Lazer Kaynağı – Salınım Parametrelerinin Ayarlanabilir Halka Modu (ARM) Lazer Kaynağında Alüminyum Alaşımlarının Etkisi

Lazer Kaynağı – Salınım Parametrelerinin Ayarlanabilir Halka Modu (ARM) Lazer Kaynağında Alüminyum Alaşımlarının Etkisi

1. Özet

Bu çalışma, salınım genliği ve frekansının ayarlanabilir halka modlu (ARM) yüzey kalitesi, makro ve mikro yapıları ve gözenekliliği üzerindeki etkilerini araştırmaktadır.lazer salınımlı kaynaklıA5083 alüminyum alaşımlı levhalar. Sonuçlar, salınım genliği ve frekansının artmasıyla kaynak yüzey kalitesinin iyileştiğini göstermektedir. Genlik arttıkça, kaynak kesiti "kadeh" şeklinden "hilal" şekline dönüşmektedir. Mikroyapı analizi, karıştırma etkisi ve soğutma hızındaki azalma arasındaki rekabet nedeniyle, kaynak tane boyutunun salınım genliği ve frekansının artmasıyla azalmadığını göstermektedir. Kaynak gözenekliliği, salınım parametrelerinin artmasıyla azalmakta ve genlik 2 mm olduğunda nihai gözeneklilik %0,22'ye ulaşmaktadır. Üç boyutlu X-ışını tomografisi, salınımın gözenek dağılımı üzerindeki etkisini daha da doğrulamaktadır: büyük gözenekler erimiş havuzun arkasında toplanma eğilimindeyken, küçük gözenekler daha iyi simetri göstermektedir. Bu araştırma, A5083 alüminyum alaşımı uygulamalarında yüksek kaliteli lazer kaynağı elde etmek için salınım parametrelerinin optimize edilmesi konusunda değerli bilgiler sağlamaktadır.

2 Sektör Arka Planı

Alüminyum alaşımları, hafiflik, yüksek özgül mukavemet ve iyi korozyon direnci avantajlarına sahip olup otomotiv, yüksek hızlı tren, havacılık ve diğer sektörlerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Lazer kaynağı ise yüksek verimlilik, küçük ısıdan etkilenen bölge ve küçük kaynak deformasyonu avantajlarına sahiptir. Bu nedenle,Lazer kaynağı, kalın levhalar için uygun, ekonomik bir kaynak yöntemidir.Bu yöntem, kaynak geçiş sayısını önemli ölçüde azaltabilir. Gözeneklilik, alüminyum alaşımlarının lazer kaynağında önemli bir kusurdur ve kaynaklı birleşimlerin mekanik özelliklerini ciddi şekilde etkiler. Bu nedenle, koruyucu gazın optimizasyonu, çift ışın teknolojisinin uygulanması, modüle edilmiş lazer güç sistemlerinin kullanılması ve salınımlı ışın yöntemlerinin benimsenmesi de dahil olmak üzere gözenek oluşumunu azaltmak ve ortadan kaldırmak için kapsamlı çalışmalar yapılmıştır. Lazer salınımlı kaynak teknolojisi, lazer kaynağının avantajlarını kendi özellikleriyle birleştirme yeteneğiyle öne çıkmaktadır. Lazer salınımlı kaynak kullanımı sadece gözenekliliği azaltmakla kalmaz, aynı zamanda kaynağın mikro yapısını iyileştirir ve kaynak kalitesini artırır. Çok sayıda çalışma, esas olarak gözenekliliğin azaltılması, enerji dağılımının optimizasyonu, tane yapısının inceltilmesi ve erimiş havuzdaki eriyik akışının karakterizasyonu da dahil olmak üzere lazer salınımlı kaynağın çeşitli yönlerine odaklanmıştır. Lazer enerjisinin dağılımı, lazer kaynağının sıcaklık dağılımı ve penetrasyon derinliğinde çok önemli bir rol oynar. Belirli bir salınım genliğinde, tarama frekansının artmasıyla kaynak işlemi derin penetrasyonlu kaynaktan kararsız kaynağa ve nihayetinde ısı iletimli kaynağa geçiş yapar. Sonuçlar, tarama genliğinin ve frekansının artmasının gözenekliliği azaltabileceğini, ancak aynı zamanda kaynak penetrasyon derinliğini önemli ölçüde azaltarak kaynağın mekanik özelliklerini düşürdüğünü göstermektedir. Son yıllarda, kaynak deliğini stabilize etmeyi ve kaynak kalitesini iyileştirmeyi amaçlayan, lazer enerjisini yüksek enerji yoğunluğuna sahip bir çekirdek ve düşük enerji yoğunluğuna sahip bir halkaya bölen ayarlanabilir halka modlu (ARM) bir lazer geliştirilmiştir. Araştırmacılar, farklı çekirdek/halka güç oranları ve salınım genişlikleri altında 6xxx yüksek mukavemetli alüminyum alaşımlarını kaynaklamak için ARM lazer salınımlı kaynak yöntemini kullanmışlardır. Deneysel sonuçlar, kaynak geometrisini etkileyen ana faktörün çekirdek-halka güç oranından ziyade salınım genişliği olduğunu göstermektedir. Bununla birlikte, salınım ve ARM lazerin süperpozisyonu altında gözenek dağılımı ve bunun engellenme mekanizması henüz incelenmemiştir. Bu çalışmada, kaynak gözenekliliğini azaltmak, daha yüksek nüfuz derinliği ve daha iyi kaynak kalitesi elde etmek için yeni bir ARM lazer salınımlı kaynak teknolojisi benimsenmiştir. Farklı salınım frekansları ve genlikleri altında lazer enerji dağılımı, erimiş havuzun dinamik davranışı ve mikroyapı üzerine kapsamlı bir çalışma yapılmıştır.

3. Deneysel Amaçlar ve Yöntemler

Alüminyum alaşımlarının kaynaklanmasında dairesel lazer salınımlı kaynak teknolojisi kullanılmıştır. Ana malzeme (BM), 300 mm × 100 mm × 5 mm (uzunluk × genişlik × kalınlık) boyutlarında 5083-O alüminyum alaşımı olup, kimyasal bileşimi tabloda gösterilmiştir. Kaynak işleminden önce, numuneler yüzeydeki oksit filmini gidermek için parlatılmış, ardından yüzeydeki yağı gidermek için 15 dakika boyunca ultrasonik banyoda aseton ile temizlenmiştir.lazer kaynak sistemiEsas olarak bir Kuka robotu, bir TruDisk 8001 disk lazeri ve bir 3D PFO galvanometre tarayıcısından oluşmaktadır. TruDisk 8001 disk lazeri, 100/400 μm çekirdek/halka fiber oranına ve 8 kW maksimum çıkış gücüne (1030 nm dalga boyu, 4,0 mm·rad ışın kalitesi parametresi) sahip ayarlanabilir halka modlu lazer kaynağı olarak kullanılmıştır. Lazer ışını, bir çekirdek kısmı ve bir halka kısmından oluşmaktadır; burada merkezi çekirdek kısmındaki lazer bir anahtar deliği (lazer enerjisinin %60'ı) oluştururken, halka kısmındaki lazer iyi bir sıcaklık dağılımı (lazer enerjisinin %40'ı) sağlamaktadır, Şekil (b)'de gösterildiği gibi. Kollimatör ve odaklama merceğinin odak uzunlukları sırasıyla 138 mm ve 450 mm'dir. Kaynak işlemi sırasında, kaynak işlemini gerçek zamanlı olarak izlemek için Phantom V1840 yüksek hızlı kamera ve Cavilux yüksek frekanslı ışık kaynağı kullanıldı; çekim hızı 5000 fps ve pozlama süresi 1 μs idi. Bu çalışmada, dairesel ışın salınım yörüngesi, lazer hareket yolu ve anlık hız şekilde gösterildiği gibi tanımlanmıştır.

4 Sonuçlar ve Tartışma

4.1 Kaynak Morfolojisi Özellikleri Farklı lazer salınım modları altındaki kaynak yüzeyi morfolojileri şekilde gösterilmiştir. Sonuçlar, geleneksel düz hatlı kaynakta kaynak yüzeyinin pürüzlü (pürüzlülük 78,01 μm), kaynak dalgalanmalarının sürekliliğinin zayıf ve kaynak yayılımının yetersiz olduğunu göstermektedir. Yetersiz kaynak oluşumu, şiddetli sıçrama ve alt kesme de gözlemlenmiştir. Salınım genliği ve frekansının artmasıyla, kaynak yüzeyi yoğun ve düzgün balık pulları şeklinde bir yapı sergilemektedir. 0,5 mm, 1 mm ve 2 mm salınım genliklerine sahip kaynakların yüzey pürüzlülüğü sırasıyla 80,71 μm, 49,63 μm ve 31,12 μm'dir. Sıçramadan kaynaklanan düzensizlikler veya çıkıntılar yoktur. Sonuçlar, daha yüksek bir salınım frekansının daha düzenli erimiş havuz akışına, lazer ışınının daha güçlü karıştırma etkisine ve daha ideal bir kaynak yüzeyine yol açtığını göstermektedir. Temelde, lazer kaynağının şekli, lazer ışınının hareketiyle nedensel olarak ilişkilidir. Kaynak sırasında, salınım genliğindeki ve frekansındaki değişiklikler kaynak hızını değiştirir ve böylece lazerin doğrusal enerji yoğunluğunu ve toplam ısı girdisini etkiler. Kaynağın kesit morfolojisi, iki kısımdan oluşan "kadeh" şeklindedir: alt kısım "gövde", üst kısım ise "kase"dir. Penetrasyon derinliği ve "gövde" sırasıyla H1 ve H2 olarak, kaynak ("kase") ve "gövde"nin genişlikleri ise sırasıyla W1 ve W2 olarak tanımlanır. Hem kaynak genişlikleri W1 hem de W2, salınım genliğinin artmasıyla eş zamanlı olarak artar ve kaynak morfolojisi kademeli olarak "kadeh" şeklinden "hilal" şekline dönüşür. Maksimum lazer enerji yoğunluğu, yörünge örtüşmesinde ortaya çıkar. Şekil (b, d) ve (c, e)'yi karşılaştırdığımızda, tarama frekansının artmasının, tarama yolu boyunca yörünge örtüşme alanını artırarak lazer enerjisi dağılımını daha homojen hale getireceği görülmektedir. Bununla birlikte, maksimum enerji yoğunluğunun azalması, kaynak derinliğinde azalmaya yol açacaktır.

4.2 Erimiş Havuz Davranışı Tarama yolunun erimiş havuz davranışına etkisini açıklığa kavuşturmak için, erimiş havuzun ve anahtar deliğinin evrim sürecini gözlemlemek üzere yüksek hızlı bir kamera sistemi kullanılmıştır. Şekil (a), düz hatlı bir yol altında erimiş havuzun evrim sürecini göstermektedir. Şekiller (bf), farklı salınım parametreleri altında erimiş havuzun evrim diyagramlarıdır. Salınım frekansı ve genliğinin artmasıyla, erimiş havuz genişliğinin genişlemesi nedeniyle erimiş havuzun arka kısmı daha yuvarlak hale gelir. Erimiş havuzun uzunluğu arttıkça, geriye doğru yayılma sırasında anahtar deliği patlamasının neden olduğu yüzey dalgalanması azalır. Bu nedenle, erimiş sıvı metal, erimiş havuzun arka ucunda düzgün ve düzenli bir şekilde katılaşarak, düzgün ve yoğun kaynak balık pulları oluşturur. Şekil, erimiş havuzun yüksek hızlı fotoğraf görüntülerinden elde edilen lazer kaynağı sırasında anahtar deliği açıklık alanındaki değişimi göstermektedir. Şekil (a)'da gösterildiği gibi, düz hatlı kaynak sırasında, anahtar deliği açıklık boyutu belirgin dalgalanmalar göstermektedir. Birkaç kez anahtar deliği kapanması (0 mm²) gözlemlendi ve ortalama anahtar deliği açıklık alanı 0,47 mm² idi. Salınım genliğinin artması, dalgalanmaları azaltabilir ve kararlılığı artırabilir. Bunun nedeni, salınımlı kaynakta enerjinin daha büyük bir kısmının her iki tarafa da dağıtılmasıdır. Bu nedenle, anahtar deliğindeki çıkış genişler ve salınım genliği artar, böylece açıklık alanı artar. Genliğin artması, lazer ışınının karıştırma aralığını genişleterek anahtar deliğinin periyodik hareket yarıçapının genişlemesine yol açar. Erimiş metalin viskozitesi ve anahtar deliği duvarına yakın etki eden hidrodinamik basınç nedeniyle, kaynak erimiş havuzunda anahtar deliği açıklığına yakın girdap akımı hareketi meydana gelir. Anahtar deliği açıklık alanının genişlemesi, kararlılığını artırır, kabarcık oluşumunu önler ve böylece gözenekliliği önemli ölçüde engeller.

4.3 Mikro yapı Şekil, farklı salınım frekansları ve genlikleri altında kaynak kesitinin EBSD morfolojisini göstermektedir. Lazer kaynağının erime çizgisine yakın bölgelerde, sütunlu dendrit taneler kaynak merkezine doğru büyür. Şekil (a)'da gösterildiği gibi, "kase" ve "gövde" bölgeleri arasında, sütunlu tane dağılımında belirgin farklılıklar gözlemlenebilir. Sütunlu taneler "kase" duvarı boyunca U şeklinde dağılırken, "gövde" bölgesinde erime çizgisi boyunca U şeklinde dağılır. Kaynağın katılaşması sırasında, erime bölgesindeki kısmen katılaşmış taneler, katılaşma cephesi için çekirdeklenme noktaları görevi görür ve tercihen maksimum sıcaklık gradyanı yönünde erimiş havuz sınırına dik olarak büyür. Bu olay, lazerin yüksek güç yoğunluğunun kaynak havuzunun içinde aşırı ısınmaya yol açmasından kaynaklanır. Daha yüksek termal gradyan G ve orta büyüme hızı R, G/R'yi mikro yapı dönüşümü eşiğinden daha büyük hale getirerek sütunlu tanelerin oluşmasına neden olur. Kaynak merkezindeki sıcaklık gradyanı G azalır ve bu da G/R oranının kademeli olarak mikroyapı dönüşüm eşiğinin altına düşmesine ve eş eksenli tanelere geçişe neden olur. Eş eksenli taneler, hem "kase" hem de "gövde"nin orta kısımlarında bulunur. Kaynağın "gövdesi" dar ve ana malzemeye yakın olduğundan, soğuma sırasında "kase" bölgesinden önce tamamen katılaşır. Katılaşmış "gövde" kısmı, "kase"nin dibinde bir çekirdeklenme bölgesi görevi görerek, sütunlu tanelerin yukarı doğru büyümesini teşvik eder. Şekil, düz hatlı ve salınımlı kaynak işlemlerini göstermektedir. Lazer salınımlı kaynakta lazer ışınının konumunun sürekli değişmesinin, ara erimiş havuzun uzunluğunu artırarak, zaten katılaşmış metali yeniden eritmesine ve bunun sonucunda tane büyüme hızı r'nin azalmasına neden olduğu gösterilmiştir. Bu, alt eş eksenli tane bölgesinde G/R'nin azalmasına yol açabilir.

4.4 Gözeneklilik Dağılımı Kaynak bölgesinin kapsamlı bir incelemesi için üç boyutlu X-ışını tomografisi kullanıldı ve şekilde gösterildiği gibi kaynak bölgesindeki gözeneklerin üç boyutlu dağılımı elde edildi. Gözeneklilik, toplam gözenek hacminin toplam kaynak hacmine bölünmesiyle hesaplanır. Düz hatlı lazer salınımlı kaynaklar ve dairesel lazer salınımlı kaynakların gözenek morfolojisi ve dağılımı karşılaştırıldığında, düz hatlı lazer salınımlı kaynakların %2,49'luk gözeneklilik oranıyla daha fazla büyük hacimli gözenek içerdiği ve bunun dairesel kaynaklara göre önemli ölçüde daha yüksek olduğu bulunmuştur.lazer salınımlı kaynaklarŞekil (b, c) ve (d, e)'yi karşılaştırarak, salınım frekansının artmasının gözenek oluşumunu engellemeye yardımcı olduğu görülebilir. Şekil (b, d) ve (c, e)'yi karşılaştırarak, salınım genliğinin artmasının da gözenek oluşumunu engellemede önemli bir rol oynadığı görülebilir. Salınım genliği 2 mm'ye kadar daha da artırıldığında (Şekil (f)), gözeneklilik %0,22'ye kadar daha da azalır ve geriye sadece küçük hacimli ve küçük gözenekler kalır. Şekil, gözenek alanı boyutuna bağlı olarak gözenekliliği temsil eden, kaynak merkez çizgisinden farklı mesafelerdeki gözenek alanı dağılımını göstermektedir. Düz hatlı kaynak için, gözenek alanı kaynak merkez çizgisi boyunca simetrik olarak dağılır ve kaynak merkez çizgisinden uzaklığın artmasıyla kademeli olarak azalır. Sonuçlar, anahtar deliği kaynaklı gözeneklerin esas olarak kaynak merkez çizgisindeki erimiş havuzun arka duvarının arkasında yoğunlaştığını göstermektedir. Lazer salınımlı kaynak için, gözenek dağılımının simetrisi zayıflar. Şekil, kaynak yüzeyinden farklı mesafelerdeki gözenek alanını göstermektedir; kırmızı çizgi ise “kase” ve “gövde” bölgeleri arasındaki sınırı temsil etmektedir. Baskın büyük gözenekler durumunda (Şekil (ac)), sınırın üzerindeki gözenek alanı %85'ten fazlasını oluşturmaktadır. Bunun nedeni, uzunlamasına sınırdaki kontur geçişinin kaynak havuzunda kabarcıkları hapsetme olasılığının daha yüksek olması ve hapsedilen kabarcıkların kaldırma kuvvetinin etkisiyle yukarı doğru hareket etme eğiliminde olmasıdır. Baskın küçük gözenekler durumunda (Şekil (df)), gözenekler sınır çizgisinin 0,5 mm altındaki alanda yoğunlaşmıştır. Kısa soğuma süresi ve küçük yukarı doğru yer değiştirme bu olayın nedenleri olabilir.

5 Sonuçlar

(1) Farklı lazer salınım modlarının kaynak yüzeyinde belirgin etkileri vardır. Daha yüksek genlik ve frekans yüzey kalitesini iyileştirebilirken, aşırı büyük salınım parametreleri pürüzlülüğü artırabilir ve içbükey kusurlara neden olabilir.

(2) Kaynak şekli esas olarak kaynak hızını, enerji dağılımını ve toplam ısı girdisini etkileyen lazer salınım parametreleri tarafından belirlenir. Salınım genliğinin artmasıyla kaynak morfolojisi “kadeh”ten “hilal”e dönüşür ve en boy oranı azalır.

(3) Salınım genliği ve frekansının artmasıyla erimiş havuz genişler ve arka kısmı yuvarlaklaşır. Salınım etkisi, kabarcıkların kaçmasına ve düzgün katılaşmaya fayda sağlayan erimiş havuzun uzunluğunu artırır. Düz hat kaynağı sırasında, anahtar deliği açıklık alanı dalgalanır; nispeten bu dalgalanma azaltılabilir ve kaynak stabilitesi iyileştirilebilir.

(4) Salınım genliğinin ve frekansının artırılması hem termal gradyanı hem de büyüme hızını azaltır, bu da büyük tane boyutlarının oluşumuna fayda sağlar. Bununla birlikte, lazer karıştırma etkisi tane boyutunun inceltilmesine ve doku mukavemetinin iyileştirilmesine elverişlidir. Farklı lazer parametreleri altında, kaynak sertliği nispeten sabit kalır, ana malzemenin sertliğinden biraz daha düşüktür; bu, magnezyumun buharlaşma kaybından kaynaklanıyor olabilir.

(5) Üç boyutlu X-ışını tomografisi, düz hatlı kaynaklamanın salınımlı kaynaklamaya göre daha yüksek gözenekliliğe (%2,49) ve daha büyük gözenek hacmine sahip olduğunu göstermektedir. Salınım parametrelerinin artırılması, genlik 2 mm olduğunda %0,22'ye kadar ulaşarak gözenekliliği önemli ölçüde azaltabilir. Gözenek alanı dağılımı salınımla birlikte değişir: büyük gözenekler erimiş havuzun arkasında toplanırken, küçük gözenekler daha iyi simetriye sahiptir. Büyük gözenekler esas olarak "kase" ve "gövde" bölgeleri arasındaki sınırın üzerinde dağılırken, küçük gözenekler sınırın altında yoğunlaşmıştır.