3. Оптимізація процесу та параметрів лазерного зварювання
3.1 Зварювальне обладнання та налаштування
Лазерне зварювання зазвичай виконується за допомогою автоматичних лазерних зварювальних апаратів з максимальною вихідною потужністю в діапазоні 2,5 кВт або вище. Процес часто проводиться в навколишньому повітрі без захисного газу, що спрощує операції, водночас зберігаючи міцні з’єднання. Основні регульовані параметри включають потужність лазера, швидкість зварювання, положення фокуса, діаметр плями та кут падіння променя.
3.2 Оптимізовані параметри з експериментальних досліджень
Експериментальні дослідження встановили чіткі кореляції між параметрами зварювання та продуктивністю з'єднання. У дослідженні з використанням попередньо легованого порошку Cu-Co-Fe та Ni-Cr-Cu-перехідного шару для зварювання алмазних сегментів до сталевої матриці 30CrMo було досягнуто оптимальної продуктивності зварювання при потужності лазера 1600 Вт і швидкості зварювання 1400 мм/хв, що дає зуб. Міцність зачеплення 819 МПа.
Чисельне моделювання за допомогою програмного забезпечення SYSWELD додатково уточнило ці параметри. Встановивши перехресну -модель багато-польового зв’язку, яка включає температурне поле, фазове перетворення, морфологію зерен, поле напруги та характеристики втоми, дослідники визначили, що швидкість зварювання 26 мм/с і потужність 1700 Вт мінімізують напругу зварювання, зменшують значення цифрової об’ємної кореляції (DVC) і підвищують стійкість до втоми. Зварювальні випробування підтвердили, що режим 1700 Вт забезпечує найвищу міцність зубів, досягаючи 1200 МПа.
Невелика розбіжність між оптимальними параметрами, зазначеними різними дослідженнями (1600 Вт проти . 1700 Вт), може відображати відмінності в складі матеріалу, геометрії леза або експериментальних умовах. Тим не менш, узгодженість у порядку величини-приблизно 1,6–1,7 кВт потужності та 23–26 мм/с швидкості-забезпечує надійне керівництво для оптимізації процесу.
3.3 Чисельне моделювання процесу зварювання
Складність лазерного зварювання-включає пов’язані термічні, механічні та металургійні явища-робить чисельне моделювання безцінним інструментом для проектування й оптимізації процесу. У вдосконалених моделях використовується тривимірне джерело тепла Гауса для представлення профілю лазерного променя, враховуючи не-рівномірний розподіл енергії, який виникає у високо-потужних лазерних системах.
Коефіцієнт якості променя M², який описує відхилення від ідеального профілю Гаусса, відіграє вирішальну роль. На практиці потужні-лазерні промені часто демонструють значення M² у діапазоні від 1,3 до 2,0, що призводить до витягнутих профілів променя з кількома піками, а не з одним центральним піком. Ці спотворення впливають на температурне поле та геометрію ванни розплаву, в кінцевому підсумку впливаючи на якість зварювання та механічні властивості. Було показано, що коригувальні коефіцієнти, включені в імітаційні моделі, підвищують точність передбачення, даючи результати, які точно відповідають експериментальним даним.
Розрахунок теплового поля передбачає вирішення нелінійних рівнянь теплопередачі для отримання перехідних розподілів температури в зоні зварювання. Модель поля напруг розглядає загальну деформацію як суму пружної деформації, пластичної деформації, пластичності-, спричиненої фазовим перетворенням, і термічної деформації. Таке всебічне моделювання дає змогу прогнозувати залишкові напруги та еволюцію мікроструктури, керуючи вибором оптимальних параметрів зварювання без значних експериментів із пробами-і-помилками.
4. Мікроструктурні характеристики та властивості
4.1 Мікроструктура зони плавлення та зони-термічного впливу
Мікроструктура алмазних дисків, зварених лазерним{0}}зварюванням, демонструє відмінні особливості в різних зонах. Зону плавлення (FZ) можна розділити на багаті-міддю та-залізом регіони, що характеризуються грубими зернами без очевидної переважної орієнтації. Ця фазова сегрегація виникає внаслідок не-нерівноважних умов затвердіння, типових для лазерного зварювання, коли високі швидкості охолодження перешкоджають повній гомогенізації сплаву.
Зона-термічного впливу (ЗТВ) підкладки зі сталі 30CrMo має іншу мікроструктуру, головним чином складається з високо{2}}твердого, крихкого загартованого голчастого-мартенситу. Мікротвердість у цій області може різко зростати до значень 550 HV. Це зміцнення є результатом швидкого охолодження, яке викликає мартенситне перетворення в сталевій матриці, що має значні наслідки для міцності та схильності до розтріскування з’єднання.
Аналіз руйнування показує, що руйнування, як правило, відбувається на межі між зоною плавлення та зоною термічного-впливу, де концентрація напруги найбільш виражена. Це спостереження підкреслює важливість оптимізації параметрів зварювання для мінімізації ступеня зміцненої ЗТВ і зменшення градієнтів міжфазних напруг.
4.2 Механічні характеристики та механізми відмови
Міцність зачеплення зубів служить основним показником для оцінки якості з’єднання алмазних пильних полотен із лазерним-зварюванням. Як зазначалося вище, оптимізовані умови зварювання можуть досягти міцності, що перевищує 800 МПа, а в деяких випадках досягає 1200 МПа. Ці значення представляють суттєве покращення продуктивності, досягнутої за допомогою звичайних методів з’єднання.
З огляду на циклічне навантаження під час операцій різання, втомні характеристики з’єднань лазерного{0}}зварювання є ще одним критичним фактором. Чисельне моделювання, що включає оцінку життєвого циклу, виявило, що знижені значення DVC корелюють із покращеною стійкістю до втоми, підтверджуючи використання мінімізації напруги як мети проектування.
Мікроструктурні дефекти, такі як пористість, особливо в зоні плавлення, можуть служити переважними місцями виникнення тріщин. Тому контроль щільності перехідного шару та запобігання випаровуванню елементів є важливими для досягнення надійної роботи з'єднання.
