Lasersko varjenjeZaradi visoke hitrosti, visoke natančnosti in brezkontaktnih lastnosti se široko uporablja na področjih, kot so avtomobili, vesoljska industrija in elektronske naprave, še posebej pa kaže edinstvene prednosti pri spajanju različnih materialov. Vendar pa so strjevalne razpoke (solidifikacijske razpoke), ki nastanejo med varjenjem, ena ključnih napak, ki omejujejo njegovo industrijsko uporabo. Te razpoke se običajno pojavijo na koncu strjevanja v talilnem območju (fuzijski coni), ki jih sprožijo kombinirani učinki toplotnih napetosti, strjevalnega krčenja in tekočega filma na mejah zrn, kar znatno zmanjša mehanske lastnosti in utrujenostno življenjsko dobo spoja.
1. Mehanizem oblikovanja
Osnovni mehanizem razpok pri strjevanju leži v preostalem tekočem filmu na mejah zrn na koncu strjevanja. Med procesom strjevanja je staljena lokva razdeljena na tri cone: prosto tekočo cono, omejeno tekočo cono in trdno cono, kot je prikazano na sliki 1. V omejeni tekoči coni je pretok tekočine blokiran in ne more kompenzirati deformacije, ki nastane zaradi krčenja pri strjevanju, kar povzroči ločitev meja zrn. Razmerje med energijo meje zrn (γgb) in energijo stika trdna snov-tekočina (γsl) določa stabilnost tekočega filma: če je γgb < 2γsl, je tekoči film nestabilen in pride do koalescence zrn; nasprotno, tekoči film je stabilen in obstaja verjetnost nastanka razpok.
Poleg tega je nastanek strjevalnih razpok povezan tudi z metalurškimi lastnostmi materialov. Različni materiali imajo različne značilnosti strjevanja, kot so temperaturno območje strjevanja, stopnja krčenja pri strjevanju in porazdelitev elementov zlitine itd. Te značilnosti vplivajo na občutljivost razpok. Na primer, pri materialih, ki vsebujejo veliko količino evtektičnih faz z nizkim tališčem, je občutljivost strjevalnih razpok večja, ker so te evtektične faze nagnjene k tvorbi neprekinjenih tekočih filmov med strjevanjem, kar intenzivira nastanek razpok.
Medpostopek laserskega varjenjaParametri varjenja, kot so moč laserja, hitrost varjenja in velikost varilne točke, prav tako vplivajo na nastanek strjevalnih razpok. Ti parametri vplivajo na vnos toplote in temperaturni gradient med varjenjem, s čimer spremenijo strjevalno strukturo in morfologijo zrn. Na primer, večja moč laserja in nižja hitrost varjenja povzročita večji vnos toplote in počasnejšo hitrost ohlajanja, kar spodbuja rast stebrastih kristalov in povečuje občutljivost na razpoke. Nasprotno pa nižja moč laserja in višja hitrost varjenja vodita do manjšega vnosa toplote in hitrejše hitrosti ohlajanja, kar olajša nastanek enakoosnih kristalov in zmanjšuje občutljivost na razpoke.
2. Ukrepi za zatiranje
Za učinkovito zatiranje razpok zaradi strjevanja vlasersko varjenjeRaziskovalci so predlagali različne strategije, ki se osredotočajo predvsem na nadzor strukture zrn, optimizacijo parametrov varjenja in izboljšanje lastnosti materiala. Z izboljšanjem strukture zrn se lahko poveča število meja zrn in zmanjša koncentracija napetosti, s čimer se zmanjša nastanek razpok. Študije so pokazale, da se lahko z uporabo tehnologije laserskega nihanja stebrasti kristali pretvorijo v fine enakoosne kristale brez dodajanja drugih materialov. Nihanja laserskega žarka lahko razpršijo lasersko energijo, kar povzroči, da staljena talna masa ustvari turbulenco, s čimer se prekine smer rasti stebrastih kristalov in spodbudi nastanek enakoosnih kristalov, kot je prikazano na sliki 3. Poleg tega lahko lasersko nihanje poveča tudi širino staljene talne mase, zmanjša temperaturni gradient in podaljša čas strjevanja staljene talne mase, kar pospeši difuzijo topljencev in obnavljanje tekočih filmov, s čimer se znatno zmanjša občutljivost razpok pri strjevanju.
Porazdelitev tekočih filmov na mejah zrn pod različnimi oblikami bazenov.
Shematski prikaz varilne taline, a, b) brez nihanja, c, d) prečno nihanje, e, f) vzdolžno nihanje, g, h) obodno nihanje.
Poleg tegalaserski žarekTehnologija oscilacij z uporabo dvojnih laserskih virov je prav tako ena od učinkovitih metod za zatiranje strjevalnih razpok. Dvojni laserski viri lahko dosežejo transformacijo iz stebrastih kristalov v enakoosne kristale z optimizacijo toplotnega cikla, s čimer se zmanjša velikost zrn in koncentracija deformacij. Na primer, pri uporabi CO₂ laserja kot glavnega vira toplote in pulznega Nd:YAG laserja kot pomožnega vira toplote se lahko med varjenjem oblikuje optimiziran toplotni cikel, ki spodbuja nastanek enakoosnih kristalov in zmanjšuje občutljivost strjevalnih razpok, kot je prikazano na sliki 4.
Optimizacija varilnih parametrov je prav tako pomembno sredstvo za preprečevanje strjevalnih razpok. Z nastavitvijo parametrov, kot so moč laserja, hitrost varjenja in velikost varilne točke, je mogoče nadzorovati dovod toplote in temperaturni gradient med varilnim procesom, s čimer vplivamo na strjevalno strukturo in morfologijo zrn. Študije so pokazale, da lahko predgrevanje zmanjša hitrost ohlajanja, spodbudi nastanek enakoosnih kristalov in s tem zmanjša občutljivost strjevalnih razpok, kot je prikazano na sliki 5. Poleg tega lahko metode, kot je uporaba pulznega laserskega varjenja in povečanje hitrosti varjenja, dosežejo tudi preobrazbo iz stebrastih kristalov v enakoosne kristale s spreminjanjem dovoda toplote in hitrosti ohlajanja, s čimer se zmanjša občutljivost razpok.
Slika 5. a) Neogrevana, b) enakoosna zrna, predhodno segreta na 300 °C.
Pri varjenju različnih materialov z laserji so zaradi znatnih razlik v fizikalnih in kemijskih lastnostih med materiali nagnjene k nastanku krhkih intermetalnih spojin, ki so eden glavnih vzrokov za strjevalne razpoke. Zato je prilagajanje laserskih parametrov in nastavitev za zmanjšanje nastajanja ali količine intermetalnih spojin prav tako pomembna strategija za preprečevanje strjevalnih razpok. Na primer, pri laserskem varjenju različnih materialov bakra in aluminija se lahko z nadzorom odmika laserskega žarka in hitrosti varjenja zmanjša mešalno razmerje bakra in aluminija v staljeni talini, s čimer se zmanjša nastanek krhkih intermetalnih spojin in občutljivost na razpoke. Poleg tega lahko uporaba polnilnih materialov izboljša tudi delovanje varjenega spoja in zmanjša nastanek razpok. Polnilni materiali lahko zmanjšajo nastanek intermetalnih spojin s spreminjanjem sestave in mikrostrukture varjenega spoja ter izboljšajo žilavost varjenega spoja.
Razpoke zaradi strjevanja so ena najpogostejših napak v postopkih laserskega varjenja. Mehanizem njihovega nastanka je kompleksen in vključuje interakcijo več dejavnikov, kot so toplota, mehanika in metalurgija. S poglobljenim preučevanjem mehanizma nastanka razpok zaradi strjevanja je mogoče zagotoviti teoretično osnovo za zatiranje razpok. V zadnjih letih so raziskovalci predlagali različne strategije za zatiranje razpok zaradi strjevanja, ki se osredotočajo predvsem na nadzor strukture zrn, optimizacijo varilnih parametrov in izboljšanje lastnosti materiala. Praksa je dokazala, da lahko te strategije do določene mere učinkovito zmanjšajo občutljivost razpok zaradi strjevanja ter izboljšajo kakovost in zanesljivost laserskega varjenja. Vendar pa zaradi kompleksnosti in raznolikosti postopka laserskega varjenja v trenutnih raziskavah še vedno obstajajo nekatere pomanjkljivosti. Na primer, za mehanizme zaviranja razpok zaradi strjevanja pri različnih materialih in pogojih varjenja so potrebne nadaljnje poglobljene raziskave.
Čas objave: 20. marec 2025
