Laser bidezko soldadura – Oszilazio-parametroen eragina aluminiozko aleazioen eraztun erregulagarri moduko (ARM) laser bidezko soldaduran

Laser bidezko soldadura – Oszilazio-parametroen eragina aluminiozko aleazioen eraztun erregulagarri moduko (ARM) laser bidezko soldaduran

1. Laburpena

Ikerketa honek oszilazio-anplitudearen eta maiztasunaren efektuak aztertzen ditu eraztun-modu erregulagarriaren (ARM) gainazalaren kalitatean, makro eta mikroegituretan eta porositatean.laser bidezko soldadura oszilagarriaA5083 aluminiozko aleaziozko plakak. Emaitzek erakusten dute oszilazio-anplitudea eta -maiztasuna handitzen diren heinean, soldadura-gainazalaren kalitatea hobetzen dela. Anplitudea handitzen den heinean, soldaduraren zeharkako sekzioa "kopa" formatik "ilargierdi" formara eraldatzen da. Mikroegituraren analisiak adierazten du soldaduraren ale-tamaina ez dela gutxitzen oszilazio-anplitudea eta -maiztasuna handitzen den heinean, irabiatze-efektuaren eta hozte-abiaduraren murrizketaren arteko lehia dela eta. Soldaduraren porositatea gutxitzen da oszilazio-parametroak handitzen diren heinean, % 0,22ko azken porositatera iritsiz anplitudea 2 mm-koa denean. Hiru dimentsioko X izpien tomografiak oszilazioak poroen banaketan duen eragina berresten du: poro handiek urtutako igerilekuaren atzean metatzen dira, eta poro txikiek, berriz, simetria hobea erakusten dute. Ikerketa honek informazio baliotsua eskaintzen du oszilazio-parametroak optimizatzeko, A5083 aluminiozko aleazioen aplikazioetan laser bidezko soldadura kalitatezkoa lortzeko.

2 Industriaren aurrekariak

Aluminiozko aleazioek pisu arina, erresistentzia espezifiko handia eta korrosioarekiko erresistentzia ona dituzte abantaila gisa, eta oso erabiliak dira automobilgintzan, abiadura handiko trenbideetan, aeroespazialean eta beste industria batzuetan. Laser bidezko soldadurak eraginkortasun handia, beroak eragindako eremu txikia eta soldadura-deformazio txikia ditu abantaila gisa. Hori dela eta,Laser bidezko soldadura xafla lodietarako egokia den soldadura metodo ekonomikoa da, eta horrek soldadura-pasa kopurua asko murriztu dezake. Porositatea aluminiozko aleazioen laser soldaduran akats nabarmena da, eta soldatuta dauden junturen propietate mekanikoei eragiten die larriki. Hori dela eta, ikerketa zabalak egin dira porositatearen eraketa murrizteko eta ezabatzeko, besteak beste, babes-gasa optimizatzea, habe bikoitzeko teknologia aplikatzea, laser potentzia modulatuko sistemak erabiltzea eta habe oszilagarrien metodoak hartzea. Laser bidezko soldadura oszilagarriaren teknologiak laser soldaduraren abantailak bere ezaugarriekin konbinatzeko duen gaitasunagatik nabarmentzen da. Laser bidezko soldadura oszilagarria erabiltzeak ez du porositatea murriztu bakarrik, baita soldaduraren mikroegitura hobetu eta soldaduraren kalitatea hobetu ere. Ikerketa ugarik laser bidezko soldadura oszilagarriaren hainbat alderditan jarri dute arreta, besteak beste, porositatea murriztea, energiaren banaketaren optimizazioa, ale-egituraren fintzea eta urtutako igerilekuan urtutako fluxuaren karakterizazioa. Laser energiaren banaketak funtsezko zeregina du laser soldaduraren tenperaturaren banaketan eta sartze-sakoneran. Oszilazio-anplitude jakin batean, eskaneatze-maiztasuna handitzearekin batera, soldadura-prozesua sartze sakoneko soldaduratik soldadura ezegonkorrera igarotzen da, eta azkenik bero-eroapeneko soldadurara. Emaitzek erakusten dute eskaneatze-anplitudea eta -maiztasuna handitzeak porositatea murriztu dezakeela, baina baita soldaduraren sartze-sakonera nabarmen murriztu ere, eta horrela soldaduraren propietate mekanikoak murriztuz. Azken urteotan, eraztun-modu erregulagarriko (ARM) laser bat garatu da, laser-energia energia-dentsitate handiko nukleo batean eta energia-dentsitate txikiko eraztun batean banatzen duena, giltza-zuloa egonkortzeko eta soldaduraren kalitatea hobetzeko helburuarekin. Ikertzaileek ARM laser oszilatzaileko soldadura erabili dute 6xxx erresistentzia handiko aluminiozko aleazioak soldatzeko nukleo/eraztun potentzia-erlazio eta oszilazio-zabalera desberdinekin. Esperimentu-emaitzek erakusten dute soldaduraren geometrian eragina duen faktore nagusia oszilazio-zabalera dela, eta ez nukleo-eraztun potentzia-erlazioa. Hala ere, ez dira aztertu poroen banaketa eta haren inhibizio-mekanismoa oszilazioaren eta ARM laserraren gainjartzearen pean. Lan honetan, ARM laser oszilatzaileko soldadura-teknologia berri bat erabiltzen da soldaduraren porositatea murrizteko, sartze-sakonera handiagoa eta soldadura-kalitate hobea lortzeko. Laser-energiaren banaketari, urtutako igerilekuaren portaera dinamikoari eta mikroegiturari buruzko ikerketa zabala egiten da oszilazio-maiztasun eta anplitude desberdinen pean.

3. Helburu eta prozedura esperimentalak

Aluminiozko aleazioak soldatzeko, laser bidezko soldadura oszilagarri zirkularraren teknologia erabili zen. Oinarrizko materiala (BM) 5083-O aluminiozko aleazioa izan zen, 300 mm × 100 mm × 5 mm-ko (luzera × zabalera × lodiera) neurriekin, eta bere konposizio kimikoa taulan ageri da. Soldatzeko aurretik, laginak leundu egin ziren gainazaleko oxido filma kentzeko, eta ondoren azetonarekin garbitu ziren ultrasoinu bainu batean 15 minutuz gainazaleko olioa kentzeko.laser bidezko soldadura sistemabatez ere Kuka robot batez, TruDisk 8001 disko-laser batez eta 3D PFO galvanometro eskaner batez osatuta dago. TruDisk 8001 disko-lasera erabili zen eraztun-moduko laser iturri erregulagarri gisa, 100/400 μm-ko nukleo/eraztun-zuntz erlazioarekin eta 8 kW-ko irteera-potentzia maximoarekin (1030 nm-ko uhin-luzera, 4,0 mm·rad-ko izpiaren kalitate-parametroa). Laser izpia nukleo-zati batez eta eraztun-zati batez osatuta dago, non erdiko nukleo-zatian dagoen laserrak giltza-zulo bat sortzen duen (laser-energiaren % 60), eta eraztun-zatian dagoen laserrak tenperatura-banaketa ona bermatzen duen (laser-energiaren % 40), (b) irudian erakusten den bezala. Kolimadorearen eta fokatze-lentearen distantzia fokalak 138 mm eta 450 mm dira, hurrenez hurren. Soldadura prozesuan zehar, Phantom V1840 abiadura handiko kamera bat eta Cavilux maiztasun handiko argi iturri bat erabili ziren soldadura prozesua denbora errealean monitorizatzeko, 5000 fps-ko jaurtiketa abiadurarekin eta 1 μs-ko esposizio denborarekin. Ikerketa honetan, izpi zirkularraren oszilazio ibilbidea, laser mugimendu bidea eta abiadura berehalakoa irudian erakusten den bezala definitzen dira.

4 Emaitzak eta eztabaida

4.1 Soldaduraren Morfologiaren Ezaugarriak Laser oszilazio modu desberdinen pean soldadura gainazalaren morfologiak irudian ageri dira. Emaitzek erakusten dute ohiko lerro zuzeneko soldaduraren soldadura gainazala zakarra dela (78,01 μm-ko zimurtasuna), soldadura uhinen jarraitutasun eskasarekin eta soldaduraren hedapen nahikorik gabe. Soldaduraren eraketa nahikorik ez, zipriztin larriak eta azpiko ebakidurak ere ikusi ziren. Oszilazio anplitudea eta maiztasuna handitzearekin batera, soldadura gainazalak arrain-ezkata trinko eta uniformeak ditu. 0,5 mm, 1 mm eta 2 mm-ko oszilazio anplitudeak dituzten soldaduraren gainazalaren zimurtasuna 80,71 μm, 49,63 μm eta 31,12 μm da, hurrenez hurren. Ez dago zipriztinengatik eragindako irregulartasunik edo irtengunerik. Emaitzek adierazten dute oszilazio maiztasun handiago batek urtutako putzuaren fluxu erregularragoa, laser izpiaren nahaste efektu indartsuagoa eta soldadura gainazal idealagoa dakarrela. Funtsean, laser soldaduraren forma kausalki lotuta dago laser izpiaren mugimenduarekin. Soldaduran zehar, oszilazio-anplitudearen eta maiztasunaren aldaketek soldadura-abiadura aldatzen dute, eta horrela laserrak energia-dentsitate lineala eta bero-sarrera osoa eragiten dute. Soldaduraren zeharkako sekzioaren morfologia "kopa" formakoa da, bi zatiz osatua: beheko aldea "zurtoina" da, eta goiko aldea "ontzia". Sartze-sakonera eta "zurtoina" H1 eta H2 gisa definitzen dira, hurrenez hurren, eta soldaduraren zabalerak ("ontzia") eta "zurtoina" W1 eta W2 gisa definitzen dira, hurrenez hurren. W1 eta W2 soldadura-zabalera biak sinkronizatuta handitzen dira oszilazio-anplitudearen handitzearekin batera, eta soldadura-morfologia pixkanaka "kopa" formatik "ilargierdi" formara eraldatzen da. Laser-energiaren dentsitate maximoa ibilbidearen gainjartzean agertzen da. (b, d) eta (c, e) irudiak alderatuz, ikus daiteke eskaneatze-maiztasunaren igoerak ibilbidearen gainjartze-eremua handituko duela eskaneatze-bidean zehar, laser-energiaren banaketa uniformeagoa bihurtuz. Hala ere, energia-dentsitate maximoaren murrizketak soldadura-sakonera gutxitzea ekarriko du.

4.2 Urtutako igerilekuaren portaera Eskaneatze-bideak urtutako igerilekuaren portaeran duen eragina argitzeko, abiadura handiko kamera-sistema bat erabili zen urtutako igerilekuaren eta giltza-zuloaren bilakaera-prozesua behatzeko. (a) irudiak urtutako igerilekuaren bilakaera-prozesua erakusten du lerro zuzen baten pean. (bf) irudiak urtutako igerilekuaren bilakaera-diagramak dira oszilazio-parametro desberdinen pean. Oszilazio-maiztasuna eta anplitudea handitzen diren heinean, urtutako igerilekuaren atzealdea biribilduagoa bihurtzen da urtutako igerilekuaren zabaleraren hedapenagatik. Urtutako igerilekuaren luzera handitzen den heinean, giltza-zuloaren erupzioak eragindako gainazaleko gorabeherak gutxitzen dira atzeranzko hedapenean. Hori dela eta, urtutako metal likidoa leunki eta erregularki solidotzen da urtutako igerilekuaren atzealdean, soldadura-arrainen ezkata uniforme eta trinkoak sortuz. Irudiak giltza-zuloaren irekidura-eremuaren aldaketa erakusten du laser bidezko soldaduran zehar, urtutako igerilekuaren abiadura handiko argazki-irudietatik eratorria. (a) irudian erakusten den bezala, lerro zuzeneko soldaduran zehar, giltza-zuloaren irekiduraren tamainak gorabehera nabarmenak erakusten ditu. Giltza-zuloaren itxiera-kasu batzuk (0 mm²) ikusi ziren, 0,47 mm²-ko batez besteko giltza-zuloaren irekidura-eremuarekin. Oszilazio-anplitudearen handitzeak gorabeherak murriztu eta egonkortasuna hobetu dezake. Hau horrela da soldadura oszilagarrian energiaren proportzio handiagoa banatzen delako bi aldeetara. Beraz, giltza-zuloaren irteera zabaldu egiten da, eta oszilazio-anplitudea handitu egiten da, eta horrela irekidura-eremua handituz. Anplitudearen handitzeak laser izpiaren nahasketa-eremua zabaltzen du, eta horrek giltza-zuloaren mugimendu periodikoaren erradioa zabaltzea dakar. Urtutako metalaren biskositatea eta giltza-zuloaren hormaren ondoan eragiten duen presio hidrodinamikoa direla eta, korronte zurrunbilotsuaren mugimendua gertatzen da giltza-zuloaren irekiduraren ondoko soldadura-putzu urtuan. Giltza-zuloaren irekidura-eremuaren zabaltzeak bere egonkortasuna hobetzen du, burbuilen eraketa saihesten du eta, beraz, porositatea nabarmen inhibitzen du.

4.3 Mikroegitura Irudiak soldaduraren zeharkako sekzioaren EBSD morfologia erakusten du oszilazio-maiztasun eta anplitude desberdinen pean. Laser soldaduraren fusio-lerroaren ondoan, zutabe-dendrita aleak soldaduraren erdigunerantz hazten dira. (a) irudian erakusten den bezala, "ontzi" eta "zurtoin" eskualdeen artean, zutabe-aleen banaketan desberdintasun nabarmenak ikus daitezke. Zutabe-aleak U forman banatzen dira "ontzi" horman zehar, eta "zurtoin" eskualdean, berriz, zutabe-aleak U forman banatzen dira fusio-lerroan zehar. Soldaduraren solidotzean, fusio-eremuan partzialki solidotutako aleak solidotze-frontearen nukleazio-gune gisa jokatzen dute eta, lehentasunez, urtutako igerilekuaren mugarekiko perpendikularki hazten dira tenperatura-gradiente maximoaren norabidean. Fenomeno hau gertatzen da laserraren potentzia-dentsitate handiak soldadura-igerilekuaren barruan gehiegi berotzea eragiten duelako. G gradiente termiko handiagoak eta R hazkunde-tasa moderatuak G/R mikroegituraren eraldaketaren atalasea baino handiagoa egiten dute, eta horren ondorioz zutabe-aleak sortzen dira. Soldadura-zentroko G tenperatura-gradientea gutxitzen da, eta horrek G/R erlazioa pixkanaka mikroegituraren eraldaketa-atalasearen azpitik jaistea eragiten du, ale ekiei-ardatzetara igaroz. Ale ekiei-ardatzak "ontziaren" eta "zurtoinaren" erdiko zatietan kokatzen dira. Soldaduraren "zurtoina" estua eta oinarrizko materialaren ondoan dagoenez, "ontzi" eskualdea baino lehen guztiz solidotzen da hoztean. Solidotutako "zurtoin" zatiak nukleazio-gune gisa jokatzen du "ontziaren" behealdean, ale zutabedunen goranzko hazkundea sustatuz. Irudiak soldadura-prozesu zuzenak eta oszilatzaileak erakusten ditu. Laser bidezko soldadura oszilatzailean laser izpiaren posizioaren etengabeko aldaketak tarteko urtutako putzuaren luzera handituko duela erakusten da, dagoeneko solidotutako metala berriro urtuz, eta ondorioz, aleen hazkunde-tasa r gutxitzea eraginez. Horrek G/R gutxitzea ekar dezake beheko ale ekiei-ardatz eremuan.

4.4 Porositatearen banaketa Hiru dimentsioko X izpien tomografia erabili zen soldaduraren ikuskapen osoa egiteko, soldadurako poroen hiru dimentsioko banaketa lortuz, irudian ikusten den bezala. Porositatea kalkulatzeko, poroen bolumen osoa soldaduraren bolumen osoarekin zatitzen da. Lerro zuzeneko laser oszilatzailezko soldaduraren eta zirkuluko laser oszilatzailezko soldaduraren poroen morfologia eta banaketa alderatuz, ikusi da lerro zuzeneko laser oszilatzailezko soldadurak bolumen handiko poro gehiago dituztela, % 2,49ko porositatearekin, zirkuluko soldadurak baino nabarmen handiagoa.laser bidezko soldadura oszilagarriak(b, c) eta (d, e) irudiak alderatuz, ikus daiteke oszilazio-maiztasuna handitzeak poroen eraketa inhibitzen laguntzen duela. (b, d) eta (c, e) irudiak alderatuz, ikus daiteke oszilazio-anplitudearen handitzeak ere zeregin garrantzitsua duela poroen eraketa inhibitzeko. Oszilazio-anplitudea 2 mm-ra gehiago handitzen denean (f) irudia), porositatea % 0,22ra gehiago murrizten da, bolumen txikiko eta poro txikiak bakarrik utziz. Irudiak poroen azaleraren banaketa erakusten du soldaduraren erdigunetik distantzia desberdinetan, porositatea poroen azaleraren tamainaren arabera irudikatuz. Lerro zuzeneko soldadurarako, poroen azalera simetrikoki banatzen da soldaduraren erdigunetik zehar, eta pixkanaka gutxitzen da soldaduraren erdigunetik distantzia handitzen den heinean. Emaitzek erakusten dute zuloek eragindako poroak batez ere urtutako putzuaren atzean kontzentratzen direla soldaduraren erdigunean. Laser bidezko soldadura oszilagarrian, poroen banaketaren simetria ahulagoa da. Irudiak poroen azalera erakusten du soldadura gainazaletik distantzia desberdinetara, non lerro gorriak "ontzi" eta "zurtoin" eskualdeen arteko muga adierazten duen. Poro handi nagusien kasuan ((ac) irudiak), mugaren gaineko poroen azalerak % 85 baino gehiago hartzen du. Hau gertatzen da muga horizontal luzeko kurba-trantsizioak burbuilak soldadura-putzuan harrapatzeko aukera gehiago duelako, eta harrapatutako burbuilak gorantz migratzeko joera dutelako flotagarritasunaren eraginez. Poro txiki nagusien kasuan ((df) irudiak), poroak muga-lerroaren azpitik 0,5 mm-ko eremuan kontzentratzen dira. Hozte-denbora laburra eta goranzko desplazamendu txikia izan daitezke fenomeno honen arrazoiak.

5 Ondorioak

(1) Laser oszilazio modu ezberdinek eragin nabariak dituzte soldadura gainazalean. Anplitude eta maiztasun handiagoek gainazalaren kalitatea hobetu dezakete, eta oszilazio parametro handiegiek, berriz, zimurtasuna handitu eta akats ahurrak sor ditzakete.

(2) Soldaduraren forma batez ere laser oszilazio parametroek zehazten dute, eta hauek soldadura abiaduran, energia banaketan eta bero sarrera osoan eragiten dute. Oszilazio anplitudea handitzen den heinean, soldadura morfologia "kopa"-tik "ilargierdi"-ra aldatzen da, eta alderdi-erlazioa gutxitzen da.

(3) Oszilazio-anplitudea eta -maiztasuna handitzen diren heinean, urtutako material-putzua zabalagoa bihurtzen da eta atzeko aldea biribildu egiten da. Oszilazio-efektuak urtutako material-putzuaren luzera handitzen du, eta hori onuragarria da burbuilen ihesa eta solidotze uniformea ​​lortzeko. Lerro zuzeneko soldaduran, giltza-zuloaren irekiduraren eremua gorabehera egiten du; erlatiboki esanda, gorabehera hori murriztu daiteke, soldadura-egonkortasuna hobetuz.

(4) Oszilazio-anplitudea eta -maiztasuna handitzeak gradiente termikoa eta hazkunde-tasa murrizten ditu, eta hori onuragarria da ale-tamaina handiko eraketarako. Hala ere, laser-irabiaduraren efektuak ale-tamaina fintzeko eta ehunduraren erresistentzia hobetzeko balio du. Laser-parametro desberdinen pean, soldaduraren gogortasuna nahiko egonkorra izaten jarraitzen du, oinarrizko materialarena baino zertxobait txikiagoa, eta hori magnesioaren lurruntze-galeraren ondorioz izan daiteke.

(5) Hiru dimentsioko X izpien tomografiak erakusten du lerro zuzeneko soldadurak porositate handiagoa (% 2,49) eta poro-bolumen handiagoa duela soldadura oszilagarriak baino. Oszilazio-parametroak handitzeak porositatea nabarmen murriztu dezake, % 0,22ra ere iritsiz anplitudea 2 mm-koa denean. Poro-azaleraren banaketa aldatzen da oszilazioarekin: poro handiak urtutako putzuaren atzean pilatzen dira, eta poro txikiek simetria hobea dute. Poro handiak batez ere "ontzi" eta "zurtoin" eskualdeen arteko mugaren gainetik banatzen dira, eta poro txikiak, berriz, mugaren azpian kontzentratzen dira.