3. Процес на лазерно заваряване и оптимизиране на параметрите
3.1 Заваръчно оборудване и настройка
Лазерното заваряване обикновено се извършва с помощта на автоматични лазерни заварчици с максимална изходна мощност в диапазона от 2,5 kW или по-висока. Процесът често се провежда в околния въздух без защитен газ, което опростява операциите, като същевременно се постигат здрави съединения. Основните регулируеми параметри включват лазерна мощност, скорост на заваряване, позиция на фокуса, диаметър на петното и ъгъл на падане на лъча.
3.2 Оптимизирани параметри от експериментални изследвания
Експерименталните изследвания са установили ясни корелации между параметрите на заваряване и работата на съединението. В проучване, използващо Cu-Co-Fe и Ni-Cr-Cu предварително легиран прах преходен слой за заваряване на диамантени сегменти към 30CrMo стоманена матрица, оптималната производителност на заваряване е постигната при лазерна мощност от 1600 W и скорост на заваряване от 1400 mm/min, което дава зъб якост на зацепване от 819 MPa.
Числените симулационни изследвания, използващи софтуера SYSWELD, допълнително усъвършенстваха тези параметри. Чрез установяване на кръстосан -мащабен много-модел на свързване на полето, включващ температурно поле, фазова трансформация, морфология на зърната, поле на напрежение и характеристики на умора, изследователите установиха, че скорост на заваряване от 26 mm/s и мощност от 1700 W минимизира напрежението при заваряване, намалява стойността на цифровата обемна корелация (DVC) и повишава устойчивостта на умора. Тестовете за заваряване потвърдиха, че условието от 1700 W дава най-висока якост на зъбите, достигайки 1200 MPa.
Лекото несъответствие между оптималните параметри, докладвани от различни проучвания (1600 W спрямо . 1700 W) може да отразява разлики в състава на материала, геометрията на острието или експерименталните условия. Независимо от това, постоянството в порядъка на величината-приблизително 1,6–1,7 kW мощност и 23–26 mm/s скорост-осигурява солидни насоки за оптимизиране на процеса.
3.3 Числено симулиране на процеса на заваряване
Сложността на лазерното заваряване-включваща свързани термични, механични и металургични явления-прави числената симулация безценен инструмент за проектиране и оптимизиране на процеси. Усъвършенстваните модели използват 3D източник на топлина на Гаус, за да представят профила на лазерния лъч, отчитайки не-равномерното разпределение на енергията, което възниква в лазерните системи с висока-мощност.
Коефициентът на качество на лъча M², който описва отклонения от идеален профил на Гаус, играе решаваща роля. На практика високо{1}}мощните лазерни лъчи често показват M² стойности, вариращи от 1,3 до 2,0, което води до удължени профили на лъча с множество пикове, а не с един централен пик. Тези изкривявания влияят върху температурното поле и геометрията на разтопения басейн, като в крайна сметка оказват влияние върху качеството на заваръчния шев и механичните свойства. Доказано е, че корекционните фактори, включени в симулационните модели, подобряват точността на прогнозиране, давайки резултати, които съвпадат много с експерименталните данни.
Изчисляването на термичното поле включва решаване на нелинейни уравнения за пренос на топлина, за да се получат преходни температурни разпределения в зоната на заваряване. Моделът на полето на напрежение разглежда общата деформация като сбор от еластична деформация, пластична деформация, предизвикана от фазова трансформация-пластичност и термична деформация. Такова всеобхватно моделиране дава възможност за прогнозиране на остатъчните напрежения и микроструктурната еволюция, насочвайки избора на оптимални параметри на заваряване без обширни експерименти с проба-и-грешка.
4. Микроструктурни характеристики и свойства
4.1 Микроструктура на зоната на синтез и зоната, засегната от топлина-
Микроструктурата на лазерно{0}}заварените диамантени дискове показва различни характеристики в различни зони. Зоната на топене (FZ) може да бъде разделена на богати на мед-и богати на желязо-региони, характеризиращи се с едри зърна без видима предпочитана ориентация. Тази фазова сегрегация възниква от не-условията на неравновесно втвърдяване, типични за лазерното заваряване, където бързите скорости на охлаждане предотвратяват пълното хомогенизиране на сплавта.
Зоната-засегната от топлина (HAZ) на стоманения субстрат от 30CrMo представя различна микроструктура, състояща се главно от висока-твърдост, крехък закален игловиден-мартензит. Микротвърдостта в тази област може да нарасне рязко до стойности до 550 HV. Това втвърдяване е резултат от бързите скорости на охлаждане, които предизвикват мартензитна трансформация в стоманената матрица, което има значителни последици за якостта и чувствителността към напукване на съединението.
Анализът на счупването разкрива, че повредата обикновено се появява на границата между зоната на топене и засегнатата от топлина-зона, където концентрацията на напрежение е най-изразена. Това наблюдение подчертава значението на оптимизирането на параметрите на заваряване, за да се сведе до минимум степента на втвърдената HAZ и да се намалят градиентите на междуфазното напрежение.
4.2 Механични характеристики и механизми за повреда
Силата на зацепване на зъбите служи като основен показател за оценка на качеството на фугите в лазерно{0}}заварени диамантени дискове. Както беше отбелязано по-горе, оптимизираните условия на заваряване могат да доведат до якост на провлачване над 800 MPa и в някои случаи достигане на 1200 MPa. Тези стойности представляват значително подобрение спрямо производителността, постижима с конвенционалните методи за свързване.
Ефективността на умората на лазерно{0}}заварените съединения е друго критично съображение, като се има предвид цикличното натоварване, изпитвано по време на операциите по рязане. Числени симулации, включващи оценка на жизнения цикъл, установиха, че намалените стойности на DVC корелират с подобрена устойчивост на умора, потвърждавайки използването на минимизиране на напрежението като цел на дизайна.
Микроструктурни дефекти като порьозност, особено в зоната на топене, могат да служат като предпочитани места за започване на пукнатини. Следователно контролът на плътността на преходния слой и предотвратяването на изпаряването на елемента са от съществено значение за постигане на надеждна работа на съединението.
