Заварување со ласерски зрак, со своите карактеристики на голема брзина, висока прецизност и бесконтактни карактеристики, е широко применет во области како што се автомобили, воздухопловство и електронски уреди, особено покажувајќи уникатни предности во поврзувањето на различни материјали. Сепак, пукнатините при стврднување (пукнатини при стврднување) генерирани за време на процесот на заварување се еден од клучните дефекти што ја ограничуваат неговата индустриска примена. Овие пукнатини обично се јавуваат на крајот од стврднувањето во зоната на фузија (зона на фузија), предизвикани од комбинираните ефекти на термичкиот стрес, собирањето при стврднување и течниот филм на границите на зрната, значително намалувајќи ги механичките својства и векот на траење на заморот на спојот.
1. Механизам на формирање
Основниот механизам на пукнатините при стврднување лежи во преостанатиот течен филм на границите на зрната на крајот од стврднувањето. За време на процесот на стврднување, стопениот базен е поделен на три зони: зона на слободна течност, зона на ограничена течност и зона на цврста состојба, како што е прикажано на Слика 1. Во зоната на ограничена течност, протокот на течност е блокиран и не може да го компензира напрегањето генерирано од стврднувањето, што резултира со раздвојување на границите на зрната. Односот на енергијата на границата на зрната (γgb) кон енергијата на интерфејсот помеѓу цврсто и течно тело (γsl) ја одредува стабилноста на течниот филм: ако γgb < 2γsl, течниот филм е нестабилен и се јавува спојување на зрната; обратно, течниот филм е стабилен и е склонен кон појава на пукнатини.
Понатаму, формирањето на пукнатини при стврднување е поврзано и со металуршките својства на материјалите. Различните материјали имаат различни карактеристики на стврднување, како што се температурниот опсег на стврднување, стапката на собирање при стврднување и распределбата на легираните елементи итн. Овие карактеристики влијаат на чувствителноста на пукнатините. На пример, кај материјали што содржат голема количина на евтектички фази со ниска точка на топење, чувствителноста на пукнатините при стврднување е поголема бидејќи овие евтектички фази се склони кон формирање континуирани течни филмови за време на стврднувањето, со што се интензивира формирањето на пукнатини.
За време напроцес на ласерско заварување, параметрите на заварување како што се моќноста на ласерот, брзината на заварување и големината на точката, исто така, имаат влијание врз формирањето на пукнатини при зацврстување. Овие параметри влијаат на влезот на топлина и градиентот на температурата за време на процесот на заварување, со што се менува структурата на зацврстување и морфологијата на зрната. На пример, поголемата моќност на ласерот и помалата брзина на заварување резултираат со поголем влез на топлина и побавна стапка на ладење, што го поттикнува растот на столбовидните кристали и ја зголемува чувствителноста на пукнатини. Спротивно на тоа, помалата моќност на ласерот и поголемата брзина на заварување доведуваат до помал влез на топлина и побрза стапка на ладење, олеснувајќи го формирањето на еквиаксијални кристали и намалувајќи ја чувствителноста на пукнатини.
2. Мерки за сузбивање
За ефикасно потиснување на пукнатините на стврднувањето воласерско заварување, истражувачите предложија различни стратегии, кои главно се фокусираат на контрола на структурата на зрната, оптимизирање на параметрите за заварување и подобрување на својствата на материјалот. Со рафинирање на структурата на зрната, може да се зголеми бројот на граници на зрната, а концентрацијата на стрес може да се намали, со што се намалува формирањето на пукнатини. Студиите покажаа дека со користење на технологија на осцилација на ласерски зрак, колонографските кристали можат да се трансформираат во фини еквиоксирани кристали без додавање на други материјали. Осцилацијата на ласерскиот зрак може да ја дисперзира енергијата на ласерот, предизвикувајќи растопениот базен да генерира турбуленција, со што се нарушува насоката на раст на колонографските кристали и се поттикнува формирањето на еквиоксирани кристали, како што е прикажано на Слика 3. Покрај тоа, осцилацијата на ласерскиот зрак може да ја зголеми и ширината на растопениот базен, да го намали градиентот на температурата и да го продолжи времето на зацврстување на растопениот базен, што е погодно за дифузија на растворени супстанции и надополнување на течни филмови, со што значително се намалува чувствителноста на пукнатините при зацврстување.
Распределба на течни филмови на границата на зрната под различни форми на базени.
Шематски дијаграм на базенот за заварување на стопена материја, a, b) без осцилација, c, d) странична осцилација, e, f) надолжна осцилација, g, h) периферна осцилација.
Покрајласерски зракТехнологијата на осцилација, со користење на двојни ласерски извори, е исто така еден од ефикасните методи за сузбивање на пукнатините при стврднување. Двојните ласерски извори можат да постигнат трансформација од колонообразни кристали во еквиоксирани кристали со оптимизирање на термичкиот циклус, со што се намалува големината на зрната и концентрацијата на деформација. На пример, кога се користи CO₂ ласер како главен извор на топлина и Nd:YAG пулсен ласер како помошен извор на топлина, може да се формира оптимизиран термички циклус за време на заварувањето, поттикнувајќи го формирањето на еквиоксирани кристали и намалувајќи ја чувствителноста на пукнатините при стврднување, како што е прикажано на Слика 4.
Оптимизирањето на параметрите за заварување е исто така важно средство за сузбивање на пукнатините при зацврстување. Со прилагодување на параметри како што се моќноста на ласерот, брзината на заварување и големината на точката, може да се контролира влезот на топлина и градиентот на температурата за време на процесот на заварување, со што се влијае на структурата на зацврстување и морфологијата на зрната. Студиите покажаа дека третманот со претходно загревање може да ја намали брзината на ладење, да го поттикне формирањето на еквиаксијални кристали и со тоа да ја намали чувствителноста на пукнатините при зацврстување, како што е прикажано на Слика 5. Покрај тоа, методите како што се користење на пулсно ласерско заварување и зголемување на брзината на заварување, исто така, можат да ја постигнат трансформацијата од колонообразни кристали во еквиаксијални кристали со промена на влезот на топлина и брзината на ладење, со што се намалува чувствителноста на пукнатините.
Слика 5. а) Незагреани, б) 300°C претходно загреани еквизагрирани зрна.
При заварување на различни материјали со ласери, поради значителните разлики во физичките и хемиските својства меѓу материјалите, кршливите интерметални соединенија се склони кон формирање, што е една од главните причини за пукнатини при стврднување. Затоа, прилагодувањето на параметрите и поставките на ласерот за да се намали формирањето или количината на интерметални соединенија е исто така важна стратегија за потиснување на пукнатините при стврднување. На пример, при ласерско заварување на различни материјали од бакар и алуминиум, со контролирање на поместувањето на ласерскиот зрак и брзината на заварување, соодносот на мешање на бакар и алуминиум во стопената мешавина може да се намали, со што се намалува формирањето на кршливи интерметални соединенија и се намалува чувствителноста на пукнатините. Покрај тоа, употребата на материјали за полнење може да ги подобри и перформансите на заварениот спој и да го намали формирањето на пукнатини. Материјалите за полнење можат да го намалат формирањето на интерметални соединенија со промена на составот и микроструктурата на заварениот спој и да ја подобрат цврстината на заварениот спој.
Пукнатините при стврднување се еден од вообичаените дефекти во процесите на ласерско заварување. Нивниот механизам на формирање е сложен и вклучува интеракција на повеќе фактори како што се топлина, механика и металургија. Со длабинско проучување на механизмот на формирање на пукнатините при стврднување, може да се обезбеди теоретска основа за потиснување на пукнатините. Во последниве години, истражувачите предложија различни стратегии за потиснување на пукнатините при стврднување, кои главно се фокусираат на контрола на структурата на зрната, оптимизирање на параметрите на заварување и подобрување на својствата на материјалот. Праксата покажа дека овие стратегии можат ефикасно да ја намалат чувствителноста на пукнатините при стврднување до одреден степен и да го подобрат квалитетот и сигурноста на ласерското заварување. Сепак, поради сложеноста и разновидноста на процесот на ласерско заварување, сè уште постојат некои недостатоци во тековните истражувања. На пример, за механизмите на инхибиција на пукнатините при стврднување под различни материјали и услови на заварување, сè уште е потребно понатамошно длабинско истражување.
Време на објавување: 20 март 2025 година
