جوشکاری لیزری - تأثیر پارامترهای نوسان بر جوشکاری لیزری آلیاژهای آلومینیوم با روش حلقهای قابل تنظیم (ARM)
۱. چکیده
این مطالعه به بررسی اثرات دامنه و فرکانس نوسان بر کیفیت سطح، ماکروساختارها و ریزساختارها و تخلخل حالت حلقهای قابل تنظیم (ARM) میپردازد.جوشکاری نوسانی لیزریصفحات آلیاژ آلومینیوم A5083. نتایج نشان میدهد که با افزایش دامنه و فرکانس نوسان، کیفیت سطح جوش بهبود مییابد. با افزایش دامنه، سطح مقطع جوش از شکل "جام" به شکل "هلال" تبدیل میشود. تجزیه و تحلیل ریزساختاری نشان میدهد که اندازه دانه جوش با افزایش دامنه و فرکانس نوسان به دلیل رقابت بین اثر همزن و کاهش سرعت خنککننده کاهش نمییابد. تخلخل جوش با افزایش پارامترهای نوسان کاهش مییابد و در دامنه 2 میلیمتر به تخلخل نهایی 0.22٪ میرسد. توموگرافی اشعه ایکس سهبعدی تأثیر نوسان بر توزیع منافذ را بیشتر تأیید میکند: منافذ بزرگ تمایل به تجمع در پشت حوضچه مذاب دارند، در حالی که منافذ کوچک تقارن بهتری نشان میدهند. این تحقیق بینشهای ارزشمندی را برای بهینهسازی پارامترهای نوسان برای دستیابی به جوشکاری لیزری با کیفیت بالا در کاربردهای آلیاژ آلومینیوم A5083 ارائه میدهد.
۲ پیشینه صنعت
آلیاژهای آلومینیوم از مزایای وزن سبک، استحکام ویژه بالا و مقاومت در برابر خوردگی خوب برخوردارند و به طور گسترده در صنایع خودروسازی، راه آهن پرسرعت، هوافضا و سایر صنایع مورد استفاده قرار میگیرند. جوشکاری لیزری از مزایای راندمان بالا، منطقه تحت تأثیر حرارت کوچک و تغییر شکل جوشکاری کوچک برخوردار است. بنابراین،جوشکاری لیزر یک روش جوشکاری اقتصادی و مناسب برای صفحات ضخیم است.که میتواند تعداد پاسهای جوش را تا حد زیادی کاهش دهد. تخلخل یک نقص قابل توجه در جوشکاری لیزری آلیاژهای آلومینیوم است که به طور جدی بر خواص مکانیکی اتصالات جوش داده شده تأثیر میگذارد. بنابراین، مطالعات گستردهای برای کاهش و حذف تشکیل تخلخل انجام شده است، از جمله بهینهسازی گاز محافظ، استفاده از فناوری دو پرتو، استفاده از سیستمهای قدرت لیزر مدوله شده و اتخاذ روشهای پرتو نوسانی. فناوری جوشکاری نوسانی لیزر به دلیل توانایی خود در ترکیب مزایای جوشکاری لیزر با ویژگیهای خاص خود، برجسته است. استفاده از جوشکاری نوسانی لیزر نه تنها میتواند تخلخل را کاهش دهد، بلکه ریزساختار جوش را نیز بهبود میبخشد و کیفیت جوش را افزایش میدهد. تعداد زیادی از مطالعات عمدتاً بر جنبههای مختلف جوشکاری نوسانی لیزر، از جمله کاهش تخلخل، بهینهسازی توزیع انرژی، اصلاح ساختار دانه و توصیف جریان مذاب در حوضچه مذاب متمرکز شدهاند. توزیع انرژی لیزر نقش مهمی در توزیع دما و عمق نفوذ جوشکاری لیزر ایفا میکند. در یک دامنه نوسان خاص، با افزایش فرکانس اسکن، فرآیند جوشکاری از جوشکاری نفوذی عمیق به جوشکاری ناپایدار و در نهایت به جوشکاری هدایت حرارتی منتقل میشود. نتایج نشان میدهد که افزایش دامنه و فرکانس اسکن میتواند تخلخل را کاهش دهد، اما عمق نفوذ جوش را نیز به طور قابل توجهی کاهش میدهد و در نتیجه خواص مکانیکی جوش را کاهش میدهد. در سالهای اخیر، یک لیزر حالت حلقهای قابل تنظیم (ARM) توسعه داده شده است که انرژی لیزر را به یک هسته با چگالی انرژی بالا و یک حلقه با چگالی انرژی پایین تقسیم میکند، با هدف تثبیت سوراخ کلید و بهبود کیفیت جوش. محققان از جوشکاری نوسانی لیزر ARM برای جوشکاری آلیاژهای آلومینیوم با استحکام بالای 6xxx تحت نسبتهای توان هسته/حلقه و پهنای نوسان مختلف استفاده کردهاند. نتایج تجربی نشان میدهد که عامل اصلی مؤثر بر هندسه جوش، پهنای نوسان است، نه نسبت توان هسته-حلقه. با این حال، توزیع منافذ و مکانیسم مهار آن تحت برهمنهی نوسان و لیزر ARM مورد مطالعه قرار نگرفته است. در این مقاله، یک فناوری جدید جوشکاری نوسانی لیزر ARM برای کاهش تخلخل جوش، دستیابی به عمق نفوذ بالاتر و کیفیت جوش بهتر اتخاذ شده است. یک مطالعه جامع در مورد توزیع انرژی لیزر، رفتار دینامیکی حوضچه مذاب و ریزساختار تحت فرکانسها و دامنههای مختلف نوسان انجام شده است.
۳. اهداف و رویههای آزمایشی
از فناوری جوشکاری نوسانی لیزری دایرهای برای جوشکاری آلیاژهای آلومینیوم استفاده شد. ماده پایه (BM) آلیاژ آلومینیوم 5083-O با ابعاد 300 میلیمتر × 100 میلیمتر × 5 میلیمتر (طول × عرض × ضخامت) بود و ترکیب شیمیایی آن در جدول نشان داده شده است. قبل از جوشکاری، نمونهها برای حذف لایه اکسید سطحی صیقل داده شدند، سپس به مدت 15 دقیقه با استون در حمام اولتراسونیک تمیز شدند تا روغن سطحی از بین برود.سیستم جوشکاری لیزریاین دستگاه عمدتاً شامل یک ربات Kuka، یک لیزر دیسکی TruDisk 8001 و یک اسکنر گالوانومتر PFO سهبعدی است. لیزر دیسکی TruDisk 8001 به عنوان منبع لیزر حالت حلقهای قابل تنظیم، با نسبت هسته/فیبر حلقهای 100/400 میکرومتر و حداکثر توان خروجی 8 کیلووات (طول موج 1030 نانومتر، پارامتر کیفیت پرتو 4.0 میلیمتر بر رادیان) استفاده شد. پرتو لیزر از یک بخش هسته و یک بخش حلقهای تشکیل شده است، که در آن لیزر در بخش هسته مرکزی یک سوراخ کلید (60٪ از انرژی لیزر) ایجاد میکند و لیزر در بخش حلقهای توزیع دمایی خوبی (40٪ از انرژی لیزر) را تضمین میکند، همانطور که در شکل (b) نشان داده شده است. فاصله کانونی کولیماتور و لنز فوکوس کننده به ترتیب 138 میلیمتر و 450 میلیمتر است. در طول فرآیند جوشکاری، از یک دوربین پرسرعت Phantom V1840 و یک منبع نور فرکانس بالای Cavilux برای نظارت بر فرآیند جوشکاری به صورت بلادرنگ، با سرعت تصویربرداری 5000 فریم در ثانیه و زمان نوردهی 1 میکروثانیه استفاده شد. در این مطالعه، مسیر نوسان پرتو دایرهای، مسیر حرکت لیزر و سرعت لحظهای همانطور که در شکل نشان داده شده است، تعریف شدهاند.
۴ نتایج و بحث
۴.۱ ویژگیهای ریختشناسی جوش ریختشناسیهای سطح جوش تحت حالتهای مختلف نوسان لیزر در شکل نشان داده شده است. نتایج نشان میدهد که سطح جوش جوشکاری مستقیمالخط معمولی زبر (زبری ۷۸.۰۱ میکرومتر)، با پیوستگی ضعیف موجهای جوش و گسترش ناکافی جوش است. تشکیل جوش ناکافی، پاشش شدید و بریدگی زیرین نیز مشاهده شد. با افزایش دامنه و فرکانس نوسان، سطح جوش فلسهای متراکم و یکنواخت ماهی را نشان میدهد. زبری سطح جوشهای با دامنه نوسان ۰.۵ میلیمتر، ۱ میلیمتر و ۲ میلیمتر به ترتیب ۸۰.۷۱ میکرومتر، ۴۹.۶۳ میکرومتر و ۳۱.۱۲ میکرومتر است. هیچ بینظمی یا برآمدگی ناشی از پاشش وجود ندارد. نتایج نشان میدهد که فرکانس نوسان بالاتر منجر به جریان منظمتر حوضچه مذاب، اثر همزن قویتر پرتو لیزر و سطح جوش ایدهآلتر میشود. اساساً، شکل جوش لیزری به طور علّی با حرکت پرتو لیزر مرتبط است. در حین جوشکاری، تغییرات در دامنه و فرکانس نوسان، سرعت جوشکاری را تغییر میدهد و در نتیجه بر چگالی انرژی خطی و کل گرمای ورودی لیزر تأثیر میگذارد. مورفولوژی سطح مقطع جوش به شکل "جام" است که از دو بخش تشکیل شده است: قسمت پایینی "ساقه" و قسمت بالایی "کاسه" است. عمق نفوذ و "ساقه" به ترتیب H1 و H2 تعریف میشوند و عرض جوش ("کاسه") و "ساقه" به ترتیب W1 و W2 تعریف میشوند. هر دو عرض جوش W1 و W2 همزمان با افزایش دامنه نوسان افزایش مییابند و مورفولوژی جوش به تدریج از شکل "جام" به شکل "هلال" تبدیل میشود. حداکثر چگالی انرژی لیزر در محل همپوشانی مسیر ظاهر میشود. با مقایسه شکلهای (b، d) و (c، e)، میتوان مشاهده کرد که افزایش فرکانس اسکن، ناحیه همپوشانی مسیر را در امتداد مسیر اسکن افزایش میدهد و توزیع انرژی لیزر را یکنواختتر میکند. با این حال، کاهش حداکثر چگالی انرژی منجر به کاهش عمق جوش خواهد شد.
۴.۲ رفتار حوضچه مذاب برای روشن شدن تأثیر مسیر اسکن بر رفتار حوضچه مذاب، از یک سیستم دوربین پرسرعت برای مشاهده روند تکامل حوضچه مذاب و سوراخ کلید استفاده شد. شکل (الف) روند تکامل حوضچه مذاب را تحت یک مسیر مستقیم نشان میدهد. شکلهای (bf) نمودارهای تکامل حوضچه مذاب تحت پارامترهای مختلف نوسان هستند. با افزایش فرکانس و دامنه نوسان، قسمت عقب حوضچه مذاب به دلیل گسترش عرض حوضچه مذاب گردتر میشود. با افزایش طول حوضچه مذاب، نوسان سطحی ناشی از فوران سوراخ کلید در طول انتشار رو به عقب کاهش مییابد. بنابراین، فلز مایع مذاب به طور روان و منظم در انتهای عقب حوضچه مذاب منجمد میشود و فلسهای جوش یکنواخت و متراکمی را تشکیل میدهد. شکل، تغییر ناحیه دهانه سوراخ کلید را در طول جوشکاری لیزری نشان میدهد که از تصاویر عکاسی پرسرعت حوضچه مذاب گرفته شده است. همانطور که در شکل (الف) نشان داده شده است، در طول جوشکاری مستقیم، اندازه دهانه سوراخ کلید نوسانات آشکاری را نشان میدهد. چندین مورد بسته شدن سوراخ کلید (0 میلیمتر مربع) مشاهده شد که میانگین مساحت دهانه سوراخ کلید 0.47 میلیمتر مربع بود. افزایش دامنه نوسان همچنین میتواند نوسانات را کاهش داده و پایداری را بهبود بخشد. دلیل این امر این است که در جوشکاری نوسانی، بخش بیشتری از انرژی در هر دو طرف توزیع میشود. بنابراین، خروجی روی سوراخ کلید منبسط میشود و دامنه نوسان افزایش مییابد و در نتیجه مساحت دهانه افزایش مییابد. افزایش دامنه، محدوده همزدن پرتو لیزر را گسترش میدهد و منجر به گسترش شعاع حرکت تناوبی سوراخ کلید میشود. به دلیل ویسکوزیته فلز مذاب و فشار هیدرودینامیکی که در نزدیکی دیواره سوراخ کلید عمل میکند، حرکت جریان گردابی در حوضچه مذاب جوشکاری نزدیک دهانه سوراخ کلید رخ میدهد. گسترش مساحت دهانه سوراخ کلید، پایداری آن را افزایش میدهد، از تشکیل حباب جلوگیری میکند و بنابراین تخلخل را به طور قابل توجهی مهار میکند.
۴.۳ ریزساختار شکل، مورفولوژی EBSD سطح مقطع جوش را تحت فرکانسها و دامنههای نوسان مختلف نشان میدهد. در نزدیکی خط ذوب جوش لیزری، دانههای دندریت ستونی به سمت مرکز جوش رشد میکنند. همانطور که در شکل (a) نشان داده شده است، بین نواحی "کاسه" و "ساقه"، تفاوتهای آشکاری در توزیع دانههای ستونی مشاهده میشود. دانههای ستونی به شکل U در امتداد دیواره "کاسه" توزیع شدهاند، در حالی که در ناحیه "ساقه"، دانههای ستونی به شکل U در امتداد خط ذوب توزیع شدهاند. در طول انجماد جوش، دانههای نیمه جامد شده در منطقه ذوب به عنوان مکانهای هستهزایی برای جبهه انجماد عمل میکنند و ترجیحاً عمود بر مرز حوضچه مذاب در امتداد جهت گرادیان دمایی حداکثر رشد میکنند. این پدیده به این دلیل رخ میدهد که چگالی توان بالای لیزر منجر به گرم شدن بیش از حد داخل حوضچه جوش میشود. گرادیان حرارتی بالاتر G و نرخ رشد متوسط R باعث میشود G/R بزرگتر از آستانه تبدیل ریزساختار باشد و در نتیجه دانههای ستونی تشکیل شوند. گرادیان دما G در مرکز جوش کاهش مییابد و باعث میشود نسبت G/R به تدریج به زیر آستانه تبدیل ریزساختار کاهش یابد و به دانههای هممحور تبدیل شود. دانههای هممحور در قسمتهای مرکزی هر دو "کاسه" و "ساقه" قرار دارند. از آنجایی که "ساقه" جوش باریک و نزدیک به ماده پایه است، در حین خنک شدن کاملاً قبل از ناحیه "کاسه" منجمد میشود. قسمت "ساقه" منجمد شده به عنوان یک محل جوانهزنی در پایین "کاسه" عمل میکند و رشد رو به بالای دانههای ستونی را تقویت میکند. شکل فرآیندهای جوشکاری مستقیمالخط و نوسانی را نشان میدهد. نشان داده شده است که تغییر مداوم موقعیت پرتو لیزر در جوشکاری نوسانی لیزر، طول حوضچه مذاب میانی را افزایش میدهد و فلز از قبل منجمد شده را دوباره ذوب میکند و در نتیجه نرخ رشد دانه r کاهش مییابد. این میتواند منجر به کاهش G/R در ناحیه دانه هممحور پایینی شود.
۴.۴ توزیع تخلخل از توموگرافی اشعه ایکس سه بعدی برای انجام بازرسی جامع جوش استفاده شد و توزیع سه بعدی منافذ در جوش، همانطور که در شکل نشان داده شده است، به دست آمد. تخلخل به صورت حجم کل منافذ تقسیم بر حجم کل جوش محاسبه میشود. با مقایسه مورفولوژی منافذ و توزیع جوشهای نوسانی لیزری مستقیم الخط و جوشهای نوسانی لیزری دایرهای، مشخص میشود که جوشهای نوسانی لیزری مستقیم الخط حاوی منافذ با حجم بزرگ بیشتری هستند، با تخلخل ۲.۴۹٪ که به طور قابل توجهی بالاتر از جوشهای دایرهای است.جوشهای نوسانی لیزریبا مقایسه شکلهای (b، c) و (d، e)، میتوان مشاهده کرد که افزایش فرکانس نوسان به جلوگیری از تشکیل منافذ کمک میکند. با مقایسه شکلهای (b، d) و (c، e)، میتوان مشاهده کرد که افزایش دامنه نوسان نیز نقش مهمی در جلوگیری از تشکیل منافذ دارد. هنگامی که دامنه نوسان بیشتر به 2 میلیمتر افزایش مییابد (شکل (f))، تخلخل بیشتر به 0.22٪ کاهش مییابد و فقط منافذ کوچک و با حجم کم باقی میمانند. این شکل توزیع مساحت منافذ را در فواصل مختلف از خط مرکزی جوش نشان میدهد که نشاندهنده تخلخل بر اساس اندازه مساحت منافذ است. برای جوشکاری مستقیمالخط، مساحت منافذ به صورت متقارن در امتداد خط مرکزی جوش توزیع شده و به تدریج با افزایش فاصله از خط مرکزی جوش کاهش مییابد. نتایج نشان میدهد که منافذ ناشی از سوراخ کلید عمدتاً در پشت خط مرکزی حوضچه مذاب در خط مرکزی جوش متمرکز شدهاند. برای جوشکاری نوسانی لیزری، تقارن توزیع منافذ ضعیفتر میشود. شکل، مساحت منافذ را در فواصل مختلف از سطح جوش نشان میدهد، که در آن خط قرمز نشان دهنده مرز بین نواحی "کاسه" و "ساقه" است. در مورد منافذ بزرگ غالب (شکلهای (ac))، مساحت منافذ بالای مرز بیش از 85٪ را تشکیل میدهد. دلیل این امر این است که انتقال کانتور در مرز طولی ایتودینال بیشتر احتمال دارد حبابها را در حوضچه جوش به دام بیندازد و حبابهای به دام افتاده تحت تأثیر شناوری تمایل به مهاجرت به سمت بالا دارند. در مورد منافذ کوچک غالب (شکلهای (df))، منافذ در ناحیهای در فاصله 0.5 میلیمتری زیر خط مرزی متمرکز شدهاند. زمان خنک شدن کوتاه و جابجایی کوچک به سمت بالا ممکن است دلایل این پدیده باشد.
۵ نتیجهگیری
(1) حالتهای مختلف نوسان لیزر اثرات آشکاری بر سطح جوش دارند. دامنه و فرکانس بالاتر میتواند کیفیت سطح را بهبود بخشد، در حالی که پارامترهای نوسان بیش از حد بزرگ ممکن است زبری را افزایش داده و باعث ایجاد عیوب مقعر شوند.
(2) شکل جوش عمدتاً توسط پارامترهای نوسان لیزر تعیین میشود که بر سرعت جوشکاری، توزیع انرژی و کل گرمای ورودی تأثیر میگذارند. با افزایش دامنه نوسان، مورفولوژی جوش از "جامی" به "هلال" تغییر میکند و نسبت ابعاد کاهش مییابد.
(3) با افزایش دامنه و فرکانس نوسان، حوضچه مذاب پهنتر و قسمت عقب آن گرد میشود. اثر نوسان، طول حوضچه مذاب را افزایش میدهد که برای خروج حباب و انجماد یکنواخت مفید است. در طول جوشکاری مستقیمالخط، ناحیه باز شدن سوراخ کلید نوسان میکند؛ به طور نسبی، این نوسان را میتوان کاهش داد و پایداری جوشکاری را بهبود بخشید.
(4) افزایش دامنه و فرکانس نوسان، گرادیان حرارتی و نرخ رشد را کاهش میدهد که برای تشکیل دانههای بزرگ مفید است. با این حال، اثر همزن لیزری برای اصلاح اندازه دانه و بهبود استحکام بافت مفید است. تحت پارامترهای مختلف لیزر، سختی جوش نسبتاً پایدار باقی میماند، کمی کمتر از سختی ماده پایه، که ممکن است به دلیل از دست دادن منیزیم از طریق تبخیر باشد.
(5) توموگرافی اشعه ایکس سهبعدی نشان میدهد که جوشکاری مستقیمالخط تخلخل بالاتری (2.49٪) و حجم منافذ بیشتری نسبت به جوشکاری نوسانی دارد. افزایش پارامترهای نوسان میتواند تخلخل را به طور قابل توجهی کاهش دهد، حتی وقتی دامنه 2 میلیمتر باشد به 0.22٪ میرسد. توزیع مساحت منافذ با نوسان تغییر میکند: منافذ بزرگ در پشت حوضچه مذاب جمع میشوند و منافذ کوچک تقارن بهتری دارند. منافذ بزرگ عمدتاً در بالای مرز بین نواحی "کاسه" و "ساقه" توزیع میشوند، در حالی که منافذ کوچک در زیر مرز متمرکز هستند.
زمان ارسال: ۱۴ آگوست ۲۰۲۵
