In de moderne industrie,laserlastechnologieLaserlassen wordt op grote schaal toegepast in diverse sectoren, van de lucht- en ruimtevaart tot de automobielindustrie, van elektronische apparatuur tot medische hulpmiddelen, dankzij de voordelen van hoge efficiëntie, precisie en aanpasbaarheid. De kern van deze technologie is de interactie van de laser met het materiaal, waarbij een smeltbad ontstaat dat snel stolt, waardoor metalen onderdelen met elkaar verbonden kunnen worden. Het smeltbad is een cruciaal onderdeel van laserlassen en de eigenschappen ervan bepalen direct de laskwaliteit, de microstructuur en de uiteindelijke prestaties. Daarom is een diepgaand begrip en nauwkeurige controle van de eigenschappen van het smeltbad van essentieel belang om de laserlastechnologie te verbeteren en te voldoen aan de eisen van hoogwaardige lasverbindingen in de industriële productie.
Geometrie van gesmolten poelen
De geometrie van het smeltbad is een belangrijk aspect in laserlasonderzoek, omdat deze direct van invloed is op de warmteoverdracht, de materiaalstroom en de uiteindelijke laskwaliteit tijdens het lasproces. De vorm van een smeltbad wordt doorgaans beschreven aan de hand van de diepte, breedte, aspectverhouding, geometrie van de warmtebeïnvloede zone (HAZ), sleutelgatgeometrie en geometrie van de gesmolten metaalzone (MMA). Deze parameters bepalen niet alleen de grootte en vorm van de lasverbinding, maar beïnvloeden ook de thermische cyclus, de afkoelsnelheid en de microstructuurvorming tijdens het lasproces.
Tabel 1. De invloed van laserlasparameters op de geometrische parameters van elk smeltbad.
Uit het onderzoek blijkt dat laservermogen en lassnelheid de twee belangrijkste procesparameters zijn die de geometrie van het smeltbad beïnvloeden, zoals weergegeven in Tabel 1. Over het algemeen neemt de diepte van het smeltbad toe naarmate het laservermogen toeneemt en de lassnelheid afneemt, terwijl de breedte relatief weinig verandert. Dit komt doordat een hoger laservermogen meer energie levert, waardoor het materiaal sneller smelt en verdampt, wat resulteert in diepere sleutelgaten en smeltbaden, zoals weergegeven in Figuur 1. Echter, wanneer het laservermogen te hoog is of de lassnelheid te laag, kan dit leiden tot oververhitting van het materiaal, overmatige verdamping en zelfs een plasmaschildeffect, wat de laskwaliteit vermindert. Daarom is het in de praktijk noodzakelijk om het laservermogen en de lassnelheid op een verstandige manier te kiezen, afhankelijk van de specifieke materiaaleigenschappen en lasvereisten, om de ideale smeltbadgeometrie te verkrijgen.
Figuur 1. Verschillende lasvormen ontstaan door laserwarmtegeleidingslassen en laserdiepdoorlassen.
Naast laservermogen en lassnelheid hebben ook de thermische en fysische eigenschappen van het materiaal, de oppervlaktestaat, het beschermgas en andere factoren invloed op de vorm van het smeltbad. Zo geldt bijvoorbeeld dat hoe hoger de thermische geleidbaarheid van het materiaal, hoe sneller de warmteoverdracht door het materiaal en hoe sneller het smeltbad afkoelt, wat kan resulteren in een relatief klein smeltbad. De oppervlakteruwheid en reinheid van het materiaal beïnvloeden de absorptiesnelheid van de laser en daarmee de vorming en stabiliteit van het smeltbad. Daarnaast hebben het type en de stroomsnelheid van het beschermgas ook een zekere invloed op de vorm en kwaliteit van het smeltbad. Het juiste beschermgas kan oxidatie en vervuiling van het smeltbad effectief voorkomen en tevens de oppervlaktespanning en stromingseigenschappen van het smeltbad reguleren, waardoor de laskwaliteit verbetert.
Figuur 2. Vorm van het smeltbad tijdens het zwaaien van de laser.
Door de baan van de laserstraal te veranderen, kan de laserbeweging de vorm en eigenschappen van het smeltbad aanzienlijk beïnvloeden, zoals weergegeven in Figuur 2. Naarmate de laserstraal beweegt, wordt de vorm van het smeltbad gelijkmatiger en stabieler. De oscillerende laserstraal creëert een groter verwarmd gebied op het oppervlak van het smeltbad, waardoor de randen van het smeltbad gladder worden en scherpe randen en onregelmatige vormen worden verminderd. Deze gelijkmatige verwarming draagt bij aan de verbetering van de kwaliteit en mechanische eigenschappen van de lasverbinding en vermindert lasfouten zoals scheuren en poriën. Bovendien kan de laserbeweging ook de vloeibaarheid van het smeltbad verhogen, de afvoer van gassen en onzuiverheden in het smeltbad bevorderen en de dichtheid en uniformiteit van de lasverbinding verder verbeteren.
Dynamiek van gesmolten poelen
De thermodynamica van het smeltbad is een ander belangrijk onderzoeksgebied binnen laserlassen. Dit gebied omvat de absorptie, overdracht en omzetting van laserenergie in het smeltbad, evenals de temperatuurverdeling, afkoelsnelheid en faseovergangen die hierdoor worden veroorzaakt. De thermodynamische eigenschappen van het smeltbad bepalen niet alleen de vorm en grootte ervan, maar beïnvloeden ook direct de microstructuur en mechanische eigenschappen van de lasverbinding.
Tijdens het laserlassen ontstaat er, nadat de laserenergie door het materiaal is geabsorbeerd, een gebied met hoge temperatuur in het smeltbad, waardoor het materiaal smelt en verdampt. Tegelijkertijd wordt warmte overgedragen van het gebied met hoge temperatuur naar het gebied met lage temperatuur door middel van warmtegeleiding, convectie en straling, waardoor de temperatuur van het materiaal rond het smeltbad stijgt en vervolgens de microstructuur en eigenschappen van het materiaal beïnvloedt. Vanwege de kleine afmetingen, de grote temperatuurgradiënt en de snelle afkoelsnelheid van het smeltbad is het erg moeilijk om het temperatuurveld en de afkoelsnelheid direct te meten. Daarom worden de meeste studies uitgevoerd om de thermodynamische eigenschappen van smeltbaden te bestuderen door middel van wiskundige modellen en numerieke simulatiemethoden.
In het thermodynamische model van een smeltbad moeten doorgaans de volgende belangrijke factoren in overweging worden genomen: Ten eerste, het absorptiemechanisme van laserenergie, inclusief de reflectie-, absorptie- en transmissiekarakteristieken van het materiaaloppervlak, en het verstrooiings- en absorptieproces van de laser in het materiaal. Verschillende materialen en laserparameters leiden tot verschillende absorptiesnelheden en energieverdelingen, wat het thermodynamische gedrag van het smeltbad beïnvloedt. Ten tweede, de thermofysische eigenschappen van het materiaal, zoals soortelijke warmtecapaciteit, thermische geleidbaarheid, dichtheid, enz. Deze parameters veranderen met de temperatuur, wat een belangrijke invloed heeft op het warmteoverdrachtsproces. Daarnaast is het ook noodzakelijk om rekening te houden met de vloeistofstroming en faseovergangsprocessen in het smeltbad, zoals smelten, verdampen en stollen. Deze processen veranderen de vorm en de temperatuurverdeling van het smeltbad, maar beïnvloeden ook de microstructuur en de mechanische eigenschappen van het materiaal.
Door middel van numerieke simulaties en experimenteel onderzoek ontdekten de onderzoekers dat de temperatuurverdeling in het smeltbad doorgaans een aanzienlijke ongelijkmatigheid vertoont. Het gebied met de hoogste temperatuur is voornamelijk geconcentreerd in het lasergebied en het sleutelgat, terwijl de temperatuur geleidelijk afneemt naar de rand van het smeltbad en de warmtebeïnvloede zone. De afkoelsnelheid neemt toe naarmate de grootte van het smeltbad afneemt en de afstand tot het lasergebied toeneemt. Over het algemeen is de afkoelsnelheid lager in het midden van het smeltbad en het sleutelgat, terwijl deze hoger is aan de rand van het smeltbad en de warmtebeïnvloede zone, zoals weergegeven in Figuur 2. Deze ongelijkmatige temperatuurverdeling en afkoelsnelheid leiden tot duidelijke gradiëntveranderingen in de microstructuur van de lasverbinding, zoals korrelgrootte, fasesamenstelling en -verdeling, wat de mechanische eigenschappen en corrosiebestendigheid van de lasverbinding beïnvloedt.
Figuur 3. Simulatieresultaten van de vorming van sleutelgaten en smeltbaden tijdens laserlassen van roestvrijstalen platen.
Om de thermodynamische eigenschappen van het smeltbad te verbeteren, de laskwaliteit te verhogen en lasfouten te verminderen, zijn diverse optimalisatiemethoden en -maatregelen voorgesteld. Zo kunnen bijvoorbeeld laserparameters zoals laservermogen, lassnelheid en spotdiameter worden aangepast, waardoor de invoermodus en de verdeling van de laserenergie kunnen worden gewijzigd om het temperatuurveld en de afkoelsnelheid van het smeltbad te optimaliseren. Daarnaast kunnen het thermodynamische gedrag en de microstructuurontwikkeling van het smeltbad worden beïnvloed door voorverwarming, nabewerking, meerlaags lassen en andere procesmethoden, evenals door het gebruik van verschillende beschermgassen en lasatmosferen. Tegelijkertijd is de ontwikkeling van nieuwe lasmaterialen en legeringssystemen om de thermische stabiliteit en lasprestaties van materialen te verbeteren ook een belangrijke manier om de thermodynamische eigenschappen van smeltbaden te verbeteren.
De eigenschappen van het smeltbad bij laserlassen zijn cruciale factoren die de laskwaliteit, microstructuur en mechanische eigenschappen beïnvloeden. Een diepgaande studie van de geometrie en thermodynamische eigenschappen van het smeltbad is van groot belang voor het optimaliseren van het laserlasproces en het verbeteren van de lasefficiëntie en -kwaliteit. Door middel van een groot aantal experimentele onderzoeken en numerieke simulaties hebben onderzoekers een reeks belangrijke onderzoeksresultaten behaald, die een sterke theoretische basis en technische richtlijnen bieden voor de ontwikkeling en toepassing van laserlastechnologie. Er zijn echter nog steeds enkele tekortkomingen in het huidige onderzoek, zoals de vereenvoudiging van het model en te veel aannames, en de onnauwkeurigheid van de voorspelling van de smeltbadeigenschappen onder complexe werkomstandigheden. Systematisch en uitgebreid experimenteel onderzoek moet worden verbeterd en er is een gebrek aan diepgaand onderzoek naar meer materialen en lasparameters.
Geplaatst op: 28 februari 2025
