В съвременното производство,технология за лазерно заваряванесе използва широко в различни области, от аерокосмическото до автомобилното производство, от електронно оборудване до медицински изделия, с предимствата си на висока ефективност, прецизност и адаптивност. В основата на тази технология е взаимодействието на лазера с материала, образувайки разтопена вана и бързото ѝ втвърдяване, като по този начин се позволява свързването на металните части. Заваръчната вана е ключова област в лазерното заваряване и нейните характеристики пряко определят качеството на заваряване, микроструктурата и крайните характеристики. Следователно, задълбоченото разбиране и прецизният контрол на характеристиките на разтопената вана са от жизненоважно значение за подобряване на нивото на технологията за лазерно заваряване и задоволяване на нуждите от висококачествени заварени съединения в промишленото производство.
Геометрия на разтопения басейн
Геометрията на заваръчната вана е важен аспект в изследванията на лазерното заваряване, тъй като тя пряко влияе върху топлопреноса, потока на материала и крайното качество на заваряване по време на процеса на заваряване. Формата на разтопената вана обикновено се описва с нейната дълбочина, ширина, съотношение на страните, геометрията на зоната, засегната от топлина (HAZ), геометрията на ключалките и геометрията на зоната на разтопен метал (MMA). Тези параметри не само определят размера и формата на завареното съединение, но също така влияят върху термичния цикъл, скоростта на охлаждане и образуването на микроструктура по време на процеса на заваряване.
Таблица 1. Влияние на параметрите на лазерно заваряване върху геометричните параметри на всяка заваръчна вана.
Изследванията показват, че мощността на лазера и скоростта на заваряване са двата основни параметъра на процеса, които влияят върху геометрията на заваръчната вана, както е показано в Таблица 1. Като цяло, с увеличаване на мощността на лазера и намаляване на скоростта на заваряване, дълбочината на заваръчната вана се увеличава, докато ширината се променя сравнително малко. Това е така, защото по-високата мощност на лазера е в състояние да осигури повече енергия, което позволява на материала да се топи и изпарява по-бързо, което води до по-дълбоки отвори и вани, както е показано на Фигура 1. Въпреки това, когато мощността на лазера е твърде висока или скоростта на заваряване е твърде ниска, това може да доведе до прегряване на материала, прекомерно изпарение и дори ефект на плазмено екраниране, което ще намали качеството на заваряване. Следователно, в действителния процес на заваряване е необходимо разумно да се избере мощността на лазера и скоростта на заваряване според специфичните характеристики на материала и изискванията за заваряване, за да се получи идеалната геометрия на заваръчната вана.
Фигура 1. Различни форми на заваръчни шевове, образувани чрез лазерно топлопроводимо заваряване и лазерно дълбокопроникващо заваряване.
В допълнение към мощността на лазера и скоростта на заваряване, топлофизичните свойства на материала, състоянието на повърхността, защитният газ и други фактори също ще окажат влияние върху геометрията на заваръчната вана. Например, колкото по-висока е топлопроводимостта на материала, толкова по-бърз е преносът на топлина през него и толкова по-бърза е скоростта на охлаждане на разтопената вана, което може да доведе до относително малък размер на разтопената вана. Грапавостта на повърхността и чистотата на материала ще повлияят на скоростта на поглъщане на лазера и оттам ще повлияят на образуването и стабилността на разтопената вана. Освен това, видът и дебитът на защитния газ също ще окажат известно влияние върху формата и качеството на разтопената вана. Подходящият защитен газ може ефективно да предотврати окисляването и замърсяването на разтопената вана, но също така може да регулира повърхностното напрежение и характеристиките на потока на разтопената вана, така че да подобри качеството на заваряване.
Фигура 2. Форма на разтопената вана, когато лазерът се люлее.
Чрез промяна на траекторията на лазерния лъч, лазерното колебание може значително да повлияе на формата и характеристиките на разтопения резервоар, както е показано на Фигура 2. С колебанието на лазерния лъч, формата на разтопения резервоар става по-равномерна и стабилна. Осцилиращият лазерен лъч създава по-широка нагрята зона върху повърхността на резервоара, правейки краищата на резервоара по-гладки и намалявайки острите ръбове и неправилните форми. Това равномерно нагряване спомага за подобряване на качеството и механичните свойства на заварената шевка и намаляване на дефектите при заваряване, като пукнатини и пори. Освен това, лазерното колебание може също да увеличи течливостта на разтопения резервоар, да насърчи отделянето на газове и примеси в разтопения резервоар и допълнително да подобри плътността и равномерността на заварения резервоар.
Динамика на разтопения басейн
Термодинамиката на разтопените ванички е друга ключова област в изследванията на лазерното заваряване, която включва абсорбцията, преноса и преобразуването на лазерната енергия в разтопената ваничка, както и разпределението на температурното поле, скоростта на охлаждане и поведението на фазовия преход, причинени от това. Термодинамичните характеристики на заваръчната ваничка не само определят формата и размера ѝ, но и пряко влияят върху микроструктурата и механичните свойства на завареното съединение.
В процеса на лазерно заваряване, след като лазерната енергия се абсорбира от материала, тя ще създаде зона с висока температура в стопилката, което ще доведе до топене и изпаряване на материала. В същото време топлината ще се пренесе от областта с висока температура към областта с ниска температура чрез топлопроводимост, конвекция и излъчване, така че температурата на материала около стопилката ще се повиши и ще повлияе на микроструктурата и свойствата на материала. Поради малкия размер, големия температурен градиент и бързата скорост на охлаждане на стопилката е много трудно да се измери директно температурното поле и скоростта на охлаждане. Поради това повечето изследвания се провеждат за изучаване на термодинамичните свойства на стопилките чрез създаване на математически модели и методи за числено симулиране.
В термодинамичния модел на разтопения басейн обикновено е необходимо да се вземат предвид следните ключови фактори: Първо, механизмът на абсорбция на лазерната енергия, включително характеристиките на отражение, абсорбция и предаване на повърхността на материала, както и процесът на разсейване и абсорбция на лазера вътре в материала. Различните материали и лазерни параметри ще доведат до различни скорости на абсорбция и разпределение на енергията, което ще повлияе на термодинамичното поведение на разтопения басейн. Второ, топлинните физични свойства на материала, като специфичен топлинен капацитет, топлопроводимост, плътност и др., тези параметри ще се променят с промяната на температурата, което има важно влияние върху процеса на топлопреминаване. Освен това е необходимо да се вземат предвид и процесите на флуиден поток и фазова промяна в разтопения басейн, като топене, изпарение и втвърдяване, които ще променят формата и разпределението на температурното поле на разтопения басейн, но също така ще повлияят на микроструктурата и механичните свойства на материала.
Чрез числено симулиране и експериментално изследване, изследователите установиха, че разпределението на температурното поле в разтопения басейн обикновено показва значителна неравномерност, като зоната с висока температура е концентрирана главно в зоната на действие на лазера и в отвора на шприца, а температурата постепенно намалява към ръба на разтопения басейн и зоната, засегната от топлина. Скоростта на охлаждане се увеличава с намаляването на размера на разтопения басейн и увеличаването на разстоянието от зоната на лазера. Обикновено скоростта на охлаждане е по-ниска в центъра на разтопения басейн и зоната на отвора на шприца, докато скоростта на охлаждане е по-висока в края на разтопения басейн и зоната, засегната от топлина, както е показано на Фигура 2. Това неравномерно температурно поле и разпределение на скоростта на охлаждане ще доведат до очевидни градиентни промени в микроструктурата на завареното съединение, като например размер на зърната, фазов състав и разпределение, което ще повлияе на механичните свойства и корозионната устойчивост на завареното съединение.
Фигура 3. Резултати от симулацията на образуване на ключалка и разтопена вана по време на лазерно заваряване с дълбоко проникване на плоча от неръждаема стомана.
За да се подобрят термодинамичните характеристики на разтопената вана, да се подобри качеството на заваряване и да се намалят дефектите при заваряване, са предложени редица методи и мерки за оптимизация. Например, чрез регулиране на лазерни параметри, като мощност на лазера, скорост на заваряване, диаметър на точката и др., може да се промени режимът на въвеждане и разпределението на лазерната енергия, за да се оптимизира температурното поле и скоростта на охлаждане на разтопената вана. Освен това, термодинамичното поведение и еволюцията на микроструктурата на разтопената вана могат да се регулират чрез предварително нагряване, последващо нагряване, многоходово заваряване и други технологични методи, както и чрез използване на различни защитни газове и заваръчни атмосфери. В същото време, разработването на нови заваръчни материали и сплавни системи за подобряване на термичната стабилност и заваръчните характеристики на материалите също е един от важните начини за подобряване на термодинамичните характеристики на разтопените вани.
Характеристиките на лазерната заваръчна вана са ключовите фактори, влияещи върху качеството на заваряване, микроструктурата и механичните свойства. Задълбоченото изучаване на геометрията и термодинамичните характеристики на лазерната заваръчна вана е от голямо значение за оптимизиране на процеса на лазерно заваряване и подобряване на ефективността и качеството на заваряване. Чрез голям брой експериментални изследвания и числени симулационни анализи, изследователите са постигнали редица важни резултати, които осигуряват силна теоретична подкрепа и техническо ръководство за разработването и приложението на технологията за лазерно заваряване. Въпреки това, все още има някои недостатъци в настоящите изследвания, като например опростяване на модела и твърде много допускания, а прогнозирането на характеристиките на стопилката при сложни работни условия не е достатъчно точно. Систематичните и всеобхватни експериментални изследвания се нуждаят от подобряване и липсват задълбочени изследвания върху повече материали и параметри на заваряване.
Време на публикуване: 28 февруари 2025 г.
