У сучасному виробництві,технологія лазерного зварюванняшироко використовується в різних галузях, від аерокосмічної до автомобільної промисловості, від електронного обладнання до медичних приладів, завдяки своїм перевагам високої ефективності, точності та адаптивності. Основою цієї технології є взаємодія лазера з матеріалом, утворення розплавленої ванни та її швидке затвердіння, що дозволяє з'єднувати металеві деталі. Зварювальна ванна є ключовою областю лазерного зварювання, а її характеристики безпосередньо визначають якість зварювання, мікроструктуру та кінцеві характеристики. Тому глибоке розуміння та точний контроль характеристик розплавленої ванни мають життєво важливе значення для підвищення рівня технології лазерного зварювання та задоволення потреб високоякісних зварних з'єднань у промисловому виробництві.
Геометрія розплавленого басейну
Геометрія зварювальної ванни є важливим аспектом у дослідженнях лазерного зварювання, оскільки вона безпосередньо впливає на теплопередачу, потік матеріалу та кінцеву якість зварювання під час процесу зварювання. Форма розплавленої ванни зазвичай описується її глибиною, шириною, співвідношенням сторін, геометрією зони термічного впливу (ЗТВ), геометрією замкової щілини та геометрією зони розплавленого металу (ЗРМ). Ці параметри не тільки визначають розмір і форму зварного з'єднання, але й впливають на термічний цикл, швидкість охолодження та формування мікроструктури під час процесу зварювання.
Таблиця 1. Вплив параметрів лазерного зварювання на геометричні параметри кожної зварювальної ванни.
Дослідження показують, що потужність лазера та швидкість зварювання є двома основними параметрами процесу, які впливають на геометрію зварювальної ванни, як показано в таблиці 1. Загалом, зі збільшенням потужності лазера та зменшенням швидкості зварювання глибина зварювальної ванни збільшується, тоді як ширина змінюється відносно мало. Це пояснюється тим, що вища потужність лазера здатна забезпечити більше енергії, що дозволяє матеріалу швидше плавитися та випаровуватися, що призводить до глибших замкових щілин та ванн, як показано на рисунку 1. Однак, коли потужність лазера занадто висока або швидкість зварювання занадто низька, це може призвести до перегріву матеріалу, надмірного випаровування та навіть ефекту плазмового екранування, що знизить якість зварювання. Тому в процесі зварювання необхідно розумно вибирати потужність лазера та швидкість зварювання відповідно до конкретних характеристик матеріалу та вимог до зварювання, щоб отримати ідеальну геометрію зварювальної ванни.
Рисунок 1. Різні форми зварних швів, утворені лазерним теплопровідним зварюванням та лазерним зварюванням глибоким проникненням.
Окрім потужності лазера та швидкості зварювання, на геометрію зварювальної ванни також впливають теплофізичні властивості матеріалу, стан поверхні, захисний газ та інші фактори. Наприклад, чим вища теплопровідність матеріалу, тим швидше відбувається теплопередача через матеріал і тим швидше охолодження розплавленої ванни, що може призвести до відносно невеликого розміру розплавленої ванни. Шорсткість поверхні та чистота матеріалу впливатимуть на швидкість поглинання лазера, а отже, впливатимуть на формування та стабільність розплавленої ванни. Крім того, тип та швидкість потоку захисного газу також матимуть певний вплив на форму та якість розплавленої ванни. Відповідний захисний газ може ефективно запобігти окисленню та забрудненню розплавленої ванни, а також регулювати поверхневий натяг та характеристики течії розплавленої ванни, щоб покращити якість зварювання.
Рисунок 2. Форма розплавленої ванни під час коливання лазера.
Змінюючи траєкторію лазерного променя, лазерне коливання може суттєво впливати на форму та характеристики розплавленої ванни, як показано на рисунку 2. Коли лазерний промінь коливається, форма розплавленої ванни стає більш рівномірною та стабільною. Коливальний лазерний промінь створює ширшу нагрівальну область на поверхні ванни, роблячи краї ванни більш гладкими та зменшуючи гострі краї та неправильні форми. Таке рівномірне нагрівання допомагає покращити якість та механічні властивості зварного з'єднання, а також зменшити дефекти зварювання, такі як тріщини та пори. Крім того, лазерне коливання також може збільшити плинність розплавленої ванни, сприяти виділенню газів та домішок у розплавленій ванні, а також додатково покращити щільність та однорідність зварного з'єднання.
Динаміка розплавленого басейну
Термодинаміка розплавленої ванни є ще однією ключовою галуззю досліджень лазерного зварювання, яка включає поглинання, передачу та перетворення лазерної енергії в розплавленій ванні, а також розподіл температурного поля, швидкість охолодження та поведінку фазового переходу, спричинені цим. Термодинамічні характеристики зварювальної ванни не тільки визначають форму та розмір зварювальної ванни, але й безпосередньо впливають на мікроструктуру та механічні властивості зварного з'єднання.
У процесі лазерного зварювання, після поглинання лазерної енергії матеріалом, у ванні розплаву утворюється область з високою температурою, що призводить до плавлення та випаровування матеріалу. Водночас тепло передається з області з високою температурою в область з низькою температурою шляхом теплопровідності, конвекції та випромінювання, внаслідок чого температура матеріалу навколо ванни розплаву підвищується, що впливає на мікроструктуру та властивості матеріалу. Через малий розмір, великий градієнт температури та швидку швидкість охолодження ванни розплаву дуже важко безпосередньо виміряти температурне поле та швидкість охолодження. Тому більшість досліджень проводяться для вивчення термодинамічних властивостей ванн розплаву шляхом створення математичних моделей та методів числового моделювання.
У термодинамічній моделі розплавленої ванни зазвичай необхідно враховувати такі ключові фактори: по-перше, механізм поглинання лазерної енергії, включаючи характеристики відбиття, поглинання та пропускання поверхнею матеріалу, а також процес розсіювання та поглинання лазера всередині матеріалу. Різні матеріали та параметри лазера призведуть до різних швидкостей поглинання та розподілу енергії, що впливатиме на термодинамічну поведінку розплавленої ванни. По-друге, теплофізичні властивості матеріалу, такі як питома теплоємність, теплопровідність, щільність тощо, ці параметри змінюватимуться зі зміною температури, що має важливий вплив на процес теплопередачі. Крім того, необхідно також враховувати процеси потоку рідини та фазового переходу в розплавленій ванні, такі як плавлення, випаровування та затвердіння, які змінюватимуть форму та розподіл температурного поля розплавленої ванни, а також впливатимуть на мікроструктуру та механічні властивості матеріалу.
За допомогою числового моделювання та експериментальних досліджень дослідники виявили, що розподіл температурного поля у ванні розплаву зазвичай демонструє значну неоднорідність, область високої температури в основному зосереджена в зоні дії лазера та в області замкової щілини, а температура поступово знижується до краю ванни розплаву та зони термічного впливу. Швидкість охолодження збільшується зі зменшенням розміру ванни розплаву та збільшенням відстані від зони лазера. Як правило, швидкість охолодження нижча в центрі ванни розплаву та в області замкової щілини, тоді як швидкість охолодження вища на краю ванни розплаву та в зоні термічного впливу, як показано на рисунку 2. Таке неоднорідне температурне поле та розподіл швидкості охолодження призведуть до очевидних градієнтних змін у мікроструктурі зварного з'єднання, таких як розмір зерна, фазовий склад та розподіл, що вплине на механічні властивості та корозійну стійкість зварного з'єднання.
Рисунок 3. Результати моделювання формування замкової щілини та розплавленої ванни під час лазерного зварювання глибоким проплавленням пластини з нержавіючої сталі.
Для покращення термодинамічних характеристик розплавленої ванни, підвищення якості зварювання та зменшення дефектів зварювання було запропоновано низку методів та заходів оптимізації. Наприклад, шляхом регулювання параметрів лазера, таких як потужність лазера, швидкість зварювання, діаметр плями тощо, можна змінити режим вхідного випромінювання та розподіл лазерної енергії для оптимізації температурного поля та швидкості охолодження розплавленої ванни. Крім того, термодинамічну поведінку та еволюцію мікроструктури розплавленої ванни можна регулювати за допомогою попереднього нагрівання, додаткового нагрівання, багатопрохідного зварювання та інших технологічних методів, а також використання різних захисних газів та зварювальних середовищ. Водночас, розробка нових зварювальних матеріалів та систем сплавів для покращення термічної стабільності та зварювальних характеристик матеріалів також є одним із важливих способів покращення термодинамічних характеристик розплавлених ванн.
Характеристики лазерної зварювальної ванни є ключовими факторами, що впливають на якість зварювання, мікроструктуру та механічні властивості. Поглиблене вивчення геометрії та термодинамічних характеристик лазерної зварювальної ванни має велике значення для оптимізації процесу лазерного зварювання та підвищення ефективності та якості зварювання. Завдяки великій кількості експериментальних досліджень та чисельного моделювання, дослідники досягли низки важливих результатів, які забезпечують міцну теоретичну підтримку та технічне керівництво для розробки та застосування технології лазерного зварювання. Однак у сучасних дослідженнях все ще існують деякі недоліки, такі як спрощення моделі та занадто багато припущень, а прогнозування характеристик ванни розплаву в складних робочих умовах є недостатньо точним. Систематичні та комплексні експериментальні дослідження потребують покращення, а також бракує поглиблених досліджень більшої кількості матеріалів та параметрів зварювання.
Час публікації: 28 лютого 2025 р.
