У савременој производњи,технологија ласерског заваривањасе широко користи у различитим областима, од ваздухопловства до аутомобилске производње, од електронске опреме до медицинских уређаја, са својим предностима високе ефикасности, прецизности и прилагодљивости. Суштина ове технологије је интеракција ласера са материјалом, формирајући растопљени базен и брзо стврдњавање, омогућавајући тако спајање металних делова. Заварски базен је кључно подручје у ласерском заваривању, а његове карактеристике директно одређују квалитет заваривања, микроструктуру и коначне перформансе. Стога је дубинско разумевање и прецизна контрола карактеристика растопљеног базена од виталног значаја за побољшање нивоа технологије ласерског заваривања и задовољавање потреба за висококвалитетним завареним спојевима у индустријској производњи.
Геометрија растопљеног базена
Геометрија заваривачког базена је важан аспект у истраживању ласерског заваривања, јер директно утиче на пренос топлоте, проток материјала и коначни квалитет заваривања током процеса заваривања. Облик растопљеног базена се обично описује његовом дубином, ширином, односом ширине и висине, геометријом зоне утицаја топлоте (ЗУТ), геометријом кључаонице и геометријом зоне растопљеног метала (ММА). Ови параметри не само да одређују величину и облик завареног споја, већ утичу и на термички циклус, брзину хлађења и формирање микроструктуре током процеса заваривања.
Табела 1. Утицај параметара ласерског заваривања на геометријске параметре сваког заварног базена.
Истраживање показује да су снага ласера и брзина заваривања два главна параметра процеса који утичу на геометрију заваривачког базена, као што је приказано у Табели 1. Генерално, како се снага ласера повећава, а брзина заваривања смањује, дубина заваривачког базена се повећава, док се ширина релативно мало мења. То је зато што већа снага ласера може да обезбеди више енергије, омогућавајући материјалу да се брже топи и испарава, што резултира дубљим кључаоницама и базенима, као што је приказано на Слици 1. Међутим, када је снага ласера превисока или је брзина заваривања прениска, то може довести до прегревања материјала, прекомерног испаравања, па чак и ефекта плазма заштите, што ће смањити квалитет заваривања. Стога је у стварном процесу заваривања неопходно разумно одабрати снагу ласера и брзину заваривања према специфичним карактеристикама материјала и захтевима заваривања како би се добила идеална геометрија заваривачког базена.
Слика 1. Различити облици завара формирани ласерским заваривањем топлотном проводљивошћу и ласерским заваривањем дубоким продирањем.
Поред снаге ласера и брзине заваривања, термичко-физичка својства материјала, стање површине, заштитни гас и други фактори такође ће утицати на геометрију заваривачког базена. На пример, што је већа топлотна проводљивост материјала, бржи је пренос топлоте кроз материјал и бржа је брзина хлађења растопљеног базена, што може резултирати релативно малом величином растопљеног базена. Храпавост површине и чистоћа материјала утицаће на брзину апсорпције ласера, а затим утицати на формирање и стабилност растопљеног базена. Поред тога, врста и брзина протока заштитног гаса такође ће имати одређени утицај на облик и квалитет растопљеног базена. Одговарајући заштитни гас може ефикасно спречити оксидацију и загађење растопљеног базена, али такође може подесити површински напон и карактеристике протока растопљеног базена, како би се побољшао квалитет заваривања.
Слика 2. Облик растопљеног базена када се ласер замахује.
Променом путање ласерског снопа, ласерско колебање може значајно утицати на облик и карактеристике растопљеног базена, као што је приказано на слици 2. Како се ласерски сноп колеба, облик растопљеног базена постаје равномернији и стабилнији. Осцилујући ласерски сноп ствара ширу загрејану површину на површини базена, чинећи ивице базена глаткијим и смањујући оштре ивице и неправилне облике. Ово равномерно загревање помаже у побољшању квалитета и механичких својстава завареног споја и смањењу дефеката заваривања као што су пукотине и поре. Поред тога, ласерско колебање такође може повећати флуидност растопљеног базена, подстаћи испуштање гасова и нечистоћа у растопљеном базену и додатно побољшати густину и уједначеност завареног споја.
Динамика растопљеног базена
Термодинамика растопљеног купатила је још једно кључно поље у истраживању ласерског заваривања, које обухвата апсорпцију, пренос и конверзију ласерске енергије у растопљеном купатилу, као и расподелу температурног поља, брзину хлађења и понашање фазног прелаза које то узрокује. Термодинамичке карактеристике завареног купатила не само да одређују облик и величину завареног купатила, већ директно утичу и на микроструктуру и механичка својства завареног споја.
У процесу ласерског заваривања, након што материјал апсорбује ласерску енергију, она ће створити подручје високе температуре у растопљеном базену, узрокујући топљење и испаравање материјала. Истовремено, топлота ће се преносити из подручја високе температуре у подручје ниске температуре путем топлотне проводљивости, конвекције и зрачења, тако да ће температура материјала око растопљеног базена порасти, а затим утицати на микроструктуру и својства материјала. Због мале величине, великог температурног градијента и брзе брзине хлађења растопљеног базена, веома је тешко директно измерити температурно поље и брзину хлађења. Стога се већина студија спроводи ради проучавања термодинамичких својстава растопљених базена успостављањем математичких модела и метода нумеричке симулације.
У термодинамичком моделу растопљеног базена, обично је потребно узети у обзир следеће кључне факторе: Прво, механизам апсорпције ласерске енергије, укључујући карактеристике рефлексије, апсорпције и преноса површине материјала, и процес расејања и апсорпције ласера унутар материјала. Различити материјали и параметри ласера довешће до различитих брзина апсорпције и расподеле енергије, што ће утицати на термодинамичко понашање растопљеног базена. Друго, термичко-физичка својства материјала, као што су специфични топлотни капацитет, топлотна проводљивост, густина итд., ови параметри ће се мењати са променом температуре, што има важан утицај на процес преноса топлоте. Поред тога, потребно је узети у обзир и процесе протока флуида и фазне промене у растопљеном базену, као што су топљење, испаравање и очвршћавање, што ће променити облик и расподелу температурног поља растопљеног базена, али ће такође утицати на микроструктуру и механичка својства материјала.
Нумеричком симулацијом и експерименталном студијом, истраживачи су открили да расподела температурног поља у растопљеном базену обично показује значајну неуједначеност, подручје високе температуре је углавном концентрисано у подручју дејства ласера и отвора за кључаоницу, а температура постепено опада према ивици растопљеног базена и зони утицаја топлоте. Брзина хлађења се повећава са смањењем величине растопљеног базена и повећањем удаљености од подручја ласера. Генерално, брзина хлађења је нижа у центру растопљеног базена и подручју отвора за кључаоницу, док је брзина хлађења већа на ивици растопљеног базена и зони утицаја топлоте, као што је приказано на слици 2. Ово неуједначено температурно поље и расподела брзине хлађења довешће до очигледних градијентних промена у микроструктури завареног споја, као што су величина зрна, фазни састав и расподела, што ће утицати на механичка својства и отпорност завареног споја на корозију.
Слика 3. Резултати симулације формирања кључаонице и растопљеног базена током ласерског дубоког продирања плоче од нерђајућег челика.
Да би се побољшале термодинамичке карактеристике растопљеног базена, побољшао квалитет заваривања и смањили дефекти заваривања, предложен је низ метода и мера оптимизације. На пример, подешавањем параметара ласера, као што су снага ласера, брзина заваривања, пречник тачке итд., улазни режим и расподела ласерске енергије могу се променити како би се оптимизовало температурно поље и брзина хлађења растопљеног базена. Поред тога, термодинамичко понашање и еволуција микроструктуре растопљеног базена могу се подесити коришћењем претходног загревања, накнадног загревања, вишеслојног заваривања и других метода процеса, као и коришћењем различитих заштитних гасова и атмосфера заваривања. Истовремено, развој нових материјала за заваривање и система легура ради побољшања термичке стабилности и перформанси заваривања материјала је такође један од важних начина за побољшање термодинамичких карактеристика растопљених базена.
Карактеристике ласерског заваривачког базена су кључни фактори који утичу на квалитет заваривања, микроструктуру и механичка својства. Детаљно проучавање геометрије и термодинамичких карактеристика ласерског заваривачког базена је од великог значаја за оптимизацију процеса ласерског заваривања и побољшање ефикасности и квалитета заваривања. Кроз велики број експерименталних истраживања и нумеричких симулационих анализа, истраживачи су постигли низ важних истраживачких резултата, који пружају снажну теоријску подршку и техничке смернице за развој и примену технологије ласерског заваривања. Међутим, и даље постоје неки недостаци у тренутним истраживањима, као што су поједностављење модела и превише претпоставки, а предвиђање карактеристика растопљеног базена у сложеним радним условима није довољно тачно. Систематска и свеобухватна експериментална истраживања треба побољшати, а недостају и дубинска истраживања о више материјала и параметара заваривања.
Време објаве: 28. фебруар 2025.
