3. Proces spawania laserowego i optymalizacja parametrów
3.1 Sprzęt spawalniczy i konfiguracja
Spawanie laserowe najczęściej wykonuje się za pomocą automatycznych spawarek laserowych o maksymalnej mocy od 2,5 kW wzwyż. Proces często przeprowadza się w otaczającym powietrzu bez gazu osłonowego, co upraszcza operacje, a jednocześnie pozwala uzyskać solidne połączenia. Najważniejsze parametry, które można regulować, obejmują moc lasera, prędkość spawania, położenie ogniska, średnicę plamki i kąt padania wiązki.
3.2 Zoptymalizowane parametry z badań eksperymentalnych
Badania eksperymentalne wykazały wyraźną korelację pomiędzy parametrami spawania a wydajnością złącza. W badaniu, w którym zastosowano warstwę przejściową proszku prestopowego Cu-Co-Fe i Ni{3}}Cr-Cu- do spawania segmentów diamentowych z osnową stalową 30CrMo, optymalną wydajność spawania uzyskano przy mocy lasera 1600 W i prędkości spawania 1400 mm/min, co dało siłę zazębienia zębów 819 MPa.
Numeryczne badania symulacyjne z wykorzystaniem oprogramowania SYSWELD pozwoliły na dalsze udoskonalenie tych parametrów. Tworząc przekrojowy-skalowy model sprzężenia z wieloma-polami, obejmujący pole temperatury, transformację fazową, morfologię ziaren, pole naprężeń i wydajność zmęczeniową, badacze ustalili, że prędkość spawania wynosząca 26 mm/s i moc 1700 W minimalizują naprężenia spoiny, zmniejszają wartość cyfrowej korelacji objętości (DVC) i zwiększają odporność na zmęczenie. Testy spawania potwierdziły, że przy mocy 1700 W uzyskano największą wytrzymałość zęba, sięgającą 1200 MPa.
Niewielka rozbieżność między optymalnymi parametrami wykazanymi w różnych badaniach (1600 W vs. 1700 W) może odzwierciedlać różnice w składzie materiału, geometrii ostrza lub warunkach eksperymentalnych. Niemniej jednak zgodność rzędu wielkości-około 1,6–1,7 kW mocy i prędkości 23–26 mm/s-zapewnia solidne wskazówki dotyczące optymalizacji procesu.
3.3 Symulacja numeryczna procesu spawania
Złożoność spawania laserowego-obejmującego połączone zjawiska termiczne, mechaniczne i metalurgiczne-sprawia, że symulacja numeryczna jest nieocenionym narzędziem do projektowania i optymalizacji procesów. Zaawansowane modele wykorzystują trójwymiarowe gaussowskie źródło ciepła do przedstawienia profilu wiązki laserowej, co uwzględnia nie-równomierny rozkład energii powstający w-systemach laserowych dużej mocy.
Kluczową rolę odgrywa współczynnik jakości wiązki M², który opisuje odchylenia od idealnego profilu Gaussa. W praktyce wiązki laserowe-o dużej mocy często wykazują wartości M² w zakresie od 1,3 do 2,0, co skutkuje wydłużonymi profilami wiązki z wieloma wierzchołkami, a nie z jednym centralnym szczytem. Zniekształcenia te wpływają na pole temperatury i geometrię jeziorka, ostatecznie wpływając na jakość spoiny i właściwości mechaniczne. Wykazano, że współczynniki korekcyjne uwzględnione w modelach symulacyjnych poprawiają dokładność przewidywań, dając wyniki ściśle odpowiadające danym eksperymentalnym.
Obliczenia pola cieplnego obejmują rozwiązywanie nieliniowych równań przenoszenia ciepła w celu uzyskania przejściowych rozkładów temperatury w strefie spoiny. Model pola naprężeń uwzględnia całkowite odkształcenie jako sumę odkształcenia sprężystego, odkształcenia plastycznego, plastyczności-indukowanej transformacją fazową i odkształcenia termicznego. Takie kompleksowe modelowanie umożliwia przewidywanie naprężeń szczątkowych i ewolucji mikrostruktury, pomagając w wyborze optymalnych parametrów spawania bez szeroko zakrojonych eksperymentów-i-błędów.
4. Charakterystyka i właściwości mikrostrukturalne
4.1 Mikrostruktura strefy stopienia i-strefy wpływu ciepła
Mikrostruktura-spawanych laserowo brzeszczotów diamentowych wykazuje różne cechy w różnych strefach. Strefę stapiania (FZ) można podzielić na obszary bogate w miedź-i żelazo-, charakteryzujące się grubymi ziarnami bez widocznej preferowanej orientacji. Ta segregacja faz wynika z nierównowagowych warunków krzepnięcia, typowych dla spawania laserowego, gdzie szybkie szybkości chłodzenia uniemożliwiają całkowitą homogenizację stopu.
Strefa wpływu ciepła (HAZ) podłoża ze stali 30CrMo ma inną mikrostrukturę, składającą się głównie z-twardego, kruchego, hartowanego igieł-podobnego do martenzytu. Mikrotwardość w tym obszarze może gwałtownie wzrosnąć do wartości nawet 550 HV. Hartowanie to wynika z dużych szybkości chłodzenia, które powodują przemianę martenzytyczną w osnowie stali, co ma znaczący wpływ na wytrzymałość i podatność złącza na pękanie.
Analiza pękania pokazuje, że uszkodzenie zwykle występuje na granicy pomiędzy strefą wtopienia a strefą-wpływu ciepła, gdzie koncentracja naprężeń jest najbardziej wyraźna. Ta obserwacja podkreśla znaczenie optymalizacji parametrów spawania w celu zminimalizowania zasięgu utwardzonej SWC i zmniejszenia gradientów naprężeń międzyfazowych.
4.2 Mechaniczne mechanizmy działania i awarii
Siła zazębienia zębów służy jako główny wskaźnik oceny jakości połączenia w-spawanych laserowo brzeszczotach diamentowych. Jak zauważono powyżej, zoptymalizowane warunki spawania mogą dać wytrzymałość przekraczającą 800 MPa, a w niektórych przypadkach sięgającą 1200 MPa. Wartości te stanowią znaczną poprawę w porównaniu z wydajnością osiągalną przy użyciu konwencjonalnych metod łączenia.
Wydajność zmęczeniowa połączeń spawanych-laserowo to kolejna istotna kwestia, biorąc pod uwagę cykliczne obciążenie występujące podczas operacji cięcia. Symulacje numeryczne obejmujące ocenę cyklu życia wykazały, że obniżone wartości DVC korelują z lepszą odpornością zmęczeniową, co potwierdza zastosowanie minimalizacji naprężeń jako celu projektowego.
Defekty mikrostrukturalne, takie jak porowatość, szczególnie w strefie wtopienia, mogą służyć jako preferowane miejsca inicjacji pęknięć. Kontrola gęstości warstwy przejściowej i zapobieganie parowaniu pierwiastków są zatem niezbędne do uzyskania niezawodnego działania złącza.
