Kimpalan Pancaran Laser, dengan kelajuan tinggi, ketepatan tinggi dan ciri-ciri tanpa sentuhan, digunakan secara meluas dalam bidang seperti automobil, aeroangkasa dan peranti elektronik, terutamanya menunjukkan kelebihan unik dalam penyambungan bahan yang berbeza. Walau bagaimanapun, retakan pemejalan (Retakan Pemejalan) yang dihasilkan semasa proses kimpalan adalah salah satu kecacatan utama yang menyekat aplikasi perindustriannya. Retakan ini biasanya berlaku pada akhir pemejalan di zon pelakuran (Zon Pelakuran), yang dicetuskan oleh kesan gabungan tekanan haba, pengecutan pemejalan dan filem cecair pada sempadan butiran, sekali gus mengurangkan sifat mekanikal dan jangka hayat lesu sambungan dengan ketara.
1. Mekanisme pembentukan
Mekanisme teras retakan pemejalan terletak pada filem cecair sisa pada sempadan butiran pada akhir pemejalan. Semasa proses pemejalan, kolam lebur dibahagikan kepada tiga zon: zon cecair bebas, zon cecair terhad, dan zon pepejal, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1. Dalam zon cecair terhad, aliran cecair disekat dan tidak dapat mengimbangi ketegangan yang dihasilkan oleh pengecutan pemejalan, mengakibatkan pemisahan sempadan butiran. Nisbah tenaga sempadan butiran (γgb) kepada tenaga antara muka pepejal-cecair (γsl) menentukan kestabilan filem cecair: jika γgb < 2γsl, filem cecair tidak stabil dan penggabungan butiran berlaku; sebaliknya, filem cecair stabil dan permulaan retakan mudah berlaku.
Tambahan pula, pembentukan retakan pemejalan juga berkaitan dengan sifat metalurgi bahan tersebut. Bahan yang berbeza mempunyai ciri-ciri pemejalan yang berbeza, seperti julat suhu pemejalan, kadar pengecutan pemejalan, dan taburan unsur aloi, dan sebagainya. Ciri-ciri ini mempengaruhi sensitiviti retakan. Contohnya, dalam bahan yang mengandungi sejumlah besar fasa eutektik takat lebur rendah, sensitiviti retakan pemejalan adalah lebih tinggi kerana fasa eutektik ini cenderung membentuk filem cecair berterusan semasa pemejalan, sekali gus memperhebatkan pembentukan retakan.
Semasaproses kimpalan laser, parameter kimpalan seperti kuasa laser, kelajuan kimpalan dan saiz bintik juga memberi kesan kepada pembentukan retakan pemejalan. Parameter ini mempengaruhi input haba dan kecerunan suhu semasa proses kimpalan, sekali gus mengubah struktur pemejalan dan morfologi butiran. Contohnya, kuasa laser yang lebih tinggi dan kelajuan kimpalan yang lebih rendah menghasilkan input haba yang lebih besar dan kadar penyejukan yang lebih perlahan, yang menggalakkan pertumbuhan kristal kolumnar dan meningkatkan kepekaan retakan. Sebaliknya, kuasa laser yang lebih rendah dan kelajuan kimpalan yang lebih tinggi membawa kepada input haba yang lebih kecil dan kadar penyejukan yang lebih cepat, memudahkan pembentukan kristal setara dan mengurangkan kepekaan retakan.
2. Langkah-langkah penindasan
Untuk menyekat retakan pemejalan secara berkesankimpalan laser, para penyelidik telah mencadangkan pelbagai strategi, yang terutamanya tertumpu pada mengawal struktur butiran, mengoptimumkan parameter kimpalan, dan meningkatkan sifat bahan. Dengan memperhalusi struktur butiran, bilangan sempadan butiran dapat ditingkatkan, dan kepekatan kepekatan tegasan dapat dikurangkan, sekali gus mengurangkan pembentukan retakan. Kajian telah menunjukkan bahawa dengan menggunakan teknologi ayunan pancaran laser, kristal kolumnar dapat diubah menjadi kristal setara halus tanpa menambah bahan lain. Ayunan pancaran laser dapat menyebarkan tenaga laser, menyebabkan kolam lebur menghasilkan pergolakan, sehingga mengganggu arah pertumbuhan kristal kolumnar dan mendorong pembentukan kristal setara, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3. Di samping itu, ayunan pancaran laser juga dapat meningkatkan lebar kolam lebur, mengurangkan kecerunan suhu, dan memanjangkan masa pemejalan kolam lebur, yang mendorong penyebaran zat terlarut dan pengisian semula filem cecair, sekali gus mengurangkan kepekaan retakan pemejalan dengan ketara.
Taburan filem cecair sempadan butiran di bawah bentuk kolam yang berbeza.
Gambarajah skematik kolam lebur kimpalan, a, b) tanpa ayunan, c, d) ayunan sisi, e, f) ayunan membujur, g, h) ayunan lilitan.
Selain itupancaran laserTeknologi ayunan, menggunakan sumber laser berkembar juga merupakan salah satu kaedah yang berkesan untuk menyekat retakan pemejalan. Sumber laser berkembar boleh mencapai transformasi daripada kristal kolumnar kepada kristal setara dengan mengoptimumkan kitaran haba, sekali gus mengurangkan saiz butiran dan kepekatan terikan. Contohnya, apabila menggunakan laser CO₂ sebagai sumber haba utama dan laser berdenyut Nd:YAG sebagai sumber haba tambahan, kitaran haba yang dioptimumkan boleh dibentuk semasa kimpalan, menggalakkan pembentukan kristal setara dan mengurangkan kepekaan retakan pemejalan, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4.
Mengoptimumkan parameter kimpalan juga merupakan cara penting untuk menyekat retakan pemejalan. Dengan melaraskan parameter seperti kuasa laser, kelajuan kimpalan dan saiz titik, input haba dan kecerunan suhu semasa proses kimpalan dapat dikawal, sekali gus mempengaruhi struktur pemejalan dan morfologi butiran. Kajian telah menunjukkan bahawa rawatan prapemanasan dapat mengurangkan kadar penyejukan, menggalakkan pembentukan kristal setara, dan dengan itu mengurangkan kepekaan retakan pemejalan, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 5. Di samping itu, kaedah seperti menggunakan kimpalan laser berdenyut dan meningkatkan kelajuan kimpalan juga dapat mencapai transformasi dari kristal kolumnar kepada kristal setara dengan mengubah input haba dan kadar penyejukan, sekali gus mengurangkan kepekaan retakan.
Rajah 5. a) Tidak dipanaskan, b) Butiran seakuax yang telah dipanaskan terlebih dahulu pada suhu 300°C.
Apabila mengimpal bahan yang berbeza dengan laser, disebabkan oleh perbezaan ketara dalam sifat fizikal dan kimia antara bahan, sebatian intermetalik rapuh mudah terbentuk, yang merupakan salah satu punca utama retakan pemejalan. Oleh itu, melaraskan parameter dan tetapan laser untuk mengurangkan pembentukan atau kuantiti sebatian intermetalik juga merupakan strategi penting untuk menyekat retakan pemejalan. Contohnya, dalam kimpalan laser bahan kuprum-aluminium yang berbeza, dengan mengawal ofset pancaran laser dan kelajuan kimpalan, nisbah pencampuran kuprum dan aluminium dalam kolam lebur dapat dikurangkan, sekali gus mengurangkan pembentukan sebatian intermetalik rapuh dan mengurangkan sensitiviti retakan. Di samping itu, penggunaan bahan pengisi juga boleh meningkatkan prestasi sambungan kimpalan dan mengurangkan pembentukan retakan. Bahan pengisi boleh mengurangkan pembentukan sebatian intermetalik dengan mengubah komposisi dan mikrostruktur sambungan kimpalan dan meningkatkan ketahanan sambungan kimpalan.
Retakan pemejalan merupakan salah satu kecacatan biasa dalam proses kimpalan laser. Mekanisme pembentukannya adalah kompleks dan melibatkan interaksi pelbagai faktor seperti haba, mekanik, dan metalurgi. Dengan mengkaji secara mendalam mekanisme pembentukan retakan pemejalan, asas teori dapat disediakan untuk menyekat retakan. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, para penyelidik telah mencadangkan pelbagai strategi untuk menyekat retakan pemejalan, yang terutamanya tertumpu pada mengawal struktur butiran, mengoptimumkan parameter kimpalan, dan meningkatkan sifat bahan. Amalan telah membuktikan bahawa strategi ini dapat mengurangkan sensitiviti retakan pemejalan secara berkesan sehingga tahap tertentu dan meningkatkan kualiti dan kebolehpercayaan kimpalan laser. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh kerumitan dan kepelbagaian proses kimpalan laser, masih terdapat beberapa kekurangan dalam penyelidikan semasa. Contohnya, untuk mekanisme perencatan retakan pemejalan di bawah bahan dan keadaan kimpalan yang berbeza, penyelidikan yang lebih mendalam masih diperlukan.
Masa siaran: 20-Mac-2025
