V sodobni proizvodnji,tehnologija laserskega varjenjase pogosto uporablja na različnih področjih, od vesoljske in vesoljske industrije do avtomobilske proizvodnje, od elektronske opreme do medicinskih pripomočkov, s svojimi prednostmi visoke učinkovitosti, natančnosti in prilagodljivosti. Jedro te tehnologije je interakcija laserja z materialom, ki tvori staljeno talino in se hitro strdi, kar omogoča spajanje kovinskih delov. Varilna talina je ključno področje pri laserskem varjenju, njene značilnosti pa neposredno določajo kakovost varjenja, mikrostrukturo in končno zmogljivost. Zato sta poglobljeno razumevanje in natančen nadzor nad značilnostmi staljene taline bistvenega pomena za izboljšanje ravni tehnologije laserskega varjenja in izpolnjevanje potreb po visokokakovostnih varjenih spojih v industrijski proizvodnji.
Geometrija staljenega bazena
Geometrija varilne kadi je pomemben vidik pri raziskavah laserskega varjenja, saj neposredno vpliva na prenos toplote, pretok materiala in končno kakovost varjenja med varjenjem. Oblika staljene kadi je običajno opisana z njeno globino, širino, razmerjem stranic, geometrijo cone toplotnega vpliva (HAZ), geometrijo ključavnice in geometrijo cone staljene kovine (MMA). Ti parametri ne določajo le velikosti in oblike varjenega spoja, temveč vplivajo tudi na toplotni cikel, hitrost ohlajanja in nastanek mikrostrukture med varjenjem.
Tabela 1. Vpliv parametrov laserskega varjenja na geometrijske parametre posamezne varilne talilne.
Raziskava kaže, da sta laserska moč in hitrost varjenja dva glavna procesna parametra, ki vplivata na geometrijo varilne kadi, kot je prikazano v tabeli 1. Na splošno se z naraščanjem laserske moči in zmanjševanjem hitrosti varjenja globina varilne kadi povečuje, medtem ko se širina spreminja relativno malo. To je zato, ker večja laserska moč lahko zagotovi več energije, kar omogoča, da se material hitreje tali in izhlapeva, kar ima za posledico globlje ključavnice in kadi, kot je prikazano na sliki 1. Če pa je laserska moč previsoka ali je hitrost varjenja prenizka, lahko to povzroči pregrevanje materiala, prekomerno izhlapevanje in celo učinek plazemske zaščite, kar zmanjša kakovost varjenja. Zato je treba v dejanskem varilnem procesu razumno izbrati lasersko moč in hitrost varjenja glede na specifične značilnosti materiala in zahteve varjenja, da se doseže idealna geometrija varilne kadi.
Slika 1. Različne oblike zvarov, ki nastanejo z laserskim toplotno prevodnim varjenjem in laserskim varjenjem z globoko penetracijo.
Poleg moči laserja in hitrosti varjenja na geometrijo varilne kadi vplivajo tudi toplotno-fizikalne lastnosti materiala, stanje površine, zaščitni plin in drugi dejavniki. Na primer, višja kot je toplotna prevodnost materiala, hitrejši je prenos toplote skozi material in hitrejša je hitrost hlajenja staljene kadi, kar lahko povzroči relativno majhno velikost staljene kadi. Hrapavost in čistoča površine materiala vplivata na hitrost absorpcije laserskega sevanja in nato na nastanek in stabilnost staljene kadi. Poleg tega vrsta in pretok zaščitnega plina vplivata tudi na obliko in kakovost staljene kadi. Ustrezen zaščitni plin lahko učinkovito prepreči oksidacijo in onesnaženje staljene kadi, hkrati pa prilagodi površinsko napetost in pretočne lastnosti staljene kadi, da se izboljša kakovost varjenja.
Slika 2. Oblika staljene kadi med nihanjem laserja.
S spreminjanjem poti laserskega žarka lahko lasersko nihanje bistveno vpliva na obliko in značilnosti staljenega bazena, kot je prikazano na sliki 2. Ko laserski žarek niha, postane oblika staljenega bazena bolj enakomerna in stabilna. Nihajni laserski žarek ustvari širše segreto območje na površini bazena, zaradi česar so robovi bazena bolj gladki in se zmanjšajo ostri robovi in nepravilne oblike. To enakomerno segrevanje pomaga izboljšati kakovost in mehanske lastnosti varjenega spoja ter zmanjšati varilne napake, kot so razpoke in pore. Poleg tega lahko lasersko nihanje poveča tudi pretočnost staljenega bazena, spodbudi izločanje plinov in nečistoč v staljenem bazenu ter dodatno izboljša gostoto in enakomernost varjenega spoja.
Dinamika staljenega bazena
Termodinamika taline je še eno ključno področje raziskav laserskega varjenja, ki vključuje absorpcijo, prenos in pretvorbo laserske energije v talini, pa tudi porazdelitev temperaturnega polja, hitrost ohlajanja in fazni prehod, ki ga to povzroča. Termodinamične značilnosti varilne taline ne določajo le oblike in velikosti varilne taline, temveč neposredno vplivajo tudi na mikrostrukturo in mehanske lastnosti varjenega spoja.
Med laserskim varjenjem material po absorpciji laserske energije ustvari v talini območje z visoko temperaturo, zaradi česar se material stopi in izhlapeva. Hkrati se toplota s toplotno prevodnostjo, konvekcijo in sevanjem prenaša iz območja z visoko temperaturo v območje z nizko temperaturo, kar vpliva na mikrostrukturo in lastnosti materiala. Zaradi majhnosti, velikega temperaturnega gradienta in hitre hitrosti ohlajanja taline je temperaturno polje in hitrost ohlajanja zelo težko neposredno izmeriti. Zato se večina študij izvaja za preučevanje termodinamičnih lastnosti taline z vzpostavitvijo matematičnih modelov in numeričnih simulacijskih metod.
V termodinamičnem modelu staljene kadi je običajno treba upoštevati naslednje ključne dejavnike: Prvič, mehanizem absorpcije laserske energije, vključno z odbojnimi, absorpcijskimi in prenosnimi lastnostmi površine materiala, ter proces sipanja in absorpcije laserja znotraj materiala. Različni materiali in laserski parametri vodijo do različnih stopenj absorpcije in porazdelitve energije, kar vpliva na termodinamično obnašanje staljene kadi. Drugič, toplotno-fizikalne lastnosti materiala, kot so specifična toplotna kapaciteta, toplotna prevodnost, gostota itd., se bodo spreminjale s spremembo temperature, kar pomembno vpliva na proces prenosa toplote. Poleg tega je treba upoštevati tudi pretok tekočine in procese faznih sprememb v staljeni kadi, kot so taljenje, izhlapevanje in strjevanje, ki bodo spremenili obliko in porazdelitev temperaturnega polja staljene kadi, hkrati pa bodo vplivali na mikrostrukturo in mehanske lastnosti materiala.
Z numerično simulacijo in eksperimentalno študijo so raziskovalci ugotovili, da porazdelitev temperaturnega polja v staljeni talini običajno kaže znatno neenakomernost, območje z visoko temperaturo je večinoma skoncentrirano na območju delovanja laserja in v odprtini, temperatura pa se postopoma znižuje proti robu staljene taline in območju vpliva toplote. Hitrost ohlajanja se povečuje z zmanjšanjem velikosti staljene taline in povečanjem oddaljenosti od laserskega območja. Na splošno je hitrost ohlajanja nižja v središču staljene taline in območju odprtine, medtem ko je hitrost ohlajanja višja na robu staljene taline in območju vpliva toplote, kot je prikazano na sliki 2. Ta neenakomerna porazdelitev temperaturnega polja in hitrosti ohlajanja vodi do očitnih gradientnih sprememb v mikrostrukturi varjenega spoja, kot so velikost zrn, fazna sestava in porazdelitev, kar vpliva na mehanske lastnosti in korozijsko odpornost varjenega spoja.
Slika 3. Rezultati simulacije nastajanja ključavnice in taline med laserskim varjenjem plošče iz nerjavečega jekla z globokim prodiranjem.
Za izboljšanje termodinamičnih lastnosti staljene kadi, izboljšanje kakovosti varjenja in zmanjšanje napak pri varjenju je bila predlagana vrsta optimizacijskih metod in ukrepov. Na primer, s prilagajanjem laserskih parametrov, kot so moč laserja, hitrost varjenja, premer točke itd., je mogoče spremeniti vhodni način in porazdelitev laserske energije, da se optimizira temperaturno polje in hitrost ohlajanja staljene kadi. Poleg tega je mogoče termodinamično obnašanje in razvoj mikrostrukture staljene kadi prilagoditi z uporabo predgrevanja, naknadnega segrevanja, večprehodnega varjenja in drugih procesnih metod, pa tudi z uporabo različnih zaščitnih plinov in varilnih atmosfer. Hkrati je razvoj novih varilnih materialov in sistemov zlitin za izboljšanje toplotne stabilnosti in varilnih lastnosti materialov prav tako eden od pomembnih načinov za izboljšanje termodinamičnih lastnosti staljenih kadi.
Značilnosti laserskega varilnega bazena so ključni dejavniki, ki vplivajo na kakovost varjenja, mikrostrukturo in mehanske lastnosti. Poglobljena študija geometrije in termodinamičnih značilnosti laserskega varilnega bazena je zelo pomembna za optimizacijo postopka laserskega varjenja ter izboljšanje učinkovitosti in kakovosti varjenja. Z velikim številom eksperimentalnih raziskav in numeričnih simulacijskih analiz so raziskovalci dosegli vrsto pomembnih raziskovalnih rezultatov, ki zagotavljajo močno teoretično podporo in tehnične smernice za razvoj in uporabo tehnologije laserskega varjenja. Vendar pa v trenutnih raziskavah še vedno obstajajo nekatere pomanjkljivosti, kot so poenostavitev modela in preveč predpostavk, napovedovanje značilnosti talilnega bazena v kompleksnih delovnih pogojih pa ni dovolj natančno. Sistematične in celovite eksperimentalne raziskave je treba izboljšati, primanjkuje pa tudi poglobljenih raziskav o več materialih in parametrih varjenja.
Čas objave: 28. februar 2025
