Lasersvetsning, med sin höga hastighet, höga precision och beröringsfria egenskaper, används i stor utsträckning inom områden som bilar, flyg- och rymdteknik och elektroniska apparater, och visar särskilt unika fördelar vid sammanfogning av olika material. Stelningssprickor (Solidification Cracking) som genereras under svetsprocessen är dock en av de viktigaste defekterna som begränsar dess industriella tillämpning. Dessa sprickor uppstår vanligtvis i slutet av stelningen i smältzonen (Fusion Zone), utlösta av de kombinerade effekterna av termisk stress, stelningskrympning och vätskefilmen på korngränserna, vilket avsevärt minskar fogens mekaniska egenskaper och utmattningslivslängd.
1. Bildningsmekanism
Kärnmekanismen för stelningssprickor ligger i den kvarvarande vätskefilmen vid korngränserna i slutet av stelningen. Under stelningsprocessen delas den smälta poolen in i tre zoner: den fria vätskezonen, den begränsade vätskezonen och den fasta zonen, såsom visas i figur 1. I den begränsade vätskezonen blockeras vätskeflödet och kan inte kompensera för den spänning som genereras av stelningskrympning, vilket resulterar i korngränsseparation. Förhållandet mellan korngränsenergi (γgb) och gränssnittsenergin mellan fast och vätska (γsl) bestämmer vätskefilmens stabilitet: om γgb < 2γsl är vätskefilmen instabil och kornkoalescens sker; omvänt är vätskefilmen stabil och sprickinitiering är benägen att inträffa.
Dessutom är bildandet av stelningssprickor också relaterat till materialens metallurgiska egenskaper. Olika material har distinkta stelningsegenskaper, såsom stelningstemperaturintervall, stelningskrympningshastighet och fördelningen av legeringselement, etc. Dessa egenskaper påverkar sprickornas känslighet. Till exempel, i material som innehåller en stor mängd eutektiska faser med låg smältpunkt, är känsligheten för stelningssprickor högre eftersom dessa eutektiska faser är benägna att bilda kontinuerliga vätskefilmer under stelningen, vilket intensifierar sprickbildningen.
UnderlasersvetsningsprocessSvetsparametrar som lasereffekt, svetshastighet och punktstorlek har också en inverkan på bildandet av stelningssprickor. Dessa parametrar påverkar värmetillförseln och temperaturgradienten under svetsprocessen, vilket förändrar stelningsstrukturen och kornmorfologin. Till exempel resulterar högre lasereffekt och lägre svetshastighet i större värmetillförsel och långsammare kylningshastighet, vilket främjar tillväxten av kolumnära kristaller och ökar sprickkänsligheten. Omvänt leder lägre lasereffekt och högre svetshastighet till mindre värmetillförsel och snabbare kylningshastighet, vilket underlättar bildandet av likaxliga kristaller och minskar sprickkänsligheten.
2. Åtgärder mot undertryckande
För att effektivt undertrycka stelningssprickorna ilasersvetsning, har forskare föreslagit olika strategier, som huvudsakligen fokuserar på att kontrollera kornstrukturen, optimera svetsparametrarna och förbättra materialegenskaperna. Genom att förfina kornstrukturen kan antalet korngränser ökas och spänningskoncentrationen minskas, vilket minskar sprickbildningen. Studier har visat att genom att använda laserstråloscillationsteknik kan kolumnära kristaller omvandlas till fina likaxliga kristaller utan att tillsätta andra material. Laserstråloscillation kan sprida laserenergi, vilket får smältbadet att generera turbulens, vilket bryter tillväxtriktningen för kolumnära kristaller och främjar bildandet av likaxliga kristaller, såsom visas i figur 3. Dessutom kan laserstråloscillation också öka bredden på smältbadet, minska temperaturgradienten och förlänga stelningstiden för smältbadet, vilket bidrar till diffusion av lösta ämnen och påfyllning av vätskefilmer, vilket avsevärt minskar känsligheten för stelningssprickor.
Fördelning av korngränsvätskefilmer under olika poolformer.
Schematisk bild av svetssmältan, a, b) utan oscillation, c, d) sidooscillation, e, f) longitudinell oscillation, g, h) omkretsoscillation.
Utöver denlaserstråleMed oscillationsteknik är användning av dubbla laserkällor också en effektiv metod för att undertrycka stelningssprickor. Dubbla laserkällor kan uppnå omvandlingen från kolumnära kristaller till likaxliga kristaller genom att optimera den termiska cykeln, vilket minskar kornstorleken och töjningskoncentrationen. Till exempel, när man använder CO₂-laser som huvudvärmekälla och Nd:YAG-pulslaser som hjälpvärmekälla, kan en optimerad termisk cykel skapas under svetsning, vilket främjar bildandet av likaxliga kristaller och minskar känsligheten för stelningssprickor, såsom visas i figur 4.
Att optimera svetsparametrar är också ett viktigt sätt att undertrycka stelningssprickor. Genom att justera parametrar som lasereffekt, svetshastighet och punktstorlek kan värmeinmatningen och temperaturgradienten under svetsprocessen kontrolleras, vilket påverkar stelningsstrukturen och kornmorfologin. Studier har visat att förvärmningsbehandling kan minska kylningshastigheten, främja bildandet av likaxliga kristaller och därigenom minska känsligheten hos stelningssprickor, såsom visas i figur 5. Dessutom kan metoder som att använda pulserad lasersvetsning och öka svetshastigheten också uppnå omvandlingen från kolumnära kristaller till likaxliga kristaller genom att ändra värmeinmatningen och kylningshastigheten, vilket minskar sprickkänsligheten.
Figur 5. a) Ouppvärmda, b) 300°C förvärmda likaxlade korn.
Vid svetsning av olika material med lasrar, på grund av de betydande skillnaderna i fysikaliska och kemiska egenskaper mellan materialen, är det benäget att bilda spröda intermetalliska föreningar, vilket är en av de främsta orsakerna till stelningssprickor. Därför är det också en viktig strategi att justera laserparametrar och inställningar för att minska bildandet eller mängden intermetalliska föreningar för att undertrycka stelningssprickor. Till exempel, vid lasersvetsning av olika koppar-aluminiummaterial, genom att kontrollera laserstrålens förskjutning och svetshastigheten, kan blandningsförhållandet mellan koppar och aluminium i smältbadet minskas, vilket minskar bildandet av spröda intermetalliska föreningar och sprickkänsligheten. Dessutom kan användning av tillsatsmaterial också förbättra svetsfogens prestanda och minska sprickbildningen. Tillsatsmaterial kan minska bildandet av intermetalliska föreningar genom att ändra svetsfogens sammansättning och mikrostruktur och förbättra svetsfogens seghet.
Stelningssprickor är en av de vanligaste defekterna i lasersvetsprocesser. Deras bildningsmekanism är komplex och involverar samspelet mellan flera faktorer såsom värme, mekanik och metallurgi. Genom att djupgående studera bildningsmekanismen för stelningssprickor kan en teoretisk grund läggas för att undertrycka sprickor. Under senare år har forskare föreslagit olika strategier för att undertrycka stelningssprickor, vilka huvudsakligen fokuserar på att kontrollera kornstrukturen, optimera svetsparametrar och förbättra materialegenskaperna. Praktiken har visat att dessa strategier effektivt kan minska känsligheten hos stelningssprickor i viss mån och förbättra kvaliteten och tillförlitligheten hos lasersvetsning. På grund av lasersvetsprocessens komplexitet och mångfald finns det dock fortfarande vissa brister i aktuell forskning. Till exempel, för att hämma stelningssprickor under olika material och svetsförhållanden behövs ytterligare djupgående forskning.
Publiceringstid: 20 mars 2025
