Лазерная сваркаБлагодаря высокой скорости, точности и бесконтактным характеристикам, сварка широко применяется в таких областях, как автомобилестроение, аэрокосмическая промышленность и электроника, особенно демонстрируя уникальные преимущества при соединении разнородных материалов. Однако трещины затвердевания (растрескивание при затвердевании), образующиеся в процессе сварки, являются одним из ключевых дефектов, ограничивающих ее промышленное применение. Эти трещины обычно возникают в конце затвердевания в зоне плавления (зоне плавления) под воздействием комбинированного воздействия термического напряжения, усадки при затвердевании и жидкой пленки на границах зерен, что значительно снижает механические свойства и усталостную долговечность соединения.
1. Механизм образования
Основной механизм образования трещин при затвердении заключается в остаточной жидкой пленке на границах зерен в конце процесса затвердевания. В процессе затвердевания расплавленный материал разделяется на три зоны: свободную жидкую зону, ограниченную жидкую зону и твердую зону, как показано на рисунке 1. В ограниченной жидкой зоне поток жидкости блокируется и не может компенсировать деформацию, возникающую в результате усадки при затвердении, что приводит к разделению границ зерен. Отношение энергии границ зерен (γgb) к энергии границы раздела твердое тело-жидкость (γsl) определяет стабильность жидкой пленки: если γgb < 2γsl, жидкая пленка нестабильна и происходит слияние зерен; наоборот, жидкая пленка стабильна, и происходит образование трещин.
Кроме того, образование трещин затвердевания также связано с металлургическими свойствами материалов. Различные материалы имеют разные характеристики затвердевания, такие как температурный диапазон затвердевания, скорость усадки при затвердевании и распределение легирующих элементов и т. д. Эти характеристики влияют на чувствительность к образованию трещин. Например, в материалах, содержащих большое количество эвтектических фаз с низкой температурой плавления, чувствительность к образованию трещин затвердевания выше, поскольку эти эвтектические фазы склонны к образованию сплошных жидких пленок в процессе затвердевания, тем самым усиливая образование трещин.
В течениепроцесс лазерной сваркиПараметры сварки, такие как мощность лазера, скорость сварки и размер пятна, также влияют на образование трещин затвердевания. Эти параметры влияют на подвод тепла и температурный градиент в процессе сварки, тем самым изменяя структуру затвердевания и морфологию зерен. Например, более высокая мощность лазера и более низкая скорость сварки приводят к большему подводу тепла и более медленной скорости охлаждения, что способствует росту столбчатых кристаллов и повышает чувствительность к образованию трещин. И наоборот, более низкая мощность лазера и более высокая скорость сварки приводят к меньшему подводу тепла и более быстрой скорости охлаждения, способствуя образованию равноосных кристаллов и снижая чувствительность к образованию трещин.
2. Меры по подавлению
Для эффективного подавления трещин затвердевания влазерная сваркаИсследователи предложили различные стратегии, которые в основном сосредоточены на контроле зернистой структуры, оптимизации параметров сварки и улучшении свойств материала. Путем измельчения зернистой структуры можно увеличить количество границ зерен и уменьшить концентрацию напряжений, тем самым снижая образование трещин. Исследования показали, что с помощью технологии лазерной осцилляции столбчатые кристаллы можно преобразовать в мелкие равноосные кристаллы без добавления других материалов. Лазерная осцилляция рассеивает энергию лазера, вызывая турбулентность в расплавленной ванне, тем самым нарушая направление роста столбчатых кристаллов и способствуя образованию равноосных кристаллов, как показано на рисунке 3. Кроме того, лазерная осцилляция также может увеличить ширину расплавленной ванны, уменьшить температурный градиент и продлить время затвердевания расплавленной ванны, что способствует диффузии растворенных веществ и пополнению жидких пленок, тем самым значительно снижая вероятность образования трещин при затвердевании.
Распределение жидких пленок на границах зерен при различной форме пятен.
Схематическое изображение сварочной ванны: а) без колебаний, в) с боковыми колебаниями, д) с продольными колебаниями, ж) с окружными колебаниями.
Помимо этоголазерный лучТехнология осцилляции с использованием двух лазерных источников также является одним из эффективных методов подавления трещин затвердевания. Использование двух лазерных источников позволяет добиться преобразования столбчатых кристаллов в равноосные путем оптимизации термического цикла, тем самым уменьшая размер зерен и концентрацию деформаций. Например, при использовании CO₂-лазера в качестве основного источника тепла и импульсного Nd:YAG-лазера в качестве вспомогательного источника тепла, во время сварки может быть сформирован оптимизированный термический цикл, способствующий образованию равноосных кристаллов и снижающий чувствительность к трещинам затвердевания, как показано на рисунке 4.
Оптимизация параметров сварки также является важным средством подавления трещин затвердевания. Регулируя такие параметры, как мощность лазера, скорость сварки и размер пятна, можно контролировать подвод тепла и температурный градиент в процессе сварки, тем самым влияя на структуру затвердевания и морфологию зерен. Исследования показали, что предварительный нагрев может снизить скорость охлаждения, способствовать образованию равноосных кристаллов и, следовательно, уменьшить чувствительность к трещинам затвердевания, как показано на рисунке 5. Кроме того, такие методы, как использование импульсной лазерной сварки и увеличение скорости сварки, также могут обеспечить преобразование столбчатых кристаллов в равноосные путем изменения подвода тепла и скорости охлаждения, тем самым снижая чувствительность к трещинам.
Рисунок 5. а) Ненагретые, б) равноосные зерна, предварительно нагретые до 300°C.
При лазерной сварке разнородных материалов из-за значительных различий в физических и химических свойствах материалов склонны к образованию хрупких интерметаллических соединений, которые являются одной из основных причин образования трещин при затвердении. Поэтому регулирование параметров и настроек лазера для уменьшения образования или количества интерметаллических соединений также является важной стратегией подавления трещин при затвердении. Например, при лазерной сварке разнородных материалов медь-алюминий, контролируя смещение лазерного луча и скорость сварки, можно уменьшить соотношение смешивания меди и алюминия в расплавленной ванне, тем самым уменьшая образование хрупких интерметаллических соединений и снижая вероятность образования трещин. Кроме того, использование присадочных материалов также может улучшить характеристики сварного соединения и уменьшить образование трещин. Присадочные материалы могут уменьшить образование интерметаллических соединений за счет изменения состава и микроструктуры сварного соединения и повысить его прочность.
Трещины затвердевания являются одним из распространенных дефектов в процессах лазерной сварки. Механизм их образования сложен и включает взаимодействие множества факторов, таких как тепло, механика и металлургия. Глубокое изучение механизма образования трещин затвердевания может обеспечить теоретическую основу для их подавления. В последние годы исследователи предложили различные стратегии подавления трещин затвердевания, которые в основном сосредоточены на контроле структуры зерен, оптимизации параметров сварки и улучшении свойств материала. Практика доказала, что эти стратегии могут эффективно снизить чувствительность к трещинам затвердевания до определенной степени и улучшить качество и надежность лазерной сварки. Однако из-за сложности и разнообразия процесса лазерной сварки в современных исследованиях все еще существуют некоторые пробелы. Например, для механизмов подавления трещин затвердевания в различных материалах и условиях сварки необходимы дальнейшие углубленные исследования.
Дата публикации: 20 марта 2025 г.
