01Papiereinführung
Aluminiumlegierungen neigen aufgrund ihres hohen Reflexionsvermögens und ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit dazu, beim herkömmlichen Laserschweißen aufgrund der übermäßigen Energiedichte und instabilen Schlüssellöchern Spritzer zu erzeugen, was sich auf die Schweißqualität und die Bauteilleistung auswirkt. Diese Studie untersucht den Mechanismus durch Experimente (Einstellung unterschiedlicher Gesamtlaserleistungen, Kern-/Ring-Leistungsverhältnisse und Schweißgeschwindigkeiten, Beobachtung von Dampfwolken und Spritzerdynamik mit einer Hochgeschwindigkeitskamera und Analyse der Schweißmorphologie mit einem Ultra-Tiefen-Feldmikroskop) und dreidimensionaler transienter multiphysikalischer gekoppelter numerischer Simulationen. Es zeigt sich, dass der ringförmige Laser die Vorderkante des Schmelzbades vorheizt, wodurch Schwankungen in der Laserabsorption reduziert und der Dampfwolkenausstoß stabilisiert werden, um Spritzer zu unterdrücken. Darüber hinaus wurde ein quantitatives Modell erstellt, das die Vorwärmtemperatur mit der Gesamtleistung, dem Ringleistungsverhältnis und der Schweißgeschwindigkeit verknüpft. Dies legt nahe, dass die Vorwärmtemperatur im Bereich zwischen dem Schmelz- und Siedepunkt des Grundmaterials liegen sollte. Die Studie leitet Kriterien für die Auswahl spritzerfreier Prozessparameter ab, und Experimente bestätigen, dass Spritzer innerhalb dieses Parameterbereichs deutlich reduziert werden, und liefern theoretische Leitlinien und industrielle Anwendungsstrategien für hochwertiges Laserschweißen hochreflektierender Legierungen.
02Zusammenfassung
Dieses Papier basiert auf einer Methode, die Experimente und dreidimensionale transiente multiphysikalische gekoppelte numerische Simulation kombiniert. Das Experiment zielte auf 6061-Aluminiumlegierungsplatten ab und stellte sechs Kern-/Ring-Leistungsverhältnisse (10:0 bis 0:10), drei Schweißgeschwindigkeiten (40 mm/s, 60 mm/s, 80 mm/s) und eine feste Gesamtlaserleistung (6000 W) ein. Hochgeschwindigkeitskameras wurden zur Beobachtung von Dampfwolken und Spritzern verwendet, Ultra-Tiefen-feld-mikroskope zur Analyse der Schweißnahtmorphologie und ein Vergleichsexperiment mit fester zentraler Leistung wurde entworfen. Bei der numerischen Simulation wurde ein CFD-Modell verwendet, um den Wärmefluss im Schmelzbad, die Laserabsorption und andere physikalische Prozesse zu simulieren. Die Experimente ergaben, dass je höher der Anteil der Ringlaserleistung ist, desto gleichmäßiger ist die Schweißoberfläche (Spitzen-zu-Tal-Unterschied verringert sich von 1,40 mm auf 0,41 mm) und die Spritzerhäufigkeit verringert sich um 65 %. Es zeigte sich auch, dass der Ringlaser die Vorderseite des Schmelzbades vorheizt, den Schwankungsbereich der Laserabsorption einschränkt und die Dampffahne stabilisiert, wodurch Spritzer unterdrückt werden. Schließlich wurde ein quantitatives Modell der Vorwärmtemperatur und der Prozessparameter erstellt, das darauf hindeutet, dass die Vorwärmtemperatur zwischen dem Schmelzpunkt und dem Siedepunkt des Grundmaterials liegen sollte. Es wurden spritzerfreie Prozessparameter abgeleitet und verifiziert, die eine theoretische Anleitung für das spritzerfreie Laserschweißen von Aluminiumlegierungen lieferten.
03 Bild- und Textanalyse
Abbildung 1 enthält zwei Kerninformationen: Erstens zeigt Abbildung 1(a) die Kernhardwarekonfiguration des einstellbaren Ring-mode-Laserschweißens, einschließlich der Positionen und Verbindungen von Komponenten wie dem programmierbaren Faserlasergerät CFX-8000, dem Roboter, dem Laserbearbeitungskopf und der Hochgeschwindigkeitskamera. Sie verdeutlicht die Betriebslogik des Versuchsaufbaus und stellt die Hardwarebasis für nachfolgende experimentelle Parametereinstellungen und Beobachtungen von Spritzern und Dampffahnen bereit, um die Standardisierung experimenteller Abläufe und Daten sicherzustellen Sammlung; Zweitens visualisiert Abbildung 1(b) wichtige physikalische Prozesse beim Laserschweißen, wie Phasenwechsel, Laserabsorption und Dampfdynamik, erstellt einen physikalischen Rahmen für die Wechselwirkung zwischen Laser und Materialien, liefert eine theoretische Grundlage für dreidimensionale transiente multiphysikalische feldgekoppelte numerische Simulationen und hilft beim Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen der Spritzerbildung.
04Fazit
Diese Studie konzentriert sich auf das Spritzerproblem beim einstellbaren ringförmigen Laserschweißen von Aluminiumlegierungen. Durch Experimente (Einstellung verschiedener Kern-/Ring-Leistungsverhältnisse und Schweißgeschwindigkeiten, kombiniert mit Beobachtungen mit Hochgeschwindigkeitskameras und erweiterten Tiefenschärfenmikroskopen) und dreidimensionalen transienten Multiphysik-gekoppelten numerischen Simulationen wurde der Mechanismus aufgedeckt, durch den ringförmige Laser Spritzer unterdrücken, indem sie die Vorderkante des Schmelzbads vorheizen, Schwankungen in der Laserabsorption verringern und die Dampffahne stabilisieren.- Es wurde ein quantitatives Modell erstellt, das die Vorwärmtemperatur mit den Prozessparametern in Beziehung setzt und vorschlägt, dass die Vorwärmtemperatur zwischen dem Schmelzpunkt und dem Siedepunkt des Grundmaterials liegen sollte. Es wurden keine -Spritzerprozessparameterkriterien abgeleitet und experimentell verifiziert, wodurch der Parameterauswahlbereich für spritzerfreies Schweißen von Aluminiumlegierungen klargestellt wurde. Dies kann Branchen, die auf leichte Aluminiumkomponenten angewiesen sind, wie beispielsweise die Automobilherstellung, dabei helfen, die häufigen Probleme hoher Spritzer und schlechter Schweißqualität beim konventionellen Laserschweißen anzugehen und so die Entwicklung qualitativ hochwertiger und äußerst stabiler industrieller Anwendungen des Laserschweißens von Aluminiumlegierungen zu fördern.
