Laserlassen - De ynfloed fan oscillaasjeparameters op ferstelbere ringmodus (ARM) laserlassen fan aluminiumlegeringen

Laserlassen - De ynfloed fan oscillaasjeparameters op ferstelbere ringmodus (ARM) laserlassen fan aluminiumlegeringen

1. Gearfetting

Dizze stúdzje ûndersiket de effekten fan oscillaasje-amplitude en -frekwinsje op 'e oerflakkwaliteit, makro- en mikrostrukturen, en porositeit fan ferstelbere ringmodus (ARM)laser-oscillearjend laskeA5083 aluminiumlegeringplaten. De resultaten litte sjen dat mei de tanimming fan oscillaasje-amplitude en -frekwinsje, de kwaliteit fan it lasoerflak ferbetteret. As de amplitude tanimt, transformearret de lasdwarsdoorsnede fan in "beker"-foarm nei in "sikkelfoarm". Mikrostrukturele analyze jout oan dat de korrelgrutte fan 'e las net ôfnimt mei de tanimming fan oscillaasje-amplitude en -frekwinsje fanwegen de konkurrinsje tusken it roereffekt en de fermindering fan 'e koelsnelheid. De lasporositeit nimt ôf mei de tanimming fan oscillaasjeparameters, en berikt in definitive porositeit fan 0,22% as de amplitude 2 mm is. Trijediminsjonale röntgentomografy befêstiget fierder de ynfloed fan oscillaasje op 'e poarferdieling: grutte poaren tendearje te aggregearjen efter de smeltende plas, wylst lytse poaren in bettere symmetry sjen litte. Dit ûndersyk leveret weardefolle ynsjoch foar it optimalisearjen fan oscillaasjeparameters om laserlassen fan hege kwaliteit te berikken yn A5083 aluminiumlegering-tapassingen.

2 Eftergrûn fan 'e sektor

Aluminiumlegeringen hawwe de foardielen fan licht gewicht, hege spesifike sterkte en goede korrosjebestriding, en wurde in soad brûkt yn 'e auto-, hege-snelheidsspoar-, loftfeart- en oare yndustry. Laserlassen hat de foardielen fan hege effisjinsje, in lytse waarmte-beynfloede sône en lytse lasdeformaasje. Dêrom,laserlassen is in ekonomyske lasmetoade dy't geskikt is foar dikke platen, wat it oantal laspassaazjes sterk ferminderje kin. Porositeit is in wichtich defekt yn laserlassen fan aluminiumlegeringen, dat de meganyske eigenskippen fan lassen ferbiningen serieus beynfloedet. Dêrom binne wiidweidige stúdzjes útfierd om porositeitsfoarming te ferminderjen en te eliminearjen, ynklusyf it optimalisearjen fan beskermingsgas, it tapassen fan dûbele beamtechnology, it brûken fan modulearre laserkrêftsystemen, en it oannimmen fan oscillerende beammetoaden. Laser-oscillerende lastechnology falt op troch syn fermogen om de foardielen fan laserlassen te kombinearjen mei syn eigen skaaimerken. It brûken fan laser-oscillerende lassen kin net allinich porositeit ferminderje, mar ek de mikrostruktuer fan 'e las ferbetterje en de laskwaliteit ferbetterje. In grut oantal stúdzjes hawwe har benammen rjochte op ferskate aspekten fan laser-oscillerende lassen, ynklusyf porositeitsreduksje, optimalisaasje fan enerzjyferdieling, ferfining fan nôtstruktuer, en karakterisaasje fan smeltstream yn 'e smeltende plas. De ferdieling fan laserenerzjy spilet in krúsjale rol yn 'e temperatuerferdieling en penetraasjedjipte fan laserlassen. By in bepaalde oscillaasje-amplitude, mei de tanimming fan scanfrekwinsje, giet it lasproses oer fan djip penetraasjelassen nei ynstabyl lassen, en úteinlik nei waarmtegeliedingslassen. De resultaten litte sjen dat it ferheegjen fan de scanamplitude en frekwinsje de porositeit kin ferminderje, mar ek de penetraasjedjipte fan 'e lasnaad signifikant kin ferminderje, wêrtroch't de meganyske eigenskippen fan 'e lasnaad wurde fermindere. Yn 'e lêste jierren is in ferstelbere ringmodus (ARM) laser ûntwikkele, dy't de laserenerzjy ferdielt yn in kearn mei hege enerzjytichtens en in ring mei lege enerzjytichtens, mei as doel it kaaisgat te stabilisearjen en de laskwaliteit te ferbetterjen. Undersykers hawwe ARM-laser-oscillearjend lassen brûkt om 6xxx hege-sterkte aluminiumlegeringen te lassen ûnder ferskate kearn/ring-krêftferhâldingen en oscillaasjebreedtes. De eksperimintele resultaten litte sjen dat de wichtichste faktor dy't de lasgeometry beynfloedet de oscillaasjebreedte is, ynstee fan de kearn-ring-krêftferhâlding. De poarferdieling en it ynhibysjemeganisme dêrfan ûnder de superposysje fan oscillaasje en ARM-laser binne lykwols net bestudearre. Yn dit artikel wurdt in nije ARM-laser-oscillearjende lastechnology oannaam om de porositeit fan 'e lasnaad te ferminderjen, in hegere penetraasjedjipte en bettere laskwaliteit te krijen. In wiidweidige stúdzje oer laserenerzjyferdieling, dynamysk gedrach fan it smeltebad en mikrostruktuer ûnder ferskate oscillaasjefrekwinsjes en amplitudes wurdt útfierd.

3. Eksperimintele doelen en prosedueres

Sirkulêre laser-oscillearjende lastechnology waard brûkt om aluminiumlegeringen te lassen. It basismateriaal (BM) wie 5083-O aluminiumlegering mei ôfmjittings fan 300 mm × 100 mm × 5 mm (lingte × breedte × dikte), en de gemyske gearstalling dêrfan wurdt werjûn yn 'e tabel. Foar it lassen waarden de samples gepolijst om de oerflakoksidefilm te ferwiderjen, en doe 15 minuten skjinmakke mei aceton yn in ultrasone bad om oerflakoalje te ferwiderjen. Delaserlassysteembestiet benammen út in Kuka-robot, in TruDisk 8001-skiiflaser, en in 3D PFO-galvanometerscanner. De TruDisk 8001-skiiflaser waard brûkt as de ferstelbere ringmoduslaserboarne, mei in kearn/ringfaserferhâlding fan 100/400 μm en in maksimum útfierfermogen fan 8 kW (golflingte fan 1030 nm, strielkwaliteitsparameter fan 4,0 mm·rad). De laserstriel bestiet út in kearndiel en in ringdiel, wêrby't de laser yn it sintrale kearndiel in kaaisgat genereart (60% fan 'e laserenerzjy), en de laser yn it ringdiel soarget foar in goede temperatuerferdieling (40% fan 'e laserenerzjy), lykas te sjen is yn figuer (b). De brânpuntsôfstannen fan 'e kollimator en fokussearjende lens binne respektivelik 138 mm en 450 mm. Tidens it lasproses waarden in Phantom V1840 hege-snelheidskamera en in Cavilux hege-frekwinsje ljochtboarne brûkt om it lasproses yn realtime te kontrolearjen, mei in sjitsnelheid fan 5000 fps en in bleatstellingstiid fan 1 μs. Yn dizze stúdzje binne de sirkelfoarmige strieloszillaasjetrajekt, it laserbewegingspaad en de direkte snelheid definieare lykas werjûn yn 'e ôfbylding.

4 Resultaten en diskusje

4.1 Karakteristiken fan 'e lasmorfology De morfologyen fan it lasoerflak ûnder ferskate laseroscillaasjemodi wurde werjûn yn 'e figuer. De resultaten litte sjen dat it lasoerflak fan konvinsjoneel rjochtlinelassen rûch is (rûchheid fan 78,01 μm), mei minne kontinuïteit fan lasrimpels en ûnfoldwaande lasfersprieding. Unfoldwaande lasfoarming, swiere spatten en ûndersnijing waarden ek waarnommen. Mei de tanimming fan oscillaasjeamplitude en -frekwinsje presintearret it lasoerflak tichte en unifoarme fiskskubben. De oerflakrûchheid fan lassen mei oscillaasjeamplitudes fan 0,5 mm, 1 mm en 2 mm is respektivelik 80,71 μm, 49,63 μm en 31,12 μm. Der binne gjin ûnregelmjittichheden of útsteksels feroarsake troch spatten. De resultaten jouwe oan dat in hegere oscillaasjefrekwinsje liedt ta in regelmjittiger stream fan it smeltende laadfleat, in sterker roereffekt fan 'e laserstriel en in idealer lasoerflak. Fundamenteel is de foarm fan 'e laserlas kausaal relatearre oan 'e beweging fan 'e laserstriel. Tidens it lassen feroarje feroarings yn oscillaasje-amplitude en -frekwinsje de lassnelheid, wêrtroch't de lineêre enerzjytichtens en totale waarmte-ynfier fan 'e laser beynfloede wurde. De dwersdoorsnedemorfology fan 'e las is "bekerfoarmich", besteande út twa dielen: it ûnderste diel is de "stam", en it boppeste diel is de "kom". De penetraasjedjipte en de "stam" wurde respektivelik definieare as H1 en H2, en de breedtes fan 'e las ("kom") en de "stam" wurde respektivelik definieare as W1 en W2. Beide lasbreedtes W1 en W2 nimme syngroan ta mei de tanimming fan oscillaasje-amplitude, en de lasmorfology feroaret stadichoan fan "bekerfoarm" nei "sikkelfoarm". De maksimale laserenerzjytichtens ferskynt by de oerlaap fan it trajekt. As wy figueren (b, d) en (c, e) fergelykje, kin sjoen wurde dat de tanimming fan 'e scanfrekwinsje it oerlaapgebiet fan it trajekt lâns it scanpaad sil fergrutsje, wêrtroch't de laserenerzjyferdieling unifoarmer wurdt. De fermindering fan 'e maksimale enerzjytichtens sil lykwols liede ta in ôfname fan 'e lasdjipte.

4.2 Gedrach fan 'e smeltende plas Om de ynfloed fan it scanpaad op it gedrach fan 'e smeltende plas te dúdlikjen, waard in hege-snelheidskamerasysteem brûkt om it evolúsjeproses fan 'e smeltende plas en it kaaisgat te observearjen. Figuer (a) lit it evolúsjeproses fan 'e smeltende plas sjen ûnder in rjochtlinepaad. Figueren (bf) binne de evolúsjediagrammen fan 'e smeltende plas ûnder ferskate oscillaasjeparameters. Mei de tanimming fan oscillaasjefrekwinsje en amplitude wurdt it efterste diel fan 'e smeltende plas rûner troch de útwreiding fan 'e breedte fan 'e smeltende plas. As de lingte fan 'e smeltende plas tanimt, nimt de oerflakfluktuaasje feroarsake troch kaaisgatútbarsting ôf tidens efterútgeande propagaasje. Dêrom stollet it smelte floeibere metaal glêd en regelmjittich oan 'e efterkant fan 'e smeltende plas, wêrtroch't unifoarme en tichte lasfiskskubben ûntsteane. De figuer lit de feroaring sjen fan it kaaisgat-iepeningsgebiet tidens laserlassen, dy't ôflaat is fan 'e hege-snelheidsfotografyske ôfbyldings fan 'e smeltende plas. Lykas te sjen is yn figuer (a), lit de grutte fan 'e kaaisgat-iepening dúdlike fluktuaasjes sjen tidens rjochtlinelassen. Ferskate gefallen fan sluting fan it kaaisgat (0 mm²) waarden waarnommen, mei in gemiddelde iepeninggebiet fan it kaaisgat fan 0,47 mm². De tanimming fan 'e oscillaasje-amplitude kin ek fluktuaasjes ferminderje en de stabiliteit ferbetterje. Dit komt om't by oscillerend lassen in grutter diel fan 'e enerzjy nei beide kanten ferdield wurdt. Dêrom wreidet de útgong op it kaaisgat út, en nimt de oscillaasje-amplitude ta, wêrtroch it iepeninggebiet tanimt. De tanimming fan 'e amplitude wreidet it roerberik fan 'e laserstriel út, wat liedt ta de útwreiding fan 'e radius fan 'e periodike beweging fan it kaaisgat. Fanwegen de viskositeit fan it smelte metaal en de hydrodynamyske druk dy't by de kaaisgatwand wurket, komt wervelstroombeweging foar yn 'e smelte laspoeder by de kaaisgat-iepening. De útwreiding fan it iepeninggebiet fan it kaaisgat ferbetteret de stabiliteit, foarkomt de foarming fan bubbels, en remt sadwaande de porositeit signifikant.

4.3 Mikrostruktuer De figuer lit de EBSD-morfology sjen fan 'e lasdwarsdoorsnede ûnder ferskillende oscillaasjefrekwinsjes en amplitudes. Tichtby de fúzjeline fan 'e laserlas groeie kolomfoarmige dendrytkorrels nei it lassintrum ta. Lykas te sjen is yn figuer (a), kinne tusken de "kom"- en "stam"-regio's dúdlike ferskillen yn 'e ferdieling fan 'e kolomfoarmige kerrels waarnommen wurde. Kolomfoarmige kerrels binne ferdield yn in U-foarm lâns de "kom"-wand, wylst yn 'e "stam"-regio kolomfoarmige kerrels yn in U-foarm ferdield binne lâns de fúzjeline. Tidens it stollen fan 'e las fungearje de foar in part stollen kerrels yn 'e fúzjesône as kearnplakken foar it stollingsfront en groeie se by foarkar loodrecht op 'e grins fan it smeltebad lâns de rjochting fan 'e maksimale temperatuergradiïnt. Dit ferskynsel komt foar om't de hege krêfttichtens fan 'e laser liedt ta oerferhitting yn it lasbad. De hegere termyske gradiïnt G en matige groeisnelheid R meitsje G/R grutter as de drompel foar mikrostruktuertransformaasje, wat resulteart yn 'e foarming fan kolomfoarmige kerrels. De temperatuergradiënt G by it lassintrum nimt ôf, wêrtroch't de G/R-ferhâlding stadichoan ûnder de drompel fan 'e mikrostruktuertransformaasje sakket, en oergiet nei lykweardige kerrels. Lykweardige kerrels lizze yn 'e sintrale dielen fan sawol de "kom" as de "stam". Om't de "stam" fan 'e las smel is en ticht by it basismateriaal, stollet it folslein foar it "kom"-gebiet tidens it ôfkuoljen. It stolde "stam"-diel fungearret as in kearnplak oan 'e ûnderkant fan 'e "kom", wat de opwaartse groei fan kolomfoarmige kerrels befoarderet. De figuer lit de rjochtline- en ossillearjende lasprosessen sjen. Der wurdt oantoand dat de trochgeande feroaring fan 'e posysje fan 'e laserstriel by laserosillearjend lassen de lingte fan 'e tuskenlizzende smelte plas sil fergrutsje, wêrtroch it al stolde metaal opnij smelt, wat resulteart yn in ôfname fan 'e kerrelgroeisnelheid r. Dit kin liede ta in ôfname fan G/R yn 'e legere lykweardige kerrelsône.

4.4 Porositeitsferdieling Trijediminsjonale röntgentomografy waard brûkt om in wiidweidige ynspeksje fan 'e las út te fieren, wêrby't de trijediminsjonale ferdieling fan poaren yn 'e las waard krigen, lykas werjûn yn 'e figuer. Porositeit wurdt berekkene as it totale folume fan poaren dield troch it totale folume fan 'e las. Troch de poarmorfology en ferdieling fan rjochte-line laser-oscillearjende lassen en sirkelfoarmige laser-oscillearjende lassen te fergelykjen, wurdt fûn dat rjochte-line laser-oscillearjende lassen mear poaren mei grut folume befetsje, mei in porositeit fan 2,49%, wat signifikant heger is as dy fan sirkelfoarmigelaser-oscillearjende lassenTroch it fergelykjen fan figueren (b, c) en (d, e) kin sjoen wurde dat it ferheegjen fan 'e oscillaasjefrekwinsje helpt om de foarming fan poaren te remmen. By it fergelykjen fan figueren (b, d) en (c, e) kin sjoen wurde dat de tanimming fan 'e oscillaasjeamplitude ek in wichtige rol spilet by it remmen fan poarefoarming. As de oscillaasjeamplitude fierder ferhege wurdt nei 2 mm (figuer (f)), wurdt de porositeit fierder fermindere nei 0,22%, wêrtroch allinich poaren mei lyts folume en lytse poaren oerbliuwe. De figuer toant de ferdieling fan it poaregebiet op ferskate ôfstannen fan 'e lassensintrumline, wat de porositeit fertsjintwurdiget op basis fan 'e grutte fan it poaregebiet. Foar rjochtlinelassen is it poaregebiet symmetrysk ferdield lâns de lassensintrumline, en nimt stadichoan ôf mei de tanimming fan 'e ôfstân fan 'e lassensintrumline. De resultaten litte sjen dat kaaisgat-induzearre poaren benammen konsintrearre binne efter de smeltende plas by de lassensintrumline. Foar laser-oscillearjend lassen wurdt de symmetry fan 'e poareferdieling swakker. De figuer lit it poaregebiet sjen op ferskate ôfstannen fan it lasflak, wêrby't de reade line de grins tusken de "kom"- en "stam"-regio's fertsjintwurdiget. Yn it gefal fan dominante grutte poaren (figueren (ac)) is it poaregebiet boppe de grins ferantwurdlik foar mear as 85%. Dit komt om't de kontoeroergong by de lange itudinale grins wierskynliker bubbels yn 'e laspoel fange sil, en de fongen bubbels hawwe de neiging om omheech te migrearjen ûnder ynfloed fan driuwfermogen. Yn it gefal fan dominante lytse poaren (figueren (df)) binne de poaren konsintrearre yn it gebiet binnen 0,5 mm ûnder de grinsline. De koarte ôfkuoltiid en lytse opwaartse ferskowing kinne de redenen wêze foar dit ferskynsel.

5 Konklúzjes

(1) Ferskillende laseroscillaasjemodi hawwe dúdlike effekten op it lasflak. Hegere amplitude en frekwinsje kinne de oerflakkwaliteit ferbetterje, wylst te grutte oscillaasjeparameters de rûchheid kinne ferheegje en konkave defekten feroarsaakje.

(2) De foarm fan 'e las wurdt benammen bepaald troch laseroscillaasjeparameters, dy't ynfloed hawwe op 'e lassnelheid, enerzjyferdieling en totale waarmte-ynfier. Mei de tanimming fan 'e oscillaasje-amplitude feroaret de lasmorfology fan "beker" nei "sikkelfoarm", en de aspektferhâlding nimt ôf.

(3) Mei de tanimming fan de oscillaasje-amplitude en -frekwinsje wurdt de smeltende plas breder en wurdt it efterste diel rûn. It oscillaasje-effekt fergruttet de lingte fan 'e smeltende plas, wat foardielich is foar it ûntkommen fan bellen en in unifoarme stolling. By rjochtlinelassen fluktuearret it iepeningsgebiet fan it kaaisgat; relatyf sjoen kin dizze fluktuaasje wurde fermindere, wêrtroch't de lasstabiliteit ferbettere wurdt.

(4) It ferheegjen fan de oscillaasje-amplitude en -frekwinsje ferminderet sawol de termyske gradiënt as de groeisnelheid, wat foardielich is foar de foarming fan grutte korrelgruttes. It laserroereffekt is lykwols geunstich foar it ferfine fan de korrelgrutte en it ferbetterjen fan de tekstuersterkte. Under ferskate laserparameters bliuwt de lashurdens relatyf stabyl, wat leger as dy fan it basismateriaal, wat mooglik te tankjen is oan it ferlies fan magnesium by ferdamping.

(5) Trijediminsjonale röntgentomografy lit sjen dat rjochtlinelassen in hegere porositeit (2,49%) en in grutter poarevolume hat as oszillearjend lassen. It ferheegjen fan oscillaasjeparameters kin de porositeit signifikant ferminderje, sels oant 0,22% as de amplitude 2 mm is. De ferdieling fan it poaregebiet ferskowt mei oscillaasje: grutte poaren aggregearje efter de smeltende plas, en lytse poaren hawwe in bettere symmetry. Grutte poaren binne benammen ferspraat boppe de grins tusken de "kom"- en "stam"-regio's, wylst lytse poaren ûnder de grins konsintrearre binne.