3. Lāzermetināšanas process un parametru optimizācija
3.1. Metināšanas iekārtas un uzstādīšana
Lāzermetināšana parasti tiek veikta, izmantojot automātiskos lāzermetinātājus, kuru maksimālā jauda ir 2,5 kW vai lielāka. Process bieži tiek veikts apkārtējā gaisā bez aizsarggāzes, vienkāršojot darbības, vienlaikus panākot stabilus savienojumus. Galvenie regulējamie parametri ir lāzera jauda, metināšanas ātrums, fokusa pozīcija, vietas diametrs un staru kūļa leņķis.
3.2. Eksperimentālo pētījumu optimizētie parametri
Eksperimentālie pētījumi ir atklājuši skaidras korelācijas starp metināšanas parametriem un savienojuma veiktspēju. Pētījumā, kurā tika izmantots Cu-Co-Fe un Ni-Cr-Cu{-leģētais pulverveida pārejas slānis dimanta segmentu metināšanai ar 30CrMo tērauda matricu, optimālā metināšanas veiktspēja tika sasniegta ar lāzera jaudu 1600 W un metināšanas ātrumu no 1 min.40 mm. 819 MPa.
Skaitliskās simulācijas pētījumi, izmantojot SYSWELD programmatūru, ir vēl vairāk uzlabojuši šos parametrus. Izveidojot krusta-mēroga daudzlauku savienojuma modeli, kas ietver temperatūras lauku, fāzes transformāciju, graudu morfoloģiju, sprieguma lauku un noguruma veiktspēju, pētnieki konstatēja, ka metināšanas ātrums 26 mm/s un jauda 1700 W samazina metināšanas spriegumu, samazināja digitālās tilpuma korelācijas (DVC) vērtību un uzlaboja pretestību. Metināšanas testi apstiprināja, ka 1700 W nosacījums radīja vislielāko zobu izturību, sasniedzot 1200 MPa.
Nelielā neatbilstība starp optimālajiem parametriem, par kuriem ziņots dažādos pētījumos (1600 W pret . 1700 W), var atspoguļot atšķirības materiāla sastāvā, asmens ģeometrijā vai eksperimentālos apstākļos. Tomēr konsekvence pēc lieluma -aptuveni 1,6–1,7 kW jauda un 23–26 mm/s ātrums-nodrošina stabilus norādījumus procesa optimizācijai.
3.3. Metināšanas procesa skaitliskā simulācija
Lāzermetināšanas sarežģītība -ietver savienotas termiskās, mehāniskās un metalurģijas parādības-padara skaitlisko simulāciju par nenovērtējamu rīku procesu projektēšanai un optimizēšanai. Uzlabotajos modeļos tiek izmantots 3D Gausa siltuma avots, lai attēlotu lāzera stara profilu, ņemot vērā ne-vienmērīgo enerģijas sadalījumu, kas rodas lielas-jaudas lāzersistēmās.
Izšķiroša loma ir staru kūļa kvalitātes faktoram M², kas raksturo novirzes no ideāla Gausa profila. Praksē lielas -jaudas lāzera stariem bieži ir M² vērtības diapazonā no 1,3 līdz 2,0, tādējādi radot iegarenus staru profilus ar vairākām virsotnēm, nevis vienu centrālo maksimumu. Šie kropļojumi ietekmē temperatūras lauku un izkausētā baseina ģeometriju, galu galā ietekmējot metinājuma kvalitāti un mehāniskās īpašības. Ir pierādīts, ka simulācijas modeļos iekļautie korekcijas faktori uzlabo prognozēšanas precizitāti, sniedzot rezultātus, kas cieši atbilst eksperimentālajiem datiem .
Termiskā lauka aprēķins ietver nelineāru siltuma pārneses vienādojumu atrisināšanu, lai iegūtu pārejošus temperatūras sadalījumus metināšanas zonā. Sprieguma lauka modelī kopējā deformācija tiek uzskatīta par elastīgo deformāciju, plastisko deformāciju, fāzes transformācijas -izraisītās plastiskuma un termiskās deformācijas summu. Šāda visaptveroša modelēšana ļauj prognozēt atlikušos spriegumus un mikrostruktūras attīstību, vadot optimālo metināšanas parametru izvēli bez plašiem izmēģinājumiem-un-kļūdām.
4. Mikrostruktūras raksturojums un īpašības
4.1. Kodolsintēzes zonas un siltuma{1}}ietekmētās zonas mikrostruktūra
Lāzer{0}}metināto dimanta zāģa asmeņu mikrostruktūrai dažādās zonās ir atšķirīgas iezīmes. Sapludināšanas zonu (FZ) var iedalīt ar varu -bagātos un ar dzelzi- bagātos reģionos, kam raksturīgi rupji graudi bez acīmredzamas vēlamās orientācijas. Šī fāzu segregācija rodas no ne-līdzsvara sacietēšanas apstākļiem, kas raksturīgi lāzermetināšanai, kad strauji dzesēšanas ātrumi novērš sakausējuma pilnīgu homogenizāciju.
30CrMo tērauda substrāta karstuma -ietekmētajai zonai (HAZ) ir atšķirīga mikrostruktūra, kas galvenokārt sastāv no augstas -cietības, trauslas rūdītas adatas-, piemēram, martensīta. Mikrocietība šajā reģionā var strauji palielināties līdz pat 550 HV vērtībām. Šī sacietēšana rodas no ātrajiem dzesēšanas ātrumiem, kas izraisa martensīta transformāciju tērauda matricā, kam ir būtiska ietekme uz savienojuma stingrību un jutīgumu pret plaisāšanu.
Lūzumu analīze atklāj, ka atteice mēdz notikt pie robežas starp saplūšanas zonu un siltuma -ietekmēto zonu, kur sprieguma koncentrācija ir visizteiktākā. Šis novērojums uzsver metināšanas parametru optimizēšanas nozīmi, lai samazinātu sacietējušā HAZ apjomu un samazinātu saskarnes sprieguma gradientus.
4.2. Mehāniskā veiktspēja un atteices mehānismi
Zobu saķeres stiprums kalpo kā primārais rādītājs, lai novērtētu šuvju kvalitāti ar lāzeru{0}}metinātām dimanta zāģa asmeņiem. Kā minēts iepriekš, optimizēti metināšanas apstākļi var nodrošināt stiprību, kas pārsniedz 800 MPa un dažos gadījumos sasniedz 1200 MPa. Šīs vērtības ir ievērojams uzlabojums salīdzinājumā ar veiktspēju, kas ir sasniedzama ar parastajām savienošanas metodēm.
Lāzer{0}}metināto savienojumu noguruma veiktspēja ir vēl viens būtisks apsvērums, ņemot vērā griešanas laikā piedzīvoto ciklisko slodzi. Skaitliskās simulācijas, kas ietver dzīves cikla novērtējumu, ir atklājušas, ka samazinātas DVC vērtības korelē ar uzlabotu noguruma izturību, apstiprinot stresa samazināšanas izmantošanu kā dizaina mērķi.
Mikrostrukturālie defekti, piemēram, porainība, jo īpaši saplūšanas zonā, var kalpot par prioritārām plaisu ierosināšanas vietām. Tāpēc pārejas slāņa blīvuma kontrole un elementu iztvaikošanas novēršana ir būtiska, lai panāktu uzticamu savienojumu veiktspēju.
