Pagsusuri ng mga katangian ng weld pool sa laser welding

Sa modernong pagmamanupaktura,teknolohiya ng hinang na laserMalawakang ginagamit sa iba't ibang larangan, mula sa aerospace hanggang sa pagmamanupaktura ng sasakyan, mula sa elektronikong kagamitan hanggang sa mga aparatong medikal, na may mga bentahe ng mataas na kahusayan, katumpakan at kakayahang umangkop. Ang pangunahing bahagi ng teknolohiyang ito ay ang interaksyon ng laser sa materyal, na bumubuo ng isang tinunaw na pool at mabilis na tumigas, kaya't nagbibigay-daan sa pagkonekta ng mga bahaging metal. Ang weld pool ay isang mahalagang lugar sa laser welding, at ang mga katangian nito ay direktang tumutukoy sa kalidad ng hinang, microstructure at pangwakas na pagganap. Samakatuwid, ang malalim na pag-unawa at tumpak na pagkontrol sa mga katangian ng tinunaw na pool ay napakahalaga upang mapabuti ang antas ng teknolohiya ng laser welding at matugunan ang mga pangangailangan ng mataas na kalidad na mga welded joint sa industriyal na produksyon.

Heometriya ng tinunaw na pool

Ang heometriya ng weld pool ay isang mahalagang aspeto sa pananaliksik sa laser welding, dahil direktang nakakaapekto ito sa paglipat ng init, daloy ng materyal, at sa pangwakas na kalidad ng hinang habang isinasagawa ang proseso ng hinang. Ang hugis ng isang tinunaw na pool ay karaniwang inilalarawan ng lalim, lapad, aspect ratio, heat affected zone (HAZ) geometry, keyhole geometry, at molten metal zone (MMA) geometry. Ang mga parametrong ito ay hindi lamang tumutukoy sa laki at hugis ng hinang na dugtungan, kundi nakakaapekto rin sa thermal cycle, cooling rate, at pagbuo ng microstructure habang isinasagawa ang proseso ng hinang.

Talahanayan 1. Ang impluwensya ng mga parameter ng laser welding sa mga heometrikong parameter ng bawat weld pool.

Ipinapakita ng pananaliksik na ang lakas ng laser at bilis ng hinang ang dalawang pangunahing parametro ng proseso na nakakaapekto sa heometriya ng weld pool, gaya ng ipinapakita sa Table 1. Sa pangkalahatan, habang tumataas ang lakas ng laser at bumababa ang bilis ng hinang, tumataas ang lalim ng weld pool, habang ang lapad ay medyo maliit ang pagbabago. Ito ay dahil ang mas mataas na lakas ng laser ay nakakapagbigay ng mas maraming enerhiya, na nagpapahintulot sa materyal na mas mabilis na matunaw at maglaho, na nagreresulta sa mas malalalim na mga butas at pool, gaya ng ipinapakita sa Figure 1. Gayunpaman, kapag ang lakas ng laser ay masyadong mataas o ang bilis ng hinang ay masyadong mababa, maaari itong humantong sa sobrang pag-init ng materyal, labis na pagsingaw, at maging ang epekto ng plasma shielding, na magbabawas sa kalidad ng hinang. Samakatuwid, sa aktwal na proseso ng hinang, kinakailangang makatwirang piliin ang lakas ng laser at bilis ng hinang ayon sa mga partikular na katangian ng materyal at mga kinakailangan sa hinang upang makuha ang perpektong heometriya ng weld pool.

Pigura 1. Iba't ibang hugis ng hinang na nabuo sa pamamagitan ng laser heat conduction welding at laser deep penetration welding.

Bukod sa lakas ng laser at bilis ng hinang, ang mga thermal physical properties ng materyal, surface state, protective gas, at iba pang mga salik ay magkakaroon din ng epekto sa geometry ng weld pool. Halimbawa, mas mataas ang thermal conductivity ng materyal, mas mabilis ang paglipat ng init sa materyal, at mas mabilis ang cooling rate ng molten pool, na maaaring magresulta sa medyo maliit na sukat ng molten pool. Ang surface roughness at kalinisan ng materyal ay makakaapekto sa absorption rate ng laser, at pagkatapos ay makakaapekto sa pagbuo at katatagan ng molten pool. Bukod pa rito, ang uri at flow rate ng protective gas ay magkakaroon din ng tiyak na epekto sa hugis at kalidad ng molten pool. Ang angkop na protective gas ay maaaring epektibong maiwasan ang molten pool mula sa oksihenasyon at polusyon, ngunit maaari ring ayusin ang surface tension at flow characteristics ng molten pool, upang mapabuti ang kalidad ng hinang.

Pigura 2. Hugis ng tinunaw na pool kapag umiikot ang laser.

Sa pamamagitan ng pagbabago sa trajectory ng laser beam, ang laser wobble ay maaaring makaapekto nang malaki sa hugis at mga katangian ng tinunaw na pool, gaya ng ipinapakita sa Figure 2. Habang umuugoy ang laser beam, ang hugis ng tinunaw na pool ay nagiging mas pare-pareho at matatag. Ang oscillating laser beam ay lumilikha ng mas malawak na heated area sa ibabaw ng pool, na ginagawang mas makinis ang mga gilid ng pool at binabawasan ang matutulis na gilid at irregular na mga hugis. Ang pare-parehong pag-init na ito ay nakakatulong upang mapabuti ang kalidad at mekanikal na mga katangian ng welded joint at mabawasan ang mga depekto sa welding tulad ng mga bitak at butas. Bukod pa rito, ang laser swing ay maaari ring magpataas ng fluidity ng tinunaw na pool, magsulong ng paglabas ng mga gas at dumi sa tinunaw na pool, at higit pang mapabuti ang density at uniformity ng welded joint.

Dinamika ng natunaw na pool

Ang termodinamika ng natunaw na pool ay isa pang mahalagang larangan sa pananaliksik sa laser welding, na kinabibilangan ng pagsipsip, paglilipat, at pag-convert ng enerhiya ng laser sa natunaw na pool, pati na rin ang distribusyon ng temperatura, bilis ng paglamig, at pag-uugali ng phase transition na dulot nito. Ang mga thermodynamic na katangian ng weld pool ay hindi lamang tumutukoy sa hugis at laki ng weld pool, kundi direktang nakakaapekto rin sa microstructure at mga mekanikal na katangian ng welded joint.

Sa proseso ng laser welding, pagkatapos masipsip ng materyal ang enerhiya ng laser, lilikha ito ng isang lugar na may mataas na temperatura sa melt pool, na magiging sanhi ng pagkatunaw at pagsingaw ng materyal. Kasabay nito, ang init ay ililipat mula sa rehiyon na may mataas na temperatura patungo sa rehiyon na may mababang temperatura sa pamamagitan ng heat conduction, convection at radiation, kaya ang temperatura ng materyal sa paligid ng molten pool ay tataas, at pagkatapos ay makakaapekto sa microstructure at mga katangian ng materyal. Dahil sa maliit na sukat, malaking temperature gradient at mabilis na cooling rate ng molten pool, napakahirap sukatin nang direkta ang temperature field at cooling rate. Samakatuwid, karamihan sa mga pag-aaral ay isinasagawa upang pag-aralan ang mga thermodynamic properties ng molten pool sa pamamagitan ng pagtatatag ng mga mathematical model at numerical simulation methods.

Sa termodinamikong modelo ng tinunaw na pool, ang mga sumusunod na pangunahing salik ay karaniwang kailangang isaalang-alang: Una, ang mekanismo ng pagsipsip ng enerhiya ng laser, kabilang ang mga katangian ng repleksyon, pagsipsip at paghahatid ng ibabaw ng materyal, at ang proseso ng scattering at pagsipsip ng laser sa loob ng materyal. Ang iba't ibang materyales at mga parameter ng laser ay hahantong sa iba't ibang mga rate ng pagsipsip at distribusyon ng enerhiya, na makakaapekto sa termodinamikong pag-uugali ng tinunaw na pool. Pangalawa, ang mga thermal physical properties ng materyal, tulad ng specific heat capacity, thermal conductivity, density, atbp., ang mga parameter na ito ay magbabago kasabay ng pagbabago ng temperatura, na may mahalagang epekto sa proseso ng paglipat ng init. Bukod pa rito, kinakailangan ding isaalang-alang ang daloy ng likido at mga proseso ng pagbabago ng phase sa tinunaw na pool, tulad ng pagtunaw, pagsingaw at solidification, na magbabago sa hugis at distribusyon ng temperatura ng tinunaw na pool, ngunit makakaapekto rin sa microstructure at mechanical properties ng materyal.

Sa pamamagitan ng numerical simulation at eksperimental na pag-aaral, natuklasan ng mga mananaliksik na ang distribusyon ng temperature field sa tinunaw na pool ay karaniwang nagpapakita ng malaking hindi pagkakapareho, ang high temperature area ay pangunahing nakapokus sa laser action area at keyhole, at ang temperatura ay unti-unting bumababa sa gilid ng tinunaw na pool at sa heat affected zone. Ang cooling rate ay tumataas kasabay ng pagbaba ng laki ng tinunaw na pool at pagtaas ng distansya mula sa laser area. Sa pangkalahatan, ang cooling rate ay mas mababa sa gitna ng tinunaw na pool at keyhole area, habang ang cooling rate ay mas mataas sa gilid ng tinunaw na pool at sa heat affected zone, tulad ng ipinapakita sa Figure 2. Ang hindi pare-parehong temperature field at cooling rate distribution na ito ay hahantong sa mga halatang pagbabago sa gradient sa microstructure ng welded joint, tulad ng laki ng grain, phase composition at distribution, na makakaapekto sa mga mechanical properties at corrosion resistance ng welded joint.

Pigura 3. Mga resulta ng simulasyon ng pagbuo ng keyhole at tinunaw na pool habang hinang gamit ang laser deep penetration ng stainless steel plate.

Upang mapabuti ang mga thermodynamic na katangian ng tinunaw na pool, mapabuti ang kalidad ng hinang, at mabawasan ang mga depekto sa hinang, isang serye ng mga pamamaraan at hakbang sa pag-optimize ang iminungkahi. Halimbawa, sa pamamagitan ng pagsasaayos ng mga parameter ng laser, tulad ng lakas ng laser, bilis ng hinang, diyametro ng spot, atbp., ang input mode at distribusyon ng enerhiya ng laser ay maaaring baguhin upang ma-optimize ang field ng temperatura at rate ng paglamig ng tinunaw na pool. Bilang karagdagan, ang thermodynamic na pag-uugali at ebolusyon ng microstructure ng tinunaw na pool ay maaaring isaayos gamit ang preheating, post-heating, multi-pass welding at iba pang mga pamamaraan ng proseso, pati na rin ang paggamit ng iba't ibang mga protective gas at mga atmospera ng hinang. Kasabay nito, ang pagbuo ng mga bagong materyales sa hinang at mga sistema ng haluang metal upang mapabuti ang thermal stability at pagganap ng hinang ng mga materyales ay isa rin sa mga mahahalagang paraan upang mapabuti ang mga thermodynamic na katangian ng mga tinunaw na pool.

Ang mga katangian ng laser welding pool ang mga pangunahing salik na nakakaapekto sa kalidad ng hinang, microstructure, at mga mekanikal na katangian. Ang malalim na pag-aaral ng geometry at thermodynamic na mga katangian ng laser welding pool ay may malaking kahalagahan para sa pag-optimize ng proseso ng laser welding at pagpapabuti ng kahusayan at kalidad ng hinang. Sa pamamagitan ng maraming eksperimental na pananaliksik at numerical simulation analysis, nakamit ng mga mananaliksik ang isang serye ng mahahalagang resulta ng pananaliksik, na nagbibigay ng matibay na teoretikal na suporta at teknikal na gabay para sa pag-unlad at aplikasyon ng teknolohiya ng laser welding. Gayunpaman, mayroon pa ring ilang mga kakulangan sa kasalukuyang pananaliksik, tulad ng pagpapasimple ng modelo at napakaraming pagpapalagay, at ang prediksyon ng mga katangian ng melt pool sa ilalim ng mga kumplikadong kondisyon sa pagtatrabaho ay hindi sapat na tumpak. Ang sistematiko at komprehensibong eksperimental na pananaliksik ay kailangang pagbutihin, at mayroong kakulangan ng malalim na pananaliksik sa mas maraming materyales at mga parameter ng hinang.