Soldadura por raio láser, coa súa alta velocidade, alta precisión e características sen contacto, aplícase amplamente en campos como o automóbil, a industria aeroespacial e os dispositivos electrónicos, mostrando especialmente vantaxes únicas na conexión de materiais diferentes. Non obstante, as gretas de solidificación (Solidification Cracking) xeradas durante o proceso de soldadura son un dos defectos clave que restrinxen a súa aplicación industrial. Estas gretas adoitan producirse ao final da solidificación na zona de fusión (Fusion Zone), desencadeadas polos efectos combinados da tensión térmica, a retracción da solidificación e a película líquida nos límites de gran, o que reduce significativamente as propiedades mecánicas e a vida útil á fatiga da unión.
1. Mecanismo de formación
O mecanismo central das fendas de solidificación reside na película líquida residual nos límites de gran ao final da solidificación. Durante o proceso de solidificación, o baño fundido divídese en tres zonas: a zona líquida libre, a zona líquida restrinxida e a zona sólida, como se mostra na Figura 1. Na zona líquida restrinxida, o fluxo de líquido está bloqueado e non pode compensar a tensión xerada pola contracción da solidificación, o que resulta na separación do límite de gran. A relación entre a enerxía do límite de gran (γgb) e a enerxía da interface sólido-líquido (γsl) determina a estabilidade da película líquida: se γgb < 2γsl, a película líquida é inestable e prodúcese a coalescencia do gran; pola contra, a película líquida é estable e é probable que se produza a iniciación de fendas.
Ademais, a formación de gretas de solidificación tamén está relacionada coas propiedades metalúrxicas dos materiais. Os diferentes materiais teñen distintas características de solidificación, como o rango de temperatura de solidificación, a taxa de retracción da solidificación e a distribución dos elementos de aliaxe, etc. Estas características inflúen na sensibilidade das gretas. Por exemplo, en materiais que conteñen unha gran cantidade de fases eutécticas de baixo punto de fusión, a sensibilidade das gretas de solidificación é maior porque estas fases eutécticas son propensas a formar películas líquidas continuas durante a solidificación, intensificando así a formación de gretas.
Durante oproceso de soldadura láser, os parámetros de soldadura como a potencia do láser, a velocidade de soldadura e o tamaño do punto tamén inflúen na formación de gretas de solidificación. Estes parámetros afectan á entrada de calor e ao gradiente de temperatura durante o proceso de soldadura, alterando así a estrutura de solidificación e a morfoloxía do gran. Por exemplo, unha maior potencia do láser e unha menor velocidade de soldadura resultan nunha maior entrada de calor e nunha velocidade de arrefriamento máis lenta, o que promove o crecemento de cristais columnares e aumenta a sensibilidade ás gretas. Pola contra, unha menor potencia do láser e unha maior velocidade de soldadura provocan unha menor entrada de calor e unha velocidade de arrefriamento máis rápida, o que facilita a formación de cristais equiaxiales e reduce a sensibilidade ás gretas.
2. Medidas de supresión
Para suprimir eficazmente as gretas de solidificación ensoldadura láser, os investigadores propuxeron varias estratexias, que se centran principalmente no control da estrutura do gran, na optimización dos parámetros de soldadura e na mellora das propiedades do material. Ao refinar a estrutura do gran, pódese aumentar o número de límites de gran e pódese reducir a concentración de tensión, o que reduce a formación de gretas. Os estudos demostraron que, mediante o uso da tecnoloxía de oscilación do feixe láser, os cristais columnares pódense transformar en cristais equiaxiales finos sen engadir outros materiais. A oscilación do feixe láser pode dispersar a enerxía do láser, facendo que o xacemento fundido xere turbulencia, rompendo así a dirección de crecemento dos cristais columnares e promovendo a formación de cristais equiaxiales, como se mostra na Figura 3. Ademais, a oscilación do feixe láser tamén pode aumentar o ancho do xacemento fundido, reducir o gradiente de temperatura e prolongar o tempo de solidificación do xacemento fundido, o que favorece a difusión de solutos e a reposición de películas líquidas, o que reduce significativamente a sensibilidade das gretas de solidificación.
Distribución de películas líquidas no límite de gran baixo diferentes formas de piscina.
Diagrama esquemático do baño de metal fundido para soldadura, a, b) sen oscilación, c, d) oscilación lateral, e, f) oscilación lonxitudinal, g, h) oscilación circunferencial.
Ademais doraio láserA tecnoloxía de oscilación, que emprega fontes láser duplas, tamén é un dos métodos máis eficaces para suprimir as fendas de solidificación. As fontes láser duplas poden lograr a transformación de cristais columnares a cristais equiaxiales optimizando o ciclo térmico, reducindo así o tamaño do gran e a concentración de deformación. Por exemplo, ao usar un láser de CO₂ como fonte de calor principal e un láser pulsado de Nd:YAG como fonte de calor auxiliar, pódese formar un ciclo térmico optimizado durante a soldadura, o que promove a formación de cristais equiaxiales e reduce a sensibilidade das fendas de solidificación, como se mostra na Figura 4.
A optimización dos parámetros de soldadura tamén é un medio importante para suprimir as fendas de solidificación. Axustando parámetros como a potencia do láser, a velocidade de soldadura e o tamaño do punto, pódese controlar a entrada de calor e o gradiente de temperatura durante o proceso de soldadura, o que inflúe na estrutura de solidificación e na morfoloxía do gran. Os estudos demostraron que o tratamento de prequecemento pode reducir a velocidade de arrefriamento, promover a formación de cristais equiaxiales e, polo tanto, reducir a sensibilidade das fendas de solidificación, como se mostra na Figura 5. Ademais, métodos como o uso da soldadura por láser pulsado e o aumento da velocidade de soldadura tamén poden lograr a transformación de cristais columnares a cristais equiaxiales cambiando a entrada de calor e a velocidade de arrefriamento, o que reduce a sensibilidade das fendas.
Figura 5. a) Sen quentar, b) Grans equiaxiales prequentados a 300 °C.
Ao soldar materiais diferentes con láser, debido ás diferenzas significativas nas propiedades físicas e químicas entre os materiais, son propensos a formar compostos intermetálicos fráxiles, que son unha das principais causas das gretas de solidificación. Polo tanto, axustar os parámetros e a configuración do láser para reducir a formación ou a cantidade de compostos intermetálicos tamén é unha estratexia importante para suprimir as gretas de solidificación. Por exemplo, na soldadura por láser de materiais diferentes de cobre e aluminio, ao controlar o desprazamento do feixe láser e a velocidade de soldadura, pódese reducir a proporción de mestura de cobre e aluminio no baño fundido, diminuíndo así a formación de compostos intermetálicos fráxiles e reducindo a sensibilidade das gretas. Ademais, o uso de materiais de recheo tamén pode mellorar o rendemento da unión soldada e reducir a formación de gretas. Os materiais de recheo poden reducir a formación de compostos intermetálicos ao cambiar a composición e a microestrutura da unión soldada e mellorar a tenacidade da unión soldada.
As gretas de solidificación son un dos defectos máis comúns nos procesos de soldadura por láser. O seu mecanismo de formación é complexo e implica a interacción de múltiples factores como a calor, a mecánica e a metalurxia. Ao estudar en profundidade o mecanismo de formación das gretas de solidificación, pódense proporcionar bases teóricas para a súa supresión. Nos últimos anos, os investigadores propuxeron varias estratexias para suprimir as gretas de solidificación, que se centran principalmente no control da estrutura do gran, a optimización dos parámetros de soldadura e a mellora das propiedades dos materiais. A práctica demostrou que estas estratexias poden reducir eficazmente a sensibilidade das gretas de solidificación ata certo punto e mellorar a calidade e a fiabilidade da soldadura por láser. Non obstante, debido á complexidade e diversidade do proceso de soldadura por láser, aínda existen algunhas deficiencias na investigación actual. Por exemplo, para os mecanismos de inhibición das gretas de solidificación en diferentes materiais e condicións de soldadura, aínda se necesita unha investigación máis profunda.
Data de publicación: 20 de marzo de 2025
