Kimpalan Laser – Pengaruh Parameter Ayunan pada Kimpalan Laser Mod Cincin Boleh Laras (ARM) Aloi Aluminium
1. Abstrak
Kajian ini mengkaji kesan amplitud dan frekuensi ayunan terhadap kualiti permukaan, makro dan mikrostruktur, serta keliangan mod cincin boleh laras (ARM).kimpalan berayun laserPlat aloi aluminium A5083. Keputusan menunjukkan bahawa dengan peningkatan amplitud dan frekuensi ayunan, kualiti permukaan kimpalan bertambah baik. Apabila amplitud meningkat, keratan rentas kimpalan berubah daripada bentuk "goblet" kepada bentuk "bulan sabit". Analisis mikrostruktur menunjukkan bahawa saiz butiran kimpalan tidak berkurangan dengan peningkatan amplitud dan frekuensi ayunan disebabkan oleh persaingan antara kesan pengadukan dan pengurangan kadar penyejukan. Keliangan kimpalan berkurangan dengan peningkatan parameter ayunan, mencapai keliangan akhir sebanyak 0.22% apabila amplitudnya ialah 2 mm. Tomografi sinar-X tiga dimensi seterusnya mengesahkan pengaruh ayunan pada taburan liang: liang besar cenderung untuk berkumpul di belakang kolam lebur, manakala liang kecil menunjukkan simetri yang lebih baik. Kajian ini memberikan pandangan berharga untuk mengoptimumkan parameter ayunan bagi mencapai kimpalan laser berkualiti tinggi dalam aplikasi aloi aluminium A5083.
2 Latar Belakang Industri
Aloi aluminium mempunyai kelebihan ringan, kekuatan spesifik yang tinggi, dan rintangan kakisan yang baik, dan digunakan secara meluas dalam industri automotif, kereta api berkelajuan tinggi, aeroangkasa dan lain-lain. Kimpalan laser mempunyai kelebihan kecekapan tinggi, zon terjejas haba yang kecil, dan ubah bentuk kimpalan yang kecil. Oleh itu,kimpalan laser adalah kaedah kimpalan yang menjimatkan yang sesuai untuk plat tebal, yang boleh mengurangkan bilangan laluan kimpalan dengan ketara. Keliangan merupakan kecacatan ketara dalam kimpalan laser aloi aluminium, yang memberi kesan serius kepada sifat mekanikal sambungan kimpalan. Oleh itu, kajian meluas telah dijalankan untuk mengurangkan dan menghapuskan pembentukan keliangan, termasuk mengoptimumkan gas pelindung, menggunakan teknologi dwi-rasuk, menggunakan sistem kuasa laser termodulat, dan menggunakan kaedah rasuk berayun. Teknologi kimpalan berayun laser menonjol kerana keupayaannya untuk menggabungkan kelebihan kimpalan laser dengan ciri-cirinya sendiri. Menggunakan kimpalan berayun laser bukan sahaja boleh mengurangkan keliangan tetapi juga meningkatkan mikrostruktur kimpalan dan meningkatkan kualiti kimpalan. Sebilangan besar kajian telah memberi tumpuan terutamanya kepada pelbagai aspek kimpalan berayun laser, termasuk pengurangan keliangan, pengoptimuman pengagihan tenaga, penghalusan struktur butiran, dan pencirian aliran leburan dalam kolam leburan. Pengagihan tenaga laser memainkan peranan penting dalam pengagihan suhu dan kedalaman penembusan kimpalan laser. Pada amplitud ayunan tertentu, dengan peningkatan frekuensi pengimbasan, proses kimpalan beralih daripada kimpalan penembusan dalam kepada kimpalan yang tidak stabil, dan akhirnya kepada kimpalan pengaliran haba. Keputusan menunjukkan bahawa peningkatan amplitud dan frekuensi pengimbasan dapat mengurangkan keliangan, tetapi juga mengurangkan kedalaman penembusan kimpalan dengan ketara, sekali gus mengurangkan sifat mekanikal kimpalan. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, laser mod cincin boleh laras (ARM) telah dibangunkan, yang membahagikan tenaga laser kepada teras dengan ketumpatan tenaga yang tinggi dan cincin dengan ketumpatan tenaga yang rendah, bertujuan untuk menstabilkan lubang kunci dan meningkatkan kualiti kimpalan. Penyelidik telah menggunakan kimpalan berayun laser ARM untuk mengimpal aloi aluminium berkekuatan tinggi 6xxx di bawah nisbah kuasa teras/cincin dan lebar ayunan yang berbeza. Keputusan eksperimen menunjukkan bahawa faktor utama yang mempengaruhi geometri kimpalan ialah lebar ayunan, bukannya nisbah kuasa teras-cincin. Walau bagaimanapun, taburan liang dan mekanisme perencatannya di bawah superposisi ayunan dan laser ARM belum dikaji. Dalam kertas kerja ini, teknologi kimpalan berayun laser ARM baharu telah diguna pakai untuk mengurangkan keliangan kimpalan, mendapatkan kedalaman penembusan yang lebih tinggi dan kualiti kimpalan yang lebih baik. Satu kajian komprehensif mengenai taburan tenaga laser, tingkah laku dinamik kolam lebur, dan mikrostruktur di bawah frekuensi dan amplitud ayunan yang berbeza telah dijalankan.
3. Objektif dan Prosedur Eksperimen
Teknologi kimpalan berayun laser bulat telah digunakan untuk mengimpal aloi aluminium. Bahan asas (BM) ialah aloi aluminium 5083-O dengan dimensi 300mm × 100mm × 5mm (panjang × lebar × ketebalan), dan komposisi kimianya ditunjukkan dalam jadual. Sebelum mengimpal, sampel digilap untuk menanggalkan filem oksida permukaan, kemudian dibersihkan dengan aseton dalam tab mandi ultrasonik selama 15 minit untuk menanggalkan minyak permukaan.sistem kimpalan laserterutamanya terdiri daripada robot Kuka, laser cakera TruDisk 8001 dan pengimbas galvanometer PFO 3D. Laser cakera TruDisk 8001 digunakan sebagai sumber laser mod cincin boleh laras, dengan nisbah gentian teras/cincin 100/400 μm dan kuasa output maksimum 8 kW (panjang gelombang 1030 nm, parameter kualiti pancaran 4.0 mm·rad). Pancaran laser terdiri daripada bahagian teras dan bahagian cincin, di mana laser di bahagian teras tengah menghasilkan lubang kunci (60% daripada tenaga laser), dan laser di bahagian cincin memastikan taburan suhu yang baik (40% daripada tenaga laser), seperti yang ditunjukkan dalam Rajah (b). Panjang fokus kolimator dan kanta pemfokusan masing-masing ialah 138 mm dan 450 mm. Semasa proses kimpalan, kamera berkelajuan tinggi Phantom V1840 dan sumber cahaya frekuensi tinggi Cavilux telah digunakan untuk memantau proses kimpalan dalam masa nyata, dengan kelajuan penggambaran 5000 fps dan masa pendedahan 1 μs. Dalam kajian ini, trajektori ayunan pancaran bulat, laluan pergerakan laser dan halaju seketika ditakrifkan seperti yang ditunjukkan dalam rajah.
4 Keputusan dan Perbincangan
4.1 Ciri-ciri Morfologi Kimpalan Morfologi permukaan kimpalan di bawah mod ayunan laser yang berbeza ditunjukkan dalam rajah. Keputusan menunjukkan bahawa permukaan kimpalan kimpalan garis lurus konvensional adalah kasar (kekasaran 78.01 μm), dengan kesinambungan riak kimpalan yang lemah dan penyebaran kimpalan yang tidak mencukupi. Pembentukan kimpalan yang tidak mencukupi, percikan yang teruk, dan potongan bawah juga diperhatikan. Dengan peningkatan amplitud dan frekuensi ayunan, permukaan kimpalan menunjukkan sisik ikan yang padat dan seragam. Kekasaran permukaan kimpalan dengan amplitud ayunan 0.5 mm, 1 mm, dan 2 mm masing-masing ialah 80.71 μm, 49.63 μm, dan 31.12 μm. Tiada penyelewengan atau penonjolan yang disebabkan oleh percikan. Keputusan menunjukkan bahawa frekuensi ayunan yang lebih tinggi membawa kepada aliran kolam lebur yang lebih teratur, kesan pengadukan pancaran laser yang lebih kuat, dan permukaan kimpalan yang lebih ideal. Pada asasnya, bentuk kimpalan laser berkait rapat dengan pergerakan pancaran laser. Semasa kimpalan, perubahan dalam amplitud dan frekuensi ayunan mengubah kelajuan kimpalan, sekali gus mempengaruhi ketumpatan tenaga linear dan jumlah input haba laser. Morfologi keratan rentas kimpalan berbentuk "goblet", yang terdiri daripada dua bahagian: bahagian bawah ialah "batang", dan bahagian atas ialah "mangkuk". Kedalaman penembusan dan "batang" masing-masing ditakrifkan sebagai H1 dan H2, dan lebar kimpalan ("mangkuk") dan "batang" masing-masing ditakrifkan sebagai W1 dan W2. Kedua-dua lebar kimpalan W1 dan W2 meningkat serentak dengan peningkatan amplitud ayunan, dan morfologi kimpalan secara beransur-ansur berubah daripada bentuk "goblet" kepada bentuk "bulan sabit". Ketumpatan tenaga laser maksimum muncul pada pertindihan trajektori. Membandingkan Rajah (b, d) dan (c, e), dapat dilihat bahawa peningkatan frekuensi pengimbasan akan meningkatkan kawasan pertindihan trajektori di sepanjang laluan pengimbasan, menjadikan pengagihan tenaga laser lebih seragam. Walau bagaimanapun, pengurangan ketumpatan tenaga maksimum akan menyebabkan penurunan kedalaman kimpalan.
4.2 Tingkah Laku Kolam Lebur Untuk menjelaskan pengaruh laluan pengimbasan terhadap tingkah laku kolam lebur, sistem kamera berkelajuan tinggi telah digunakan untuk memerhatikan proses evolusi kolam lebur dan lubang kunci. Rajah (a) menunjukkan proses evolusi kolam lebur di bawah laluan garis lurus. Rajah (bf) ialah gambar rajah evolusi kolam lebur di bawah parameter ayunan yang berbeza. Dengan peningkatan frekuensi dan amplitud ayunan, bahagian belakang kolam lebur menjadi lebih bulat disebabkan oleh pengembangan lebar kolam lebur. Apabila panjang kolam lebur meningkat, turun naik permukaan yang disebabkan oleh letusan lubang kunci berkurangan semasa perambatan ke belakang. Oleh itu, logam cecair lebur memejal dengan lancar dan teratur di hujung belakang kolam lebur, membentuk sisik ikan kimpalan yang seragam dan padat. Rajah menunjukkan perubahan kawasan bukaan lubang kunci semasa kimpalan laser, yang diperoleh daripada imej fotografi berkelajuan tinggi kolam lebur. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah (a), semasa kimpalan garis lurus, saiz bukaan lubang kunci menunjukkan turun naik yang jelas. Beberapa contoh penutupan lubang kunci (0 mm²) telah diperhatikan, dengan purata luas bukaan lubang kunci sebanyak 0.47 mm². Peningkatan amplitud ayunan juga boleh mengurangkan turun naik dan meningkatkan kestabilan. Ini kerana dalam kimpalan berayun, bahagian tenaga yang lebih besar diagihkan kepada kedua-dua belah pihak. Oleh itu, saluran keluar pada lubang kunci mengembang, dan amplitud ayunan meningkat, sekali gus meningkatkan luas bukaan. Peningkatan amplitud mengembangkan julat pengadukan pancaran laser, yang membawa kepada pengembangan jejari pergerakan berkala lubang kunci. Disebabkan oleh kelikatan logam cair dan tekanan hidrodinamik yang bertindak berhampiran dinding lubang kunci, pergerakan arus pusar berlaku dalam kolam cair kimpalan berhampiran bukaan lubang kunci. Pengembangan kawasan bukaan lubang kunci meningkatkan kestabilannya, mengelakkan pembentukan buih, dan dengan itu menghalang keliangan dengan ketara.
4.3 Mikrostruktur Rajah menunjukkan morfologi EBSD bagi keratan rentas kimpalan di bawah frekuensi dan amplitud ayunan yang berbeza. Berhampiran garis pelakuran kimpalan laser, butiran dendrit kolumnar tumbuh ke arah pusat kimpalan. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah (a), antara kawasan "mangkuk" dan "batang", perbezaan ketara dalam taburan butiran kolumnar dapat diperhatikan. Butiran kolumnar diagihkan dalam bentuk U di sepanjang dinding "mangkuk", manakala di kawasan "batang", butiran kolumnar diagihkan dalam bentuk U di sepanjang garis pelakuran. Semasa pemejalan kimpalan, butiran yang sebahagiannya pemejalan di zon pelakuran bertindak sebagai tapak nukleasi untuk bahagian hadapan pemejalan dan secara pilihan tumbuh serenjang dengan sempadan kolam lebur di sepanjang arah kecerunan suhu maksimum. Fenomena ini berlaku kerana ketumpatan kuasa laser yang tinggi menyebabkan terlalu panas di dalam kolam kimpalan. Kecerunan haba G yang lebih tinggi dan kadar pertumbuhan sederhana R menjadikan G/R lebih besar daripada ambang untuk transformasi mikrostruktur, mengakibatkan pembentukan butiran kolumnar. Kecerunan suhu G di pusat kimpalan berkurangan, menyebabkan nisbah G/R secara beransur-ansur jatuh di bawah ambang transformasi mikrostruktur, beralih kepada butiran setara. Butiran setara terletak di bahagian tengah "mangkuk" dan "batang". Oleh kerana "batang" kimpalan sempit dan dekat dengan bahan asas, ia memejal sepenuhnya sebelum kawasan "mangkuk" semasa penyejukan. Bahagian "batang" yang dipejal bertindak sebagai tapak nukleasi di bahagian bawah "mangkuk", menggalakkan pertumbuhan butiran kolumnar ke atas. Rajah menunjukkan proses kimpalan garis lurus dan berayun. Ditunjukkan bahawa perubahan berterusan kedudukan pancaran laser dalam kimpalan berayun laser akan meningkatkan panjang kolam lebur pertengahan, mencairkan semula logam yang telah dipejal, mengakibatkan penurunan kadar pertumbuhan butiran r. Ini boleh menyebabkan penurunan G/R di zon butiran setara yang lebih rendah.
4.4 Taburan Keliangan Tomografi sinar-X tiga dimensi telah digunakan untuk menjalankan pemeriksaan komprehensif kimpalan, bagi mendapatkan taburan tiga dimensi liang dalam kimpalan, seperti yang ditunjukkan dalam rajah. Keliangan dikira sebagai jumlah isipadu liang dibahagikan dengan jumlah isipadu kimpalan. Dengan membandingkan morfologi liang dan taburan kimpalan berayun laser garis lurus dan kimpalan berayun laser bulat, didapati bahawa kimpalan berayun laser garis lurus mengandungi lebih banyak liang isipadu besar, dengan keliangan sebanyak 2.49%, yang jauh lebih tinggi daripada kimpalan bulat.kimpalan berayun laserDengan membandingkan Rajah (b, c) dan (d, e), dapat dilihat bahawa peningkatan frekuensi ayunan membantu menghalang pembentukan liang. Membandingkan Rajah (b, d) dan (c, e), dapat dilihat bahawa peningkatan amplitud ayunan juga memainkan peranan penting dalam menghalang pembentukan liang. Apabila amplitud ayunan ditingkatkan lagi kepada 2 mm (Rajah (f)), keliangan dikurangkan lagi kepada 0.22%, hanya meninggalkan liang isipadu kecil dan kecil. Rajah tersebut menggambarkan taburan kawasan liang pada jarak yang berbeza dari garis tengah kimpalan, mewakili keliangan berdasarkan saiz kawasan liang. Untuk kimpalan garis lurus, kawasan liang diagihkan secara simetri di sepanjang garis tengah kimpalan, dan secara beransur-ansur berkurangan dengan peningkatan jarak dari garis tengah kimpalan. Keputusan menunjukkan bahawa liang yang disebabkan oleh lubang kunci terutamanya tertumpu di belakang 后壁 kolam lebur di garis tengah kimpalan. Untuk kimpalan ayunan laser, simetri taburan liang menjadi lebih lemah. Rajah menunjukkan kawasan liang pada jarak yang berbeza dari permukaan kimpalan, di mana garis merah mewakili sempadan antara kawasan "mangkuk" dan "batang". Dalam kes liang besar yang dominan (Rajah (ac)), kawasan liang di atas sempadan menyumbang lebih daripada 85%. Ini kerana peralihan kontur pada sempadan itudinal yang panjang lebih cenderung untuk memerangkap gelembung dalam kolam kimpalan, dan gelembung yang terperangkap cenderung untuk berhijrah ke atas di bawah pengaruh daya apungan. Dalam kes liang kecil yang dominan (Rajah (df)), liang tertumpu di kawasan tersebut dalam lingkungan 0.5 mm di bawah garis sempadan. Masa penyejukan yang singkat dan anjakan ke atas yang kecil mungkin menjadi sebab bagi fenomena ini.
5 Kesimpulan
(1) Mod ayunan laser yang berbeza mempunyai kesan yang jelas pada permukaan kimpalan. Amplitud dan frekuensi yang lebih tinggi boleh meningkatkan kualiti permukaan, manakala parameter ayunan yang terlalu besar boleh meningkatkan kekasaran dan menyebabkan kecacatan cekung.
(2) Bentuk kimpalan terutamanya ditentukan oleh parameter ayunan laser, yang mempengaruhi kelajuan kimpalan, pengagihan tenaga dan jumlah input haba. Dengan peningkatan amplitud ayunan, morfologi kimpalan berubah daripada "goblet" kepada "bulan sabit", dan nisbah aspek berkurangan.
(3) Dengan peningkatan amplitud dan frekuensi ayunan, kolam lebur menjadi lebih lebar dan bahagian belakang menjadi bulat. Kesan ayunan meningkatkan panjang kolam lebur, yang bermanfaat untuk pelepasan gelembung dan pemejalan seragam. Semasa kimpalan garis lurus, kawasan pembukaan lubang kunci berubah-ubah; secara relatifnya, turun naik ini dapat dikurangkan, meningkatkan kestabilan kimpalan.
(4) Peningkatan amplitud dan frekuensi ayunan mengurangkan kecerunan terma dan kadar pertumbuhan, yang bermanfaat untuk pembentukan saiz butiran yang besar. Walau bagaimanapun, kesan pengadukan laser kondusif untuk menapis saiz butiran dan meningkatkan kekuatan tekstur. Di bawah parameter laser yang berbeza, kekerasan kimpalan kekal agak stabil, sedikit lebih rendah daripada bahan asas, yang mungkin disebabkan oleh kehilangan penyejatan magnesium.
(5) Tomografi sinar-X tiga dimensi menunjukkan bahawa kimpalan garis lurus mempunyai keliangan yang lebih tinggi (2.49%) dan isipadu liang yang lebih besar daripada kimpalan berayun. Peningkatan parameter ayunan boleh mengurangkan keliangan dengan ketara, malah mencapai 0.22% apabila amplitudnya ialah 2 mm. Taburan kawasan liang beralih dengan ayunan: liang besar teragregat di belakang kolam lebur, dan liang kecil mempunyai simetri yang lebih baik. Liang besar terutamanya diagihkan di atas sempadan antara kawasan "mangkuk" dan "batang", manakala liang kecil tertumpu di bawah sempadan.
Masa siaran: 14 Ogos 2025
