Laserhitsaus, jonka suuret nopeudet, tarkkuus ja kosketuksettomat ominaisuudet takaavat, on laajalti käytössä esimerkiksi autoteollisuudessa, ilmailu- ja avaruusteollisuudessa sekä elektroniikkalaitteissa, ja sillä on ainutlaatuisia etuja erityisesti erilaisten materiaalien liittämisessä. Hitsausprosessin aikana syntyvät jähmettymishalkeamat (Solidification Cracking) ovat kuitenkin yksi sen teollista käyttöä rajoittavista keskeisistä vioista. Nämä halkeamat syntyvät yleensä jähmettymisen lopussa sulamisvyöhykkeellä (Fusion Zone), ja ne laukaisevat lämpöjännityksen, jähmettymiskutistumisen ja raerajoille muodostuvan nestemäisen kalvon yhteisvaikutukset, mikä heikentää merkittävästi liitoksen mekaanisia ominaisuuksia ja väsymislujuutta.
1. Muodostumismekanismi
Jähmettymishalkeamien ydinmekanismi on jähmettymisen lopussa raerajoille jäävässä nestekalvossa. Jähmettymisprosessin aikana sula allas jakautuu kolmeen vyöhykkeeseen: vapaaseen nestevyöhykkeeseen, rajoitettuun nestevyöhykkeeseen ja kiinteään vyöhykkeeseen, kuten kuvassa 1 on esitetty. Rajoitetussa nestevyöhykkeessä nesteen virtaus on estynyt eikä se pysty kompensoimaan jähmettymisen kutistumisen aiheuttamaa rasitusta, mikä johtaa raerajan erottumiseen. Raerajan energian (γgb) ja kiinteän aineen ja nesteen rajapintaenergian (γsl) suhde määrää nestekalvon stabiilisuuden: jos γgb < 2γsl, nestekalvo on epästabiili ja tapahtuu rakeiden yhteenkasvamista; päinvastoin, nestekalvo on stabiili ja halkeamien syntyminen on altis.
Lisäksi jähmettymishalkeamien muodostuminen liittyy myös materiaalien metallurgisiin ominaisuuksiin. Eri materiaaleilla on erilaiset jähmettymisominaisuudet, kuten jähmettymislämpötila-alue, jähmettymisen kutistumisnopeus ja seosaineiden jakauma jne. Nämä ominaisuudet vaikuttavat halkeamien herkkyyteen. Esimerkiksi materiaaleissa, jotka sisältävät paljon alhaisen sulamispisteen omaavia eutektisia faaseja, jähmettymishalkeamien herkkyys on suurempi, koska nämä eutektiset faasit ovat alttiita muodostamaan jatkuvia nestemäisiä kalvoja jähmettymisen aikana, mikä voimistaa halkeamien muodostumista.
AikanalaserhitsausprosessiMyös hitsausparametrit, kuten laserin teho, hitsausnopeus ja pisteen koko, vaikuttavat jähmettymishalkeamien muodostumiseen. Nämä parametrit vaikuttavat lämmöntuontiin ja lämpötilagradienttiin hitsausprosessin aikana, mikä muuttaa jähmettymisrakennetta ja raemorfologiaa. Esimerkiksi suurempi laserin teho ja pienempi hitsausnopeus johtavat suurempaan lämmöntuontiin ja hitaampaan jäähdytysnopeuteen, mikä edistää pylväsmäisten kiteiden kasvua ja lisää halkeamisherkkyyttä. Toisaalta pienempi laserin teho ja suurempi hitsausnopeus johtavat pienempään lämmöntuontiin ja nopeampaan jäähdytysnopeuteen, mikä helpottaa tasa-aksiaalisten kiteiden muodostumista ja vähentää halkeamisherkkyyttä.
2. Tukahduttamistoimenpiteet
Jähmettymishalkeamien tehokkaaseen estämiseenlaserhitsausTutkijat ovat ehdottaneet erilaisia strategioita, jotka keskittyvät pääasiassa raerakenteen hallintaan, hitsausparametrien optimointiin ja materiaalien ominaisuuksien parantamiseen. Jauhamalla raerakennetta voidaan lisätä raerajojen määrää ja vähentää jännityspitoisuuden pitoisuutta, mikä vähentää halkeamien muodostumista. Tutkimukset ovat osoittaneet, että lasersädeoskillaatioteknologian avulla pylväsmäiset kiteet voidaan muuttaa hienoiksi tasa-akseisiksi kiteiksi ilman muiden materiaalien lisäämistä. Lasersädeoskillaatio voi hajottaa laserenergiaa, jolloin sulaan altaaseen syntyy turbulenssia, mikä rikkoo pylväsmäisten kiteiden kasvusuunnan ja edistää tasa-akseisisten kiteiden muodostumista, kuten kuvassa 3 on esitetty. Lisäksi lasersädeoskillaatio voi myös lisätä sulan altaan leveyttä, vähentää lämpötilagradienttia ja pidentää sulan altaan jähmettymisaikaa, mikä edistää liuenneiden aineiden diffuusiota ja nestemäisten kalvojen täydentymistä, mikä vähentää merkittävästi jähmettymishalkeamien herkkyyttä.
Viljan rajalla olevien nestekalvojen jakautuminen eri allasmuotojen alla.
Hitsaussulan kaaviokuva, a, b) ilman värähtelyä, c, d) sivuttaisvärähtely, e, f) pitkittäisvärähtely, g, h) kehävärähtely.
Sen lisäksi, ettälasersädeOskillaatioteknologia, jossa käytetään kahta laserlähdettä, on myös yksi tehokkaista menetelmistä jähmettymishalkeamien estämiseksi. Kaksoislaserlähteet voivat saavuttaa muutoksen pylväsmäisistä kiteistä tasa-aksiaalisiksi kiteiksi optimoimalla lämpösyklin, mikä pienentää raekokoa ja venymäpitoisuutta. Esimerkiksi käytettäessä CO₂-laseria päälämmönlähteenä ja Nd:YAG-pulssilaseria lisälämmönlähteenä, hitsauksen aikana voidaan muodostaa optimoitu lämpösykli, joka edistää tasa-aksiaalisten kiteiden muodostumista ja vähentää jähmettymishalkeamien herkkyyttä, kuten kuvassa 4 on esitetty.
Hitsausparametrien optimointi on myös tärkeä keino jähmettymishalkeamien estämiseksi. Säätämällä parametreja, kuten laserin tehoa, hitsausnopeutta ja hitsauspisteen kokoa, voidaan lämmöntuontia ja lämpötilagradienttia hitsausprosessin aikana hallita, mikä vaikuttaa jähmettymisrakenteeseen ja raemorfologiaan. Tutkimukset ovat osoittaneet, että esilämmityskäsittely voi hidastaa jäähdytysnopeutta, edistää tasa-akseisten kiteiden muodostumista ja siten vähentää jähmettymishalkeamien herkkyyttä, kuten kuvassa 5 on esitetty. Lisäksi menetelmät, kuten pulssilaserhitsauksen käyttö ja hitsausnopeuden lisääminen, voivat myös saavuttaa muutoksen pylväsmäisistä kiteistä tasa-akseisiksi kiteiksi muuttamalla lämmöntuontia ja jäähdytysnopeutta, mikä vähentää halkeamien herkkyyttä.
Kuva 5. a) Kuumentamattomat, b) 300 °C:een esilämmitetyt tasa-akseliset jyvät.
Kun laserilla hitsataan erilaisia materiaaleja, materiaalien fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksien merkittävien erojen vuoksi hauraita metallien välisiä yhdisteitä muodostuu helposti, mikä on yksi jähmettymishalkeamien pääsyistä. Siksi laserparametrien ja -asetusten säätäminen metallien välisten yhdisteiden muodostumisen tai määrän vähentämiseksi on myös tärkeä strategia jähmettymishalkeamien estämiseksi. Esimerkiksi kupari-alumiini-erilaisten materiaalien laserhitsauksessa lasersäteen siirtymää ja hitsausnopeutta säätämällä voidaan pienentää kuparin ja alumiinin sekoitussuhdetta hitsaussulassa, mikä vähentää hauraiden metallien välisten yhdisteiden muodostumista ja halkeamien herkkyyttä. Lisäksi lisäaineiden käyttö voi parantaa hitsausliitoksen suorituskykyä ja vähentää halkeamien muodostumista. Lisäaineet voivat vähentää metallien välisten yhdisteiden muodostumista muuttamalla hitsausliitoksen koostumusta ja mikrorakennetta sekä parantaa hitsausliitoksen sitkeyttä.
Jähmettymishalkeamat ovat yksi yleisimmistä laserhitsausprosessien virheistä. Niiden muodostumismekanismi on monimutkainen ja siihen liittyy useiden tekijöiden, kuten lämmön, mekaniikan ja metallurgian, vuorovaikutusta. Tutkimalla syvällisesti jähmettymishalkeamien muodostumismekanismia voidaan tarjota teoreettinen perusta halkeamien estämiseksi. Viime vuosina tutkijat ovat ehdottaneet erilaisia strategioita jähmettymishalkeamien estämiseksi, jotka keskittyvät pääasiassa raerakenteen hallintaan, hitsausparametrien optimointiin ja materiaalien ominaisuuksien parantamiseen. Käytäntö on osoittanut, että nämä strategiat voivat tehokkaasti vähentää jähmettymishalkeamien herkkyyttä tietyssä määrin ja parantaa laserhitsauksen laatua ja luotettavuutta. Laserhitsausprosessin monimutkaisuuden ja monimuotoisuuden vuoksi nykyisessä tutkimuksessa on kuitenkin edelleen joitakin puutteita. Esimerkiksi jähmettymishalkeamien estomekanismien selvittämiseksi eri materiaaleissa ja hitsausolosuhteissa tarvitaan vielä perusteellisempaa tutkimusta.
Julkaisun aika: 20.3.2025
