Laserkiirega keevitamineOma suure kiiruse, suure täpsuse ja kontaktivabade omadustega kasutatakse seda laialdaselt sellistes valdkondades nagu autotööstus, lennundus ja elektroonikaseadmed, eriti erinevate materjalide ühendamisel. Keevitusprotsessi käigus tekkivad tahkumispraod (Solidification Cracking) on aga üks peamisi defekte, mis piirab selle tööstuslikku rakendamist. Need praod tekivad tavaliselt tahkumise lõpus sulamistsoonis (Fusion Zone), mille vallandavad termiline pinge, tahkumiskahanemine ja vedelkile terade piiridel, vähendades oluliselt liite mehaanilisi omadusi ja väsimuskindlust.
1. Moodustamismehhanism
Tahkumispragude põhimehhanism seisneb tahkestumise lõpus terade piiridele jäävas vedelikukiles. Tahkumisprotsessi käigus jaguneb sulavann kolmeks tsooniks: vaba vedelikutsoon, piiratud vedelikutsoon ja tahke aine tsoon, nagu on näidatud joonisel 1. Piiratud vedelikutsoonis on vedelikuvool blokeeritud ja see ei suuda kompenseerida tahkestumise kokkutõmbumisest tingitud pinget, mille tulemuseks on terade piiride eraldumine. Terade piirienergia (γgb) ja tahke-vedeliku piirpinna energia (γsl) suhe määrab vedelikukile stabiilsuse: kui γgb < 2γsl, on vedelikukile ebastabiilne ja toimub terade koalestsents; vastupidi, vedelikukile on stabiilne ja pragude teke on altid.
Lisaks on tahkumispragude teke seotud ka materjalide metallurgiliste omadustega. Erinevatel materjalidel on erinevad tahkumisomadused, näiteks tahkumistemperatuuri vahemik, tahkumiskahanemise kiirus ja sulami elementide jaotus jne. Need omadused mõjutavad pragude tundlikkust. Näiteks materjalides, mis sisaldavad suures koguses madala sulamistemperatuuriga eutektilisi faase, on tahkumispragude tundlikkus suurem, kuna need eutektilised faasid kalduvad tahkumise ajal moodustama pidevaid vedelaid kilesid, mis intensiivistavad pragude teket.
Selle aja jooksullaserkeevitusprotsessKeevitusparameetrid, nagu laseri võimsus, keevituskiirus ja täpi suurus, mõjutavad samuti tahkumispragude teket. Need parameetrid mõjutavad soojusenergia sisestamist ja temperatuurigradienti keevitusprotsessi ajal, muutes seeläbi tahkumisstruktuuri ja terade morfoloogiat. Näiteks suurem laseri võimsus ja madalam keevituskiirus põhjustavad suurema soojusenergia sisestamise ja aeglasema jahutuskiiruse, mis soodustab sammaskristallide kasvu ja suurendab pragude tundlikkust. Seevastu madalam laseri võimsus ja kõrgem keevituskiirus põhjustavad väiksema soojusenergia sisestamise ja kiirema jahutuskiiruse, soodustades võrdteljeliste kristallide moodustumist ja vähendades pragude tundlikkust.
2. Maha surumise meetmed
Tahkumispragude tõhusaks summutamisekslaserkeevitusTeadlased on pakkunud välja mitmesuguseid strateegiaid, mis keskenduvad peamiselt terastruktuuri kontrollimisele, keevitusparameetrite optimeerimisele ja materjali omaduste parandamisele. Terastruktuuri täiustamise abil saab suurendada terapiiride arvu ja vähendada pingekontsentratsiooni, vähendades seeläbi pragude teket. Uuringud on näidanud, et laserkiire võnketehnoloogia abil saab sammaskristalle muuta peeneks võrdteljeliseks kristalliks ilma muid materjale lisamata. Laserkiire võnkumine võib laserenergiat hajutada, põhjustades sulabasseinis turbulentsi, murdes seeläbi sammaskristallide kasvusuuna ja soodustades võrdteljeliste kristallide moodustumist, nagu on näidatud joonisel 3. Lisaks võib laserkiire võnkumine suurendada ka sulabasseini laiust, vähendada temperatuurigradienti ja pikendada sulabasseini tahkumisaega, mis soodustab lahustunud ainete difusiooni ja vedelate kilede taastumist, vähendades seeläbi oluliselt tahkumispragude tundlikkust.
Teraviljapiiril olevate vedelate kilede jaotus erineva kujuga basseinide all.
Keevitussulavanni skemaatiline diagramm, a, b) ilma võnkumiseta, c, d) külgvõnkumine, e, f) pikisuunaline võnkumine, g, h) ümbermõõduline võnkumine.
Lisaks sellelelaserkiirOstsillatsioonitehnoloogia, mis kasutab kahte laserallikat, on samuti üks tõhusaid meetodeid tahkumispragude summutamiseks. Kahe laserallika abil saab saavutada ülemineku sammaskristallidest võrdteljelisteks kristallideks, optimeerides termilist tsüklit, vähendades seeläbi tera suurust ja deformatsiooni kontsentratsiooni. Näiteks kui peamise soojusallikana kasutatakse CO₂ laserit ja abisoojusallikana Nd:YAG impulsslaserit, saab keevitamise ajal moodustada optimeeritud termilise tsükli, mis soodustab võrdteljeliste kristallide moodustumist ja vähendab tahkumispragude tundlikkust, nagu on näidatud joonisel 4.
Keevitusparameetrite optimeerimine on samuti oluline vahend tahkumispragude vähendamiseks. Selliste parameetrite nagu laservõimsus, keevituskiirus ja täpi suurus reguleerimise abil saab kontrollida soojussisendit ja temperatuurigradienti keevitusprotsessi ajal, mõjutades seeläbi tahkumisstruktuuri ja teramorfoloogiat. Uuringud on näidanud, et eelkuumutamine võib vähendada jahutuskiirust, soodustada võrdteljeliste kristallide moodustumist ja seeläbi vähendada tahkumispragude tundlikkust, nagu on näidatud joonisel 5. Lisaks saab selliste meetoditega nagu impulsslaserkeevituse kasutamine ja keevituskiiruse suurendamine saavutada ka ülemineku sammaskristallidest võrdteljelisteks kristallideks, muutes soojussisendit ja jahutuskiirust, vähendades seeläbi pragude tundlikkust.
Joonis 5. a) Kuumutamata, b) 300 °C eelsoojendatud ekviakseersed terad.
Erinevate materjalide laserkeevitamisel on materjalide füüsikaliste ja keemiliste omaduste oluliste erinevuste tõttu kalduvus moodustuma hapraid intermetallilisi ühendeid, mis on üks peamisi tahkumispragude põhjuseid. Seetõttu on laserparameetrite ja -sätete reguleerimine intermetalliliste ühendite tekke või hulga vähendamiseks samuti oluline strateegia tahkumispragude vähendamiseks. Näiteks vase-alumiiniumi erinevate materjalide laserkeevitamisel saab laserkiire nihke ja keevituskiiruse juhtimise abil vähendada vase ja alumiiniumi segunemissuhet sulavannis, vähendades seeläbi hapraid intermetallilisi ühendeid ja pragude tundlikkust. Lisaks saab täitematerjalide abil parandada keevisliite toimivust ja vähendada pragude teket. Täitematerjalid võivad keevisliite koostise ja mikrostruktuuri muutmise abil vähendada intermetalliliste ühendite teket ning parandada keevisliite sitkust.
Tahkumispraod on laserkeevitusprotsesside üks levinumaid defekte. Nende tekkimise mehhanism on keeruline ja hõlmab mitme teguri, näiteks kuumuse, mehaanika ja metallurgia, koostoimet. Tahkumispragude tekkimise mehhanismi põhjalik uurimine võimaldab luua teoreetilise aluse pragude summutamiseks. Viimastel aastatel on teadlased pakkunud välja mitmesuguseid strateegiaid tahkestumise pragude summutamiseks, mis keskenduvad peamiselt terastruktuuri kontrollimisele, keevitusparameetrite optimeerimisele ja materjali omaduste parandamisele. Praktika on tõestanud, et need strateegiad suudavad teatud määral tõhusalt vähendada tahkestumise pragude tundlikkust ning parandada laserkeevitusprotsessi kvaliteeti ja töökindlust. Laserkeevitusprotsessi keerukuse ja mitmekesisuse tõttu on aga praegustes uuringutes endiselt mõningaid puudujääke. Näiteks on erinevate materjalide ja keevitustingimuste korral tahkestumise pragude pärssimismehhanismide jaoks vaja täiendavaid põhjalikke uuringuid.
Postituse aeg: 20. märts 2025
