine rapprisenta più di l'85%. Questu hè duvutu à u fattu chì a transizione di contornu à u cunfine longu itudinale hè più prubabile di intrappulà e bolle in u bagnu di saldatura, è e bolle intrappulate tendenu à migrà versu l'altu sottu l'influenza di a galleggiabilità. In u casu di i pori chjuchi dominanti (Figure (df)), i pori sò cuncentrati in l'area à menu di 0,5 mm sottu à a linea di cunfine. U cortu tempu di raffreddamentu è u picculu spustamentu versu l'altu ponu esse e ragioni di stu fenomenu.

5 Cunclusioni

(1) Diversi modi d'oscillazione laser anu effetti evidenti nantu à a superficia di saldatura. L'ampiezza è a frequenza più elevate ponu migliurà a qualità di a superficia, mentre chì i parametri d'oscillazione eccessivamente grandi ponu aumentà a rugosità è causà difetti concavi.

(2) A forma di a saldatura hè principalmente determinata da i parametri di l'oscillazione laser, chì influenzanu a velocità di saldatura, a distribuzione di l'energia è l'apportu termicu tutale. Cù l'aumentu di l'amplitude di l'oscillazione, a morfologia di a saldatura cambia da "calice" à "mezzaluna", è u rapportu d'aspettu diminuisce.

(3) Cù l'aumentu di l'amplitude è di a frequenza di l'oscillazione, u bagnu fusu diventa più largu è a parte posteriore diventa arrotondata. L'effettu di l'oscillazione aumenta a lunghezza di u bagnu fusu, ciò chì hè beneficu per a fuga di bolle è a solidificazione uniforme. Durante a saldatura in linea retta, l'area di apertura di u foru di serratura fluttua; relativamente parlante, sta fluttuazione pò esse ridutta, migliurendu a stabilità di a saldatura.

(4) L'aumentu di l'amplitude è di a frequenza di l'oscillazione riduce sia u gradiente termicu sia a velocità di crescita, ciò chì hè beneficu per a furmazione di grani di grande dimensione. Tuttavia, l'effettu di agitazione laser hè favurevule à l'affinamentu di a dimensione di i grani è à u miglioramentu di a resistenza di a struttura. Sottu diversi parametri laser, a durezza di a saldatura ferma relativamente stabile, ligeramente inferiore à quella di u materiale di basa, ciò chì pò esse duvutu à a perdita per evaporazione di u magnesiu.

(5) A tomografia tridimensionale à raggi X mostra chì a saldatura in linea retta hà una porosità più alta (2,49%) è un vulume di pori più grande cà a saldatura oscillante. L'aumentu di i parametri d'oscillazione pò riduce significativamente a porosità, righjunghjendu ancu u 0,22% quandu l'ampiezza hè di 2 mm. A distribuzione di l'area di i pori cambia cù l'oscillazione: i pori grandi si aggreganu daretu à u bagnu fusu, è i pori chjuchi anu una megliu simmetria. I pori grandi sò distribuiti principalmente sopra u cunfine trà e regioni di a "ciotola" è di u "fustu", mentre chì i pori chjuchi sò cuncentrati sottu à u cunfine.