Pengelasan Laser – Pengaruh Parameter Osilasi pada Pengelasan Laser Mode Cincin yang Dapat Diatur (ARM) pada Paduan Aluminium

Pengelasan Laser – Pengaruh Parameter Osilasi pada Pengelasan Laser Mode Cincin yang Dapat Diatur (ARM) pada Paduan Aluminium

1. Abstrak

Studi ini menyelidiki pengaruh amplitudo dan frekuensi osilasi terhadap kualitas permukaan, makro dan mikrostruktur, serta porositas dari mode cincin yang dapat disesuaikan (ARM).pengelasan berosilasi laserPelat paduan aluminium A5083. Hasil penelitian menunjukkan bahwa dengan peningkatan amplitudo dan frekuensi osilasi, kualitas permukaan las meningkat. Seiring peningkatan amplitudo, penampang las berubah dari bentuk "piala" menjadi bentuk "bulan sabit". Analisis mikrostruktur menunjukkan bahwa ukuran butir las tidak berkurang dengan peningkatan amplitudo dan frekuensi osilasi karena adanya persaingan antara efek pengadukan dan pengurangan laju pendinginan. Porositas las menurun dengan peningkatan parameter osilasi, mencapai porositas akhir 0,22% ketika amplitudo 2 mm. Tomografi sinar-X tiga dimensi lebih lanjut mengkonfirmasi pengaruh osilasi pada distribusi pori: pori-pori besar cenderung berkumpul di belakang kolam lelehan, sedangkan pori-pori kecil menunjukkan simetri yang lebih baik. Penelitian ini memberikan wawasan berharga untuk mengoptimalkan parameter osilasi guna mencapai pengelasan laser berkualitas tinggi pada aplikasi paduan aluminium A5083.

2. Latar Belakang Industri

Paduan aluminium memiliki keunggulan bobot ringan, kekuatan spesifik tinggi, dan ketahanan korosi yang baik, serta banyak digunakan dalam industri otomotif, kereta api kecepatan tinggi, kedirgantaraan, dan industri lainnya. Pengelasan laser memiliki keunggulan efisiensi tinggi, zona yang terpengaruh panas kecil, dan deformasi pengelasan kecil. Oleh karena itu,Pengelasan laser adalah metode pengelasan ekonomis yang cocok untuk pelat tebal., yang dapat sangat mengurangi jumlah lintasan pengelasan. Porositas merupakan cacat signifikan dalam pengelasan laser paduan aluminium, yang sangat memengaruhi sifat mekanik sambungan las. Oleh karena itu, penelitian ekstensif telah dilakukan untuk mengurangi dan menghilangkan pembentukan porositas, termasuk mengoptimalkan gas pelindung, menerapkan teknologi sinar ganda, menggunakan sistem daya laser termodulasi, dan mengadopsi metode sinar berosilasi. Teknologi pengelasan laser berosilasi menonjol karena kemampuannya untuk menggabungkan keunggulan pengelasan laser dengan karakteristiknya sendiri. Penggunaan pengelasan laser berosilasi tidak hanya dapat mengurangi porositas tetapi juga meningkatkan mikrostruktur las dan meningkatkan kualitas las. Sejumlah besar penelitian terutama berfokus pada berbagai aspek pengelasan laser berosilasi, termasuk pengurangan porositas, optimasi distribusi energi, penyempurnaan struktur butir, dan karakterisasi aliran lelehan di kolam lelehan. Distribusi energi laser memainkan peran penting dalam distribusi suhu dan kedalaman penetrasi pengelasan laser. Pada amplitudo osilasi tertentu, dengan peningkatan frekuensi pemindaian, proses pengelasan bertransisi dari pengelasan penetrasi dalam ke pengelasan tidak stabil, dan akhirnya ke pengelasan konduksi panas. Hasil penelitian menunjukkan bahwa peningkatan amplitudo dan frekuensi pemindaian dapat mengurangi porositas, tetapi juga secara signifikan mengurangi kedalaman penetrasi las, sehingga mengurangi sifat mekanik las. Dalam beberapa tahun terakhir, laser mode cincin yang dapat disesuaikan (ARM) telah dikembangkan, yang membagi energi laser menjadi inti dengan kepadatan energi tinggi dan cincin dengan kepadatan energi rendah, bertujuan untuk menstabilkan lubang kunci dan meningkatkan kualitas pengelasan. Para peneliti telah menggunakan pengelasan osilasi laser ARM untuk mengelas paduan aluminium berkekuatan tinggi 6xxx di bawah rasio daya inti/cincin dan lebar osilasi yang berbeda. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa faktor utama yang memengaruhi geometri las adalah lebar osilasi, bukan rasio daya inti-cincin. Namun, distribusi pori dan mekanisme penghambatannya di bawah superposisi osilasi dan laser ARM belum dipelajari. Dalam makalah ini, teknologi pengelasan osilasi laser ARM baru diadopsi untuk mengurangi porositas las, mendapatkan kedalaman penetrasi yang lebih tinggi, dan kualitas las yang lebih baik. Sebuah studi komprehensif tentang distribusi energi laser, perilaku dinamis kolam lelehan, dan struktur mikro di bawah frekuensi dan amplitudo osilasi yang berbeda dilakukan.

3. Tujuan dan Prosedur Eksperimental

Teknologi pengelasan osilasi laser melingkar digunakan untuk mengelas paduan aluminium. Material dasar (BM) adalah paduan aluminium 5083-O dengan dimensi 300mm × 100mm × 5mm (panjang × lebar × tebal), dan komposisi kimianya ditunjukkan pada tabel. Sebelum pengelasan, sampel dipoles untuk menghilangkan lapisan oksida permukaan, kemudian dibersihkan dengan aseton dalam bak ultrasonik selama 15 menit untuk menghilangkan minyak permukaan.sistem pengelasan laserSistem ini terutama terdiri dari robot Kuka, laser disk TruDisk 8001, dan pemindai galvanometer PFO 3D. Laser disk TruDisk 8001 digunakan sebagai sumber laser mode cincin yang dapat disesuaikan, dengan rasio serat inti/cincin 100/400 μm dan daya keluaran maksimum 8 kW (panjang gelombang 1030 nm, parameter kualitas berkas 4,0 mm·rad). Berkas laser terdiri dari bagian inti dan bagian cincin, di mana laser di bagian inti tengah menghasilkan lubang kunci (60% dari energi laser), dan laser di bagian cincin memastikan distribusi suhu yang baik (40% dari energi laser), seperti yang ditunjukkan pada Gambar (b). Panjang fokus kolimator dan lensa fokus masing-masing adalah 138 mm dan 450 mm. Selama proses pengelasan, kamera berkecepatan tinggi Phantom V1840 dan sumber cahaya frekuensi tinggi Cavilux digunakan untuk memantau proses pengelasan secara real-time, dengan kecepatan pengambilan gambar 5000 fps dan waktu paparan 1 μs. Dalam penelitian ini, lintasan osilasi berkas melingkar, jalur pergerakan laser, dan kecepatan sesaat didefinisikan seperti yang ditunjukkan pada gambar.

4. Hasil dan Diskusi

4.1 Karakteristik Morfologi Lasan Morfologi permukaan las di bawah mode osilasi laser yang berbeda ditunjukkan pada gambar. Hasil menunjukkan bahwa permukaan las pengelasan garis lurus konvensional kasar (kekasaran 78,01 μm), dengan kontinuitas riak las yang buruk dan penyebaran las yang tidak memadai. Pembentukan las yang tidak memadai, percikan yang parah, dan undercut juga diamati. Dengan peningkatan amplitudo dan frekuensi osilasi, permukaan las menunjukkan sisik ikan yang padat dan seragam. Kekasaran permukaan las dengan amplitudo osilasi 0,5 mm, 1 mm, dan 2 mm masing-masing adalah 80,71 μm, 49,63 μm, dan 31,12 μm. Tidak ada ketidakaturan atau tonjolan yang disebabkan oleh percikan. Hasil menunjukkan bahwa frekuensi osilasi yang lebih tinggi menghasilkan aliran kolam leleh yang lebih teratur, efek pengadukan sinar laser yang lebih kuat, dan permukaan las yang lebih ideal. Pada dasarnya, bentuk las laser berhubungan langsung dengan pergerakan sinar laser. Selama pengelasan, perubahan amplitudo dan frekuensi osilasi mengubah kecepatan pengelasan, sehingga memengaruhi kepadatan energi linier dan total masukan panas laser. Morfologi penampang las berbentuk "piala", terdiri dari dua bagian: bagian bawah adalah "batang", dan bagian atas adalah "mangkuk". Kedalaman penetrasi dan "batang" didefinisikan sebagai H1 dan H2, sedangkan lebar las ("mangkuk") dan "batang" didefinisikan sebagai W1 dan W2. Lebar las W1 dan W2 keduanya meningkat secara sinkron dengan peningkatan amplitudo osilasi, dan morfologi las secara bertahap berubah dari bentuk "piala" menjadi bentuk "bulan sabit". Kepadatan energi laser maksimum muncul pada tumpang tindih lintasan. Dengan membandingkan Gambar (b, d) dan (c, e), dapat dilihat bahwa peningkatan frekuensi pemindaian akan meningkatkan area tumpang tindih lintasan di sepanjang jalur pemindaian, sehingga distribusi energi laser menjadi lebih seragam. Namun, pengurangan kepadatan energi maksimum akan menyebabkan penurunan kedalaman pengelasan.

4.2 Perilaku Kolam Lelehan Untuk mengklarifikasi pengaruh jalur pemindaian pada perilaku kolam lelehan, sistem kamera berkecepatan tinggi digunakan untuk mengamati proses evolusi kolam lelehan dan lubang kunci. Gambar (a) menunjukkan proses evolusi kolam lelehan di bawah jalur garis lurus. Gambar (bf) adalah diagram evolusi kolam lelehan di bawah parameter osilasi yang berbeda. Dengan peningkatan frekuensi dan amplitudo osilasi, bagian belakang kolam lelehan menjadi lebih bulat karena perluasan lebar kolam lelehan. Seiring bertambahnya panjang kolam lelehan, fluktuasi permukaan yang disebabkan oleh erupsi lubang kunci berkurang selama perambatan mundur. Oleh karena itu, logam cair yang meleleh membeku dengan halus dan teratur di ujung belakang kolam lelehan, membentuk sisik ikan las yang seragam dan padat. Gambar tersebut menunjukkan perubahan luas bukaan lubang kunci selama pengelasan laser, yang diperoleh dari gambar fotografi berkecepatan tinggi dari kolam lelehan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar (a), selama pengelasan garis lurus, ukuran bukaan lubang kunci menunjukkan fluktuasi yang jelas. Beberapa contoh penutupan lubang kunci (0 mm²) diamati, dengan luas bukaan lubang kunci rata-rata 0,47 mm². Peningkatan amplitudo osilasi juga dapat mengurangi fluktuasi dan meningkatkan stabilitas. Hal ini karena pada pengelasan osilasi, sebagian besar energi didistribusikan ke kedua sisi. Oleh karena itu, lubang keluar pada lubang kunci melebar, dan amplitudo osilasi meningkat, sehingga meningkatkan luas bukaan. Peningkatan amplitudo memperluas jangkauan pengadukan sinar laser, yang menyebabkan perluasan radius gerakan periodik lubang kunci. Karena viskositas logam cair dan tekanan hidrodinamik yang bekerja di dekat dinding lubang kunci, gerakan arus eddy terjadi di kolam lelehan pengelasan di dekat bukaan lubang kunci. Perluasan luas bukaan lubang kunci meningkatkan stabilitasnya, menghindari pembentukan gelembung, dan dengan demikian secara signifikan menghambat porositas.

4.3 Mikrostruktur Gambar tersebut menunjukkan morfologi EBSD dari penampang las pada frekuensi dan amplitudo osilasi yang berbeda. Di dekat garis fusi las laser, butiran dendrit kolumnar tumbuh menuju pusat las. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar (a), antara daerah "mangkuk" dan "batang", perbedaan yang jelas dalam distribusi butiran kolumnar dapat diamati. Butiran kolumnar terdistribusi dalam bentuk U di sepanjang dinding "mangkuk", sedangkan di daerah "batang", butiran kolumnar terdistribusi dalam bentuk U di sepanjang garis fusi. Selama pembekuan las, butiran yang sebagian membeku di zona fusi bertindak sebagai situs nukleasi untuk front pembekuan dan tumbuh secara preferensial tegak lurus terhadap batas kolam lelehan sepanjang arah gradien suhu maksimum. Fenomena ini terjadi karena kepadatan daya laser yang tinggi menyebabkan pemanasan berlebih di dalam kolam las. Gradien termal G yang lebih tinggi dan laju pertumbuhan R yang moderat membuat G/R lebih besar dari ambang batas untuk transformasi mikrostruktur, sehingga menghasilkan pembentukan butiran kolumnar. Gradien suhu G di pusat las menurun, menyebabkan rasio G/R secara bertahap turun di bawah ambang batas transformasi mikrostruktur, beralih ke butiran equiaxed. Butiran equiaxed terletak di bagian tengah "mangkuk" dan "batang". Karena "batang" las sempit dan dekat dengan material dasar, ia membeku sepenuhnya sebelum daerah "mangkuk" selama pendinginan. Bagian "batang" yang membeku bertindak sebagai tempat nukleasi di bagian bawah "mangkuk", mendorong pertumbuhan butiran kolumnar ke atas. Gambar tersebut menunjukkan proses pengelasan garis lurus dan berosilasi. Terlihat bahwa perubahan posisi sinar laser yang terus menerus dalam pengelasan laser berosilasi akan meningkatkan panjang kolam lelehan perantara, melelehkan kembali logam yang sudah membeku, sehingga mengakibatkan penurunan laju pertumbuhan butiran r. Hal ini dapat menyebabkan penurunan G/R di zona butiran equiaxed bagian bawah.

4.4 Distribusi Porositas Tomografi sinar-X tiga dimensi digunakan untuk melakukan inspeksi komprehensif pada lasan, sehingga diperoleh distribusi pori tiga dimensi pada lasan, seperti yang ditunjukkan pada gambar. Porositas dihitung sebagai total volume pori dibagi dengan total volume lasan. Dengan membandingkan morfologi dan distribusi pori pada lasan osilasi laser garis lurus dan lasan osilasi laser melingkar, ditemukan bahwa lasan osilasi laser garis lurus mengandung lebih banyak pori bervolume besar, dengan porositas 2,49%, yang secara signifikan lebih tinggi daripada lasan melingkar.pengelasan osilasi laserDengan membandingkan Gambar (b, c) dan (d, e), dapat dilihat bahwa peningkatan frekuensi osilasi membantu menghambat pembentukan pori-pori. Membandingkan Gambar (b, d) dan (c, e), dapat dilihat bahwa peningkatan amplitudo osilasi juga memainkan peran penting dalam menghambat pembentukan pori-pori. Ketika amplitudo osilasi ditingkatkan lebih lanjut menjadi 2 mm (Gambar (f)), porositas semakin berkurang menjadi 0,22%, hanya menyisakan pori-pori bervolume kecil dan berukuran kecil. Gambar tersebut menggambarkan distribusi luas pori pada jarak yang berbeda dari garis tengah las, yang mewakili porositas berdasarkan ukuran luas pori. Untuk pengelasan garis lurus, luas pori terdistribusi secara simetris di sepanjang garis tengah las, dan secara bertahap berkurang seiring dengan peningkatan jarak dari garis tengah las. Hasil menunjukkan bahwa pori-pori yang disebabkan oleh lubang kunci terutama terkonsentrasi di belakang cekungan kolam lelehan di garis tengah las. Untuk pengelasan osilasi laser, simetri distribusi pori menjadi lebih lemah. Gambar tersebut menunjukkan area pori pada jarak yang berbeda dari permukaan las, di mana garis merah mewakili batas antara daerah "mangkuk" dan "batang". Dalam kasus pori besar yang dominan (Gambar (ac)), area pori di atas batas mencakup lebih dari 85%. Hal ini karena transisi kontur pada batas longitudinal yang panjang lebih mungkin menjebak gelembung di kolam las, dan gelembung yang terjebak cenderung bermigrasi ke atas di bawah pengaruh daya apung. Dalam kasus pori kecil yang dominan (Gambar (df)), pori-pori terkonsentrasi di area dalam jarak 0,5 mm di bawah garis batas. Waktu pendinginan yang singkat dan perpindahan ke atas yang kecil mungkin menjadi alasan fenomena ini.

5 Kesimpulan

(1) Mode osilasi laser yang berbeda memiliki pengaruh yang jelas pada permukaan las. Amplitudo dan frekuensi yang lebih tinggi dapat meningkatkan kualitas permukaan, sedangkan parameter osilasi yang terlalu besar dapat meningkatkan kekasaran dan menyebabkan cacat cekung.

(2) Bentuk las terutama ditentukan oleh parameter osilasi laser, yang mempengaruhi kecepatan pengelasan, distribusi energi, dan masukan panas total. Dengan peningkatan amplitudo osilasi, morfologi las berubah dari “piala” menjadi “bulan sabit”, dan rasio aspek menurun.

(3) Dengan meningkatnya amplitudo dan frekuensi osilasi, kolam lelehan menjadi lebih lebar dan bagian belakangnya menjadi membulat. Efek osilasi meningkatkan panjang kolam lelehan, yang bermanfaat untuk keluarnya gelembung dan pembekuan yang seragam. Selama pengelasan garis lurus, area bukaan lubang kunci berfluktuasi; secara relatif, fluktuasi ini dapat dikurangi, sehingga meningkatkan stabilitas pengelasan.

(4) Peningkatan amplitudo dan frekuensi osilasi mengurangi gradien termal dan laju pertumbuhan, yang bermanfaat untuk pembentukan ukuran butir yang besar. Namun, efek pengadukan laser bermanfaat untuk memperhalus ukuran butir dan meningkatkan kekuatan tekstur. Di bawah parameter laser yang berbeda, kekerasan las tetap relatif stabil, sedikit lebih rendah daripada bahan dasar, yang mungkin disebabkan oleh kehilangan penguapan magnesium.

(5) Tomografi sinar-X tiga dimensi menunjukkan bahwa pengelasan garis lurus memiliki porositas lebih tinggi (2,49%) dan volume pori lebih besar daripada pengelasan berosilasi. Peningkatan parameter osilasi dapat secara signifikan mengurangi porositas, bahkan mencapai 0,22% ketika amplitudonya 2 mm. Distribusi luas pori bergeser dengan osilasi: pori-pori besar berkumpul di belakang kolam lelehan, dan pori-pori kecil memiliki simetri yang lebih baik. Pori-pori besar terutama terdistribusi di atas batas antara daerah "mangkuk" dan "batang", sedangkan pori-pori kecil terkonsentrasi di bawah batas.