3. Tối ưu hóa thông số và quy trình hàn laser
3.1 Thiết bị hàn và lắp đặt
Hàn laser thường được thực hiện bằng máy hàn laser tự động với công suất đầu ra tối đa trong khoảng 2,5 kW trở lên. Quá trình này thường được tiến hành trong không khí xung quanh mà không có khí bảo vệ, đơn giản hóa các hoạt động trong khi vẫn đạt được các mối nối chắc chắn. Các thông số điều chỉnh chính bao gồm công suất laser, tốc độ hàn, vị trí lấy nét, đường kính điểm và góc tới của chùm tia.
3.2 Các thông số tối ưu từ nghiên cứu thực nghiệm
Các cuộc điều tra thực nghiệm đã thiết lập được mối tương quan rõ ràng giữa các thông số hàn và hiệu suất của mối nối. Trong một nghiên cứu sử dụng lớp chuyển tiếp bột hợp kim Cu-Co-Fe và Ni-Cr-Cu-để hàn các đoạn kim cương với ma trận thép 30CrMo, hiệu suất hàn tối ưu đã đạt được ở công suất laser 1600 W và tốc độ hàn 1400 mm/phút, mang lại cường độ bám răng là 819 MPa .
Các nghiên cứu mô phỏng số sử dụng phần mềm SYSWELD đã cải tiến thêm các thông số này. Bằng cách thiết lập mô hình ghép trường đa{1}}quy mô chéo{2}}kết hợp trường nhiệt độ, biến đổi pha, hình thái hạt, trường ứng suất và hiệu suất mỏi, các nhà nghiên cứu đã xác định rằng tốc độ hàn 26 mm/s và công suất 1700 W đã giảm thiểu ứng suất hàn, giảm giá trị tương quan âm lượng kỹ thuật số (DVC) và tăng cường khả năng chống mỏi . Các thử nghiệm hàn xác nhận rằng điều kiện 1700 W tạo ra độ bền răng cao nhất, đạt 1200 MPa.
Sự khác biệt nhỏ giữa các thông số tối ưu được báo cáo bởi các nghiên cứu khác nhau (1600 W so với. 1700 W) có thể phản ánh sự khác biệt về thành phần vật liệu, hình dạng cánh hoặc điều kiện thí nghiệm. Tuy nhiên, sự nhất quán về thứ tự cường độ-công suất khoảng 1,6–1,7 kW và tốc độ 23–26 mm/s-cung cấp hướng dẫn mạnh mẽ cho việc tối ưu hóa quy trình.
3.3 Mô phỏng số của quá trình hàn
Sự phức tạp của hàn laze-liên quan đến các hiện tượng nhiệt, cơ học và luyện kim kết hợp-làm cho mô phỏng số trở thành một công cụ vô giá để thiết kế và tối ưu hóa quy trình. Các mô hình nâng cao sử dụng nguồn nhiệt Gaussian 3D để thể hiện cấu hình chùm tia laze, giải thích cho sự phân bố năng lượng không-đồng nhất phát sinh trong các hệ thống laze công suất-cao.
Hệ số chất lượng chùm tia M2, mô tả độ lệch so với cấu hình Gaussian lý tưởng, đóng một vai trò quan trọng. Trong thực tế, các chùm tia laser công suất cao-thường biểu hiện các giá trị M² trong khoảng từ 1,3 đến 2,0, dẫn đến cấu hình chùm tia kéo dài với nhiều đỉnh thay vì một đỉnh trung tâm duy nhất. Những biến dạng này ảnh hưởng đến trường nhiệt độ và hình dạng bể nóng chảy, cuối cùng ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn và tính chất cơ học. Các hệ số hiệu chỉnh được tích hợp vào các mô hình mô phỏng đã được chứng minh là cải thiện độ chính xác của dự đoán, mang lại kết quả gần giống với dữ liệu thực nghiệm.
Việc tính toán trường nhiệt bao gồm việc giải các phương trình truyền nhiệt phi tuyến để thu được sự phân bố nhiệt độ nhất thời trên vùng hàn. Mô hình trường ứng suất coi biến dạng tổng là tổng của biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo, độ dẻo biến đổi pha-gây ra và biến dạng nhiệt. Việc lập mô hình toàn diện như vậy cho phép dự đoán ứng suất dư và sự phát triển vi cấu trúc, hướng dẫn lựa chọn các thông số hàn tối ưu mà không cần thử nghiệm-và-lỗi trên diện rộng.
4. Đặc điểm và tính chất cấu trúc vi mô
4.1 Cấu trúc vi mô của Vùng nhiệt hạch và Vùng bị ảnh hưởng nhiệt-
Cấu trúc vi mô của lưỡi cưa kim cương hàn-bằng laser thể hiện những đặc điểm riêng biệt ở các vùng khác nhau. Vùng nhiệt hạch (FZ) có thể được chia thành các vùng giàu đồng-và sắt-, đặc trưng bởi các hạt thô không có hướng ưu tiên rõ ràng . Sự phân chia pha này phát sinh từ các điều kiện hóa rắn không{5}}cân bằng điển hình của hàn laze, trong đó tốc độ làm nguội nhanh ngăn cản quá trình đồng nhất hoàn toàn của hợp kim.
Vùng chịu ảnh hưởng nhiệt (HAZ) của nền thép 30CrMo có cấu trúc vi mô khác, chủ yếu bao gồm độ cứng cao, kim được làm nguội dễ gãy-như martensite. Độ cứng vi mô trong vùng này có thể tăng mạnh tới giá trị cao tới 550 HV. Sự đông cứng này là kết quả của tốc độ làm nguội nhanh tạo ra sự biến đổi martensitic trong ma trận thép, điều này có ý nghĩa quan trọng đối với độ bền và khả năng bị nứt của mối nối.
Phân tích vết nứt cho thấy rằng sự phá hủy có xu hướng xảy ra ở ranh giới giữa vùng nhiệt hạch và vùng bị ảnh hưởng nhiệt-, nơi tập trung ứng suất rõ rệt nhất . Quan sát này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc tối ưu hóa các thông số hàn để giảm thiểu mức độ HAZ cứng lại và giảm độ dốc ứng suất bề mặt.
4.2 Cơ chế hoạt động và hư hỏng cơ học
Độ bền ăn khớp của răng đóng vai trò là thước đo chính để đánh giá chất lượng mối nối trong lưỡi cưa kim cương hàn-bằng laser. Như đã lưu ý ở trên, điều kiện hàn được tối ưu hóa có thể mang lại cường độ vượt quá 800 MPa và trong một số trường hợp có thể đạt tới 1200 MPa. Những giá trị này thể hiện sự cải thiện đáng kể so với hiệu suất có thể đạt được bằng các phương pháp nối thông thường.
Hiệu suất mỏi của các mối nối hàn bằng laser-là một vấn đề quan trọng khác cần cân nhắc do tải trọng theo chu kỳ xảy ra trong quá trình cắt. Mô phỏng số kết hợp với đánh giá vòng đời đã xác định rằng giá trị DVC giảm tương quan với khả năng chống mỏi được cải thiện, xác nhận việc sử dụng giảm thiểu ứng suất làm mục tiêu thiết kế.
Các khiếm khuyết về cấu trúc vi mô như độ xốp, đặc biệt là ở vùng nhiệt hạch, có thể đóng vai trò là vị trí bắt đầu vết nứt ưu tiên. Do đó, việc kiểm soát mật độ lớp chuyển tiếp và ngăn chặn sự bay hơi của nguyên tố là rất cần thiết để đạt được hiệu quả hoạt động đáng tin cậy của mối nối.
