Ласерско заваривање, са својом великом брзином, високом прецизношћу и бесконтактним карактеристикама, широко се примењује у областима као што су аутомобили, ваздухопловство и електронски уређаји, посебно показујући јединствене предности у спајању различитих материјала. Међутим, пукотине услед солидификације (пуцање услед солидификације) настале током процеса заваривања један су од кључних дефеката који ограничавају његову индустријску примену. Ове пукотине се обично јављају на крају солидификације у зони топљења (зона топљења), изазване комбинованим ефектима термичког напрезања, скупљања услед солидификације и течног филма на границама зрна, значајно смањујући механичка својства и век трајања споја.
1. Механизам формирања
Основни механизам настанка пукотина услед очвршћавања лежи у заосталом течном филму на границама зрна на крају очвршћавања. Током процеса очвршћавања, растопљени базен је подељен на три зоне: зону слободне течности, зону ограничене течности и чврсту зону, као што је приказано на слици 1. У зони ограничене течности, проток течности је блокиран и не може да компензује напрезање изазвано скупљањем при очвршћавању, што доводи до раздвајања граница зрна. Однос енергије границе зрна (γgb) и енергије границе чврсто-течно (γsl) одређује стабилност течног филма: ако је γgb < 2γsl, течни филм је нестабилан и долази до коалесценције зрна; обрнуто, течни филм је стабилан и склон је настанку пукотина.
Штавише, формирање пукотина при очвршћавању је такође повезано са металуршким својствима материјала. Различити материјали имају различите карактеристике очвршћавања, као што су температурни опсег очвршћавања, брзина скупљања при очвршћавању и расподела легирајућих елемената итд. Ове карактеристике утичу на осетљивост пукотина. На пример, код материјала који садрже велику количину еутектичких фаза са ниском тачком топљења, осетљивост пукотина при очвршћавању је већа јер су ове еутектичке фазе склоне формирању континуираних течних филмова током очвршћавања, чиме се интензивира формирање пукотина.
Токомпроцес ласерског заваривањаПараметри заваривања као што су снага ласера, брзина заваривања и величина тачке такође утичу на формирање пукотина при очвршћавању. Ови параметри утичу на унос топлоте и температурни градијент током процеса заваривања, чиме се мења структура очвршћавања и морфологија зрна. На пример, већа снага ласера и мања брзина заваривања резултирају већим уносом топлоте и споријом брзином хлађења, што подстиче раст стубастих кристала и повећава осетљивост на пукотине. Насупрот томе, мања снага ласера и већа брзина заваривања доводе до мањег уноса топлоте и брже брзине хлађења, олакшавајући формирање кристала са једнаким осама и смањујући осетљивост на пукотине.
2. Мере сузбијања
Да би се ефикасно сузбили пукотине услед очвршћавања уласерско заваривањеИстраживачи су предложили различите стратегије, које се углавном фокусирају на контролу структуре зрна, оптимизацију параметара заваривања и побољшање својстава материјала. Рафинирањем структуре зрна може се повећати број граница зрна и смањити концентрација напона, чиме се смањује стварање пукотина. Студије су показале да се коришћењем технологије осцилације ласерског снопа, стубасти кристали могу трансформисати у фине кристале са једнаким осама без додавања других материјала. Осцилација ласерског снопа може распршити ласерску енергију, узрокујући да растопљени базен генерише турбуленцију, чиме се прекида правац раста стубастих кристала и подстиче стварање кристала са једнаким осама, као што је приказано на слици 3. Поред тога, осцилација ласерског снопа такође може повећати ширину растопљеног базена, смањити градијент температуре и продужити време очвршћавања растопљеног базена, што погодује дифузији растворених материја и обнављању течних филмова, чиме се значајно смањује осетљивост пукотина при очвршћавању.
Дистрибуција течних филмова на границама зрна под различитим облицима базена.
Шематски дијаграм растопљеног купатила за заваривање, а, б) без осцилације, ц, д) бочна осцилација, е, ф) уздужна осцилација, г, х) ободна осцилација.
Поредласерски зракТехнологија осцилације, коришћење двоструких ласерских извора, такође је једна од ефикасних метода за сузбијање пукотина при солидификацији. Двоструки ласерски извори могу постићи трансформацију из стубастих кристала у кристале са једнаким осама оптимизацијом термичког циклуса, чиме се смањује величина зрна и концентрација напрезања. На пример, када се користи CO₂ ласер као главни извор топлоте и Nd:YAG пулсирајући ласер као помоћни извор топлоте, може се формирати оптимизовани термички циклус током заваривања, што подстиче формирање кристала са једнаким осама и смањује осетљивост пукотина при солидификацији, као што је приказано на слици 4.
Оптимизација параметара заваривања је такође важно средство за сузбијање пукотина услед солидификације. Подешавањем параметара као што су снага ласера, брзина заваривања и величина тачке, могу се контролисати унос топлоте и температурни градијент током процеса заваривања, чиме се утиче на структуру солидификације и морфологију зрна. Студије су показале да предгревање може смањити брзину хлађења, подстаћи стварање кристала са једнаким осама и тиме смањити осетљивост пукотина услед солидификације, као што је приказано на слици 5. Поред тога, методе попут коришћења импулсног ласерског заваривања и повећања брзине заваривања такође могу постићи трансформацију из стубастих кристала у кристале са једнаким осама променом уноса топлоте и брзине хлађења, чиме се смањује осетљивост пукотина.
Слика 5. а) Незагрејана, б) зрна са једнаким осама претходно загрејана на 300°C.
Приликом заваривања различитих материјала ласерима, због значајних разлика у физичким и хемијским својствима између материјала, крхка интерметална једињења су склона стварању, што је један од главних узрока пукотина услед солидификације. Стога је подешавање параметара и подешавања ласера ради смањења стварања или количине интерметалних једињења такође важна стратегија за сузбијање пукотина услед солидификације. На пример, код ласерског заваривања различитих материјала бакра и алуминијума, контролом померања ласерског зрака и брзине заваривања, однос мешања бакра и алуминијума у растопљеном базену може се смањити, чиме се смањује стварање крхких интерметалних једињења и смањује осетљивост пукотина. Поред тога, употреба додатних материјала такође може побољшати перформансе завареног споја и смањити стварање пукотина. Додатни материјали могу смањити стварање интерметалних једињења променом састава и микроструктуре завареног споја и побољшати жилавост завареног споја.
Пукотине услед солидификације су један од уобичајених дефеката у процесима ласерског заваривања. Њихов механизам формирања је сложен и укључује интеракцију више фактора као што су топлота, механика и металургија. Дубинским проучавањем механизма формирања пукотина услед солидификације може се пружити теоријска основа за сузбијање пукотина. Последњих година, истраживачи су предложили различите стратегије за сузбијање пукотина услед солидификације, које се углавном фокусирају на контролу структуре зрна, оптимизацију параметара заваривања и побољшање својстава материјала. Пракса је доказала да ове стратегије могу ефикасно смањити осетљивост пукотина услед солидификације до одређене мере и побољшати квалитет и поузданост ласерског заваривања. Међутим, због сложености и разноликости процеса ласерског заваривања, још увек постоје неки недостаци у тренутним истраживањима. На пример, за механизме инхибиције пукотина услед солидификације под различитим материјалима и условима заваривања, потребна су даља дубинска истраживања.
Време објаве: 20. март 2025.
