Lāzera staru metināšana, pateicoties tā lielajam ātrumam, augstajai precizitātei un bezkontakta īpašībām, tiek plaši pielietots tādās jomās kā automobiļi, kosmiskā aviācija un elektroniskās ierīces, īpaši demonstrējot unikālas priekšrocības atšķirīgu materiālu savienošanā. Tomēr metināšanas procesā radušās sacietēšanas plaisas (Solidification Cracking) ir viens no galvenajiem defektiem, kas ierobežo tā rūpniecisko pielietojumu. Šīs plaisas parasti rodas sacietēšanas beigās kušanas zonā (Fusion Zone), ko izraisa termiskā sprieguma, sacietēšanas saraušanās un šķidrās plēves uz graudu robežām kombinētā ietekme, ievērojami samazinot savienojuma mehāniskās īpašības un noguruma ilgmūžību.
1. Veidošanās mehānisms
Sacietēšanas plaisu galvenais mehānisms ir atlikušajā šķidruma plēvē uz graudu robežām sacietēšanas beigās. Sacietēšanas procesa laikā izkausētā masa tiek sadalīta trīs zonās: brīvā šķidruma zonā, ierobežotā šķidruma zonā un cietajā zonā, kā parādīts 1. attēlā. Ierobežotajā šķidruma zonā šķidruma plūsma ir bloķēta un nevar kompensēt sacietēšanas saraušanās radīto deformāciju, kā rezultātā notiek graudu robežu atdalīšanās. Graudu robeženerģijas (γgb) un cietvielas-šķidruma saskarnes enerģijas (γsl) attiecība nosaka šķidruma plēves stabilitāti: ja γgb < 2γsl, šķidruma plēve ir nestabila un notiek graudu koalescence; pretēji, šķidruma plēve ir stabila un plaisu sākšanās ir pakļauta riskam.
Turklāt sacietēšanas plaisu veidošanās ir saistīta arī ar materiālu metalurģiskajām īpašībām. Dažādiem materiāliem ir atšķirīgas sacietēšanas īpašības, piemēram, sacietēšanas temperatūras diapazons, sacietēšanas saraušanās ātrums un sakausējuma elementu sadalījums utt. Šīs īpašības ietekmē plaisu jutīgumu. Piemēram, materiālos, kas satur lielu daudzumu zemas kušanas temperatūras eitektisko fāžu, sacietēšanas plaisu jutīgums ir augstāks, jo šīs eitektiskās fāzes sacietēšanas laikā mēdz veidot nepārtrauktas šķidras plēves, tādējādi pastiprinot plaisu veidošanos.
Laikālāzera metināšanas processArī tādi metināšanas parametri kā lāzera jauda, metināšanas ātrums un plankuma izmērs ietekmē sacietēšanas plaisu veidošanos. Šie parametri ietekmē siltuma ievadi un temperatūras gradientu metināšanas procesa laikā, tādējādi mainot sacietēšanas struktūru un graudu morfoloģiju. Piemēram, lielāka lāzera jauda un mazāks metināšanas ātrums rada lielāku siltuma ievadi un lēnāku dzesēšanas ātrumu, kas veicina kolonnveida kristālu augšanu un palielina plaisu jutību. Un otrādi, mazāka lāzera jauda un lielāks metināšanas ātrums rada mazāku siltuma ievadi un ātrāku dzesēšanas ātrumu, veicinot vienāda veida kristālu veidošanos un samazinot plaisu jutību.
2. Apspiešanas pasākumi
Lai efektīvi nomāktu sacietēšanas plaisaslāzera metināšanaPētnieki ir ierosinājuši dažādas stratēģijas, kas galvenokārt koncentrējas uz graudu struktūras kontroli, metināšanas parametru optimizēšanu un materiāla īpašību uzlabošanu. Pilnveidojot graudu struktūru, var palielināt graudu robežu skaitu un samazināt sprieguma koncentrācijas koncentrāciju, tādējādi samazinot plaisu veidošanos. Pētījumi liecina, ka, izmantojot lāzera stara svārstību tehnoloģiju, kolonnveida kristālus var pārveidot par smalkiem vienāda ass kristāliem, nepievienojot citus materiālus. Lāzera stara svārstības var izkliedēt lāzera enerģiju, izraisot izkausētās masas turbulenci, tādējādi izjaucot kolonnveida kristālu augšanas virzienu un veicinot vienāda ass kristālu veidošanos, kā parādīts 3. attēlā. Turklāt lāzera stara svārstības var arī palielināt izkausētās masas platumu, samazināt temperatūras gradientu un pagarināt izkausētās masas sacietēšanas laiku, kas veicina izšķīdušo vielu difūziju un šķidro plēvju papildināšanos, tādējādi ievērojami samazinot sacietēšanas plaisu jutību.
Graudu robežšķidruma plēvju sadalījums dažādās baseinu formās.
Metināšanas kausējuma vannas shematiska diagramma, a, b) bez svārstībām, c, d) sānu svārstības, e, f) gareniskās svārstības, g, h) aploces svārstības.
Papildus tamlāzera starsSvārstību tehnoloģija, izmantojot divus lāzera avotus, ir arī viena no efektīvām metodēm sacietēšanas plaisu nomākšanai. Divkāršie lāzera avoti var panākt pāreju no kolonnveida kristāliem uz vienāda ass kristāliem, optimizējot termisko ciklu, tādējādi samazinot graudu lielumu un deformācijas koncentrāciju. Piemēram, izmantojot CO₂ lāzeru kā galveno siltuma avotu un Nd:YAG impulsa lāzeru kā papildu siltuma avotu, metināšanas laikā var izveidot optimizētu termisko ciklu, veicinot vienāda ass kristālu veidošanos un samazinot sacietēšanas plaisu jutību, kā parādīts 4. attēlā.
Metināšanas parametru optimizēšana ir arī svarīgs līdzeklis sacietēšanas plaisu novēršanai. Pielāgojot tādus parametrus kā lāzera jauda, metināšanas ātrums un plankuma izmērs, var kontrolēt siltuma ievadi un temperatūras gradientu metināšanas procesa laikā, tādējādi ietekmējot sacietēšanas struktūru un graudu morfoloģiju. Pētījumi ir parādījuši, ka iepriekšēja uzsildīšana var samazināt dzesēšanas ātrumu, veicināt vienāda asu kristālu veidošanos un tādējādi samazināt sacietēšanas plaisu jutību, kā parādīts 5. attēlā. Turklāt tādas metodes kā impulsa lāzera metināšanas izmantošana un metināšanas ātruma palielināšana var panākt arī pārveidošanu no kolonnveida kristāliem par vienāda asu kristāliem, mainot siltuma ievadi un dzesēšanas ātrumu, tādējādi samazinot plaisu jutību.
5. attēls. a) Neuzsildīti, b) 300°C iepriekš uzsildīti vienāda asuma graudi.
Metinot atšķirīgus materiālus ar lāzeru, materiālu fizikālo un ķīmisko īpašību ievērojamo atšķirību dēļ ir tendence veidoties trausliem starpmetāliskiem savienojumiem, kas ir viens no galvenajiem sacietēšanas plaisu cēloņiem. Tāpēc lāzera parametru un iestatījumu pielāgošana, lai samazinātu starpmetālisku savienojumu veidošanos vai daudzumu, ir arī svarīga stratēģija sacietēšanas plaisu novēršanai. Piemēram, vara-alumīnija atšķirīgu materiālu lāzermetināšanā, kontrolējot lāzera stara nobīdi un metināšanas ātrumu, var samazināt vara un alumīnija sajaukšanas attiecību izkausētajā šuvē, tādējādi samazinot trauslu starpmetālisku savienojumu veidošanos un samazinot plaisu jutīgumu. Turklāt pildvielu izmantošana var arī uzlabot metinātā savienojuma veiktspēju un samazināt plaisu veidošanos. Pildvielas var samazināt starpmetālisku savienojumu veidošanos, mainot metinātā savienojuma sastāvu un mikrostruktūru, kā arī uzlabojot metinātā savienojuma izturību.
Sacietēšanas plaisas ir viens no biežāk sastopamajiem lāzermetināšanas procesu defektiem. To veidošanās mehānisms ir sarežģīts un ietver vairāku faktoru, piemēram, karstuma, mehānikas un metalurģijas, mijiedarbību. Padziļināti izpētot sacietēšanas plaisu veidošanās mehānismu, var sniegt teorētisku pamatu plaisu novēršanai. Pēdējos gados pētnieki ir ierosinājuši dažādas stratēģijas sacietēšanas plaisu novēršanai, kas galvenokārt koncentrējas uz graudu struktūras kontroli, metināšanas parametru optimizēšanu un materiālu īpašību uzlabošanu. Prakse ir pierādījusi, ka šīs stratēģijas var zināmā mērā efektīvi samazināt sacietēšanas plaisu jutīgumu un uzlabot lāzermetināšanas kvalitāti un uzticamību. Tomēr lāzermetināšanas procesa sarežģītības un daudzveidības dēļ pašreizējos pētījumos joprojām ir dažas nepilnības. Piemēram, joprojām ir nepieciešami padziļināti pētījumi par sacietēšanas plaisu kavēšanas mehānismiem dažādos materiālos un metināšanas apstākļos.
Publicēšanas laiks: 2025. gada 20. marts
