Laserstraalsweising, met sy hoë spoed, hoë presisie en kontaklose eienskappe, word wyd toegepas in velde soos motors, lugvaart en elektroniese toestelle, veral met unieke voordele in die verbinding van uiteenlopende materiale. Die stollingskrake (Stolingskrake) wat tydens die sweisproses gegenereer word, is egter een van die belangrikste defekte wat die industriële toepassing daarvan beperk. Hierdie krake kom gewoonlik voor aan die einde van stolling in die smeltsone (Smeselsone), veroorsaak deur die gekombineerde effekte van termiese spanning, stollingskrimping en die vloeistoffilm op die korrelgrense, wat die meganiese eienskappe en moegheidslewe van die verbinding aansienlik verminder.
1. Vormingsmeganisme
Die kernmeganisme van stollingskrake lê in die oorblywende vloeistoffilm by die korrelgrense aan die einde van stolling. Tydens die stollingsproses word die gesmelte poel in drie sones verdeel: die vrye vloeistofsone, die beperkte vloeistofsone en die vaste sone, soos getoon in Figuur 1. In die beperkte vloeistofsone word die vloeistofvloei geblokkeer en kan nie kompenseer vir die spanning wat deur stollingskrimping gegenereer word nie, wat lei tot korrelgrensskeiding. Die verhouding van korrelgrensenergie (γgb) tot vastestof-vloeistof-grensvlakenergie (γsl) bepaal die stabiliteit van die vloeistoffilm: as γgb < 2γsl, is die vloeistoffilm onstabiel en vind korrelkoalesensie plaas; omgekeerd is die vloeistoffilm stabiel en is krakinisiasie geneig om plaas te vind.
Verder hou die vorming van stollingskrake ook verband met die metallurgiese eienskappe van die materiale. Verskillende materiale het verskillende stollingseienskappe, soos die temperatuurreeks van stolling, die krimpingstempo van stolling en die verspreiding van legeringselemente, ens. Hierdie eienskappe beïnvloed die sensitiwiteit van krake. Byvoorbeeld, in materiale wat 'n groot hoeveelheid eutektiese fases met 'n lae smeltpunt bevat, is die sensitiwiteit van stollingskrake hoër omdat hierdie eutektiese fases geneig is om deurlopende vloeistoffilms tydens stolling te vorm, wat die vorming van krake versterk.
Gedurende dielasersweisproses, sweisparameters soos laserkrag, sweisspoed en puntgrootte het ook 'n impak op die vorming van stollingskrake. Hierdie parameters beïnvloed die hitte-invoer en temperatuurgradiënt tydens die sweisproses, waardeur die stollingsstruktuur en korrelmorfologie verander word. Byvoorbeeld, hoër laserkrag en laer sweisspoed lei tot groter hitte-invoer en stadiger afkoeltempo, wat die groei van kolomkristalle bevorder en die kraakgevoeligheid verhoog. Omgekeerd lei laer laserkrag en hoër sweisspoed tot kleiner hitte-invoer en vinniger afkoeltempo, wat die vorming van gelykaskristalle vergemaklik en die kraakgevoeligheid verminder.
2. Onderdrukkingsmaatreëls
Om die stollingskrake effektief te onderdruk inlasersweiswerk, het navorsers verskeie strategieë voorgestel, wat hoofsaaklik fokus op die beheer van die korrelstruktuur, die optimalisering van die sweisparameters en die verbetering van die materiaaleienskappe. Deur die korrelstruktuur te verfyn, kan die aantal korrelgrense verhoog word, en die konsentrasie van spanningskonsentrasie kan verminder word, wat die vorming van krake verminder. Studies het getoon dat deur die gebruik van laserstraal-ossillasietegnologie kolomkristalle in fyn gelykaskristalle omskep kan word sonder om ander materiale by te voeg. Laserstraal-ossillasie kan laserenergie versprei, wat veroorsaak dat die gesmelte poel turbulensie genereer, waardeur die groeirigting van kolomkristalle verbreek word en die vorming van gelykaskristalle bevorder word, soos getoon in Figuur 3. Daarbenewens kan laserstraal-ossillasie ook die breedte van die gesmelte poel vergroot, die temperatuurgradiënt verminder en die stollingstyd van die gesmelte poel verleng, wat bevorderlik is vir die diffusie van opgeloste stowwe en die aanvulling van vloeistoffilms, wat die sensitiwiteit van stollingskrake aansienlik verminder.
Verspreiding van korrelgrensvloeistoffilms onder verskillende poelvorms.
Skematiese diagram van die sweissmeltpoel, a, b) sonder ossillasie, c, d) laterale ossillasie, e, f) longitudinale ossillasie, g, h) omtreksosillasie.
Benewens dielaserstraalOssillasietegnologie, die gebruik van dubbele laserbronne, is ook een van die effektiewe metodes om stollingskrake te onderdruk. Dubbele laserbronne kan die transformasie van kolomkristalle na gelykaskristalle bewerkstellig deur die termiese siklus te optimaliseer, waardeur die korrelgrootte en spanningskonsentrasie verminder word. Byvoorbeeld, wanneer CO₂-laser as die hoofhittebron en Nd:YAG-pulslaser as die hulphittebron gebruik word, kan 'n geoptimaliseerde termiese siklus tydens sweiswerk gevorm word, wat die vorming van gelykaskristalle bevorder en die sensitiwiteit van stollingskrake verminder, soos getoon in Figuur 4.
Die optimalisering van sweisparameters is ook 'n belangrike manier om stollingskrake te onderdruk. Deur parameters soos laserkrag, sweisspoed en puntgrootte aan te pas, kan die hitte-invoer en temperatuurgradiënt tydens die sweisproses beheer word, wat die stollingsstruktuur en korrelmorfologie beïnvloed. Studies het getoon dat voorverhittingsbehandeling die verkoelingstempo kan verminder, die vorming van gelykaskristalle kan bevorder en sodoende die sensitiwiteit van stollingskrake kan verminder, soos getoon in Figuur 5. Daarbenewens kan metodes soos die gebruik van gepulseerde lasersweis en die verhoging van die sweisspoed ook die transformasie van kolomkristalle na gelykaskristalle bewerkstellig deur die hitte-invoer en verkoelingstempo te verander, wat die sensitiwiteit van krake verminder.
Figuur 5. a) Ongeverhit, b) 300°C voorverhitte gelykas-korrels.
Wanneer verskillende materiale met lasers gesweis word, is bros intermetalliese verbindings geneig om te vorm as gevolg van die beduidende verskille in fisiese en chemiese eienskappe tussen die materiale, wat een van die hoofredes vir stollingskrake is. Daarom is die aanpassing van laserparameters en -instellings om die vorming of hoeveelheid intermetalliese verbindings te verminder ook 'n belangrike strategie om stollingskrake te onderdruk. Byvoorbeeld, in die lasersweis van koper-aluminium verskillende materiale, kan die mengverhouding van koper en aluminium in die gesmelte poel verminder word deur die verstelling van die laserstraal en die sweisspoed te beheer, waardeur die vorming van bros intermetalliese verbindings verminder word en die sensitiwiteit van krake verminder word. Daarbenewens kan die gebruik van vulmateriaal ook die werkverrigting van die gesweislas verbeter en die vorming van krake verminder. Vulmateriaal kan die vorming van intermetalliese verbindings verminder deur die samestelling en mikrostruktuur van die gesweislas te verander en die taaiheid van die gesweislas te verbeter.
Stollingskrake is een van die algemene defekte in lasersweisprosesse. Hul vormingsmeganisme is kompleks en behels die interaksie van verskeie faktore soos hitte, meganika en metallurgie. Deur die vormingsmeganisme van stollingskrake diep te bestudeer, kan 'n teoretiese basis gelê word vir die onderdrukking van krake. In onlangse jare het navorsers verskeie strategieë voorgestel om stollingskrake te onderdruk, wat hoofsaaklik fokus op die beheer van korrelstruktuur, die optimalisering van sweisparameters en die verbetering van materiaaleienskappe. Praktyk het bewys dat hierdie strategieë die sensitiwiteit van stollingskrake tot 'n sekere mate effektief kan verminder en die kwaliteit en betroubaarheid van lasersweis kan verbeter. As gevolg van die kompleksiteit en diversiteit van die lasersweisproses, is daar egter steeds 'n paar tekortkominge in huidige navorsing. Byvoorbeeld, vir die inhibisiemeganismes van stollingskrake onder verskillende materiale en sweistoestande, is verdere diepgaande navorsing steeds nodig.
Plasingstyd: 20 Maart 2025
