Svařování laserovým paprskemDíky své vysoké rychlosti, vysoké přesnosti a bezkontaktním vlastnostem se široce uplatňuje v oblastech, jako je automobilový, letecký a elektronický průmysl, a vykazuje zejména jedinečné výhody při spojování různých materiálů. Trhliny při tuhnutí (Solidification Cracking) vznikající během svařovacího procesu jsou však jednou z klíčových vad, které omezují jeho průmyslové využití. Tyto trhliny se obvykle vyskytují na konci tuhnutí v tavné zóně (Fusion Zone) a jsou vyvolány kombinovanými účinky tepelného namáhání, smršťování při tuhnutí a kapalného filmu na hranicích zrn, což významně snižuje mechanické vlastnosti a únavovou životnost spoje.
1. Mechanismus formování
Základní mechanismus vzniku trhlin při tuhnutí spočívá ve zbytkovém kapalném filmu na hranicích zrn na konci tuhnutí. Během procesu tuhnutí je roztavená lázeň rozdělena do tří zón: zóny volné kapaliny, omezené kapalné zóny a pevné zóny, jak je znázorněno na obrázku 1. V omezené kapalné zóně je tok kapaliny blokován a nemůže kompenzovat napětí generované smršťováním při tuhnutí, což vede k separaci hranic zrn. Poměr energie na hranicích zrn (γgb) k energii na rozhraní pevná látka-kapalina (γsl) určuje stabilitu kapalného filmu: pokud γgb < 2γsl, kapalný film je nestabilní a dochází ke koalescenci zrn; naopak kapalný film je stabilní a je náchylný k iniciaci trhlin.
Kromě toho, tvorba trhlin při tuhnutí souvisí také s metalurgickými vlastnostmi materiálů. Různé materiály mají odlišné charakteristiky tuhnutí, jako je teplotní rozsah tuhnutí, rychlost smrštění při tuhnutí a distribuce prvků slitiny atd. Tyto charakteristiky ovlivňují citlivost trhlin. Například u materiálů obsahujících velké množství eutektických fází s nízkou teplotou tání je citlivost trhlin při tuhnutí vyšší, protože tyto eutektické fáze mají tendenci během tuhnutí vytvářet souvislé kapalné filmy, čímž zesilují tvorbu trhlin.
Běhemproces laserového svařováníParametry svařování, jako je výkon laseru, rychlost svařování a velikost bodu, mají také vliv na tvorbu trhlin při tuhnutí. Tyto parametry ovlivňují přívod tepla a teplotní gradient během procesu svařování, čímž mění strukturu tuhnutí a morfologii zrn. Například vyšší výkon laseru a nižší rychlost svařování vedou k většímu přívodu tepla a pomalejší rychlosti chlazení, což podporuje růst sloupcových krystalů a zvyšuje citlivost na trhliny. Naopak nižší výkon laseru a vyšší rychlost svařování vedou k menšímu přívodu tepla a rychlejší rychlosti chlazení, což usnadňuje tvorbu rovnoosých krystalů a snižuje citlivost na trhliny.
2. Opatření k potlačení
Pro účinné potlačení trhlin způsobených tuhnutím vlaserové svařováníVědci navrhli různé strategie, které se zaměřují především na řízení struktury zrn, optimalizaci parametrů svařování a zlepšení vlastností materiálu. Zjemněním struktury zrn lze zvýšit počet hranic zrn a snížit koncentraci napětí, čímž se sníží tvorba trhlin. Studie ukázaly, že pomocí technologie oscilace laserového paprsku lze sloupcové krystaly transformovat na jemné rovnoosé krystaly bez přidání dalších materiálů. Oscilace laserového paprsku může rozptýlit laserovou energii, což způsobí, že roztavená lázeň generuje turbulenci, čímž se naruší směr růstu sloupcových krystalů a podpoří se tvorba rovnoosých krystalů, jak je znázorněno na obrázku 3. Kromě toho může oscilace laserového paprsku také zvětšit šířku roztavené lázně, snížit teplotní gradient a prodloužit dobu tuhnutí roztavené lázně, což vede k difúzi rozpuštěných látek a doplňování kapalných filmů, čímž se výrazně snižuje citlivost trhlin při tuhnutí.
Distribuce kapalných filmů na hranicích zrn pod různými tvary bazénu.
Schéma svařovací taveniny, a, b) bez kmitání, c, d) boční kmitání, e, f) podélné kmitání, g, h) obvodové kmitání.
Kromě toholaserový paprsekTechnologie oscilací s využitím duálních laserových zdrojů je také jednou z účinných metod potlačení trhlin při tuhnutí. Duální laserové zdroje mohou dosáhnout transformace sloupcových krystalů na rovnoosé krystaly optimalizací tepelného cyklu, čímž se sníží velikost zrna a koncentrace napětí. Například při použití CO₂ laseru jako hlavního zdroje tepla a pulzního Nd:YAG laseru jako pomocného zdroje tepla lze během svařování vytvořit optimalizovaný tepelný cyklus, který podporuje tvorbu rovnoosých krystalů a snižuje citlivost trhlin při tuhnutí, jak je znázorněno na obrázku 4.
Optimalizace svařovacích parametrů je také důležitým prostředkem k potlačení trhlin při tuhnutí. Úpravou parametrů, jako je výkon laseru, rychlost svařování a velikost bodu, lze řídit tepelný příkon a teplotní gradient během svařovacího procesu, čímž se ovlivní struktura tuhnutí a morfologie zrn. Studie ukázaly, že předehřívání může snížit rychlost chlazení, podpořit tvorbu rovnoosých krystalů a tím snížit citlivost trhlin při tuhnutí, jak je znázorněno na obrázku 5. Kromě toho metody, jako je použití pulzního laserového svařování a zvýšení rychlosti svařování, mohou také dosáhnout transformace sloupcových krystalů na rovnoosé krystaly změnou tepelného příkonu a rychlosti chlazení, čímž se sníží citlivost trhlin.
Obrázek 5. a) Neohřátá, b) Zrna s rovnoměrným uspořádáním os předehřátá na 300 °C.
Při svařování rozdílných materiálů lasery jsou v důsledku značných rozdílů ve fyzikálních a chemických vlastnostech mezi materiály náchylné ke tvorbě křehkých intermetalických sloučenin, které jsou jednou z hlavních příčin vzniku trhlin při tuhnutí. Proto je úprava parametrů a nastavení laseru za účelem snížení tvorby nebo množství intermetalických sloučenin také důležitou strategií pro potlačení trhlin při tuhnutí. Například při laserovém svařování rozdílných materiálů měď-hliník lze řízením posunu laserového paprsku a rychlosti svařování snížit poměr směsi mědi a hliníku v roztavené lázni, čímž se sníží tvorba křehkých intermetalických sloučenin a citlivost na trhliny. Použití přídavných materiálů může navíc zlepšit výkon svarového spoje a snížit tvorbu trhlin. Přídavné materiály mohou snížit tvorbu intermetalických sloučenin změnou složení a mikrostruktury svarového spoje a zlepšit houževnatost svarového spoje.
Trhliny při tuhnutí jsou jednou z běžných vad v procesech laserového svařování. Mechanismus jejich vzniku je složitý a zahrnuje interakci mnoha faktorů, jako je teplo, mechanika a metalurgie. Hlubokým studiem mechanismu vzniku trhlin při tuhnutí lze poskytnout teoretický základ pro potlačení trhlin. V posledních letech vědci navrhli různé strategie pro potlačení trhlin při tuhnutí, které se zaměřují především na řízení struktury zrn, optimalizaci parametrů svařování a zlepšení vlastností materiálu. Praxe prokázala, že tyto strategie mohou do určité míry účinně snížit citlivost trhlin při tuhnutí a zlepšit kvalitu a spolehlivost laserového svařování. Vzhledem k složitosti a rozmanitosti procesu laserového svařování však v současném výzkumu stále existují určité nedostatky. Například pokud jde o mechanismy inhibice trhlin při tuhnutí za různých materiálů a podmínek svařování, je stále zapotřebí dalšího hloubkového výzkumu.
Čas zveřejnění: 20. března 2025
