Lazerinio spindulio suvirinimas, pasižymintis dideliu greičiu, dideliu tikslumu ir nekontaktinėmis savybėmis, plačiai taikomas tokiose srityse kaip automobilių, aviacijos ir kosmoso pramonė bei elektronikos prietaisai, ypač pasižymintis unikaliais pranašumais jungiant skirtingas medžiagas. Tačiau suvirinimo proceso metu atsirandantys kietėjimo įtrūkimai yra vienas iš pagrindinių defektų, ribojančių jo pramoninį pritaikymą. Šie įtrūkimai paprastai atsiranda kietėjimo pabaigoje lydymosi zonoje, juos sukelia bendras terminio įtempio, kietėjimo susitraukimo ir skystos plėvelės ant grūdelių ribų poveikis, žymiai sumažinantis jungties mechanines savybes ir nuovargio ilgaamžiškumą.
1. Formavimo mechanizmas
Pagrindinis kietėjimo įtrūkių mechanizmas slypi likusioje skysčio plėvelėje grūdelių ribose kietėjimo pabaigoje. Kietėjimo proceso metu išlydyto skysčio vonelė yra padalinta į tris zonas: laisvojo skysčio zoną, ribotojo skysčio zoną ir kietojo skysčio zoną, kaip parodyta 1 paveiksle. Ribotojo skysčio zonoje skysčio srautas yra užblokuotas ir negali kompensuoti kietėjimo susitraukimo metu susidariusios deformacijos, todėl grūdelių ribos atsiskiria. Grūdelių ribos energijos (γgb) ir kietojo ir skysčio sąsajos energijos (γsl) santykis lemia skysčio plėvelės stabilumą: jei γgb < 2γsl, skysčio plėvelė yra nestabili ir vyksta grūdelių koalescencija; atvirkščiai, skysčio plėvelė yra stabili ir yra linkusi įtrūkimų atsiradimas.
Be to, kietėjimo įtrūkimų susidarymas taip pat susijęs su medžiagų metalurginėmis savybėmis. Skirtingos medžiagos pasižymi skirtingomis kietėjimo savybėmis, tokiomis kaip kietėjimo temperatūros diapazonas, kietėjimo susitraukimo greitis, legiruojamųjų elementų pasiskirstymas ir kt. Šios savybės turi įtakos įtrūkimų jautrumui. Pavyzdžiui, medžiagose, kuriose yra daug žemos lydymosi temperatūros eutektinių fazių, kietėjimo įtrūkimų jautrumas yra didesnis, nes šios eutektinės fazės kietėjimo metu yra linkusios sudaryti ištisines skystas plėveles, taip sustiprindamos įtrūkimų susidarymą.
Perlazerinio suvirinimo procesasSuvirinimo parametrai, tokie kaip lazerio galia, suvirinimo greitis ir taško dydis, taip pat turi įtakos kietėjimo įtrūkimų susidarymui. Šie parametrai turi įtakos šilumos tiekimui ir temperatūros gradientui suvirinimo proceso metu, taip pakeisdami kietėjimo struktūrą ir grūdelių morfologiją. Pavyzdžiui, didesnė lazerio galia ir mažesnis suvirinimo greitis lemia didesnį šilumos tiekimą ir lėtesnį aušinimo greitį, o tai skatina stulpelinių kristalų augimą ir padidina įtrūkimų jautrumą. Ir atvirkščiai, mažesnė lazerio galia ir didesnis suvirinimo greitis lemia mažesnį šilumos tiekimą ir greitesnį aušinimo greitį, o tai palengvina lygiaašių kristalų susidarymą ir sumažina įtrūkimų jautrumą.
2. Slopinimo priemonės
Siekiant efektyviai slopinti kietėjimo įtrūkimuslazerinis suvirinimasTyrėjai pasiūlė įvairias strategijas, kurios daugiausia skirtos grūdelių struktūros valdymui, suvirinimo parametrų optimizavimui ir medžiagų savybių gerinimui. Tobulinant grūdelių struktūrą, galima padidinti grūdelių ribų skaičių ir sumažinti įtempių koncentracijos koncentraciją, taip sumažinant įtrūkimų susidarymą. Tyrimai parodė, kad naudojant lazerio spindulio osciliacijos technologiją, stulpelinius kristalus galima paversti smulkiais lygiašiais kristalais, nepridedant kitų medžiagų. Lazerio spindulio osciliacija gali išsklaidyti lazerio energiją, sukeldama išlydyto mišinio vonioje turbulenciją, taip sutrikdydama stulpelinių kristalų augimo kryptį ir skatindama lygiašių kristalų susidarymą, kaip parodyta 3 paveiksle. Be to, lazerio spindulio osciliacija taip pat gali padidinti išlydyto mišinio vonią, sumažinti temperatūros gradientą ir pailginti išlydyto mišinio kietėjimo laiką, o tai skatina ištirpusių medžiagų difuziją ir skystų plėvelių papildymą, taip žymiai sumažinant kietėjimo įtrūkimų jautrumą.
Grūdų ribinių skysčio plėvelių pasiskirstymas skirtingose tvenkinių formose.
Suvirinimo išlydyto metalo vonios schema, a, b) be svyravimų, c, d) šoniniai svyravimai, e, f) išilginiai svyravimai, g, h) apskritiminiai svyravimai.
Be to,lazerio spindulysOsciliacinė technologija, naudojant dvigubus lazerinius šaltinius, taip pat yra vienas iš veiksmingų metodų kietėjimo įtrūkimams slopinti. Dvigubi lazeriniai šaltiniai gali pasiekti transformaciją iš stulpelinių kristalų į lygiaašius kristalus, optimizuodami terminį ciklą, taip sumažindami grūdelių dydį ir deformacijos koncentraciją. Pavyzdžiui, naudojant CO₂ lazerį kaip pagrindinį šilumos šaltinį ir Nd:YAG impulsinį lazerį kaip pagalbinį šilumos šaltinį, suvirinimo metu galima suformuoti optimizuotą terminį ciklą, skatinantį lygiaašių kristalų susidarymą ir sumažinantį kietėjimo įtrūkimų jautrumą, kaip parodyta 4 paveiksle.
Suvirinimo parametrų optimizavimas taip pat yra svarbi priemonė siekiant sumažinti kietėjimo įtrūkimus. Reguliuojant tokius parametrus kaip lazerio galia, suvirinimo greitis ir taško dydis, galima kontroliuoti šilumos tiekimą ir temperatūros gradientą suvirinimo proceso metu, taip darant įtaką kietėjimo struktūrai ir grūdelių morfologijai. Tyrimai parodė, kad išankstinis pašildymas gali sumažinti aušinimo greitį, skatinti lygiaašių kristalų susidarymą ir taip sumažinti kietėjimo įtrūkimų jautrumą, kaip parodyta 5 paveiksle. Be to, tokie metodai kaip impulsinio lazerinio suvirinimo naudojimas ir suvirinimo greičio didinimas taip pat gali pasiekti transformaciją iš stulpelinių kristalų į lygiaašius kristalus, keičiant šilumos tiekimą ir aušinimo greitį, taip sumažinant įtrūkimų jautrumą.
5 pav. a) Nekaitinti, b) 300 °C pašildyti lygiaašiai grūdai.
Virinant skirtingas medžiagas lazeriu, dėl didelių fizikinių ir cheminių savybių skirtumų tarp medžiagų, linkę susidaryti trapūs tarpmetaliniai junginiai, kurie yra viena iš pagrindinių kietėjimo įtrūkimų priežasčių. Todėl lazerio parametrų ir nustatymų reguliavimas, siekiant sumažinti tarpmetalinių junginių susidarymą ar kiekį, taip pat yra svarbi kietėjimo įtrūkimų slopinimo strategija. Pavyzdžiui, lazeriu virinant vario ir aliuminio skirtingas medžiagas, kontroliuojant lazerio spindulio poslinkį ir suvirinimo greitį, galima sumažinti vario ir aliuminio maišymo santykį išlydytoje vonelėje, taip sumažinant trapių tarpmetalinių junginių susidarymą ir įtrūkimų jautrumą. Be to, užpildų naudojimas taip pat gali pagerinti suvirinto sujungimo eksploatacines savybes ir sumažinti įtrūkimų susidarymą. Užpildai gali sumažinti tarpmetalinių junginių susidarymą, keisdami suvirinto sujungimo sudėtį ir mikrostruktūrą bei pagerindami suvirinto sujungimo tvirtumą.
Kietėjimo įtrūkimai yra vienas iš dažniausių lazerinio suvirinimo procesų defektų. Jų susidarymo mechanizmas yra sudėtingas ir apima daugelio veiksnių, tokių kaip šiluma, mechanika ir metalurgija, sąveiką. Išsamiai ištyrus kietėjimo įtrūkimų susidarymo mechanizmą, galima pateikti teorinį pagrindą įtrūkimų slopinimui. Pastaraisiais metais tyrėjai pasiūlė įvairias kietėjimo įtrūkimų slopinimo strategijas, kurios daugiausia skirtos grūdelių struktūros kontrolei, suvirinimo parametrų optimizavimui ir medžiagų savybių gerinimui. Praktika įrodė, kad šios strategijos gali tam tikru mastu veiksmingai sumažinti kietėjimo įtrūkimų jautrumą ir pagerinti lazerinio suvirinimo kokybę bei patikimumą. Tačiau dėl lazerinio suvirinimo proceso sudėtingumo ir įvairovės dabartiniuose tyrimuose vis dar yra tam tikrų trūkumų. Pavyzdžiui, vis dar reikalingi išsamesni kietėjimo įtrūkimų slopinimo mechanizmų, susidarančių esant skirtingoms medžiagoms ir suvirinimo sąlygomis, tyrimai.
Įrašo laikas: 2025 m. kovo 20 d.
