Dalam pembuatan moden,teknologi kimpalan laserdigunakan secara meluas dalam pelbagai bidang, daripada aeroangkasa kepada pembuatan automotif, daripada peralatan elektronik kepada peranti perubatan, dengan kelebihan kecekapan, ketepatan dan kebolehsuaian yang tinggi. Teras teknologi ini ialah interaksi laser dengan bahan, membentuk kolam lebur dan memejal dengan cepat, sekali gus membolehkan sambungan bahagian logam. Kolam kimpalan merupakan bidang utama dalam kimpalan laser, dan ciri-cirinya secara langsung menentukan kualiti kimpalan, mikrostruktur dan prestasi akhir. Oleh itu, pemahaman yang mendalam dan kawalan yang tepat terhadap ciri-ciri kolam lebur adalah sangat penting untuk meningkatkan tahap teknologi kimpalan laser dan memenuhi keperluan sambungan kimpalan berkualiti tinggi dalam pengeluaran perindustrian.
Geometri kolam cair
Geometri kolam kimpalan merupakan aspek penting dalam penyelidikan kimpalan laser, kerana ia secara langsung mempengaruhi pemindahan haba, aliran bahan dan kualiti kimpalan akhir semasa proses kimpalan. Bentuk kolam lebur biasanya digambarkan oleh kedalaman, lebar, nisbah aspek, geometri zon terjejas haba (HAZ), geometri lubang kunci dan geometri zon logam lebur (MMA). Parameter ini bukan sahaja menentukan saiz dan bentuk sambungan kimpalan, tetapi juga mempengaruhi kitaran haba, kadar penyejukan dan pembentukan mikrostruktur semasa proses kimpalan.
Jadual 1. Pengaruh parameter kimpalan laser terhadap parameter geometri setiap kolam kimpalan.
Kajian menunjukkan bahawa kuasa laser dan kelajuan kimpalan adalah dua parameter proses utama yang mempengaruhi geometri kolam kimpalan, seperti yang ditunjukkan dalam Jadual 1. Secara amnya, apabila kuasa laser meningkat dan kelajuan kimpalan berkurangan, kedalaman kolam kimpalan meningkat, manakala lebarnya berubah agak sedikit. Ini kerana kuasa laser yang lebih tinggi mampu memberikan lebih banyak tenaga, membolehkan bahan cair dan tersejat lebih cepat, menghasilkan lubang kunci dan kolam yang lebih dalam, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1. Walau bagaimanapun, apabila kuasa laser terlalu tinggi atau kelajuan kimpalan terlalu rendah, ia boleh menyebabkan bahan terlalu panas, penyejatan berlebihan, dan juga kesan perisai plasma, yang akan mengurangkan kualiti kimpalan. Oleh itu, dalam proses kimpalan sebenar, adalah perlu untuk memilih kuasa laser dan kelajuan kimpalan secara munasabah mengikut ciri bahan tertentu dan keperluan kimpalan untuk mendapatkan geometri kolam kimpalan yang ideal.
Rajah 1. Bentuk kimpalan berbeza yang dibentuk oleh kimpalan pengaliran haba laser dan kimpalan penembusan dalam laser.
Selain kuasa laser dan kelajuan kimpalan, sifat fizikal terma bahan, keadaan permukaan, gas pelindung dan faktor lain juga akan memberi kesan kepada geometri kolam kimpalan. Contohnya, semakin tinggi kekonduksian terma bahan, semakin cepat pemindahan haba melalui bahan, dan semakin cepat kadar penyejukan kolam lebur, yang boleh mengakibatkan saiz kolam lebur yang agak kecil. Kekasaran permukaan dan kebersihan bahan akan mempengaruhi kadar penyerapan laser, dan kemudian mempengaruhi pembentukan dan kestabilan kolam lebur. Di samping itu, jenis dan kadar aliran gas pelindung juga akan memberi kesan tertentu terhadap bentuk dan kualiti kolam lebur, gas pelindung yang sesuai dapat mencegah kolam lebur daripada pengoksidaan dan pencemaran dengan berkesan, tetapi juga dapat menyesuaikan tegangan permukaan dan ciri aliran kolam lebur, sehingga dapat meningkatkan kualiti kimpalan.
Rajah 2. Bentuk kolam lebur apabila laser berayun.
Dengan mengubah trajektori pancaran laser, goyangan laser boleh mempengaruhi bentuk dan ciri-ciri kolam lebur dengan ketara, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2. Apabila pancaran laser goyang, bentuk kolam lebur menjadi lebih seragam dan stabil. Pancaran laser berayun mewujudkan kawasan pemanasan yang lebih luas pada permukaan kolam, menjadikan tepi kolam lebih licin dan mengurangkan tepi tajam dan bentuk yang tidak sekata. Pemanasan seragam ini membantu meningkatkan kualiti dan sifat mekanikal sambungan kimpalan dan mengurangkan kecacatan kimpalan seperti retakan dan liang pori. Di samping itu, ayunan laser juga boleh meningkatkan kebendairan kolam lebur, menggalakkan pelepasan gas dan bendasing dalam kolam lebur, dan seterusnya meningkatkan ketumpatan dan keseragaman sambungan kimpalan.
Dinamik kolam cair
Termodinamik kolam lebur merupakan satu lagi bidang utama dalam penyelidikan kimpalan laser, yang melibatkan penyerapan, pemindahan dan penukaran tenaga laser dalam kolam lebur, serta taburan medan suhu, kadar penyejukan dan tingkah laku peralihan fasa yang disebabkan olehnya. Ciri-ciri termodinamik kolam kimpalan bukan sahaja menentukan bentuk dan saiz kolam kimpalan, tetapi juga secara langsung mempengaruhi mikrostruktur dan sifat mekanikal sambungan kimpalan.
Dalam proses kimpalan laser, selepas tenaga laser diserap oleh bahan, ia akan menghasilkan kawasan suhu tinggi dalam kolam lebur, menyebabkan bahan tersebut lebur dan tersejat. Pada masa yang sama, haba akan dipindahkan dari kawasan suhu tinggi ke kawasan suhu rendah melalui pengaliran haba, perolakan dan sinaran, supaya suhu bahan di sekitar kolam lebur akan meningkat, dan kemudian mempengaruhi mikrostruktur dan sifat bahan tersebut. Disebabkan saiznya yang kecil, kecerunan suhu yang besar dan kadar penyejukan kolam lebur yang cepat, adalah sangat sukar untuk mengukur medan suhu dan kadar penyejukan secara langsung. Oleh itu, kebanyakan kajian dijalankan untuk mengkaji sifat termodinamik kolam lebur dengan mewujudkan model matematik dan kaedah simulasi berangka.
Dalam model termodinamik kolam lebur, faktor utama berikut biasanya perlu dipertimbangkan: Pertama, mekanisme penyerapan tenaga laser, termasuk ciri-ciri pantulan, penyerapan dan penghantaran permukaan bahan, dan proses penyerakan dan penyerapan laser di dalam bahan. Bahan dan parameter laser yang berbeza akan membawa kepada kadar penyerapan dan taburan tenaga yang berbeza, yang akan mempengaruhi tingkah laku termodinamik kolam lebur. Kedua, sifat fizikal terma bahan, seperti kapasiti haba tentu, kekonduksian terma, ketumpatan, dan sebagainya, parameter ini akan berubah dengan perubahan suhu, yang mempunyai kesan penting terhadap proses pemindahan haba. Di samping itu, perlu juga mempertimbangkan aliran bendalir dan proses perubahan fasa dalam kolam lebur, seperti peleburan, penyejatan dan pemejalan, yang akan mengubah bentuk dan taburan medan suhu kolam lebur, tetapi juga mempengaruhi mikrostruktur dan sifat mekanikal bahan.
Melalui simulasi berangka dan kajian eksperimen, para penyelidik mendapati bahawa taburan medan suhu dalam kolam lebur biasanya menunjukkan ketidakseragaman yang ketara, kawasan suhu tinggi terutamanya tertumpu di kawasan tindakan laser dan lubang kunci, dan suhu secara beransur-ansur menurun ke tepi kolam lebur dan zon yang terjejas haba. Kadar penyejukan meningkat dengan pengurangan saiz kolam lebur dan peningkatan jarak dari kawasan laser. Secara amnya, kadar penyejukan adalah lebih rendah di tengah kolam lebur dan kawasan lubang kunci, manakala kadar penyejukan adalah lebih tinggi di tepi kolam lebur dan zon yang terjejas haba, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2. Medan suhu dan taburan kadar penyejukan yang tidak seragam ini akan membawa kepada perubahan kecerunan yang jelas dalam mikrostruktur sambungan kimpalan, seperti saiz butiran, komposisi fasa dan taburan, yang akan menjejaskan sifat mekanikal dan rintangan kakisan sambungan kimpalan.
Rajah 3. Keputusan simulasi pembentukan lubang kunci dan kolam lebur semasa kimpalan penembusan laser dalam plat keluli tahan karat.
Untuk meningkatkan ciri-ciri termodinamik kolam lebur, meningkatkan kualiti kimpalan dan mengurangkan kecacatan kimpalan, beberapa kaedah dan langkah pengoptimuman telah dicadangkan. Contohnya, dengan melaraskan parameter laser, seperti kuasa laser, kelajuan kimpalan, diameter titik, dan sebagainya, mod input dan taburan tenaga laser boleh diubah untuk mengoptimumkan medan suhu dan kadar penyejukan kolam lebur. Di samping itu, tingkah laku termodinamik dan evolusi mikrostruktur kolam lebur boleh diselaraskan dengan menggunakan prapemanasan, pascapemanasan, kimpalan berbilang laluan dan kaedah proses lain, serta menggunakan gas pelindung dan atmosfera kimpalan yang berbeza. Pada masa yang sama, membangunkan bahan kimpalan dan sistem aloi baharu untuk meningkatkan kestabilan haba dan prestasi kimpalan bahan juga merupakan salah satu cara penting untuk meningkatkan ciri-ciri termodinamik kolam lebur.
Ciri-ciri kolam kimpalan laser merupakan faktor utama yang mempengaruhi kualiti kimpalan, mikrostruktur dan sifat mekanikal. Kajian mendalam tentang geometri dan ciri-ciri termodinamik kolam kimpalan laser amat penting untuk mengoptimumkan proses kimpalan laser dan meningkatkan kecekapan dan kualiti kimpalan. Melalui sejumlah besar penyelidikan eksperimen dan analisis simulasi berangka, para penyelidik telah mencapai beberapa hasil penyelidikan penting, yang memberikan sokongan teori dan panduan teknikal yang kukuh untuk pembangunan dan aplikasi teknologi kimpalan laser. Walau bagaimanapun, masih terdapat beberapa kekurangan dalam penyelidikan semasa, seperti penyederhanaan model dan terlalu banyak andaian, dan ramalan ciri-ciri kolam leburan di bawah keadaan kerja yang kompleks tidak cukup tepat. Penyelidikan eksperimen yang sistematik dan komprehensif perlu diperbaiki, dan terdapat kekurangan penyelidikan mendalam tentang lebih banyak bahan dan parameter kimpalan.
Masa siaran: 28 Feb-2025
