Zavarivanje laserskim snopom, sa svojom velikom brzinom, visokom preciznošću i beskontaktnim karakteristikama, široko se primjenjuje u područjima kao što su automobili, zrakoplovstvo i elektronički uređaji, posebno pokazujući jedinstvene prednosti u spajanju različitih materijala. Međutim, pukotine skrućivanja (pukotine skrućivanja) nastale tijekom procesa zavarivanja jedan su od ključnih nedostataka koji ograničavaju njegovu industrijsku primjenu. Ove pukotine obično se javljaju na kraju skrućivanja u zoni taljenja (zona taljenja), uzrokovane kombiniranim učincima toplinskog naprezanja, skupljanja pri skrućivanju i tekućeg filma na granicama zrna, značajno smanjujući mehanička svojstva i vijek trajanja spoja od zamora.
1. Mehanizam formiranja
Osnovni mehanizam pukotina pri skrućivanju leži u zaostalom tekućem filmu na granicama zrna na kraju skrućivanja. Tijekom procesa skrućivanja, rastaljena masa je podijeljena u tri zone: zonu slobodne tekućine, zonu ograničene tekućine i zonu krute tvari, kao što je prikazano na slici 1. U zoni ograničene tekućine, protok tekućine je blokiran i ne može kompenzirati naprezanje nastalo skupljanjem pri skrućivanju, što rezultira odvajanjem granica zrna. Omjer energije granice zrna (γgb) i energije granice kruto-tekućine (γsl) određuje stabilnost tekućeg filma: ako je γgb < 2γsl, tekući film je nestabilan i dolazi do koalescencije zrna; obrnuto, tekući film je stabilan i sklon je nastanku pukotina.
Nadalje, stvaranje pukotina pri skrućivanju također je povezano s metalurškim svojstvima materijala. Različiti materijali imaju različite karakteristike skrućivanja, kao što su temperaturni raspon skrućivanja, brzina skupljanja pri skrućivanju i raspodjela elemenata legure itd. Ove karakteristike utječu na osjetljivost pukotina. Na primjer, u materijalima koji sadrže veliku količinu eutektičkih faza niskog tališta, osjetljivost pukotina pri skrućivanju je veća jer su te eutektičke faze sklone stvaranju kontinuiranih tekućih filmova tijekom skrućivanja, čime se intenzivira stvaranje pukotina.
Tijekompostupak laserskog zavarivanjaParametri zavarivanja poput snage lasera, brzine zavarivanja i veličine točke također utječu na stvaranje pukotina pri skrućivanju. Ovi parametri utječu na unos topline i temperaturni gradijent tijekom procesa zavarivanja, čime se mijenja struktura skrućivanja i morfologija zrna. Na primjer, veća snaga lasera i niža brzina zavarivanja rezultiraju većim unosom topline i sporijom brzinom hlađenja, što potiče rast stupčastih kristala i povećava osjetljivost na pukotine. Suprotno tome, niža snaga lasera i veća brzina zavarivanja dovode do manjeg unosa topline i brže brzine hlađenja, olakšavajući stvaranje kristala s jednakom osi i smanjujući osjetljivost na pukotine.
2. Mjere suzbijanja
Za učinkovito suzbijanje pukotina uzrokovanih skrućivanjem ulasersko zavarivanjeIstraživači su predložili različite strategije koje se uglavnom usredotočuju na kontrolu strukture zrna, optimizaciju parametara zavarivanja i poboljšanje svojstava materijala. Pročišćavanjem strukture zrna može se povećati broj granica zrna i smanjiti koncentracija naprezanja, čime se smanjuje stvaranje pukotina. Studije su pokazale da se korištenjem tehnologije oscilacije laserske zrake, stupčasti kristali mogu transformirati u fine kristale s jednakom osi bez dodavanja drugih materijala. Oscilacija laserske zrake može raspršiti lasersku energiju, uzrokujući turbulenciju u rastaljenom bazenu, čime se prekida smjer rasta stupčastih kristala i potiče stvaranje kristala s jednakom osi, kao što je prikazano na slici 3. Osim toga, oscilacija laserske zrake također može povećati širinu rastaljenog bazena, smanjiti temperaturni gradijent i produžiti vrijeme skrućivanja rastaljenog bazena, što pogoduje difuziji otopljenih tvari i nadopunjavanju tekućih filmova, čime se značajno smanjuje osjetljivost pukotina skrućivanja.
Raspodjela tekućih filmova na granicama zrna pod različitim oblicima bazena.
Shematski prikaz rastaljene kupke za zavarivanje, a, b) bez oscilacije, c, d) bočna oscilacija, e, f) uzdužna oscilacija, g, h) obodna oscilacija.
Osim togalaserska zrakaTehnologija oscilacija, korištenjem dvostrukih laserskih izvora također je jedna od učinkovitih metoda za suzbijanje pukotina skrućivanja. Dvostruki laserski izvori mogu postići transformaciju iz stupčastih kristala u kristale s jednakom osi optimizacijom toplinskog ciklusa, čime se smanjuje veličina zrna i koncentracija naprezanja. Na primjer, kada se CO₂ laser koristi kao glavni izvor topline i Nd:YAG pulsirajući laser kao pomoćni izvor topline, tijekom zavarivanja može se formirati optimizirani toplinski ciklus, potičući stvaranje kristala s jednakom osi i smanjujući osjetljivost pukotina skrućivanja, kao što je prikazano na slici 4.
Optimizacija parametara zavarivanja također je važno sredstvo za suzbijanje pukotina skrućivanja. Podešavanjem parametara kao što su snaga lasera, brzina zavarivanja i veličina točke, može se kontrolirati unos topline i temperaturni gradijent tijekom procesa zavarivanja, čime se utječe na strukturu skrućivanja i morfologiju zrna. Studije su pokazale da predgrijavanje može smanjiti brzinu hlađenja, potaknuti stvaranje kristala s jednakom osi i time smanjiti osjetljivost pukotina skrućivanja, kao što je prikazano na slici 5. Osim toga, metode poput korištenja pulsirajućeg laserskog zavarivanja i povećanja brzine zavarivanja također mogu postići transformaciju iz stupčastih kristala u kristale s jednakom osi promjenom unosa topline i brzine hlađenja, čime se smanjuje osjetljivost pukotina.
Slika 5. a) Nezagrijana, b) jednakoosna zrna prethodno zagrijana na 300°C.
Prilikom zavarivanja različitih materijala laserima, zbog značajnih razlika u fizikalnim i kemijskim svojstvima između materijala, skloni su stvaranju krhkih intermetalnih spojeva, koji su jedan od glavnih uzroka pukotina skrućivanja. Stoga je podešavanje parametara i postavki lasera kako bi se smanjilo stvaranje ili količina intermetalnih spojeva također važna strategija za suzbijanje pukotina skrućivanja. Na primjer, kod laserskog zavarivanja različitih materijala bakra i aluminija, kontroliranjem pomaka laserske zrake i brzine zavarivanja, omjer miješanja bakra i aluminija u rastaljenoj kupki može se smanjiti, čime se smanjuje stvaranje krhkih intermetalnih spojeva i smanjuje osjetljivost pukotina. Osim toga, korištenje dodatnih materijala također može poboljšati performanse zavarenog spoja i smanjiti stvaranje pukotina. Dodatni materijali mogu smanjiti stvaranje intermetalnih spojeva promjenom sastava i mikrostrukture zavarenog spoja te poboljšati žilavost zavarenog spoja.
Pukotine skrućivanja jedan su od uobičajenih nedostataka u procesima laserskog zavarivanja. Mehanizam njihovog nastanka je složen i uključuje interakciju više čimbenika poput topline, mehanike i metalurgije. Dubinskim proučavanjem mehanizma nastanka pukotina skrućivanja može se pružiti teorijska osnova za suzbijanje pukotina. Posljednjih godina istraživači su predložili različite strategije za suzbijanje pukotina skrućivanja, koje se uglavnom usredotočuju na kontrolu strukture zrna, optimizaciju parametara zavarivanja i poboljšanje svojstava materijala. Praksa je dokazala da ove strategije mogu učinkovito smanjiti osjetljivost pukotina skrućivanja do određene mjere i poboljšati kvalitetu i pouzdanost laserskog zavarivanja. Međutim, zbog složenosti i raznolikosti procesa laserskog zavarivanja, još uvijek postoje neki nedostaci u trenutnim istraživanjima. Na primjer, za mehanizme inhibicije pukotina skrućivanja pod različitim materijalima i uvjetima zavarivanja, potrebna su daljnja dubinska istraživanja.
Vrijeme objave: 20. ožujka 2025.
