Saldimi me lazer - Ndikimi i parametrave të lëkundjes në mënyrën e rregullueshme të unazës (ARM) Saldimi me lazer i lidhjeve të aluminit

Saldimi me lazer - Ndikimi i parametrave të lëkundjes në mënyrën e rregullueshme të unazës (ARM) Saldimi me lazer i lidhjeve të aluminit

1. Abstrakt

Ky studim heton efektet e amplitudës dhe frekuencës së lëkundjeve në cilësinë e sipërfaqes, makro dhe mikrostrukturat, si dhe porozitetin e modalitetit të rregullueshëm të unazës (ARM)saldimi me lazer osciluesPllaka aliazhi alumini A5083. Rezultatet tregojnë se me rritjen e amplitudës dhe frekuencës së lëkundjes, cilësia e sipërfaqes së saldimit përmirësohet. Ndërsa amplituda rritet, prerja tërthore e saldimit transformohet nga një formë "gote" në një formë "gjysmëhënë". Analiza mikrostrukturore tregon se madhësia e kokrrizave të saldimit nuk zvogëlohet me rritjen e amplitudës dhe frekuencës së lëkundjes për shkak të konkurrencës midis efektit të përzierjes dhe reduktimit të shkallës së ftohjes. Poroziteti i saldimit zvogëlohet me rritjen e parametrave të lëkundjes, duke arritur një porozitet përfundimtar prej 0.22% kur amplituda është 2 mm. Tomografia tre-dimensionale me rreze X konfirmon më tej ndikimin e lëkundjes në shpërndarjen e poreve: poret e mëdha kanë tendencë të grumbullohen pas pellgut të shkrirë, ndërsa poret e vogla tregojnë simetri më të mirë. Ky hulumtim ofron njohuri të vlefshme për optimizimin e parametrave të lëkundjes për të arritur saldim me lazer me cilësi të lartë në aplikimet e aliazhit të aluminit A5083.

2 Sfondi i Industrisë

Lidhjet e aluminit kanë avantazhet e peshës së lehtë, rezistencës së lartë specifike dhe rezistencës së mirë ndaj korrozionit, dhe përdoren gjerësisht në industrinë e automobilave, hekurudhave me shpejtësi të lartë, hapësirës ajrore dhe industri të tjera. Saldimi me lazer ka avantazhet e efikasitetit të lartë, zonës së vogël të prekur nga nxehtësia dhe deformimit të vogël të saldimit. Prandaj,Saldimi me lazer është një metodë ekonomike saldimi e përshtatshme për pllaka të trasha, gjë që mund të zvogëlojë shumë numrin e kalimeve të saldimit. Poroziteti është një defekt i rëndësishëm në saldimin me lazer të lidhjeve të aluminit, i cili ndikon seriozisht në vetitë mekanike të nyjeve të salduara. Prandaj, janë kryer studime të gjera për të zvogëluar dhe eliminuar formimin e porozitetit, duke përfshirë optimizimin e gazit mbrojtës, aplikimin e teknologjisë me rreze të dyfishtë, përdorimin e sistemeve të moduluara të fuqisë lazer dhe miratimin e metodave të rrezeve osciluese. Teknologjia e saldimit oscilues me lazer dallohet për aftësinë e saj për të kombinuar avantazhet e saldimit me lazer me karakteristikat e veta. Përdorimi i saldimit oscilues me lazer jo vetëm që mund të zvogëlojë porozitetin, por edhe të përmirësojë mikrostrukturën e saldimit dhe të rrisë cilësinë e saldimit. Një numër i madh studimesh janë përqendruar kryesisht në aspekte të ndryshme të saldimit oscilues me lazer, duke përfshirë zvogëlimin e porozitetit, optimizimin e shpërndarjes së energjisë, rafinimin e strukturës së kokrrizave dhe karakterizimin e rrjedhës së shkrirjes në pellgun e shkrirë. Shpërndarja e energjisë së lazerit luan një rol vendimtar në shpërndarjen e temperaturës dhe thellësinë e depërtimit të saldimit me lazer. Në një amplitudë të caktuar lëkundjeje, me rritjen e frekuencës së skanimit, procesi i saldimit kalon nga saldimi me depërtim të thellë në saldim të paqëndrueshëm dhe së fundmi në saldim me përçueshmëri të nxehtësisë. Rezultatet tregojnë se rritja e amplitudës dhe frekuencës së skanimit mund të zvogëlojë porozitetin, por gjithashtu mund të zvogëlojë ndjeshëm thellësinë e depërtimit të saldimit, duke zvogëluar kështu vetitë mekanike të saldimit. Në vitet e fundit, është zhvilluar një lazer me modalitet unazor të rregullueshëm (ARM), i cili e ndan energjinë e lazerit në një bërthamë me dendësi të lartë energjie dhe një unazë me dendësi të ulët energjie, duke synuar stabilizimin e vrimës së çelësit dhe përmirësimin e cilësisë së saldimit. Studiuesit kanë përdorur saldim oscilues me lazer ARM për të salduar lidhje alumini me rezistencë të lartë 6xxx nën raporte të ndryshme fuqie bërthamë/unazë dhe gjerësi lëkundjesh. Rezultatet eksperimentale tregojnë se faktori kryesor që ndikon në gjeometrinë e saldimit është gjerësia e lëkundjes, në vend të raportit të fuqisë bërthamë-unazë. Megjithatë, shpërndarja e poreve dhe mekanizmi i saj i frenimit nën mbivendosjen e lëkundjes dhe lazerit ARM nuk janë studiuar. Në këtë punim, është adoptuar një teknologji e re saldimi oscilues me lazer ARM për të zvogëluar porozitetin e saldimit, për të marrë thellësi më të lartë depërtimi dhe cilësi më të mirë të saldimit. Është kryer një studim gjithëpërfshirës mbi shpërndarjen e energjisë së lazerit, sjelljen dinamike të pishinës së shkrirë dhe mikrostrukturën nën frekuenca dhe amplituda të ndryshme lëkundjesh.

3. Objektivat dhe Procedurat Eksperimentale

Teknologjia e saldimit me lazer rrethor lëkundës u përdor për të salduar lidhjet e aluminit. Materiali bazë (BM) ishte lidhje alumini 5083-O me dimensione 300 mm × 100 mm × 5 mm (gjatësi × gjerësi × trashësi), dhe përbërja e saj kimike tregohet në tabelë. Para saldimit, mostrat u lëmuan për të hequr filmin e oksidit sipërfaqësor, pastaj u pastruan me aceton në një banjë ultrasonike për 15 minuta për të hequr vajin sipërfaqësor.sistem saldimi me lazerKryesisht përbëhet nga një robot Kuka, një lazer disk TruDisk 8001 dhe një skaner galvanometër 3D PFO. Lazeri disk TruDisk 8001 u përdor si burim lazeri me modalitet unazor të rregullueshëm, me një raport bërthamë/fibër unazor prej 100/400 μm dhe një fuqi maksimale dalëse prej 8 kW (gjatësi vale 1030 nm, parametri i cilësisë së rrezes 4.0 mm·rad). Rrezja lazer përbëhet nga një pjesë bërthame dhe një pjesë unazore, ku lazeri në pjesën qendrore të bërthamës gjeneron një vrimë çelësi (60% e energjisë së lazerit), dhe lazeri në pjesën unazore siguron një shpërndarje të mirë të temperaturës (40% e energjisë së lazerit), siç tregohet në Figurën (b). Gjatësitë fokale të kolimatorit dhe lentes së fokusimit janë përkatësisht 138 mm dhe 450 mm. Gjatë procesit të saldimit, një kamerë me shpejtësi të lartë Phantom V1840 dhe një burim drite me frekuencë të lartë Cavilux u përdorën për të monitoruar procesin e saldimit në kohë reale, me një shpejtësi xhirimi prej 5000 fps dhe një kohë ekspozimi prej 1 μs. Në këtë studim, trajektorja e lëkundjes së rrezes rrethore, rruga e lëvizjes së lazerit dhe shpejtësia e menjëhershme përcaktohen siç tregohet në figurë.

4 Rezultate dhe Diskutim

4.1 Karakteristikat e Morfologjisë së Saldimit Morfologjitë e sipërfaqes së saldimit nën mënyra të ndryshme të lëkundjes me lazer tregohen në figurë. Rezultatet tregojnë se sipërfaqja e saldimit të saldimit konvencional në vijë të drejtë është e ashpër (ashpërsi prej 78.01 μm), me vazhdimësi të dobët të valëzimeve të saldimit dhe përhapje të pamjaftueshme të saldimit. U vunë re gjithashtu formim i pamjaftueshëm i saldimit, spërkatje të forta dhe prerje të nënvlerësuara. Me rritjen e amplitudës dhe frekuencës së lëkundjes, sipërfaqja e saldimit paraqet luspa peshku të dendura dhe uniforme. Vrazhdësia sipërfaqësore e saldimeve me amplituda lëkundjeje prej 0.5 mm, 1 mm dhe 2 mm është përkatësisht 80.71 μm, 49.63 μm dhe 31.12 μm. Nuk ka parregullsi ose zgjatje të shkaktuara nga spërkatja. Rezultatet tregojnë se një frekuencë më e lartë e lëkundjes çon në rrjedhje më të rregullt të pellgut të shkrirë, efekt më të fortë të përzierjes së rrezes lazer dhe një sipërfaqe saldimi më ideale. Në thelb, forma e saldimit me lazer është e lidhur shkakësisht me lëvizjen e rrezes lazer. Gjatë saldimit, ndryshimet në amplitudën dhe frekuencën e lëkundjes ndryshojnë shpejtësinë e saldimit, duke ndikuar kështu në dendësinë lineare të energjisë dhe hyrjen totale të nxehtësisë së lazerit. Morfologjia e prerjes tërthore të saldimit është në formë "gote", e përbërë nga dy pjesë: pjesa e poshtme është "kërcelli" dhe pjesa e sipërme është "tas". Thellësia e depërtimit dhe "kërcelli" përcaktohen përkatësisht si H1 dhe H2, dhe gjerësitë e saldimit ("tas") dhe "kërcelli" përcaktohen përkatësisht si W1 dhe W2. Të dy gjerësitë e saldimit W1 dhe W2 rriten në mënyrë sinkrone me rritjen e amplitudës së lëkundjes, dhe morfologjia e saldimit transformohet gradualisht nga forma "gote" në formën "gjysmëhënë". Dendësia maksimale e energjisë së lazerit shfaqet në mbivendosjen e trajektores. Duke krahasuar figurat (b, d) dhe (c, e), mund të shihet se rritja e frekuencës së skanimit do të rrisë zonën e mbivendosjes së trajektores përgjatë shtegut të skanimit, duke e bërë shpërndarjen e energjisë së lazerit më uniforme. Megjithatë, ulja e dendësisë maksimale të energjisë do të çojë në një ulje të thellësisë së saldimit.

4.2 Sjellja e Pellgut të Shkrirë Për të sqaruar ndikimin e rrugës së skanimit në sjelljen e pellgut të shkrirë, u përdor një sistem kamerash me shpejtësi të lartë për të vëzhguar procesin e evolucionit të pellgut të shkrirë dhe vrimës së çelësit. Figura (a) tregon procesin e evolucionit të pellgut të shkrirë nën një rrugë drejtvizore. Figurat (bf) janë diagramet e evolucionit të pellgut të shkrirë nën parametra të ndryshëm të lëkundjes. Me rritjen e frekuencës dhe amplitudës së lëkundjes, pjesa e pasme e pellgut të shkrirë bëhet më e rrumbullakosur për shkak të zgjerimit të gjerësisë së pellgut të shkrirë. Ndërsa gjatësia e pellgut të shkrirë rritet, luhatja sipërfaqësore e shkaktuar nga shpërthimi i vrimës së çelësit zvogëlohet gjatë përhapjes prapa. Prandaj, metali i lëngshëm i shkrirë ngurtësohet pa probleme dhe rregullisht në fundin e pasmë të pellgut të shkrirë, duke formuar luspa peshku uniforme dhe të dendura të saldimit. Figura tregon ndryshimin e zonës së hapjes së vrimës së çelësit gjatë saldimit me lazer, i cili rrjedh nga imazhet fotografike me shpejtësi të lartë të pellgut të shkrirë. Siç tregohet në Figurën (a), gjatë saldimit drejtvizor, madhësia e hapjes së vrimës së çelësit tregon luhatje të dukshme. U vunë re disa raste të mbylljes së vrimës së çelësit (0 mm²), me një sipërfaqe mesatare të hapjes së vrimës së çelësit prej 0.47 mm². Rritja e amplitudës së lëkundjes mund të zvogëlojë gjithashtu luhatjet dhe të përmirësojë stabilitetin. Kjo ndodh sepse në saldimin lëkundës, një pjesë më e madhe e energjisë shpërndahet në të dyja anët. Prandaj, dalja në vrimën e çelësit zgjerohet dhe amplituda e lëkundjes rritet, duke rritur kështu zonën e hapjes. Rritja e amplitudës zgjeron diapazonin e përzierjes së rrezes lazer, duke çuar në zgjerimin e rrezes së lëvizjes periodike të vrimës së çelësit. Për shkak të viskozitetit të metalit të shkrirë dhe presionit hidrodinamik që vepron pranë murit të vrimës së çelësit, lëvizja e rrymës së vorbullës ndodh në pellgun e shkrirë të saldimit pranë hapjes së vrimës së çelësit. Zgjerimi i zonës së hapjes së vrimës së çelësit rrit stabilitetin e tij, shmang formimin e flluskave dhe kështu pengon ndjeshëm porozitetin.

4.3 Mikrostruktura Figura tregon morfologjinë EBSD të prerjes tërthore të saldimit nën frekuenca dhe amplituda të ndryshme lëkundjesh. Pranë vijës së bashkimit të saldimit me lazer, kokrrat e dendritit kolonar rriten drejt qendrës së saldimit. Siç tregohet në Figurën (a), midis rajoneve "tas" dhe "kërcell", mund të vërehen ndryshime të dukshme në shpërndarjen e kokrrave kolonare. Kokrrat kolonare shpërndahen në formë U përgjatë murit të "tasit", ndërsa në rajonin e "kërcellit", kokrrat kolonare shpërndahen në formë U përgjatë vijës së bashkimit. Gjatë ngurtësimit të saldimit, kokrrat pjesërisht të ngurtësuara në zonën e bashkimit veprojnë si vende bërthamëzimi për frontin e ngurtësimit dhe rriten me përparësi pingul me kufirin e pishinës së shkrirë përgjatë drejtimit të gradientit maksimal të temperaturës. Ky fenomen ndodh sepse dendësia e lartë e fuqisë së lazerit çon në mbinxehje brenda pishinës së saldimit. Gradienti më i lartë termik G dhe shkalla e moderuar e rritjes R e bëjnë G/R më të madh se pragu për transformimin e mikrostrukturës, duke rezultuar në formimin e kokrrave kolonare. Gradienti i temperaturës G në qendrën e saldimit zvogëlohet, duke bërë që raporti G/R të bjerë gradualisht nën pragun e transformimit të mikrostrukturës, duke kaluar në kokrriza me boshte të barabarta. Kokrrat me boshte të barabarta ndodhen në pjesët qendrore si të "tasit" ashtu edhe të "kërcellit". Meqenëse "kërcelli" i saldimit është i ngushtë dhe afër materialit bazë, ai ngurtësohet plotësisht para rajonit të "tasit" gjatë ftohjes. Pjesa e ngurtësuar e "kërcellit" vepron si një vend formimi bërthamash në fund të "tasit", duke nxitur rritjen lart të kokrrizave kolone. Figura tregon proceset e saldimit në vijë të drejtë dhe osciluese. Tregohet se ndryshimi i vazhdueshëm i pozicionit të rrezes lazer në saldimin oscilues me lazer do të rrisë gjatësinë e pellgut të shkrirë të ndërmjetëm, duke rishkrirë metalin tashmë të ngurtësuar, duke rezultuar në një ulje të shkallës së rritjes së kokrrizave r. Kjo mund të çojë në një ulje të G/R në zonën e poshtme të kokrrizave me boshte të barabarta.

4.4 Shpërndarja e porozitetit Tomografia tre-dimensionale me rreze X u përdor për të kryer një inspektim gjithëpërfshirës të saldimit, duke marrë shpërndarjen tre-dimensionale të poreve në saldim, siç tregohet në figurë. Poroziteti llogaritet si vëllimi total i poreve i pjesëtuar me vëllimin total të saldimit. Duke krahasuar morfologjinë e poreve dhe shpërndarjen e saldimeve osciluese me lazer në vijë të drejtë dhe saldimeve osciluese me lazer rrethore, u zbulua se saldimet osciluese me lazer në vijë të drejtë përmbajnë më shumë pore me vëllim të madh, me një porozitet prej 2.49%, që është dukshëm më i lartë se ai i saldimeve rrethore.saldime osciluese me lazerDuke krahasuar Figurat (b, c) dhe (d, e), mund të shihet se rritja e frekuencës së lëkundjes ndihmon në pengimin e formimit të poreve. Duke krahasuar Figurat (b, d) dhe (c, e), mund të shihet se rritja e amplitudës së lëkundjes luan gjithashtu një rol të rëndësishëm në pengimin e formimit të poreve. Kur amplituda e lëkundjes rritet më tej në 2 mm (Figura (f)), poroziteti zvogëlohet më tej në 0.22%, duke lënë vetëm pore me vëllim të vogël dhe pore të vogla. Figura përshkruan shpërndarjen e sipërfaqes së poreve në distanca të ndryshme nga vija qendrore e saldimit, duke përfaqësuar porozitetin bazuar në madhësinë e sipërfaqes së poreve. Për saldimin në vijë të drejtë, zona e poreve shpërndahet në mënyrë simetrike përgjatë vijës qendrore të saldimit dhe zvogëlohet gradualisht me rritjen e distancës nga vija qendrore e saldimit. Rezultatet tregojnë se poret e shkaktuara nga vrimat e çelësit janë përqendruar kryesisht pas pellgut të shkrirë në vijën qendrore të saldimit. Për saldimin me lazer oscilues, simetria e shpërndarjes së poreve bëhet më e dobët. Figura tregon zonën e poreve në distanca të ndryshme nga sipërfaqja e saldimit, ku vija e kuqe përfaqëson kufirin midis rajoneve "tas" dhe "kërcell". Në rastin e poreve të mëdha dominuese (Figurat (ac)), zona e poreve mbi kufirin përbën më shumë se 85%. Kjo ndodh sepse tranzicioni i konturit në kufirin e gjatë itudinal ka më shumë të ngjarë të bllokojë flluskat në pellgun e saldimit, dhe flluskat e bllokuara kanë tendencë të migrojnë lart nën ndikimin e pluskueshmërisë. Në rastin e poreve të vogla dominuese (Figurat (df)), poret janë të përqendruara në zonën brenda 0.5 mm poshtë vijës kufitare. Koha e shkurtër e ftohjes dhe zhvendosja e vogël lart mund të jenë arsyet për këtë fenomen.

5 Përfundime

(1) Modalitete të ndryshme të lëkundjes me lazer kanë efekte të dukshme në sipërfaqen e saldimit. Amplituda dhe frekuenca më e lartë mund të përmirësojnë cilësinë e sipërfaqes, ndërsa parametrat tepër të mëdhenj të lëkundjes mund të rrisin vrazhdësinë dhe të shkaktojnë defekte konkave.

(2) Forma e saldimit përcaktohet kryesisht nga parametrat e lëkundjes së lazerit, të cilët ndikojnë në shpejtësinë e saldimit, shpërndarjen e energjisë dhe hyrjen totale të nxehtësisë. Me rritjen e amplitudës së lëkundjes, morfologjia e saldimit ndryshon nga "gotë" në "gjysmëhënë" dhe raporti i aspektit zvogëlohet.

(3) Me rritjen e amplitudës dhe frekuencës së lëkundjes, pellgu i shkrirë bëhet më i gjerë dhe pjesa e pasme rrumbullakoset. Efekti i lëkundjes rrit gjatësinë e pellgut të shkrirë, gjë që është e dobishme për daljen e flluskave dhe ngurtësimin uniform. Gjatë saldimit në vijë të drejtë, zona e hapjes së vrimës së çelësit luhatet; relativisht, kjo luhatje mund të reduktohet, duke përmirësuar stabilitetin e saldimit.

(4) Rritja e amplitudës dhe frekuencës së lëkundjes zvogëlon si gradientin termik ashtu edhe shkallën e rritjes, gjë që është e dobishme për formimin e kokrrizave të mëdha. Megjithatë, efekti i përzierjes me lazer është i favorshëm për rafinimin e madhësisë së kokrrizave dhe përmirësimin e forcës së strukturës. Nën parametra të ndryshëm të lazerit, fortësia e saldimit mbetet relativisht e qëndrueshme, pak më e ulët se ajo e materialit bazë, gjë që mund të jetë për shkak të humbjes së magnezit nga avullimi.

(5) Tomografia tredimensionale me rreze X tregon se saldimi në vijë të drejtë ka porozitet më të lartë (2.49%) dhe vëllim më të madh të poreve sesa saldimi oscilues. Rritja e parametrave të oscilimit mund ta zvogëlojë ndjeshëm porozitetin, madje duke arritur në 0.22% kur amplituda është 2 mm. Shpërndarja e sipërfaqes së poreve ndryshon me oscilimin: poret e mëdha grumbullohen pas pellgut të shkrirë, dhe poret e vogla kanë simetri më të mirë. Poret e mëdha shpërndahen kryesisht mbi kufirin midis rajoneve "tas" dhe "kërcell", ndërsa poret e vogla përqendrohen nën kufi.