Lazer Qaynağı – Tənzimlənən Halqa Rejiminə (ARM) Salınım Parametrlərinin Təsiri

Lazer Qaynağı – Tənzimlənən Halqa Rejiminə (ARM) Salınım Parametrlərinin Təsiri

1. Xülasə

Bu tədqiqat, salınım amplitudasının və tezliyinin səth keyfiyyətinə, makro və mikrostrukturlara, eləcə də tənzimlənən halqa rejiminin (ARM) məsaməliliyinə təsirini araşdırır.lazerlə salınan qaynaqA5083 alüminium ərintisi lövhələri. Nəticələr göstərir ki, rəqs amplitudası və tezliyinin artması ilə qaynaq səthinin keyfiyyəti yaxşılaşır. Amplituda artdıqca, qaynaq kəsiyi "qədəh" formasından "aypara" formasına keçir. Mikrostruktur təhlili göstərir ki, qarışdırma effekti ilə soyutma sürətinin azalması arasındakı rəqabət səbəbindən rəqs amplitudası və tezliyinin artması ilə qaynağın dənə ölçüsü azalmır. Qaynaq məsaməliliyi rəqs parametrlərinin artması ilə azalır və amplituda 2 mm olduqda 0,22% son məsaməliliyə çatır. Üçölçülü rentgen tomoqrafiyası rəqsin məsamə paylanmasına təsirini daha da təsdiqləyir: böyük məsamələr əridilmiş hovuzun arxasında toplanmağa meyllidir, kiçik məsamələr isə daha yaxşı simmetriya göstərir. Bu tədqiqat A5083 alüminium ərintisi tətbiqlərində yüksək keyfiyyətli lazer qaynağı əldə etmək üçün rəqs parametrlərini optimallaşdırmaq üçün dəyərli məlumatlar verir.

2 Sənaye haqqında məlumat

Alüminium ərintiləri yüngül çəki, yüksək xüsusi möhkəmlik və yaxşı korroziyaya davamlılıq üstünlüklərinə malikdir və avtomobil, yüksək sürətli dəmir yolu, aerokosmik və digər sənaye sahələrində geniş istifadə olunur. Lazer qaynağı yüksək səmərəlilik, kiçik istilik təsir zonası və kiçik qaynaq deformasiyası üstünlüklərinə malikdir. Buna görə də,Lazer qaynağı qalın lövhələr üçün uyğun iqtisadi bir qaynaq üsuludur, bu da qaynaq keçidlərinin sayını xeyli azalda bilər. Məsaməlilik alüminium ərintilərinin lazer qaynağında əhəmiyyətli bir qüsurdur və qaynaqlanmış birləşmələrin mexaniki xüsusiyyətlərinə ciddi təsir göstərir. Buna görə də, qoruyucu qazın optimallaşdırılması, ikili şüa texnologiyasının tətbiqi, modulyasiya edilmiş lazer güc sistemlərindən istifadə və salınımlı şüa metodlarının tətbiqi daxil olmaqla, məsaməliliyin əmələ gəlməsini azaltmaq və aradan qaldırmaq üçün geniş tədqiqatlar aparılmışdır. Lazer salınımlı qaynaq texnologiyası lazer qaynağının üstünlüklərini öz xüsusiyyətləri ilə birləşdirmək qabiliyyəti ilə seçilir. Lazer salınımlı qaynaqdan istifadə yalnız məsaməliliyi azaltmaqla yanaşı, həm də qaynağın mikrostrukturunu yaxşılaşdıra və qaynaq keyfiyyətini artıra bilər. Çox sayda tədqiqat əsasən lazer salınımlı qaynağın müxtəlif aspektlərinə, o cümlədən məsaməliliyin azaldılmasına, enerji paylanmasının optimallaşdırılmasına, dənəvər strukturunun təkmilləşdirilməsinə və ərimiş hovuzda ərimə axınının xarakteristikasına yönəlmişdir. Lazer enerjisinin paylanması lazer qaynağının temperatur paylanmasında və nüfuzetmə dərinliyində mühüm rol oynayır. Müəyyən bir salınım amplitudasında, tarama tezliyinin artması ilə qaynaq prosesi dərin nüfuzetmə qaynağından qeyri-sabit qaynağa və nəhayət, istilik keçiriciliyi qaynağına keçir. Nəticələr göstərir ki, skanlama amplitudasının və tezliyinin artırılması məsaməliliyi azalda bilər, eyni zamanda qaynağın nüfuzetmə dərinliyini əhəmiyyətli dərəcədə azalda bilər və bununla da qaynağın mexaniki xüsusiyyətlərini azaldır. Son illərdə açar dəliyini sabitləşdirmək və qaynaq keyfiyyətini yaxşılaşdırmaq məqsədi ilə lazer enerjisini yüksək enerji sıxlığına malik nüvəyə və aşağı enerji sıxlığına malik halqaya bölən tənzimlənən halqa rejimli (ARM) lazer hazırlanmışdır. Tədqiqatçılar müxtəlif nüvə/halqa güc nisbətləri və salınım genişlikləri altında 6xxx yüksək möhkəmlikli alüminium ərintilərini qaynaq etmək üçün ARM lazer salınımlı qaynaqdan istifadə etmişlər. Təcrübə nəticələri göstərir ki, qaynaq həndəsəsinə təsir edən əsas amil nüvə-halqa güc nisbəti deyil, salınım genişliyidir. Lakin, salınım və ARM lazerinin üst-üstə düşməsi altında məsamə paylanması və onun inhibə mexanizmi öyrənilməyib. Bu məqalədə qaynağın məsaməliliyini azaltmaq, daha yüksək nüfuzetmə dərinliyi və daha yaxşı qaynaq keyfiyyəti əldə etmək üçün yeni ARM lazer salınımlı qaynaq texnologiyası tətbiq olunur. Müxtəlif salınım tezlikləri və amplitudaları altında lazer enerjisinin paylanması, əridilmiş hovuz dinamik davranışı və mikrostruktur üzrə hərtərəfli tədqiqat aparılır.

3. Eksperimental Məqsədlər və Prosedurlar

Alüminium ərintilərini qaynaq etmək üçün dairəvi lazerlə salınan qaynaq texnologiyasından istifadə edilmişdir. Əsas material (BM) ölçüləri 300 mm × 100 mm × 5 mm (uzunluq × en × qalınlıq) olan 5083-O alüminium ərintisi idi və kimyəvi tərkibi cədvəldə göstərilmişdir. Qaynaqdan əvvəl nümunələr səth oksid təbəqəsini çıxarmaq üçün cilalanmış, sonra səth yağını çıxarmaq üçün ultrasəs vannasında 15 dəqiqə asetonla təmizlənmişdir.lazer qaynaq sistemiəsasən Kuka robotundan, TruDisk 8001 disk lazerindən və 3D PFO qalvanometr skanerindən ibarətdir. Tənzimlənən halqa rejimli lazer mənbəyi kimi 100/400 μm nüvə/halqa lif nisbəti və 8 kVt maksimum çıxış gücü (dalğa uzunluğu 1030 nm, şüa keyfiyyət parametri 4.0 mm·rad) olan TruDisk 8001 disk lazerindən istifadə edilmişdir. Lazer şüası əsas hissədən və halqa hissəsindən ibarətdir, burada mərkəzi nüvə hissəsindəki lazer açar dəliyi (lazer enerjisinin 60%-i) yaradır və halqa hissəsindəki lazer Şəkil (b)-də göstərildiyi kimi yaxşı temperatur paylanmasını (lazer enerjisinin 40%-i) təmin edir. Kollimator və fokuslayıcı linzanın fokus məsafələri müvafiq olaraq 138 mm və 450 mm-dir. Qaynaq prosesi zamanı, qaynaq prosesini real vaxt rejimində izləmək üçün Phantom V1840 yüksək sürətli kamera və Cavilux yüksək tezlikli işıq mənbəyi istifadə edilmişdir. Çəkiliş sürəti 5000 fps və ekspozisiya müddəti 1 μs olmuşdur. Bu tədqiqatda dairəvi şüa rəqsi trayektoriyası, lazer hərəkət yolu və ani sürət şəkildə göstərildiyi kimi təyin edilmişdir.

4 Nəticələr və Müzakirə

4.1 Qaynaq Morfologiyası Xüsusiyyətləri Şəkildə müxtəlif lazer rəqs rejimləri altında qaynaq səthinin morfologiyaları göstərilib. Nəticələr göstərir ki, ənənəvi düz xətt qaynağının qaynaq səthi kobuddur (kəskinlik 78.01 μm), qaynaq dalğalarının zəif davamlılığı və qaynaq yayılması qeyri-kafidir. Qeyri-kafi qaynaq əmələ gəlməsi, güclü sıçrama və alt kəsik də müşahidə edilmişdir. Rəqs amplitudası və tezliyinin artması ilə qaynaq səthində sıx və vahid balıq pulcuqları mövcuddur. Rəqs amplitudaları 0.5 mm, 1 mm və 2 mm olan qaynaqların səth kobudluğu müvafiq olaraq 80.71 μm, 49.63 μm və 31.12 μm-dir. Sıçramanın yaratdığı heç bir pozuntu və ya çıxıntı yoxdur. Nəticələr göstərir ki, daha yüksək rəqs tezliyi daha müntəzəm ərimiş hovuz axınına, lazer şüasının daha güclü qarışdırma təsirinə və daha ideal qaynaq səthinə gətirib çıxarır. Əsasən, lazer qaynağının forması lazer şüasının hərəkəti ilə səbəb-nəticə əlaqəsidir. Qaynaq zamanı salınım amplitudası və tezliyindəki dəyişikliklər qaynaq sürətini dəyişdirir və bununla da lazerin xətti enerji sıxlığına və ümumi istilik girişinə təsir göstərir. Qaynağın en kəsiyi morfologiyası iki hissədən ibarət olan "qədəh" formasındadır: aşağı hissə "gövdə", yuxarı hissə isə "qab"dır. Nüfuz dərinliyi və "gövdə" müvafiq olaraq H1 və H2, qaynağın ("qab") və "gövdə" enləri isə müvafiq olaraq W1 və W2 kimi müəyyən edilir. Hər iki qaynaq eni W1 və W2 salınım amplitudasının artması ilə sinxron şəkildə artır və qaynaq morfologiyası tədricən "qədəh" formasından "aypara" formasına keçir. Maksimum lazer enerji sıxlığı trayektoriya üst-üstə düşməsində görünür. Şəkilləri (b, d) və (c, e) müqayisə etdikdə, skanlama tezliyinin artmasının skanlama yolu boyunca trayektoriya üst-üstə düşmə sahəsini artıracağını və lazer enerjisinin paylanmasını daha vahid edəcəyini görmək olar. Lakin, maksimum enerji sıxlığının azalması qaynaq dərinliyinin azalmasına səbəb olacaq.

4.2 Əridilmiş Hovuzun Davranışı Əridilmiş hovuzun davranışına tarama yolunun təsirini aydınlaşdırmaq üçün əridilmiş hovuzun və açar dəliyinin təkamül prosesini müşahidə etmək üçün yüksək sürətli kamera sistemi istifadə edilmişdir. Şəkil (a) düz xəttli yol altında əridilmiş hovuzun təkamül prosesini göstərir. Şəkillər (bf) müxtəlif salınım parametrləri altında əridilmiş hovuzun təkamül diaqramlarıdır. Salınım tezliyi və amplitudasının artması ilə əridilmiş hovuzun arxa hissəsi əridilmiş hovuzun eninin genişlənməsi səbəbindən daha yuvarlaqlaşır. Əridilmiş hovuzun uzunluğu artdıqca, açar dəliyinin püskürməsinin yaratdığı səth dalğalanması geri yayılma zamanı azalır. Buna görə də, əridilmiş maye metal əridilmiş hovuzun arxa ucunda hamar və müntəzəm olaraq bərkiyir, vahid və sıx qaynaq balıq pulcuqları əmələ gətirir. Şəkildə əridilmiş hovuzun yüksək sürətli fotoqrafiya görüntülərindən əldə edilən lazer qaynağı zamanı açar dəliyinin açılış sahəsinin dəyişməsi göstərilir. Şəkil (a)-da göstərildiyi kimi, düz xəttli qaynaq zamanı açar dəliyinin açılış ölçüsü aşkar dalğalanmalar göstərir. Açar dəliyinin bağlanmasının bir neçə nümunəsi (0 mm²) müşahidə edilmişdir, orta açar dəliyinin açılış sahəsi 0,47 mm² idi. Salınım amplitudasının artması həmçinin dalğalanmaları azalda və sabitliyi artıra bilər. Bunun səbəbi, salınımlı qaynaqda enerjinin daha böyük bir hissəsi hər iki tərəfə paylanır. Buna görə də, açar dəliyindəki çıxış genişlənir və salınım amplitudası artır və bununla da açılış sahəsi artır. Amplitudanın artması lazer şüasının qarışdırma diapazonunu genişləndirir və açar dəliyinin dövri hərəkət radiusunun genişlənməsinə səbəb olur. Əridilmiş metalın özlülüyü və açar dəliyinin divarına yaxın təsir edən hidrodinamik təzyiq səbəbindən açar dəliyinin açılışının yaxınlığında qaynaq əridilmiş hovuzunda burulğan cərəyanı hərəkəti baş verir. Açar dəliyinin açılış sahəsinin genişlənməsi onun sabitliyini artırır, qabarcıqların əmələ gəlməsinin qarşısını alır və beləliklə, məsaməliliyi əhəmiyyətli dərəcədə azaldır.

4.3 Mikrostruktur Şəkildə müxtəlif salınım tezlikləri və amplitudalar altında qaynaq kəsişməsinin EBSD morfologiyası göstərilir. Lazer qaynağının ərimə xəttinin yaxınlığında sütunlu dendrit dənələri qaynaq mərkəzinə doğru böyüyür. Şəkil (a)-da göstərildiyi kimi, "qab" və "gövdə" bölgələri arasında sütunlu dənələrin paylanmasında aşkar fərqlər müşahidə edilə bilər. Sütunlu dənəciklər "qab" divarı boyunca U şəklində, "gövdə" bölgəsində isə sütunlu dənəciklər ərimə xətti boyunca U şəklində paylanır. Qaynağın bərkiməsi zamanı ərimə zonasındakı qismən bərkimiş dənəciklər bərkimə cəbhəsi üçün nüvələşmə yerləri kimi çıxış edir və üstünlük verilən olaraq maksimum temperatur qradiyenti istiqamətində ərimiş hovuz sərhədinə dik olaraq böyüyür. Bu fenomen lazerin yüksək güc sıxlığının qaynaq hovuzunun içərisində həddindən artıq istiləşməyə səbəb olması səbəbindən baş verir. Daha yüksək istilik qradiyenti G və orta böyümə sürəti R G/R-ni mikrostruktur transformasiyası üçün həddən artıq edir və nəticədə sütunlu dənəciklərin əmələ gəlməsi ilə nəticələnir. Qaynaq mərkəzindəki temperatur qradiyenti G azalır və bu da G/R nisbətinin tədricən mikrostruktur transformasiya həddindən aşağı düşməsinə və bərabəroxlu dənəciklərə keçməsinə səbəb olur. Bərabəroxlu dənəciklər həm "qabın"ın, həm də "gövdənin" mərkəzi hissələrində yerləşir. Qaynağın "gövdəsi" dar və əsas materiala yaxın olduğundan, soyuma zamanı "qab" bölgəsindən əvvəl tamamilə bərkiyir. Bərkləşmiş "gövdə" hissəsi "qabın" altındakı nüvələşmə yeri kimi çıxış edir və sütunlu dənəciklərin yuxarıya doğru böyüməsini təşviq edir. Şəkildə düz xəttli və salınan qaynaq prosesləri göstərilir. Lazer salınan qaynaqda lazer şüası mövqeyinin davamlı dəyişməsinin ara əridilmiş hovuzun uzunluğunu artıracağı, artıq bərkimiş metalın yenidən əridəcəyi və nəticədə dənəciklərin böyümə sürətinin r-nin azalacağı göstərilir. Bu, aşağı bərabəroxlu dənəcik zonasında G/R-nin azalmasına səbəb ola bilər.

4.4 Məsaməlilik Paylanması Qaynağın hərtərəfli müayinəsini aparmaq və şəkildə göstərildiyi kimi, qaynaqdakı məsamələrin üçölçülü paylanmasını əldə etmək üçün üçölçülü rentgen tomoqrafiyasından istifadə edilmişdir. Məsaməlilik məsamələrin ümumi həcminin qaynağın ümumi həcminə bölünməsi kimi hesablanır. Düz xəttli lazer salınımlı qaynaqların və dairəvi lazer salınımlı qaynaqların məsamə morfologiyasını və paylanmasını müqayisə etməklə, düz xəttli lazer salınımlı qaynaqların daha böyük həcmli məsamələrə malik olduğu və məsaməliliyinin 2,49% olduğu məlum olmuşdur ki, bu da dairəvi qaynaqlardan xeyli yüksəkdir.lazerlə salınan qaynaqlarŞəkilləri (b, c) və (d, e) müqayisə etdikdə, rəqs tezliyinin artırılmasının məsamələrin əmələ gəlməsinin qarşısını almağa kömək etdiyini görmək olar. Şəkilləri (b, d) və (c, e) müqayisə etdikdə, rəqs amplitudasının artmasının da məsamələrin əmələ gəlməsinin qarşısını almaqda mühüm rol oynadığı görünür. Rəqəmsal rəqs amplitudası daha da 2 mm-ə qədər artırıldıqda (Şəkil (f)), məsaməlilik daha da 0,22%-ə qədər azalır və yalnız kiçik həcmli və kiçik məsamələr qalır. Şəkildə qaynaq mərkəz xəttindən müxtəlif məsafələrdə məsamə sahəsinin paylanması təsvir olunur və məsamə sahəsinin ölçüsünə əsaslanan məsaməliyi təmsil edir. Düz xəttli qaynaq üçün məsamə sahəsi qaynaq mərkəz xətti boyunca simmetrik olaraq paylanır və qaynaq mərkəz xəttindən məsafənin artması ilə tədricən azalır. Nəticələr göstərir ki, açar dəliyinin yaratdığı məsamələr əsasən qaynaq mərkəz xəttində əridilmiş hovuzun 后壁 arxasında cəmləşir. Lazerlə rəqs edən qaynaq üçün məsamə paylanmasının simmetriyası zəifləyir. Şəkildə qaynaq səthindən müxtəlif məsafələrdə məsamə sahəsi göstərilir, burada qırmızı xətt "qab" və "gövdə" bölgələri arasındakı sərhədi təmsil edir. Dominant böyük məsamələr halında (Şəkillər (ac)), sərhədin üstündəki məsamə sahəsi 85%-dən çoxdur. Bunun səbəbi, uzun itidinal sərhəddəki kontur keçidinin qaynaq hovuzundakı qabarcıqları tutma ehtimalının daha yüksək olması və tutulan qabarcıqların üzmə qüvvəsinin təsiri altında yuxarıya doğru miqrasiya etməsidir. Dominant kiçik məsamələr halında (Şəkillər (df)), məsamələr sərhəd xəttindən 0,5 mm aşağıda yerləşən ərazidə cəmləşmişdir. Qısa soyutma müddəti və kiçik yuxarıya doğru yerdəyişmə bu fenomenin səbəbləri ola bilər.

5 Nəticələr

(1) Müxtəlif lazer rəqs rejimləri qaynaq səthinə açıq təsir göstərir. Daha yüksək amplituda və tezlik səthin keyfiyyətini yaxşılaşdıra bilər, həddindən artıq böyük rəqs parametrləri isə pürüzlülüyü artıra və çökük qüsurlara səbəb ola bilər.

(2) Qaynaq forması əsasən lazer rəqs parametrləri ilə müəyyən edilir ki, bu da qaynaq sürətinə, enerji paylanmasına və ümumi istilik girişinə təsir göstərir. Rəqs amplitudasının artması ilə qaynaq morfologiyası "qədəh"dən "aypara"ya dəyişir və aspekt nisbəti azalır.

(3) Salınım amplitudası və tezliyinin artması ilə əridilmiş hovuz daha genişlənir və arxa hissə yuvarlaqlaşır. Salınım effekti əridilmiş hovuzun uzunluğunu artırır ki, bu da qabarcıqların qaçması və vahid bərkimə üçün faydalıdır. Düz xətt qaynağı zamanı açar dəliyinin açılma sahəsi dəyişir; nisbətən desək, bu dalğalanma azaldıla bilər və qaynaq sabitliyini artırır.

(4) Artan salınım amplitudası və tezliyi həm istilik qradiyentini, həm də böyümə sürətini azaldır ki, bu da böyük dənə ölçülərinin əmələ gəlməsi üçün faydalıdır. Bununla belə, lazer qarışdırma effekti dənə ölçüsünün təmizlənməsinə və tekstura möhkəmliyinin yaxşılaşdırılmasına kömək edir. Müxtəlif lazer parametrləri altında qaynaq sərtliyi nisbətən sabit qalır, əsas materialın sərtliyindən bir qədər aşağıdır ki, bu da maqneziumun buxarlanma itkisi ilə əlaqəli ola bilər.

(5) Üçölçülü rentgen tomoqrafiyası göstərir ki, düz xəttli qaynaq salınan qaynaqla müqayisədə daha yüksək məsaməliliyə (2,49%) və daha böyük məsamə həcminə malikdir. Salınım parametrlərinin artması məsaməliyi əhəmiyyətli dərəcədə azalda bilər, hətta amplituda 2 mm olduqda 0,22%-ə çatır. Məsamə sahəsinin paylanması salınımla dəyişir: böyük məsamələr ərimiş hovuzun arxasında toplanır və kiçik məsamələr daha yaxşı simmetriyaya malikdir. Böyük məsamələr əsasən "qab" və "gövdə" bölgələri arasındakı sərhədin yuxarısında, kiçik məsamələr isə sərhədin aşağısında cəmləşmişdir.