I moderne produksjon,lasersveiseteknologier mye brukt innen ulike felt, fra luftfart til bilproduksjon, fra elektronisk utstyr til medisinsk utstyr, med sine fordeler med høy effektivitet, presisjon og tilpasningsevne. Kjernen i denne teknologien er laserens samspill med materialet, som danner et smeltebad og raskt størkner, og dermed muliggjør tilkobling av metalldeler. Sveisebadet er et nøkkelområde innen lasersveising, og dets egenskaper bestemmer direkte sveisekvaliteten, mikrostrukturen og den endelige ytelsen. Derfor er dyptgående forståelse og presis kontroll av smeltebadets egenskaper av avgjørende betydning for å forbedre nivået på lasersveiseteknologi og møte behovene til sveisede skjøter av høy kvalitet i industriell produksjon.
Geometri i smeltet basseng
Geometrien til et smeltebad er et viktig aspekt i lasersveiseforskning, fordi det direkte påvirker varmeoverføringen, materialflyten og den endelige sveisekvaliteten under sveiseprosessen. Formen på et smeltebad beskrives vanligvis av dybde, bredde, sideforhold, geometri for varmepåvirket sone (HAZ), geometri for nøkkelhull og geometri for smeltet metallsone (MMA). Disse parameterne bestemmer ikke bare størrelsen og formen på sveiseskjøten, men påvirker også den termiske syklusen, kjølehastigheten og dannelsen av mikrostruktur under sveiseprosessen.
Tabell 1. Påvirkningen av lasersveiseparametere på de geometriske parametrene til hvert sveisebad.
Forskningen viser at lasereffekt og sveisehastighet er de to viktigste prosessparametrene som påvirker geometrien til smeltebadet, som vist i tabell 1. Generelt sett, når lasereffekten øker og sveisehastigheten synker, øker dybden på smeltebadet, mens bredden endres relativt lite. Dette skyldes at høyere lasereffekt kan gi mer energi, slik at materialet smelter og fordamper raskere, noe som resulterer i dypere nøkkelhull og dammer, som vist i figur 1. Men når lasereffekten er for høy eller sveisehastigheten er for lav, kan det føre til overoppheting av materialet, overdreven fordampning og til og med plasmaskjermingseffekt, noe som vil redusere sveisekvaliteten. Derfor er det i selve sveiseprosessen nødvendig å velge lasereffekt og sveisehastighet på en rimelig måte i henhold til de spesifikke materialegenskapene og sveisekravene for å oppnå den ideelle smeltebadgeometrien.
Figur 1. Ulike sveiseformer dannet ved laservarmeledningssveising og laserdyppenetrasjonssveising.
I tillegg til lasereffekt og sveisehastighet, vil materialets termiske fysiske egenskaper, overflatetilstand, beskyttelsesgass og andre faktorer også påvirke smeltebadets geometri. For eksempel, jo høyere materialets varmeledningsevne er, desto raskere blir varmeoverføringen gjennom materialet, og desto raskere blir avkjølingshastigheten til smeltebadet, noe som kan resultere i en relativt liten størrelse på smeltebadet. Materialets overflateruhet og renhet vil påvirke laserens absorpsjonshastighet, og dermed påvirke dannelsen og stabiliteten til smeltebadet. I tillegg vil typen og strømningshastigheten til beskyttelsesgassen også ha en viss innvirkning på formen og kvaliteten på smeltebadet. Den passende beskyttelsesgassen kan effektivt forhindre oksidasjon og forurensning av smeltebadet, men kan også justere overflatespenningen og strømningsegenskapene til smeltebadet, for å forbedre sveisekvaliteten.
Figur 2. Formen på smeltebadet når laseren svinger.
Ved å endre laserstrålens bane kan lasersvingningen påvirke formen og egenskapene til smeltebadet betydelig, som vist i figur 2. Etter hvert som laserstrålen vingler, blir formen på smeltebadet mer jevn og stabil. Den oscillerende laserstrålen skaper et bredere oppvarmet område på overflaten av badet, noe som gjør kantene på badet glattere og reduserer skarpe kanter og uregelmessige former. Denne jevne oppvarmingen bidrar til å forbedre kvaliteten og de mekaniske egenskapene til sveiseskjøten og redusere sveisefeil som sprekker og porer. I tillegg kan lasersvingning også øke flyten i smeltebadet, fremme utslipp av gasser og urenheter i smeltebadet, og ytterligere forbedre tettheten og jevnheten til sveiseskjøten.
Dynamikk i smeltet basseng
Termodynamikk i smeltebad er et annet nøkkelfelt innen lasersveiseforskning, som involverer absorpsjon, overføring og omdannelse av laserenergi i smeltebadet, samt temperaturfeltfordeling, kjølehastighet og faseovergangsatferd forårsaket av dette. De termodynamiske egenskapene til smeltebadet bestemmer ikke bare formen og størrelsen på smeltebadet, men påvirker også direkte mikrostrukturen og de mekaniske egenskapene til den sveisede skjøten.
I lasersveiseprosessen, etter at laserenergien er absorbert av materialet, vil det produsere et høytemperaturområde i smeltebadet, noe som får materialet til å smelte og fordampe. Samtidig vil varme overføres fra høytemperaturområdet til lavtemperaturområdet gjennom varmeledning, konveksjon og stråling, slik at temperaturen på materialet rundt smeltebadet vil øke, og deretter påvirke materialets mikrostruktur og egenskaper. På grunn av den lille størrelsen, den store temperaturgradienten og den raske avkjølingshastigheten til smeltebadet, er det svært vanskelig å måle temperaturfeltet og avkjølingshastigheten direkte. Derfor utføres de fleste studier for å studere de termodynamiske egenskapene til smeltebad ved å etablere matematiske modeller og numeriske simuleringsmetoder.
I den termodynamiske modellen av smeltebadet må følgende nøkkelfaktorer vanligvis vurderes: For det første, absorpsjonsmekanismen for laserenergi, inkludert refleksjons-, absorpsjons- og transmisjonsegenskapene til materialets overflate, og sprednings- og absorpsjonsprosessen til laseren inne i materialet. Ulike materialer og laserparametere vil føre til forskjellige absorpsjonshastigheter og energifordelinger, noe som vil påvirke den termodynamiske oppførselen til smeltebadet. For det andre, de termisk-fysiske egenskapene til materialet, som spesifikk varmekapasitet, varmeledningsevne, tetthet, etc., vil disse parameterne endres med temperaturendringer, noe som har en viktig innvirkning på varmeoverføringsprosessen. I tillegg er det også nødvendig å vurdere væskestrømmen og faseendringsprosessene i smeltebadet, som smelting, fordampning og størkning, som vil endre formen og temperaturfeltfordelingen til smeltebadet, men også påvirke materialets mikrostruktur og mekaniske egenskaper.
Gjennom numerisk simulering og eksperimentell studie fant forskerne at temperaturfeltfordelingen i smeltebadet vanligvis viser en betydelig ujevnhet. Høytemperaturområdet er hovedsakelig konsentrert i laserens aksjonsområde og nøkkelhullet, og temperaturen synker gradvis til kanten av smeltebadet og den varmepåvirkede sonen. Avkjølingshastigheten øker med reduksjonen av størrelsen på smeltebadet og økningen av avstanden fra laserområdet. Generelt er avkjølingshastigheten lavere i midten av smeltebadet og nøkkelhullområdet, mens avkjølingshastigheten er høyere ved kanten av smeltebadet og den varmepåvirkede sonen, som vist i figur 2. Denne ujevnheten i temperaturfeltet og avkjølingshastigheten vil føre til åpenbare gradientendringer i mikrostrukturen til den sveisede skjøten, for eksempel kornstørrelse, fasesammensetning og fordeling, noe som vil påvirke de mekaniske egenskapene og korrosjonsmotstanden til den sveisede skjøten.
Figur 3. Simuleringsresultater av dannelse av nøkkelhull og smeltebad under laserdyppenetrasjonssveising av rustfri stålplate.
For å forbedre de termodynamiske egenskapene til smeltebadet, forbedre sveisekvaliteten og redusere sveisefeil, er det foreslått en rekke optimaliseringsmetoder og tiltak. For eksempel, ved å justere laserparametere, som lasereffekt, sveisehastighet, punktdiameter, etc., kan inngangsmodus og fordelingen av laserenergi endres for å optimalisere temperaturfeltet og kjølehastigheten til smeltebadet. I tillegg kan den termodynamiske oppførselen og mikrostrukturutviklingen til smeltebadet justeres ved å bruke forvarming, ettervarming, flersveising og andre prosessmetoder, samt bruk av forskjellige beskyttelsesgasser og sveiseatmosfærer. Samtidig er utvikling av nye sveisematerialer og legeringssystemer for å forbedre materialenes termiske stabilitet og sveiseytelse også en av de viktige måtene å forbedre de termodynamiske egenskapene til smeltebad.
Egenskapene til lasersveisebadet er nøkkelfaktorene som påvirker sveisekvaliteten, mikrostrukturen og de mekaniske egenskapene. En grundig studie av geometrien og de termodynamiske egenskapene til lasersveisebadet er av stor betydning for å optimalisere lasersveiseprosessen og forbedre sveiseeffektiviteten og -kvaliteten. Gjennom et stort antall eksperimentell forskning og numerisk simuleringsanalyse har forskere oppnådd en rekke viktige forskningsresultater som gir sterk teoretisk støtte og teknisk veiledning for utvikling og anvendelse av lasersveiseteknologi. Imidlertid er det fortsatt noen mangler i den nåværende forskningen, som forenkling av modellen og for mange antagelser, og prediksjonen av smeltebadets egenskaper under komplekse arbeidsforhold er ikke nøyaktig nok. Den systematiske og omfattende eksperimentelle forskningen må forbedres, og det mangler grundig forskning på flere materialer og sveiseparametere.
Publisert: 28. feb. 2025
