Лазерне зварюванняЗавдяки високій швидкості, високій точності та безконтактним характеристикам, він широко застосовується в таких галузях, як автомобілі, аерокосмічна промисловість та електронні пристрої, особливо демонструючи унікальні переваги при з'єднанні різнорідних матеріалів. Однак тріщини затвердіння (розтріскування затвердіння), що утворюються під час процесу зварювання, є одним з ключових дефектів, що обмежують його промислове застосування. Ці тріщини зазвичай виникають в кінці затвердіння в зоні сплавлення (зона сплавлення), спричинені комбінованим впливом термічного напруження, усадки затвердіння та рідкої плівки на межах зерен, що значно знижує механічні властивості та довговічність з'єднання.
1. Механізм формування
Основний механізм виникнення тріщин затвердіння полягає в залишковій рідкій плівці на межах зерен в кінці процесу затвердіння. Під час процесу затвердіння розплавлена ванна поділяється на три зони: зону вільної рідини, зону обмеженої рідини та зону твердої речовини, як показано на рисунку 1. В зоні обмеженої рідини потік рідини блокується і не може компенсувати деформацію, що виникає внаслідок усадки при затвердінні, що призводить до розшарування меж зерен. Співвідношення енергії на межі зерен (γgb) до енергії на межі твердої речовини та рідини (γsl) визначає стабільність рідкої плівки: якщо γgb < 2γsl, рідка плівка нестабільна і відбувається коалесценція зерен; навпаки, рідка плівка стабільна, і схильне до утворення тріщин.
Крім того, утворення тріщин затвердіння також пов'язане з металургійними властивостями матеріалів. Різні матеріали мають різні характеристики затвердіння, такі як температурний діапазон затвердіння, швидкість усадки при затвердінні та розподіл елементів сплаву тощо. Ці характеристики впливають на чутливість тріщин. Наприклад, у матеріалах, що містять велику кількість евтектичних фаз з низькою температурою плавлення, чутливість тріщин затвердіння вища, оскільки ці евтектичні фази схильні до утворення суцільних рідких плівок під час затвердіння, тим самим посилюючи утворення тріщин.
Під часпроцес лазерного зварюванняТакі параметри зварювання, як потужність лазера, швидкість зварювання та розмір плями, також впливають на утворення тріщин затвердіння. Ці параметри впливають на підведення тепла та градієнт температури під час процесу зварювання, тим самим змінюючи структуру затвердіння та морфологію зерен. Наприклад, вища потужність лазера та нижча швидкість зварювання призводять до більшого підведення тепла та повільнішої швидкості охолодження, що сприяє росту стовпчастих кристалів та підвищує чутливість до тріщин. І навпаки, нижча потужність лазера та вища швидкість зварювання призводять до меншого підведення тепла та швидшої швидкості охолодження, що сприяє утворенню рівноосьових кристалів та зменшує чутливість до тріщин.
2. Заходи щодо придушення
Для ефективного придушення тріщин затвердіння влазерне зварюванняДослідники запропонували різні стратегії, які в основному зосереджені на контролі структури зерен, оптимізації параметрів зварювання та покращенні властивостей матеріалу. Шляхом удосконалення структури зерен можна збільшити кількість меж зерен та зменшити концентрацію напружень, тим самим зменшуючи утворення тріщин. Дослідження показали, що за допомогою технології лазерного променя коливань стовпчасті кристали можна перетворити на дрібні рівновісні кристали без додавання інших матеріалів. Коливання лазерного променя можуть розсіювати лазерну енергію, викликаючи турбулентність у розплавленій ванні, тим самим порушуючи напрямок росту стовпчастих кристалів та сприяючи утворенню рівновісних кристалів, як показано на рисунку 3. Крім того, коливання лазерного променя також можуть збільшити ширину розплавленої ванни, зменшити градієнт температури та подовжити час затвердіння розплавленої ванни, що сприяє дифузії розчинених речовин та поповненню рідких плівок, тим самим значно знижуючи чутливість тріщин затвердіння.
Розподіл рідких плівок на межі зерен під різними формами басейнів.
Принципова схема зварювальної розплавленої ванни, a, b) без коливань, c, d) поперечні коливання, e, f) поздовжні коливання, g, h) окружні коливання.
На додаток долазерний проміньТехнологія коливань з використанням подвійних лазерних джерел також є одним з ефективних методів придушення тріщин затвердіння. Подвійні лазерні джерела можуть досягти перетворення стовпчастих кристалів на рівновісні кристали шляхом оптимізації термічного циклу, тим самим зменшуючи розмір зерна та концентрацію деформацій. Наприклад, при використанні CO₂-лазера як основного джерела тепла та імпульсного Nd:YAG-лазера як допоміжного джерела тепла, під час зварювання може бути сформований оптимізований термічний цикл, що сприяє утворенню рівновісних кристалів та зменшує чутливість тріщин затвердіння, як показано на рисунку 4.
Оптимізація параметрів зварювання також є важливим засобом для придушення тріщин затвердіння. Регулюючи такі параметри, як потужність лазера, швидкість зварювання та розмір плями, можна контролювати підведення тепла та градієнт температури під час процесу зварювання, тим самим впливаючи на структуру затвердіння та морфологію зерен. Дослідження показали, що попереднє нагрівання може зменшити швидкість охолодження, сприяти утворенню рівноосьових кристалів і тим самим зменшити чутливість тріщин затвердіння, як показано на рисунку 5. Крім того, такі методи, як використання імпульсного лазерного зварювання та збільшення швидкості зварювання, також можуть досягти перетворення стовпчастих кристалів на рівноосьові, змінюючи підведення тепла та швидкість охолодження, тим самим зменшуючи чутливість тріщин.
Рисунок 5. а) Ненагріті, б) попередньо нагріті до 300°C рівноосьові зерна.
Під час зварювання різнорідних матеріалів лазерами, через значні відмінності у фізичних та хімічних властивостях між матеріалами, схильні до утворення крихких інтерметалевих сполук, які є однією з основних причин тріщин затвердіння. Тому регулювання параметрів та налаштувань лазера для зменшення утворення або кількості інтерметалевих сполук також є важливою стратегією придушення тріщин затвердіння. Наприклад, при лазерному зварюванні різнорідних мідно-алюмінієвих матеріалів, контролюючи зміщення лазерного променя та швидкість зварювання, можна зменшити співвідношення змішування міді та алюмінію в розплавленій ванні, тим самим зменшуючи утворення крихких інтерметалевих сполук та зменшуючи чутливість до тріщин. Крім того, використання присадних матеріалів також може покращити характеристики зварного з'єднання та зменшити утворення тріщин. Присадні матеріали можуть зменшити утворення інтерметалевих сполук, змінюючи склад та мікроструктуру зварного з'єднання, та покращуючи його в'язкість.
Тріщини затвердіння є одним із поширених дефектів у процесах лазерного зварювання. Механізм їх утворення є складним і включає взаємодію багатьох факторів, таких як тепло, механіка та металургія. Глибоке вивчення механізму утворення тріщин затвердіння дозволяє створити теоретичну основу для їх придушення. В останні роки дослідники запропонували різні стратегії для придушення тріщин затвердіння, які в основному зосереджені на контролі структури зерен, оптимізації параметрів зварювання та покращенні властивостей матеріалів. Практика довела, що ці стратегії можуть ефективно знизити чутливість тріщин затвердіння до певної міри та покращити якість і надійність лазерного зварювання. Однак, через складність та різноманітність процесу лазерного зварювання, сучасні дослідження все ще мають деякі недоліки. Наприклад, для механізмів гальмування тріщин затвердіння за різних матеріалів та умов зварювання все ще потрібні подальші поглиблені дослідження.
Час публікації: 20 березня 2025 р.
