Spawanie wiązką laserowąSpawanie metodą SCR, charakteryzujące się dużą prędkością, wysoką precyzją i bezkontaktowością, jest szeroko stosowane w takich dziedzinach jak motoryzacja, przemysł lotniczy i elektroniczny, wykazując się wyjątkowymi zaletami w łączeniu materiałów o różnych właściwościach. Jednakże pęknięcia krzepnięcia (Solidification Cracking) powstające podczas procesu spawania stanowią jedną z głównych wad ograniczających jego przemysłowe zastosowanie. Pęknięcia te występują zazwyczaj pod koniec krzepnięcia w strefie stopienia (Fusion Zone), pod wpływem połączonego oddziaływania naprężeń termicznych, skurczu krzepnięcia oraz filmu ciekłego na granicach ziaren, co znacznie obniża właściwości mechaniczne i trwałość zmęczeniową złącza.
1.Mechanizm formowania
Podstawowy mechanizm pęknięć krzepnięcia leży w resztkowej warstwie cieczy na granicach ziaren po zakończeniu krzepnięcia. Podczas procesu krzepnięcia jeziorko stopu dzieli się na trzy strefy: strefę swobodnej cieczy, strefę ograniczonej cieczy i strefę stałą, jak pokazano na rysunku 1. W strefie ograniczonej cieczy przepływ cieczy jest zablokowany i nie może skompensować odkształceń generowanych przez skurcz krzepnięcia, co powoduje rozdzielenie się granic ziaren. Stosunek energii granicy ziaren (γgb) do energii międzyfazowej ciało stałe-ciecz (γsl) określa stabilność warstwy cieczy: jeśli γgb < 2γsl, warstwa cieczy jest niestabilna i następuje koalescencja ziaren; przeciwnie, warstwa cieczy jest stabilna i istnieje ryzyko inicjacji pęknięć.
Ponadto powstawanie pęknięć krzepnięcia jest również związane z właściwościami metalurgicznymi materiałów. Różne materiały charakteryzują się odmiennymi właściwościami krzepnięcia, takimi jak zakres temperatur krzepnięcia, szybkość skurczu krzepnięcia, rozkład pierwiastków stopowych itp. Właściwości te wpływają na wrażliwość na pęknięcia. Na przykład w materiałach zawierających dużą ilość faz eutektycznych o niskiej temperaturze topnienia wrażliwość na pęknięcia krzepnięcia jest wyższa, ponieważ te fazy eutektyczne mają tendencję do tworzenia ciągłych filmów ciekłych podczas krzepnięcia, co nasila powstawanie pęknięć.
Podczasproces spawania laserowegoParametry spawania, takie jak moc lasera, prędkość spawania i rozmiar plamki, również wpływają na powstawanie pęknięć krzepnięcia. Parametry te wpływają na ilość ciepła doprowadzonego i gradient temperatury podczas procesu spawania, zmieniając w ten sposób strukturę krzepnięcia i morfologię ziarna. Na przykład, wyższa moc lasera i niższa prędkość spawania skutkują większą ilością ciepła doprowadzonego i wolniejszym tempem chłodzenia, co sprzyja wzrostowi kryształów kolumnowych i zwiększa podatność na pęknięcia. Z kolei niższa moc lasera i wyższa prędkość spawania skutkują mniejszą ilością ciepła doprowadzonego i szybszym tempem chłodzenia, co sprzyja powstawaniu kryształów równoosiowych i zmniejsza podatność na pęknięcia.
2.Środki tłumiące
Aby skutecznie stłumić pęknięcia krzepnięcia wspawanie laseroweNaukowcy zaproponowali różne strategie, które koncentrują się głównie na kontrolowaniu struktury ziarna, optymalizacji parametrów spawania i poprawie właściwości materiału. Poprzez udoskonalenie struktury ziarna można zwiększyć liczbę granic ziaren i zmniejszyć koncentrację naprężeń, zmniejszając w ten sposób powstawanie pęknięć. Badania wykazały, że dzięki zastosowaniu technologii oscylacji wiązki laserowej kryształy kolumnowe można przekształcić w drobne kryształy równoosiowe bez dodawania innych materiałów. Oscylacja wiązki laserowej może rozpraszać energię lasera, powodując turbulencje w jeziorku stopionego metalu, tym samym przerywając kierunek wzrostu kryształów kolumnowych i promując powstawanie kryształów równoosiowych, jak pokazano na rysunku 3. Ponadto oscylacja wiązki laserowej może również zwiększyć szerokość jeziorka stopionego metalu, zmniejszyć gradient temperatury i wydłużyć czas krzepnięcia jeziorka stopionego metalu, co sprzyja dyfuzji substancji rozpuszczonych i uzupełnianiu warstw cieczy, tym samym znacznie zmniejszając wrażliwość pęknięć krzepnięcia.
Rozkład filmów cieczy na granicach ziaren w różnych kształtach basenów.
Schematyczny rysunek jeziorka spawalniczego: a, b) bez oscylacji, c, d) oscylacja boczna, e, f) oscylacja wzdłużna, g, h) oscylacja obwodowa.
Opróczwiązka laserowaTechnologia oscylacji, wykorzystująca podwójne źródła laserowe, jest również jedną ze skutecznych metod tłumienia pęknięć krzepnięcia. Podwójne źródła laserowe pozwalają na transformację kryształów kolumnowych w kryształy równoosiowe poprzez optymalizację cyklu cieplnego, zmniejszając w ten sposób rozmiar ziarna i koncentrację odkształceń. Na przykład, stosując laser CO₂ jako główne źródło ciepła i impulsowy laser Nd:YAG jako pomocnicze źródło ciepła, można uzyskać zoptymalizowany cykl cieplny podczas spawania, sprzyjający tworzeniu kryształów równoosiowych i zmniejszający wrażliwość pęknięć krzepnięcia, jak pokazano na rysunku 4.
Optymalizacja parametrów spawania jest również ważnym sposobem na ograniczenie pęknięć krzepnięcia. Poprzez regulację parametrów, takich jak moc lasera, prędkość spawania i rozmiar plamki, można kontrolować ilość ciepła doprowadzonego i gradient temperatury podczas procesu spawania, wpływając w ten sposób na strukturę krzepnięcia i morfologię ziarna. Badania wykazały, że podgrzewanie wstępne może zmniejszyć szybkość chłodzenia, sprzyjać tworzeniu się kryształów równoosiowych, a tym samym zmniejszyć wrażliwość na pęknięcia krzepnięcia, jak pokazano na rysunku 5. Ponadto, metody takie jak stosowanie impulsowego spawania laserowego i zwiększanie prędkości spawania mogą również doprowadzić do transformacji kryształów kolumnowych w kryształy równoosiowe poprzez zmianę ilości ciepła doprowadzonego i szybkości chłodzenia, zmniejszając w ten sposób wrażliwość na pęknięcia.
Rysunek 5. a) Nieogrzewane, b) Ziarna równoosiowe podgrzane do 300°C.
Podczas spawania laserowego materiałów o różnych właściwościach fizycznych i chemicznych, ze względu na znaczne różnice w ich właściwościach fizycznych i chemicznych, powstają kruche związki międzymetaliczne, które są jedną z głównych przyczyn pęknięć krzepnięcia. Dlatego też, dostosowanie parametrów i ustawień lasera w celu ograniczenia tworzenia się lub ilości związków międzymetalicznych jest również ważną strategią zapobiegania pęknięciom krzepnięcia. Na przykład, podczas spawania laserowego materiałów o różnych właściwościach miedzi i aluminium, poprzez kontrolowanie przesunięcia wiązki laserowej i prędkości spawania, można zmniejszyć stosunek mieszania miedzi i aluminium w jeziorku spawalniczym, zmniejszając w ten sposób tworzenie się kruchych związków międzymetalicznych i zmniejszając podatność na pęknięcia. Ponadto, zastosowanie materiałów dodatkowych może również poprawić właściwości spawanego złącza i ograniczyć powstawanie pęknięć. Materiały dodatkowe mogą ograniczyć tworzenie się związków międzymetalicznych poprzez zmianę składu i mikrostruktury spawanego złącza oraz poprawić jego wytrzymałość.
Pęknięcia krzepnięcia są jedną z częstych wad w procesach spawania laserowego. Mechanizm ich powstawania jest złożony i obejmuje interakcję wielu czynników, takich jak ciepło, mechanika i metalurgia. Dogłębne zbadanie mechanizmu powstawania pęknięć krzepnięcia pozwala na stworzenie podstaw teoretycznych do ich zapobiegania. W ostatnich latach naukowcy zaproponowali różne strategie zapobiegania pęknięciom krzepnięcia, koncentrujące się głównie na kontrolowaniu struktury ziarna, optymalizacji parametrów spawania i poprawie właściwości materiału. Praktyka dowiodła, że strategie te mogą skutecznie zmniejszyć wrażliwość pęknięć krzepnięcia do pewnego stopnia oraz poprawić jakość i niezawodność spawania laserowego. Jednak ze względu na złożoność i różnorodność procesu spawania laserowego, obecne badania wciąż wykazują pewne braki. Na przykład, w zakresie mechanizmów hamowania pęknięć krzepnięcia w różnych materiałach i warunkach spawania, nadal potrzebne są dalsze, pogłębione badania.
Czas publikacji: 20 marca 2025 r.
