În industria prelucrătoare modernă,tehnologia de sudură cu lasereste utilizată pe scară largă în diverse domenii, de la industria aerospațială la producția de automobile, de la echipamente electronice la dispozitive medicale, având avantajele sale de eficiență ridicată, precizie și adaptabilitate. Nucleul acestei tehnologii constă în interacțiunea laserului cu materialul, formând o baie de sudură topită și solidificându-se rapid, permițând astfel conectarea pieselor metalice. Baia de sudură este o zonă cheie în sudarea cu laser, iar caracteristicile sale determină direct calitatea sudării, microstructura și performanța finală. Prin urmare, înțelegerea aprofundată și controlul precis al caracteristicilor băii de sudură topită sunt de o importanță vitală pentru a îmbunătăți nivelul tehnologiei de sudură cu laser și a satisface nevoile de îmbinări sudate de înaltă calitate în producția industrială.
Geometria bazinului topit
Geometria băii de metal topit este un aspect important în cercetarea sudării cu laser, deoarece afectează direct transferul de căldură, fluxul de material și calitatea finală a sudării în timpul procesului de sudare. Forma unei băi de metal topit este de obicei descrisă de adâncimea, lățimea, raportul de aspect, geometria zonei afectate termic (HAZ), geometria găurii de cheie și geometria zonei de metal topit (MMA). Acești parametri nu numai că determină dimensiunea și forma îmbinării sudate, dar afectează și ciclul termic, viteza de răcire și formarea microstructurii în timpul procesului de sudare.
Tabelul 1. Influența parametrilor de sudare cu laser asupra parametrilor geometrici ai fiecărei băi de sudură.
Cercetările arată că puterea laserului și viteza de sudare sunt cei doi parametri principali ai procesului care afectează geometria băii de sudură, așa cum se arată în Tabelul 1. În general, pe măsură ce puterea laserului crește și viteza de sudare scade, adâncimea băii de sudură crește, în timp ce lățimea se modifică relativ puțin. Acest lucru se datorează faptului că o putere laser mai mare este capabilă să furnizeze mai multă energie, permițând materialului să se topească și să se evapore mai rapid, rezultând găuri și băi mai adânci, așa cum se arată în Figura 1. Cu toate acestea, atunci când puterea laserului este prea mare sau viteza de sudare este prea mică, poate duce la supraîncălzirea materialului, evaporare excesivă și chiar efect de ecranare cu plasmă, ceea ce va reduce calitatea sudării. Prin urmare, în procesul de sudare propriu-zis, este necesar să se selecteze în mod rezonabil puterea laserului și viteza de sudare în funcție de caracteristicile specifice ale materialului și de cerințele de sudare, pentru a obține geometria ideală a băii de sudură.
Figura 1. Diferite forme de sudură formate prin sudarea prin conducție termică cu laser și sudarea cu penetrare profundă cu laser.
Pe lângă puterea laserului și viteza de sudare, proprietățile fizico-termice ale materialului, starea suprafeței, gazul protector și alți factori vor avea, de asemenea, un impact asupra geometriei băii de sudură. De exemplu, cu cât conductivitatea termică a materialului este mai mare, cu atât transferul de căldură prin material este mai rapid și cu atât viteza de răcire a băii de material topit este mai rapidă, ceea ce poate duce la o dimensiune relativ mică a băii de material topit. Rugozitatea suprafeței și curățenia materialului vor afecta rata de absorbție a laserului și, ulterior, vor afecta formarea și stabilitatea băii de material topit. În plus, tipul și debitul gazului protector vor avea, de asemenea, un anumit impact asupra formei și calității băii de material topit. Gazul protector adecvat poate preveni eficient oxidarea și poluarea băii de material topit, dar poate, de asemenea, ajusta tensiunea superficială și caracteristicile de curgere ale băii de material topit, astfel încât să se îmbunătățească calitatea sudării.
Figura 2. Forma băii de material topit atunci când laserul oscilează.
Prin schimbarea traiectoriei fasciculului laser, oscilația laserului poate afecta semnificativ forma și caracteristicile băii de material topit, așa cum se arată în Figura 2. Pe măsură ce fasciculul laser oscilează, forma băii de material topit devine mai uniformă și mai stabilă. Fasciculul laser oscilant creează o zonă încălzită mai largă pe suprafața băii, făcând marginile acesteia mai netede și reducând muchiile ascuțite și formele neregulate. Această încălzire uniformă ajută la îmbunătățirea calității și a proprietăților mecanice ale îmbinării sudate și la reducerea defectelor de sudare, cum ar fi fisurile și porii. În plus, oscilația laserului poate crește, de asemenea, fluiditatea băii de material topit, poate promova evacuarea gazelor și a impurităților în baia de material topit și poate îmbunătăți în continuare densitatea și uniformitatea îmbinării sudate.
Dinamica bazinului topit
Termodinamica băii de material topit este un alt domeniu cheie în cercetarea sudării cu laser, care implică absorbția, transferul și conversia energiei laser în baia de material topit, precum și distribuția câmpului de temperatură, viteza de răcire și comportamentul de tranziție de fază cauzat de aceasta. Caracteristicile termodinamice ale băii de sudură nu numai că determină forma și dimensiunea acesteia, dar afectează direct și microstructura și proprietățile mecanice ale îmbinării sudate.
În procesul de sudare cu laser, după ce energia laser este absorbită de material, aceasta va produce o zonă cu temperatură ridicată în baia de material topit, provocând topirea și evaporarea materialului. În același timp, căldura va fi transferată din regiunea de temperatură ridicată în regiunea de temperatură scăzută prin conducție termică, convecție și radiație, astfel încât temperatura materialului din jurul băii de material topit va crește și va afecta microstructura și proprietățile materialului. Din cauza dimensiunilor mici, a gradientului mare de temperatură și a vitezei rapide de răcire a băii de material topit, este foarte dificil să se măsoare direct câmpul de temperatură și viteza de răcire. Prin urmare, majoritatea studiilor sunt efectuate pentru a studia proprietățile termodinamice ale băilor de material topit prin stabilirea de modele matematice și metode de simulare numerică.
În modelul termodinamic al băii de material topit, trebuie de obicei luați în considerare următorii factori cheie: În primul rând, mecanismul de absorbție a energiei laser, inclusiv caracteristicile de reflexie, absorbție și transmisie ale suprafeței materialului și procesul de împrăștiere și absorbție a laserului în interiorul materialului. Diferite materiale și parametri laser vor duce la rate de absorbție și distribuții de energie diferite, ceea ce va afecta comportamentul termodinamic al băii de material topit. În al doilea rând, proprietățile fizice termice ale materialului, cum ar fi capacitatea termică specifică, conductivitatea termică, densitatea etc., acești parametri se vor modifica odată cu schimbarea temperaturii, ceea ce are un impact important asupra procesului de transfer de căldură. În plus, este necesar să se ia în considerare și procesele de curgere a fluidului și de schimbare de fază în baia de material topit, cum ar fi topirea, evaporarea și solidificarea, care vor schimba forma și distribuția câmpului de temperatură al băii de material topit, dar vor afecta și microstructura și proprietățile mecanice ale materialului.
Prin simulare numerică și studiu experimental, cercetătorii au descoperit că distribuția câmpului de temperatură în baia de topitură prezintă de obicei o neuniformitate semnificativă, zona cu temperatură ridicată fiind concentrată în principal în zona de acțiune a laserului și în gaura cheii, iar temperatura scade treptat spre marginea băii de topitură și zona afectată termic. Viteza de răcire crește odată cu scăderea dimensiunii băii de topitură și creșterea distanței față de zona laserului. În general, viteza de răcire este mai mică în centrul băii de topitură și în zona gaurii cheii, în timp ce viteza de răcire este mai mare la marginea băii de topitură și în zona afectată termic, așa cum se arată în Figura 2. Această distribuție neuniformă a câmpului de temperatură și a vitezei de răcire va duce la modificări evidente ale gradientului în microstructura îmbinării sudate, cum ar fi dimensiunea granulelor, compoziția și distribuția fazelor, ceea ce va afecta proprietățile mecanice și rezistența la coroziune a îmbinării sudate.
Figura 3. Rezultatele simulării formării găurilor de cheie și a băilor topite în timpul sudării cu penetrare profundă cu laser a plăcii de oțel inoxidabil.
Pentru a îmbunătăți caracteristicile termodinamice ale băii de material topit, a îmbunătăți calitatea sudării și a reduce defectele de sudare, au fost propuse o serie de metode și măsuri de optimizare. De exemplu, prin ajustarea parametrilor laserului, cum ar fi puterea laserului, viteza de sudare, diametrul punctului etc., modul de intrare și distribuția energiei laser pot fi modificate pentru a optimiza câmpul de temperatură și viteza de răcire a băii de material topit. În plus, comportamentul termodinamic și evoluția microstructurii băii de material topit pot fi ajustate prin utilizarea preîncălzirii, post-încălzirii, sudării în mai multe treceri și a altor metode de proces, precum și prin utilizarea diferitelor gaze de protecție și atmosfere de sudare. În același timp, dezvoltarea de noi materiale de sudare și sisteme de aliaje pentru a îmbunătăți stabilitatea termică și performanța de sudare a materialelor este, de asemenea, una dintre modalitățile importante de îmbunătățire a caracteristicilor termodinamice ale băilor de material topit.
Caracteristicile băii de sudare cu laser sunt factorii cheie care afectează calitatea sudării, microstructura și proprietățile mecanice. Studiul aprofundat al geometriei și caracteristicilor termodinamice ale băii de sudare cu laser este de mare importanță pentru optimizarea procesului de sudare cu laser și îmbunătățirea eficienței și calității sudării. Printr-un număr mare de cercetări experimentale și analize de simulare numerică, cercetătorii au obținut o serie de rezultate importante, care oferă un suport teoretic solid și îndrumări tehnice pentru dezvoltarea și aplicarea tehnologiei de sudare cu laser. Cu toate acestea, există încă unele deficiențe în cercetările actuale, cum ar fi simplificarea modelului și prea multe ipoteze, iar predicția caracteristicilor băii de topitură în condiții de lucru complexe nu este suficient de precisă. Cercetările experimentale sistematice și cuprinzătoare trebuie îmbunătățite, existând o lipsă de cercetări aprofundate asupra mai multor materiale și parametri de sudare.
Data publicării: 28 februarie 2025
