Kaasaegses tootmises,laserkeevitustehnoloogiaSeda kasutatakse laialdaselt erinevates valdkondades, alates lennundusest ja autotööstusest kuni elektroonikaseadmeteni, pakkudes selle eeliseid nagu kõrge efektiivsus, täpsus ja kohanemisvõime. Selle tehnoloogia tuumaks on laseri ja materjali vastastikmõju, mis moodustab sulavanni ja tahkub kiiresti, võimaldades metalldetailide ühendamist. Keevisvann on laserkeevituse võtmevaldkond ning selle omadused määravad otseselt keevituse kvaliteedi, mikrostruktuuri ja lõpptulemuse. Seetõttu on sulavanni omaduste põhjalik mõistmine ja täpne kontroll ülioluline, et parandada laserkeevitustehnoloogia taset ja rahuldada tööstuslikus tootmises kvaliteetsete keevisliidete vajadusi.
Sulabasseini geomeetria
Keevisvanni geomeetria on laserkeevituse uuringutes oluline aspekt, kuna see mõjutab otseselt soojusülekannet, materjalivoogu ja keevituse lõplikku kvaliteeti keevitusprotsessi ajal. Sulavanni kuju kirjeldatakse tavaliselt selle sügavuse, laiuse, kuvasuhte, kuumusmõjutsooni (HAZ) geomeetria, võtmeaugu geomeetria ja sulametalli tsooni (MMA) geomeetria abil. Need parameetrid määravad mitte ainult keevitatud liite suuruse ja kuju, vaid mõjutavad ka termilist tsüklit, jahutuskiirust ja mikrostruktuuri moodustumist keevitusprotsessi ajal.
Tabel 1. Laserkeevitusparameetrite mõju iga keevisvanni geomeetrilistele parameetritele.
Uuring näitab, et laseri võimsus ja keevituskiirus on kaks peamist protsessiparameetrit, mis mõjutavad keevisvanni geomeetriat, nagu on näidatud tabelis 1. Üldiselt suureneb laseri võimsuse suurenedes ja keevituskiiruse vähenedes keevisvanni sügavus, samas kui laius muutub suhteliselt vähe. See on tingitud asjaolust, et suurem laseri võimsus suudab anda rohkem energiat, mis võimaldab materjalil kiiremini sulada ja aurustuda, mille tulemuseks on sügavamad võtmeaugud ja vannid, nagu on näidatud joonisel 1. Kui laseri võimsus on aga liiga kõrge või keevituskiirus liiga madal, võib see põhjustada materjali ülekuumenemist, liigset aurustumist ja isegi plasma varjestusefekti, mis vähendab keevituse kvaliteeti. Seetõttu on tegeliku keevitusprotsessi käigus vaja valida laseri võimsus ja keevituskiirus mõistlikult vastavalt konkreetse materjali omadustele ja keevitusnõuetele, et saavutada ideaalne keevisvanni geomeetria.
Joonis 1. Laser-soojusjuhtivuskeevituse ja lasersügavkeevituse teel moodustatud erinevad keevisõmbluse kujud.
Lisaks laseri võimsusele ja keevituskiirusele mõjutavad keevisvanni geomeetriat ka materjali termilised füüsikalised omadused, pinnaseisund, kaitsegaas ja muud tegurid. Näiteks mida suurem on materjali soojusjuhtivus, seda kiirem on soojusülekanne läbi materjali ja seda kiirem on sulavanni jahtumiskiirus, mis võib põhjustada sulavanni suhteliselt väikese suuruse. Materjali pinna karedus ja puhtus mõjutavad laseri neeldumiskiirust ning seejärel sulavanni moodustumist ja stabiilsust. Lisaks mõjutavad sulavanni kuju ja kvaliteeti teatud määral ka kaitsegaasi tüüp ja voolukiirus. Sobiv kaitsegaas saab tõhusalt vältida sulavanni oksüdeerumist ja saastumist, aga ka reguleerida sulavanni pindpinevust ja voolavusomadusi, et parandada keevituse kvaliteeti.
Joonis 2. Sulavanni kuju laseri liikumise ajal.
Laserkiire trajektoori muutmisega võib laseri võnkumine oluliselt mõjutada sulabasseini kuju ja omadusi, nagu on näidatud joonisel 2. Laserkiire võnkudes muutub sulabasseini kuju ühtlasemaks ja stabiilsemaks. Võnkuv laserkiir loob basseini pinnale laiema kuumutatud ala, muutes basseini servad siledamaks ning vähendades teravaid servi ja ebakorrapäraseid kujusid. See ühtlane kuumutamine aitab parandada keevitatud liite kvaliteeti ja mehaanilisi omadusi ning vähendada keevitusdefekte, nagu praod ja poorid. Lisaks võib laseri kiik suurendada ka sulabasseini voolavust, soodustada gaaside ja lisandite eraldumist sulabasseinist ning veelgi parandada keevitatud liite tihedust ja ühtlust.
Sulabasseini dünaamika
Sulavanni termodünaamika on laserkeevituse uurimise teine võtmevaldkond, mis hõlmab laserenergia neeldumist, ülekannet ja muundamist sulavannis, samuti selle põhjustatud temperatuurivälja jaotust, jahutuskiirust ja faasisiirde käitumist. Keevitusvanni termodünaamilised omadused ei määra mitte ainult keevitusvanni kuju ja suurust, vaid mõjutavad otseselt ka keevitatud liite mikrostruktuuri ja mehaanilisi omadusi.
Laserkeevitusprotsessis tekib pärast laserenergia neeldumist materjali poolt sulamisbasseini kõrge temperatuuriga ala, mis põhjustab materjali sulamise ja aurustumise. Samal ajal kandub soojusjuhtivuse, konvektsiooni ja kiirguse kaudu kõrge temperatuuriga piirkonnast madala temperatuuriga piirkonda, mistõttu sulamisbasseini ümbritseva materjali temperatuur tõuseb, mõjutades seejärel materjali mikrostruktuuri ja omadusi. Sulamisbasseini väikese suuruse, suure temperatuurigradiendi ja kiire jahutuskiiruse tõttu on temperatuurivälja ja jahutuskiiruse otsene mõõtmine väga keeruline. Seetõttu tehakse enamik uuringuid sulamisbasseini termodünaamiliste omaduste uurimiseks matemaatiliste mudelite ja numbriliste simulatsioonimeetodite abil.
Sulavanni termodünaamilises mudelis tuleb tavaliselt arvesse võtta järgmisi võtmetegureid: esiteks laseri energia neeldumismehhanism, sealhulgas materjali pinna peegeldus-, neeldumis- ja läbilaskvusomadused, ning laseri hajumis- ja neeldumisprotsess materjali sees. Erinevad materjalid ja laseri parameetrid põhjustavad erinevaid neeldumiskiirusi ja energiajaotusi, mis mõjutavad sulavanni termodünaamilist käitumist. Teiseks, materjali termilised füüsikalised omadused, nagu erisoojusmahtuvus, soojusjuhtivus, tihedus jne, muutuvad temperatuuri muutumisega, millel on oluline mõju soojusülekande protsessile. Lisaks on vaja arvestada ka sulavannis toimuva vedeliku voolu ja faasimuutusprotsessidega, nagu sulamine, aurustumine ja tahkumine, mis muudavad sulavanni kuju ja temperatuurivälja jaotust, aga mõjutavad ka materjali mikrostruktuuri ja mehaanilisi omadusi.
Numbrilise simulatsiooni ja eksperimentaalse uuringu abil leidsid teadlased, et sulabasseini temperatuurivälja jaotus on tavaliselt märkimisväärselt ebaühtlane, kõrge temperatuuriga ala koondub peamiselt laseri toimepiirkonda ja võtmeaugu piirkonda ning temperatuur langeb järk-järgult sulabasseini serva ja kuummõjutsooni suunas. Jahutuskiirus suureneb koos sulabasseini suuruse vähenemise ja laseri piirkonnast kauguse suurenemisega. Üldiselt on jahutuskiirus sulabasseini keskel ja võtmeaugu piirkonnas madalam, samas kui jahutuskiirus on suurem sulabasseini servas ja kuummõjutsoonis, nagu on näidatud joonisel 2. See ebaühtlane temperatuuriväli ja jahutuskiiruse jaotus põhjustavad keevitatud liite mikrostruktuuris ilmseid gradiendi muutusi, näiteks tera suurust, faasikoostist ja jaotust, mis mõjutavad keevitatud liite mehaanilisi omadusi ja korrosioonikindlust.
Joonis 3. Roostevabast terasplaadi lasersügavkeevituse ajal läbistava võtmeaugu ja sulavanni moodustumise simulatsiooni tulemused.
Sulavanni termodünaamiliste omaduste parandamiseks, keevituskvaliteedi parandamiseks ja keevitusdefektide vähendamiseks on välja pakutud rida optimeerimismeetodeid ja -meetmeid. Näiteks laserparameetrite, näiteks laseri võimsuse, keevituskiiruse, täpi läbimõõdu jne reguleerimise abil saab muuta laseri energia sisendrežiimi ja jaotust, et optimeerida sulavanni temperatuurivälja ja jahutuskiirust. Lisaks saab sulavanni termodünaamilist käitumist ja mikrostruktuuri arengut reguleerida eelsoojenduse, järelsoojenduse, mitmekäigulise keevitamise ja muude protsessimeetodite abil, samuti erinevate kaitsegaaside ja keevitusatmosfääride abil. Samal ajal on uute keevitusmaterjalide ja sulamisüsteemide väljatöötamine materjalide termilise stabiilsuse ja keevitusomaduste parandamiseks samuti üks olulisi viise sulavanni termodünaamiliste omaduste parandamiseks.
Laserkeevitusbasseini omadused on peamised tegurid, mis mõjutavad keevituse kvaliteeti, mikrostruktuuri ja mehaanilisi omadusi. Laserkeevitusbasseini geomeetria ja termodünaamiliste omaduste põhjalik uurimine on väga oluline laserkeevitusprotsessi optimeerimiseks ning keevituse efektiivsuse ja kvaliteedi parandamiseks. Tänu suurele hulgale eksperimentaalsetele uuringutele ja numbrilisele simulatsioonianalüüsile on teadlased saavutanud rea olulisi uurimistulemusi, mis pakuvad tugevat teoreetilist tuge ja tehnilist juhendamist laserkeevitustehnoloogia arendamiseks ja rakendamiseks. Praeguses uurimistöös on aga endiselt mõningaid puudusi, näiteks mudeli lihtsustamine ja liiga paljud eeldused ning sulamisbasseini omaduste ennustamine keerulistes töötingimustes ei ole piisavalt täpne. Süstemaatilised ja põhjalikud eksperimentaalsed uuringud vajavad täiustamist ning puuduvad põhjalikud uuringud rohkemate materjalide ja keevitusparameetrite kohta.
Postituse aeg: 28. veebruar 2025
