Šiuolaikinėje gamyboje,lazerinio suvirinimo technologijaplačiai naudojamas įvairiose srityse – nuo aviacijos ir kosmoso iki automobilių gamybos, nuo elektroninės įrangos iki medicinos prietaisų, pasižymintis dideliu efektyvumu, tikslumu ir pritaikomumu. Šios technologijos esmė – lazerio sąveika su medžiaga, suformuojant išlydytą vonelę ir greitai sukietėjant, taip sujungiant metalines dalis. Suvirinimo vonelė yra pagrindinė lazerinio suvirinimo sritis, o jos savybės tiesiogiai lemia suvirinimo kokybę, mikrostruktūrą ir galutinį našumą. Todėl išsamus išlydyto vandens vonios savybių supratimas ir tikslus valdymas yra gyvybiškai svarbūs siekiant pagerinti lazerinio suvirinimo technologijos lygį ir patenkinti aukštos kokybės suvirintų jungčių poreikius pramoninėje gamyboje.
Išlydyto baseino geometrija
Suvirinimo vonios geometrija yra svarbus lazerinio suvirinimo tyrimų aspektas, nes ji tiesiogiai veikia šilumos perdavimą, medžiagų srautą ir galutinę suvirinimo kokybę suvirinimo proceso metu. Išlydyto metalo vonios forma paprastai apibūdinama jos gyliu, pločiu, kraštinių santykiu, karščio paveiktos zonos (HAZ) geometrija, rakto skylutės geometrija ir išlydyto metalo zonos (MMA) geometrija. Šie parametrai ne tik lemia suvirinto sujungimo dydį ir formą, bet ir turi įtakos terminiam ciklui, aušinimo greičiui ir mikrostruktūros formavimuisi suvirinimo proceso metu.
1 lentelė. Lazerinio suvirinimo parametrų įtaka kiekvienos suvirinimo vonios geometriniams parametrams.
Tyrimai rodo, kad lazerio galia ir suvirinimo greitis yra du pagrindiniai proceso parametrai, turintys įtakos suvirinimo vonios geometrijai, kaip parodyta 1 lentelėje. Apskritai, didėjant lazerio galiai ir mažėjant suvirinimo greičiui, suvirinimo vonios gylis didėja, o plotis kinta santykinai mažai. Taip yra todėl, kad didesnė lazerio galia gali suteikti daugiau energijos, todėl medžiaga greičiau išsilydo ir išgaruoja, todėl susidaro gilesnės skylės ir vonios, kaip parodyta 1 paveiksle. Tačiau kai lazerio galia yra per didelė arba suvirinimo greitis per mažas, medžiaga gali perkaisti, per daug išgaruoti ir netgi atsirasti plazmos ekranavimo efektas, o tai sumažins suvirinimo kokybę. Todėl atliekant faktinį suvirinimo procesą, norint gauti idealią suvirinimo vonios geometriją, būtina pagrįstai pasirinkti lazerio galią ir suvirinimo greitį pagal konkrečias medžiagos savybes ir suvirinimo reikalavimus.
1 pav. Skirtingos suvirinimo siūlių formos, suformuotos lazeriniu šilumos laidumo suvirinimu ir lazeriniu gilaus įsiskverbimo suvirinimu.
Be lazerio galios ir suvirinimo greičio, suvirinimo vonios geometrijai įtakos turi ir medžiagos terminės fizikinės savybės, paviršiaus būsena, apsauginės dujos ir kiti veiksniai. Pavyzdžiui, kuo didesnis medžiagos šilumos laidumas, tuo greitesnis šilumos perdavimas per medžiagą ir tuo greitesnis išlydytos vonios aušinimo greitis, todėl išlydytos vonios dydis gali būti santykinai mažas. Medžiagos paviršiaus šiurkštumas ir švara turės įtakos lazerio sugerties greičiui, o tai savo ruožtu turės įtakos išlydytos vonios susidarymui ir stabilumui. Be to, apsauginių dujų tipas ir srauto greitis taip pat turės tam tikrą įtaką išlydytos vonios formai ir kokybei. Tinkamos apsauginės dujos gali veiksmingai apsaugoti išlydytos vonios paviršių nuo oksidacijos ir užteršimo, taip pat gali reguliuoti išlydytos vonios paviršiaus įtempimą ir tekėjimo charakteristikas, kad pagerėtų suvirinimo kokybė.
2 pav. Išlydyto metalo forma, kai lazeris sukasi.
Keičiant lazerio spindulio trajektoriją, lazerio svyravimas gali reikšmingai paveikti išlydyto metalo baseino formą ir charakteristikas, kaip parodyta 2 paveiksle. Lazerio spinduliui svyruojant, išlydyto metalo baseino forma tampa tolygesnė ir stabilesnė. Svyruojantis lazerio spindulys sukuria platesnį kaitinamą plotą baseino paviršiuje, todėl baseino kraštai tampa lygesni, sumažėja aštrūs kraštai ir netaisyklingos formos. Šis tolygus kaitinimas padeda pagerinti suvirinto sujungimo kokybę ir mechanines savybes bei sumažinti suvirinimo defektus, tokius kaip įtrūkimai ir poros. Be to, lazerio svyravimas taip pat gali padidinti išlydyto metalo baseino takumą, skatinti dujų ir priemaišų išsiskyrimą iš išlydyto metalo baseino ir dar labiau pagerinti suvirinto sujungimo tankį ir tolygumą.
Išlydyto baseino dinamika
Išlydytos vonios termodinamika yra dar viena svarbi lazerinio suvirinimo tyrimų sritis, apimanti lazerio energijos absorbciją, perdavimą ir konversiją išlydytoje vonelėje, taip pat temperatūros lauko pasiskirstymą, aušinimo greitį ir fazinio virsmo elgseną, kurią tai sukelia. Suvirinimo vonios termodinaminės charakteristikos ne tik lemia suvirinimo vonios formą ir dydį, bet ir tiesiogiai veikia suvirinto sujungimo mikrostruktūrą ir mechanines savybes.
Lazerinio suvirinimo procese, lazerio energijai sugerus medžiagą, išlydyto metalo vonelėje susidaro aukštos temperatūros sritis, dėl kurios medžiaga išsilydo ir išgaruoja. Tuo pačiu metu šiluma iš aukštos temperatūros srities perkeliama į žemos temperatūros sritį šilumos laidumo, konvekcijos ir spinduliuotės būdu, todėl medžiagos aplink išlydytą metalą temperatūra padidės ir tai paveiks medžiagos mikrostruktūrą bei savybes. Dėl mažo išlydyto metalo dydžio, didelio temperatūros gradiento ir greito aušinimo greičio labai sunku tiesiogiai išmatuoti temperatūros lauką ir aušinimo greitį. Todėl dauguma tyrimų atliekami siekiant ištirti išlydyto metalo vonelių termodinamines savybes, naudojant matematinius modelius ir skaitmeninio modeliavimo metodus.
Termodinaminiame išlydyto metalo modelyje paprastai reikia atsižvelgti į šiuos pagrindinius veiksnius: pirma, lazerio energijos sugerties mechanizmą, įskaitant medžiagos paviršiaus atspindžio, sugerties ir perdavimo charakteristikas, bei lazerio sklaidos ir sugerties procesą medžiagos viduje. Skirtingos medžiagos ir lazerio parametrai lems skirtingus sugerties greičius ir energijos pasiskirstymą, o tai turės įtakos išlydyto metalo termodinaminėms savybėms. Antra, medžiagos terminės fizikinės savybės, tokios kaip savitoji šilumos talpa, šilumos laidumas, tankis ir kt., keičiasi keičiantis temperatūrai, o tai daro didelę įtaką šilumos perdavimo procesui. Be to, taip pat būtina atsižvelgti į skysčio tekėjimo ir fazės kitimo procesus išlydyto metalo fone, tokius kaip lydymasis, garavimas ir kietėjimas, kurie pakeis išlydyto metalo formą ir temperatūros lauko pasiskirstymą, taip pat turės įtakos medžiagos mikrostruktūrai ir mechaninėms savybėms.
Atlikdami skaitmeninį modeliavimą ir eksperimentinius tyrimus, tyrėjai nustatė, kad temperatūros lauko pasiskirstymas išlydyto metalo vonelėje paprastai yra labai netolygus: aukštos temperatūros sritis daugiausia susikaupia lazerio veikimo srityje ir rakto skylutėje, o temperatūra palaipsniui mažėja link išlydyto metalo vonios krašto ir karščio paveiktos zonos. Aušinimo greitis didėja mažėjant išlydyto metalo vonios dydžiui ir didėjant atstumui nuo lazerio lauko. Paprastai aušinimo greitis yra mažesnis išlydyto metalo vonios centre ir rakto skylutėje, o didesnis – išlydyto metalo vonios krašte ir karščio paveiktoje zonoje, kaip parodyta 2 paveiksle. Šis netolygus temperatūros lauko ir aušinimo greičio pasiskirstymas sukels akivaizdžius suvirinto metalo mikrostruktūros gradientinius pokyčius, tokius kaip grūdelių dydis, fazių sudėtis ir pasiskirstymas, kurie turės įtakos suvirinto metalo mechaninėms savybėms ir atsparumui korozijai.
3 pav. Nerūdijančio plieno plokštės lazerinio gilaus suvirinimo metu susidariusių skylučių ir išlydyto vandens telkinio modeliavimo rezultatai.
Siekiant pagerinti išlydytos vonios termodinamines charakteristikas, pagerinti suvirinimo kokybę ir sumažinti suvirinimo defektus, buvo pasiūlyta eilė optimizavimo metodų ir priemonių. Pavyzdžiui, reguliuojant lazerio parametrus, tokius kaip lazerio galia, suvirinimo greitis, taško skersmuo ir kt., galima keisti lazerio energijos įvesties režimą ir paskirstymą, siekiant optimizuoti išlydytos vonios temperatūros lauką ir aušinimo greitį. Be to, išlydytos vonios termodinaminę elgseną ir mikrostruktūros evoliuciją galima reguliuoti naudojant išankstinį pašildymą, papildomą pašildymą, daugiasluoksnį suvirinimą ir kitus proceso metodus, taip pat naudojant skirtingas apsaugines dujas ir suvirinimo atmosferas. Tuo pačiu metu naujų suvirinimo medžiagų ir lydinių sistemų kūrimas, siekiant pagerinti medžiagų terminį stabilumą ir suvirinimo charakteristikas, taip pat yra vienas iš svarbių būdų pagerinti išlydytos vonios termodinamines charakteristikas.
Lazerinio suvirinimo vonios charakteristikos yra pagrindiniai veiksniai, darantys įtaką suvirinimo kokybei, mikrostruktūrai ir mechaninėms savybėms. Išsamus lazerinio suvirinimo vonios geometrijos ir termodinaminių charakteristikų tyrimas yra labai svarbus optimizuojant lazerinio suvirinimo procesą ir gerinant suvirinimo efektyvumą bei kokybę. Atlikę daugybę eksperimentinių tyrimų ir skaitmeninio modeliavimo analizės, tyrėjai pasiekė svarbių tyrimų rezultatų, kurie suteikia tvirtą teorinį pagrindą ir technines gaires lazerinio suvirinimo technologijos kūrimui ir taikymui. Tačiau dabartiniuose tyrimuose vis dar yra tam tikrų trūkumų, pavyzdžiui, modelio supaprastinimas ir per daug prielaidų, o lydalo vonios charakteristikų prognozavimas sudėtingomis darbo sąlygomis nėra pakankamai tikslus. Reikia tobulinti sistemingus ir išsamius eksperimentinius tyrimus, taip pat trūksta išsamių tyrimų apie daugiau medžiagų ir suvirinimo parametrų.
Įrašo laikas: 2025 m. vasario 28 d.
