Лазерная зварка - уплыў параметраў ваганняў на лазерную зварку алюмініевых сплаваў у рэжыме рэгулявання кольца (ARM)

Лазерная зварка - уплыў параметраў ваганняў на лазерную зварку алюмініевых сплаваў у рэжыме рэгулявання кольца (ARM)

1. Рэферат

У гэтым даследаванні вывучаецца ўплыў амплітуды і частаты ваганняў на якасць паверхні, макра- і мікраструктуры, а таксама парыстасць рэгуляванага кальцавога рэжыму (ARM).лазерная вагальная зваркаАлюмініевыя пласціны з сплаву A5083. Вынікі паказваюць, што з павелічэннем амплітуды і частаты ваганняў якасць паверхні зваркі паляпшаецца. Па меры павелічэння амплітуды папярочны сячэнне зваркі змяняе форму «кубка» на форму «паўмесяца». Мікраструктурны аналіз паказвае, што памер зерня зваркі не памяншаецца з павелічэннем амплітуды і частаты ваганняў з-за канкурэнцыі паміж эфектам перамешвання і зніжэннем хуткасці астуджэння. Парыстасць зваркі памяншаецца з павелічэннем параметраў ваганняў, дасягаючы канчатковай парыстасці 0,22% пры амплітудзе 2 мм. Трохмерная рэнтгенаўская тамаграфія дадаткова пацвярджае ўплыў ваганняў на размеркаванне пор: вялікія поры маюць тэндэнцыю агрэгаваць за расплаўленай ваннай, у той час як малыя поры дэманструюць лепшую сіметрыю. Гэта даследаванне дае каштоўную інфармацыю для аптымізацыі параметраў ваганняў для дасягнення высакаякаснай лазернай зваркі ў алюмініевых сплавах A5083.

2 Галіновая адукацыя

Алюмініевыя сплавы маюць перавагі лёгкай вагі, высокай удзельнай трываласці і добрай каразійнай устойлівасці і шырока выкарыстоўваюцца ў аўтамабільнай, хуткаснай чыгунцы, аэракасмічнай і іншых галінах прамысловасці. Лазерная зварка мае перавагі высокай эфектыўнасці, невялікай зоны цеплавога ўздзеяння і малой дэфармацыі зваркі. Такім чынам,Лазерная зварка - гэта эканамічны метад зваркі, прыдатны для тоўстых лістоў, што можа значна скараціць колькасць праходаў зваркі. Сітаватасць з'яўляецца істотным дэфектам лазернай зваркі алюмініевых сплаваў, які сур'ёзна ўплывае на механічныя ўласцівасці зварных злучэнняў. Таму былі праведзены шырокія даследаванні для памяншэння і ліквідацыі ўтварэння сітаватасці, у тым ліку аптымізацыя ахоўнага газу, прымяненне тэхналогіі падвойнага прамяня, выкарыстанне мадуляваных лазерных сістэм магутнасці і ўкараненне метадаў вагальнага прамяня. Тэхналогія лазернай вагальнай зваркі вылучаецца сваёй здольнасцю спалучаць перавагі лазернай зваркі са сваімі ўласнымі характарыстыкамі. Выкарыстанне лазернай вагальнай зваркі можа не толькі паменшыць сітаватасць, але і палепшыць мікраструктуру зварнога шва і павысіць якасць зваркі. Вялікая колькасць даследаванняў была ў асноўным сканцэнтравана на розных аспектах лазернай вагальнай зваркі, у тым ліку на памяншэнні сітаватасці, аптымізацыі размеркавання энергіі, удасканаленні структуры збожжа і характарыстыцы патоку расплаву ў расплаўленай ванне. Размеркаванне лазернай энергіі адыгрывае вырашальную ролю ў размеркаванні тэмпературы і глыбіні пранікнення лазернай зваркі. Пры пэўнай амплітудзе ваганняў, з павелічэннем частаты сканавання, працэс зваркі пераходзіць ад зваркі з глыбокім пранікненнем да няўстойлівай зваркі і, нарэшце, да зваркі цеплаправоднасцю. Вынікі паказваюць, што павелічэнне амплітуды і частаты сканавання можа паменшыць парыстасць, а таксама значна паменшыць глыбіню пранікнення зварнога шва, тым самым зніжаючы механічныя ўласцівасці шва. У апошнія гады быў распрацаваны лазер з рэгуляваным кальцавым рэжымам (ARM), які падзяляе лазерную энергію на стрыжань з высокай шчыльнасцю энергіі і кольца з нізкай шчыльнасцю энергіі, з мэтай стабілізацыі замочнай адтуліны і паляпшэння якасці зваркі. Даследчыкі выкарыстоўвалі вагальную зварку ARM-лазерам для зваркі высокатрывалых алюмініевых сплаваў 6xxx пры розных суадносінах магутнасці стрыжань/кольца і шырыні ваганняў. Эксперыментальныя вынікі паказваюць, што асноўным фактарам, які ўплывае на геаметрыю шва, з'яўляецца шырыня ваганняў, а не суадносіны магутнасці стрыжань-кольца. Аднак размеркаванне пор і механізм яго тармажэння пры суперпазіцыі ваганняў і ARM-лазера не вывучаліся. У гэтай працы выкарыстоўваецца новая тэхналогія вагальнай зваркі ARM-лазерам для памяншэння парыстасці зварнога шва, атрымання большай глыбіні пранікнення і лепшай якасці зваркі. Праводзіцца комплекснае даследаванне размеркавання лазернай энергіі, дынамічных паводзін расплаўленай ванны і мікраструктуры пры розных частаце і амплітудах ваганняў.

3. Мэты і працэдуры эксперыменту

Для зваркі алюмініевых сплаваў выкарыстоўвалася тэхналогія кругавой лазернай вагальнай зваркі. Асноўным матэрыялам (BM) быў алюмініевы сплаў 5083-O з памерамі 300 мм × 100 мм × 5 мм (даўжыня × шырыня × таўшчыня), а яго хімічны склад паказаны ў табліцы. Перад зваркай узоры паліравалі для выдалення паверхневай аксіднай плёнкі, а затым ачышчалі ацэтонам ва ультрагукавой ванне на працягу 15 хвілін для выдалення паверхневага алею.сістэма лазернай зваркіу асноўным складаецца з робата Kuka, дыскавага лазера TruDisk 8001 і трохмернага гальванометра-сканера PFO. Дыскавы лазер TruDisk 8001 выкарыстоўваўся ў якасці рэгуляванай крыніцы лазернага выпраменьвання кальцавога рэжыму з суадносінамі асяродак/кольцавае валакно 100/400 мкм і максімальнай выходнай магутнасцю 8 кВт (даўжыня хвалі 1030 нм, параметр якасці прамяня 4,0 мм·рад). Лазерны прамень складаецца з асяродка і кальцавой часткі, дзе лазер у цэнтральнай частцы асяродка генеруе замочную свідравіну (60% лазернай энергіі), а лазер у кальцавой частцы забяспечвае добрае размеркаванне тэмпературы (40% лазернай энергіі), як паказана на малюнку (b). Фокусныя адлегласці каліматара і факусуючай лінзы складаюць 138 мм і 450 мм адпаведна. Падчас працэсу зваркі для маніторынгу працэсу зваркі ў рэжыме рэальнага часу выкарыстоўваліся высакахуткасная камера Phantom V1840 і высокачашчынная крыніца святла Cavilux з хуткасцю здымкі 5000 кадраў у секунду і часам экспазіцыі 1 мкс. У гэтым даследаванні кругавая траекторыя ваганняў прамяня, шлях руху лазера і імгненная хуткасць вызначаны, як паказана на малюнку.

4 Вынікі і абмеркаванне

4.1 Характарыстыкі марфалогіі зварнога шва На малюнку паказаны марфалогіі паверхні зварнога шва пры розных рэжымах лазерных ваганняў. Вынікі паказваюць, што паверхня зварнога шва пры звычайнай прамой зварцы шурпатая (шурпатасць 78,01 мкм), з дрэннай бесперапыннасцю рабізнаўлення зварнога шва і недастатковым распаўсюджваннем шва. Таксама назіраліся недастатковае фармаванне шва, моцнае разбрызгванне і падрэз. З павелічэннем амплітуды і частаты ваганняў паверхня зварнога шва мае шчыльную і аднастайную рыбіную луску. Шурпатасць паверхні зварных швоў з амплітудай ваганняў 0,5 мм, 1 мм і 2 мм складае 80,71 мкм, 49,63 мкм і 31,12 мкм адпаведна. Няма няроўнасцей або выступаў, выкліканых разбрызгваннем. Вынікі паказваюць, што больш высокая частата ваганняў прыводзіць да больш рэгулярнага патоку расплаўленай ванны, больш моцнага перамешвальнага эфекту лазернага прамяня і больш ідэальнай паверхні зварнога шва. Па сутнасці, форма лазернага зварнога шва прычынна звязана з рухам лазернага прамяня. Падчас зваркі змены амплітуды і частаты ваганняў уплываюць на хуткасць зваркі, тым самым уплываючы на ​​лінейную шчыльнасць энергіі і агульную цеплаўкладанасць лазера. Папярочны перасек зварнога шва мае форму «кубка» і складаецца з дзвюх частак: ніжняя частка — «сцябло», а верхняя — «чаша». Глыбіня пранікнення і «сцябло» вызначаюцца як H1 і H2 адпаведна, а шырыня зварнога шва («чашы») і «сцябла» вызначаецца як W1 і W2 адпаведна. Абедзве шырыні зварнога шва W1 і W2 павялічваюцца сінхронна са павелічэннем амплітуды ваганняў, і марфалогія зварнога шва паступова пераходзіць з формы «кубка» ў форму «паўмесяца». Максімальная шчыльнасць лазернай энергіі з'яўляецца ў месцы перакрыцця траекторый. Параўноўваючы малюнкі (b, d) і (c, e), можна бачыць, што павелічэнне частаты сканавання павялічвае плошчу перакрыцця траекторый уздоўж шляху сканавання, робячы размеркаванне лазернай энергіі больш раўнамерным. Аднак зніжэнне максімальнай шчыльнасці энергіі прывядзе да памяншэння глыбіні зварнога шва.

4.2 Паводзіны расплаўленай ванны Каб высветліць уплыў шляху сканавання на паводзіны расплаўленай ванны, для назірання за працэсам эвалюцыі расплаўленай ванны і замочнай свідравіны выкарыстоўвалася высакахуткасная сістэма камер. На малюнку (а) паказаны працэс эвалюцыі расплаўленай ванны пад прамой траекторыяй. На малюнках (bf) прадстаўлены дыяграмы эвалюцыі расплаўленай ванны пры розных параметрах ваганняў. З павелічэннем частаты і амплітуды ваганняў задняя частка расплаўленай ванны становіцца больш круглявай з-за пашырэння шырыні расплаўленай ванны. Па меры павелічэння даўжыні расплаўленай ванны паверхневыя ваганні, выкліканыя вывяржэннем замочнай свідравіны, памяншаюцца падчас зваротнага распаўсюджвання. Такім чынам, расплаўлены вадкі метал плаўна і рэгулярна застывае ў задняй частцы расплаўленай ванны, утвараючы аднастайную і шчыльную рыбную луску зварнога шва. На малюнку паказана змяненне плошчы адтуліны замочнай свідравіны падчас лазернай зваркі, якое атрымана з высакахуткасных фотаздымкаў расплаўленай ванны. Як паказана на малюнку (а), падчас прамой зваркі памер адтуліны замочнай свідравіны дэманструе відавочныя ваганні. Назіралася некалькі выпадкаў закрыцця замочнай свідравіны (0 мм²), з сярэдняй плошчай адтуліны замочнай свідравіны 0,47 мм². Павелічэнне амплітуды ваганняў таксама можа паменшыць ваганні і палепшыць стабільнасць. Гэта звязана з тым, што пры вагальнай зварцы большая доля энергіі размяркоўваецца па абодвух баках. Такім чынам, выхад на замочнай свідравіне пашыраецца, і амплітуда ваганняў павялічваецца, тым самым павялічваючы плошчу адтуліны. Павелічэнне амплітуды пашырае дыяпазон перамешвання лазернага прамяня, што прыводзіць да пашырэння радыуса перыядычнага руху замочнай свідравіны. З-за глейкасці расплаўленага металу і гідрадынамічнага ціску, які дзейнічае паблізу сценкі замочнай свідравіны, у расплаўленай ванне зваркі паблізу адтуліны замочнай свідравіны ўзнікае рух віхравых токаў. Пашырэнне плошчы адтуліны замочнай свідравіны павышае яе стабільнасць, прадухіляе ўтварэнне бурбалак і, такім чынам, значна стрымлівае парознасць.

4.3 Мікраструктура На малюнку паказана марфалогія EBSD папярочнага сячэння зварнога шва пры розных частатах і амплітудах ваганняў. Паблізу лініі сплаўлення лазернага зварнога шва слупчастыя дендрытныя зярняты растуць да цэнтра зварнога шва. Як паказана на малюнку (а), паміж абласцямі «чашы» і «сцябла» можна назіраць відавочныя адрозненні ў размеркаванні слупчастых зярнят. Слупчастыя зярняты размеркаваны ў форме літары U уздоўж сценкі «чашы», у той час як у вобласці «сцябла» слупчастыя зярняты размеркаваны ў форме літары U уздоўж лініі сплаўлення. Падчас зацвярдзення зварнога шва часткова зацвярдзелыя зярняты ў зоне сплаўлення выступаюць у якасці цэнтраў зародкаўтварэння для фронту зацвярдзення і пераважна растуць перпендыкулярна да мяжы расплаўленай ванны ўздоўж кірунку максімальнага градыенту тэмпературы. Гэтая з'ява ўзнікае таму, што высокая шчыльнасць магутнасці лазера прыводзіць да перагрэву ўнутры зварачнай ванны. Больш высокі цеплавы градыент G і ўмераная хуткасць росту R робяць G/R большым за парог пераўтварэння мікраструктуры, што прыводзіць да ўтварэння слупчастых зярнят. Тэмпературны градыент G у цэнтры зваркі памяншаецца, у выніку чаго суадносіны G/R паступова падае ніжэй за парог пераўтварэння мікраструктуры, пераходзячы да роўнавосевых зерняў. Раўнавосевыя зерні размешчаны ў цэнтральных частках як «чашы», так і «сцябла». Паколькі «сцябло» зваркі вузкі і блізка да асноўнага матэрыялу, ён цалкам застывае раней за вобласць «чашы» падчас астуджэння. Зацвярдзелая частка «сцябла» дзейнічае як месца зародкаўтварэння ў ніжняй частцы «чашы», спрыяючы росту слупчатых зерняў уверх. На малюнку паказаны прамалінейны і вагальны працэсы зваркі. Паказана, што бесперапынная змена становішча лазернага прамяня пры лазернай вагальнай зварцы павялічвае даўжыню прамежкавай ванны расплаўленага металу, пераплаўляючы ўжо зацвярдзелы метал, што прыводзіць да зніжэння хуткасці росту зерняў r. Гэта можа прывесці да зніжэння G/R ​​у ніжняй роўнавосевай зоне зерняў.

4.4 Размеркаванне парыстасці Для правядзення комплекснага агляду зварнога шва была выкарыстана трохмерная рэнтгенаўская тамаграфія, якая дазваляла атрымаць трохмернае размеркаванне пор у шве, як паказана на малюнку. Парыстасць разлічваецца як агульны аб'ём пор, падзелены на агульны аб'ём шва. Параўноўваючы марфалогію і размеркаванне пор прамых лазерных вагальных зварных швоў і кругавых лазерных вагальных зварных швоў, было выяўлена, што прамыя лазерныя вагальныя зварныя швы ўтрымліваюць больш пор вялікага аб'ёму з парыстасцю 2,49%, што значна вышэй, чым у круглых.лазерныя вагальныя зваркіПараўноўваючы малюнкі (b, c) і (d, e), відаць, што павелічэнне частаты ваганняў дапамагае стрымліваць утварэнне пор. Параўноўваючы малюнкі (b, d) і (c, e), відаць, што павелічэнне амплітуды ваганняў таксама адыгрывае значную ролю ў стрымліванні ўтварэння пор. Пры далейшым павелічэнні амплітуды ваганняў да 2 мм (малюнак (f)) парыстасць яшчэ больш памяншаецца да 0,22%, пакідаючы толькі невялікія па аб'ёме і дробныя поры. На малюнку паказана размеркаванне плошчы пор на розных адлегласцях ад цэнтральнай лініі зваркі, якое прадстаўляе парыстасць у залежнасці ад памеру плошчы пор. Пры прамой зварцы плошча пор сіметрычна размеркавана ўздоўж цэнтральнай лініі зваркі і паступова памяншаецца з павелічэннем адлегласці ад цэнтральнай лініі зваркі. Вынікі паказваюць, што поры, выкліканыя замочнай свідравінай, у асноўным сканцэнтраваны за аб'ёмам расплаўленай ванны ў цэнтральнай лініі зваркі. Пры лазернай вагальнай зварцы сіметрыя размеркавання пор слабее. На малюнку паказана плошча пор на розных адлегласцях ад паверхні зваркі, дзе чырвоная лінія ўяўляе сабой мяжу паміж абласцямі «чашы» і «сцябла». У выпадку дамінантных буйных пор (малюнкі (ac)) плошча пор над мяжой складае больш за 85%. Гэта звязана з тым, што контурны пераход на доўгай міжпялёсткавай мяжы, хутчэй за ўсё, затрымлівае бурбалкі ў зварачнай ванне, і захопленыя бурбалкі, як правіла, мігруюць уверх пад уздзеяннем плавучасці. У выпадку дамінантных дробных пор (малюнкі (df)) поры сканцэнтраваны ў вобласці ў межах 0,5 мм ніжэй лініі мяжы. Прычынамі гэтай з'явы могуць быць кароткі час астуджэння і невялікае зрушэнне ўверх.

5 Высновы

(1) Розныя рэжымы лазерных ваганняў аказваюць відавочны ўплыў на паверхню зваркі. Больш высокая амплітуда і частата могуць палепшыць якасць паверхні, у той час як празмерна вялікія параметры ваганняў могуць павялічыць шурпатасць і выклікаць увагнутыя дэфекты.

(2) Форма зварнога шва ў асноўным вызначаецца параметрамі лазерных ваганняў, якія ўплываюць на хуткасць зваркі, размеркаванне энергіі і агульную цеплападдачу. З павелічэннем амплітуды ваганняў марфалогія зварнога шва змяняецца з «кубапападобнай» на «паўмесяц», а каэфіцыент падоўжнасці памяншаецца.

(3) З павелічэннем амплітуды і частаты ваганняў ванна расплаўленага рэчыва пашыраецца, а задняя частка становіцца круглявай. Эфект ваганняў павялічвае даўжыню ванны расплаўленага рэчыва, што спрыяе выхаду бурбалак і раўнамернаму зацвярдзенню. Падчас прамой зваркі плошча адтуліны замочнай свідравіны вагаецца; адносна кажучы, гэтыя ваганні можна паменшыць, што паляпшае стабільнасць зваркі.

(4) Павелічэнне амплітуды і частаты ваганняў памяншае як цеплавы градыент, так і хуткасць росту, што спрыяе ўтварэнню буйных памераў зерняў. Аднак эфект лазернага перамешвання спрыяе ўдасканаленню памеру зерняў і паляпшэнню трываласці тэкстуры. Пры розных параметрах лазера цвёрдасць зварнога шва застаецца адносна стабільнай, крыху ніжэйшай, чым у асноўнага матэрыялу, што можа быць звязана з стратай магнію пры выпарэнні.

(5) Трохмерная рэнтгенаўская тамаграфія паказвае, што прамалінейная зварка мае больш высокую парыстасць (2,49%) і большы аб'ём пор, чым вагальная зварка. Павелічэнне параметраў ваганняў можа значна знізіць парыстасць, дасягаючы нават 0,22% пры амплітудзе 2 мм. Размеркаванне плошчы пор змяняецца з ваганнямі: буйныя поры агрэгуюцца за расплаўленай ваннай, а дробныя поры маюць лепшую сіметрыю. Буйныя поры ў асноўным размеркаваны над мяжой паміж абласцямі «чашы» і «сцябла», у той час як дробныя поры сканцэнтраваны ніжэй за мяжу.