An der moderner Produktioun,Laserschweisstechnologiegëtt wäit verbreet a verschiddene Beräicher benotzt, vun der Loft- a Raumfaart bis zur Automobilindustrie, vun elektroneschen Ausrüstung bis zu medizineschen Apparater, mat senge Virdeeler vun héijer Effizienz, Präzisioun an Adaptabilitéit. De Kär vun dëser Technologie ass d'Interaktioun vum Laser mam Material, wouduerch e Schmelzbad geformt gëtt a sech séier verfestigt, wouduerch d'Verbindung vu Metalldeeler erméiglecht gëtt. De Schmelzbad ass e Schlësselberäich beim Laserschweißen, a seng Charakteristike bestëmmen direkt d'Schweißqualitéit, d'Mikrostruktur an d'Endleistung. Dofir sinn e grëndlecht Verständnis an eng präzis Kontroll vun de Charakteristike vum Schmelzbad vu vitaler Bedeitung fir den Niveau vun der Laserschweißtechnologie ze verbesseren an d'Bedierfnesser vu qualitativ héichwäertege Schweißverbindungen an der Industrieproduktioun ze erfëllen.
Geometrie vum geschmollte Pool
D'Geometrie vum Schweißbad ass e wichtegen Aspekt an der Fuerschung iwwer Laserschweißen, well et direkt den Hëtzetransfer, de Materialfluss an déi endgülteg Schweißqualitéit während dem Schweißprozess beaflosst. D'Form vun engem Schmelzbad gëtt normalerweis duerch seng Déift, Breet, Aspektverhältnis, Geometrie vun der hëtzebeaflosster Zon (HAZ), Schlëssellachgeometrie a Geometrie vun der geschmollte Metallzon (MMA) beschriwwen. Dës Parameter bestëmmen net nëmmen d'Gréisst a Form vun der geschweißter Verbindung, mä beaflossen och den thermesche Zyklus, d'Ofkillungsquote an d'Mikrostrukturbildung während dem Schweißprozess.
Tabelle 1. Den Afloss vun de Laserschweissparameter op déi geometresch Parameter vun all Schweißbad.
D'Fuerschung weist, datt Laserleistung a Schweißgeschwindegkeet déi zwee Haaptprozessparameter sinn, déi d'Geometrie vum Schweißbad beaflossen, wéi an der Tabell 1 gewisen. Am Allgemengen, wann d'Laserleistung eropgeet an d'Schweißgeschwindegkeet erofgeet, klëmmt d'Déift vum Schweißbad, während d'Breet relativ wéineg ännert. Dëst ass well eng méi héich Laserleistung méi Energie liwwere kann, wouduerch d'Material méi séier schmëlze kann a verdampft, wat zu méi déiwe Schlëssellächer a Schweesser féiert, wéi an der Figur 1 gewisen. Wann d'Laserleistung awer ze héich oder d'Schweißgeschwindegkeet ze niddreg ass, kann dat zu enger Iwwerhëtzung vum Material, exzessiver Verdampfung a souguer engem Plasma-Schutzeffekt féieren, wat d'Schweißqualitéit reduzéiert. Dofir ass et am aktuellen Schweißprozess néideg, d'Laserleistung an d'Schweißgeschwindegkeet no de spezifesche Materialcharakteristiken an de Schweißufuerderungen raisonnabel ze wielen, fir déi ideal Schweißbadgeometrie ze kréien.
Figur 1. Verschidde Schweißformen, déi duerch Laser-Hëtzeleitungsschweißen a Laser-Déifpenetratiounsschweißen entstane sinn.
Nieft der Laserleistung an der Schweißgeschwindegkeet hunn och déi thermesch physikalesch Eegeschafte vum Material, den Uewerflächenzoustand, de Schutzgas an aner Faktoren en Afloss op d'Geometrie vum Schweißbad. Zum Beispill, wat méi héich d'Wärmeleitfäegkeet vum Material ass, wat méi séier den Hëtzttransfer duerch d'Material ass, an dest méi séier d'Ofkillungsgeschwindegkeet vum Schmelzbad, wat zu enger relativ klenger Gréisst vum Schmelzbad féiere kann. D'Uewerflächenrauheet an d'Propretéit vum Material beaflossen d'Absorptiounsgeschwindegkeet vum Laser, an dann d'Bildung a Stabilitéit vum Schmelzbad. Zousätzlech hunn den Typ an d'Duerchflussgeschwindegkeet vum Schutzgas och en Afloss op d'Form a Qualitéit vum Schmelzbad, dat passend Schutzgas kann effektiv Oxidatioun a Verschmotzung vum Schmelzbad verhënneren, awer och d'Uewerflächespannung an d'Duerchflusseigenschaften vum Schmelzbad upassen, fir d'Schweißqualitéit ze verbesseren.
Figur 2. Form vum Schmelzbad wann de Laser schwenkt.
Duerch d'Ännere vun der Trajektorie vum Laserstrahl kann d'Laserwackelen d'Form an d'Charakteristike vum Schmelzbad däitlech beaflossen, wéi an der Figur 2 gewisen. Wann de Laserstrahl wackelt, gëtt d'Form vum Schmelzbad méi gläichméisseg a stabil. De oszilléierende Laserstrahl erstellt eng méi breet erhëtzt Fläch op der Uewerfläch vum Bad, wouduerch d'Kante vum Bad méi glat ginn a schaarf Kanten an onregelméisseg Forme reduzéiert ginn. Dës gläichméisseg Erhëtzung hëlleft d'Qualitéit an d'mechanesch Eegeschafte vun der geschweesster Verbindung ze verbesseren a Schweißdefekter wéi Rëss a Poren ze reduzéieren. Zousätzlech kann d'Laserschwéngung och d'Flëssegkeet vum Schmelzbad erhéijen, d'Ofleedung vu Gasen an Ongereinheeten am Schmelzbad förderen an d'Dicht an d'Uniformitéit vun der geschweesster Verbindung weider verbesseren.
Dynamik vum geschmoltenem Pool
D'Thermodynamik vum Schmelzbad ass en anert Schlësselgebitt an der Fuerschung iwwer Laserschweißen, dat sech mat der Absorptioun, dem Transfer an der Konversioun vun der Laserenergie am Schmelzbad beschäftegt, souwéi mat der Verdeelung vum Temperaturfeld, der Ofkillungsquote an dem Phaseniwwergangsverhalen, déi doduerch verursaacht ginn. Déi thermodynamesch Charakteristike vum Schweißbad bestëmmen net nëmmen d'Form an d'Gréisst vum Schweißbad, mä beaflossen och direkt d'Mikrostruktur an d'mechanesch Eegeschafte vun der geschweißter Verbindung.
Beim Laserschweessen, nodeems d'Laserenergie vum Material absorbéiert gouf, entsteet eng Héichtemperaturregioun am Schmelzbad, wouduerch d'Material schmëlzt a verdampft. Gläichzäiteg gëtt Hëtzt duerch Hëtzeleitung, Konvektioun a Stralung vun der Héichtemperaturregioun an déi Déiftemperaturregioun iwwerdroen, sou datt d'Temperatur vum Material ronderëm de Schmelzbad eropgeet an dann d'Mikrostruktur an d'Eegeschafte vum Material beaflosst. Wéinst der klenger Gréisst, dem groussen Temperaturgradient an der schneller Ofkillquote vum Schmelzbad ass et ganz schwéier, d'Temperaturfeld an d'Ofkillquote direkt ze moossen. Dofir ginn déi meescht Studien duerchgefouert fir d'thermodynamesch Eegeschafte vu Schmelzbaden ze studéieren andeems mathematesch Modeller an numeresch Simulatiounsmethoden etabléiert ginn.
Am thermodynamesche Modell vum Schmelzbad mussen normalerweis déi folgend Schlësselfaktoren berécksiichtegt ginn: Éischtens, den Absorptiounsmechanismus vun der Laserenergie, dorënner d'Reflexiouns-, Absorptiouns- an Transmissiounseigenschaften vun der Uewerfläch vum Material, an de Streu- an Absorptiounsprozess vum Laser am Material. Verschidde Materialien a Laserparameter féieren zu verschiddenen Absorptiounsraten an Energieverdeelungen, déi den thermodynamesche Verhalen vum Schmelzbad beaflossen. Zweetens, déi thermesch physikalesch Eegeschafte vum Material, wéi spezifesch Hëtztkapazitéit, thermesch Leetfäegkeet, Dicht, etc., änneren sech mat der Temperaturännerung, wat e wichtegen Afloss op den Hëtzttransferprozess huet. Zousätzlech ass et och néideg, de Flëssegkeetsfloss an d'Phasenännerungsprozesser am Schmelzbad ze berécksiichtegen, wéi Schmelzen, Verdampfung a Festigung, déi d'Form an d'Temperaturfeldverdeelung vum Schmelzbad änneren, awer och d'Mikrostruktur an d'mechanesch Eegeschafte vum Material beaflossen.
Duerch numeresch Simulatiounen an experimentell Studien hunn d'Fuerscher festgestallt, datt d'Temperaturfeldverdeelung am geschweesste Pool normalerweis eng bedeitend Net-Uniformitéit weist, datt de Beräich mat héijer Temperatur haaptsächlech am Laserwierkungsberäich an am Schlëssellach konzentréiert ass, an d'Temperatur graduell bis zum Rand vum geschweesste Pool an der hëtzebeaflosster Zon erofgeet. D'Ofkillungsquote klëmmt mat der Ofsenkung vun der Gréisst vum geschweesste Pool an der Zounimm vun der Distanz zum Laserberäich. Am Allgemengen ass d'Ofkillungsquote am Zentrum vum geschweesste Pool an am Schlëssellachberäich méi niddreg, während d'Ofkillungsquote um Rand vum geschweesste Pool an der hëtzebeaflosster Zon méi héich ass, wéi an der Figur 2 gewisen. Dës net-uniform Temperaturfeld- a Ofkillungsquoteverdeelung féiert zu offensichtleche Gradientännerungen an der Mikrostruktur vun der geschweesster Verbindung, wéi z. B. d'Käregréisst, d'Phasenzesummesetzung an d'Verdeelung, wat d'mechanesch Eegeschaften an d'Korrosiounsbeständegkeet vun der geschweesster Verbindung beaflossen.
Figur 3. Simulatiounsresultater vun der Bildung vu Schlëssellach a Schmelzlach beim Laserdéifschweißen vun Edelstahlplacken.
Fir d'thermodynamesch Charakteristike vum Schmelzbad ze verbesseren, d'Schweissqualitéit ze verbesseren an d'Schweissdefekter ze reduzéieren, gouf eng Rei vun Optimiséierungsmethoden a Moossname proposéiert. Zum Beispill, andeems d'Laserparameter, wéi Laserleistung, Schweissgeschwindegkeet, Punktduerchmiesser, etc., ugepasst ginn, kann den Inputmodus an d'Verdeelung vun der Laserenergie geännert ginn, fir d'Temperaturfeld an d'Ofkillungsquote vum Schmelzbad ze optimiséieren. Zousätzlech kann dat thermodynamescht Verhalen an d'Mikrostrukturentwécklung vum Schmelzbad ugepasst ginn andeems Virhëtzen, Nohhëtzen, Méifachschweissen an aner Prozessmethoden, souwéi verschidde Schutzgaser a Schweissatmosphären benotzt ginn. Gläichzäiteg ass d'Entwécklung vun neie Schweissmaterialien a Legierungssystemer fir d'thermesch Stabilitéit an d'Schweissleistung vu Materialien ze verbesseren och ee vun de wichtege Weeër fir d'thermodynamesch Charakteristike vu Schmelzbaden ze verbesseren.
D'Charakteristike vum Laser-Schweissbad sinn déi Schlësselfaktoren, déi d'Schweissqualitéit, d'Mikrostruktur an d'mechanesch Eegeschafte beaflossen. Déi detailléiert Studie vun der Geometrie an den thermodynamesche Charakteristike vum Laser-Schweissbad ass vu grousser Bedeitung fir de Laser-Schweissprozess ze optimiséieren an d'Schweisseffizienz an d'Qualitéit ze verbesseren. Duerch eng grouss Zuel vun experimentellen Fuerschungsstudien an numeresch Simulatiounsanalysen hunn d'Fuerscher eng Serie vu wichtege Fuerschungsresultater erreecht, déi eng staark theoretesch Ënnerstëtzung an technesch Leedung fir d'Entwécklung an d'Uwendung vun der Laser-Schweisstechnologie ubidden. Wéi och ëmmer, et gëtt nach ëmmer e puer Mängel an der aktueller Fuerschung, wéi d'Vereinfachung vum Modell an ze vill Unnahmen, an d'Prognose vun de Charakteristike vum Schmelzbad ënner komplexen Aarbechtsbedingungen ass net präzis genuch. Déi systematesch an ëmfaassend experimentell Fuerschung muss verbessert ginn, an et feelt un detailléierter Fuerschung iwwer méi Materialien a Schweissparameteren.
Zäitpunkt vun der Verëffentlechung: 28. Februar 2025
