Saldatura laser: l'influenza dei parametri di oscillazione sulla saldatura laser ad anello regolabile (ARM) di leghe di alluminio.

Saldatura laser: l'influenza dei parametri di oscillazione sulla saldatura laser ad anello regolabile (ARM) di leghe di alluminio.

1. Abstract

Questo studio analizza gli effetti dell'ampiezza e della frequenza di oscillazione sulla qualità superficiale, sulla macro e microstruttura e sulla porosità del sistema ad anello regolabile (ARM).saldatura oscillante laserPiastre in lega di alluminio A5083. I risultati mostrano che con l'aumento dell'ampiezza e della frequenza di oscillazione, la qualità della superficie di saldatura migliora. Con l'aumento dell'ampiezza, la sezione trasversale della saldatura si trasforma da una forma a "calice" a una forma a "mezzaluna". L'analisi microstrutturale indica che la dimensione del grano della saldatura non diminuisce con l'aumento dell'ampiezza e della frequenza di oscillazione a causa della competizione tra l'effetto di rimescolamento e la riduzione della velocità di raffreddamento. La porosità della saldatura diminuisce con l'aumento dei parametri di oscillazione, raggiungendo una porosità finale dello 0,22% quando l'ampiezza è di 2 mm. La tomografia a raggi X tridimensionale conferma ulteriormente l'influenza dell'oscillazione sulla distribuzione dei pori: i pori di grandi dimensioni tendono ad aggregarsi dietro il bagno fuso, mentre i pori di piccole dimensioni mostrano una migliore simmetria. Questa ricerca fornisce preziose informazioni per ottimizzare i parametri di oscillazione al fine di ottenere una saldatura laser di alta qualità nelle applicazioni con lega di alluminio A5083.

2. Contesto del settore

Le leghe di alluminio presentano i vantaggi di leggerezza, elevata resistenza specifica e buona resistenza alla corrosione e sono ampiamente utilizzate nell'industria automobilistica, ferroviaria ad alta velocità, aerospaziale e in altri settori. La saldatura laser presenta i vantaggi di elevata efficienza, piccola zona termicamente alterata e piccola deformazione di saldatura. Pertanto,La saldatura laser è un metodo di saldatura economico adatto per lamiere spesseche può ridurre notevolmente il numero di passate di saldatura. La porosità è un difetto significativo nella saldatura laser delle leghe di alluminio, che influisce seriamente sulle proprietà meccaniche dei giunti saldati. Pertanto, sono stati condotti numerosi studi per ridurre ed eliminare la formazione di porosità, tra cui l'ottimizzazione del gas di protezione, l'applicazione della tecnologia a doppio fascio, l'utilizzo di sistemi di potenza laser modulati e l'adozione di metodi a fascio oscillante. La tecnologia di saldatura laser oscillante si distingue per la sua capacità di combinare i vantaggi della saldatura laser con le proprie caratteristiche. L'utilizzo della saldatura laser oscillante non solo può ridurre la porosità, ma anche migliorare la microstruttura della saldatura e aumentarne la qualità. Un gran numero di studi si è concentrato principalmente su vari aspetti della saldatura laser oscillante, tra cui la riduzione della porosità, l'ottimizzazione della distribuzione dell'energia, l'affinamento della struttura granulare e la caratterizzazione del flusso di fusione nel bagno fuso. La distribuzione dell'energia laser gioca un ruolo cruciale nella distribuzione della temperatura e nella profondità di penetrazione della saldatura laser. A una certa ampiezza di oscillazione, con l'aumento della frequenza di scansione, il processo di saldatura passa dalla saldatura a penetrazione profonda alla saldatura instabile e infine alla saldatura a conduzione termica. I risultati mostrano che l'aumento dell'ampiezza e della frequenza di scansione può ridurre la porosità, ma anche ridurre significativamente la profondità di penetrazione della saldatura, compromettendone le proprietà meccaniche. Negli ultimi anni, è stato sviluppato un laser ad anello regolabile (ARM), che divide l'energia laser in un nucleo ad alta densità di energia e un anello a bassa densità di energia, con l'obiettivo di stabilizzare il keyhole e migliorare la qualità della saldatura. I ricercatori hanno utilizzato la saldatura oscillante laser ARM per saldare leghe di alluminio ad alta resistenza 6xxx con diversi rapporti di potenza nucleo/anello e larghezze di oscillazione. I risultati sperimentali mostrano che il fattore principale che influenza la geometria della saldatura è la larghezza di oscillazione, piuttosto che il rapporto di potenza nucleo-anello. Tuttavia, la distribuzione dei pori e il relativo meccanismo di inibizione in presenza di oscillazione e laser ARM non sono stati studiati. In questo articolo, viene adottata una nuova tecnologia di saldatura oscillante laser ARM per ridurre la porosità della saldatura, ottenere una maggiore profondità di penetrazione e una migliore qualità della saldatura. Viene condotto uno studio completo sulla distribuzione dell'energia laser, sul comportamento dinamico del bagno fuso e sulla microstruttura in diverse condizioni di frequenza e ampiezza di oscillazione.

3. Obiettivi e procedure sperimentali

La tecnologia di saldatura laser oscillante circolare è stata utilizzata per saldare leghe di alluminio. Il materiale di base (BM) era una lega di alluminio 5083-O con dimensioni di 300 mm × 100 mm × 5 mm (lunghezza × larghezza × spessore) e la sua composizione chimica è mostrata nella tabella. Prima della saldatura, i campioni sono stati lucidati per rimuovere il film di ossido superficiale, quindi puliti con acetone in un bagno a ultrasuoni per 15 minuti per rimuovere l'olio superficiale.sistema di saldatura laserIl sistema è composto principalmente da un robot Kuka, un laser a disco TruDisk 8001 e uno scanner galvanometrico PFO 3D. Il laser a disco TruDisk 8001 è stato utilizzato come sorgente laser ad anello regolabile, con un rapporto fibra nucleo/anello di 100/400 μm e una potenza di uscita massima di 8 kW (lunghezza d'onda di 1030 nm, parametro di qualità del fascio di 4,0 mm·rad). Il fascio laser è composto da una parte centrale e una parte anulare, dove il laser nella parte centrale genera un keyhole (60% dell'energia laser) e il laser nella parte anulare garantisce una buona distribuzione della temperatura (40% dell'energia laser), come mostrato in Figura (b). Le lunghezze focali del collimatore e della lente di focalizzazione sono rispettivamente di 138 mm e 450 mm. Durante il processo di saldatura, sono state utilizzate una telecamera ad alta velocità Phantom V1840 e una sorgente luminosa ad alta frequenza Cavilux per monitorare il processo in tempo reale, con una velocità di ripresa di 5000 fps e un tempo di esposizione di 1 μs. In questo studio, la traiettoria di oscillazione circolare del fascio, il percorso di movimento del laser e la velocità istantanea sono definiti come mostrato in figura.

4 Risultati e discussione

4.1 Caratteristiche morfologiche della saldatura La figura mostra le morfologie della superficie di saldatura in diverse modalità di oscillazione laser. I risultati indicano che la superficie di saldatura della saldatura convenzionale in linea retta è ruvida (rugosità di 78,01 μm), con scarsa continuità delle ondulazioni di saldatura e insufficiente diffusione della saldatura. Sono stati inoltre osservati una formazione di saldatura insufficiente, spruzzi eccessivi e sottosquadri. Con l'aumento dell'ampiezza e della frequenza di oscillazione, la superficie di saldatura presenta una struttura a scaglie densa e uniforme. La rugosità superficiale delle saldature con ampiezze di oscillazione di 0,5 mm, 1 mm e 2 mm è rispettivamente di 80,71 μm, 49,63 μm e 31,12 μm. Non sono presenti irregolarità o sporgenze causate da spruzzi. I risultati indicano che una frequenza di oscillazione più elevata porta a un flusso del bagno fuso più regolare, a un effetto di agitazione del raggio laser più intenso e a una superficie di saldatura più ideale. Fondamentalmente, la forma della saldatura laser è causalmente correlata al movimento del raggio laser. Durante la saldatura, le variazioni di ampiezza e frequenza di oscillazione modificano la velocità di saldatura, influenzando di conseguenza la densità di energia lineare e l'apporto termico totale del laser. La morfologia della sezione trasversale della saldatura è a forma di "calice", composta da due parti: la parte inferiore è il "gambo" e la parte superiore è la "coppa". La profondità di penetrazione e il "gambo" sono definiti rispettivamente come H1 e H2, mentre la larghezza della saldatura ("coppa") e del "gambo" sono definite rispettivamente come W1 e W2. Entrambe le larghezze della saldatura W1 e W2 aumentano sincronicamente con l'aumento dell'ampiezza di oscillazione e la morfologia della saldatura si trasforma gradualmente da forma a "calice" a forma a "mezzaluna". La massima densità di energia laser si verifica in corrispondenza della sovrapposizione delle traiettorie. Confrontando le figure (b, d) e (c, e), si può notare che l'aumento della frequenza di scansione incrementa l'area di sovrapposizione della traiettoria lungo il percorso di scansione, rendendo più uniforme la distribuzione dell'energia laser. Tuttavia, la riduzione della densità di energia massima comporta una diminuzione della profondità di saldatura.

4.2 Comportamento del bagno fuso Per chiarire l'influenza del percorso di scansione sul comportamento del bagno fuso, è stato utilizzato un sistema di telecamere ad alta velocità per osservare il processo di evoluzione del bagno fuso e del keyhole. La Figura (a) mostra il processo di evoluzione del bagno fuso lungo un percorso rettilineo. Le Figure (bf) sono i diagrammi di evoluzione del bagno fuso in base a diversi parametri di oscillazione. Con l'aumento della frequenza e dell'ampiezza di oscillazione, la parte posteriore del bagno fuso diventa più arrotondata a causa dell'espansione della larghezza del bagno fuso. Man mano che la lunghezza del bagno fuso aumenta, la fluttuazione della superficie causata dall'eruzione del keyhole diminuisce durante la propagazione all'indietro. Pertanto, il metallo liquido fuso si solidifica in modo uniforme e regolare all'estremità posteriore del bagno fuso, formando scaglie di saldatura uniformi e dense. La figura mostra la variazione dell'area di apertura del keyhole durante la saldatura laser, ricavata dalle immagini fotografiche ad alta velocità del bagno fuso. Come mostrato nella Figura (a), durante la saldatura rettilinea, la dimensione dell'apertura del keyhole mostra fluttuazioni evidenti. Sono stati osservati diversi casi di chiusura del foro di penetrazione (0 mm²), con un'area media di apertura del foro di penetrazione di 0,47 mm². L'aumento dell'ampiezza di oscillazione può anche ridurre le fluttuazioni e migliorare la stabilità. Questo perché nella saldatura oscillante, una maggiore proporzione di energia viene distribuita su entrambi i lati. Pertanto, l'uscita sul foro di penetrazione si espande e l'ampiezza di oscillazione aumenta, incrementando così l'area di apertura. L'aumento dell'ampiezza espande il raggio di agitazione del raggio laser, portando all'espansione del raggio del movimento periodico del foro di penetrazione. A causa della viscosità del metallo fuso e della pressione idrodinamica che agisce vicino alla parete del foro di penetrazione, si verifica un movimento di correnti parassite nel bagno di fusione di saldatura vicino all'apertura del foro di penetrazione. L'espansione dell'area di apertura del foro di penetrazione ne migliora la stabilità, evita la formazione di bolle e quindi inibisce significativamente la porosità.

4.3 Microstruttura La figura mostra la morfologia EBSD della sezione trasversale della saldatura a diverse frequenze e ampiezze di oscillazione. Vicino alla linea di fusione della saldatura laser, i grani dendritici colonnari crescono verso il centro della saldatura. Come mostrato in Figura (a), tra le regioni "a ciotola" e "a gambo", si possono osservare differenze evidenti nella distribuzione dei grani colonnari. I grani colonnari sono distribuiti a forma di U lungo la parete della "ciotola", mentre nella regione del "gambo" sono distribuiti a forma di U lungo la linea di fusione. Durante la solidificazione della saldatura, i grani parzialmente solidificati nella zona di fusione agiscono come siti di nucleazione per il fronte di solidificazione e crescono preferenzialmente perpendicolarmente al confine del bagno fuso lungo la direzione del gradiente di temperatura massimo. Questo fenomeno si verifica perché l'elevata densità di potenza del laser porta al surriscaldamento all'interno del bagno di saldatura. Il gradiente termico più elevato G e la velocità di crescita moderata R fanno sì che G/R sia maggiore della soglia per la trasformazione della microstruttura, con conseguente formazione di grani colonnari. Il gradiente di temperatura G al centro della saldatura diminuisce, causando una graduale riduzione del rapporto G/R al di sotto della soglia di trasformazione della microstruttura, con conseguente transizione a grani equiassici. I grani equiassici si trovano nelle parti centrali sia della "ciotola" che del "gambo". Poiché il "gambo" della saldatura è stretto e vicino al materiale di base, si solidifica completamente prima della regione della "ciotola" durante il raffreddamento. La parte solidificata del "gambo" funge da sito di nucleazione sul fondo della "ciotola", promuovendo la crescita verso l'alto dei grani colonnari. La figura mostra i processi di saldatura in linea retta e oscillante. Si osserva che la continua variazione della posizione del raggio laser nella saldatura laser oscillante aumenta la lunghezza del bagno fuso intermedio, rifondendo il metallo già solidificato e determinando una diminuzione della velocità di crescita dei grani r. Ciò può comportare una diminuzione del rapporto G/R nella zona inferiore dei grani equiassici.

4.4 Distribuzione della porosità La tomografia a raggi X tridimensionale è stata utilizzata per condurre un'ispezione completa della saldatura, ottenendo la distribuzione tridimensionale dei pori nella saldatura, come mostrato in figura. La porosità è calcolata come il volume totale dei pori diviso per il volume totale della saldatura. Confrontando la morfologia e la distribuzione dei pori delle saldature laser oscillanti lineari e circolari, si è scoperto che le saldature laser oscillanti lineari contengono più pori di grande volume, con una porosità del 2,49%, che è significativamente più alta di quella circolare.saldature laser oscillantiConfrontando le figure (b, c) e (d, e), si può notare che l'aumento della frequenza di oscillazione contribuisce a inibire la formazione di pori. Confrontando le figure (b, d) e (c, e), si può notare che anche l'aumento dell'ampiezza di oscillazione gioca un ruolo significativo nell'inibire la formazione di pori. Quando l'ampiezza di oscillazione viene ulteriormente aumentata a 2 mm (Figura (f)), la porosità si riduce ulteriormente allo 0,22%, lasciando solo pori di piccolo volume e di piccole dimensioni. La figura illustra la distribuzione dell'area dei pori a diverse distanze dalla linea centrale della saldatura, rappresentando la porosità in base alla dimensione dell'area dei pori. Per la saldatura in linea retta, l'area dei pori è distribuita simmetricamente lungo la linea centrale della saldatura e diminuisce gradualmente con l'aumento della distanza dalla linea centrale della saldatura. I risultati mostrano che i pori indotti dal keyhole sono principalmente concentrati dietro il fondo del bagno fuso sulla linea centrale della saldatura. Nella saldatura laser oscillante, la simmetria della distribuzione dei pori si indebolisce. La figura mostra l'area dei pori a diverse distanze dalla superficie di saldatura, dove la linea rossa rappresenta il confine tra le regioni "a ciotola" e "a gambo". Nel caso di pori di grandi dimensioni predominanti (Figure (ac)), l'area dei pori al di sopra del confine rappresenta oltre l'85%. Questo perché la transizione di contorno al confine longitudinale tende a intrappolare le bolle nel bagno di saldatura, e le bolle intrappolate tendono a migrare verso l'alto per effetto della spinta di galleggiamento. Nel caso di pori di piccole dimensioni predominanti (Figure (df)), i pori sono concentrati nell'area entro 0,5 mm al di sotto della linea di confine. Il breve tempo di raffreddamento e il piccolo spostamento verso l'alto potrebbero essere le ragioni di questo fenomeno.

5 Conclusioni

(1) Diverse modalità di oscillazione laser hanno effetti evidenti sulla superficie della saldatura. Ampiezza e frequenza maggiori possono migliorare la qualità della superficie, mentre parametri di oscillazione eccessivamente grandi possono aumentare la rugosità e causare difetti concavi.

(2) La forma della saldatura è determinata principalmente dai parametri di oscillazione del laser, che influenzano la velocità di saldatura, la distribuzione dell'energia e l'apporto termico totale. Con l'aumento dell'ampiezza di oscillazione, la morfologia della saldatura cambia da "calice" a "mezzaluna" e il rapporto d'aspetto diminuisce.

(3) Con l'aumento dell'ampiezza e della frequenza di oscillazione, il bagno fuso si allarga e la parte posteriore si arrotonda. L'effetto di oscillazione aumenta la lunghezza del bagno fuso, il che è vantaggioso per la fuoriuscita delle bolle e la solidificazione uniforme. Durante la saldatura in linea retta, l'area di apertura del foro passante fluttua; relativamente parlando, questa fluttuazione può essere ridotta, migliorando la stabilità della saldatura.

(4) L'aumento dell'ampiezza e della frequenza di oscillazione riduce sia il gradiente termico che la velocità di crescita, il che è vantaggioso per la formazione di grani di grandi dimensioni. Tuttavia, l'effetto di agitazione laser è favorevole all'affinamento della dimensione del grano e al miglioramento della resistenza della tessitura. Con diversi parametri laser, la durezza della saldatura rimane relativamente stabile, leggermente inferiore a quella del materiale di base, il che può essere dovuto alla perdita per evaporazione del magnesio.

(5) La tomografia a raggi X tridimensionale mostra che la saldatura in linea retta ha una porosità maggiore (2,49%) e un volume dei pori maggiore rispetto alla saldatura oscillante. L'aumento dei parametri di oscillazione può ridurre significativamente la porosità, arrivando persino allo 0,22% quando l'ampiezza è di 2 mm. La distribuzione dell'area dei pori si sposta con l'oscillazione: i pori grandi si aggregano dietro il bagno fuso e i pori piccoli hanno una simmetria migliore. I pori grandi sono distribuiti principalmente sopra il confine tra le regioni "ciotola" e "stelo", mentre i pori piccoli sono concentrati sotto il confine.