Лазерная зваркаДзякуючы высокай хуткасці, высокай дакладнасці і бескантактавым характарыстыкам, шырока ўжываецца ў такіх галінах, як аўтамабілі, аэракасмічная прамысловасць і электронныя прылады, асабліва дэманструючы унікальныя перавагі пры злучэнні разнастайных матэрыялаў. Аднак расколіны пры зацвярдзенні (расколіны пры зацвярдзенні), якія ўтвараюцца падчас працэсу зваркі, з'яўляюцца адным з ключавых дэфектаў, якія абмяжоўваюць яго прамысловае прымяненне. Гэтыя расколіны звычайна ўзнікаюць у канцы зацвярдзення ў зоне сплаўлення (зона сплаўлення), выкліканыя сумесным уздзеяннем тэрмічнага напружання, ўсаджвання пры зацвярдзенні і вадкай плёнкі на межах зерняў, што значна зніжае механічныя ўласцівасці і тэрмін службы злучэння.
1. Механізм фарміравання
Асноўны механізм расколін пры зацвярдзенні заключаецца ў рэшткавай вадкай плёнцы на межах зерняў у канцы зацвярдзення. Падчас працэсу зацвярдзення расплаўленая ванна падзелена на тры зоны: зону свабоднай вадкасці, зону абмежаванай вадкасці і зону цвёрдай фазы, як паказана на малюнку 1. У зоне абмежаванай вадкасці паток вадкасці блакуецца і не можа кампенсаваць дэфармацыю, якая ўзнікае з-за ўсаджвання пры зацвярдзенні, што прыводзіць да разрыву межаў зерняў. Суадносіны энергіі на мяжы зерняў (γgb) да энергіі на мяжы цвёрдага цела і вадкасці (γsl) вызначае стабільнасць вадкай плёнкі: калі γgb < 2γsl, вадкая плёнка няўстойлівая і адбываецца зліццё зерняў; наадварот, вадкая плёнка стабільная, і схільная да ўтварэння расколін.
Акрамя таго, утварэнне расколін пры зацвярдзенні таксама звязана з металургічнымі ўласцівасцямі матэрыялаў. Розныя матэрыялы маюць розныя характарыстыкі зацвярдзення, такія як тэмпературны дыяпазон зацвярдзення, хуткасць ўсаджвання пры зацвярдзенні і размеркаванне элементаў сплаву і г.д. Гэтыя характарыстыкі ўплываюць на адчувальнасць расколін. Напрыклад, у матэрыялах, якія змяшчаюць вялікую колькасць эўтэктычных фаз з нізкай тэмпературай плаўлення, адчувальнасць расколін пры зацвярдзенні вышэйшая, таму што гэтыя эўтэктычныя фазы схільныя ўтвараць суцэльныя вадкія плёнкі падчас зацвярдзення, тым самым узмацняючы ўтварэнне расколін.
Падчаспрацэс лазернай зваркіТакія параметры зваркі, як магутнасць лазера, хуткасць зваркі і памер плямы, таксама ўплываюць на ўтварэнне расколін зацвярдзення. Гэтыя параметры ўплываюць на падвод цяпла і градыент тэмпературы падчас працэсу зваркі, тым самым змяняючы структуру зацвярдзення і марфалогію зерня. Напрыклад, больш высокая магутнасць лазера і меншая хуткасць зваркі прыводзяць да большага падводу цяпла і больш павольнай хуткасці астуджэння, што спрыяе росту слупчатых крышталяў і павялічвае адчувальнасць да расколін. І наадварот, меншая магутнасць лазера і больш высокая хуткасць зваркі прыводзяць да меншага падводу цяпла і больш хуткай хуткасці астуджэння, спрыяючы ўтварэнню роўнавосевых крышталяў і зніжаючы адчувальнасць да расколін.
2. Меры па падаўленні
Для эфектыўнага падаўлення расколін зацвярдзення ўлазерная зваркаДаследчыкі прапанавалі розныя стратэгіі, якія ў асноўным сканцэнтраваны на кантролі зярністай структуры, аптымізацыі параметраў зваркі і паляпшэнні ўласцівасцей матэрыялу. Шляхам удасканалення зярністай структуры можна павялічыць колькасць межаў зерняў і знізіць канцэнтрацыю напружанняў, тым самым памяншаючы ўтварэнне расколін. Даследаванні паказалі, што з дапамогай тэхналогіі ваганняў лазернага прамяня слупчастыя крышталі можна пераўтварыць у дробныя роўнавосевыя крышталі без дадання іншых матэрыялаў. Ваганні лазернага прамяня могуць рассейваць лазерную энергію, выклікаючы турбулентнасць у расплаўленай ванне, тым самым парушаючы кірунак росту слупчастых крышталяў і спрыяючы ўтварэнню роўнавосевых крышталяў, як паказана на малюнку 3. Акрамя таго, ваганні лазернага прамяня таксама могуць павялічыць шырыню расплаўленай ванны, знізіць градыент тэмпературы і падоўжыць час зацвярдзення расплаўленай ванны, што спрыяе дыфузіі раствораных рэчываў і папаўненню вадкіх плёнак, тым самым значна зніжаючы адчувальнасць расколін зацвярдзення.
Размеркаванне плёнак вадкасці па межах зярнят пад рознымі формамі басейнаў.
Схематычная дыяграма расплаўленай ванны зваркі: а, б) без ваганняў, в, г) папярочныя ваганні, д, е) падоўжныя ваганні, ж, ж) акружныя ваганні.
Акрамя таго,лазерны праменьТэхналогія ваганняў з выкарыстаннем падвойных лазерных крыніц таксама з'яўляецца адным з эфектыўных метадаў падаўлення расколін зацвярдзення. Падвойныя лазерныя крыніцы могуць дасягнуць пераўтварэння слупчатых крышталяў у роўнавосевыя крышталі шляхам аптымізацыі тэрмічнага цыклу, тым самым памяншаючы памер зерня і канцэнтрацыю напружанняў. Напрыклад, пры выкарыстанні CO₂-лазера ў якасці асноўнай крыніцы цяпла і імпульснага Nd:YAG-лазера ў якасці дапаможнай крыніцы цяпла, падчас зваркі можа быць сфарміраваны аптымізаваны тэрмічны цыкл, што спрыяе ўтварэнню роўнавосевых крышталяў і зніжае адчувальнасць расколін зацвярдзення, як паказана на малюнку 4.
Аптымізацыя параметраў зваркі таксама з'яўляецца важным сродкам падаўлення расколін зацвярдзення. Рэгулюючы такія параметры, як магутнасць лазера, хуткасць зваркі і памер плямы, можна кантраляваць падвод цяпла і градыент тэмпературы падчас працэсу зваркі, тым самым уплываючы на структуру зацвярдзення і марфалогію зерня. Даследаванні паказалі, што папярэдні нагрэў можа знізіць хуткасць астуджэння, спрыяць утварэнню роўнавосевых крышталяў і тым самым знізіць адчувальнасць расколін зацвярдзення, як паказана на малюнку 5. Акрамя таго, такія метады, як выкарыстанне імпульснай лазернай зваркі і павелічэнне хуткасці зваркі, таксама могуць дасягнуць пераўтварэння слупчатых крышталяў у роўнавосевыя крышталі, змяняючы падвод цяпла і хуткасць астуджэння, тым самым зніжаючы адчувальнасць расколін.
Малюнак 5. а) Ненагрэтыя, б) Нагрэтыя да 300°C роўнавосевыя зярняты.
Пры зварцы разнастайных матэрыялаў лазерамі з-за значных адрозненняў у фізічных і хімічных уласцівасцях паміж матэрыяламі ўтвараюцца далікатныя інтэрметалічныя злучэнні, якія з'яўляюцца адной з асноўных прычын расколін зацвярдзення. Таму карэкціроўка параметраў і налад лазера для памяншэння ўтварэння або колькасці інтэрметалічных злучэнняў таксама з'яўляецца важнай стратэгіяй падаўлення расколін зацвярдзення. Напрыклад, пры лазернай зварцы разнастайных медна-алюмініевых матэрыялаў, кантралюючы зрушэнне лазернага прамяня і хуткасць зваркі, можна паменшыць суадносіны медзі і алюмінію ў расплаўленай ванне, тым самым памяншаючы ўтварэнне далікатных інтэрметалічных злучэнняў і зніжаючы адчувальнасць да расколін. Акрамя таго, выкарыстанне прысадных матэрыялаў таксама можа палепшыць характарыстыкі зварнога злучэння і паменшыць утварэнне расколін. Прысадныя матэрыялы могуць паменшыць утварэнне інтэрметалічных злучэнняў, змяняючы склад і мікраструктуру зварнога злучэння, і палепшыць трываласць зварнога злучэння.
Расколіны зацвярдзення з'яўляюцца адным з распаўсюджаных дэфектаў у працэсах лазернай зваркі. Механізм іх утварэння складаны і ўключае ў сябе ўзаемадзеянне мноства фактараў, такіх як цяпло, механіка і металургія. Дзякуючы глыбокаму вывучэнню механізму ўтварэння расколін зацвярдзення можна стварыць тэарэтычную аснову для падаўлення расколін. У апошнія гады даследчыкі прапанавалі розныя стратэгіі падаўлення расколін зацвярдзення, якія ў асноўным сканцэнтраваны на кантролі зярністай структуры, аптымізацыі параметраў зваркі і паляпшэнні ўласцівасцей матэрыялу. Практыка паказала, што гэтыя стратэгіі могуць эфектыўна знізіць адчувальнасць расколін зацвярдзення да пэўнай ступені і палепшыць якасць і надзейнасць лазернай зваркі. Аднак з-за складанасці і разнастайнасці працэсу лазернай зваркі ў сучасных даследаваннях усё яшчэ існуюць некаторыя недахопы. Напрыклад, для механізмаў падаўлення расколін зацвярдзення ў розных матэрыялах і ўмовах зваркі патрэбныя далейшыя паглыбленыя даследаванні.
Час публікацыі: 20 сакавіка 2025 г.
