Inom modern tillverkning,lasersvetsningsteknikanvänds ofta inom olika områden, från flyg- och rymdteknik till fordonstillverkning, från elektronisk utrustning till medicintekniska apparater, med sina fördelar i form av hög effektivitet, precision och anpassningsförmåga. Kärnan i denna teknik är laserns interaktion med materialet, vilket bildar en smältbassäng som snabbt stelnar, vilket möjliggör sammanfogning av metalldelar. Smältbassängen är ett nyckelområde inom lasersvetsning, och dess egenskaper avgör direkt svetskvaliteten, mikrostrukturen och slutprestanda. Därför är djupgående förståelse och exakt kontroll av smältbassängens egenskaper av avgörande betydelse för att förbättra nivån på lasersvetstekniken och möta behoven av högkvalitativa svetsförband i industriell produktion.
Smält poolgeometri
Smältbadets geometri är en viktig aspekt inom lasersvetsforskning, eftersom den direkt påverkar värmeöverföringen, materialflödet och den slutliga svetskvaliteten under svetsprocessen. Formen på ett smältbad beskrivs vanligtvis av dess djup, bredd, sidförhållande, geometri för värmepåverkad zon (HAZ), geometri för nyckelhål och geometri för smältmetallzon (MMA). Dessa parametrar bestämmer inte bara storleken och formen på den svetsade fogen, utan påverkar också den termiska cykeln, kylningshastigheten och mikrostrukturbildningen under svetsprocessen.
Tabell 1. Inverkan av lasersvetsparametrar på de geometriska parametrarna för varje smältbad.
Forskningen visar att lasereffekt och svetshastighet är de två huvudsakliga processparametrarna som påverkar smältbadets geometri, vilket visas i tabell 1. Generellt sett, när lasereffekten ökar och svetshastigheten minskar, ökar smältbadets djup, medan bredden förändras relativt lite. Detta beror på att högre lasereffekt kan ge mer energi, vilket gör att materialet smälter och avdunstar snabbare, vilket resulterar i djupare nyckelhål och pölar, vilket visas i figur 1. Men när lasereffekten är för hög eller svetshastigheten är för låg kan det leda till överhettning av materialet, överdriven avdunstning och till och med plasmaskärmningseffekt, vilket minskar svetskvaliteten. Därför är det i själva svetsprocessen nödvändigt att rimligt välja lasereffekt och svetshastighet i enlighet med de specifika materialegenskaperna och svetskraven för att uppnå den ideala smältbadsgeometrin.
Figur 1. Olika svetsformer bildade genom laservärmeledningssvetsning och laserdjupsvetsning.
Förutom lasereffekt och svetshastighet kommer materialets termiska fysikaliska egenskaper, yttillstånd, skyddsgas och andra faktorer också att påverka smältbadets geometri. Till exempel, ju högre materialets värmeledningsförmåga är, desto snabbare går värmeöverföringen genom materialet och desto snabbare blir kylningshastigheten för smältbadet, vilket kan resultera i en relativt liten smältstorlek. Materialets ytjämnhet och renhet påverkar laserns absorptionshastighet och påverkar sedan smältbadets bildning och stabilitet. Dessutom kommer skyddsgasens typ och flödeshastighet att ha en viss inverkan på smältbadets form och kvalitet. Lämplig skyddsgas kan effektivt förhindra oxidation och förorening av smältbadet, men kan också justera smältbadets ytspänning och flödesegenskaper för att förbättra svetskvaliteten.
Figur 2. Formen på smältan när lasern svänger.
Genom att ändra laserstrålens bana kan laserns wobbling avsevärt påverka smältbadets form och egenskaper, vilket visas i figur 2. När laserstrålen wobblar blir smältbadets form mer enhetlig och stabil. Den oscillerande laserstrålen skapar ett bredare uppvärmt område på badets yta, vilket gör badets kanter jämnare och minskar vassa kanter och oregelbundna former. Denna enhetliga uppvärmning bidrar till att förbättra svetsfogens kvalitet och mekaniska egenskaper och minska svetsfel som sprickor och porer. Dessutom kan lasersvängningen också öka smältbadets flytförmåga, främja utsläpp av gaser och föroreningar i smältbadet och ytterligare förbättra densiteten och enhetligheten hos svetsfogen.
Smältbassängens dynamik
Termodynamik i smältbad är ett annat viktigt område inom lasersvetsforskning, vilket involverar absorption, överföring och omvandling av laserenergi i smältbadet, såväl som temperaturfältsfördelning, kylningshastighet och fasövergångsbeteende som orsakas av detta. De termodynamiska egenskaperna hos smältbadet bestämmer inte bara formen och storleken på smältbadet, utan påverkar också direkt mikrostrukturen och de mekaniska egenskaperna hos den svetsade fogen.
Vid lasersvetsning, efter att laserenergin har absorberats av materialet, kommer det att skapa ett högtemperaturområde i smältbassängen, vilket får materialet att smälta och avdunsta. Samtidigt kommer värme att överföras från högtemperaturområdet till lågtemperaturområdet genom värmeledning, konvektion och strålning, så att temperaturen på materialet runt smältbassängen ökar, vilket sedan påverkar materialets mikrostruktur och egenskaper. På grund av smältbassängens lilla storlek, stora temperaturgradient och snabba kylningshastighet är det mycket svårt att mäta temperaturfältet och kylningshastigheten direkt. Därför genomförs de flesta studier för att studera de termodynamiska egenskaperna hos smältbassänger genom att etablera matematiska modeller och numeriska simuleringsmetoder.
I den termodynamiska modellen av smältbad behöver följande nyckelfaktorer vanligtvis beaktas: För det första, absorptionsmekanismen för laserenergi, inklusive reflektions-, absorptions- och transmissionsegenskaper hos materialets yta, och spridnings- och absorptionsprocessen för lasern inuti materialet. Olika material och laserparametrar leder till olika absorptionshastigheter och energifördelningar, vilket påverkar smältbadets termodynamiska beteende. För det andra, materialets termiska fysikaliska egenskaper, såsom specifik värmekapacitet, värmeledningsförmåga, densitet etc., kommer att förändras med temperaturförändringar, vilket har en viktig inverkan på värmeöverföringsprocessen. Dessutom är det också nödvändigt att beakta vätskeflödet och fasförändringsprocesserna i smältbadet, såsom smältning, avdunstning och stelning, vilket kommer att förändra formen och temperaturfältsfördelningen hos smältbadet, men också påverka materialets mikrostruktur och mekaniska egenskaper.
Genom numerisk simulering och experimentell studie fann forskarna att temperaturfältsfördelningen i smältbadet vanligtvis uppvisar en betydande ojämnhet, området med hög temperatur är huvudsakligen koncentrerat till laserns aktionsområde och nyckelhålet, och temperaturen minskar gradvis till kanten av smältbadet och den värmepåverkade zonen. Kylningshastigheten ökar med minskande smältbadsstorlek och ökande avstånd från laserområdet. Generellt sett är kylningshastigheten lägre i mitten av smältbadet och nyckelhålsområdet, medan kylningshastigheten är högre vid kanten av smältbadet och den värmepåverkade zonen, såsom visas i figur 2. Denna ojämna temperaturfälts- och kylningshastighetsfördelning kommer att leda till tydliga gradientförändringar i svetsfogens mikrostruktur, såsom kornstorlek, fassammansättning och fördelning, vilket kommer att påverka svetsfogens mekaniska egenskaper och korrosionsbeständighet.
Figur 3. Simuleringsresultat av bildning av nyckelhål och smältbad under laserdjupsvetsning av rostfri stålplåt.
För att förbättra smältbadets termodynamiska egenskaper, förbättra svetskvaliteten och minska svetsfel har en rad optimeringsmetoder och åtgärder föreslagits. Genom att justera laserparametrar, såsom lasereffekt, svetshastighet, punktdiameter etc., kan ingångsläget och distributionen av laserenergi ändras för att optimera smältbadets temperaturfält och kylningshastighet. Dessutom kan smältbadets termodynamiska beteende och mikrostrukturutveckling justeras genom att använda förvärmning, eftervärmning, flerpasssvetsning och andra processmetoder, samt genom att använda olika skyddsgaser och svetsatmosfärer. Samtidigt är utvecklingen av nya svetsmaterial och legeringssystem för att förbättra materialens termiska stabilitet och svetsprestanda också ett av de viktiga sätten att förbättra smältbadets termodynamiska egenskaper.
Lasersvetsbassängens egenskaper är de viktigaste faktorerna som påverkar svetskvaliteten, mikrostrukturen och de mekaniska egenskaperna. En djupgående studie av lasersvetsbassängens geometri och termodynamiska egenskaper är av stor betydelse för att optimera lasersvetsprocessen och förbättra svetseffektiviteten och kvaliteten. Genom ett stort antal experimentella studier och numeriska simuleringsanalyser har forskare uppnått en rad viktiga forskningsresultat, som ger ett starkt teoretiskt stöd och teknisk vägledning för utveckling och tillämpning av lasersvetsteknik. Det finns dock fortfarande vissa brister i den nuvarande forskningen, såsom förenkling av modellen och för många antaganden, och förutsägelsen av smältbassängens egenskaper under komplexa arbetsförhållanden är inte tillräckligt noggrann. Den systematiska och omfattande experimentella forskningen behöver förbättras, och det saknas djupgående forskning om fler material och svetsparametrar.
Publiceringstid: 28 februari 2025
