LasersvejsningMed sin høje hastighed, høje præcision og berøringsfri egenskaber anvendes den i vid udstrækning inden for områder som biler, luftfart og elektroniske apparater, og viser især unikke fordele ved forbindelse af forskellige materialer. Imidlertid er størkningsrevner (Solidiification Cracking), der genereres under svejseprocessen, en af de vigtigste defekter, der begrænser dens industrielle anvendelse. Disse revner opstår normalt ved afslutningen af størkningen i smeltezonen (Smeltezonen), udløst af de kombinerede effekter af termisk stress, størkningssvind og væskefilmen på korngrænserne, hvilket reducerer samlingens mekaniske egenskaber og udmattelseslevetid betydeligt.
1. Dannelsesmekanisme
Kernemekanismen bag størkningsrevner ligger i den resterende væskefilm ved korngrænserne ved afslutningen af størkningen. Under størkningsprocessen er smeltebadet opdelt i tre zoner: den frie væskezone, den begrænsede væskezone og den faste zone, som vist i figur 1. I den begrænsede væskezone er væskestrømmen blokeret og kan ikke kompensere for den belastning, der genereres af størkningskrympning, hvilket resulterer i korngrænseseparation. Forholdet mellem korngrænseenergi (γgb) og faststof-væske-grænsefladeenergi (γsl) bestemmer væskefilmens stabilitet: hvis γgb < 2γsl, er væskefilmen ustabil, og der forekommer kornkoalescens; omvendt er væskefilmen stabil, og der er tilbøjelighed til revnedannelse.
Derudover er dannelsen af størkningsrevner også relateret til materialernes metallurgiske egenskaber. Forskellige materialer har forskellige størkningskarakteristika, såsom størkningstemperaturområdet, størkningskrympningshastigheden og fordelingen af legeringselementer osv. Disse karakteristika påvirker revnernes følsomhed. For eksempel er følsomheden af størkningsrevner højere i materialer, der indeholder en stor mængde eutektiske faser med lavt smeltepunkt, fordi disse eutektiske faser er tilbøjelige til at danne kontinuerlige væskefilm under størkningen, hvorved dannelsen af revner intensiveres.
I løbet aflasersvejseproces, svejseparametre som lasereffekt, svejsehastighed og punktstørrelse har også indflydelse på dannelsen af størkningsrevner. Disse parametre påvirker varmetilførslen og temperaturgradienten under svejseprocessen og ændrer derved størkningsstrukturen og kornmorfologien. For eksempel resulterer højere lasereffekt og lavere svejsehastighed i større varmetilførsel og langsommere kølehastighed, hvilket fremmer væksten af søjleformede krystaller og øger revnefølsomheden. Omvendt fører lavere lasereffekt og højere svejsehastighed til mindre varmetilførsel og hurtigere kølehastighed, hvilket letter dannelsen af ligeaksede krystaller og reducerer revnefølsomheden.
2. Undertrykkelsesforanstaltninger
For effektivt at undertrykke størkningsrevner ilasersvejsningForskere har foreslået forskellige strategier, der primært fokuserer på at kontrollere kornstrukturen, optimere svejseparametrene og forbedre materialeegenskaberne. Ved at forfine kornstrukturen kan antallet af korngrænser øges, og spændingskoncentrationen kan reduceres, hvorved dannelsen af revner reduceres. Undersøgelser har vist, at ved at bruge laserstråleoscillationsteknologi kan søjleformede krystaller omdannes til fine ligeaksede krystaller uden at tilsætte andre materialer. Laserstråleoscillation kan sprede laserenergi, hvilket får smeltebadet til at generere turbulens, hvorved vækstretningen for søjleformede krystaller brydes og dannelsen af ligeaksede krystaller fremmes, som vist i figur 3. Derudover kan laserstråleoscillation også øge bredden af smeltebadet, reducere temperaturgradienten og forlænge størkningstiden for smeltebadet, hvilket er befordrende for diffusion af opløste stoffer og genopfyldning af væskefilm, hvorved følsomheden af størkningsrevner reduceres betydeligt.
Fordeling af korngrænsevæskefilm under forskellige poolformer.
Skematisk diagram af svejsesmeltebadet, a, b) uden oscillation, c, d) lateral oscillation, e, f) longitudinel oscillation, g, h) omkredssvingning.
Ud overlaserstråleOscillationsteknologi, hvor brugen af dobbelte laserkilder er, er også en af de effektive metoder til at undertrykke størkningsrevner. Dobbelte laserkilder kan opnå transformationen fra søjleformede krystaller til ligeaksede krystaller ved at optimere den termiske cyklus, hvorved kornstørrelse og tøjningskoncentration reduceres. For eksempel, når man bruger CO₂-laser som den primære varmekilde og Nd:YAG-pulslaser som den ekstra varmekilde, kan der dannes en optimeret termisk cyklus under svejsning, hvilket fremmer dannelsen af ligeaksede krystaller og reducerer følsomheden af størkningsrevner, som vist i figur 4.
Optimering af svejseparametre er også et vigtigt middel til at undertrykke størkningsrevner. Ved at justere parametre som lasereffekt, svejsehastighed og punktstørrelse kan varmetilførslen og temperaturgradienten under svejseprocessen kontrolleres, hvorved størkningsstrukturen og kornmorfologien påvirkes. Undersøgelser har vist, at forvarmningsbehandling kan reducere kølehastigheden, fremme dannelsen af ligeaksede krystaller og derved reducere følsomheden af størkningsrevner, som vist i figur 5. Derudover kan metoder som brug af pulseret lasersvejsning og øgning af svejsehastigheden også opnå transformationen fra søjleformede krystaller til ligeaksede krystaller ved at ændre varmetilførslen og kølehastigheden og derved reducere følsomheden af revner.
Figur 5. a) Uopvarmede, b) 300°C forvarmede ligeaksede korn.
Ved svejsning af forskellige materialer med lasere er der på grund af de betydelige forskelle i fysiske og kemiske egenskaber mellem materialerne en tilbøjelighed til at dannes sprøde intermetalliske forbindelser, hvilket er en af hovedårsagerne til størkningsrevner. Derfor er justering af laserparametre og -indstillinger for at reducere dannelsen eller mængden af intermetalliske forbindelser også en vigtig strategi til at undertrykke størkningsrevner. For eksempel kan blandingsforholdet mellem kobber og aluminium i smeltebadet reduceres ved at kontrollere laserstrålens forskydning og svejsehastigheden ved lasersvejsning af forskellige kobber-aluminiummaterialer, hvorved dannelsen af sprøde intermetalliske forbindelser mindskes, og følsomheden over for revner reduceres. Derudover kan brugen af tilsatsmaterialer også forbedre svejsefugens ydeevne og reducere dannelsen af revner. Tilsatsmaterialer kan reducere dannelsen af intermetalliske forbindelser ved at ændre svejsefugens sammensætning og mikrostruktur og forbedre svejsefugens sejhed.
Størkningsrevner er en af de almindelige defekter i lasersvejsningsprocesser. Deres dannelsesmekanisme er kompleks og involverer samspillet mellem flere faktorer såsom varme, mekanik og metallurgi. Ved at studere dannelsesmekanismen for størkningsrevner i dybden kan der tilvejebringes et teoretisk grundlag for at undertrykke revner. I de senere år har forskere foreslået forskellige strategier til at undertrykke størkningsrevner, som primært fokuserer på at kontrollere kornstrukturen, optimere svejseparametre og forbedre materialeegenskaber. Praksis har vist, at disse strategier effektivt kan reducere følsomheden af størkningsrevner i et vist omfang og forbedre kvaliteten og pålideligheden af lasersvejsning. På grund af kompleksiteten og mangfoldigheden af lasersvejseprocessen er der dog stadig nogle mangler i den nuværende forskning. For eksempel er der stadig behov for yderligere dybdegående forskning i hæmningsmekanismerne for størkningsrevner under forskellige materialer og svejseforhold.
Udsendelsestidspunkt: 20. marts 2025
