Лазерлік дәнекерлеу – тербеліс параметрлерінің реттелетін сақина режиміне (ARM) әсері. Алюминий қорытпаларын лазерлік дәнекерлеу

Лазерлік дәнекерлеу – тербеліс параметрлерінің реттелетін сақина режиміне (ARM) әсері. Алюминий қорытпаларын лазерлік дәнекерлеу

1. Аннотация

Бұл зерттеу тербеліс амплитудасы мен жиілігінің бет сапасына, макро және микроқұрылымдарға, сондай-ақ реттелетін сақина режимінің (ARM) кеуектілігіне әсерін зерттейді.лазерлік тербелмелі дәнекерлеуA5083 алюминий қорытпасынан жасалған пластиналар. Нәтижелер тербеліс амплитудасы мен жиілігінің артуымен пісіру бетінің сапасының жақсаратынын көрсетеді. Амплитудасы артқан сайын пісіру көлденең қимасы «бокал» пішінінен «жарты ай» пішініне өзгереді. Микроқұрылымдық талдау араластыру әсері мен салқындату жылдамдығының төмендеуі арасындағы бәсекелестікке байланысты пісіру түйіршігінің өлшемі тербеліс амплитудасы мен жиілігінің артуымен азаймайтынын көрсетеді. Пісіру кеуектілігі тербеліс параметрлерінің артуымен төмендейді, амплитудасы 2 мм болған кезде соңғы кеуектілігі 0,22% жетеді. Үш өлшемді рентген томографиясы тербелістің кеуектердің таралуына әсерін одан әрі растайды: үлкен кеуектер балқытылған бассейннің артында жиналуға бейім, ал кіші кеуектер жақсы симметрияны көрсетеді. Бұл зерттеу A5083 алюминий қорытпасынан жасалған қолданбаларда жоғары сапалы лазерлік пісіруге қол жеткізу үшін тербеліс параметрлерін оңтайландыру бойынша құнды түсініктер береді.

2 Салалық анықтама

Алюминий қорытпалары жеңіл салмақ, жоғары меншікті беріктік және жақсы коррозияға төзімділік артықшылықтарына ие және автомобиль, жоғары жылдамдықты теміржол, аэроғарыш және басқа да салаларда кеңінен қолданылады. Лазерлік дәнекерлеудің жоғары тиімділік, жылу әсер ететін аймақтың аздығы және дәнекерлеудің аз деформациясы сияқты артықшылықтары бар. Сондықтан,лазерлік дәнекерлеу - қалың пластиналарға жарамды үнемді дәнекерлеу әдісі, бұл дәнекерлеу өткелдерінің санын айтарлықтай азайтуы мүмкін. Кеуектілік - алюминий қорытпаларын лазерлік дәнекерлеудегі маңызды кемшілік, ол дәнекерленген қосылыстардың механикалық қасиеттеріне айтарлықтай әсер етеді. Сондықтан, кеуектіліктің пайда болуын азайту және жою үшін кең ауқымды зерттеулер жүргізілді, соның ішінде қорғаныс газын оңтайландыру, қос сәулелі технологияны қолдану, модуляцияланған лазерлік қуат жүйелерін пайдалану және тербелмелі сәуле әдістерін қолдану. Лазерлік тербелмелі дәнекерлеу технологиясы лазерлік дәнекерлеудің артықшылықтарын өзінің сипаттамаларымен біріктіру қабілетімен ерекшеленеді. Лазерлік тербелмелі дәнекерлеуді қолдану кеуектілікті азайтып қана қоймай, сонымен қатар дәнекерлеудің микроқұрылымын жақсартып, дәнекерлеу сапасын жақсарта алады. Көптеген зерттеулер негізінен лазерлік тербелмелі дәнекерлеудің әртүрлі аспектілеріне, соның ішінде кеуектілікті азайтуға, энергияның таралуын оңтайландыруға, дән құрылымын жетілдіруге және балқытылған бассейндегі балқыма ағынының сипаттамасына бағытталған. Лазер энергиясының таралуы лазерлік дәнекерлеудің температуралық таралуында және ену тереңдігінде маңызды рөл атқарады. Белгілі бір тербеліс амплитудасында, сканерлеу жиілігінің артуымен дәнекерлеу процесі терең ену дәнекерлеуінен тұрақсыз дәнекерлеуге және соңында жылу өткізгіштік дәнекерлеуге ауысады. Нәтижелер сканерлеу амплитудасы мен жиілігін арттыру кеуектілікті азайта алатынын, сонымен қатар дәнекерлеудің ену тереңдігін айтарлықтай төмендететінін, осылайша дәнекерлеудің механикалық қасиеттерін төмендететінін көрсетеді. Соңғы жылдары лазер энергиясын жоғары энергия тығыздығы бар өзекке және төмен энергия тығыздығы бар сақинаға бөлетін реттелетін сақина режиміндегі (ARM) лазер жасалды, бұл кілт тесігін тұрақтандыруға және дәнекерлеу сапасын жақсартуға бағытталған. Зерттеушілер әртүрлі өзек/сақина қуаты қатынасы мен тербеліс ені жағдайында 6xxx жоғары беріктіктегі алюминий қорытпаларын дәнекерлеу үшін ARM лазерлік тербелмелі дәнекерлеуді қолданды. Тәжірибелік нәтижелер дәнекерлеу геометриясына әсер ететін негізгі фактор өзек-сақина қуаты қатынасы емес, тербеліс ені екенін көрсетеді. Дегенмен, тербеліс пен ARM лазерінің суперпозициясындағы кеуектердің таралуы және оның тежелу механизмі зерттелмеген. Бұл мақалада дәнекерлеудің кеуектілігін азайту, жоғары ену тереңдігін және жақсы дәнекерлеу сапасын алу үшін жаңа ARM лазерлік тербелмелі дәнекерлеу технологиясы қолданылады. Әртүрлі тербеліс жиіліктері мен амплитудалары жағдайында лазер энергиясының таралуы, балқытылған бассейннің динамикалық әрекеті және микроқұрылымы бойынша кешенді зерттеу жүргізілуде.

3. Эксперименттік мақсаттар мен процедуралар

Алюминий қорытпаларын дәнекерлеу үшін дөңгелек лазерлік тербелмелі дәнекерлеу технологиясы қолданылды. Негізгі материал (БМ) өлшемдері 300 мм × 100 мм × 5 мм (ұзындығы × ені × қалыңдығы) болатын 5083-O алюминий қорытпасы болды, ал оның химиялық құрамы кестеде көрсетілген. Дәнекерлеу алдында үлгілер беткі оксид қабықшасын кетіру үшін жылтыратылды, содан кейін беткі майды кетіру үшін ультрадыбыстық ваннада 15 минут бойы ацетонмен тазартылды.лазерлік дәнекерлеу жүйесінегізінен Kuka роботынан, TruDisk 8001 диск лазерінен және 3D PFO гальванометр сканерінен тұрады. TruDisk 8001 диск лазері реттелетін сақина режиміндегі лазер көзі ретінде пайдаланылды, өзек/сақина талшығының қатынасы 100/400 мкм және максималды шығыс қуаты 8 кВт (толқын ұзындығы 1030 нм, сәуле сапасының параметрі 4,0 мм·рад). Лазер сәулесі өзек бөлігінен және сақина бөлігінен тұрады, мұнда орталық өзек бөлігіндегі лазер кілт тесігін (лазер энергиясының 60%) жасайды, ал сақина бөлігіндегі лазер (b) суретте көрсетілгендей, температураның жақсы таралуын (лазер энергиясының 40%) қамтамасыз етеді. Коллиматор мен фокустау линзасының фокустық қашықтықтары сәйкесінше 138 мм және 450 мм. Дәнекерлеу процесінде дәнекерлеу процесін нақты уақыт режимінде бақылау үшін Phantom V1840 жоғары жылдамдықты камерасы және Cavilux жоғары жиілікті жарық көзі пайдаланылды, оның түсіру жылдамдығы 5000 кадр/с және экспозиция уақыты 1 мкс болды. Бұл зерттеуде дөңгелек сәуленің тербеліс траекториясы, лазердің қозғалыс жолы және лездік жылдамдық суретте көрсетілгендей анықталған.

4 Нәтижелер және талқылау

4.1 Пісіру морфологиясының сипаттамалары Әртүрлі лазерлік тербеліс режимдеріндегі пісіру бетінің морфологиясы суретте көрсетілген. Нәтижелер кәдімгі түзу сызықты пісірудің пісіру бетінің кедір-бұдыр екенін (кедір-бұдырлығы 78,01 мкм), пісіру толқындарының үздіксіздігі нашар және пісіру таралуы жеткіліксіз екенін көрсетеді. Пісірудің жеткіліксіз түзілуі, қатты шашыраңқылық және астыңғы кесілу де байқалды. Тербеліс амплитудасы мен жиілігінің артуымен пісіру бетінде тығыз және біркелкі балық қабыршақтары пайда болады. Тербеліс амплитудасы 0,5 мм, 1 мм және 2 мм болатын пісірулердің бетінің кедір-бұдырлығы сәйкесінше 80,71 мкм, 49,63 мкм және 31,12 мкм құрайды. Шашыраңқылықтан туындаған ешқандай бұзушылықтар немесе шығыңқылықтар жоқ. Нәтижелер тербеліс жиілігінің жоғары болуы балқытылған бассейн ағынының тұрақты болуына, лазер сәулесінің күшті араластыру әсеріне және идеалды пісіру бетіне әкелетінін көрсетеді. Негізінен, лазерлік пісірудің пішіні лазер сәулесінің қозғалысымен себептік байланысты. Дәнекерлеу кезінде тербеліс амплитудасы мен жиілігінің өзгеруі дәнекерлеу жылдамдығын өзгертеді, осылайша лазердің сызықтық энергия тығыздығына және жалпы жылу кірісіне әсер етеді. Дәнекерлеудің көлденең қимасының морфологиясы «бокал» тәрізді, екі бөліктен тұрады: төменгі бөлігі «сабақ», ал жоғарғы бөлігі «ыдыс». Ену тереңдігі мен «сабақ» сәйкесінше H1 және H2 ретінде анықталады, ал дәнекерлеудің («ыдыс») және «сабақтың» ені сәйкесінше W1 және W2 ретінде анықталады. W1 және W2 дәнекерлеу ендері тербеліс амплитудасының артуымен синхронды түрде артады, ал дәнекерлеу морфологиясы біртіндеп «бокал» пішінінен «жары ай» пішініне өзгереді. Лазердің максималды энергия тығыздығы траекторияның қабаттасқан жерінде пайда болады. (b, d) және (c, e) суреттерін салыстыра отырып, сканерлеу жиілігінің артуы сканерлеу жолындағы траекторияның қабаттасқан ауданын арттыратынын, лазер энергиясының таралуын біркелкі ететінін көруге болады. Дегенмен, максималды энергия тығыздығының төмендеуі дәнекерлеу тереңдігінің төмендеуіне әкеледі.

4.2 Балқытылған бассейннің мінез-құлқы Балқытылған бассейннің мінез-құлқына сканерлеу жолының әсерін анықтау үшін балқытылған бассейн мен кілт тесігінің эволюция процесін бақылау үшін жоғары жылдамдықты камера жүйесі пайдаланылды. (a) суретте түзу сызықты жол астындағы балқытылған бассейннің эволюция процесі көрсетілген. (bf) суреттері әртүрлі тербеліс параметрлері астындағы балқытылған бассейннің эволюция диаграммалары болып табылады. Тербеліс жиілігі мен амплитудасының артуымен балқытылған бассейннің артқы бөлігі балқытылған бассейн енінің кеңеюіне байланысты дөңгелектенеді. Балқытылған бассейннің ұзындығы артқан сайын, кері таралу кезінде кілт тесігінің атқылауынан туындаған беткі ауытқу азаяды. Сондықтан, балқытылған сұйық металл балқытылған бассейннің артқы жағында тегіс және тұрақты түрде қатып, біркелкі және тығыз дәнекерленген балық қабыршақтарын түзеді. Суретте балқытылған бассейннің жоғары жылдамдықты фотосуретке түсірілген кескіндерінен алынған лазерлік дәнекерлеу кезінде кілт тесігінің ашылу аймағының өзгеруі көрсетілген. (a) суретте көрсетілгендей, түзу сызықты дәнекерлеу кезінде кілт тесігінің ашылу өлшемі айқын ауытқуларды көрсетеді. Кілт тесігінің жабылуының бірнеше мысалы (0 мм²) байқалды, кілт тесігінің орташа ашылу ауданы 0,47 мм² болды. Тербеліс амплитудасының артуы тербелістерді азайтып, тұрақтылықты жақсарта алады. Себебі тербелмелі пісіру кезінде энергияның үлкен бөлігі екі жаққа да бөлінеді. Сондықтан кілт тесігінің шығысы кеңейеді, ал тербеліс амплитудасы артады, осылайша ашылу аймағы артады. Амплитуданың артуы лазер сәулесінің араластыру диапазонын кеңейтеді, бұл кілт тесігінің периодты қозғалысының радиусының кеңеюіне әкеледі. Балқытылған металдың тұтқырлығына және кілт тесігінің қабырғасына жақын жерде әрекет ететін гидродинамикалық қысымға байланысты кілт тесігінің саңылауына жақын жерде пісіру балқытылған бассейнінде құйынды ток қозғалысы пайда болады. Кілт тесігінің ашылу аймағының кеңеюі оның тұрақтылығын арттырады, көпіршіктердің пайда болуына жол бермейді және осылайша кеуектілікті айтарлықтай тежейді.

4.3 Микроқұрылым Суретте әртүрлі тербеліс жиіліктері мен амплитудалары кезіндегі дәнекерлеу көлденең қимасының EBSD морфологиясы көрсетілген. Лазерлік дәнекерлеудің балқу сызығының жанында бағаналы дендрит түйіршіктері дәнекерлеу орталығына қарай өседі. (a) суретте көрсетілгендей, «ыдыс» және «сабақ» аймақтары арасында бағаналы түйіршіктердің таралуында айқын айырмашылықтар байқалады. Бағаналы түйіршіктер «ыдыс» қабырғасы бойымен U-тәрізді түрде, ал «сабақ» аймағында бағаналы түйіршіктер балқу сызығы бойымен U-тәрізді түрде таралған. Дәнекерлеудің қатаюы кезінде балқу аймағындағы ішінара қатаю түйіршіктері қатаю майданы үшін ядролану орындары ретінде әрекет етеді және балқытылған бассейн шекарасына максималды температура градиенті бағыты бойынша перпендикуляр өседі. Бұл құбылыс лазердің жоғары қуат тығыздығы дәнекерлеу бассейнінің ішінде қызып кетуге әкелетіндіктен орын алады. Жоғары термиялық градиент G және орташа өсу жылдамдығы R G/R микроқұрылымның трансформация шегінен үлкен етеді, нәтижесінде бағаналы түйіршіктер пайда болады. Дәнекерлеу орталығындағы G температура градиенті төмендейді, бұл G/R қатынасының микроқұрылымның трансформация шегінен біртіндеп төмен түсуіне, тең осьті түйіршіктерге ауысуына әкеледі. Тең осьті түйіршіктер «ыдыстың» да, «сабақтың» да орталық бөліктерінде орналасқан. Дәнекерлеудің «сабағы» тар және негізгі материалға жақын болғандықтан, салқындату кезінде «ыдыс» аймағына дейін толығымен қатаяды. Қатқан «сабақ» бөлігі «ыдыстың» түбіндегі ядролану орны ретінде қызмет етеді, бағаналы түйіршіктердің жоғары қарай өсуіне ықпал етеді. Суретте түзу сызықты және тербелмелі дәнекерлеу процестері көрсетілген. Лазерлік тербелмелі дәнекерлеудегі лазер сәулесінің орнының үздіксіз өзгеруі аралық балқытылған бассейннің ұзындығын арттыратыны, бұрыннан қатқан металды қайта балқытып, түйіршіктің өсу жылдамдығының r төмендеуіне әкелетіні көрсетілген. Бұл төменгі тең осьті түйіршік аймағында G/R төмендеуіне әкелуі мүмкін.

4.4 Кеуектіліктің таралуы Дәнекерлеуді кешенді тексеру үшін үш өлшемді рентген томографиясы қолданылды, суретте көрсетілгендей, дәнекерлеудегі тесіктердің үш өлшемді таралуын алды. Кеуектілік кеуектердің жалпы көлемін дәнекерлеудің жалпы көлеміне бөлу арқылы есептеледі. Түзу сызықты лазерлік тербелмелі дәнекерлеулер мен дөңгелек лазерлік тербелмелі дәнекерлеулердің кеуек морфологиясы мен таралуын салыстыру арқылы түзу сызықты лазерлік тербелмелі дәнекерлеулерде үлкен көлемді кеуектер көп екені, кеуектілігі 2,49% екені анықталды, бұл дөңгелек кеуектілікке қарағанда айтарлықтай жоғары.лазерлік тербелмелі дәнекерлеу(b, c) және (d, e) суреттерін салыстыра отырып, тербеліс жиілігін арттыру кеуектердің пайда болуын тежеуге көмектесетінін көруге болады. (b, d) және (c, e) суреттерін салыстыра отырып, тербеліс амплитудасының артуы кеуектердің пайда болуын тежеуде де маңызды рөл атқаратынын көруге болады. Тербеліс амплитудасы одан әрі 2 мм-ге дейін арттырылғанда ((f) сурет), кеуектілік одан әрі 0,22%-ға дейін төмендейді, тек шағын көлемді және кішкентай кеуектер қалады. Суретте кеуек ауданының таралуы дәнекерлеу центр сызығынан әртүрлі қашықтықта көрсетілген, бұл кеуек ауданының өлшеміне негізделген кеуектілікті көрсетеді. Түзу сызықты дәнекерлеу үшін кеуек ауданы дәнекерлеу центр сызығы бойымен симметриялы түрде таралады және дәнекерлеу центр сызығынан қашықтықтың артуымен біртіндеп азаяды. Нәтижелер көрсеткендей, кілт тесігінен туындаған кеуектер негізінен дәнекерлеу центр сызығында балқытылған бассейннің артында шоғырланған. Лазерлік тербелмелі дәнекерлеу үшін кеуектердің таралу симметриясы әлсірейді. Суретте дәнекерлеу бетінен әртүрлі қашықтықтағы кеуек ауданы көрсетілген, мұндағы қызыл сызық «ыдыс» және «сабақ» аймақтары арасындағы шекараны білдіреді. Басым үлкен кеуектер жағдайында (суреттер (ac)), шекарадан жоғары кеуек ауданы 85%-дан асады. Себебі ұзын итудинальды шекарадағы контурлық ауысу дәнекерлеу бассейнінде көпіршіктерді ұстап қалуы мүмкін, ал ұсталған көпіршіктер қалқымалылықтың әсерінен жоғары қарай жылжиды. Басым кіші кеуектер жағдайында (суреттер (df)), кеуектер шекара сызығынан 0,5 мм төмен аймақта шоғырланған. Бұл құбылыстың себептері қысқа салқындату уақыты және жоғары қарай аз ығысу болуы мүмкін.

5 Қорытынды

(1) Әртүрлі лазерлік тербеліс режимдері дәнекерлеу бетіне айқын әсер етеді. Жоғары амплитудасы мен жиілігі беттің сапасын жақсартуы мүмкін, ал тым үлкен тербеліс параметрлері кедір-бұдырлықты арттырып, ойыс ақауларды тудыруы мүмкін.

(2) Дәнекерлеу пішіні негізінен лазерлік тербеліс параметрлерімен анықталады, олар дәнекерлеу жылдамдығына, энергияның таралуына және жалпы жылу шығынына әсер етеді. Тербеліс амплитудасының артуымен дәнекерлеу морфологиясы «бокалдан» «жарты айға» өзгереді, ал арақатынасы төмендейді.

(3) Тербеліс амплитудасы мен жиілігінің артуымен балқытылған бассейн кеңейеді және артқы бөлігі дөңгелектенеді. Тербеліс әсері балқытылған бассейннің ұзындығын арттырады, бұл көпіршіктің шығуына және біркелкі қатаюға пайдалы. Түзу сызықты дәнекерлеу кезінде кілт тесігінің ашылу аймағы ауытқиды; салыстырмалы түрде айтқанда, бұл ауытқуды азайтуға болады, бұл дәнекерлеудің тұрақтылығын жақсартады.

(4) Тербеліс амплитудасы мен жиілігінің артуы жылу градиентін де, өсу жылдамдығын да төмендетеді, бұл үлкен дән өлшемдерінің пайда болуына пайдалы. Дегенмен, лазерлік араластыру әсері дән өлшемін жақсартуға және текстураның беріктігін жақсартуға ықпал етеді. Әртүрлі лазер параметрлері кезінде дәнекерлеу қаттылығы салыстырмалы түрде тұрақты болып қалады, негізгі материалға қарағанда сәл төмен, бұл магнийдің булану жоғалуына байланысты болуы мүмкін.

(5) Үш өлшемді рентген томографиясы түзу сызықты пісірудің тербелмелі пісіруге қарағанда кеуектілігі жоғары (2,49%) және кеуек көлемі үлкен екенін көрсетеді. Тербеліс параметрлерін арттыру кеуектілікті айтарлықтай төмендетуі мүмкін, тіпті амплитудасы 2 мм болғанда 0,22%-ға жетеді. Кеуек ауданының таралуы тербеліспен бірге өзгереді: үлкен кеуектер балқытылған бассейннің артында жиналады, ал кіші кеуектер симметриялырақ болады. Үлкен кеуектер негізінен «ыдыс» және «сабақ» аймақтары арасындағы шекарадан жоғары орналасқан, ал кіші кеуектер шекарадан төмен шоғырланған.