Во модерното производство,ласерска технологија за заварувањеШироко се користи во различни области, од воздухопловството до автомобилското производство, од електронска опрема до медицински уреди, со свои предности како висока ефикасност, прецизност и прилагодливост. Јадрото на оваа технологија е интеракцијата на ласерот со материјалот, формирајќи стопен базен и брзо стврднувајќи, со што се овозможува поврзување на метални делови. Базенот за заварување е клучна област во ласерското заварување, а неговите карактеристики директно го одредуваат квалитетот на заварувањето, микроструктурата и конечните перформанси. Затоа, длабинското разбирање и прецизната контрола на карактеристиките на стопениот базен се од витално значење за подобрување на нивото на технологијата за ласерско заварување и задоволување на потребите за висококвалитетни заварени споеви во индустриското производство.
Геометрија на стопен базен
Геометријата на базенот за заварување е важен аспект во истражувањето на ласерското заварување, бидејќи директно влијае на преносот на топлина, протокот на материјалот и конечниот квалитет на заварувањето за време на процесот на заварување. Обликот на стопениот базен обично се опишува според неговата длабочина, ширина, сооднос на ширина и висина, геометрија на зоната зафатена од топлина (HAZ), геометрија на клучалката и геометрија на зоната на стопен метал (MMA). Овие параметри не само што ја одредуваат големината и обликот на заварениот спој, туку влијаат и на термичкиот циклус, брзината на ладење и формирањето на микроструктурата за време на процесот на заварување.
Табела 1. Влијанието на параметрите на ласерското заварување врз геометриските параметри на секој базен за заварување.
Истражувањето покажува дека моќноста на ласерот и брзината на заварување се двата главни параметри на процесот што влијаат на геометријата на базенот за заварување, како што е прикажано во Табела 1. Општо земено, како што моќноста на ласерот се зголемува, а брзината на заварување се намалува, длабочината на базенот за заварување се зголемува, додека ширината се менува релативно малку. Ова е затоа што поголемата моќност на ласерот е во состојба да обезбеди повеќе енергија, дозволувајќи материјалот да се стопи и испари побрзо, што резултира со подлабоки клучалки и базени, како што е прикажано на Слика 1. Меѓутоа, кога моќноста на ласерот е превисока или брзината на заварување е прениска, тоа може да доведе до прегревање на материјалот, прекумерно испарување, па дури и ефект на заштита од плазма, што ќе го намали квалитетот на заварувањето. Затоа, во самиот процес на заварување, потребно е разумно да се избере моќноста на ласерот и брзината на заварување според специфичните карактеристики на материјалот и барањата за заварување, со цел да се добие идеална геометрија на базенот за заварување.
Слика 1. Различни облици на заварување формирани со ласерско заварување со топлинска спроводливост и ласерско заварување со длабока пенетрација.
Покрај моќноста на ласерот и брзината на заварување, термичките физички својства на материјалот, состојбата на површината, заштитниот гас и други фактори, исто така, ќе имаат влијание врз геометријата на базенот за заварување. На пример, колку е поголема топлинската спроводливост на материјалот, толку е побрз преносот на топлина низ материјалот и толку е побрза брзината на ладење на стопениот базен, што може да резултира со релативно мала големина на стопениот базен. Рапавоста на површината и чистотата на материјалот ќе влијаат на брзината на апсорпција на ласерот, а потоа ќе влијаат на формирањето и стабилноста на стопениот базен. Покрај тоа, видот и брзината на проток на заштитниот гас, исто така, ќе имаат одредено влијание врз обликот и квалитетот на стопениот базен, соодветниот заштитен гас може ефикасно да го спречи стопениот базен од оксидација и загадување, но исто така може да ја прилагоди површинската напнатост и карактеристиките на протокот на стопениот базен, со цел да се подобри квалитетот на заварувањето.
Слика 2. Облик на стопената локва кога ласерот се ниша.
Со промена на траекторијата на ласерскиот зрак, ласерското нишање може значително да влијае на обликот и карактеристиките на стопениот базен, како што е прикажано на Слика 2. Како што ласерскиот зрак се ниша, обликот на стопениот базен станува поуниформен и постабилен. Осцилирачкиот ласерски зрак создава поширока загреана површина на површината на базенот, правејќи ги рабовите на базенот помазни и намалувајќи ги острите рабови и неправилните форми. Ова униформно загревање помага да се подобри квалитетот и механичките својства на заварениот спој и да се намалат дефектите на заварувањето, како што се пукнатини и пори. Покрај тоа, ласерското нишање може да ја зголеми и флуидноста на стопениот базен, да го поттикне испуштањето на гасови и нечистотии во стопениот базен и дополнително да ја подобри густината и униформноста на заварениот спој.
Динамика на стопениот базен
Термодинамиката на стопениот базен е уште една клучна област во истражувањето на ласерското заварување, која вклучува апсорпција, пренос и конверзија на ласерската енергија во стопениот базен, како и распределбата на температурното поле, брзината на ладење и однесувањето на фазниот премин предизвикано од него. Термодинамичките карактеристики на заварениот базен не само што ја одредуваат формата и големината на заварениот базен, туку и директно влијаат на микроструктурата и механичките својства на заварениот спој.
Во процесот на ласерско заварување, откако ласерската енергија ќе се апсорбира од материјалот, таа ќе создаде област со висока температура во базенот на топење, предизвикувајќи материјалот да се топи и испарува. Во исто време, топлината ќе се пренесе од регионот со висока температура во регионот со ниска температура преку топлинска спроводливост, конвекција и зрачење, така што температурата на материјалот околу базенот на стопена течност ќе се зголеми, а потоа ќе влијае на микроструктурата и својствата на материјалот. Поради малата големина, големиот температурен градиент и брзата брзина на ладење на базенот на стопена течност, многу е тешко директно да се измери температурното поле и брзината на ладење. Затоа, повеќето студии се спроведуваат за да се проучат термодинамичките својства на базените на стопена течност со воспоставување математички модели и методи на нумеричка симулација.
Во термодинамичкиот модел на стопен базен, обично треба да се земат предвид следниве клучни фактори: Прво, механизмот на апсорпција на ласерската енергија, вклучувајќи ги карактеристиките на рефлексија, апсорпција и пренос на површината на материјалот, како и процесот на расејување и апсорпција на ласерот во материјалот. Различните материјали и параметри на ласерот ќе доведат до различни стапки на апсорпција и распределба на енергија, што ќе влијае на термодинамичкото однесување на стопениот базен. Второ, термичките физички својства на материјалот, како што се специфичниот топлински капацитет, топлинската спроводливост, густината итн., овие параметри ќе се менуваат со промената на температурата, што има важно влијание врз процесот на пренос на топлина. Покрај тоа, потребно е да се земат предвид и процесите на проток на флуид и фазна промена во стопениот базен, како што се топење, испарување и зацврстување, што ќе ја промени формата и распределбата на температурното поле на стопениот базен, но исто така ќе влијае на микроструктурата и механичките својства на материјалот.
Преку нумеричка симулација и експериментална студија, истражувачите откриле дека распределбата на температурното поле во базенот со стопена течност обично претставува значителна нерамномерност, областа со висока температура е главно концентрирана во областа на дејството на ласерот и клучалката, а температурата постепено се намалува до работ на базенот со стопена течност и зоната погодена од топлина. Стапката на ладење се зголемува со намалување на големината на базенот со стопена течност и зголемување на растојанието од областа на ласерот. Општо земено, стапката на ладење е помала во центарот на базенот со стопена течност и областа на клучалката, додека стапката на ладење е поголема на работ на базенот со стопена течност и зоната погодена од топлина, како што е прикажано на Слика 2. Оваа нерамномерна распределба на температурното поле и стапката на ладење ќе доведе до очигледни промени на градиентот во микроструктурата на заварениот спој, како што се големината на зрната, составот и распределбата на фазите, што ќе влијае на механичките својства и отпорноста на корозија на заварениот спој.
Слика 3. Резултати од симулација на формирање на клучалка и растопен базен за време на ласерско длабинско пенетрациско заварување на плоча од не'рѓосувачки челик.
За да се подобрат термодинамичките карактеристики на стопениот базен, да се подобри квалитетот на заварувањето и да се намалат дефектите на заварувањето, предложени се низа методи и мерки за оптимизација. На пример, со прилагодување на параметрите на ласерот, како што се моќноста на ласерот, брзината на заварување, дијаметарот на точката итн., влезниот режим и распределбата на ласерската енергија може да се променат за да се оптимизира температурното поле и брзината на ладење на стопениот базен. Покрај тоа, термодинамичкото однесување и еволуцијата на микроструктурата на стопениот базен може да се прилагодат со користење на претходно загревање, пост-загревање, повеќекратно заварување и други методи на процесирање, како и со користење на различни заштитни гасови и атмосфери за заварување. Во исто време, развојот на нови материјали за заварување и легирани системи за подобрување на термичката стабилност и перформансите на заварување на материјалите е исто така еден од важните начини за подобрување на термодинамичките карактеристики на стопените базени.
Карактеристиките на базенот за ласерско заварување се клучни фактори кои влијаат на квалитетот на заварувањето, микроструктурата и механичките својства. Длабинската студија на геометријата и термодинамичките карактеристики на базенот за ласерско заварување е од големо значење за оптимизирање на процесот на ласерско заварување и подобрување на ефикасноста и квалитетот на заварувањето. Преку голем број експериментални истражувања и нумерички симулациски анализи, истражувачите постигнаа низа важни истражувачки резултати, кои обезбедуваат силна теоретска поддршка и технички насоки за развој и примена на технологијата за ласерско заварување. Сепак, сè уште има некои недостатоци во тековните истражувања, како што се поедноставувањето на моделот и премногу претпоставки, а предвидувањето на карактеристиките на базенот за топење под сложени работни услови не е доволно точно. Систематското и сеопфатно експериментално истражување треба да се подобри, а недостасуваат и длабински истражувања за повеќе материјали и параметри на заварување.
Време на објавување: 28 февруари 2025 година
