Sudare cu fascicul laser, cu viteza sa mare, precizia ridicată și caracteristicile fără contact, este aplicată pe scară largă în domenii precum automobile, industria aerospațială și dispozitivele electronice, prezentând în special avantaje unice în conectarea materialelor diferite. Cu toate acestea, fisurile de solidificare (Fisurarea prin solidificare) generate în timpul procesului de sudare sunt unul dintre defectele cheie care restricționează aplicarea sa industrială. Aceste fisuri apar de obicei la sfârșitul solidificării în zona de fuziune (Zona de fuziune), declanșate de efectele combinate ale stresului termic, contracției la solidificare și peliculei lichide pe limitele granulelor, reducând semnificativ proprietățile mecanice și durata de viață la oboseală a îmbinării.
1. Mecanismul de formare
Mecanismul principal al fisurilor de solidificare constă în pelicula lichidă reziduală de la limitele granulelor la sfârșitul solidificării. În timpul procesului de solidificare, baia topită este împărțită în trei zone: zona lichidă liberă, zona lichidă restricționată și zona solidă, așa cum se arată în Figura 1. În zona lichidă restricționată, curgerea lichidului este blocată și nu poate compensa tensiunea generată de contracția la solidificare, rezultând separarea limitelor granulelor. Raportul dintre energia limitelor granulelor (γgb) și energia interfeței solid-lichid (γsl) determină stabilitatea peliculei lichide: dacă γgb < 2γsl, pelicula lichidă este instabilă și are loc coalescența granulelor; invers, pelicula lichidă este stabilă și este probabil să apară inițierea fisurilor.
În plus, formarea fisurilor de solidificare este legată și de proprietățile metalurgice ale materialelor. Diferite materiale au caracteristici distincte de solidificare, cum ar fi intervalul de temperatură de solidificare, rata de contracție la solidificare și distribuția elementelor de aliaj etc. Aceste caracteristici influențează sensibilitatea fisurilor. De exemplu, în materialele care conțin o cantitate mare de faze eutectice cu punct de topire scăzut, sensibilitatea fisurilor de solidificare este mai mare, deoarece aceste faze eutectice sunt predispuse să formeze pelicule lichide continue în timpul solidificării, intensificând astfel formarea fisurilor.
În timpulprocesul de sudare cu laserParametrii de sudare, cum ar fi puterea laserului, viteza de sudare și dimensiunea punctului, au, de asemenea, un impact asupra formării fisurilor de solidificare. Acești parametri afectează aportul de căldură și gradientul de temperatură în timpul procesului de sudare, modificând astfel structura de solidificare și morfologia granulelor. De exemplu, o putere mai mare a laserului și o viteză mai mică de sudare duc la un aport de căldură mai mare și la o rată de răcire mai lentă, ceea ce promovează creșterea cristalelor columnare și crește sensibilitatea la fisuri. În schimb, o putere mai mică a laserului și o viteză mai mare de sudare duc la un aport de căldură mai mic și la o rată de răcire mai rapidă, facilitând formarea cristalelor echiaxiale și reducând sensibilitatea la fisuri.
2. Măsuri de suprimare
Pentru a suprima eficient fisurile de solidificare dinsudură cu laserCercetătorii au propus diverse strategii, care se concentrează în principal pe controlul structurii granulare, optimizarea parametrilor de sudare și îmbunătățirea proprietăților materialului. Prin rafinarea structurii granulare, se poate crește numărul de limite ale granulelor, iar concentrația de stres poate fi redusă, reducând astfel formarea fisurilor. Studiile au arătat că, prin utilizarea tehnologiei de oscilație a fasciculului laser, cristalele columnare pot fi transformate în cristale fine echiaxiale fără adăugarea altor materiale. Oscilația fasciculului laser poate dispersa energia laser, determinând turbulența în baia topită, întrerupând astfel direcția de creștere a cristalelor columnare și promovând formarea cristalelor echiaxiale, așa cum se arată în Figura 3. În plus, oscilația fasciculului laser poate, de asemenea, să crească lățimea băii topite, să reducă gradientul de temperatură și să prelungească timpul de solidificare a băii topite, ceea ce este propice difuziei substanțelor dizolvate și reaprovizionării peliculelor lichide, reducând astfel semnificativ sensibilitatea fisurilor de solidificare.
Distribuția peliculelor lichide la limita granulelor sub diferite forme ale bazinelor.
Schema băii de topitură prin sudură, a, b) fără oscilație, c, d) oscilație laterală, e, f) oscilație longitudinală, g, h) oscilație circumferențială.
Pe lângăfascicul laserTehnologia de oscilație, utilizând surse laser duale, este, de asemenea, una dintre metodele eficiente de suprimare a fisurilor de solidificare. Sursele laser duale pot realiza transformarea din cristale columnare în cristale echiaxiale prin optimizarea ciclului termic, reducând astfel dimensiunea granulelor și concentrația de deformare. De exemplu, atunci când se utilizează laserul CO₂ ca sursă principală de căldură și laserul pulsat Nd:YAG ca sursă auxiliară de căldură, se poate forma un ciclu termic optimizat în timpul sudării, promovând formarea cristalelor echiaxiale și reducând sensibilitatea fisurilor de solidificare, așa cum se arată în Figura 4.
Optimizarea parametrilor de sudare este, de asemenea, un mijloc important de a suprima fisurile de solidificare. Prin ajustarea parametrilor precum puterea laserului, viteza de sudare și dimensiunea punctului, se poate controla aportul de căldură și gradientul de temperatură în timpul procesului de sudare, influențând astfel structura de solidificare și morfologia granulelor. Studiile au arătat că tratamentul de preîncălzire poate reduce viteza de răcire, poate promova formarea cristalelor echiaxiale și, prin urmare, poate reduce sensibilitatea fisurilor de solidificare, așa cum se arată în Figura 5. În plus, metode precum utilizarea sudării cu laser pulsat și creșterea vitezei de sudare pot realiza, de asemenea, transformarea de la cristale columnare la cristale echiaxiale prin modificarea aportului de căldură și a vitezei de răcire, reducând astfel sensibilitatea fisurilor.
Figura 5. a) Neîncălzite, b) Granule echiaxiale preîncălzite la 300°C.
La sudarea materialelor diferite cu lasere, din cauza diferențelor semnificative în ceea ce privește proprietățile fizice și chimice dintre materiale, sunt predispuși la formarea de compuși intermetalici fragili, care reprezintă una dintre principalele cauze ale fisurilor de solidificare. Prin urmare, ajustarea parametrilor și setărilor laserului pentru a reduce formarea sau cantitatea de compuși intermetalici este, de asemenea, o strategie importantă pentru suprimarea fisurilor de solidificare. De exemplu, în sudarea cu laser a materialelor diferite de cupru-aluminiu, prin controlul decalajului fasciculului laser și al vitezei de sudare, se poate reduce raportul de amestecare a cuprului și aluminiului în baia topită, reducând astfel formarea de compuși intermetalici fragili și sensibilitatea fisurilor. În plus, utilizarea materialelor de adaos poate îmbunătăți, de asemenea, performanța îmbinării sudate și poate reduce formarea fisurilor. Materialele de adaos pot reduce formarea de compuși intermetalici prin modificarea compoziției și microstructurii îmbinării sudate și pot îmbunătăți rezistența îmbinării sudate.
Fisurile de solidificare sunt unul dintre defectele comune în procesele de sudare cu laser. Mecanismul lor de formare este complex și implică interacțiunea mai multor factori, cum ar fi căldura, mecanica și metalurgia. Prin studierea aprofundată a mecanismului de formare a fisurilor de solidificare, se poate oferi o bază teoretică pentru suprimarea acestora. În ultimii ani, cercetătorii au propus diverse strategii pentru suprimarea fisurilor de solidificare, care se concentrează în principal pe controlul structurii granulelor, optimizarea parametrilor de sudare și îmbunătățirea proprietăților materialelor. Practica a dovedit că aceste strategii pot reduce eficient sensibilitatea fisurilor de solidificare într-o anumită măsură și pot îmbunătăți calitatea și fiabilitatea sudării cu laser. Cu toate acestea, din cauza complexității și diversității procesului de sudare cu laser, există încă unele deficiențe în cercetările actuale. De exemplu, pentru mecanismele de inhibare a fisurilor de solidificare în diferite materiale și condiții de sudare, sunt necesare cercetări aprofundate suplimentare.
Data publicării: 20 martie 2025
