Лазерно заваряване, с високата си скорост, висока прецизност и безконтактни характеристики, се прилага широко в области като автомобилостроенето, аерокосмическата промишленост и електронните устройства, като показва особено уникални предимства при свързването на различни материали. Пукнатините при втвърдяване (напукване при втвърдяване), генерирани по време на процеса на заваряване, обаче са един от ключовите дефекти, ограничаващи промишленото му приложение. Тези пукнатини обикновено се появяват в края на втвърдяването в зоната на сливане (зона на сливане), предизвикани от комбинираното въздействие на термично напрежение, свиване при втвърдяване и течния филм върху границите на зърната, което значително намалява механичните свойства и дълготрайността на съединението.
1. Механизъм на формиране
Основният механизъм на пукнатините при втвърдяване се крие в остатъчния течен филм по границите на зърната в края на втвърдяването. По време на процеса на втвърдяване, разтопената вана се разделя на три зони: зона на свободна течност, ограничена течна зона и твърда зона, както е показано на Фигура 1. В ограничената течна зона потокът на течността е блокиран и не може да компенсира напрежението, генерирано от свиването при втвърдяване, което води до разделяне на границите на зърната. Съотношението на енергията на границата на зърната (γgb) към енергията на интерфейса твърдо тяло-течност (γsl) определя стабилността на течния филм: ако γgb < 2γsl, течният филм е нестабилен и настъпва коалесценция на зърната; обратно, течният филм е стабилен и е склонен към образуване на пукнатини.
Освен това, образуването на пукнатини при втвърдяване е свързано и с металургичните свойства на материалите. Различните материали имат различни характеристики на втвърдяване, като например температурния диапазон на втвърдяване, скоростта на свиване при втвърдяване и разпределението на легиращите елементи и др. Тези характеристики влияят върху чувствителността на пукнатините. Например, в материали, съдържащи голямо количество евтектични фази с ниска точка на топене, чувствителността на пукнатините при втвърдяване е по-висока, тъй като тези евтектични фази са склонни да образуват непрекъснати течни филми по време на втвърдяване, като по този начин засилват образуването на пукнатини.
По време напроцес на лазерно заваряванеПараметри на заваряване, като мощност на лазера, скорост на заваряване и размер на точката, също оказват влияние върху образуването на пукнатини при втвърдяване. Тези параметри влияят на вложения топлина и температурния градиент по време на процеса на втвърдяване, като по този начин променят структурата на втвърдяване и морфологията на зърната. Например, по-високата мощност на лазера и по-ниската скорост на заваряване водят до по-голям вложен топлина и по-бавна скорост на охлаждане, което насърчава растежа на колоновидните кристали и увеличава чувствителността към пукнатини. Обратно, по-ниската мощност на лазера и по-високата скорост на заваряване водят до по-малък вложен топлина и по-бърза скорост на охлаждане, което улеснява образуването на равноосни кристали и намалява чувствителността към пукнатини.
2. Мерки за потискане
За ефективно потискане на пукнатините от втвърдяване влазерно заваряванеИзследователите са предложили различни стратегии, които се фокусират главно върху контролирането на зърнестата структура, оптимизирането на параметрите на заваряване и подобряването на свойствата на материала. Чрез рафиниране на зърнестата структура може да се увеличи броят на границите на зърната и да се намали концентрацията на напрежение, като по този начин се намалява образуването на пукнатини. Проучванията показват, че чрез използване на технология за лазерно лъчево трептене, колоновидните кристали могат да се трансформират във фини равноосни кристали без добавяне на други материали. Лазерното лъчево трептене може да разпръсне лазерната енергия, причинявайки турбулентност в разтопения басейн, като по този начин нарушава посоката на растеж на колоновидните кристали и насърчава образуването на равноосни кристали, както е показано на Фигура 3. Освен това, лазерното лъчево трептене може също да увеличи ширината на разтопения басейн, да намали температурния градиент и да удължи времето за втвърдяване на разтопения басейн, което е благоприятно за дифузията на разтворените вещества и попълването на течните филми, като по този начин значително намалява чувствителността на пукнатините при втвърдяване.
Разпределение на течни филми по границите на зърната при различни форми на басейни.
Схематична диаграма на заваръчната разтопена вана, a, b) без трептене, c, d) странично трептене, e, f) надлъжно трептене, g, h) периферно трептене.
В допълнение къмлазерен лъчТехнологията на осцилациите, използваща двойни лазерни източници, също е един от ефективните методи за потискане на пукнатините от втвърдяване. Двойните лазерни източници могат да постигнат трансформация от колоновидни кристали в равноосни кристали чрез оптимизиране на термичния цикъл, като по този начин намаляват размера на зърната и концентрацията на напрежение. Например, когато се използва CO₂ лазер като основен източник на топлина и Nd:YAG импулсен лазер като спомагателен източник на топлина, по време на заваряване може да се образува оптимизиран термичен цикъл, който насърчава образуването на равноосни кристали и намалява чувствителността на пукнатините от втвърдяване, както е показано на Фигура 4.
Оптимизирането на параметрите на заваряване също е важно средство за потискане на пукнатините при втвърдяване. Чрез регулиране на параметри като мощност на лазера, скорост на заваряване и размер на точката, може да се контролира вложената топлина и температурният градиент по време на процеса на заваряване, като по този начин се влияе върху структурата на втвърдяване и морфологията на зърната. Проучванията показват, че предварителното нагряване може да намали скоростта на охлаждане, да насърчи образуването на равноосни кристали и по този начин да намали чувствителността на пукнатините при втвърдяване, както е показано на Фигура 5. Освен това, методи като използване на импулсно лазерно заваряване и увеличаване на скоростта на заваряване също могат да постигнат трансформация от колоновидни кристали в равноосни кристали чрез промяна на вложената топлина и скоростта на охлаждане, като по този начин се намалява чувствителността на пукнатините.
Фигура 5. а) Ненагряти, б) Предварително загряти на 300°C равноосни зърна.
При заваряване на разнородни материали с лазери, поради значителните разлики във физичните и химичните свойства между материалите, е възможно образуването на крехки интерметални съединения, които са една от основните причини за пукнатини при втвърдяване. Следователно, регулирането на параметрите и настройките на лазера за намаляване на образуването или количеството на интерметални съединения също е важна стратегия за потискане на пукнатините при втвърдяване. Например, при лазерно заваряване на разнородни медно-алуминиеви материали, чрез контролиране на отместването на лазерния лъч и скоростта на заваряване, съотношението на смесване на мед и алуминий в разтопената вана може да се намали, като по този начин се намали образуването на крехки интерметални съединения и чувствителността на пукнатини. Освен това, използването на пълнителни материали може да подобри характеристиките на заварената шевка и да намали образуването на пукнатини. Пълнителните материали могат да намалят образуването на интерметални съединения чрез промяна на състава и микроструктурата на заварената шевка и да подобрят якостта на заварената шевка.
Пукнатините от втвърдяване са едни от често срещаните дефекти в процесите на лазерно заваряване. Механизмът им на образуване е сложен и включва взаимодействието на множество фактори, като топлина, механика и металургия. Чрез задълбочено изучаване на механизма на образуване на пукнатини от втвърдяване може да се осигури теоретична основа за потискането им. През последните години изследователите предложиха различни стратегии за потискане на пукнатините от втвърдяване, които се фокусират главно върху контролирането на структурата на зърната, оптимизирането на параметрите на заваряване и подобряването на свойствата на материалите. Практиката е доказала, че тези стратегии могат ефективно да намалят чувствителността на пукнатините от втвърдяване до известна степен и да подобрят качеството и надеждността на лазерното заваряване. Въпреки това, поради сложността и разнообразието на процеса на лазерно заваряване, все още има някои недостатъци в настоящите изследвания. Например, за механизмите на инхибиране на пукнатините от втвърдяване при различни материали и условия на заваряване, все още са необходими задълбочени изследвания.
Време на публикуване: 20 март 2025 г.
