Lasersveising, med sin høye hastighet, høye presisjon og berøringsfrie egenskaper, er mye brukt innen felt som biler, luftfart og elektroniske enheter, og viser spesielt unike fordeler ved sammenkobling av forskjellige materialer. Imidlertid er størkningssprekker (Styrkningssprekker) som genereres under sveiseprosessen en av de viktigste defektene som begrenser dens industrielle anvendelse. Disse sprekkene oppstår vanligvis på slutten av størkningen i smeltesonen (Smeltesonen), utløst av de kombinerte effektene av termisk stress, størkningskrymping og væskefilmen på korngrensene, noe som reduserer de mekaniske egenskapene og utmattingslevetiden til skjøten betydelig.
1. Dannelsesmekanisme
Kjernemekanismen for størkningssprekker ligger i den gjenværende væskefilmen ved korngrensene på slutten av størkningen. Under størkningsprosessen deles smeltebadet inn i tre soner: sonen for fri væske, sonen for begrenset væske og sonen for faststoff, som vist i figur 1. I sonen for begrenset væske er væskestrømmen blokkert og kan ikke kompensere for tøyningen som genereres av krymping ved størkning, noe som resulterer i korngrenseseparasjon. Forholdet mellom korngrenseenergi (γgb) og faststoff-væske-grensesnittenergi (γsl) bestemmer stabiliteten til væskefilmen: hvis γgb < 2γsl, er væskefilmen ustabil og kornkoalesens oppstår; omvendt er væskefilmen stabil og sprekkdannelse er tilbøyelig til å forekomme.
Videre er dannelsen av størkningssprekker også relatert til materialenes metallurgiske egenskaper. Ulike materialer har forskjellige størkningsegenskaper, som temperaturområdet for størkning, krympingshastigheten ved størkning og fordelingen av legeringselementer, osv. Disse egenskapene påvirker sprekkenes følsomhet. For eksempel, i materialer som inneholder en stor mengde eutektiske faser med lavt smeltepunkt, er følsomheten for størkningssprekker høyere fordi disse eutektiske fasene er tilbøyelige til å danne kontinuerlige væskefilmer under størkning, og dermed intensivere dannelsen av sprekker.
I løpet avlasersveiseprosessSveiseparametere som lasereffekt, sveisehastighet og punktstørrelse har også innvirkning på dannelsen av størkningssprekker. Disse parameterne påvirker varmetilførselen og temperaturgradienten under sveiseprosessen, og endrer dermed størkningsstrukturen og kornmorfologien. For eksempel resulterer høyere lasereffekt og lavere sveisehastighet i større varmetilførsel og lavere kjølehastighet, noe som fremmer veksten av søyleformede krystaller og øker sprekkfølsomheten. Omvendt fører lavere lasereffekt og høyere sveisehastighet til mindre varmetilførsel og raskere kjølehastighet, noe som letter dannelsen av likeaksede krystaller og reduserer sprekkfølsomheten.
2. Undertrykkelsestiltak
For effektivt å undertrykke størkningssprekker ilasersveisingForskere har foreslått ulike strategier, som hovedsakelig fokuserer på å kontrollere kornstrukturen, optimalisere sveiseparametrene og forbedre materialegenskapene. Ved å raffinere kornstrukturen kan antallet korngrenser økes, og konsentrasjonen av spenningskonsentrasjon kan reduseres, og dermed redusere dannelsen av sprekker. Studier har vist at ved bruk av laserstråleoscillasjonsteknologi kan søylekrystaller transformeres til fine likeaksede krystaller uten å tilsette andre materialer. Laserstråleoscillasjon kan spre laserenergi, noe som får smeltebadet til å generere turbulens, og dermed bryte vekstretningen til søylekrystallene og fremme dannelsen av likeaksede krystaller, som vist i figur 3. I tillegg kan laserstråleoscillasjon også øke bredden på smeltebadet, redusere temperaturgradienten og forlenge størkningstiden til smeltebadet, noe som bidrar til diffusjon av løse stoffer og påfylling av væskefilmer, og dermed redusere følsomheten for størkningssprekker betydelig.
Fordeling av korngrensevæskefilmer under forskjellige bassengformer.
Skjematisk diagram av sveisesmeltebadet, a, b) uten oscillasjon, c, d) sideveis oscillasjon, e, f) langsgående oscillasjon, g, h) omkretsmessig oscillasjon.
I tillegg tillaserstråleOscillasjonsteknologi, bruk av doble laserkilder, er også en av de effektive metodene for å undertrykke størkningssprekker. Doble laserkilder kan oppnå transformasjon fra søyleformede krystaller til likeaksede krystaller ved å optimalisere den termiske syklusen, og dermed redusere kornstørrelse og tøyningskonsentrasjon. For eksempel, når man bruker CO₂-laser som hovedvarmekilde og Nd:YAG-pulslaser som hjelpevarmekilde, kan en optimalisert termisk syklus dannes under sveising, noe som fremmer dannelsen av likeaksede krystaller og reduserer følsomheten for størkningssprekker, som vist i figur 4.
Optimalisering av sveiseparametere er også et viktig middel for å undertrykke størkningssprekker. Ved å justere parametere som lasereffekt, sveisehastighet og punktstørrelse, kan varmetilførselen og temperaturgradienten under sveiseprosessen kontrolleres, og dermed påvirke størkningsstrukturen og kornmorfologien. Studier har vist at forvarmingsbehandling kan redusere kjølehastigheten, fremme dannelsen av likeaksede krystaller og dermed redusere følsomheten til størkningssprekker, som vist i figur 5. I tillegg kan metoder som bruk av pulserende lasersveising og økning av sveisehastigheten også oppnå transformasjon fra søyleformede krystaller til likeaksede krystaller ved å endre varmetilførselen og kjølehastigheten, og dermed redusere følsomheten til sprekker.
Figur 5. a) Uoppvarmede, b) 300 °C forvarmede likeaksede korn.
Ved sveising av ulike materialer med lasere, på grunn av de betydelige forskjellene i fysiske og kjemiske egenskaper mellom materialene, er det tilbøyelighet til å dannes sprø intermetalliske forbindelser, noe som er en av hovedårsakene til størkningssprekker. Derfor er justering av laserparametere og innstillinger for å redusere dannelsen eller mengden av intermetalliske forbindelser også en viktig strategi for å undertrykke størkningssprekker. For eksempel, ved lasersveising av ulike kobber-aluminium-materialer, kan blandingsforholdet mellom kobber og aluminium i smeltebadet reduseres ved å kontrollere laserstrålens forskyvning og sveisehastigheten, og dermed redusere dannelsen av sprø intermetalliske forbindelser og følsomheten for sprekker. I tillegg kan bruk av fyllmaterialer også forbedre ytelsen til sveiseskjøten og redusere dannelsen av sprekker. Fyllmaterialer kan redusere dannelsen av intermetalliske forbindelser ved å endre sammensetningen og mikrostrukturen til sveiseskjøten og forbedre seigheten til sveiseskjøten.
Størkningssprekker er en av de vanligste defektene i lasersveiseprosesser. Dannelsesmekanismen deres er kompleks og involverer samspillet mellom flere faktorer som varme, mekanikk og metallurgi. Ved å studere dannelsesmekanismen for størkningssprekker grundig, kan det gis et teoretisk grunnlag for å undertrykke sprekker. I de senere år har forskere foreslått ulike strategier for å undertrykke størkningssprekker, som hovedsakelig fokuserer på å kontrollere kornstrukturen, optimalisere sveiseparametere og forbedre materialegenskaper. Praksis har vist at disse strategiene effektivt kan redusere følsomheten til størkningssprekker til en viss grad og forbedre kvaliteten og påliteligheten til lasersveising. På grunn av kompleksiteten og mangfoldet i lasersveiseprosessen er det imidlertid fortsatt noen mangler i dagens forskning. For eksempel, for inhiberingsmekanismene for størkningssprekker under forskjellige materialer og sveiseforhold, er det fortsatt behov for ytterligere grundig forskning.
Publiseringstidspunkt: 20. mars 2025
