Lézersugaras hegesztésnagy sebességének, nagy pontosságának és érintkezésmentes tulajdonságainak köszönhetően széles körben alkalmazzák olyan területeken, mint az autóipar, a repülőgépipar és az elektronikus eszközök, különösen az eltérő anyagok összekapcsolásában mutatva egyedi előnyöket. A hegesztési folyamat során keletkező megszilárdulási repedések (Solidification Cracking) azonban az egyik fő hiba, amely korlátozza ipari alkalmazását. Ezek a repedések általában a megszilárdulás végén, az fúziós zónában (Fusion Zone) keletkeznek, amelyeket a hőfeszültség, a megszilárdulási zsugorodás és a szemcsehatárokon lévő folyékony film együttes hatása vált ki, jelentősen csökkentve a kötés mechanikai tulajdonságait és kifáradási élettartamát.
1. Formációs mechanizmus
A megszilárdulási repedések kialakulásának mechanizmusa a megszilárdulás végén a szemcsehatárokon maradó folyadékfilmben rejlik. A megszilárdulási folyamat során az olvadékmedence három zónára oszlik: a szabad folyadékzónára, a korlátozott folyadékzónára és a szilárd zónára, ahogy az az 1. ábrán látható. A korlátozott folyadékzónában a folyadékáramlás blokkolva van, és nem tudja kompenzálni a megszilárdulási zsugorodás által okozott feszültséget, ami szemcsehatár-szétválást eredményez. A szemcsehatár-energia (γgb) és a szilárd-folyadék határfelületi energia (γsl) aránya határozza meg a folyadékfilm stabilitását: ha γgb < 2γsl, a folyadékfilm instabil, és szemcsekoaleszcencia következik be; fordítva, a folyadékfilm stabil, és hajlamos a repedések kiindulására.
Továbbá a szilárdulási repedések kialakulása az anyagok metallurgiai tulajdonságaival is összefügg. A különböző anyagok eltérő szilárdulási jellemzőkkel rendelkeznek, mint például a szilárdulás hőmérséklet-tartománya, a szilárdulási zsugorodási sebesség és az ötvözőelemek eloszlása stb. Ezek a jellemzők befolyásolják a repedések érzékenységét. Például az alacsony olvadáspontú eutektikus fázisokat nagy mennyiségű anyagot tartalmazó anyagokban a szilárdulási repedések érzékenysége nagyobb, mivel ezek az eutektikus fázisok hajlamosak folyamatos folyékony filmeket képezni a szilárdulás során, ezáltal fokozva a repedések kialakulását.
Alatt alézeres hegesztési eljárásA hegesztési paraméterek, mint például a lézerteljesítmény, a hegesztési sebesség és a foltméret, szintén hatással vannak a megszilárdulási repedések kialakulására. Ezek a paraméterek befolyásolják a hőbevitelt és a hőmérséklet-gradienst a hegesztési folyamat során, ezáltal megváltoztatva a megszilárdulási szerkezetet és a szemcsemorfológiát. Például a nagyobb lézerteljesítmény és az alacsonyabb hegesztési sebesség nagyobb hőbevitelt és lassabb hűtési sebességet eredményez, ami elősegíti az oszlopos kristályok növekedését és növeli a repedésérzékenységet. Ezzel szemben az alacsonyabb lézerteljesítmény és a magasabb hegesztési sebesség kisebb hőbevitelt és gyorsabb hűtési sebességet eredményez, ami elősegíti az egyenlő tengelyű kristályok kialakulását és csökkenti a repedésérzékenységet.
2. Elfojtó intézkedések
A szilárdulási repedések hatékony elnyomásáralézeres hegesztésA kutatók különféle stratégiákat javasoltak, amelyek főként a szemcseszerkezet szabályozására, a hegesztési paraméterek optimalizálására és az anyagtulajdonságok javítására összpontosítanak. A szemcseszerkezet finomításával növelhető a szemcsehatárok száma, és csökkenthető a feszültségkoncentráció, ezáltal csökkentve a repedések kialakulását. Tanulmányok kimutatták, hogy lézernyaláb-oszcillációs technológia alkalmazásával az oszlopos kristályok finom, egyenlő tengelyű kristályokká alakíthatók más anyagok hozzáadása nélkül. A lézernyaláb-oszcilláció diszpergálhatja a lézerenergiát, ami turbulenciát generál az olvadékmedencében, ezáltal megtöri az oszlopos kristályok növekedési irányát és elősegíti az egyenlő tengelyű kristályok kialakulását, ahogy az a 3. ábrán látható. Ezenkívül a lézernyaláb-oszcilláció növelheti az olvadékmedence szélességét, csökkentheti a hőmérsékleti gradienst, és meghosszabbíthatja az olvadékmedence megszilárdulási idejét, ami elősegíti az oldott anyagok diffúzióját és a folyékony filmek feltöltődését, ezáltal jelentősen csökkentve a megszilárdulási repedések érzékenységét.
A szemcsehatáron lévő folyadékfilmek eloszlása különböző medenceformák alatt.
A hegesztési olvadékfürdő vázlatos rajza, a, b) rezgés nélkül, c, d) oldalirányú rezgés, e, f) hosszirányú rezgés, g, h) kerületi rezgés.
Amellett, hogy alézersugárAz oszcillációs technológia, amely kettős lézerforrásokat használ, szintén az egyik hatékony módszer a megszilárdulási repedések elnyomására. A kettős lézerforrások a termikus ciklus optimalizálásával érhetik el az oszlopos kristályok egyenlő tengelyű kristályokká történő átalakulását, ezáltal csökkentve a szemcseméretet és a feszültségkoncentrációt. Például, ha CO₂ lézert használnak fő hőforrásként és Nd:YAG impulzuslézert kiegészítő hőforrásként, optimalizált termikus ciklus alakítható ki a hegesztés során, elősegítve az egyenlő tengelyű kristályok kialakulását és csökkentve a megszilárdulási repedések érzékenységét, amint az a 4. ábrán látható.
A hegesztési paraméterek optimalizálása szintén fontos eszköz a megszilárdulási repedések elnyomására. Az olyan paraméterek beállításával, mint a lézerteljesítmény, a hegesztési sebesség és a foltméret, a hegesztési folyamat során a hőbevitel és a hőmérséklet-gradiens szabályozható, ezáltal befolyásolva a megszilárdulási szerkezetet és a szemcsemorfológiát. Tanulmányok kimutatták, hogy az előmelegítő kezelés csökkentheti a hűtési sebességet, elősegítheti az egyenlőtengelyű kristályok kialakulását, és ezáltal csökkentheti a megszilárdulási repedések érzékenységét, amint az az 5. ábrán látható. Ezenkívül olyan módszerekkel, mint az impulzuslézeres hegesztés és a hegesztési sebesség növelése, az oszlopos kristályok egyenlőtengelyű kristályokká történő átalakulását is elérhetjük a hőbevitel és a hűtési sebesség változtatásával, ezáltal csökkentve a repedések érzékenységét.
5. ábra. a) Melegítetlen, b) 300°C-on előmelegített, egyenlő tengelyű szemcsék.
Különböző anyagok lézeres hegesztésekor az anyagok közötti fizikai és kémiai tulajdonságok jelentős eltérései miatt hajlamosak rideg intermetallikus vegyületek kialakulására, amelyek a megszilárdulási repedések egyik fő okai. Ezért a lézerparaméterek és -beállítások módosítása az intermetallikus vegyületek képződésének vagy mennyiségének csökkentése érdekében szintén fontos stratégia a megszilárdulási repedések elnyomására. Például réz-alumínium különböző anyagok lézeres hegesztésekor a lézersugár eltolásának és a hegesztési sebesség szabályozásával csökkenthető a réz és az alumínium keverési aránya az olvadékban, ezáltal csökkentve a rideg intermetallikus vegyületek képződését és a repedések érzékenységét. Ezenkívül a töltőanyagok használata javíthatja a hegesztett kötés teljesítményét és csökkentheti a repedések kialakulását. A töltőanyagok csökkenthetik az intermetallikus vegyületek képződését a hegesztett kötés összetételének és mikroszerkezetének megváltoztatásával, és javíthatják a hegesztett kötés szívósságát.
A megszilárdulási repedések a lézerhegesztési eljárások egyik leggyakoribb hibái. Kialakulási mechanizmusuk összetett, és számos tényező, például a hő, a mechanika és a kohászat kölcsönhatását foglalja magában. A megszilárdulási repedések kialakulásának mechanizmusának mélyreható tanulmányozásával elméleti alapot lehet teremteni a repedések elnyomására. Az elmúlt években a kutatók különféle stratégiákat javasoltak a megszilárdulási repedések elnyomására, amelyek főként a szemcseszerkezet szabályozására, a hegesztési paraméterek optimalizálására és az anyagtulajdonságok javítására összpontosítanak. A gyakorlat bebizonyította, hogy ezek a stratégiák bizonyos mértékig hatékonyan csökkenthetik a megszilárdulási repedések érzékenységét, és javíthatják a lézerhegesztés minőségét és megbízhatóságát. A lézerhegesztési eljárás összetettsége és sokszínűsége miatt azonban a jelenlegi kutatásokban még mindig vannak hiányosságok. Például a megszilárdulási repedések gátlási mechanizmusaihoz különböző anyagok és hegesztési körülmények között további mélyreható kutatásokra van szükség.
Közzététel ideje: 2025. márc. 20.
