Zváranie laserovým lúčomVďaka svojej vysokej rýchlosti, vysokej presnosti a bezkontaktným vlastnostiam sa široko uplatňuje v oblastiach ako automobilový, letecký a elektronický priemysel, pričom vykazuje jedinečné výhody najmä pri spájaní rôznych materiálov. Trhliny pri tuhnutí (Solidifikačné praskanie) vznikajúce počas procesu zvárania sú však jednou z kľúčových defektov, ktoré obmedzujú jeho priemyselné využitie. Tieto trhliny sa zvyčajne vyskytujú na konci tuhnutia v zóne tavenia (Fusion Zone), a sú vyvolané kombinovanými účinkami tepelného namáhania, zmrašťovania pri tuhnutí a kvapalného filmu na hraniciach zŕn, čo výrazne znižuje mechanické vlastnosti a únavovú životnosť spoja.
1. Mechanizmus formovania
Základný mechanizmus vzniku trhlín pri tuhnutí spočíva v zvyškovom kvapalnom filme na hraniciach zŕn na konci tuhnutia. Počas procesu tuhnutia je roztavený bazén rozdelený do troch zón: zóny voľnej kvapaliny, zóny obmedzenej kvapaliny a zóny pevnej látky, ako je znázornené na obrázku 1. V zóne obmedzenej kvapaliny je tok kvapaliny blokovaný a nemôže kompenzovať napätie generované zmršťovaním pri tuhnutí, čo vedie k separácii hraníc zŕn. Pomer energie na hraniciach zŕn (γgb) k energii na rozhraní pevná látka-kvapalina (γsl) určuje stabilitu kvapalného filmu: ak γgb < 2γsl, kvapalný film je nestabilný a dochádza ku koalescencii zŕn; naopak, kvapalný film je stabilný a je náchylný na vznik trhlín.
Okrem toho, tvorba trhlín pri tuhnutí súvisí aj s metalurgickými vlastnosťami materiálov. Rôzne materiály majú odlišné charakteristiky tuhnutia, ako je teplotný rozsah tuhnutia, rýchlosť zmršťovania pri tuhnutí a rozloženie legujúcich prvkov atď. Tieto charakteristiky ovplyvňujú citlivosť trhlín. Napríklad v materiáloch obsahujúcich veľké množstvo eutektických fáz s nízkou teplotou topenia je citlivosť trhlín pri tuhnutí vyššia, pretože tieto eutektické fázy majú tendenciu tvoriť počas tuhnutia súvislé tekuté filmy, čím zintenzívňujú tvorbu trhlín.
Počasproces laserového zváraniaParametre zvárania, ako je výkon laseru, rýchlosť zvárania a veľkosť bodu, majú tiež vplyv na tvorbu trhlín pri tuhnutí. Tieto parametre ovplyvňujú prívod tepla a teplotný gradient počas procesu zvárania, čím menia štruktúru tuhnutia a morfológiu zŕn. Napríklad vyšší výkon laseru a nižšia rýchlosť zvárania vedú k väčšiemu prívodu tepla a pomalšej rýchlosti chladenia, čo podporuje rast stĺpcových kryštálov a zvyšuje citlivosť na trhliny. Naopak, nižší výkon laseru a vyššia rýchlosť zvárania vedú k menšiemu prívodu tepla a rýchlejšej rýchlosti chladenia, čo uľahčuje tvorbu rovnoosých kryštálov a znižuje citlivosť na trhliny.
2. Opatrenia na potlačenie
Na účinné potlačenie trhlín vznikajúcich pri tuhnutí vlaserové zváranieVýskumníci navrhli rôzne stratégie, ktoré sa zameriavajú najmä na kontrolu štruktúry zŕn, optimalizáciu parametrov zvárania a zlepšenie vlastností materiálu. Zjemnením štruktúry zŕn je možné zvýšiť počet hraníc zŕn a znížiť koncentráciu napätia, čím sa zníži tvorba trhlín. Štúdie ukázali, že použitím technológie oscilácie laserového lúča je možné stĺpcové kryštály transformovať na jemné rovnoosé kryštály bez pridania ďalších materiálov. Oscilácia laserového lúča môže rozptýliť laserovú energiu, čo spôsobí, že roztavený kúpeľ generuje turbulencie, čím sa naruší smer rastu stĺpcových kryštálov a podporí sa tvorba rovnoosých kryštálov, ako je znázornené na obrázku 3. Okrem toho môže oscilácia laserového lúča tiež zväčšiť šírku roztaveného kúpeľa, znížiť teplotný gradient a predĺžiť čas tuhnutia roztaveného kúpeľa, čo prispieva k difúzii rozpustených látok a dopĺňaniu kvapalných filmov, čím sa výrazne znižuje citlivosť trhlín pri tuhnutí.
Rozloženie kvapalných filmov na hraniciach zŕn pod rôznymi tvarmi bazénov.
Schematický diagram zvarového roztaveného kúpeľa, a, b) bez kmitania, c, d) priečne kmitanie, e, f) pozdĺžne kmitanie, g, h) obvodové kmitanie.
Okrem toholaserový lúčTechnológia oscilácií s použitím duálnych laserových zdrojov je tiež jednou z účinných metód na potlačenie trhlín pri tuhnutí. Duálne laserové zdroje dokážu dosiahnuť transformáciu zo stĺpcových kryštálov na rovnoosé kryštály optimalizáciou tepelného cyklu, čím sa znižuje veľkosť zŕn a koncentrácia napätia. Napríklad pri použití CO₂ lasera ako hlavného zdroja tepla a pulzného Nd:YAG lasera ako pomocného zdroja tepla sa môže počas zvárania vytvoriť optimalizovaný tepelný cyklus, ktorý podporuje tvorbu rovnoosých kryštálov a znižuje citlivosť trhlín pri tuhnutí, ako je znázornené na obrázku 4.
Optimalizácia parametrov zvárania je tiež dôležitým prostriedkom na potlačenie trhlín pri tuhnutí. Úpravou parametrov, ako je výkon laseru, rýchlosť zvárania a veľkosť bodu, je možné regulovať tepelný vstup a teplotný gradient počas procesu zvárania, čím sa ovplyvní štruktúra tuhnutia a morfológia zŕn. Štúdie ukázali, že predhrievanie môže znížiť rýchlosť chladenia, podporiť tvorbu rovnoosých kryštálov a tým znížiť citlivosť trhlín pri tuhnutí, ako je znázornené na obrázku 5. Okrem toho metódy, ako je použitie pulzného laserového zvárania a zvýšenie rýchlosti zvárania, môžu tiež dosiahnuť transformáciu zo stĺpcových kryštálov na rovnoosé kryštály zmenou tepelného vstupu a rýchlosti chladenia, čím sa zníži citlivosť trhlín.
Obrázok 5. a) Neohriate, b) rovnoosé zrná predhriate na 300 °C.
Pri zváraní rozdielnych materiálov lasermi sú v dôsledku výrazných rozdielov vo fyzikálnych a chemických vlastnostiach medzi materiálmi náchylné na tvorbu krehkých intermetalických zlúčenín, ktoré sú jednou z hlavných príčin prasklín pri tuhnutí. Preto je úprava parametrov a nastavení lasera na zníženie tvorby alebo množstva intermetalických zlúčenín tiež dôležitou stratégiou na potlačenie prasklín pri tuhnutí. Napríklad pri laserovom zváraní rozdielnych materiálov medi a hliníka je možné riadením posunu laserového lúča a rýchlosti zvárania znížiť pomer miešania medi a hliníka v roztavenom kúpeli, čím sa znižuje tvorba krehkých intermetalických zlúčenín a znižuje sa citlivosť na trhliny. Okrem toho, použitie prídavných materiálov môže tiež zlepšiť výkon zvarového spoja a znížiť tvorbu trhlín. Prídavné materiály môžu znížiť tvorbu intermetalických zlúčenín zmenou zloženia a mikroštruktúry zvarového spoja a zlepšiť húževnatosť zvarového spoja.
Trhliny pri tuhnutí sú jednou z bežných chýb v procesoch laserového zvárania. Mechanizmus ich vzniku je zložitý a zahŕňa interakciu viacerých faktorov, ako je teplo, mechanika a metalurgia. Hlbokým štúdiom mechanizmu vzniku trhlín pri tuhnutí je možné poskytnúť teoretický základ pre potlačenie trhlín. V posledných rokoch výskumníci navrhli rôzne stratégie na potlačenie trhlín pri tuhnutí, ktoré sa zameriavajú najmä na kontrolu štruktúry zŕn, optimalizáciu parametrov zvárania a zlepšenie vlastností materiálu. Prax dokázala, že tieto stratégie môžu do určitej miery účinne znížiť citlivosť trhlín pri tuhnutí a zlepšiť kvalitu a spoľahlivosť laserového zvárania. Vzhľadom na zložitosť a rozmanitosť procesu laserového zvárania však v súčasnom výskume stále existujú určité nedostatky. Napríklad, pokiaľ ide o mechanizmy inhibície trhlín pri tuhnutí pri rôznych materiáloch a podmienkach zvárania, je stále potrebný ďalší hlbší výskum.
Čas uverejnenia: 20. marca 2025
