Laserschweißen – Den Afloss vun Oszillatiounsparameteren op d'Laserschweißen vun Aluminiumlegierungen am verstellbare Ringmodus (ARM)

Laserschweißen – Den Afloss vun Oszillatiounsparameteren op d'Laserschweißen vun Aluminiumlegierungen am verstellbare Ringmodus (ARM)

1. Resumé

Dës Studie ënnersicht d'Auswierkunge vun der Schwéngungsamplitude a -frequenz op d'Uewerflächenqualitéit, d'Makro- a Mikrostrukturen, an d'Porositéit vum justierbare Ringmodus (ARM).Laser-oszilléierend geschweesstPlacke vun der Aluminiumlegierung A5083. D'Resultater weisen, datt mat der Erhéijung vun der Schwéngungsamplitude a -frequenz d'Qualitéit vun der Schweessuewerfläch verbessert gëtt. Mat der Erhéijung vun der Amplitude transforméiert sech de Schweessquerschnitt vun enger "Käppchen"-Form an eng "Halbmound"-Form. D'Mikrostrukturanalyse weist, datt d'Käregréisst vun der Schweess net mat der Erhéijung vun der Schwéngungsamplitude a -frequenz ofhëlt, wéinst der Konkurrenz tëscht dem Rühreffekt an der Reduktioun vun der Ofkillquote. D'Schweessporositéit hëlt mat der Erhéijung vun den Schwéngungsparameter of a erreecht eng final Porositéit vun 0,22%, wann d'Amplitude 2 mm ass. Dräidimensional Röntgentomographie bestätegt weider den Afloss vun der Schwéngung op d'Porenverdeelung: grouss Poren tendéieren sech hannert dem geschmollte Pool ze aggregéieren, während kleng Poren eng besser Symmetrie weisen. Dës Fuerschung liwwert wäertvoll Ablécker fir d'Optimiséierung vun den Schwéngungsparameter fir héichqualitativ Laserschweißen an Uwendungen an der Aluminiumlegierung A5083 z'erreechen.

2 Industriehannergrond

Aluminiumlegierungen hunn d'Virdeeler vun engem liichte Gewiicht, héijer spezifescher Festigkeit a gudder Korrosiounsbeständegkeet a gi wäit verbreet an der Automobilindustrie, am Héichvitesszuch, an der Loftfaart an aner Industrien agesat. Laserschweißen huet d'Virdeeler vun enger héijer Effizienz, enger klenger Hëtztbeaflosster Zon an enger klenger Schweessdeformatioun. Dofir,Laserschweissen ass eng wirtschaftlech Schweissmethod, déi fir déck Placken gëeegent ass, wat d'Zuel vun de Schweessduerchgäng däitlech reduzéiere kann. Porositéit ass e bedeitenden Defekt beim Laserschweißen vun Aluminiumlegierungen, deen d'mechanesch Eegeschafte vu geschweesste Verbindungen eescht beaflosst. Dofir goufen extensiv Studien duerchgefouert fir d'Bildung vu Porositéiten ze reduzéieren an ze eliminéieren, dorënner d'Optimiséierung vum Schutzgas, d'Uwendung vu Duebelstrahltechnologie, d'Benotzung vu moduléierte Laserkraaftsystemer an d'Adoptioun vu Schweessstralmethoden. D'Laser-oszilléierend Schweesstechnologie ënnerscheet sech duerch hir Fäegkeet, d'Virdeeler vum Laserschweißen mat hiren eegenen Eegeschaften ze kombinéieren. D'Benotzung vu Laser-oszilléierende Schweess kann net nëmmen d'Porositéit reduzéieren, mä och d'Mikrostruktur vun der Schweess verbesseren an d'Schweessqualitéit verbesseren. Eng grouss Zuel vu Studien hunn sech haaptsächlech op verschidden Aspekter vum Laser-oszilléierende Schweess konzentréiert, dorënner d'Reduktioun vun der Porositéit, d'Optimiséierung vun der Energieverdeelung, d'Verfeinerung vun der Kärenstruktur an d'Charakteriséierung vum Schmelzfluss am Schmelzbad. D'Verdeelung vun der Laserenergie spillt eng entscheedend Roll an der Temperaturverdeelung an der Duerchdringungsdéift vum Laserschweißen. Bei enger bestëmmter Schwéngungsamplitude, mat der Erhéijung vun der Scanfrequenz, wiesselt de Schweessprozess vum Déifduerchdringungsschweessen an den Onstabilen Schweessen a schliisslech an d'Hëtztleitungsschweessen. D'Resultater weisen datt d'Erhéijung vun der Scanamplitude a -frequenz d'Porositéit reduzéiere kann, awer och d'Déift vun der Schweess däitlech reduzéieren, wouduerch d'mechanesch Eegeschafte vun der Schweess reduzéiert ginn. An de leschte Joren gouf en justierbare Ringmodus (ARM) Laser entwéckelt, deen d'Laserenergie an e Kär mat héijer Energiedicht an e Rank mat gerénger Energiedicht opdeelt, fir d'Schlëssellach ze stabiliséieren an d'Schweessqualitéit ze verbesseren. Fuerscher hunn ARM Laser-oszilléierend Schweess benotzt fir 6xxx Héichfestigkeitsaluminiumlegierungen ënner verschiddene Kär/Ring-Leeschtungsverhältnisser a Schweessbreeten ze schweessen. Déi experimentell Resultater weisen datt den Haaptfaktor, deen d'Schweessgeometrie beaflosst, d'Schweessbreet ass, anstatt d'Kär-Ring-Leeschtungsverhältnis. D'Porenverdeelung an hiren Inhibitiounsmechanismus ënner der Superpositioun vun der Schweess an dem ARM Laser goufen awer net ënnersicht. An dëser Aarbecht gëtt eng nei ARM Laser-oszilléierend Schweesstechnologie adoptéiert fir d'Porositéit vun der Schweess ze reduzéieren, eng méi héich Déift an eng besser Schweessqualitéit ze kréien. Eng ëmfaassend Studie iwwer d'Laserenergieverdeelung, d'dynamescht Verhalen vum Schmelzbad an d'Mikrostruktur ënner verschiddene Schweessfrequenzen an Amplituden gëtt duerchgefouert.

3. Experimentell Ziler a Prozeduren

Fir Aluminiumlegierungen ze schweessen, gouf kreesfërmeg Laser-oszilléierend Schweesstechnologie benotzt. D'Basismaterial (BM) war eng 5083-O Aluminiumlegierung mat Dimensioune vun 300 mm × 100 mm × 5 mm (Längt × Breet × Déckt), a seng chemesch Zesummesetzung ass an der Tabell gewisen. Virum Schweessen goufen d'Prouwe poléiert fir den Uewerflächenoxidfilm ze entfernen, an duerno 15 Minutte laang mat Aceton an engem Ultraschallbad gereinegt fir Uewerflächenueleg ze entfernen.Laser-Schweisssystembesteet haaptsächlech aus engem Kuka-Roboter, engem TruDisk 8001-Scheiwenlaser an engem 3D-PFO-Galvanometerscanner. Den TruDisk 8001-Scheiwenlaser gouf als justierbar Ringmodus-Laserquell benotzt, mat engem Kär/Ringfaser-Verhältnis vun 100/400 μm an enger maximaler Ausgangsleistung vun 8 kW (Wellenlängt vun 1030 nm, Stralqualitéitsparameter vu 4,0 mm·rad). De Laserstrahl besteet aus engem Kärdeel an engem Rankdeel, wou de Laser am zentralen Kärdeel e Schlëssellach generéiert (60% vun der Laserenergie), an de Laser am Rankdeel eng gutt Temperaturverdeelung garantéiert (40% vun der Laserenergie), wéi an der Figur (b) gewisen. D'Brennwäit vum Kollimator a vum Fokuséierungsobjektiv sinn 138 mm respektiv 450 mm. Wärend dem Schweessprozess goufen eng Phantom V1840 High-Speed-Kamera an eng Cavilux Héichfrequent-Liichtquell benotzt fir de Schweessprozess a Echtzäit ze iwwerwaachen, mat enger Opnamgeschwindegkeet vu 5000 fps an enger Beliichtungszäit vun 1 μs. An dëser Studie sinn d'Schweißbunn vum kreesfërmege Stral, de Laserbewegungswee an d'momentan Geschwindegkeet wéi an der Figur gewisen definéiert.

4 Resultater an Diskussioun

4.1 Charakteristike vun der Schweißmorphologie D'Morphologie vun der Schweißfläch ënner verschiddene Laseroszillatiounsmodi sinn an der Figur gewisen. D'Resultater weisen, datt d'Schweißfläch vum konventionelle Geriichschweißen rau ass (Rauheet vun 78,01 μm), mat enger schlechter Kontinuitéit vun de Schweißwellen an enger onzureichender Schweißverbreedung. Onzureichend Schweißbildung, staark Sprëtzer an Ënnerschnitt goufen och observéiert. Mat der Erhéijung vun der Oszillatiounsamplitude a -frequenz weist d'Schweißfläch dicht a gläichméisseg Fëschschuppen. D'Uewerflächenrauheet vu Schweißnähten mat Oszillatiounsamplituden vun 0,5 mm, 1 mm an 2 mm ass 80,71 μm, 49,63 μm an 31,12 μm. Et gëtt keng Onregelméissegkeeten oder Virspréngungen, déi duerch Sprëtzer verursaacht ginn. D'Resultater weisen, datt eng méi héich Oszillatiounsfrequenz zu engem méi reegelméissege Schmelzbadfloss, engem méi staarken Rühreffekt vum Laserstrahl an enger méi idealer Schweißfläch féiert. Grondsätzlech ass d'Form vun der Laserschweißung kausal mat der Bewegung vum Laserstrahl verbonnen. Beim Schweessen änneren Ännerungen an der Schwéngungsamplitude a Frequenz d'Schweessgeschwindegkeet, wouduerch d'linear Energiedicht an den totalen Hëtztzoufloss vum Laser beaflossen. D'Querschnittsmorphologie vun der Schweess ass "Kübel"-fërmeg a besteet aus zwéin Deeler: den ënneschten Deel ass de "Stamm" an den ieweschten Deel ass d'"Schossel". D'Penetratiounsdéift an de "Stamm" sinn als H1 respektiv H2 definéiert, an d'Breet vun der Schweess ("Schossel") an dem "Stamm" sinn als W1 respektiv W2 definéiert. Béid Schweessbreeten W1 a W2 huelen synchron mat der Erhéijung vun der Schwéngungsamplitude zou, an d'Schweessmorphologie transforméiert sech graduell vun enger "Kübel"-Form an eng "Halbmound"-Form. Déi maximal Laserenergiedicht erschéngt bei der Trajektorieiwwerlappung. Wann een d'Figuren (b, d) an (c, e) vergläicht, kann een gesinn, datt d'Erhéijung vun der Scanfrequenz d'Trajektorieiwwerlappungsfläch laanscht de Scanwee erhéicht, wouduerch d'Laserenergieverdeelung méi gläichméisseg gëtt. D'Reduktioun vun der maximaler Energiedicht féiert awer zu enger Ofsenkung vun der Schweessdéift.

4.2 Verhale vum geschmollte Pool Fir den Afloss vum Scanwee op d'Verhale vum geschmollte Pool ze klären, gouf e High-Speed-Kamerasystem benotzt fir den Entwécklungsprozess vum geschmollte Pool an dem Schlëssellach ze observéieren. Figur (a) weist den Entwécklungsprozess vum geschmollte Pool ënner engem geraden Wee. Figuren (bf) sinn d'Entwécklungsdiagrammer vum geschmollte Pool ënner verschiddene Schwéngungsparameteren. Mat der Erhéijung vun der Schwéngungsfrequenz an -amplitude gëtt den hënneschten Deel vum geschmollte Pool méi gerundet wéinst der Expansioun vun der Breet vum geschmollte Pool. Mat der Längt vum geschmollte Pool hëlt d'Uewerflächenfluktuatioun, déi duerch Schlëssellachausbroch verursaacht gëtt, während der Réckwärtspropagatioun of. Dofir verfestigt dat geschmollte flëssegt Metall glat a reegelméisseg um hënneschten Enn vum geschmollte Pool a bildt eenheetlech a dicht Schweessfëschschuppen. D'Figur weist d'Ännerung vun der Schlëssellachöffnungsfläch beim Laserschweißen, déi vun den High-Speed-Fotobiller vum geschmollte Pool ofgeleet ass. Wéi an der Figur (a) gewisen, weist d'Gréisst vun der Schlëssellachöffnung beim geraden Schweessen däitlech Schwankungen. E puer Fäll vu Schlëssellach-Verschluss (0 mm²) goufen observéiert, mat enger duerchschnëttlecher Schlëssellach-Ouverturefläch vun 0,47 mm². D'Erhéijung vun der Schwéngungsamplitude kann och Schwankungen reduzéieren an d'Stabilitéit verbesseren. Dëst läit dorun, datt beim oszilléierende Schweessen e gréisseren Undeel vun der Energie op béide Säiten verdeelt gëtt. Dofir erweitert sech den Auslaaf um Schlëssellach, an d'Schwéngungsamplitude klëmmt, wouduerch d'Ouverturefläch vergréissert gëtt. D'Erhéijung vun der Amplitude erweitert de Rührberäich vum Laserstrahl, wat zu enger Erweiderung vum Radius vun der periodescher Bewegung vum Schlëssellach féiert. Wéinst der Viskositéit vum geschmollte Metall an dem hydrodynameschen Drock, deen no bei der Schlëssellachwand wierkt, geschitt eng Wirbelstroumbewegung am Schweissschmelzbad no bei der Schlëssellach-Ouverture. D'Ausbreedung vun der Schlëssellach-Ouverturefläch verbessert seng Stabilitéit, vermeit d'Bildung vu Blasen an hemmt doduerch d'Porositéit däitlech.

4.3 Mikrostruktur D'Figur weist d'EBSD-Morphologie vum Schweessquerschnitt ënner verschiddene Schwéngungsfrequenzen an Amplituden. No bei der Schmelzlinn vun der Laserschweess wuessen säulenförmig Dendritkären a Richtung Schweesszentrum. Wéi an der Figur (a) gewisen, kënnen tëscht der "Schossel"- an der "Stamm"-Regioun däitlech Ënnerscheeder an der Verdeelung vun de säulenförmigen Kären observéiert ginn. Säulenförmig Kären sinn an enger U-Form laanscht d'"Schossel"-Mauer verdeelt, während an der "Stamm"-Regioun d'säulenförmig Kären an enger U-Form laanscht d'Schmelzlinn verdeelt sinn. Wärend der Erstarrung vun der Schweess déngen déi deelweis erstarrt Kären an der Schmelzzon als Keimbildungsplazen fir d'Erstarrungsfront a wuessen bevorzugt senkrecht zur Grenz vum Schmelzbad laanscht d'Richtung vum maximalen Temperaturgradient. Dëst Phänomen trëtt op, well déi héich Leeschtungsdicht vum Laser zu enger Iwwerhëtzung am Schweessbad féiert. Den héije Wärmegradient G an déi mëttel Wuestumsquote R maachen G/R méi grouss wéi de Schwellwäert fir d'Mikrostrukturtransformatioun, wat zu der Bildung vu säulenförmigen Kären féiert. Den Temperaturgradient G am Schweesszentrum hëlt of, wouduerch d'G/R-Verhältnis graduell ënner de Schwellwäert vun der Mikrostruktur fällt an op gläichachseg Kären iwwergeet. Gläichachseg Kären sinn an den zentralen Deeler souwuel vun der "Schossel" wéi och vum "Stamm" lokaliséiert. Well de "Stamm" vun der Schweess schmuel a no beim Basismaterial ass, verstäerkt en sech beim Ofkille komplett virum "Schossel"-Beräich. Den verstäerkten "Stamm"-Deel déngt als Keimbildungsplaz um Buedem vun der "Schossel" a fördert dat opwäerts Wuesstum vu säulenförmigen Kären. D'Figur weist déi geradlinneg an oszilléierend Schweessprozesser. Et gëtt gewisen, datt déi kontinuéierlech Ännerung vun der Laserstrahlpositioun beim Laseroszilléierende Schweess d'Längt vum tësche geschmollte Pool erhéicht, wouduerch dat scho verstäerkt Metall nei schmëlzt, wat zu enger Ofsenkung vun der Kärenwuesstumsquote r féiert. Dëst kann zu enger Ofsenkung vum G/R an der ënneschter gläichachseg Kärenzon féieren.

4.4 Porositéitsverdeelung Dräidimensional Röntgentomographie gouf benotzt fir eng ëmfaassend Inspektioun vun der Schweißnaht duerchzeféieren, wouduerch déi dräidimensional Verdeelung vun de Poren an der Schweißnaht kritt gouf, wéi an der Figur gewisen. D'Porositéit gëtt berechent als dat Gesamtvolumen vun de Poren gedeelt duerch dat Gesamtvolumen vun der Schweißnaht. Duerch de Verglach vun der Poremorphologie an der Verdeelung vu geraden Laser-oszilléierende Schweißnahten a kreesfërmegen Laser-oszilléierende Schweißnahten, gouf festgestallt, datt geraden Laser-oszilléierende Schweißnahten méi groussvolumen Poren enthalen, mat enger Porositéit vun 2,49%, wat däitlech méi héich ass wéi déi vu kreesfërmegen.Laser-oszilléierend SchweißnähtenWann een d'Figuren (b, c) an (d, e) vergläicht, kann een erkennen, datt d'Erhéijung vun der Schwéngungsfrequenz hëlleft, d'Bildung vu Poren ze hemmen. Wann een d'Figuren (b, d) an (c, e) vergläicht, kann een erkennen, datt d'Erhéijung vun der Schwéngungsamplitude och eng wichteg Roll bei der Hemmung vun der Porebildung spillt. Wann d'Schwéngungsamplitude weider op 2 mm erhéicht gëtt (Figur (f)), gëtt d'Porositéit weider op 0,22% reduzéiert, wouduerch nëmme Poren mat klengem Volumen a klenge Volumen iwwreg bleiwen. D'Figur weist d'Poreflächenverdeelung op verschiddenen Distanzen vun der Schweessmittellinn, wat d'Porositéit baséiert op der Poreflächengréisst representéiert. Beim Geriichdschweessen ass d'Poreflächen symmetresch laanscht d'Schweessmittellinn verdeelt a hëlt graduell mat der Zounimm vun der Distanz vun der Schweessmittellinn of. D'Resultater weisen, datt Schlëssellach-induzéiert Poren haaptsächlech hannert dem Schmelzbad op der Schweessmittellinn konzentréiert sinn. Beim Laser-Oszillatiounsschweessen gëtt d'Symmetrie vun der Poreverdeelung méi schwaach. D'Figur weist d'Porenfläch op verschiddenen Distanzen vun der Schweessfläch, wou déi rout Linn d'Grenz tëscht der "Schossel"- a "Stamm"-Regioun duerstellt. Am Fall vun dominante grousse Poren (Figuren (ac)) mécht d'Porenfläch iwwer der Grenz méi wéi 85% aus. Dëst ass well den Konturiwwergang op der laanger itudinaler Grenz méi wahrscheinlech Blasen am Schweessbad afänkt, an déi agefaangen Blasen tendéieren ënner dem Afloss vum Opdriff no uewen ze migréieren. Am Fall vun dominante klenge Poren (Figuren (df)) sinn d'Poren an engem Beräich bannent 0,5 mm ënner der Grenzlinn konzentréiert. Déi kuerz Ofkillzäit an déi kleng no uewen verréckelt Verrécklung kéinten d'Grënn fir dëst Phänomen sinn.

5 Conclusiounen

(1) Verschidde Laseroszillatiounsmodi hunn offensichtlech Auswierkungen op d'Schweißoberfläche. Eng méi héich Amplitude a Frequenz kënnen d'Uewerflächenqualitéit verbesseren, während exzessiv grouss Oszillatiounsparameter d'Rauheet erhéijen a konkav Defekter verursaache kënnen.

(2) D'Form vun der Schweissschicht gëtt haaptsächlech duerch d'Laseroszillatiounsparameter bestëmmt, déi d'Schweissgeschwindegkeet, d'Energieverdeelung an den totalen Hëtztzougang beaflossen. Mat der Erhéijung vun der Oszillatiounsamplitude ännert sech d'Schweissmorphologie vu "Kegel" op "Hallefmound", an d'Aspektverhältnis hëlt of.

(3) Mat der Erhéijung vun der Schwéngungsamplitude a -frequenz gëtt de Schmelzbad méi breet an den hënneschten Deel gëtt gerundet. Den Schwéngungseffekt erhéicht d'Längt vum Schmelzbad, wat gutt fir d'Entkommen vu Blasen an eng gläichméisseg Erstarrung ass. Beim Geriichdschweißen schwankt d'Fläch vun der Schlëssellachöffnung; relativ gesinn kann dës Schwankung reduzéiert ginn, wouduerch d'Schweißstabilitéit verbessert gëtt.

(4) D'Erhéijung vun der Schwéngungsamplitude a -frequenz reduzéiert souwuel den Thermogradient wéi och d'Wuesstumsquote, wat gutt fir d'Bildung vu grousse Käregréissten ass. Den Laserrühreffekt ass awer förderlech fir d'Käregréisst ze verfeineren an d'Texturstäerkt ze verbesseren. Ënner verschiddene Laserparameter bleift d'Schweißhärte relativ stabil, liicht méi niddreg wéi déi vum Basismaterial, wat eventuell um Verdampfungsverloscht vu Magnesium zeréckzeféiere ka sinn.

(5) Dräidimensional Röntgentomographie weist, datt Geriichlinnschweessen eng méi héich Porositéit (2,49%) an e méi grousst Porevolumen huet wéi oszilléierend Schweessen. D'Erhéijung vun den Oszillatiounsparameter kann d'Porositéit däitlech reduzéieren, souguer bis zu 0,22%, wann d'Amplitude 2 mm ass. D'Verdeelung vun de Porenflächen ännert sech mat der Oszillatioun: grouss Poren aggregéieren sech hannert dem Schmelzbad, a kleng Poren hunn eng besser Symmetrie. Grouss Poren sinn haaptsächlech iwwer der Grenz tëscht der "Schossel"- a "Stamm"-Regioun verdeelt, während kleng Poren ënner der Grenz konzentréiert sinn.