Soldadura amb raig làser, amb la seva alta velocitat, alta precisió i característiques sense contacte, s'aplica àmpliament en camps com l'automoció, l'aeroespacial i els dispositius electrònics, mostrant especialment avantatges únics en la connexió de materials diferents. Tanmateix, les esquerdes de solidificació (Solidification Cracking) generades durant el procés de soldadura són un dels defectes clau que restringeixen la seva aplicació industrial. Aquestes esquerdes solen produir-se al final de la solidificació a la zona de fusió (Fusion Zone), desencadenades pels efectes combinats de la tensió tèrmica, la contracció de solidificació i la pel·lícula líquida sobre els límits de gra, reduint significativament les propietats mecàniques i la vida a fatiga de la unió.
1. Mecanisme de formació
El mecanisme principal de les esquerdes de solidificació rau en la pel·lícula líquida residual als límits de gra al final de la solidificació. Durant el procés de solidificació, el bany fos es divideix en tres zones: la zona líquida lliure, la zona líquida restringida i la zona sòlida, tal com es mostra a la Figura 1. A la zona líquida restringida, el flux de líquid està bloquejat i no pot compensar la tensió generada per la contracció de la solidificació, cosa que provoca la separació del límit de gra. La relació entre l'energia del límit de gra (γgb) i l'energia de la interfície sòlid-líquid (γsl) determina l'estabilitat de la pel·lícula líquida: si γgb < 2γsl, la pel·lícula líquida és inestable i es produeix la coalescència del gra; per contra, la pel·lícula líquida és estable i és probable que es produeixi la iniciació de les esquerdes.
A més, la formació d'esquerdes de solidificació també està relacionada amb les propietats metal·lúrgiques dels materials. Els diferents materials tenen característiques de solidificació diferents, com ara el rang de temperatura de solidificació, la velocitat de contracció de la solidificació i la distribució dels elements d'aliatge, etc. Aquestes característiques influeixen en la sensibilitat de les esquerdes. Per exemple, en materials que contenen una gran quantitat de fases eutèctiques de baix punt de fusió, la sensibilitat de les esquerdes de solidificació és més alta perquè aquestes fases eutèctiques són propenses a formar pel·lícules líquides contínues durant la solidificació, intensificant així la formació d'esquerdes.
Durant elprocés de soldadura làser, els paràmetres de soldadura com la potència del làser, la velocitat de soldadura i la mida del punt també tenen un impacte en la formació d'esquerdes de solidificació. Aquests paràmetres afecten l'entrada de calor i el gradient de temperatura durant el procés de soldadura, alterant així l'estructura de solidificació i la morfologia del gra. Per exemple, una potència làser més alta i una velocitat de soldadura més baixa resulten en una entrada de calor més gran i una velocitat de refredament més lenta, cosa que promou el creixement de cristalls columnars i augmenta la sensibilitat a les esquerdes. Per contra, una potència làser més baixa i una velocitat de soldadura més alta condueixen a una entrada de calor més petita i una velocitat de refredament més ràpida, cosa que facilita la formació de cristalls equiaxials i redueix la sensibilitat a les esquerdes.
2. Mesures de supressió
Per suprimir eficaçment les esquerdes de solidificaciósoldadura làser, els investigadors han proposat diverses estratègies, que se centren principalment en controlar l'estructura del gra, optimitzar els paràmetres de soldadura i millorar les propietats del material. Mitjançant el refinament de l'estructura del gra, es pot augmentar el nombre de límits de gra i es pot reduir la concentració d'estrès, reduint així la formació d'esquerdes. Els estudis han demostrat que mitjançant la tecnologia d'oscil·lació del feix làser, els cristalls columnars es poden transformar en cristalls equiaxials fins sense afegir altres materials. L'oscil·lació del feix làser pot dispersar l'energia làser, fent que la piscina fosa generi turbulències, trencant així la direcció de creixement dels cristalls columnars i promovent la formació de cristalls equiaxials, com es mostra a la Figura 3. A més, l'oscil·lació del feix làser també pot augmentar l'amplada de la piscina fosa, reduir el gradient de temperatura i allargar el temps de solidificació de la piscina fosa, cosa que afavoreix la difusió de soluts i la reposició de pel·lícules líquides, reduint així significativament la sensibilitat de les esquerdes de solidificació.
Distribució de pel·lícules líquides de límit de gra sota diferents formes de piscina.
Diagrama esquemàtic del bany de fusió per soldadura, a, b) sense oscil·lació, c, d) oscil·lació lateral, e, f) oscil·lació longitudinal, g, h) oscil·lació circumferencial.
A més de laraig làserLa tecnologia d'oscil·lació, utilitzant fonts làser duals, també és un dels mètodes eficaços per suprimir les esquerdes de solidificació. Les fonts làser duals poden aconseguir la transformació de cristalls columnars a cristalls equiaxials optimitzant el cicle tèrmic, reduint així la mida del gra i la concentració de deformació. Per exemple, quan s'utilitza làser de CO₂ com a font de calor principal i làser pulsat Nd:YAG com a font de calor auxiliar, es pot formar un cicle tèrmic optimitzat durant la soldadura, promovent la formació de cristalls equiaxials i reduint la sensibilitat de les esquerdes de solidificació, com es mostra a la Figura 4.
L'optimització dels paràmetres de soldadura també és un mitjà important per suprimir les esquerdes de solidificació. Ajustant paràmetres com la potència del làser, la velocitat de soldadura i la mida del punt, es pot controlar l'entrada de calor i el gradient de temperatura durant el procés de soldadura, influint així en l'estructura de solidificació i la morfologia del gra. Els estudis han demostrat que el tractament de preescalfament pot reduir la velocitat de refredament, promoure la formació de cristalls equiaxials i, per tant, reduir la sensibilitat de les esquerdes de solidificació, com es mostra a la Figura 5. A més, mètodes com l'ús de la soldadura làser pulsada i l'augment de la velocitat de soldadura també poden aconseguir la transformació de cristalls columnars a cristalls equiaxials canviant l'entrada de calor i la velocitat de refredament, reduint així la sensibilitat de les esquerdes.
Figura 5. a) Sense escalfar, b) Grans equiaxials preescalfats a 300 °C.
Quan es solden materials diferents amb làser, a causa de les diferències significatives en les propietats físiques i químiques entre els materials, és probable que es formin compostos intermetàl·lics fràgils, que són una de les principals causes de les esquerdes de solidificació. Per tant, ajustar els paràmetres i la configuració del làser per reduir la formació o la quantitat de compostos intermetàl·lics també és una estratègia important per suprimir les esquerdes de solidificació. Per exemple, en la soldadura làser de materials diferents de coure-alumini, controlant el desplaçament del feix làser i la velocitat de soldadura, es pot reduir la proporció de barreja de coure i alumini a la piscina fosa, disminuint així la formació de compostos intermetàl·lics fràgils i reduint la sensibilitat de les esquerdes. A més, l'ús de materials de farciment també pot millorar el rendiment de la unió soldada i reduir la formació d'esquerdes. Els materials de farciment poden reduir la formació de compostos intermetàl·lics canviant la composició i la microestructura de la unió soldada i millorant la tenacitat de la unió soldada.
Les esquerdes de solidificació són un dels defectes més comuns en els processos de soldadura làser. El seu mecanisme de formació és complex i implica la interacció de múltiples factors com la calor, la mecànica i la metal·lúrgia. Estudiant en profunditat el mecanisme de formació de les esquerdes de solidificació, es poden proporcionar bases teòriques per suprimir-les. En els darrers anys, els investigadors han proposat diverses estratègies per suprimir les esquerdes de solidificació, que se centren principalment en el control de l'estructura del gra, l'optimització dels paràmetres de soldadura i la millora de les propietats del material. La pràctica ha demostrat que aquestes estratègies poden reduir eficaçment la sensibilitat de les esquerdes de solidificació fins a cert punt i millorar la qualitat i la fiabilitat de la soldadura làser. Tanmateix, a causa de la complexitat i la diversitat del procés de soldadura làser, encara hi ha algunes deficiències en la investigació actual. Per exemple, per als mecanismes d'inhibició de les esquerdes de solidificació en diferents materials i condicions de soldadura, encara cal una investigació més profunda.
Data de publicació: 20 de març de 2025
