LaserlasLassen, met zijn hoge snelheid, hoge precisie en contactloze eigenschappen, wordt veelvuldig toegepast in sectoren zoals de automobielindustrie, de lucht- en ruimtevaart en de elektronica, met name bij het verbinden van verschillende materialen. Een van de belangrijkste beperkingen van het industriële gebruik is echter de stollingsscheurvorming (solidification cracking). Deze scheuren ontstaan meestal aan het einde van de stolling in de smeltzone en worden veroorzaakt door de gecombineerde effecten van thermische spanning, stollingskrimp en de vloeibare film op de korrelgrenzen. Dit leidt tot een aanzienlijke vermindering van de mechanische eigenschappen en de vermoeiingslevensduur van de verbinding.
1. Vormingsmechanisme
Het kernmechanisme van stollingsscheuren ligt in de resterende vloeistoffilm aan de korrelgrenzen aan het einde van de stolling. Tijdens het stollingsproces wordt het smeltbad verdeeld in drie zones: de vrije vloeistofzone, de beperkte vloeistofzone en de vaste zone, zoals weergegeven in Figuur 1. In de beperkte vloeistofzone wordt de vloeistofstroom geblokkeerd en kan deze de spanning die ontstaat door stollingskrimp niet compenseren, wat resulteert in het losraken van de korrelgrenzen. De verhouding tussen de korrelgrensenergie (γgb) en de energie van het vast-vloeistofgrensvlak (γsl) bepaalt de stabiliteit van de vloeistoffilm: als γgb < 2γsl, is de vloeistoffilm instabiel en treedt korrelcoalescentie op; omgekeerd is de vloeistoffilm stabiel en is de kans op scheurvorming groter.
Bovendien is de vorming van stollingsscheuren ook gerelateerd aan de metallurgische eigenschappen van de materialen. Verschillende materialen hebben verschillende stollingskenmerken, zoals het temperatuurbereik van de stolling, de stollingskrimp en de verdeling van legeringselementen, enzovoort. Deze kenmerken beïnvloeden de gevoeligheid voor scheuren. Zo is de gevoeligheid voor stollingsscheuren bijvoorbeeld groter in materialen die een grote hoeveelheid laagsmeltende eutectische fasen bevatten, omdat deze eutectische fasen de neiging hebben om tijdens de stolling continue vloeibare films te vormen, waardoor de scheurvorming wordt versterkt.
Tijdens delaserlasprocesLasparameters zoals laservermogen, lassnelheid en spotgrootte hebben ook invloed op de vorming van stollingsscheuren. Deze parameters beïnvloeden de warmte-inbreng en de temperatuurgradiënt tijdens het lasproces, waardoor de stollingsstructuur en korrelmorfologie veranderen. Zo leiden een hoger laservermogen en een lagere lassnelheid tot een grotere warmte-inbreng en een langzamere afkoelsnelheid, wat de groei van kolomvormige kristallen bevordert en de scheurgevoeligheid verhoogt. Omgekeerd leiden een lager laservermogen en een hogere lassnelheid tot een kleinere warmte-inbreng en een snellere afkoelsnelheid, wat de vorming van gelijkassige kristallen bevordert en de scheurgevoeligheid vermindert.
2. Onderdrukkingsmaatregelen
Om de stollingsscheuren in effectief te onderdrukkenlaserlassenOnderzoekers hebben verschillende strategieën voorgesteld, die zich voornamelijk richten op het beheersen van de korrelstructuur, het optimaliseren van de lasparameters en het verbeteren van de materiaaleigenschappen. Door de korrelstructuur te verfijnen, kan het aantal korrelgrenzen worden verhoogd en de spanningsconcentratie worden verlaagd, waardoor de vorming van scheuren wordt verminderd. Studies hebben aangetoond dat door gebruik te maken van laserstraaloscillatietechnologie kolomvormige kristallen kunnen worden omgezet in fijne gelijkassige kristallen zonder toevoeging van andere materialen. Laserstraaloscillatie kan laserenergie verspreiden, waardoor turbulentie in het smeltbad ontstaat. Dit breekt de groeirichting van kolomvormige kristallen en bevordert de vorming van gelijkassige kristallen, zoals weergegeven in Figuur 3. Bovendien kan laserstraaloscillatie ook de breedte van het smeltbad vergroten, de temperatuurgradiënt verlagen en de stollingstijd van het smeltbad verlengen. Dit is gunstig voor de diffusie van opgeloste stoffen en de aanvulling van vloeibare films, waardoor de gevoeligheid voor stollingsscheuren aanzienlijk wordt verminderd.
Verdeling van vloeistoffilms langs korrelgrenzen onder verschillende plasvormen.
Schematische weergave van het smeltbad tijdens het lassen: a, b) zonder trillingen, c, d) laterale trillingen, e, f) longitudinale trillingen, g, h) omtrekstrillingen.
Naast delaserstraalOscillatietechnologie, waarbij gebruik wordt gemaakt van dubbele laserbronnen, is ook een van de effectieve methoden om stollingsscheuren te onderdrukken. Dubbele laserbronnen kunnen de transformatie van kolomvormige kristallen naar gelijkassige kristallen bewerkstelligen door de thermische cyclus te optimaliseren, waardoor de korrelgrootte en spanningsconcentratie worden verminderd. Wanneer bijvoorbeeld een CO₂-laser als primaire warmtebron en een Nd:YAG-pulslaser als secundaire warmtebron worden gebruikt, kan tijdens het lassen een geoptimaliseerde thermische cyclus worden gevormd, wat de vorming van gelijkassige kristallen bevordert en de gevoeligheid voor stollingsscheuren vermindert, zoals weergegeven in figuur 4.
Het optimaliseren van lasparameters is ook een belangrijk middel om stollingsscheuren te onderdrukken. Door parameters zoals laservermogen, lassnelheid en spotgrootte aan te passen, kunnen de warmte-inbreng en de temperatuurgradiënt tijdens het lasproces worden gecontroleerd, waardoor de stollingsstructuur en korrelmorfologie worden beïnvloed. Studies hebben aangetoond dat voorverwarming de afkoelsnelheid kan verlagen, de vorming van equiaxiale kristallen kan bevorderen en daardoor de gevoeligheid voor stollingsscheuren kan verminderen, zoals weergegeven in figuur 5. Daarnaast kunnen methoden zoals het gebruik van gepulseerd laserlassen en het verhogen van de lassnelheid ook de transformatie van kolomvormige kristallen naar equiaxiale kristallen bewerkstelligen door de warmte-inbreng en afkoelsnelheid te wijzigen, waardoor de gevoeligheid voor scheuren afneemt.
Figuur 5. a) Onverwarmde, b) op 300 °C voorverwarmde gelijkassige korrels.
Bij het lassen van ongelijke materialen met lasers, zijn er door de aanzienlijke verschillen in fysische en chemische eigenschappen van de materialen vaak broze intermetallische verbindingen gevormd. Deze verbindingen zijn een van de belangrijkste oorzaken van stollingsscheuren. Het aanpassen van laserparameters en -instellingen om de vorming of hoeveelheid van intermetallische verbindingen te verminderen, is daarom een belangrijke strategie om stollingsscheuren te voorkomen. Bijvoorbeeld, bij het laserlassen van koper en aluminium kan door het aanpassen van de offset van de laserstraal en de lassnelheid de mengverhouding van koper en aluminium in het smeltbad worden verlaagd. Dit vermindert de vorming van broze intermetallische verbindingen en de gevoeligheid voor scheuren. Daarnaast kan het gebruik van vulmaterialen de prestaties van de lasverbinding verbeteren en de vorming van scheuren verminderen. Vulmaterialen kunnen de vorming van intermetallische verbindingen verminderen door de samenstelling en microstructuur van de lasverbinding te veranderen en de taaiheid ervan te verbeteren.
Stollingsscheuren behoren tot de meest voorkomende defecten bij laserlassen. Het ontstaansmechanisme ervan is complex en omvat de interactie van meerdere factoren, zoals warmte, mechanica en metallurgie. Door het ontstaansmechanisme van stollingsscheuren grondig te bestuderen, kan een theoretische basis worden gelegd voor het onderdrukken ervan. De afgelopen jaren hebben onderzoekers verschillende strategieën voorgesteld om stollingsscheuren te onderdrukken, die zich voornamelijk richten op het beheersen van de korrelstructuur, het optimaliseren van de lasparameters en het verbeteren van de materiaaleigenschappen. De praktijk heeft bewezen dat deze strategieën de gevoeligheid voor stollingsscheuren tot op zekere hoogte effectief kunnen verminderen en de kwaliteit en betrouwbaarheid van laserlassen kunnen verbeteren. Vanwege de complexiteit en diversiteit van het laserlasproces zijn er echter nog steeds enkele tekortkomingen in het huidige onderzoek. Zo is bijvoorbeeld verder diepgaand onderzoek nodig naar de mechanismen waarmee stollingsscheuren onder verschillende materialen en lasomstandigheden worden geremd.
Geplaatst op: 20 maart 2025
