Soldagem a laser – A influência dos parâmetros de oscilação na soldagem a laser em modo de anel ajustável (ARM) de ligas de alumínio

Soldagem a laser – A influência dos parâmetros de oscilação na soldagem a laser em modo de anel ajustável (ARM) de ligas de alumínio

1. Resumo

Este estudo investiga os efeitos da amplitude e frequência de oscilação na qualidade da superfície, macro e microestruturas e porosidade do modo de anel ajustável (ARM).soldagem oscilante a laserPlacas de liga de alumínio A5083. Os resultados mostram que, com o aumento da amplitude e da frequência de oscilação, a qualidade da superfície da solda melhora. À medida que a amplitude aumenta, a seção transversal da solda se transforma de um formato de "cálice" para um formato de "crescente". A análise microestrutural indica que o tamanho do grão da solda não diminui com o aumento da amplitude e da frequência de oscilação devido à competição entre o efeito de agitação e a redução da taxa de resfriamento. A porosidade da solda diminui com o aumento dos parâmetros de oscilação, atingindo uma porosidade final de 0,22% quando a amplitude é de 2 mm. A tomografia tridimensional de raios X confirma ainda a influência da oscilação na distribuição dos poros: poros grandes tendem a se agrupar atrás da poça de fusão, enquanto poros pequenos apresentam melhor simetria. Esta pesquisa fornece informações valiosas para a otimização dos parâmetros de oscilação, visando obter soldagem a laser de alta qualidade em aplicações com liga de alumínio A5083.

2. Histórico do setor

As ligas de alumínio apresentam vantagens como leveza, alta resistência específica e boa resistência à corrosão, sendo amplamente utilizadas nas indústrias automotiva, ferroviária de alta velocidade, aeroespacial e outras. A soldagem a laser, por sua vez, apresenta vantagens como alta eficiência, pequena zona afetada pelo calor e pequena deformação. Portanto,A soldagem a laser é um método de soldagem econômico, adequado para chapas grossas., o que pode reduzir significativamente o número de passes de solda. A porosidade é um defeito significativo na soldagem a laser de ligas de alumínio, afetando seriamente as propriedades mecânicas das juntas soldadas. Portanto, extensos estudos têm sido conduzidos para reduzir e eliminar a formação de porosidade, incluindo a otimização do gás de proteção, a aplicação da tecnologia de feixe duplo, o uso de sistemas de potência de laser modulada e a adoção de métodos de feixe oscilante. A tecnologia de soldagem a laser oscilante destaca-se por sua capacidade de combinar as vantagens da soldagem a laser com suas próprias características. O uso da soldagem a laser oscilante pode não apenas reduzir a porosidade, mas também melhorar a microestrutura da solda e aumentar a qualidade da solda. Um grande número de estudos tem se concentrado principalmente em vários aspectos da soldagem a laser oscilante, incluindo a redução da porosidade, a otimização da distribuição de energia, o refinamento da estrutura granular e a caracterização do fluxo de fusão na poça de fusão. A distribuição da energia do laser desempenha um papel crucial na distribuição de temperatura e na profundidade de penetração da soldagem a laser. Em uma determinada amplitude de oscilação, com o aumento da frequência de varredura, o processo de soldagem transita da soldagem por penetração profunda para a soldagem instável e, finalmente, para a soldagem por condução de calor. Os resultados mostram que o aumento da amplitude e da frequência de varredura pode reduzir a porosidade, mas também reduz significativamente a profundidade de penetração da solda, diminuindo assim as propriedades mecânicas da mesma. Nos últimos anos, foi desenvolvido um laser de modo anelar ajustável (ARM), que divide a energia do laser em um núcleo com alta densidade de energia e um anel com baixa densidade de energia, visando estabilizar o orifício de solda e melhorar a qualidade da soldagem. Pesquisadores têm utilizado a soldagem oscilatória a laser ARM para soldar ligas de alumínio de alta resistência da série 6xxx sob diferentes relações de potência núcleo/anel e larguras de oscilação. Os resultados experimentais mostram que o principal fator que afeta a geometria da solda é a largura de oscilação, e não a relação de potência núcleo-anel. No entanto, a distribuição de poros e seu mecanismo de inibição sob a sobreposição da oscilação e do laser ARM ainda não foram estudados. Neste artigo, uma nova tecnologia de soldagem oscilatória a laser ARM é adotada para reduzir a porosidade da solda, obter maior profundidade de penetração e melhor qualidade da solda. Foi realizado um estudo abrangente sobre a distribuição de energia do laser, o comportamento dinâmico da poça de fusão e a microestrutura sob diferentes frequências e amplitudes de oscilação.

3. Objetivos e Procedimentos Experimentais

A tecnologia de soldagem por oscilação a laser circular foi utilizada para soldar ligas de alumínio. O material base (MB) era a liga de alumínio 5083-O com dimensões de 300 mm × 100 mm × 5 mm (comprimento × largura × espessura), e sua composição química é apresentada na tabela. Antes da soldagem, as amostras foram polidas para remover a película de óxido superficial e, em seguida, limpas com acetona em banho ultrassônico por 15 minutos para remover o óleo superficial.sistema de soldagem a laserO sistema consiste principalmente em um robô Kuka, um laser de disco TruDisk 8001 e um scanner galvanométrico 3D PFO. O laser de disco TruDisk 8001 foi utilizado como fonte de laser ajustável em modo anel, com uma relação de fibra núcleo/anel de 100/400 μm e uma potência máxima de saída de 8 kW (comprimento de onda de 1030 nm, parâmetro de qualidade do feixe de 4,0 mm·rad). O feixe de laser é composto por uma parte central e uma parte anelar, onde o laser na parte central do núcleo gera um orifício (60% da energia do laser) e o laser na parte anelar garante uma boa distribuição de temperatura (40% da energia do laser), conforme mostrado na Figura (b). As distâncias focais do colimador e da lente de focalização são de 138 mm e 450 mm, respectivamente. Durante o processo de soldagem, uma câmera de alta velocidade Phantom V1840 e uma fonte de luz de alta frequência Cavilux foram utilizadas para monitorar o processo em tempo real, com uma taxa de captura de 5000 fps e um tempo de exposição de 1 μs. Neste estudo, a trajetória de oscilação do feixe circular, o percurso do laser e a velocidade instantânea são definidos conforme mostrado na figura.

4 Resultados e Discussão

4.1 Características da Morfologia da Solda As morfologias da superfície da solda sob diferentes modos de oscilação do laser são mostradas na figura. Os resultados mostram que a superfície da solda da soldagem convencional em linha reta é rugosa (rugosidade de 78,01 μm), com baixa continuidade das ondulações da solda e espalhamento insuficiente da solda. Formação insuficiente da solda, respingos severos e mordeduras também foram observados. Com o aumento da amplitude e da frequência de oscilação, a superfície da solda apresenta escamas densas e uniformes. A rugosidade da superfície das soldas com amplitudes de oscilação de 0,5 mm, 1 mm e 2 mm é de 80,71 μm, 49,63 μm e 31,12 μm, respectivamente. Não há irregularidades ou protuberâncias causadas por respingos. Os resultados indicam que uma frequência de oscilação mais alta leva a um fluxo de poça de fusão mais regular, um efeito de agitação mais forte do feixe de laser e uma superfície de solda mais ideal. Fundamentalmente, o formato da solda a laser está causalmente relacionado ao movimento do feixe de laser. Durante a soldagem, as mudanças na amplitude e na frequência de oscilação alteram a velocidade de soldagem, afetando, assim, a densidade de energia linear e a entrada total de calor do laser. A morfologia da seção transversal da solda tem formato de cálice, consistindo em duas partes: a parte inferior, a haste, e a parte superior, a taça. A profundidade de penetração e a haste são definidas como H1 e H2, respectivamente, e as larguras da solda (a taça) e da haste são definidas como W1 e W2, respectivamente. Ambas as larguras da solda, W1 e W2, aumentam sincronicamente com o aumento da amplitude de oscilação, e a morfologia da solda se transforma gradualmente de um formato de cálice para um formato de crescente. A densidade máxima de energia do laser ocorre na sobreposição das trajetórias. Comparando as figuras (b, d) e (c, e), observa-se que o aumento da frequência de varredura amplia a área de sobreposição da trajetória ao longo do percurso de varredura, tornando a distribuição de energia do laser mais uniforme. No entanto, a redução da densidade máxima de energia leva a uma diminuição na profundidade da solda.

4.2 Comportamento da Poça de Fusão Para esclarecer a influência da trajetória de varredura no comportamento da poça de fusão, um sistema de câmera de alta velocidade foi utilizado para observar o processo de evolução da poça de fusão e do orifício de penetração. A Figura (a) mostra o processo de evolução da poça de fusão em uma trajetória retilínea. As Figuras (b) e (f) são os diagramas de evolução da poça de fusão sob diferentes parâmetros de oscilação. Com o aumento da frequência e da amplitude de oscilação, a parte posterior da poça de fusão torna-se mais arredondada devido à expansão da largura da poça. À medida que o comprimento da poça de fusão aumenta, a flutuação da superfície causada pela erupção do orifício de penetração diminui durante a propagação reversa. Portanto, o metal líquido fundido solidifica-se de forma suave e regular na extremidade posterior da poça de fusão, formando escamas de solda uniformes e densas. A figura mostra a variação da área de abertura do orifício de penetração durante a soldagem a laser, derivada das imagens de fotografia de alta velocidade da poça de fusão. Como mostrado na Figura (a), durante a soldagem retilínea, o tamanho da abertura do orifício de penetração apresenta flutuações óbvias. Foram observados diversos casos de fechamento do orifício (0 mm²), com uma área média de abertura de 0,47 mm². O aumento da amplitude de oscilação também pode reduzir as flutuações e melhorar a estabilidade. Isso ocorre porque, na soldagem oscilatória, uma proporção maior de energia é distribuída para ambos os lados. Portanto, a saída do orifício se expande e a amplitude de oscilação aumenta, ampliando assim a área de abertura. O aumento da amplitude expande o alcance de agitação do feixe de laser, levando à expansão do raio do movimento periódico do orifício. Devido à viscosidade do metal fundido e à pressão hidrodinâmica que atua próxima à parede do orifício, ocorre movimento de correntes parasitas na poça de fusão da soldagem próxima à abertura do orifício. A expansão da área de abertura do orifício aumenta sua estabilidade, evita a formação de bolhas e, portanto, inibe significativamente a porosidade.

4.3 Microestrutura A figura mostra a morfologia EBSD da seção transversal da solda sob diferentes frequências e amplitudes de oscilação. Próximo à linha de fusão da solda a laser, grãos dendríticos colunares crescem em direção ao centro da solda. Como mostrado na Figura (a), entre as regiões da “tigela” e da “haste”, diferenças óbvias na distribuição dos grãos colunares podem ser observadas. Os grãos colunares estão distribuídos em forma de U ao longo da parede da “tigela”, enquanto na região da “haste”, os grãos colunares estão distribuídos em forma de U ao longo da linha de fusão. Durante a solidificação da solda, os grãos parcialmente solidificados na zona de fusão atuam como sítios de nucleação para a frente de solidificação e crescem preferencialmente perpendicularmente ao limite da poça de fusão, na direção do gradiente de temperatura máximo. Esse fenômeno ocorre porque a alta densidade de potência do laser leva ao superaquecimento dentro da poça de fusão. O gradiente térmico G mais elevado e a taxa de crescimento moderada R fazem com que G/R seja maior que o limiar para a transformação da microestrutura, resultando na formação de grãos colunares. O gradiente de temperatura G no centro da solda diminui, fazendo com que a relação G/R caia gradualmente abaixo do limiar de transformação microestrutural, resultando na transição para grãos equiaxiais. Os grãos equiaxiais estão localizados nas partes centrais tanto da “caixa” quanto da “haste”. Como a “haste” da solda é estreita e próxima ao material base, ela se solidifica completamente antes da região da “caixa” durante o resfriamento. A parte solidificada da “haste” atua como um sítio de nucleação na base da “caixa”, promovendo o crescimento ascendente de grãos colunares. A figura mostra os processos de soldagem em linha reta e oscilante. Observa-se que a mudança contínua da posição do feixe de laser na soldagem oscilante a laser aumenta o comprimento da poça de fusão intermediária, refundindo o metal já solidificado, o que resulta em uma diminuição na taxa de crescimento de grãos r. Isso pode levar a uma diminuição da relação G/R na zona inferior de grãos equiaxiais.

4.4 Distribuição da Porosidade A tomografia tridimensional de raios X foi utilizada para realizar uma inspeção abrangente da solda, obtendo-se a distribuição tridimensional dos poros na solda, conforme mostrado na figura. A porosidade é calculada como o volume total de poros dividido pelo volume total da solda. Comparando a morfologia e a distribuição dos poros em soldas lineares e circulares obtidas por oscilação a laser, constatou-se que as soldas lineares contêm mais poros de grande volume, com uma porosidade de 2,49%, significativamente maior do que a das soldas circulares.soldas oscilantes a laserComparando as Figuras (b, c) e (d, e), observa-se que o aumento da frequência de oscilação ajuda a inibir a formação de poros. Comparando as Figuras (b, d) e (c, e), nota-se que o aumento da amplitude de oscilação também desempenha um papel significativo na inibição da formação de poros. Quando a amplitude de oscilação é aumentada para 2 mm (Figura (f)), a porosidade é reduzida para 0,22%, restando apenas poros pequenos e de pequeno volume. A figura ilustra a distribuição da área dos poros em diferentes distâncias da linha central da solda, representando a porosidade com base no tamanho da área dos poros. Para a soldagem em linha reta, a área dos poros é distribuída simetricamente ao longo da linha central da solda e diminui gradualmente com o aumento da distância a partir dessa linha. Os resultados mostram que os poros induzidos pelo efeito de fechadura concentram-se principalmente atrás da camada de fusão na linha central da solda. Para a soldagem a laser oscilante, a simetria da distribuição dos poros torna-se menos acentuada. A figura mostra a área dos poros a diferentes distâncias da superfície da solda, onde a linha vermelha representa o limite entre as regiões da “tigela” e da “haste”. No caso de poros grandes predominantes (Figuras (ac)), a área dos poros acima do limite corresponde a mais de 85%. Isso ocorre porque a transição de contorno no limite longitudinal tende a aprisionar bolhas na poça de fusão, e as bolhas aprisionadas tendem a migrar para cima sob a influência da flutuabilidade. No caso de poros pequenos predominantes (Figuras (df)), os poros se concentram na área a 0,5 mm abaixo da linha de limite. O curto tempo de resfriamento e o pequeno deslocamento ascendente podem ser as razões para esse fenômeno.

5 Conclusões

(1) Diferentes modos de oscilação do laser têm efeitos óbvios na superfície da solda. Maior amplitude e frequência podem melhorar a qualidade da superfície, enquanto parâmetros de oscilação excessivamente grandes podem aumentar a rugosidade e causar defeitos côncavos.

(2) O formato da solda é determinado principalmente pelos parâmetros de oscilação do laser, que afetam a velocidade de soldagem, a distribuição de energia e a entrada total de calor. Com o aumento da amplitude de oscilação, a morfologia da solda muda de “cálice” para “crescente”, e a relação de aspecto diminui.

(3) Com o aumento da amplitude e da frequência de oscilação, a poça de fusão torna-se mais larga e a parte traseira arredondada. O efeito de oscilação aumenta o comprimento da poça de fusão, o que é benéfico para a saída de bolhas e para a solidificação uniforme. Durante a soldagem em linha reta, a área de abertura do orifício oscila; relativamente falando, essa oscilação pode ser reduzida, melhorando a estabilidade da soldagem.

(4) O aumento da amplitude e da frequência de oscilação reduz tanto o gradiente térmico quanto a taxa de crescimento, o que é benéfico para a formação de grãos de tamanho maior. No entanto, o efeito de agitação a laser é favorável ao refinamento do tamanho do grão e à melhoria da resistência da textura. Sob diferentes parâmetros de laser, a dureza da solda permanece relativamente estável, ligeiramente inferior à do material base, o que pode ser devido à perda de magnésio por evaporação.

(5) A tomografia tridimensional de raios X mostra que a soldagem em linha reta apresenta maior porosidade (2,49%) e maior volume de poros do que a soldagem oscilatória. O aumento dos parâmetros de oscilação pode reduzir significativamente a porosidade, chegando a 0,22% quando a amplitude é de 2 mm. A distribuição da área dos poros se altera com a oscilação: poros grandes se agrupam atrás da poça de fusão, e poros pequenos apresentam melhor simetria. Os poros grandes estão distribuídos principalmente acima do limite entre as regiões da “tigela” e da “haste”, enquanto os poros pequenos se concentram abaixo desse limite.