V moderní výrobě,technologie laserového svařováníje široce používána v různých oblastech, od leteckého průmyslu po automobilový průmysl, od elektronických zařízení po lékařské přístroje, s výhodami vysoké účinnosti, přesnosti a přizpůsobivosti. Jádrem této technologie je interakce laseru s materiálem, čímž vzniká roztavená lázeň a její rychlé tuhnutí, což umožňuje spojování kovových součástí. Tavná lázeň je klíčovou oblastí laserového svařování a její vlastnosti přímo určují kvalitu svařování, mikrostrukturu a konečný výkon. Proto je hluboké pochopení a přesné řízení charakteristik roztavené lázně zásadní pro zlepšení úrovně technologie laserového svařování a splnění potřeb vysoce kvalitních svarových spojů v průmyslové výrobě.
Geometrie roztaveného bazénu
Geometrie svarové lázně je důležitým aspektem ve výzkumu laserového svařování, protože přímo ovlivňuje přenos tepla, tok materiálu a konečnou kvalitu svařování během svařovacího procesu. Tvar roztavené lázně je obvykle popsán její hloubkou, šířkou, poměrem stran, geometrií tepelně ovlivněné zóny (HAZ), geometrií klíčové díry a geometrií zóny roztaveného kovu (MMA). Tyto parametry nejen určují velikost a tvar svarového spoje, ale také ovlivňují tepelný cyklus, rychlost ochlazování a tvorbu mikrostruktury během svařovacího procesu.
Tabulka 1. Vliv parametrů laserového svařování na geometrické parametry každé svarové lázně.
Výzkum ukazuje, že výkon laseru a rychlost svařování jsou dva hlavní procesní parametry, které ovlivňují geometrii svarové lázně, jak je uvedeno v tabulce 1. Obecně platí, že s rostoucím výkonem laseru a snižující se rychlostí svařování se hloubka svarové lázně zvětšuje, zatímco šířka se mění relativně málo. Je to proto, že vyšší výkon laseru je schopen poskytnout více energie, což umožňuje materiálu rychlejší tavení a odpařování, což vede k hlubším klíčovým dírám a lázním, jak je znázorněno na obrázku 1. Pokud je však výkon laseru příliš vysoký nebo rychlost svařování příliš nízká, může to vést k přehřátí materiálu, nadměrnému odpařování a dokonce i k plazmovému stínění, což snižuje kvalitu svařování. Proto je v samotném svařovacím procesu nutné rozumně zvolit výkon laseru a rychlost svařování podle specifických vlastností materiálu a požadavků na svařování, aby se dosáhlo ideální geometrie svarové lázně.
Obrázek 1. Různé tvary svarů vytvořené laserovým tepelným svařováním a laserovým hlubokým průvarem.
Kromě výkonu laseru a rychlosti svařování mají na geometrii svarové lázně vliv také tepelně fyzikální vlastnosti materiálu, stav povrchu, ochranný plyn a další faktory. Například čím vyšší je tepelná vodivost materiálu, tím rychlejší je přenos tepla materiálem a tím rychlejší je rychlost ochlazování roztavené lázně, což může vést k relativně malé velikosti roztavené lázně. Drsnost a čistota povrchu materiálu ovlivní rychlost absorpce laseru a následně ovlivní tvorbu a stabilitu roztavené lázně. Kromě toho bude mít typ a průtok ochranného plynu také určitý vliv na tvar a kvalitu roztavené lázně. Vhodný ochranný plyn může účinně zabránit oxidaci a znečištění roztavené lázně, ale také může upravit povrchové napětí a charakteristiky proudění roztavené lázně, aby se zlepšila kvalita svařování.
Obrázek 2. Tvar roztavené lázně při kývání laseru.
Změnou trajektorie laserového paprsku může laserové kmitání významně ovlivnit tvar a vlastnosti roztavené lázně, jak je znázorněno na obrázku 2. Jak se laserový paprsek kmitá, tvar roztavené lázně se stává rovnoměrnějším a stabilnějším. Oscilační laserový paprsek vytváří na povrchu lázně širší ohřátou plochu, čímž se okraje lázně vyhladí a redukují se ostré hrany a nepravidelné tvary. Toto rovnoměrné ohřev pomáhá zlepšit kvalitu a mechanické vlastnosti svarového spoje a snížit vady svařování, jako jsou trhliny a póry. Kromě toho může laserové kmitání také zvýšit tekutost roztavené lázně, podpořit uvolňování plynů a nečistot v roztavené lázni a dále zlepšit hustotu a rovnoměrnost svarového spoje.
Dynamika roztaveného bazénu
Termodynamika tavné lázně je další klíčovou oblastí výzkumu laserového svařování, která zahrnuje absorpci, přenos a přeměnu laserové energie v tavné lázni, jakož i rozložení teplotního pole, rychlost ochlazování a fázové přechody, které to způsobuje. Termodynamické vlastnosti tavné lázně nejen určují tvar a velikost tavné lázně, ale také přímo ovlivňují mikrostrukturu a mechanické vlastnosti svarového spoje.
Během procesu laserového svařování, po absorpci laserové energie materiálem, vzniká v tavenině oblast s vysokou teplotou, která způsobuje tavení a odpařování materiálu. Současně se teplo přenáší z oblasti s vysokou teplotou do oblasti s nízkou teplotou prostřednictvím vedení tepla, konvekce a záření, takže teplota materiálu kolem taveniny se zvyšuje a ovlivňuje mikrostrukturu a vlastnosti materiálu. Vzhledem k malým rozměrům, velkému teplotnímu gradientu a rychlé rychlosti chlazení taveniny je velmi obtížné přímo měřit teplotní pole a rychlost chlazení. Proto se většina studií provádí ke studiu termodynamických vlastností tavenin pomocí matematických modelů a numerických simulačních metod.
V termodynamickém modelu roztavené lázně je obvykle třeba zvážit následující klíčové faktory: Zaprvé, mechanismus absorpce laserové energie, včetně charakteristik odrazu, absorpce a přenosu povrchu materiálu, a proces rozptylu a absorpce laseru uvnitř materiálu. Různé materiály a parametry laseru povedou k různým rychlostem absorpce a rozložení energie, což ovlivní termodynamické chování roztavené lázně. Zadruhé, tepelně-fyzikální vlastnosti materiálu, jako je měrná tepelná kapacita, tepelná vodivost, hustota atd. Tyto parametry se mění se změnou teploty, což má důležitý vliv na proces přenosu tepla. Kromě toho je nutné zvážit také proudění tekutiny a procesy fázových změn v roztavené lázni, jako je tavení, odpařování a tuhnutí, které změní tvar a rozložení teplotního pole roztavené lázně, ale také ovlivní mikrostrukturu a mechanické vlastnosti materiálu.
Prostřednictvím numerické simulace a experimentální studie vědci zjistili, že rozložení teplotního pole v roztavené lázni obvykle vykazuje značnou nerovnoměrnost, oblast s vysokou teplotou je soustředěna hlavně v oblasti působení laseru a klíčového otvoru a teplota postupně klesá k okraji roztavené lázně a tepelně ovlivněné zóny. Rychlost chlazení se zvyšuje se zmenšováním velikosti roztavené lázně a zvětšováním vzdálenosti od laserové oblasti. Obecně je rychlost chlazení nižší ve středu roztavené lázně a oblasti klíčového otvoru, zatímco rychlost chlazení je vyšší na okraji roztavené lázně a tepelně ovlivněné zóny, jak je znázorněno na obrázku 2. Toto nerovnoměrné rozložení teplotního pole a rychlosti chlazení vede ke zjevným gradientním změnám v mikrostruktuře svarového spoje, jako je velikost zrna, fázové složení a distribuce, což ovlivní mechanické vlastnosti a korozní odolnost svarového spoje.
Obrázek 3. Výsledky simulace tvorby klíčové díry a taveniny během laserového svařování plechu z nerezové oceli s hloubkovým průvarem.
Za účelem zlepšení termodynamických vlastností roztavené lázně, zlepšení kvality svařování a snížení vad svařování byla navržena řada optimalizačních metod a opatření. Například úpravou parametrů laseru, jako je výkon laseru, rychlost svařování, průměr bodu atd., lze změnit vstupní režim a rozložení laserové energie pro optimalizaci teplotního pole a rychlosti chlazení roztavené lázně. Kromě toho lze termodynamické chování a vývoj mikrostruktury roztavené lázně upravit pomocí předehřevu, dohřevu, vícevrstvého svařování a dalších procesních metod, jakož i použitím různých ochranných plynů a svařovacích atmosfér. Současně je vývoj nových svařovacích materiálů a slitinových systémů pro zlepšení tepelné stability a svařovacího výkonu materiálů také jedním z důležitých způsobů, jak zlepšit termodynamické vlastnosti roztavených lázní.
Charakteristiky laserové svařovací lázně jsou klíčovými faktory ovlivňujícími kvalitu svařování, mikrostrukturu a mechanické vlastnosti. Hloubkové studium geometrie a termodynamických charakteristik laserové svařovací lázně má velký význam pro optimalizaci procesu laserového svařování a zlepšení účinnosti a kvality svařování. Prostřednictvím velkého množství experimentálního výzkumu a numerických simulačních analýz dosáhli vědci řady důležitých výzkumných výsledků, které poskytují silnou teoretickou podporu a technické vodítko pro vývoj a aplikaci technologie laserového svařování. V současném výzkumu však stále existují určité nedostatky, jako je zjednodušení modelu a příliš mnoho předpokladů a nedostatečná přesnost predikce charakteristik tavné lázně za složitých pracovních podmínek. Systematický a komplexní experimentální výzkum je třeba zlepšit a chybí hloubkový výzkum více materiálů a parametrů svařování.
Čas zveřejnění: 28. února 2025
