У сучаснай вытворчасці,тэхналогія лазернай зваркішырока выкарыстоўваецца ў розных галінах, ад аэракасмічнай да аўтамабільнай вытворчасці, ад электроннага абсталявання да медыцынскіх прылад, дзякуючы сваім перавагам высокай эфектыўнасці, дакладнасці і адаптыўнасці. Асновай гэтай тэхналогіі з'яўляецца ўзаемадзеянне лазера з матэрыялам, утварэнне расплаўленай ванны і хуткае застыванне, што дазваляе злучаць металічныя дэталі. Зварачная ванна з'яўляецца ключавой вобласцю ў лазернай зварцы, і яе характарыстыкі непасрэдна вызначаюць якасць зваркі, мікраструктуру і канчатковыя характарыстыкі. Таму глыбокае разуменне і дакладны кантроль характарыстык расплаўленай ванны маюць жыццёва важнае значэнне для павышэння ўзроўню тэхналогіі лазернай зваркі і задавальнення патрэбаў у высакаякасных зварных злучэннях у прамысловай вытворчасці.
Геаметрыя расплаўленай ванны
Геаметрыя зварачнай ванны з'яўляецца важным аспектам у даследаваннях лазернай зваркі, паколькі яна непасрэдна ўплывае на цеплаперадачу, паток матэрыялу і канчатковую якасць зваркі падчас працэсу зваркі. Форма расплаўленай ванны звычайна апісваецца яе глыбінёй, шырынёй, суадносінамі бакоў, геаметрыяй зоны цеплавога ўздзеяння (ЗТВ), геаметрыяй замочнай адтуліны і геаметрыяй зоны расплаўленага металу (ЗРМ). Гэтыя параметры не толькі вызначаюць памер і форму зварнога злучэння, але і ўплываюць на тэрмічны цыкл, хуткасць астуджэння і фарміраванне мікраструктуры падчас працэсу зваркі.
Табліца 1. Уплыў параметраў лазернай зваркі на геаметрычныя параметры кожнай зварачнай ванны.
Даследаванні паказваюць, што магутнасць лазера і хуткасць зваркі з'яўляюцца двума асноўнымі параметрамі працэсу, якія ўплываюць на геаметрыю зварачнай ванны, як паказана ў Табліцы 1. У цэлым, па меры павелічэння магутнасці лазера і зніжэння хуткасці зваркі, глыбіня зварачнай ванны павялічваецца, у той час як шырыня змяняецца адносна мала. Гэта звязана з тым, што больш высокая магутнасць лазера здольная забяспечыць больш энергіі, што дазваляе матэрыялу хутчэй плавіцца і выпарацца, што прыводзіць да больш глыбокіх замочных свідравін і ванн, як паказана на Малюнку 1. Аднак, калі магутнасць лазера занадта высокая або хуткасць зваркі занадта нізкая, гэта можа прывесці да перагрэву матэрыялу, празмернага выпарэння і нават эфекту плазменнага экранавання, што знізіць якасць зваркі. Такім чынам, у рэальным працэсе зваркі неабходна разумна выбіраць магутнасць лазера і хуткасць зваркі ў адпаведнасці з канкрэтнымі характарыстыкамі матэрыялу і патрабаваннямі да зваркі, каб атрымаць ідэальную геаметрыю зварачнай ванны.
Малюнак 1. Розныя формы зварных швоў, атрыманыя пры лазернай цеплаправоднай зварцы і лазернай зварцы з глыбокім пранікненнем.
Акрамя магутнасці лазера і хуткасці зваркі, на геаметрыю зварачнай ванны ўплываюць таксама цеплафізічныя ўласцівасці матэрыялу, стан паверхні, ахоўны газ і іншыя фактары. Напрыклад, чым вышэй цеплаправоднасць матэрыялу, тым хутчэй цеплаперадача праз матэрыял і тым хутчэй хуткасць астуджэння расплаўленай ванны, што можа прывесці да адносна невялікага памеру расплаўленай ванны. Шурпатасць і чысціня паверхні матэрыялу ўплываюць на хуткасць паглынання лазера, а значыць, і на фарміраванне і стабільнасць расплаўленай ванны. Акрамя таго, тып і хуткасць патоку ахоўнага газу таксама аказваюць пэўны ўплыў на форму і якасць расплаўленай ванны. Адпаведны ахоўны газ можа эфектыўна прадухіліць акісленне і забруджванне расплаўленай ванны, а таксама рэгуляваць павярхоўнае нацяжэнне і характарыстыкі цякучасці расплаўленай ванны, каб палепшыць якасць зваркі.
Малюнак 2. Форма расплаўленай ванны пры ваганні лазера.
Змяняючы траекторыю лазернага прамяня, лазернае ваганне можа істотна паўплываць на форму і характарыстыкі расплаўленай ванны, як паказана на малюнку 2. Па меры ваганняў лазернага прамяня форма расплаўленай ванны становіцца больш аднастайнай і стабільнай. Вагальны лазерны прамень стварае больш шырокую нагрэтую зону на паверхні ванны, робячы краю ванны больш гладкімі і памяншаючы вострыя краю і няправільныя формы. Гэты раўнамерны нагрэў дапамагае палепшыць якасць і механічныя ўласцівасці зварнога злучэння і паменшыць дэфекты зваркі, такія як расколіны і поры. Акрамя таго, лазернае ваганне таксама можа павялічыць цякучасць расплаўленай ванны, спрыяць вылучэнню газаў і прымешак у расплаўленай ванне, а таксама дадаткова палепшыць шчыльнасць і аднастайнасць зварнога злучэння.
Дынаміка расплаўленай лужыны
Тэрмінаміка расплаўленай ванны — яшчэ адна ключавая вобласць даследаванняў лазернай зваркі, якая ўключае ў сябе паглынанне, перадачу і пераўтварэнне лазернай энергіі ў расплаўленай ванне, а таксама размеркаванне тэмпературнага поля, хуткасць астуджэння і фазавыя пераходы, выкліканыя гэтым. Тэрмінамічныя характарыстыкі зварачнай ванны не толькі вызначаюць форму і памер зварачнай ванны, але і непасрэдна ўплываюць на мікраструктуру і механічныя ўласцівасці зварнога злучэння.
У працэсе лазернай зваркі, пасля таго, як лазерная энергія паглынаецца матэрыялам, у расплавленай ванне ўтвараецца вобласць з высокай тэмпературай, што прыводзіць да плаўлення і выпарэння матэрыялу. У той жа час цяпло перадаецца з вобласці высокай тэмпературы ў вобласць нізкай тэмпературы праз цеплаправоднасць, канвекцыю і выпраменьванне, у выніку чаго тэмпература матэрыялу вакол расплавленай ванны павялічваецца, што ўплывае на мікраструктуру і ўласцівасці матэрыялу. З-за малога памеру, вялікага градыенту тэмператур і хуткасці астуджэння расплавленай ванны вельмі цяжка непасрэдна вымераць тэмпературнае поле і хуткасць астуджэння. Таму большасць даследаванняў праводзяцца для вывучэння тэрмадынамічных уласцівасцей расплавленых ванн шляхам стварэння матэматычных мадэляў і метадаў лікавага мадэлявання.
У тэрмадынамічнай мадэлі расплаўленай ванны звычайна неабходна ўлічваць наступныя ключавыя фактары: па-першае, механізм паглынання лазернай энергіі, у тым ліку характарыстыкі адлюстравання, паглынання і прапускання паверхняй матэрыялу, а таксама працэс рассейвання і паглынання лазера ўнутры матэрыялу. Розныя матэрыялы і параметры лазера прывядуць да розных хуткасцей паглынання і размеркавання энергіі, што паўплывае на тэрмадынамічныя ўласцівасці расплаўленай ванны. Па-другое, цеплафізічныя ўласцівасці матэрыялу, такія як удзельная цеплаёмістасць, цеплаправоднасць, шчыльнасць і г.д., гэтыя параметры будуць змяняцца са змяненнем тэмпературы, што аказвае важны ўплыў на працэс цеплаперадачы. Акрамя таго, неабходна таксама ўлічваць працэсы патоку вадкасці і фазавага пераходу ў расплаўленай ванне, такія як плаўленне, выпарэнне і зацвярдзенне, якія зменяць форму і размеркаванне тэмпературнага поля расплаўленай ванны, а таксама ўплываюць на мікраструктуру і механічныя ўласцівасці матэрыялу.
Дзякуючы лікаваму мадэляванню і эксперыментальным даследаванням, даследчыкі выявілі, што размеркаванне тэмпературнага поля ў расплаўленай ванне звычайна мае значную нераўнамернасць, прычым зона высокай тэмпературы ў асноўным сканцэнтравана ў зоне ўздзеяння лазера і замочнай адтуліны, а тэмпература паступова зніжаецца да краю расплаўленай ванны і зоны цеплавога ўздзеяння. Хуткасць астуджэння павялічваецца са памяншэннем памеру расплаўленай ванны і павелічэннем адлегласці ад зоны лазера. Як правіла, хуткасць астуджэння ніжэйшая ў цэнтры расплаўленай ванны і зоне замочнай адтуліны, а вышэйшая — на краі расплаўленай ванны і ў зоне цеплавога ўздзеяння, як паказана на малюнку 2. Гэта нераўнамернае размеркаванне тэмпературнага поля і хуткасці астуджэння прывядзе да відавочных градыентных змен у мікраструктуры зварнога злучэння, такіх як памер зерня, фазавы склад і размеркаванне, што паўплывае на механічныя ўласцівасці і каразійную стойкасць зварнога злучэння.
Малюнак 3. Вынікі мадэлявання ўтварэння замочнай свідравіны і расплаўленай ванны падчас лазернай зваркі з глыбокім пранікненнем пласціны з нержавеючай сталі.
Для паляпшэння тэрмадынамічных характарыстык расплаўленай ванны, павышэння якасці зваркі і памяншэння дэфектаў зваркі быў прапанаваны шэраг метадаў і мер аптымізацыі. Напрыклад, шляхам рэгулявання параметраў лазера, такіх як магутнасць лазера, хуткасць зваркі, дыяметр плямы і г.д., можна змяніць рэжым уваходу і размеркаванне лазернай энергіі для аптымізацыі тэмпературнага поля і хуткасці астуджэння расплаўленай ванны. Акрамя таго, тэрмадынамічныя паводзіны і эвалюцыя мікраструктуры расплаўленай ванны могуць быць рэгуляваны з дапамогай папярэдняга нагрэву, наступнага нагрэву, шматпраходнай зваркі і іншых тэхналагічных метадаў, а таксама выкарыстання розных ахоўных газаў і зварачных атмасфер. У той жа час, распрацоўка новых зварачных матэрыялаў і сістэм сплаваў для паляпшэння тэрмічнай стабільнасці і зварачных характарыстык матэрыялаў таксама з'яўляецца адным з важных спосабаў паляпшэння тэрмадынамічных характарыстык расплаўленых ванн.
Характарыстыкі лазернай зварачнай ванны з'яўляюцца ключавымі фактарамі, якія ўплываюць на якасць зваркі, мікраструктуру і механічныя ўласцівасці. Паглыбленае вывучэнне геаметрыі і тэрмадынамічных характарыстык лазернай зварачнай ванны мае вялікае значэнне для аптымізацыі працэсу лазернай зваркі і павышэння эфектыўнасці і якасці зваркі. Дзякуючы вялікай колькасці эксперыментальных даследаванняў і лікавага мадэлявання, даследчыкі атрымалі шэраг важных вынікаў, якія забяспечваюць моцную тэарэтычную падтрымку і тэхнічныя рэкамендацыі для распрацоўкі і прымянення тэхналогіі лазернай зваркі. Аднак у сучасных даследаваннях усё яшчэ ёсць некаторыя недахопы, такія як спрашчэнне мадэлі і занадта шмат здагадак, а таксама недастаткова дакладнае прагназаванне характарыстык ванны расплаву ў складаных умовах працы. Сістэматычныя і ўсебаковыя эксперыментальныя даследаванні патрабуюць паляпшэння, і не хапае паглыбленых даследаванняў большай колькасці матэрыялаў і параметраў зваркі.
Час публікацыі: 28 лютага 2025 г.
