In moderne vervaardiging,lasersweistegnologieword wyd gebruik in verskeie velde, van lugvaart tot motorvervaardiging, van elektroniese toerusting tot mediese toestelle, met sy voordele van hoë doeltreffendheid, presisie en aanpasbaarheid. Die kern van hierdie tegnologie is die interaksie van die laser met die materiaal, wat 'n smeltpoel vorm en vinnig stol, wat die verbinding van metaalonderdele moontlik maak. Die sweispoel is 'n sleutelarea in lasersweiswerk, en die eienskappe daarvan bepaal direk die sweiskwaliteit, mikrostruktuur en finale werkverrigting. Daarom is 'n diepgaande begrip en presiese beheer van die sweispoeleienskappe van kardinale belang om die vlak van lasersweistegnologie te verbeter en aan die behoeftes van hoë kwaliteit sweisverbindings in industriële produksie te voldoen.
Gesmelte poelgeometrie
Die geometrie van die sweispoel is 'n belangrike aspek in lasersweisnavorsing, omdat dit direk die hitte-oordrag, materiaalvloei en die finale sweiskwaliteit tydens die sweisproses beïnvloed. Die vorm van 'n smeltpoel word gewoonlik beskryf deur die diepte, breedte, aspekverhouding, hitte-geaffekteerde sone (HAZ) geometrie, sleutelgatgeometrie en smeltmetaalsone (MMA) geometrie. Hierdie parameters bepaal nie net die grootte en vorm van die sweislas nie, maar beïnvloed ook die termiese siklus, verkoelingstempo en mikrostruktuurvorming tydens die sweisproses.
Tabel 1. Die invloed van lasersweisparameters op die geometriese parameters van elke sweispoel.
Die navorsing toon dat laserkrag en sweisspoed die twee hoofprosesparameters is wat die geometrie van die sweispoel beïnvloed, soos getoon in Tabel 1. Oor die algemeen, soos die laserkrag toeneem en die sweisspoed afneem, neem die diepte van die sweispoel toe, terwyl die breedte relatief min verander. Dit is omdat hoër laserkrag meer energie kan verskaf, wat die materiaal toelaat om vinniger te smelt en te verdamp, wat lei tot dieper sleutelgate en poele, soos getoon in Figuur 1. Wanneer die laserkrag egter te hoog of die sweisspoed te laag is, kan dit lei tot oorverhitting van die materiaal, oormatige verdamping en selfs die plasma-afskermingseffek, wat die sweisgehalte sal verminder. Daarom is dit in die werklike sweisproses nodig om die laserkrag en sweisspoed redelik te kies volgens die spesifieke materiaaleienskappe en sweisvereistes om die ideale sweispoelgeometrie te verkry.
Figuur 1. Verskillende sweisvorms gevorm deur laserhittegeleidingssweising en laserdieppenetrasiesweising.
Benewens laserkrag en sweisspoed, sal die termiese fisiese eienskappe van die materiaal, oppervlaktoestand, beskermende gas en ander faktore ook 'n impak op die sweispoelgeometrie hê. Byvoorbeeld, hoe hoër die termiese geleidingsvermoë van die materiaal, hoe vinniger die hitte-oordrag deur die materiaal, en hoe vinniger die afkoeltempo van die smeltpoel, wat kan lei tot 'n relatief klein grootte van die smeltpoel. Die oppervlakruheid en skoonheid van die materiaal sal die absorpsietempo van die laser beïnvloed, en dan die vorming en stabiliteit van die smeltpoel beïnvloed. Daarbenewens sal die tipe en vloeitempo van die beskermende gas ook 'n sekere impak hê op die vorm en kwaliteit van die smeltpoel. Die gepaste beskermende gas kan die sweispoel effektief teen oksidasie en besoedeling voorkom, maar kan ook die oppervlakspanning en vloei-eienskappe van die smeltpoel aanpas, om sodoende die sweiskwaliteit te verbeter.
Figuur 2. Vorm van die smeltpoel wanneer die laser swaai.
Deur die trajek van die laserstraal te verander, kan die laserswaai die vorm en eienskappe van die gesmelte poel aansienlik beïnvloed, soos getoon in Figuur 2. Soos die laserstraal wieg, word die vorm van die gesmelte poel meer eenvormig en stabiel. Die ossillerende laserstraal skep 'n wyer verhitte area op die oppervlak van die poel, wat die rande van die poel gladder maak en skerp kante en onreëlmatige vorms verminder. Hierdie eenvormige verhitting help om die kwaliteit en meganiese eienskappe van die sweislas te verbeter en sweisdefekte soos krake en porieë te verminder. Daarbenewens kan die laserswaai ook die vloeibaarheid van die gesmelte poel verhoog, die afvoer van gasse en onsuiwerhede in die gesmelte poel bevorder, en die digtheid en eenvormigheid van die sweislas verder verbeter.
Gesmelte poeldinamika
Gesmelte poeltermodinamika is nog 'n sleutelveld in lasersweisnavorsing, wat die absorpsie, oordrag en omskakeling van laserenergie in die gesmelte poel behels, sowel as die temperatuurveldverspreiding, verkoelingstempo en fase-oorgangsgedrag wat daardeur veroorsaak word. Die termodinamiese eienskappe van die sweispoel bepaal nie net die vorm en grootte van die sweispoel nie, maar beïnvloed ook direk die mikrostruktuur en meganiese eienskappe van die gesweisde verbinding.
In die proses van lasersweiswerk, nadat die laserenergie deur die materiaal geabsorbeer is, sal dit 'n hoëtemperatuurgebied in die smeltpoel skep, wat veroorsaak dat die materiaal smelt en verdamp. Terselfdertyd sal hitte deur hittegeleiding, konveksie en straling van die hoëtemperatuurgebied na die laetemperatuurgebied oorgedra word, sodat die temperatuur van die materiaal rondom die smeltpoel sal styg, en dan die mikrostruktuur en eienskappe van die materiaal beïnvloed. As gevolg van die klein grootte, groot temperatuurgradiënt en vinnige afkoeltempo van die smeltpoel, is dit baie moeilik om die temperatuurveld en afkoeltempo direk te meet. Daarom word die meeste studies uitgevoer om die termodinamiese eienskappe van smeltpoele te bestudeer deur wiskundige modelle en numeriese simulasiemetodes te vestig.
In die termodinamiese model van die smeltpoel moet die volgende sleutelfaktore gewoonlik in ag geneem word: Eerstens, die absorpsiemeganisme van laserenergie, insluitend die weerkaatsing, absorpsie en transmissie-eienskappe van die oppervlak van die materiaal, en die verstrooiings- en absorpsieproses van die laser binne die materiaal. Verskillende materiale en laserparameters sal lei tot verskillende absorpsietempo's en energieverspreidings, wat die termodinamiese gedrag van die smeltpoel sal beïnvloed. Tweedens, die termiese fisiese eienskappe van die materiaal, soos spesifieke hittekapasiteit, termiese geleidingsvermoë, digtheid, ens., hierdie parameters sal verander met die verandering van temperatuur, wat 'n belangrike impak op die hitte-oordragproses het. Daarbenewens is dit ook nodig om die vloeistofvloei en faseveranderingsprosesse in die smeltpoel in ag te neem, soos smelting, verdamping en stolling, wat die vorm en temperatuurveldverspreiding van die smeltpoel sal verander, maar ook die mikrostruktuur en meganiese eienskappe van die materiaal sal beïnvloed.
Deur numeriese simulasie en eksperimentele studie het die navorsers bevind dat die temperatuurveldverspreiding in die smeltpoel gewoonlik 'n beduidende nie-uniformiteit toon, die hoëtemperatuurarea is hoofsaaklik gekonsentreer in die laseraksie-area en die sleutelgat, en die temperatuur daal geleidelik tot by die rand van die smeltpoel en die hitte-geaffekteerde sone. Die verkoelingstempo neem toe met die afname van die grootte van die smeltpoel en die toename van die afstand vanaf die laserarea. Oor die algemeen is die verkoelingstempo laer in die middel van die smeltpoel en die sleutelgatarea, terwyl die verkoelingstempo hoër is aan die rand van die smeltpoel en die hitte-geaffekteerde sone, soos getoon in Figuur 2. Hierdie nie-uniforme temperatuurveld en verkoelingstempoverspreiding sal lei tot duidelike gradiëntveranderinge in die mikrostruktuur van die sweislas, soos korrelgrootte, fasesamestelling en -verspreiding, wat die meganiese eienskappe en korrosieweerstand van die sweislas sal beïnvloed.
Figuur 3. Simulasieresultate van sleutelgat- en smeltpoelvorming tydens laser-dieppenetrasiesweis van vlekvrye staalplaat.
Om die termodinamiese eienskappe van die smeltpoel te verbeter, die sweiskwaliteit te verbeter en sweisdefekte te verminder, is 'n reeks optimaliseringsmetodes en -maatreëls voorgestel. Deur byvoorbeeld laserparameters, soos laserkrag, sweisspoed, puntdiameter, ens., aan te pas, kan die invoermodus en verspreiding van laserenergie verander word om die temperatuurveld en verkoelingstempo van die smeltpoel te optimaliseer. Daarbenewens kan die termodinamiese gedrag en mikrostruktuur-evolusie van die smeltpoel aangepas word deur voorverhitting, naverhitting, meervoudige sweiswerk en ander prosesmetodes te gebruik, sowel as deur verskillende beskermende gasse en sweisatmosfere te gebruik. Terselfdertyd is die ontwikkeling van nuwe sweismateriale en legeringstelsels om die termiese stabiliteit en sweisprestasie van materiale te verbeter, ook een van die belangrike maniere om die termodinamiese eienskappe van smeltpoele te verbeter.
Die eienskappe van die lasersweispoel is die sleutelfaktore wat die sweiskwaliteit, mikrostruktuur en meganiese eienskappe beïnvloed. Die diepgaande studie van die geometrie en termodinamiese eienskappe van die lasersweispoel is van groot belang vir die optimalisering van die lasersweisproses en die verbetering van die sweisdoeltreffendheid en -kwaliteit. Deur 'n groot aantal eksperimentele navorsing en numeriese simulasie-analise het navorsers 'n reeks belangrike navorsingsresultate behaal wat 'n sterk teoretiese ondersteuning en tegniese leiding bied vir die ontwikkeling en toepassing van lasersweistegnologie. Daar is egter steeds 'n paar tekortkominge in die huidige navorsing, soos die vereenvoudiging van die model en te veel aannames, en die voorspelling van die smeltpoeleienskappe onder komplekse werksomstandighede is nie akkuraat genoeg nie. Die sistematiese en omvattende eksperimentele navorsing moet verbeter word, en daar is 'n gebrek aan diepgaande navorsing oor meer materiale en sweisparameters.
Plasingstyd: 28 Februarie 2025
