Soldadura láser: Influencia de los parámetros de oscilación en la soldadura láser de aleaciones de aluminio mediante el modo de anillo ajustable (ARM).

Soldadura láser: Influencia de los parámetros de oscilación en la soldadura láser de aleaciones de aluminio mediante el modo de anillo ajustable (ARM).

1. Resumen

Este estudio investiga los efectos de la amplitud y la frecuencia de oscilación en la calidad de la superficie, las macro y microestructuras y la porosidad del modo de anillo ajustable (ARM).soldadura oscilante láserPlacas de aleación de aluminio A5083. Los resultados muestran que, con el aumento de la amplitud y la frecuencia de oscilación, mejora la calidad de la superficie de soldadura. A medida que aumenta la amplitud, la sección transversal de la soldadura se transforma de una forma de "copa" a una forma de "media luna". El análisis microestructural indica que el tamaño de grano de la soldadura no disminuye con el aumento de la amplitud y la frecuencia de oscilación debido a la competencia entre el efecto de agitación y la reducción de la velocidad de enfriamiento. La porosidad de la soldadura disminuye con el aumento de los parámetros de oscilación, alcanzando una porosidad final del 0,22 % cuando la amplitud es de 2 mm. La tomografía de rayos X tridimensional confirma además la influencia de la oscilación en la distribución de poros: los poros grandes tienden a agruparse detrás del baño de fusión, mientras que los poros pequeños muestran una mejor simetría. Esta investigación proporciona información valiosa para optimizar los parámetros de oscilación y lograr una soldadura láser de alta calidad en aplicaciones de aleación de aluminio A5083.

2 Antecedentes de la industria

Las aleaciones de aluminio tienen las ventajas de ser ligeras, tener una alta resistencia específica y una buena resistencia a la corrosión, y se utilizan ampliamente en la industria automotriz, ferroviaria de alta velocidad, aeroespacial y otras. La soldadura láser tiene las ventajas de ser de alta eficiencia, tener una zona afectada por el calor pequeña y una pequeña deformación de soldadura. Por lo tanto,La soldadura láser es un método de soldadura económico y adecuado para placas gruesas., que puede reducir considerablemente el número de pasadas de soldadura. La porosidad es un defecto significativo en la soldadura láser de aleaciones de aluminio, que afecta gravemente las propiedades mecánicas de las uniones soldadas. Por lo tanto, se han realizado estudios exhaustivos para reducir y eliminar la formación de porosidad, incluyendo la optimización del gas de protección, la aplicación de tecnología de doble haz, el uso de sistemas de potencia láser modulados y la adopción de métodos de haz oscilante. La tecnología de soldadura láser oscilante destaca por su capacidad de combinar las ventajas de la soldadura láser con sus propias características. El uso de la soldadura láser oscilante no solo puede reducir la porosidad, sino también mejorar la microestructura de la soldadura y aumentar la calidad de la misma. Un gran número de estudios se han centrado principalmente en diversos aspectos de la soldadura láser oscilante, incluyendo la reducción de la porosidad, la optimización de la distribución de energía, el refinamiento de la estructura del grano y la caracterización del flujo de fusión en el baño de fusión. La distribución de la energía láser juega un papel crucial en la distribución de la temperatura y la profundidad de penetración de la soldadura láser. A una determinada amplitud de oscilación, con el aumento de la frecuencia de escaneo, el proceso de soldadura transita de soldadura de penetración profunda a soldadura inestable y, finalmente, a soldadura por conducción de calor. Los resultados muestran que aumentar la amplitud y la frecuencia de escaneo puede reducir la porosidad, pero también reduce significativamente la profundidad de penetración de la soldadura, disminuyendo así sus propiedades mecánicas. En los últimos años, se ha desarrollado un láser de modo de anillo ajustable (ARM), que divide la energía del láser en un núcleo de alta densidad energética y un anillo de baja densidad energética, con el objetivo de estabilizar el orificio y mejorar la calidad de la soldadura. Los investigadores han utilizado la soldadura oscilante láser ARM para soldar aleaciones de aluminio de alta resistencia 6xxx bajo diferentes relaciones de potencia núcleo/anillo y anchos de oscilación. Los resultados experimentales muestran que el factor principal que afecta la geometría de la soldadura es el ancho de oscilación, más que la relación de potencia núcleo-anillo. Sin embargo, no se ha estudiado la distribución de poros ni su mecanismo de inhibición bajo la superposición de la oscilación y el láser ARM. En este trabajo, se adopta una nueva tecnología de soldadura láser oscilante ARM para reducir la porosidad de la soldadura, obtener una mayor profundidad de penetración y una mejor calidad de soldadura. Se lleva a cabo un estudio exhaustivo sobre la distribución de la energía láser, el comportamiento dinámico del baño de fusión y la microestructura bajo diferentes frecuencias y amplitudes de oscilación.

3. Objetivos y procedimientos experimentales

Se utilizó la tecnología de soldadura láser oscilante circular para soldar aleaciones de aluminio. El material base (BM) fue una aleación de aluminio 5083-O con dimensiones de 300 mm × 100 mm × 5 mm (largo × ancho × espesor), y su composición química se muestra en la tabla. Antes de soldar, las muestras se pulieron para eliminar la película de óxido superficial y luego se limpiaron con acetona en un baño ultrasónico durante 15 minutos para eliminar el aceite superficial.sistema de soldadura láserConsta principalmente de un robot Kuka, un láser de disco TruDisk 8001 y un escáner galvanométrico 3D PFO. El láser de disco TruDisk 8001 se utilizó como fuente láser de modo de anillo ajustable, con una relación de fibra núcleo/anillo de 100/400 μm y una potencia de salida máxima de 8 kW (longitud de onda de 1030 nm, parámetro de calidad del haz de 4,0 mm·rad). El haz láser se compone de una parte central y una parte anular, donde el láser en la parte central genera un orificio (60 % de la energía del láser), y el láser en la parte anular asegura una buena distribución de temperatura (40 % de la energía del láser), como se muestra en la Figura (b). Las distancias focales del colimador y la lente de enfoque son 138 mm y 450 mm, respectivamente. Durante el proceso de soldadura, se utilizó una cámara de alta velocidad Phantom V1840 y una fuente de luz de alta frecuencia Cavilux para monitorizar el proceso en tiempo real, con una velocidad de captura de 5000 fps y un tiempo de exposición de 1 μs. En este estudio, la trayectoria de oscilación circular del haz, la trayectoria del movimiento del láser y la velocidad instantánea se definen como se muestra en la figura.

4. Resultados y discusión

4.1 Características de la morfología de la soldadura Las morfologías de la superficie de la soldadura bajo diferentes modos de oscilación láser se muestran en la figura. Los resultados muestran que la superficie de la soldadura de la soldadura convencional en línea recta es rugosa (rugosidad de 78,01 μm), con poca continuidad de las ondulaciones de la soldadura y una extensión insuficiente de la soldadura. También se observó una formación de soldadura insuficiente, salpicaduras severas y socavaduras. Con el aumento de la amplitud y la frecuencia de oscilación, la superficie de la soldadura presenta escamas de pez densas y uniformes. La rugosidad superficial de las soldaduras con amplitudes de oscilación de 0,5 mm, 1 mm y 2 mm es de 80,71 μm, 49,63 μm y 31,12 μm, respectivamente. No hay irregularidades ni protuberancias causadas por salpicaduras. Los resultados indican que una mayor frecuencia de oscilación conduce a un flujo más regular del baño de fusión, un efecto de agitación más fuerte del haz láser y una superficie de soldadura más ideal. Fundamentalmente, la forma de la soldadura láser está causalmente relacionada con el movimiento del haz láser. Durante la soldadura, los cambios en la amplitud y frecuencia de oscilación alteran la velocidad de soldadura, afectando así la densidad de energía lineal y el aporte total de calor del láser. La morfología de la sección transversal de la soldadura tiene forma de copa, compuesta por dos partes: la parte inferior es el tallo y la parte superior es el cuenco. La profundidad de penetración y el tallo se definen como H1 y H2, respectivamente, y los anchos de la soldadura (cuenco) y del tallo se definen como W1 y W2, respectivamente. Ambos anchos de soldadura, W1 y W2, aumentan sincrónicamente con el incremento de la amplitud de oscilación, y la morfología de la soldadura se transforma gradualmente de forma de copa a forma de media luna. La densidad máxima de energía láser aparece en la superposición de trayectorias. Al comparar las figuras (b, d) y (c, e), se observa que el aumento de la frecuencia de escaneo incrementa el área de superposición de la trayectoria a lo largo del recorrido, lo que uniformiza la distribución de la energía láser. Sin embargo, la reducción de la densidad de energía máxima conlleva una disminución de la profundidad de la soldadura.

4.2 Comportamiento del baño fundido Para aclarar la influencia de la trayectoria de escaneo en el comportamiento del baño fundido, se utilizó un sistema de cámara de alta velocidad para observar el proceso de evolución del baño fundido y el orificio. La figura (a) muestra el proceso de evolución del baño fundido bajo una trayectoria en línea recta. Las figuras (bf) son los diagramas de evolución del baño fundido bajo diferentes parámetros de oscilación. Con el aumento de la frecuencia y amplitud de oscilación, la parte posterior del baño fundido se vuelve más redondeada debido a la expansión del ancho del baño fundido. A medida que aumenta la longitud del baño fundido, la fluctuación de la superficie causada por la erupción del orificio disminuye durante la propagación hacia atrás. Por lo tanto, el metal líquido fundido se solidifica suave y regularmente en el extremo posterior del baño fundido, formando escamas de soldadura uniformes y densas. La figura muestra el cambio del área de apertura del orificio durante la soldadura láser, que se deriva de las imágenes de fotografía de alta velocidad del baño fundido. Como se muestra en la figura (a), durante la soldadura en línea recta, el tamaño de la apertura del orificio muestra fluctuaciones evidentes. Se observaron varios casos de cierre del orificio (0 mm²), con un área de apertura promedio de 0,47 mm². El aumento de la amplitud de oscilación también puede reducir las fluctuaciones y mejorar la estabilidad. Esto se debe a que, en la soldadura oscilante, una mayor proporción de energía se distribuye a ambos lados. Por lo tanto, la salida del orificio se expande y la amplitud de oscilación aumenta, incrementando así el área de apertura. El aumento de la amplitud expande el rango de agitación del haz láser, lo que lleva a la expansión del radio del movimiento periódico del orificio. Debido a la viscosidad del metal fundido y la presión hidrodinámica que actúa cerca de la pared del orificio, se produce un movimiento de corrientes parásitas en el baño de soldadura fundido cerca de la abertura del orificio. La expansión del área de apertura del orificio mejora su estabilidad, evita la formación de burbujas y, por lo tanto, inhibe significativamente la porosidad.

4.3 Microestructura La figura muestra la morfología EBSD de la sección transversal de la soldadura bajo diferentes frecuencias y amplitudes de oscilación. Cerca de la línea de fusión de la soldadura láser, los granos dendríticos columnares crecen hacia el centro de la soldadura. Como se muestra en la Figura (a), entre las regiones de "cuenco" y "tallo", se pueden observar diferencias evidentes en la distribución de los granos columnares. Los granos columnares se distribuyen en forma de U a lo largo de la pared del "cuenco", mientras que en la región del "tallo", los granos columnares se distribuyen en forma de U a lo largo de la línea de fusión. Durante la solidificación de la soldadura, los granos parcialmente solidificados en la zona de fusión actúan como sitios de nucleación para el frente de solidificación y crecen preferentemente perpendicularmente al límite del baño de fusión a lo largo de la dirección del gradiente de temperatura máximo. Este fenómeno ocurre porque la alta densidad de potencia del láser conduce al sobrecalentamiento dentro del baño de soldadura. El mayor gradiente térmico G y la tasa de crecimiento moderada R hacen que G/R sea mayor que el umbral para la transformación de la microestructura, lo que resulta en la formación de granos columnares. El gradiente de temperatura G en el centro de la soldadura disminuye, lo que provoca que la relación G/R caiga gradualmente por debajo del umbral de transformación de la microestructura, dando lugar a granos equiaxiales. Los granos equiaxiales se localizan en las partes centrales tanto del "cuenco" como del "tallo". Dado que el "tallo" de la soldadura es estrecho y está cerca del material base, se solidifica completamente antes que la región del "cuenco" durante el enfriamiento. La parte solidificada del "tallo" actúa como un sitio de nucleación en el fondo del "cuenco", promoviendo el crecimiento ascendente de los granos columnares. La figura muestra los procesos de soldadura lineal y oscilante. Se observa que el cambio continuo de la posición del haz láser en la soldadura láser oscilante aumenta la longitud del baño de fusión intermedio, refundiendo el metal ya solidificado, lo que resulta en una disminución de la tasa de crecimiento del grano r. Esto puede conducir a una disminución de G/R en la zona inferior de grano equiaxial.

4.4 Distribución de la porosidad Se utilizó tomografía de rayos X tridimensional para realizar una inspección exhaustiva de la soldadura, obteniendo la distribución tridimensional de los poros en la misma, como se muestra en la figura. La porosidad se calcula como el volumen total de poros dividido por el volumen total de la soldadura. Al comparar la morfología y distribución de los poros de las soldaduras oscilantes láser lineales y circulares, se observa que las soldaduras oscilantes láser lineales contienen más poros de gran volumen, con una porosidad del 2,49 %, significativamente mayor que la de las soldaduras circulares.soldaduras oscilantes láserAl comparar las figuras (b, c) y (d, e), se observa que el aumento de la frecuencia de oscilación ayuda a inhibir la formación de poros. Al comparar las figuras (b, d) y (c, e), se observa que el aumento de la amplitud de oscilación también juega un papel importante en la inhibición de la formación de poros. Cuando la amplitud de oscilación se incrementa aún más a 2 mm (Figura (f)), la porosidad se reduce aún más a 0,22%, dejando solo poros pequeños y de pequeño volumen. La figura muestra la distribución del área de poros a diferentes distancias de la línea central de la soldadura, representando la porosidad en función del tamaño del área de poro. Para la soldadura en línea recta, el área de poros se distribuye simétricamente a lo largo de la línea central de la soldadura y disminuye gradualmente con el aumento de la distancia a la línea central de la soldadura. Los resultados muestran que los poros inducidos por el ojo de cerradura se concentran principalmente detrás del borde posterior del baño de fusión en la línea central de la soldadura. Para la soldadura láser oscilante, la simetría de la distribución de poros se debilita. La figura muestra el área de poros a diferentes distancias de la superficie de soldadura, donde la línea roja representa el límite entre las regiones de "cuenco" y "tallo". En el caso de poros grandes dominantes (Figuras (ac)), el área de poros por encima del límite representa más del 85%. Esto se debe a que la transición del contorno en el límite longitudinal tiene más probabilidades de atrapar burbujas en el baño de soldadura, y las burbujas atrapadas tienden a migrar hacia arriba bajo la influencia de la flotabilidad. En el caso de poros pequeños dominantes (Figuras (df)), los poros se concentran en el área dentro de 0,5 mm por debajo de la línea límite. El corto tiempo de enfriamiento y el pequeño desplazamiento ascendente pueden ser las razones de este fenómeno.

5 Conclusiones

(1) Los diferentes modos de oscilación del láser tienen efectos evidentes en la superficie de la soldadura. Una mayor amplitud y frecuencia pueden mejorar la calidad de la superficie, mientras que parámetros de oscilación excesivamente grandes pueden aumentar la rugosidad y causar defectos cóncavos.

(2) La forma de la soldadura está determinada principalmente por los parámetros de oscilación del láser, que afectan la velocidad de soldadura, la distribución de energía y el aporte total de calor. Con el aumento de la amplitud de oscilación, la morfología de la soldadura cambia de "copa" a "media luna" y la relación de aspecto disminuye.

(3) Con el aumento de la amplitud y la frecuencia de oscilación, el baño de fusión se ensancha y la parte posterior se redondea. El efecto de oscilación incrementa la longitud del baño de fusión, lo que favorece la eliminación de burbujas y una solidificación uniforme. Durante la soldadura en línea recta, el área de apertura del orificio fluctúa; en términos relativos, esta fluctuación puede reducirse, mejorando así la estabilidad de la soldadura.

(4) El aumento de la amplitud y la frecuencia de oscilación reduce tanto el gradiente térmico como la tasa de crecimiento, lo cual favorece la formación de granos de mayor tamaño. Sin embargo, el efecto de agitación láser contribuye a refinar el tamaño de grano y a mejorar la resistencia de la textura. Bajo diferentes parámetros láser, la dureza de la soldadura se mantiene relativamente estable, ligeramente inferior a la del material base, lo que podría deberse a la pérdida de magnesio por evaporación.

(5) La tomografía de rayos X tridimensional muestra que la soldadura en línea recta tiene mayor porosidad (2,49 %) y mayor volumen de poros que la soldadura oscilante. El aumento de los parámetros de oscilación puede reducir significativamente la porosidad, incluso llegando a 0,22 % cuando la amplitud es de 2 mm. La distribución del área de poros cambia con la oscilación: los poros grandes se agrupan detrás del baño de fusión, y los poros pequeños tienen mejor simetría. Los poros grandes se distribuyen principalmente por encima del límite entre las regiones de "cuenco" y "tallo", mientras que los poros pequeños se concentran por debajo del límite.