В этом исследовании систематически сравнивалось применение обычных LW, OLW и RMOLW на пластинах из титанового сплава TC4. В исследовании использовались различные методы определения характеристик, включая съемку с помощью высокоскоростной камеры, оптическую микроскопию (OM), сканирующую электронную микроскопию (SEM), дифракцию обратного рассеяния электронов (EBSD) и испытания на растяжение. Результаты показывают, что процесс RMOLW значительно улучшает качество формирования поверхности сварного шва, не только устраняя дефекты подрезов, но и значительно уменьшая количество брызг. Механически кольцевая балка расширяет площадь отверстия замочной скважины (до 0,76 мм²), а устойчивые вихри, создаваемые колебаниями балки, эффективно предотвращают закрытие замочной скважины из-за сжатия расплавленного металла, тем самым отсекая источник брызг. Что касается микроструктуры, этот процесс уменьшает температурный градиент и скорость охлаждения ванны расплава, способствуя образованию мелкокорзинчатой морфологии -плетения в центре сварного шва и увеличивая долю границ зерен с большим-углом (HAGB). В конечном итоге сварные соединения RMOLW сохраняют высокую прочность на разрыв (около 1148,8 МПа), а относительное удлинение увеличивается на 35,2% по сравнению с обычной лазерной сваркой, обеспечивая хорошее соответствие прочности и пластичности.
На рис. 1 показана экспериментальная установка RMOLW. В основе лежит использование специальных кольцевых оптических волокон, образующих составной луч, состоящий из центральной сердцевины волокна (100 мкм) и сердцевины внешнего кольца (300 мкм). Пучок не только имеет кольцевое распределение энергии, но и совершает круговую (спиральную) траекторию колебаний через систему гальванометров. Целью этой конструкции является одновременное использование эффекта «расширения отверстия» кольцевой балки и эффекта «перемешивания» колебаний.
Рисунок 1. Принципиальная схема устройства кольцевой-колебательной лазерной сварки: (a) встроенное экспериментальное оборудование (b) поперечное сечение волокна-, диаметр сердцевины и размер фокусной точки (c) фактическая траектория лазерного луча.
На рис. 2 показано, что край поверхности LW волнистый, сопровождается большим количеством брызг, поперечным-сечением в форме буквы "X" и максимальной глубиной подреза. Кромка сварного шва RMOLW прямая и гладкая, практически без брызг, с широким V-образным поперечным сечением-, очень малой глубиной подреза и плавным переходом. Это указывает на то, что распределение энергии RMOLW более равномерное, что эффективно улучшает качество формирования сварного шва.
Рисунок 2. Макроскопическая морфология и морфология поперечного сечения соединений: (а, г, ж) морфология сварки образцов лазерной сварки, (б, д, з) морфология сварки образцов колеблющейся лазерной сварки, (в, е, и) морфология сварки образцов, сваренных кольцевым способом колеблющейся лазерной сваркой.
Рис. 3. Поведение расплавленной ванны и поведение замочной скважины в различных технологических условиях: (а) образование брызг во время лазерной сварки (б) результат колебательной лазерной сварки в течение одного цикла (в) результат колебательной лазерной сварки с кольцевым рисунком пятна в течение одного цикла. На рисунке 4 показано, что LW имеет остроконечное гауссово распределение энергии с чрезвычайно высокой энергией в центре (407,2 Дж/мм²), что приводит к образованию узкой и глубокой ванны расплава. RMOLW демонстрирует равномерное распределение энергии с «плоской вершиной» (максимум всего 107,6 Дж/мм²), при этом равномерность распределения энергии увеличивается в 2,2 раза. Такой равномерный нагрев уменьшает подрезы, делая поперечное сечение сварного шва-шире и гладче.
В ходе исследования путем сравнительного анализа процессов LW, OLW и RMOLW были сделаны следующие основные выводы: 1. RMOLW предотвращает разрушение замочной скважины за счет расширения площади замочного отверстия до 0,76 мм² и введения стабильного вихря, уменьшая разбрызгивание во время сварки на 88,6% по сравнению с обычной лазерной сваркой.. 2. Процесс RMOLW улучшает равномерность распределения энергии луча в 20 раз, устраняет локальный перегрев, уменьшает глубину подреза сварного шва на 56,3 % и образует гладкое V-образное поперечное-сечение. 3.. Синергия кольцевой балки и колебаний уменьшает температурные градиенты и скорости охлаждения в ванне расплава, способствует формированию высоко-прочных и жестких корзинчатых-структур переплетения и ламеллярной альфа-фазы, а также снижает концентрацию ориентации зерен. 4. Благодаря подавлению дефектов подреза и усилению микроструктуры (более высокоугловые границы зерен), удлинение соединений RMOLW увеличивается на 35,2% по сравнению с обычной лазерной сваркой, сохраняя при этом высокую прочность на разрыв, сравнимую с основным материалом.
