Zavarivanje laserskim snopom, sa svojom velikom brzinom, visokom preciznošću i beskontaktnim karakteristikama, široko se primjenjuje u oblastima kao što su automobili, vazduhoplovstvo i elektronski uređaji, posebno pokazujući jedinstvene prednosti u spajanju različitih materijala. Međutim, pukotine pri skrućivanju (Solidifikacijsko pucanje) nastale tokom procesa zavarivanja jedan su od ključnih defekata koji ograničavaju njegovu industrijsku primjenu. Ove pukotine se obično javljaju na kraju skrućivanja u zoni taljenja (Fusion Zone), izazvane kombinovanim efektima termičkog naprezanja, skupljanja pri skrućivanju i tečnog filma na granicama zrna, značajno smanjujući mehanička svojstva i vijek trajanja spoja od zamora.
1. Mehanizam formiranja
Osnovni mehanizam pukotina pri skrućivanju leži u zaostalom tekućem filmu na granicama zrna na kraju skrućivanja. Tokom procesa skrućivanja, rastopljeni sloj je podijeljen u tri zone: zonu slobodne tekućine, zonu ograničene tekućine i zonu čvrste tvari, kao što je prikazano na Slici 1. U zoni ograničene tekućine, protok tekućine je blokiran i ne može kompenzirati naprezanje generirano skupljanjem pri skrućivanju, što rezultira razdvajanjem granica zrna. Odnos energije granice zrna (γgb) i energije međufaze čvrsto-tekućina (γsl) određuje stabilnost tekućeg filma: ako je γgb < 2γsl, tekući film je nestabilan i dolazi do koalescencije zrna; obrnuto, tekući film je stabilan i sklon je nastanku pukotina.
Nadalje, formiranje pukotina pri skrućivanju također je povezano s metalurškim svojstvima materijala. Različiti materijali imaju različite karakteristike skrućivanja, kao što su temperaturni raspon skrućivanja, brzina skupljanja pri skrućivanju i raspodjela elemenata legure itd. Ove karakteristike utječu na osjetljivost pukotina. Na primjer, kod materijala koji sadrže veliku količinu eutektičkih faza niske tačke topljenja, osjetljivost pukotina pri skrućivanju je veća jer su ove eutektičke faze sklone formiranju kontinuiranih tečnih filmova tokom skrućivanja, čime se intenzivira formiranje pukotina.
Tokomproces laserskog zavarivanjaParametri zavarivanja poput snage lasera, brzine zavarivanja i veličine tačke također utječu na formiranje pukotina pri skrućivanju. Ovi parametri utječu na unos topline i temperaturni gradijent tokom procesa zavarivanja, čime se mijenja struktura skrućivanja i morfologija zrna. Na primjer, veća snaga lasera i niža brzina zavarivanja rezultiraju većim unosom topline i sporijom brzinom hlađenja, što potiče rast stupčastih kristala i povećava osjetljivost na pukotine. Suprotno tome, niža snaga lasera i veća brzina zavarivanja dovode do manjeg unosa topline i brže brzine hlađenja, olakšavajući formiranje kristala s jednakom osom i smanjujući osjetljivost na pukotine.
2. Mjere suzbijanja
Za efikasno suzbijanje pukotina uzrokovanih skrućivanjem ulasersko zavarivanjeIstraživači su predložili različite strategije, koje se uglavnom fokusiraju na kontrolu strukture zrna, optimizaciju parametara zavarivanja i poboljšanje svojstava materijala. Rafiniranjem strukture zrna može se povećati broj granica zrna i smanjiti koncentracija napona, čime se smanjuje stvaranje pukotina. Studije su pokazale da se korištenjem tehnologije oscilacije laserskog snopa, stupčasti kristali mogu transformirati u fine kristale s jednakom dužinom opterećenja bez dodavanja drugih materijala. Oscilacija laserskog snopa može raspršiti lasersku energiju, uzrokujući turbulenciju u rastopljenom bazenu, čime se prekida smjer rasta stupčastih kristala i potiče stvaranje kristala s jednakom dužinom opterećenja, kao što je prikazano na slici 3. Osim toga, oscilacija laserskog snopa može povećati širinu rastopljenog bazena, smanjiti temperaturni gradijent i produžiti vrijeme skrućivanja rastopljenog bazena, što pogoduje difuziji rastvorenih tvari i obnavljanju tekućih filmova, čime se značajno smanjuje osjetljivost pukotina pri skrućivanju.
Raspodjela tečnih filmova na granicama zrna pod različitim oblicima bazena.
Shematski dijagram rastopljene kupke za zavarivanje, a, b) bez oscilacije, c, d) bočna oscilacija, e, f) uzdužna oscilacija, g, h) obodna oscilacija.
Poredlaserski snopTehnologija oscilacija, korištenjem dvostrukih laserskih izvora, također je jedna od efikasnih metoda za suzbijanje pukotina pri skrućivanju. Dvostruki laserski izvori mogu postići transformaciju iz stupčastih kristala u kristale s jednakom osom optimizacijom termičkog ciklusa, čime se smanjuje veličina zrna i koncentracija naprezanja. Na primjer, kada se koristi CO₂ laser kao glavni izvor topline i Nd:YAG pulsirajući laser kao pomoćni izvor topline, tokom zavarivanja može se formirati optimizirani termički ciklus, što potiče stvaranje kristala s jednakom osom i smanjuje osjetljivost pukotina pri skrućivanju, kao što je prikazano na slici 4.
Optimizacija parametara zavarivanja je također važno sredstvo za suzbijanje pukotina pri skrućivanju. Podešavanjem parametara kao što su snaga lasera, brzina zavarivanja i veličina tačke, mogu se kontrolisati unos toplote i temperaturni gradijent tokom procesa zavarivanja, čime se utiče na strukturu skrućivanja i morfologiju zrna. Studije su pokazale da predgrijavanje može smanjiti brzinu hlađenja, podstaći stvaranje kristala sa jednakom dužinom osi i time smanjiti osjetljivost pukotina pri skrućivanju, kao što je prikazano na slici 5. Pored toga, metode poput korištenja pulsirajućeg laserskog zavarivanja i povećanja brzine zavarivanja također mogu postići transformaciju iz stubastih kristala u kristale sa jednakom dužinom osi promjenom unosa toplote i brzine hlađenja, čime se smanjuje osjetljivost pukotina.
Slika 5. a) Nezagrijana, b) Zrna s jednakom dužinom prethodno zagrijana na 300°C.
Prilikom zavarivanja različitih materijala laserima, zbog značajnih razlika u fizičkim i hemijskim svojstvima između materijala, skloni su stvaranju krhkih intermetalnih spojeva, koji su jedan od glavnih uzroka pukotina pri skrućivanju. Stoga je podešavanje parametara i postavki lasera radi smanjenja stvaranja ili količine intermetalnih spojeva također važna strategija za suzbijanje pukotina pri skrućivanju. Na primjer, kod laserskog zavarivanja različitih materijala bakra i aluminija, kontroliranjem pomaka laserskog snopa i brzine zavarivanja, omjer miješanja bakra i aluminija u rastopljenom sloju može se smanjiti, čime se smanjuje stvaranje krhkih intermetalnih spojeva i smanjuje osjetljivost pukotina. Osim toga, korištenje dodatnih materijala također može poboljšati performanse zavarenog spoja i smanjiti stvaranje pukotina. Dodatni materijali mogu smanjiti stvaranje intermetalnih spojeva promjenom sastava i mikrostrukture zavarenog spoja i poboljšati žilavost zavarenog spoja.
Pukotine usljed skrućivanja su jedan od uobičajenih defekata u procesima laserskog zavarivanja. Mehanizam njihovog nastanka je složen i uključuje interakciju više faktora kao što su toplota, mehanika i metalurgija. Dubinskim proučavanjem mehanizma nastanka pukotina usljed skrućivanja može se pružiti teorijska osnova za suzbijanje pukotina. Posljednjih godina, istraživači su predložili različite strategije za suzbijanje pukotina usljed skrućivanja, koje se uglavnom fokusiraju na kontrolu strukture zrna, optimizaciju parametara zavarivanja i poboljšanje svojstava materijala. Praksa je dokazala da ove strategije mogu efikasno smanjiti osjetljivost pukotina usljed skrućivanja do određene mjere i poboljšati kvalitet i pouzdanost laserskog zavarivanja. Međutim, zbog složenosti i raznolikosti procesa laserskog zavarivanja, još uvijek postoje neki nedostaci u trenutnim istraživanjima. Na primjer, za mehanizme inhibicije pukotina usljed skrućivanja pod različitim materijalima i uslovima zavarivanja, potrebna su daljnja dublja istraživanja.
Vrijeme objave: 20. mart 2025.
