Saldatura à fasciu laser, cù a so alta velocità, alta precisione è caratteristiche senza cuntattu, hè largamente applicatu in campi cum'è l'automobile, l'aerospaziale è i dispositivi elettronichi, mustrendu in particulare vantaghji unichi in a cunnessione di materiali dissimili. Tuttavia, e crepe di solidificazione (Solidification Cracking) generate durante u prucessu di saldatura sò unu di i difetti chjave chì limitanu a so applicazione industriale. Queste crepe si verificanu di solitu à a fine di a solidificazione in a zona di fusione (Fusion Zone), scatenate da l'effetti cumminati di u stress termicu, a ritirata di solidificazione è u film liquidu nantu à i limiti di i grani, riducendu significativamente e proprietà meccaniche è a durata di fatica di a giunzione.
1. Meccanismu di furmazione
U mecanismu principale di e crepe di solidificazione si trova in u filmu liquidu residuale à i limiti di i grani à a fine di a solidificazione. Durante u prucessu di solidificazione, u bagnu fusu hè divisu in trè zone: a zona liquida libera, a zona liquida ristretta è a zona solida, cum'è mostratu in a Figura 1. In a zona liquida ristretta, u flussu di liquidu hè bluccatu è ùn pò micca cumpensà a tensione generata da a ritirata di solidificazione, risultendu in a separazione di i limiti di i grani. U rapportu trà l'energia di i limiti di i grani (γgb) è l'energia di l'interfaccia solidu-liquidu (γsl) determina a stabilità di u filmu liquidu: se γgb < 2γsl, u filmu liquidu hè instabile è si verifica a coalescenza di i grani; à u cuntrariu, u filmu liquidu hè stabile è hè prubabile chì si verifichi l'iniziu di e crepe.
Inoltre, a furmazione di crepe di solidificazione hè ancu ligata à e proprietà metallurgiche di i materiali. Diversi materiali anu caratteristiche di solidificazione distinte, cum'è a gamma di temperatura di solidificazione, a velocità di ritirata di solidificazione è a distribuzione di l'elementi di lega, ecc. Queste caratteristiche influenzanu a sensibilità di e crepe. Per esempiu, in i materiali chì cuntenenu una grande quantità di fasi eutettiche à bassu puntu di fusione, a sensibilità di e crepe di solidificazione hè più alta perchè queste fasi eutettiche sò propensi à furmà filmi liquidi continui durante a solidificazione, intensificendu cusì a furmazione di crepe.
Durante uprucessu di saldatura laserI parametri di saldatura cum'è a putenza di u laser, a velocità di saldatura è a dimensione di u puntu anu ancu un impattu nantu à a furmazione di crepe di solidificazione. Quessi parametri influenzanu l'apportu di calore è u gradiente di temperatura durante u prucessu di saldatura, alterendu cusì a struttura di solidificazione è a morfologia di i grani. Per esempiu, una putenza laser più alta è una velocità di saldatura più bassa risultanu in un apportu di calore più grande è una velocità di raffreddamentu più lenta, chì prumove a crescita di cristalli colonnari è aumenta a sensibilità à e crepe. À u cuntrariu, una putenza laser più bassa è una velocità di saldatura più alta portanu à un apportu di calore più chjucu è una velocità di raffreddamentu più rapida, facilitendu a furmazione di cristalli equiassiali è riducendu a sensibilità à e crepe.
2. Misure di soppressione
Per supprimà efficacemente e crepe di solidificazione insaldatura laser, i circadori anu prupostu diverse strategie, chì si focalizanu principalmente nantu à u cuntrollu di a struttura di i grani, l'ottimisazione di i parametri di saldatura è u miglioramentu di e proprietà di i materiali. Raffinendu a struttura di i grani, u numeru di limiti di i grani pò esse aumentatu, è a cuncentrazione di stress pò esse ridutta, riducendu cusì a furmazione di crepe. Studi anu dimustratu chì aduprendu a tecnulugia di oscillazione di u fasciu laser, i cristalli colonnari ponu esse trasformati in cristalli equiassiali fini senza aghjunghje altri materiali. L'oscillazione di u fasciu laser pò disperse l'energia laser, pruvucendu a generazione di turbulenza da u bagnu fusu, rumpendu cusì a direzzione di crescita di i cristalli colonnari è prumovendu a furmazione di cristalli equiassiali, cum'è mostratu in a Figura 3. Inoltre, l'oscillazione di u fasciu laser pò ancu aumentà a larghezza di u bagnu fusu, riduce u gradiente di temperatura è prulungà u tempu di solidificazione di u bagnu fusu, chì hè favurevule à a diffusione di i suluti è à u rifornimentu di filmi liquidi, riducendu cusì significativamente a sensibilità di e crepe di solidificazione.
Distribuzione di filmi liquidi à bordu di granu sottu diverse forme di piscina.
Schema di u bagnu fusu di saldatura, a, b) senza oscillazione, c, d) oscillazione laterale, e, f) oscillazione longitudinale, g, h) oscillazione circunferenziale.
In più di uraghju laserA tecnulugia d'oscillazione, aduprendu fonti laser duali, hè ancu unu di i metudi efficaci per supprimà e crepe di solidificazione. E fonti laser duali ponu ottene a trasfurmazione da cristalli colonnari à cristalli equiassiali ottimizendu u ciclu termicu, riducendu cusì a dimensione di i grani è a cuncentrazione di tensione. Per esempiu, quandu si usa u laser CO₂ cum'è fonte di calore principale è u laser pulsatu Nd:YAG cum'è fonte di calore ausiliaria, si pò furmà un ciclu termicu ottimizatu durante a saldatura, prumove a furmazione di cristalli equiassiali è riducendu a sensibilità di e crepe di solidificazione, cum'è mostratu in a Figura 4.
L'ottimisazione di i parametri di saldatura hè ancu un mezzu impurtante per supprimà e crepe di solidificazione. Aghjustendu parametri cum'è a putenza di u laser, a velocità di saldatura è a dimensione di u puntu, l'apportu di calore è u gradiente di temperatura durante u prucessu di saldatura ponu esse cuntrullati, influenzendu cusì a struttura di solidificazione è a morfologia di i grani. Studi anu dimustratu chì u trattamentu di preriscaldamentu pò riduce a velocità di raffreddamentu, prumove a furmazione di cristalli equiassiali è cusì riduce a sensibilità di e crepe di solidificazione, cum'è mostratu in a Figura 5. Inoltre, i metudi cum'è l'usu di a saldatura laser pulsata è l'aumentu di a velocità di saldatura ponu ancu ottene a trasfurmazione da cristalli colonnari à cristalli equiassiali cambiendu l'apportu di calore è a velocità di raffreddamentu, riducendu cusì a sensibilità di e crepe.
Figura 5. a) Micca riscaldatu, b) Grani equiassiali preriscaldati à 300 °C.
Quandu si saldanu materiali dissimili cù laser, per via di e differenze significative in e proprietà fisiche è chimiche trà i materiali, i cumposti intermetallici fragili sò propensi à furmà si, chì sò una di e cause principali di crepe di solidificazione. Dunque, l'aghjustamentu di i parametri è di l'impostazioni di u laser per riduce a furmazione o a quantità di cumposti intermetallici hè ancu una strategia impurtante per supprime e crepe di solidificazione. Per esempiu, in a saldatura laser di materiali dissimili rame-aluminiu, cuntrullendu l'offset di u raghju laser è a velocità di saldatura, u rapportu di mischju di rame è aluminiu in u bagnu fusu pò esse riduttu, diminuendu cusì a furmazione di cumposti intermetallici fragili è riducendu a sensibilità di e crepe. Inoltre, l'usu di materiali di riempimentu pò ancu migliurà e prestazioni di u giuntu saldatu è riduce a furmazione di crepe. I materiali di riempimentu ponu riduce a furmazione di cumposti intermetallici cambiendu a cumpusizione è a microstruttura di u giuntu saldatu è migliurà a tenacità di u giuntu saldatu.
E crepe di solidificazione sò unu di i difetti cumuni in i prucessi di saldatura laser. U so mecanismu di furmazione hè cumplessu è implica l'interazione di parechji fattori cum'è u calore, a meccanica è a metallurgia. Studiendu in prufundità u mecanismu di furmazione di e crepe di solidificazione, si pò furnisce una basa teorica per a suppressione di e crepe. In l'ultimi anni, i circadori anu prupostu diverse strategie per supprime e crepe di solidificazione, chì si focalizanu principalmente nantu à u cuntrollu di a struttura di i grani, l'ottimisazione di i parametri di saldatura è u miglioramentu di e proprietà di i materiali. A pratica hà dimustratu chì queste strategie ponu riduce efficacemente a sensibilità di e crepe di solidificazione finu à un certu puntu è migliurà a qualità è l'affidabilità di a saldatura laser. Tuttavia, per via di a cumplessità è di a diversità di u prucessu di saldatura laser, ci sò sempre alcune carenze in a ricerca attuale. Per esempiu, per i meccanismi d'inibizione di e crepe di solidificazione sottu diversi materiali è cundizioni di saldatura, hè sempre necessaria una ricerca più approfondita.
Data di publicazione: 20 di marzu di u 2025
