Laserschweißen – Der Einfluss von Oszillationsparametern auf das Laserschweißen von Aluminiumlegierungen im einstellbaren Ringmodus (ARM)

Laserschweißen – Der Einfluss von Oszillationsparametern auf das Laserschweißen von Aluminiumlegierungen im einstellbaren Ringmodus (ARM)

1. Zusammenfassung

Diese Studie untersucht die Auswirkungen von Schwingungsamplitude und -frequenz auf die Oberflächenqualität, Makro- und Mikrostrukturen sowie die Porosität des verstellbaren Ringmodus (ARM).laseroszillierend geschweißtDie Ergebnisse zeigen, dass sich die Schweißnahtqualität mit zunehmender Oszillationsamplitude und -frequenz verbessert. Mit steigender Amplitude wandelt sich der Schweißnahtquerschnitt von einer kelchförmigen zu einer halbmondförmigen Gestalt. Mikrostrukturelle Analysen belegen, dass die Korngröße der Schweißnaht aufgrund des Zusammenspiels von Rühreffekt und reduzierter Abkühlgeschwindigkeit trotz zunehmender Oszillationsamplitude und -frequenz nicht abnimmt. Die Schweißnahtporosität sinkt mit steigenden Oszillationsparametern und erreicht bei einer Amplitude von 2 mm einen Wert von 0,22 %. Dreidimensionale Röntgentomographie bestätigt den Einfluss der Oszillation auf die Porenverteilung: Große Poren konzentrieren sich hinter dem Schmelzbad, während kleine Poren eine höhere Symmetrie aufweisen. Diese Forschung liefert wertvolle Erkenntnisse zur Optimierung der Oszillationsparameter für hochwertiges Laserschweißen von A5083-Aluminiumlegierungen.

2. Branchenhintergrund

Aluminiumlegierungen zeichnen sich durch geringes Gewicht, hohe spezifische Festigkeit und gute Korrosionsbeständigkeit aus und finden breite Anwendung in der Automobilindustrie, im Hochgeschwindigkeitsverkehr, in der Luft- und Raumfahrt sowie in anderen Branchen. Laserschweißen bietet Vorteile wie hohe Effizienz, geringe Wärmeeinflusszone und geringe Schweißverformung. DaherLaserschweißen ist ein wirtschaftliches Schweißverfahren, das sich für dicke Bleche eignet.Dadurch kann die Anzahl der Schweißdurchgänge erheblich reduziert werden. Porosität ist ein signifikanter Defekt beim Laserschweißen von Aluminiumlegierungen, der die mechanischen Eigenschaften der Schweißverbindungen stark beeinträchtigt. Daher wurden umfangreiche Studien durchgeführt, um die Porositätsbildung zu reduzieren und zu eliminieren. Dazu gehören die Optimierung des Schutzgases, der Einsatz der Zweistrahltechnologie, die Verwendung modulierter Laserleistungssysteme und die Anwendung oszillierender Strahlverfahren. Die Laser-Oszillationsschweißtechnologie zeichnet sich durch ihre Fähigkeit aus, die Vorteile des Laserschweißens mit ihren eigenen Eigenschaften zu kombinieren. Durch den Einsatz von Laser-Oszillationsschweißen kann nicht nur die Porosität reduziert, sondern auch das Mikrogefüge der Schweißnaht verbessert und die Schweißqualität erhöht werden. Zahlreiche Studien konzentrierten sich hauptsächlich auf verschiedene Aspekte des Laser-Oszillationsschweißens, darunter die Reduzierung der Porosität, die Optimierung der Energieverteilung, die Verfeinerung des Korngefüges und die Charakterisierung der Schmelzströmung im Schmelzbad. Die Verteilung der Laserenergie spielt eine entscheidende Rolle für die Temperaturverteilung und die Eindringtiefe beim Laserschweißen. Bei einer bestimmten Oszillationsamplitude und steigender Scanfrequenz wandelt sich der Schweißprozess von Tiefschweißen über instabiles Schweißen hin zum Wärmeleitungsschweißen. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Erhöhung von Scanamplitude und -frequenz zwar die Porosität verringert, aber gleichzeitig die Eindringtiefe der Schweißnaht und damit deren mechanische Eigenschaften deutlich reduziert. In den letzten Jahren wurde ein Laser im einstellbaren Ringmodus (ARM-Laser) entwickelt, der die Laserenergie in einen Kern mit hoher Energiedichte und einen Ring mit niedriger Energiedichte aufteilt, um das Keyhole zu stabilisieren und die Schweißqualität zu verbessern. Forscher haben das ARM-Laser-Oszillationsschweißen zum Schweißen hochfester Aluminiumlegierungen der Serie 6xxx unter verschiedenen Kern/Ring-Leistungsverhältnissen und Oszillationsbreiten eingesetzt. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Oszillationsbreite den größten Einfluss auf die Schweißnahtgeometrie hat, nicht das Kern/Ring-Leistungsverhältnis. Die Porenverteilung und deren Hemmungsmechanismus unter der Überlagerung von Oszillation und ARM-Laser wurden jedoch noch nicht untersucht. In dieser Arbeit wird eine neue ARM-Laser-Oszillationsschweißtechnologie vorgestellt, die die Porosität der Schweißnaht reduziert, eine höhere Einbrandtiefe und eine bessere Schweißnahtqualität erzielt. Es wird eine umfassende Studie zur Laserenergieverteilung, zum dynamischen Verhalten des Schmelzbades und zur Mikrostruktur unter verschiedenen Oszillationsfrequenzen und -amplituden durchgeführt.

3. Experimentelle Ziele und Vorgehensweise

Zur Verschweißung von Aluminiumlegierungen wurde die Technologie des kreisförmigen Laser-Oszillationsschweißens eingesetzt. Das Grundmaterial (GM) bestand aus der Aluminiumlegierung 5083-O mit den Abmessungen 300 mm × 100 mm × 5 mm (Länge × Breite × Dicke). Die chemische Zusammensetzung ist in der Tabelle dargestellt. Vor dem Schweißen wurden die Proben poliert, um die Oberflächenoxidschicht zu entfernen, und anschließend 15 Minuten lang in einem Ultraschallbad mit Aceton gereinigt, um Oberflächenöl zu entfernen.LaserschweißsystemDas System besteht im Wesentlichen aus einem KUKA-Roboter, einem TruDisk 8001 Scheibenlaser und einem 3D-PFO-Galvanometerscanner. Der TruDisk 8001 Scheibenlaser diente als einstellbare Ringmodus-Laserquelle mit einem Kern-Ring-Faserverhältnis von 100/400 μm und einer maximalen Ausgangsleistung von 8 kW (Wellenlänge 1030 nm, Strahlqualitätsparameter 4,0 mm·rad). Der Laserstrahl setzt sich aus einem Kern- und einem Ringbereich zusammen. Der Laser im zentralen Kernbereich erzeugt ein Keyhole (60 % der Laserenergie), während der Laser im Ringbereich für eine gute Temperaturverteilung sorgt (40 % der Laserenergie), wie in Abbildung (b) dargestellt. Die Brennweiten des Kollimators und der Fokussierlinse betragen 138 mm bzw. 450 mm. Während des Schweißprozesses wurden eine Phantom V1840 Hochgeschwindigkeitskamera und eine Cavilux Hochfrequenz-Lichtquelle eingesetzt, um den Schweißprozess in Echtzeit zu überwachen. Die Aufnahmegeschwindigkeit betrug 5000 Bilder pro Sekunde, die Belichtungszeit 1 μs. Die kreisförmige Strahlschwingungsbahn, der Laserbewegungspfad und die Momentangeschwindigkeit sind in der Abbildung dargestellt.

4. Ergebnisse und Diskussion

4.1 Eigenschaften der Schweißnahtmorphologie Die Schweißnahtoberflächenmorphologien unter verschiedenen Laseroszillationsmodi sind in der Abbildung dargestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Schweißnahtoberfläche beim konventionellen Geradlinschweißen rau ist (Rauheit von 78,01 μm), mit schlechter Kontinuität der Schweißnahtrippeln und unzureichender Schweißnahtausbreitung. Unzureichende Schweißnahtbildung, starke Spritzerbildung und Hinterschneidungen wurden ebenfalls beobachtet. Mit zunehmender Oszillationsamplitude und -frequenz weist die Schweißnahtoberfläche dichte und gleichmäßige Schuppenstrukturen auf. Die Oberflächenrauheit der Schweißnähte mit Oszillationsamplituden von 0,5 mm, 1 mm und 2 mm beträgt 80,71 μm, 49,63 μm bzw. 31,12 μm. Es treten keine durch Spritzer verursachten Unregelmäßigkeiten oder Vorsprünge auf. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine höhere Oszillationsfrequenz zu einer gleichmäßigeren Schmelzbadströmung, einer stärkeren Rührwirkung des Laserstrahls und einer idealeren Schweißnahtoberfläche führt. Grundsätzlich hängt die Form der Laserschweißnaht direkt mit der Bewegung des Laserstrahls zusammen. Während des Schweißens verändern sich Schwingungsamplitude und -frequenz, wodurch die Schweißgeschwindigkeit und somit die lineare Energiedichte und die gesamte Wärmeeinbringung des Lasers beeinflusst werden. Die Querschnittsmorphologie der Schweißnaht ist kelchförmig und besteht aus zwei Teilen: dem unteren Teil, dem Stiel, und dem oberen Teil, dem Kelch. Die Eindringtiefe und der Stiel werden als H1 bzw. H2 bezeichnet, die Breiten des Kelches und des Stiels als W1 bzw. W2. Beide Schweißnahtbreiten (W1 und W2) nehmen mit steigender Schwingungsamplitude synchron zu, und die Schweißnahtmorphologie wandelt sich allmählich von einer Kelch- zu einer Halbmondform. Die maximale Laserenergiedichte tritt im Bereich der Überlappung der Strahlachsen auf. Vergleicht man die Abbildungen (b, d) und (c, e), so zeigt sich, dass eine Erhöhung der Scanfrequenz die Überlappungsfläche der Laserstrahlbahn entlang des Scanpfads vergrößert und somit zu einer gleichmäßigeren Verteilung der Laserenergie führt. Die damit einhergehende Reduzierung der maximalen Energiedichte bewirkt jedoch eine geringere Schweißtiefe.

4.2 Verhalten des Schmelzbades Um den Einfluss des Scanpfades auf das Verhalten des Schmelzbades zu verdeutlichen, wurde ein Hochgeschwindigkeitskamerasystem eingesetzt, um die Entwicklung des Schmelzbades und des Schweißkanals zu beobachten. Abbildung (a) zeigt die Entwicklung des Schmelzbades bei geradliniger Scanbewegung. Die Abbildungen (bf) zeigen die Diagramme der Schmelzbadentwicklung bei verschiedenen Oszillationsparametern. Mit zunehmender Oszillationsfrequenz und -amplitude rundet sich der hintere Bereich des Schmelzbades aufgrund der Vergrößerung seiner Breite stärker ab. Mit zunehmender Länge des Schmelzbades verringern sich die durch den Schweißkanalausbruch verursachten Oberflächenschwankungen während der Rückwärtsbewegung. Dadurch erstarrt das flüssige Metall am hinteren Ende des Schmelzbades gleichmäßig und bildet eine homogene und dichte Schweißnaht mit schuppenartiger Struktur. Die Abbildung zeigt die Veränderung der Schweißkanalöffnungsfläche während des Laserschweißens, die aus den Hochgeschwindigkeitsaufnahmen des Schmelzbades abgeleitet wurde. Wie in Abbildung (a) dargestellt, weist die Größe der Schweißkanalöffnung beim geradlinigen Schweißen deutliche Schwankungen auf. Es wurden mehrere Fälle von vollständigem Verschluss des Schweißkanals (0 mm²) beobachtet, wobei die durchschnittliche Öffnungsfläche des Schweißkanals 0,47 mm² betrug. Eine Erhöhung der Schwingungsamplitude kann zudem Schwankungen reduzieren und die Stabilität verbessern. Dies liegt daran, dass beim oszillierenden Schweißen ein größerer Anteil der Energie auf beide Seiten verteilt wird. Dadurch erweitert sich der Auslass am Schweißkanal, die Schwingungsamplitude erhöht sich und somit die Öffnungsfläche vergrößert sich. Die Amplitudenerhöhung vergrößert den Rührbereich des Laserstrahls, was zu einer Vergrößerung des Radius der periodischen Bewegung des Schweißkanals führt. Aufgrund der Viskosität des geschmolzenen Metalls und des hydrodynamischen Drucks in der Nähe der Schweißkanalwand entstehen Wirbelströme im Schmelzbad nahe der Öffnung. Die Vergrößerung der Öffnungsfläche des Schweißkanals erhöht dessen Stabilität, verhindert die Bildung von Blasen und reduziert somit die Porosität deutlich.

4.3 Mikrostruktur Die Abbildung zeigt die EBSD-Morphologie des Schweißnahtquerschnitts bei verschiedenen Oszillationsfrequenzen und -amplituden. Nahe der Schmelzlinie der Laserschweißung wachsen säulenförmige Dendritenkörner in Richtung Schweißnahtmitte. Wie in Abbildung (a) dargestellt, sind zwischen dem „Schalen“- und dem „Stiel“-Bereich deutliche Unterschiede in der Verteilung der Säulenkörner zu beobachten. Entlang der Wand des „Schalen“-Bereichs sind die Säulenkörner U-förmig angeordnet, während sie im „Stiel“-Bereich U-förmig entlang der Schmelzlinie verlaufen. Während der Erstarrung der Schweißnaht dienen die teilweise erstarrten Körner in der Schmelzzone als Keimbildungsstellen für die Erstarrungsfront und wachsen bevorzugt senkrecht zur Schmelzbadgrenze entlang der Richtung des maximalen Temperaturgradienten. Dieses Phänomen tritt auf, weil die hohe Leistungsdichte des Lasers zu einer Überhitzung im Schmelzbad führt. Der hohe Temperaturgradient G und die moderate Wachstumsrate R bewirken, dass das Verhältnis G/R den Schwellenwert für die Mikrostrukturumwandlung überschreitet, was zur Bildung von Säulenkörnern führt. Der Temperaturgradient G im Schweißnahtzentrum nimmt ab, wodurch das G/R-Verhältnis allmählich unter die Schwelle der Mikrostrukturumwandlung sinkt und ein Übergang zu gleichachsigen Körnern erfolgt. Gleichachsige Körner befinden sich in den zentralen Bereichen sowohl des „Schalenbereichs“ als auch des „Stielbereichs“. Da der „Stielbereich“ der Schweißnaht schmal ist und nahe am Grundwerkstoff liegt, erstarrt er während der Abkühlung vollständig, bevor der „Schalenbereich“ erreicht wird. Der erstarrte „Stielbereich“ dient als Keimbildungsstelle am Boden des „Schalenbereichs“ und fördert das Aufwärtswachstum säulenförmiger Körner. Die Abbildung zeigt die geradlinigen und oszillierenden Schweißprozesse. Es zeigt sich, dass die kontinuierliche Änderung der Laserstrahlposition beim Laseroszillationsschweißen die Länge des Zwischenschmelzbades erhöht und bereits erstarrtes Metall wieder aufschmilzt, was zu einer Verringerung der Kornwachstumsrate r führt. Dies kann eine Verringerung des G/R-Verhältnisses in der unteren Zone gleichachsiger Körner zur Folge haben.

4.4 Porositätsverteilung. Mittels dreidimensionaler Röntgentomographie wurde die Schweißnaht umfassend untersucht und die dreidimensionale Porenverteilung ermittelt (siehe Abbildung). Die Porosität wurde als Gesamtvolumen der Poren dividiert durch das Gesamtvolumen der Schweißnaht berechnet. Der Vergleich der Porenmorphologie und -verteilung von geradlinig und kreisförmig laseroszillierenden Schweißnähten ergab, dass geradlinig laseroszillierende Schweißnähte deutlich mehr großvolumige Poren aufweisen. Die Porosität liegt bei 2,49 % und ist damit signifikant höher als bei kreisförmig laseroszillierenden Schweißnähten.Laser-OszillationsschweißenDurch den Vergleich der Abbildungen (b, c) und (d, e) wird deutlich, dass eine Erhöhung der Schwingungsfrequenz die Porenbildung hemmt. Ebenso zeigt der Vergleich der Abbildungen (b, d) und (c, e), dass eine Erhöhung der Schwingungsamplitude einen wesentlichen Beitrag zur Hemmung der Porenbildung leistet. Bei einer weiteren Erhöhung der Schwingungsamplitude auf 2 mm (Abbildung (f)) sinkt die Porosität weiter auf 0,22 %, sodass nur noch kleine Poren mit geringem Volumen vorhanden sind. Die Abbildung zeigt die Porenflächenverteilung in verschiedenen Abständen von der Schweißnahtmitte und stellt die Porosität anhand der Porengröße dar. Beim geradlinigen Schweißen ist die Porenfläche symmetrisch entlang der Schweißnahtmitte verteilt und nimmt mit zunehmendem Abstand von der Schweißnahtmitte ab. Die Ergebnisse zeigen, dass durch den Keyhole-Effekt verursachte Poren hauptsächlich hinter dem hinteren Rand des Schmelzbades an der Schweißnahtmitte konzentriert sind. Beim Laser-Oszillationsschweißen nimmt die Symmetrie der Porenverteilung ab. Die Abbildung zeigt die Porenfläche in verschiedenen Abständen von der Schweißnahtoberfläche. Die rote Linie markiert die Grenze zwischen dem „Schalen“- und dem „Stiel“-Bereich. Bei überwiegend großen Poren (Abb. (ac)) beträgt die Porenfläche oberhalb der Grenze über 85 %. Dies liegt daran, dass der Konturübergang an der Längsgrenze eher Blasen im Schmelzbad einschließt, die aufgrund des Auftriebs nach oben wandern. Bei überwiegend kleinen Poren (Abb. (df)) konzentrieren sich die Poren im Bereich innerhalb von 0,5 mm unterhalb der Grenzlinie. Die kurze Abkühlzeit und die geringe Aufwärtsbewegung könnten die Ursachen für dieses Phänomen sein.

5. Schlussfolgerungen

(1) Unterschiedliche Laseroszillationsmodi haben deutliche Auswirkungen auf die Schweißnahtoberfläche. Höhere Amplitude und Frequenz können die Oberflächenqualität verbessern, während übermäßig große Oszillationsparameter die Rauheit erhöhen und konkave Defekte verursachen können.

(2) Die Schweißnahtform wird hauptsächlich durch die Laseroszillationsparameter bestimmt, welche die Schweißgeschwindigkeit, die Energieverteilung und den gesamten Wärmeeintrag beeinflussen. Mit zunehmender Oszillationsamplitude ändert sich die Schweißnahtmorphologie von „kelchförmig“ zu „sichelförmig“, und das Aspektverhältnis nimmt ab.

(3) Mit zunehmender Schwingungsamplitude und -frequenz verbreitert sich das Schmelzbad und sein hinterer Bereich wird abgerundet. Der Schwingungseffekt vergrößert die Länge des Schmelzbads, was das Entweichen von Blasen und eine gleichmäßige Erstarrung begünstigt. Beim geradlinigen Schweißen schwankt die Öffnungsfläche des Schweißkanals; diese Schwankung kann relativ reduziert werden, wodurch die Schweißstabilität verbessert wird.

(4) Eine Erhöhung der Schwingungsamplitude und -frequenz verringert sowohl den Temperaturgradienten als auch die Wachstumsrate, was die Bildung großer Körner begünstigt. Der Laserrühreffekt trägt jedoch zur Verfeinerung der Korngröße und zur Verbesserung der Texturfestigkeit bei. Unter verschiedenen Laserparametern bleibt die Schweißnahthärte relativ stabil und liegt geringfügig unter der des Grundwerkstoffs, was auf Verdampfungsverluste von Magnesium zurückzuführen sein könnte.

(5) Dreidimensionale Röntgentomographie zeigt, dass geradliniges Schweißen eine höhere Porosität (2,49 %) und ein größeres Porenvolumen aufweist als oszillierendes Schweißen. Durch Erhöhung der Oszillationsparameter lässt sich die Porosität deutlich reduzieren und erreicht bei einer Amplitude von 2 mm sogar 0,22 %. Die Porenflächenverteilung ändert sich mit der Oszillation: Große Poren konzentrieren sich hinter dem Schmelzbad, während kleine Poren eine bessere Symmetrie aufweisen. Große Poren befinden sich hauptsächlich oberhalb der Grenze zwischen dem „Schalen“- und dem „Stiel“-Bereich, kleine Poren hingegen unterhalb dieser Grenze.