Лазердик ширетүү – Алюминий эритмелерин лазердик ширетүү менен жөнгө салынуучу шакекче режимине (ARM) термелүү параметрлеринин таасири

Лазердик ширетүү – Алюминий эритмелерин лазердик ширетүү менен жөнгө салынуучу шакекче режимине (ARM) термелүү параметрлеринин таасири

1. Резюме

Бул изилдөө термелүү амплитудасынын жана жыштыгынын беттин сапатына, макро жана микроструктураларына, ошондой эле жөнгө салынуучу шакекче режиминин (ARM) кеуектүүлүгүнө тийгизген таасирин изилдейт.лазер менен термелүүчү ширетилгенA5083 алюминий эритмесинин плиталары. Жыйынтыктар термелүү амплитудасынын жана жыштыгынын жогорулашы менен ширетүүчү беттин сапаты жакшыраарын көрсөтүп турат. Амплитуда жогорулаган сайын, ширетүүчү кесилиш "кубок" формасынан "жарым ай" формасына өтөт. Микроструктуралык анализ көрсөткөндөй, аралаштыруу эффектиси менен муздатуу ылдамдыгынын төмөндөшүнүн ортосундагы атаандаштыктан улам, ширетүүчү жиптин данчасынын өлчөмү термелүү амплитудасынын жана жыштыгынын жогорулашы менен азайбайт. Ширетүүчү тешиктүүлүк термелүү параметрлеринин жогорулашы менен азаят, амплитудасы 2 мм болгондо 0,22% акыркы тешиктүүлүккө жетет. Үч өлчөмдүү рентген томографиясы термелүүнүн тешикчелердин таралышына тийгизген таасирин дагы бир жолу тастыктайт: чоң тешикчелер эриген көлмөнүн артында агрегацияланат, ал эми кичинекей тешикчелер жакшыраак симметрияны көрсөтөт. Бул изилдөө A5083 алюминий эритмесин колдонууда жогорку сапаттагы лазердик ширетүүгө жетүү үчүн термелүү параметрлерин оптималдаштыруу боюнча баалуу түшүнүктөрдү берет.

2 Тармактын тарыхы

Алюминий эритмелери жеңил салмак, жогорку салыштырмалуу бекемдик жана жакшы коррозияга туруктуулук сыяктуу артыкчылыктарга ээ жана автомобиль, жогорку ылдамдыктагы темир жол, аэрокосмос жана башка тармактарда кеңири колдонулат. Лазердик ширетүү жогорку натыйжалуулук, кичинекей жылуулук таасир этүүчү зона жана кичинекей ширетүү деформациясы сыяктуу артыкчылыктарга ээ. Ошондуктан,лазердик ширетүү - калың плиталар үчүн ылайыктуу үнөмдүү ширетүү ыкмасы, бул ширетүү өтүүлөрүнүн санын бир топ азайтышы мүмкүн. Көзөнөктүүлүк алюминий эритмелерин лазердик ширетүүдө олуттуу кемчилик болуп саналат, ал ширетилген муундардын механикалык касиеттерине олуттуу таасир этет. Ошондуктан, көзөнөктүүлүктүн пайда болушун азайтуу жана жок кылуу боюнча кеңири изилдөөлөр жүргүзүлдү, анын ичинде коргоочу газды оптималдаштыруу, кош нурлуу технологияны колдонуу, модуляцияланган лазердик кубаттуулук системаларын колдонуу жана термелүүчү нур ыкмаларын колдонуу. Лазердик термелүүчү ширетүү технологиясы лазердик ширетүүнүн артыкчылыктарын өзүнүн мүнөздөмөлөрү менен айкалыштыруу жөндөмү менен айырмаланат. Лазердик термелүүчү ширетүүнү колдонуу көзөнөктүүлүктү азайтып гана тим болбостон, ширетүүнүн микроструктурасын жакшыртып, ширетүүнүн сапатын жогорулатат. Көптөгөн изилдөөлөр негизинен лазердик термелүүчү ширетүүнүн ар кандай аспектилерине, анын ичинде көзөнөктүүлүктү азайтууга, энергиянын бөлүштүрүлүшүн оптималдаштырууга, дан структурасын тактоого жана эритилген көлмөдөгү эритме агымынын мүнөздөмөсүнө багытталган. Лазердик энергиянын бөлүштүрүлүшү лазердик ширетүүнүн температуранын бөлүштүрүлүшүндө жана кирүү тереңдигинде чечүүчү ролду ойнойт. Белгилүү бир термелүү амплитудасында, сканерлөө жыштыгынын жогорулашы менен, ширетүү процесси терең кирүү ширетүүдөн туруксуз ширетүүгө жана акырында жылуулук өткөрүмдүүлүк ширетүүгө өтөт. Жыйынтыктар көрсөткөндөй, сканерлөө амплитудасын жана жыштыгын жогорулатуу тешиктүүлүктү азайтып гана тим болбостон, ширетүүнүн кирүү тереңдигин бир топ азайтып, ошону менен ширетүүнүн механикалык касиеттерин төмөндөтөт. Акыркы жылдары лазер энергиясын жогорку энергия тыгыздыгы бар өзөккө жана төмөнкү энергия тыгыздыгы бар шакекке бөлгөн жөнгө салынуучу шакекче режиминдеги (ARM) лазер иштелип чыккан, бул ачкыч тешигин турукташтырууга жана ширетүүнүн сапатын жакшыртууга багытталган. Изилдөөчүлөр ARM лазердик термелүүчү ширетүүнү ар кандай өзөк/шакекче кубаттуулук катыштары жана термелүү кеңдиктери астында 6xxx жогорку бекемдиктеги алюминий эритмелерин ширетүү үчүн колдонушкан. Эксперименталдык жыйынтыктар ширетүүнүн геометриясына таасир этүүчү негизги фактор өзөк-шакекче кубаттуулук катышы эмес, термелүүнүн туурасы экенин көрсөтүп турат. Бирок, термелүүнүн жана ARM лазеринин суперпозициясындагы тешикчелердин бөлүштүрүлүшү жана анын ингибирлөө механизми изилдене элек. Бул макалада ширетүүнүн тешиктүүлүгүн азайтуу, кирүү тереңдигинин жогору болушун жана ширетүүнүн сапатын жакшыртуу үчүн жаңы ARM лазердик термелүүчү ширетүү технологиясы кабыл алынган. Лазер энергиясынын бөлүштүрүлүшү, эритилген бассейндин динамикалык жүрүм-туруму жана ар кандай термелүү жыштыктарында жана амплитудаларында микроструктура боюнча комплекстүү изилдөө жүргүзүлдү.

3. Эксперименталдык максаттар жана жол-жоболор

Алюминий эритмелерин ширетүү үчүн тегерек лазердик термелүүчү ширетүү технологиясы колдонулган. Негизги материал (БМ) 300 мм × 100 мм × 5 мм (узундугу × туурасы × калыңдыгы) өлчөмдөрү бар 5083-O алюминий эритмеси болгон жана анын химиялык курамы таблицада көрсөтүлгөн. Ширетүүдөн мурун, үлгүлөр беттик кычкыл пленкасын алып салуу үчүн жылмаланган, андан кийин беттик майды кетирүү үчүн ультраүн ваннасында 15 мүнөт ацетон менен тазаланган.лазердик ширетүү системасынегизинен Kuka роботунан, TruDisk 8001 диск лазеринен жана 3D PFO гальванометр сканеринен турат. TruDisk 8001 диск лазери жөнгө салынуучу шакекче режиминдеги лазер булагы катары колдонулган, өзөк/шакекче була катышы 100/400 мкм жана максималдуу чыгуу кубаттуулугу 8 кВт (толкун узундугу 1030 нм, нурдун сапатынын параметри 4,0 мм·рад). Лазер нуру өзөк бөлүгүнөн жана шакекче бөлүгүнөн турат, мында борбордук өзөк бөлүгүндөгү лазер ачкыч тешикти (лазер энергиясынын 60%) пайда кылат, ал эми шакекче бөлүгүндөгү лазер (b) сүрөттө көрсөтүлгөндөй, температуранын жакшы бөлүштүрүлүшүн (лазер энергиясынын 40%) камсыз кылат. Коллиматордун жана фокустоочу линзанын фокустук аралыктары тиешелүүлүгүнө жараша 138 мм жана 450 мм. Ширетүү процессинде, реалдуу убакыт режиминде ширетүү процессин көзөмөлдөө үчүн Phantom V1840 жогорку ылдамдыктагы камерасы жана Cavilux жогорку жыштыктагы жарык булагы колдонулган, анын тартуу ылдамдыгы 5000 кадр/сек жана экспозиция убактысы 1 мкс болгон. Бул изилдөөдө тегерек нурдун термелүү траекториясы, лазердин кыймыл жолу жана көз ирмемдик ылдамдык сүрөттө көрсөтүлгөндөй аныкталган.

4 Жыйынтыктар жана талкуу

4.1 Ширетүүчү морфологиянын мүнөздөмөлөрү Ар кандай лазердик термелүү режимдериндеги ширетүүчү беттин морфологиясы сүрөттө көрсөтүлгөн. Жыйынтыктар көрсөткөндөй, кадимки түз сызыктуу ширетүүнүн ширетүүчү бети одоно (одонолугу 78,01 мкм), ширетүүчү толкундардын үзгүлтүксүздүгү начар жана ширетүүчү жайылышы жетишсиз. Ширетүүнүн жетишсиздиги, катуу чачыранды жана кесилген жерлер да байкалган. Термелүү амплитудасынын жана жыштыгынын жогорулашы менен ширетүүчү бетте тыгыз жана бирдей балык кабырчыктары пайда болот. Термелүү амплитудасы 0,5 мм, 1 мм жана 2 мм болгон ширетүүчүлөрдүн бетинин одонолугу тиешелүүлүгүнө жараша 80,71 мкм, 49,63 мкм жана 31,12 мкм түзөт. Чачырандыдан келип чыккан эч кандай тегиз эместиктер же чыгып кетүүлөр жок. Жыйынтыктар көрсөткөндөй, жогорку термелүү жыштыгы эритилген көлмөнүн үзгүлтүксүз агымына, лазер нурунун күчтүү аралаштыруу эффектине жана идеалдуу ширетүүчү бетке алып келет. Негизинен, лазердик ширетүүнүн формасы лазер нурунун кыймылы менен себептик байланышта. Ширетүү учурунда термелүү амплитудасынын жана жыштыгынын өзгөрүшү ширетүү ылдамдыгын өзгөртүп, лазердин сызыктуу энергия тыгыздыгына жана жалпы жылуулук киргизүүсүнө таасир этет. Ширетүүнүн кесилиш морфологиясы "бокал" формасында болуп, эки бөлүктөн турат: төмөнкү бөлүгү "сабак", ал эми жогорку бөлүгү "идиш". Кирүү тереңдиги жана "сабак" тиешелүүлүгүнө жараша H1 жана H2 катары аныкталат, ал эми ширетүүнүн ("идиш") жана "сабактын" туурасы тиешелүүлүгүнө жараша W1 жана W2 катары аныкталат. W1 жана W2 ширетүүнүн туурасы термелүү амплитудасынын жогорулашы менен синхрондуу түрдө жогорулайт жана ширетүүнүн морфологиясы акырындык менен "бокал" формасынан "жарым ай" формасына өтөт. Лазердин максималдуу энергия тыгыздыгы траекториянын дал келүүсүндө пайда болот. (b, d) жана (c, e) сүрөттөрүн салыштырып көрсөк, сканерлөө жыштыгынын жогорулашы сканерлөө жолу боюнча траекториянын дал келүү аянтын көбөйтүп, лазердин энергиясынын бөлүштүрүлүшүн бирдей кылаарын көрүүгө болот. Бирок, максималдуу энергия тыгыздыгынын төмөндөшү ширетүү тереңдигинин азайышына алып келет.

4.2 Эритилген көлмөнүн жүрүм-туруму Сканерлөө жолунун эритилген көлмөнүн жүрүм-турумуна тийгизген таасирин тактоо үчүн, эритилген көлмөнүн жана ачкыч тешиктин эволюция процессин байкоо үчүн жогорку ылдамдыктагы камера системасы колдонулган. (а)-сүрөттө түз сызыктагы эритилген көлмөнүн эволюция процесси көрсөтүлгөн. (bf)-сүрөттөр ар кандай термелүү параметрлериндеги эритилген көлмөнүн эволюция диаграммалары болуп саналат. Термелүү жыштыгынын жана амплитудасынын жогорулашы менен, эритилген көлмөнүн арткы бөлүгү эритилген көлмөнүн туурасынын кеңейишине байланыштуу тегеректелет. Эритилген көлмөнүн узундугу чоңойгон сайын, ачкыч тешиктин жарылышынан келип чыккан беттик термелүү артка таралуу учурунда азаят. Ошондуктан, эритилген суюк металл эритилген көлмөнүн арткы учунда жылмакай жана үзгүлтүксүз катууланып, бирдей жана тыгыз ширетилген балык кабырчыктарын пайда кылат. Сүрөттө лазердик ширетүү учурунда ачкыч тешиктин ачылыш аянтынын өзгөрүшү көрсөтүлгөн, бул эритилген көлмөнүн жогорку ылдамдыктагы сүрөткө тартуу сүрөттөрүнөн алынган. (а)-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, түз сызык менен ширетүү учурунда ачкыч тешиктин ачылышынын өлчөмү айкын термелүүлөрдү көрсөтөт. Ачкыч тешиктин жабылышынын бир нече учурлары (0 мм²) байкалган, ачкыч тешиктин орточо ачылыш аянты 0,47 мм² болгон. Термелүү амплитудасынын жогорулашы термелүүлөрдү азайтып, туруктуулукту жакшырта алат. Себеби, термелүү ширетүү учурунда энергиянын чоң үлүшү эки тарапка тең бөлүштүрүлөт. Ошондуктан, ачкыч тешиктеги чыгуучу тешик кеңейет жана термелүү амплитудасы жогорулайт, ошону менен ачылыш аянтын көбөйтөт. Амплитудасынын жогорулашы лазер нурунун аралаштыруу диапазонун кеңейтет, бул ачкыч тешиктин мезгилдүү кыймылынын радиусунун кеңейишине алып келет. Эриген металлдын илешкектүүлүгүнө жана ачкыч тешиктин дубалына жакын таасир этүүчү гидродинамикалык басымга байланыштуу, ачкыч тешиктин тешигинин жанындагы ширетүүчү эритилген көлмөдө куюн агымынын кыймылы пайда болот. Ачкыч тешиктин ачылыш аянтынын кеңейиши анын туруктуулугун жогорулатат, көбүкчөлөрдүн пайда болушуна жол бербейт жана ошону менен тешиктүүлүктү бир топ басаңдатат.

4.3 Микроструктура Сүрөттө ар кандай термелүү жыштыктарында жана амплитудаларында ширетүүчү кесилиштин EBSD морфологиясы көрсөтүлгөн. Лазердик ширетүүнүн эрүү сызыгынын жанында мамычалуу дендрит бүртүкчөлөрү ширетүүчү борборго карай өсөт. (а) сүрөттө көрсөтүлгөндөй, "ичкич" жана "сабак" аймактарынын ортосунда мамычалуу бүртүкчөлөрдүн бөлүштүрүлүшүндө айкын айырмачылыктарды байкоого болот. Мамычалуу бүртүкчөлөр "ичкич" дубалы боюнча U формасында, ал эми "сабак" аймагында мамычалуу бүртүкчөлөр эрүү сызыгы боюнча U формасында бөлүштүрүлөт. Ширетүүнүн катууланышы учурунда, эрүү зонасындагы жарым-жартылай катууланган бүртүкчөлөр катуулануучу фронт үчүн ядролук орундар катары кызмат кылат жана максималдуу температура градиентинин багыты боюнча эритилген көлмөнүн чек арасына перпендикулярдуу түрдө өсөт. Бул кубулуш лазердин жогорку кубаттуулук тыгыздыгы ширетүүчү көлмөнүн ичинде ысып кетүүгө алып келгендиктен болот. Жогорку жылуулук градиенти G жана орточо өсүү ылдамдыгы R G/Rди микроструктуранын трансформациясынын босогосунан жогору кылат, натыйжада мамычалуу бүртүкчөлөрдүн пайда болушуна алып келет. Ширетүүчү борбордогу G температура градиенти төмөндөйт, бул G/R катышынын акырындык менен микроструктуранын трансформация босогосунан төмөн түшүп, тең октуу дандарга өтөт. Тең октуу дандар "идиштин" жана "сабактын" борбордук бөлүктөрүндө жайгашкан. Ширетүүчү жиктин "сабагы" кууш жана негизги материалга жакын болгондуктан, муздатуу учурунда "идиш" аймагына чейин толугу менен катып калат. Катып калган "сабак" бөлүгү "идиштин" түбүндөгү ядролук орун катары кызмат кылып, мамыча сымал дандардын өйдө карай өсүшүнө өбөлгө түзөт. Сүрөттө түз сызыктуу жана термелүүчү ширетүү процесстери көрсөтүлгөн. Лазердик термелүүчү ширетүүдөгү лазер нурунун абалынын тынымсыз өзгөрүшү ортоңку эритилген көлмөнүн узундугун көбөйтүп, мурунтан эле катып калган металлды кайра эритип, дандын өсүү ылдамдыгынын r төмөндөшүнө алып келери көрсөтүлгөн. Бул төмөнкү тең октуу дан зонасында G/Rдин төмөндөшүнө алып келиши мүмкүн.

4.4 Көзөнөктүүлүктүн бөлүштүрүлүшү Ширетүүнү комплекстүү текшерүү үчүн үч өлчөмдүү рентген томографиясы колдонулуп, сүрөттө көрсөтүлгөндөй, ширетүүдө тешикчелердин үч өлчөмдүү бөлүштүрүлүшү алынган. Көзөнөктүүлүк тешикчелердин жалпы көлөмүн ширетүүнүн жалпы көлөмүнө бөлүү катары эсептелет. Түз сызыктуу лазердик термелүүчү ширетүүлөрдүн жана тегерек лазердик термелүүчү ширетүүлөрдүн тешикчелеринин морфологиясын жана бөлүштүрүлүшүн салыштыруу менен, түз сызыктуу лазердик термелүүчү ширетүүлөрдүн чоң көлөмдүү тешикчелери көбүрөөк экени, алардын көзөнөктүүлүгү 2,49% түзөрү аныкталды, бул тегерек ширетүүгө караганда бир кыйла жогору.лазердик термелүүчү ширетүү. (b, c) жана (d, e) сүрөттөрүн салыштыруу менен, термелүү жыштыгын жогорулатуу тешикчелердин пайда болушун токтотууга жардам берерин көрүүгө болот. (b, d) жана (c, e) сүрөттөрүн салыштыруу менен, термелүү амплитудасынын жогорулашы да тешикчелердин пайда болушун токтотууда маанилүү ролду ойной турганын көрүүгө болот. Термелүү амплитудасы андан ары 2 ммге чейин көбөйтүлгөндө ((f) сүрөт), тешиктүүлүк андан ары 0,22% га чейин төмөндөйт, натыйжада кичинекей көлөмдөгү жана кичинекей тешикчелер гана калат. Сүрөттө ширетүүчү борбордук сызыктан ар кандай аралыктагы тешикчелердин аянтынын бөлүштүрүлүшү көрсөтүлгөн, бул тешикчелердин аянтынын өлчөмүнө негизделген тешиктүүлүктү көрсөтөт. Түз сызык менен ширетүү үчүн тешикчелердин аянты ширетүүчү борбордук сызык боюнча симметриялуу түрдө бөлүштүрүлөт жана ширетүүчү борбордук сызыктан алыстоо көбөйгөн сайын акырындык менен азаят. Жыйынтыктар көрсөткөндөй, ачкыч тешиктерден пайда болгон тешикчелер негизинен ширетүүчү борбордук сызыктагы эритилген көлмөнүн 后壁 артында топтолгон. Лазердик термелүүчү ширетүү үчүн тешикчелердин бөлүштүрүлүшүнүн симметриясы начарлайт. Сүрөттө ширетүүчү беттен ар кандай аралыктагы тешикчелердин аянты көрсөтүлгөн, мында кызыл сызык "ичек" жана "сабак" аймактарынын ортосундагы чек араны билдирет. Доминанттуу чоң тешикчелерде (сүрөттөр (ac)), чек аранын үстүндөгү тешикчелердин аянты 85% дан ашыкты түзөт. Себеби, узун итудиналдык чек арадагы контурдук өткөөл ширетүүчү көлмөдө көбүкчөлөрдү кармап калуу ыктымалдуулугу жогору жана кармалган көбүкчөлөр калкып жүрүүнүн таасири астында өйдө карай жылышат. Доминанттуу кичинекей тешикчелерде (сүрөттөр (df)), тешикчелер чек ара сызыгынан 0,5 мм төмөн аймакта топтолгон. Бул кубулуштун себептери муздатуу убактысынын кыскалыгы жана өйдө карай кичинекей жылышуу болушу мүмкүн.

5 Корутунду

(1) Лазердин ар кандай термелүү режимдери ширетүүчү бетке айкын таасир этет. Жогорку амплитуда жана жыштык беттин сапатын жакшыртышы мүмкүн, ал эми өтө чоң термелүү параметрлери оройлукту күчөтүп, оюк кемчиликтерди пайда кылышы мүмкүн.

(2) Ширетүүнүн формасы негизинен лазердин термелүү параметрлери менен аныкталат, алар ширетүү ылдамдыгына, энергиянын бөлүштүрүлүшүнө жана жалпы жылуулук киргизүүсүнө таасир этет. Термелүү амплитудасынын жогорулашы менен ширетүүнүн морфологиясы "бокалдан" "жарым айга" өзгөрөт жана аспект катышы төмөндөйт.

(3) Термелүү амплитудасынын жана жыштыгынын жогорулашы менен эритилген көлмө кеңейип, арткы бөлүгү тегеректелет. Термелүү эффектиси эритилген көлмөнүн узундугун көбөйтөт, бул көбүкчөлөрдүн чыгып кетишине жана бирдей катууланышына пайдалуу. Түз сызык менен ширетүү учурунда ачкыч тешиктин ачылыш аянты өзгөрүп турат; салыштырмалуу айтканда, бул өзгөрүүнү азайтууга болот, бул ширетүүнүн туруктуулугун жакшыртат.

(4) Термелүү амплитудасынын жана жыштыгынын жогорулашы жылуулук градиентин да, өсүү ылдамдыгын да төмөндөтөт, бул чоң дан өлчөмдөрүнүн пайда болушуна пайдалуу. Бирок, лазердик аралаштыруу эффектиси дан өлчөмүн тактоого жана текстуранын бекемдигин жакшыртууга өбөлгө түзөт. Ар кандай лазердик параметрлерде ширетүүнүн катуулугу салыштырмалуу туруктуу бойдон калат, негизги материалдыкынан бир аз төмөн, бул магнийдин буулануу жоготуусуна байланыштуу болушу мүмкүн.

(5) Үч өлчөмдүү рентген томографиясы көрсөткөндөй, түз сызыктуу ширетүү термелүүчү ширетүүгө караганда жогорку тешиктүүлүккө (2,49%) жана тешикчелердин көлөмү чоңураак. Термелүү параметрлеринин жогорулашы тешиктүүлүктү бир топ төмөндөтүшү мүмкүн, ал тургай амплитудасы 2 мм болгондо 0,22% га жетет. Тешикчелердин аянтынын бөлүштүрүлүшү термелүү менен өзгөрөт: чоң тешикчелер эриген көлмөнүн артында топтолот, ал эми кичинекей тешикчелер жакшыраак симметрияга ээ. Чоң тешикчелер негизинен "ичек" жана "сабак" аймактарынын ортосундагы чек аранын үстүндө жайгашкан, ал эми кичинекей тешикчелер чек аранын астында топтолгон.