Laserlassen – De invloed van oscillatieparameters op het laserlassen van aluminiumlegeringen met behulp van de instelbare ringmodus (ARM).
1. Samenvatting
Deze studie onderzoekt de effecten van oscillatieamplitude en -frequentie op de oppervlaktekwaliteit, macro- en microstructuur en porositeit van verstelbare ringmodi (ARM).laser oscillerend gelastA5083 aluminiumlegering platen. De resultaten tonen aan dat de kwaliteit van het lasoppervlak verbetert naarmate de amplitude en frequentie van de oscillatie toenemen. Bij een hogere amplitude verandert de dwarsdoorsnede van de las van een kelkvorm naar een halvemaanvorm. Microstructurele analyse wijst uit dat de korrelgrootte van de las niet afneemt met de toename van de amplitude en frequentie van de oscillatie, vanwege de wisselwerking tussen het roereffect en de afname van de afkoelsnelheid. De porositeit van de las neemt af met de toename van de oscillatieparameters en bereikt een uiteindelijke porositeit van 0,22% bij een amplitude van 2 mm. Driedimensionale röntgentomografie bevestigt verder de invloed van de oscillatie op de porieverdeling: grote poriën hebben de neiging zich te verzamelen achter de rand van het smeltbad, terwijl kleine poriën een betere symmetrie vertonen. Dit onderzoek biedt waardevolle inzichten voor het optimaliseren van oscillatieparameters om hoogwaardig laserlassen te bereiken bij toepassingen met A5083 aluminiumlegering.
2 Achtergrondinformatie over de industrie
Aluminiumlegeringen hebben als voordelen een laag gewicht, een hoge specifieke sterkte en een goede corrosiebestendigheid, en worden veel gebruikt in de automobielindustrie, hogesnelheidstreinen, de lucht- en ruimtevaart en andere sectoren. Laserlassen heeft als voordelen een hoog rendement, een kleine warmtebeïnvloede zone en geringe lasvervorming. Daarom,Laserlassen is een economische lasmethode die geschikt is voor dikke platen.Dit kan het aantal lasgangen aanzienlijk verminderen. Porositeit is een significant defect bij laserlassen van aluminiumlegeringen, wat de mechanische eigenschappen van de lasverbindingen ernstig beïnvloedt. Daarom is er uitgebreid onderzoek gedaan naar het verminderen en elimineren van porositeit, waaronder het optimaliseren van het beschermgas, het toepassen van dual-beam technologie, het gebruik van gemoduleerde laservermogenssystemen en het gebruik van oscillerende laserstralen. Laseroscillatielassen onderscheidt zich door de voordelen van laserlassen te combineren met eigen kenmerken. Laseroscillatielassen kan niet alleen porositeit verminderen, maar ook de microstructuur van de las verbeteren en de laskwaliteit verhogen. Een groot aantal studies heeft zich voornamelijk gericht op verschillende aspecten van laseroscillatielassen, waaronder porositeitsreductie, optimalisatie van de energieverdeling, verfijning van de korrelstructuur en karakterisering van de smeltstroom in het smeltbad. De verdeling van de laserenergie speelt een cruciale rol in de temperatuurverdeling en de indringdiepte van laserlassen. Bij een bepaalde oscillatieamplitude, met de toename van de scanfrequentie, verandert het lasproces van diepdoorlassen naar instabiel lassen en uiteindelijk naar warmtegeleidingslassen. De resultaten tonen aan dat een verhoging van de scanamplitude en -frequentie de porositeit kan verminderen, maar ook de indringdiepte van de las aanzienlijk kan verlagen, waardoor de mechanische eigenschappen van de las afnemen. In de afgelopen jaren is een instelbare ringmoduslaser (ARM-laser) ontwikkeld, die de laserenergie verdeelt in een kern met een hoge energiedichtheid en een ring met een lage energiedichtheid, met als doel het sleutelgat te stabiliseren en de laskwaliteit te verbeteren. Onderzoekers hebben ARM-laseroscillatielassen gebruikt om 6xxx-hoogsterkte aluminiumlegeringen te lassen met verschillende kern/ring-vermogensverhoudingen en oscillatiebreedtes. De experimentele resultaten tonen aan dat de belangrijkste factor die de lasgeometrie beïnvloedt de oscillatiebreedte is, en niet de kern/ring-vermogensverhouding. De porieverdeling en het mechanisme waarmee deze wordt geremd onder de superpositie van oscillatie en ARM-laser zijn echter nog niet onderzocht. In dit artikel wordt een nieuwe ARM-laseroscillatielastechnologie toegepast om de porositeit van de las te verminderen, een grotere indringdiepte te bereiken en een betere laskwaliteit te verkrijgen. Er wordt een uitgebreide studie uitgevoerd naar de laserenergieverdeling, het dynamische gedrag van het smeltbad en de microstructuur bij verschillende oscillatiefrequenties en -amplitudes.
3. Experimentele doelstellingen en procedures
Voor het lassen van aluminiumlegeringen werd gebruikgemaakt van circulaire laseroscillatielastechnologie. Het basismateriaal (BM) was een 5083-O aluminiumlegering met afmetingen van 300 mm × 100 mm × 5 mm (lengte × breedte × dikte). De chemische samenstelling hiervan is weergegeven in de tabel. Vóór het lassen werden de monsters gepolijst om de oppervlakteoxidefilm te verwijderen en vervolgens gedurende 15 minuten gereinigd met aceton in een ultrasoon bad om oppervlakteolie te verwijderen.laserlassysteemHet systeem bestaat hoofdzakelijk uit een Kuka-robot, een TruDisk 8001 schijflaser en een 3D PFO-galvanometerscanner. De TruDisk 8001 schijflaser werd gebruikt als instelbare ringlaserbron, met een kern/ringvezelverhouding van 100/400 μm en een maximaal uitgangsvermogen van 8 kW (golflengte van 1030 nm, bundelkwaliteitsparameter van 4,0 mm·rad). De laserbundel is samengesteld uit een kern en een ring, waarbij de laser in het centrale kerngedeelte een sleutelgat genereert (60% van de laserenergie) en de laser in het ringgedeelte zorgt voor een goede temperatuurverdeling (40% van de laserenergie), zoals weergegeven in figuur (b). De brandpuntsafstanden van de collimator en de focusseerlens zijn respectievelijk 138 mm en 450 mm. Tijdens het lasproces werden een Phantom V1840 hogesnelheidscamera en een Cavilux hoogfrequente lichtbron gebruikt om het lasproces in realtime te volgen, met een opnamesnelheid van 5000 fps en een belichtingstijd van 1 μs. In deze studie worden het traject van de cirkelvormige straaloscillatie, het laserbewegingspad en de momentane snelheid gedefinieerd zoals weergegeven in de figuur.
4 Resultaten en discussie
4.1 Kenmerken van de lasmorfologie De morfologie van het lasoppervlak bij verschillende laseroscillatiemodi wordt weergegeven in de figuur. De resultaten tonen aan dat het lasoppervlak van conventioneel rechtlijnig lassen ruw is (ruwheid van 78,01 μm), met een slechte continuïteit van de lasrimpels en onvoldoende lasspreiding. Ook werden onvoldoende lasvorming, ernstige spatvorming en ondersnijding waargenomen. Met de toename van de oscillatieamplitude en -frequentie vertoont het lasoppervlak dichte en uniforme visschubben. De oppervlakteruwheid van lassen met oscillatieamplitudes van 0,5 mm, 1 mm en 2 mm is respectievelijk 80,71 μm, 49,63 μm en 31,12 μm. Er zijn geen onregelmatigheden of uitsteeksels veroorzaakt door spatvorming. De resultaten geven aan dat een hogere oscillatiefrequentie leidt tot een regelmatiger smeltbadstroom, een sterker roerend effect van de laserstraal en een idealer lasoppervlak. De vorm van de laserlas is fundamenteel gerelateerd aan de beweging van de laserstraal. Tijdens het lassen veranderen de amplitude en frequentie van de oscillatie de lassnelheid, waardoor de lineaire energiedichtheid en de totale warmte-inbreng van de laser worden beïnvloed. De dwarsdoorsnede van de las is kelkvormig en bestaat uit twee delen: het onderste deel is de "steel" en het bovenste deel de "kom". De indringdiepte en de "steel" worden respectievelijk aangeduid met H1 en H2, en de breedte van de las ("kom") en de "steel" met W1 en W2. Zowel de lasbreedte W1 als W2 neemt synchroon toe met de toename van de oscillatieamplitude, en de lasvorm verandert geleidelijk van kelkvormig naar halvemaanvormig. De maximale laserenergiedichtheid treedt op bij de overlap van de trajecten. Uit een vergelijking van figuren (b, d) en (c, e) blijkt dat een hogere scanfrequentie het overlappingsgebied van de trajecten langs het scanpad vergroot, waardoor de laserenergie gelijkmatiger verdeeld wordt. De afname van de maximale energiedichtheid leidt echter tot een kleinere lasdiepte.
4.2 Gedrag van het smeltbad Om de invloed van het scanpad op het gedrag van het smeltbad te verduidelijken, werd een hogesnelheidscamerasysteem gebruikt om het evolutieproces van het smeltbad en het sleutelgat te observeren. Figuur (a) toont het evolutieproces van het smeltbad bij een rechtlijnig scanpad. Figuur (bf) toont de evolutiediagrammen van het smeltbad bij verschillende oscillatieparameters. Met de toename van de oscillatiefrequentie en -amplitude wordt het achterste deel van het smeltbad ronder door de toename van de breedte van het smeltbad. Naarmate de lengte van het smeltbad toeneemt, neemt de oppervlaktefluctuatie veroorzaakt door de vorming van het sleutelgat af tijdens de terugwaartse voortplanting. Daardoor stolt het gesmolten metaal soepel en regelmatig aan het achterste uiteinde van het smeltbad, waardoor uniforme en dichte lasstructuren ontstaan. De figuur toont de verandering van het sleutelgatgebied tijdens laserlassen, afgeleid van de hogesnelheidsfoto's van het smeltbad. Zoals weergegeven in figuur (a), vertoont de grootte van het sleutelgat tijdens rechtlijnig lassen duidelijke fluctuaties. Er werden verschillende gevallen van sluiting van het sleutelgat (0 mm²) waargenomen, met een gemiddelde opening van het sleutelgat van 0,47 mm². De toename van de oscillatieamplitude kan ook fluctuaties verminderen en de stabiliteit verbeteren. Dit komt doordat bij oscillerend lassen een groter deel van de energie naar beide zijden wordt verdeeld. Daardoor zet de opening van het sleutelgat uit en neemt de oscillatieamplitude toe, waardoor de opening groter wordt. De toename van de amplitude vergroot het roerbereik van de laserstraal, wat leidt tot een vergroting van de straal van de periodieke beweging van het sleutelgat. Door de viscositeit van het gesmolten metaal en de hydrodynamische druk nabij de sleutelgatwand ontstaan wervelstromen in het smeltbad nabij de sleutelgatopening. De vergroting van de sleutelgatopening verbetert de stabiliteit, voorkomt de vorming van bellen en remt daardoor de porositeit aanzienlijk.
4.3 Microstructuur De afbeelding toont de EBSD-morfologie van de lasdoorsnede bij verschillende oscillatiefrequenties en -amplitudes. Nabij de smeltlijn van de laserlas groeien kolomvormige dendrietkorrels naar het midden van de las. Zoals weergegeven in figuur (a), zijn er tussen de "kom"- en "steel"-gebieden duidelijke verschillen in de verdeling van de kolomvormige korrels waarneembaar. De kolomvormige korrels zijn in een U-vorm verdeeld langs de wand van de "kom", terwijl ze in het "steel"-gebied in een U-vorm langs de smeltlijn zijn verdeeld. Tijdens de stolling van de las fungeren de gedeeltelijk gestolde korrels in de smeltzone als kiemvormingspunten voor het stollingsfront en groeien ze bij voorkeur loodrecht op de grens van het smeltbad, in de richting van de maximale temperatuurgradiënt. Dit fenomeen treedt op omdat de hoge vermogensdichtheid van de laser leidt tot oververhitting in het smeltbad. De hogere thermische gradiënt G en de matige groeisnelheid R zorgen ervoor dat G/R groter is dan de drempelwaarde voor microstructuurtransformatie, wat resulteert in de vorming van kolomvormige korrels. De temperatuurgradiënt G in het midden van de las neemt af, waardoor de G/R-verhouding geleidelijk onder de drempel voor microstructuurtransformatie daalt en er een overgang naar equiaxiale korrels plaatsvindt. Equiaxiale korrels bevinden zich in het centrale deel van zowel de "kom" als de "steel". Omdat de "steel" van de las smal is en dicht bij het basismateriaal ligt, stolt deze volledig vóór het "kom"-gebied tijdens het afkoelen. Het gestolde "steel"-gedeelte fungeert als kiemvormingspunt aan de onderkant van de "kom", wat de opwaartse groei van kolomvormige korrels bevordert. De afbeelding toont de rechte-lijn- en oscillerende lasprocessen. Het is aangetoond dat de continue verandering van de laserstraalpositie bij laseroscillerend lassen de lengte van het tussenliggende smeltbad vergroot, waardoor het reeds gestolde metaal opnieuw smelt en de korrelgroeisnelheid r afneemt. Dit kan leiden tot een afname van de G/R-verhouding in de onderste equiaxiale korrelzone.
4.4 Porositeitsverdeling Driedimensionale röntgentomografie werd gebruikt om een uitgebreide inspectie van de las uit te voeren, waarbij de driedimensionale verdeling van poriën in de las werd verkregen, zoals weergegeven in de figuur. Porositeit wordt berekend als het totale volume van de poriën gedeeld door het totale volume van de las. Door de poriemorfologie en -verdeling van rechtlijnige laseroscillatielassen en cirkelvormige laseroscillatielassen te vergelijken, blijkt dat rechtlijnige laseroscillatielassen meer poriën met een groot volume bevatten, met een porositeit van 2,49%, wat significant hoger is dan die van cirkelvormige lassen.laseroscillerende lassenDoor figuren (b, c) en (d, e) te vergelijken, is te zien dat een hogere oscillatiefrequentie de vorming van poriën remt. Ook de toename van de oscillatieamplitude speelt een belangrijke rol bij het tegengaan van porievorming. Wanneer de oscillatieamplitude verder wordt verhoogd tot 2 mm (figuur (f)), neemt de porositeit verder af tot 0,22%, waardoor alleen kleine poriën overblijven. De figuur toont de porieoppervlakteverdeling op verschillende afstanden van de lasmiddellijn, waarbij de porositeit wordt weergegeven op basis van de porieoppervlakte. Bij rechtlijnig lassen is de porieoppervlakte symmetrisch verdeeld langs de lasmiddellijn en neemt deze geleidelijk af met de toenemende afstand tot de lasmiddellijn. De resultaten tonen aan dat door sleutelgatvorming geïnduceerde poriën zich voornamelijk concentreren achter de rand van het smeltbad bij de lasmiddellijn. Bij laseroscillatielassen wordt de symmetrie van de porieverdeling minder sterk. De afbeelding toont het poriëngebied op verschillende afstanden van het lasoppervlak, waarbij de rode lijn de grens tussen het "komvormige" en het "steelvormige" gebied aangeeft. In het geval van overwegend grote poriën (figuur (ac)) beslaat het poriëngebied boven de grens meer dan 85%. Dit komt doordat de contourovergang bij de longitudinale grens eerder luchtbellen in het smeltbad vasthoudt, en deze vastgehouden bellen de neiging hebben om onder invloed van de opwaartse druk naar boven te migreren. In het geval van overwegend kleine poriën (figuur (df)) zijn de poriën geconcentreerd in het gebied binnen 0,5 mm onder de grenslijn. De korte afkoeltijd en de geringe opwaartse verplaatsing zijn mogelijk de oorzaken van dit fenomeen.
5 Conclusies
(1) Verschillende laseroscillatiemodi hebben duidelijke effecten op het lasoppervlak. Een hogere amplitude en frequentie kunnen de oppervlaktekwaliteit verbeteren, terwijl te grote oscillatieparameters de ruwheid kunnen vergroten en concave defecten kunnen veroorzaken.
(2) De vorm van de las wordt voornamelijk bepaald door de parameters van de laseroscillatie, die van invloed zijn op de lassnelheid, de energieverdeling en de totale warmte-inbreng. Met de toename van de oscillatieamplitude verandert de lasmorfologie van "bekervormig" naar "halvemaanvormig", en neemt de aspectverhouding af.
(3) Door de toename van de amplitude en frequentie van de oscillatie wordt het smeltbad breder en het achterste deel ronder. Het oscillatie-effect vergroot de lengte van het smeltbad, wat gunstig is voor het ontsnappen van luchtbellen en een gelijkmatige stolling. Tijdens rechtlijnig lassen fluctueert het oppervlak van de sleutelgatopening; relatief gezien kan deze fluctuatie worden verminderd, waardoor de lasstabiliteit verbetert.
(4) Het verhogen van de oscillatieamplitude en -frequentie vermindert zowel de thermische gradiënt als de groeisnelheid, wat gunstig is voor de vorming van grote korrelgroottes. Het laserroereffect is echter bevorderlijk voor het verfijnen van de korrelgrootte en het verbeteren van de textuursterkte. Bij verschillende laserparameters blijft de lashardheid relatief stabiel, iets lager dan die van het basismateriaal, wat mogelijk te wijten is aan het verdampingsverlies van magnesium.
(5) Driedimensionale röntgentomografie toont aan dat rechtlijnig lassen een hogere porositeit (2,49%) en een groter porievolume heeft dan oscillerend lassen. Het verhogen van de oscillatieparameters kan de porositeit aanzienlijk verminderen, zelfs tot 0,22% bij een amplitude van 2 mm. De porieoppervlakteverdeling verschuift met de oscillatie: grote poriën hopen zich op achter het smeltbad, en kleine poriën hebben een betere symmetrie. Grote poriën zijn voornamelijk verdeeld boven de grens tussen de "kom" en de "steel" gebieden, terwijl kleine poriën geconcentreerd zijn onder de grens.
Geplaatst op: 14 augustus 2025
