I moderne produktion,lasersvejsningsteknologianvendes i vid udstrækning inden for forskellige områder, fra luftfart til bilproduktion, fra elektronisk udstyr til medicinsk udstyr, med sine fordele ved høj effektivitet, præcision og tilpasningsevne. Kernen i denne teknologi er laserens interaktion med materialet, der danner et smeltebad og hurtigt størkner, hvilket muliggør forbindelse af metaldele. Svejsebadet er et nøgleområde inden for lasersvejsning, og dets egenskaber bestemmer direkte svejsekvaliteten, mikrostrukturen og den endelige ydeevne. Derfor er en dybdegående forståelse og præcis kontrol af smeltebadets egenskaber af afgørende betydning for at forbedre niveauet af lasersvejseteknologi og opfylde behovene for svejsede samlinger af høj kvalitet i industriel produktion.
Smeltet pool geometri
Svejsebadets geometri er et vigtigt aspekt inden for lasersvejsning, fordi det direkte påvirker varmeoverførslen, materialestrømmen og den endelige svejsekvalitet under svejseprocessen. Formen af et smeltebad beskrives normalt af dets dybde, bredde, aspektforhold, geometri for den varmepåvirkede zone (HAZ), geometri for nøglehullet og geometri for den smeltede metalzone (MMA). Disse parametre bestemmer ikke kun størrelsen og formen af den svejsede samling, men påvirker også den termiske cyklus, kølehastigheden og dannelsen af mikrostrukturen under svejseprocessen.
Tabel 1. Indflydelsen af lasersvejseparametre på de geometriske parametre for hvert smeltebad.
Forskningen viser, at lasereffekt og svejsehastighed er de to vigtigste procesparametre, der påvirker smeltebadets geometri, som vist i tabel 1. Generelt set øges smeltebadets dybde, når lasereffekten stiger, og svejsehastigheden falder, mens bredden ændrer sig relativt lidt. Dette skyldes, at højere lasereffekt er i stand til at give mere energi, hvilket gør det muligt for materialet at smelte og fordampe hurtigere, hvilket resulterer i dybere nøglehuller og bassiner, som vist i figur 1. Men når lasereffekten er for høj, eller svejsehastigheden er for lav, kan det føre til overophedning af materialet, overdreven fordampning og endda plasmaafskærmningseffekt, hvilket vil reducere svejsekvaliteten. Derfor er det i den faktiske svejseproces nødvendigt at vælge lasereffekt og svejsehastighed med rimelighed i henhold til de specifikke materialeegenskaber og svejsekrav for at opnå den ideelle smeltebadsgeometri.
Figur 1. Forskellige svejseformer dannet ved laservarmeledningssvejsning og laserdybpenetrationssvejsning.
Ud over lasereffekt og svejsehastighed vil materialets termiske fysiske egenskaber, overfladetilstand, beskyttelsesgassen og andre faktorer også have indflydelse på smeltebadets geometri. For eksempel, jo højere materialets varmeledningsevne er, desto hurtigere er varmeoverførslen gennem materialet, og desto hurtigere er smeltebadets afkølingshastighed, hvilket kan resultere i en relativt lille størrelse af smeltebadet. Materialets overfladeruhed og renhed vil påvirke laserens absorptionshastighed og derefter påvirke smeltebadets dannelse og stabilitet. Derudover vil typen og strømningshastigheden af beskyttelsesgassen også have en vis indflydelse på smeltebadets form og kvalitet. Den passende beskyttelsesgas kan effektivt forhindre smeltebadet i at oxidere og forurene, men kan også justere smeltebadets overfladespænding og strømningsegenskaber for at forbedre svejsekvaliteten.
Figur 2. Formen af smeltebadet, når laseren svinger.
Ved at ændre laserstrålens bane kan laserens wobble betydeligt påvirke smeltebassinets form og egenskaber, som vist i figur 2. Når laserstrålen wobler, bliver smeltebassinets form mere ensartet og stabil. Den oscillerende laserstråle skaber et bredere opvarmet område på overfladen af bassinet, hvilket gør bassinets kanter glattere og reducerer skarpe kanter og uregelmæssige former. Denne ensartede opvarmning bidrager til at forbedre svejsefugens kvalitet og mekaniske egenskaber og reducere svejsefejl såsom revner og porer. Derudover kan lasersvingning også øge smeltebassinets flydeevne, fremme udledning af gasser og urenheder i smeltebassinet og yderligere forbedre svejsefugens tæthed og ensartethed.
Dynamik i smeltet pool
Termodynamik i smeltebad er et andet nøglefelt inden for lasersvejsningsforskning, som involverer absorption, overførsel og omdannelse af laserenergi i smeltebadet, samt den deraf følgende temperaturfeltfordeling, afkølingshastighed og faseovergangsadfærd. Svejsebadets termodynamiske egenskaber bestemmer ikke kun formen og størrelsen af smeltebadet, men påvirker også direkte mikrostrukturen og de mekaniske egenskaber af den svejsede samling.
Under lasersvejsningsprocessen, efter at laserenergien er absorberet af materialet, vil der opstå et højtemperaturområde i smeltebadet, hvilket får materialet til at smelte og fordampe. Samtidig vil varme blive overført fra højtemperaturområdet til lavtemperaturområdet gennem varmeledning, konvektion og stråling, således at temperaturen af materialet omkring smeltebadet vil stige, hvilket derefter påvirker materialets mikrostruktur og egenskaber. På grund af smeltebadets lille størrelse, store temperaturgradient og hurtige afkølingshastighed er det meget vanskeligt at måle temperaturfeltet og afkølingshastigheden direkte. Derfor udføres de fleste undersøgelser for at studere de termodynamiske egenskaber ved smeltebade ved at etablere matematiske modeller og numeriske simuleringsmetoder.
I den termodynamiske model af smeltebadet skal følgende nøglefaktorer normalt tages i betragtning: For det første absorptionsmekanismen for laserenergi, herunder refleksions-, absorptions- og transmissionsegenskaber på materialets overflade, og sprednings- og absorptionsprocessen af laseren inde i materialet. Forskellige materialer og laserparametre vil føre til forskellige absorptionshastigheder og energifordelinger, hvilket vil påvirke smeltebadets termodynamiske adfærd. For det andet vil materialets termiske fysiske egenskaber, såsom specifik varmekapacitet, varmeledningsevne, densitet osv., ændre sig med temperaturændringer, hvilket har en vigtig indflydelse på varmeoverføringsprocessen. Derudover er det også nødvendigt at overveje væskestrømmen og faseændringsprocesserne i smeltebadet, såsom smeltning, fordampning og størkning, hvilket vil ændre smeltebadets form og temperaturfeltfordeling, men også påvirke materialets mikrostruktur og mekaniske egenskaber.
Gennem numerisk simulering og eksperimentel undersøgelse fandt forskerne, at temperaturfeltfordelingen i smeltebadet normalt udviser en betydelig uensartethed. Højtemperaturområdet er primært koncentreret i laserens aktionsområde og nøglehullet, og temperaturen falder gradvist til kanten af smeltebadet og den varmepåvirkede zone. Kølehastigheden stiger med faldet i smeltebadets størrelse og stigningen i afstanden fra laserområdet. Generelt er kølehastigheden lavere i midten af smeltebadet og nøglehullets område, mens kølehastigheden er højere ved kanten af smeltebadet og den varmepåvirkede zone, som vist i figur 2. Denne uensartede temperaturfelt- og kølehastighedsfordeling vil føre til tydelige gradientændringer i svejsefugens mikrostruktur, såsom kornstørrelse, fasesammensætning og -fordeling, hvilket vil påvirke svejsefugens mekaniske egenskaber og korrosionsbestandighed.
Figur 3. Simuleringsresultater af dannelse af nøglehul og smeltebad under laserdybpenetrationssvejsning af rustfri stålplade.
For at forbedre de termodynamiske egenskaber ved smeltebadet, forbedre svejsekvaliteten og reducere svejsefejl er der blevet foreslået en række optimeringsmetoder og -foranstaltninger. For eksempel kan inputtilstanden og fordelingen af laserenergi ændres ved at justere laserparametre, såsom lasereffekt, svejsehastighed, punktdiameter osv., for at optimere temperaturfeltet og kølehastigheden for smeltebadet. Derudover kan den termodynamiske adfærd og mikrostrukturudviklingen af smeltebadet justeres ved hjælp af forvarmning, eftervarmning, flerstrengssvejsning og andre procesmetoder samt ved hjælp af forskellige beskyttelsesgasser og svejseatmosfærer. Samtidig er udvikling af nye svejsematerialer og legeringssystemer for at forbedre materialernes termiske stabilitet og svejseegenskaber også en af de vigtige måder at forbedre de termodynamiske egenskaber ved smeltebade.
Lasersvejsebassinets egenskaber er de vigtigste faktorer, der påvirker svejsekvaliteten, mikrostrukturen og de mekaniske egenskaber. En dybdegående undersøgelse af lasersvejsebassinets geometri og termodynamiske egenskaber er af stor betydning for at optimere lasersvejseprocessen og forbedre svejseeffektiviteten og -kvaliteten. Gennem en lang række eksperimentelle undersøgelser og numeriske simuleringsanalyser har forskere opnået en række vigtige forskningsresultater, som giver en stærk teoretisk støtte og teknisk vejledning til udvikling og anvendelse af lasersvejseteknologi. Der er dog stadig nogle mangler i den nuværende forskning, såsom forenkling af modellen og for mange antagelser, og forudsigelsen af smeltebassinets egenskaber under komplekse arbejdsforhold er ikke præcis nok. Den systematiske og omfattende eksperimentelle forskning skal forbedres, og der mangler dybdegående forskning i flere materialer og svejseparametre.
Opslagstidspunkt: 28. feb. 2025
