01
Abstrakcyjny
Wolfram, ze względu na wysoką temperaturę topnienia, dobrą przewodność cieplną i niską retencję wodoru, jest idealnym materiałem na komponenty zorientowane na plazmę-w reaktorach termojądrowych. Jednak jego wewnętrzna kruchość i wysoka plastyczna-temperatura przejścia kruchego (DBTT) sprawiają, że jest on bardzo podatny na pękanie podczas obróbki laserowej. Wynika to zasadniczo z wyjątkowo dużej szybkości chłodzenia i gradientu temperatury, co prowadzi do naprężeń termicznych i osłabienia granic ziaren. Istniejące metody tłumienia pęknięć obejmują podgrzewanie podłoża, tworzenie stopów nanocząstek i lasery pulsacyjne, ale metody te mają ograniczenia, takie jak degradacja proszku, zmiany składu lub zwiększona porowatość. W ostatnich latach zastosowano kształtowanie wiązek laserowych (np. wiązek pierścieniowych) w celu zmniejszenia szczytowej gęstości mocy, przekształcając spawanie z głęboką penetracją w spawanie przewodzące ciepło, skutecznie zmniejszając gradienty temperatury i szybkość chłodzenia. Oscylacje wiązki laserowej mogą mieszać stopiony basen, dodatkowo ujednorodniać dopływ ciepła i sprzyjać tworzeniu się ziaren równoosiowych. Obie metody opierają się na kontroli termodynamicznej i mają uzupełniające się mechanizmy. W artykule zaproponowano łączenie ich w celu uzyskania powtarzalnego-spawania czystego wolframu bez pęknięć, bez wstępnego podgrzewania lub modyfikacji. Systematycznie bada się wpływ kształtu belki i parametrów oscylacji na pęknięcia, jeziorko stopionego i mikrostrukturę, co stanowi punkt odniesienia dla późniejszej produkcji przyrostowej.
02
Przegląd
W tym badaniu systematycznie porównywano wpływ trzech kształtów wiązki laserowej-wiązki Gaussa, rozkładu rdzenia pierścieniowego (RC 80/20) i wiązki pierścieniowej-na pękanie spoin jednościeżkowych-cienkich płytek z czystego wolframu przy różnych parametrach oscylacji. Łącząc symulację termofizyczną, analizę mikroskopii optycznej i charakterystykę EBSD, przeprowadzono-analizę wieloskalową, od makroskopowych statystyk pęknięć i geometrii jeziorka stopionego po mikroskopijną strukturę ziaren. Wyniki eksperymentów pokazują, że wiązka Gaussa, ze względu na swoją zbyt dużą moc szczytową, z łatwością tworzy głęboką i wąską jeziorkę stopionego (stosunek głębokości- do-szerokości > 1), co prowadzi do poważnych pęknięć, których odsetek wolnych-pęknięć wynosi zaledwie 36%. Natomiast belki pierścieniowe i belki RC 80/20, zmniejszając szczytową gęstość mocy, poszerzają i spłycają jeziorko stopionego materiału, znacznie zmniejszając gradient temperatury i szybkość chłodzenia. Sama belka RC 80/20 może osiągnąć współczynnik braku pęknięć wynoszący 80%. Opierając się na tym fundamencie, dodanie oscylacji wiązki laserowej jeszcze bardziej stłumiło pękanie we wszystkich typach wiązek, przy współczynnikach kształtu na ogół spadających poniżej 1. Połączenie RC 80/20 i oscylacji sprawdzało się najlepiej, osiągając współczynnik braku pęknięć na poziomie 91%-w 55 zestawach parametrów. Co więcej, spowodowało to utworzenie się większych równoosiowych kryształów w roztopionym jeziorku, co ściśle odpowiada symulowanemu zmniejszeniu szybkości chłodzenia aż do 45%. Końcowa analiza statystyczna wykazała, że kształt wiązki, moc lasera i prędkość skanowania były najważniejszymi parametrami wpływającymi na inicjację pęknięć, podczas gdy częstotliwość i amplituda oscylacji nie miały znaczącego wpływu w zakresie tego badania. Pokazuje to, że połączona strategia kształtowania wiązki i oscylacji pozwala uzyskać powtarzalne-spawanie wolframu bez pęknięć, bez wstępnego podgrzewania lub modyfikacji materiału.
03
Analiza graficzna
Dane w lewym górnym rogu rysunku 1 pokazują, że przy tej samej średnicy plamki (202 μm) i warunkach procesu gradient temperatury G wiązki RC 80/20 jest znacznie niższy niż wiązki Gaussa, natomiast szybkość wzrostu R jest nieco większa. Klucz leży w wynikach obliczeń szybkości chłodzenia w prawym górnym rogu.-Szybkość chłodzenia wiązki RC 80/20 jest zmniejszona o około 40% w porównaniu z wiązką Gaussa o tej samej średnicy plamki, a w przypadku belki pierścieniowej jest dodatkowo zmniejszona o około 45%. Symulowany przekrój jeziorka stopionego-poniżej również wizualnie to odzwierciedla: jeziorko stopionego kształtowanej belki jest szersze i płytsze. Dane te bezpośrednio wyjaśniają, dlaczego kształtowanie belki może skutecznie zmniejszyć-pęknięcia wywołane naprężeniami termicznymi, zapewniając silne wsparcie dla kolejnych eksperymentów z perspektywy termodynamicznej.
Rysunek 2 odpowiada wiązce Gaussa. Bez oscylacji pęknięcie podłużne przenika całą spoinę. Jednak po dodaniu oscylacji, nawet przy podobnych gęstościach energii linii, pęknięcie całkowicie znika. Rysunek 3 odpowiada belce RC 80/20. Bez oscylacji pęknięcie nadal występuje przy dużych gęstościach energii liniowej. Dzięki dodaniu oscylacji pęknięcie zostaje całkowicie wyeliminowane. To w pełni pokazuje, że niezależnie od kształtu belki, oscylacja może skutecznie tłumić pęknięcia. Mechanizm polega na tym, że oscylacja wiązki powoduje mieszanie stopionego jeziorka, dzięki czemu dopływ ciepła jest bardziej równomierny. Pierwotnie wąskie i głębokie jeziorko stopionego materiału ulega znacznemu poszerzeniu, a stosunek głębokości-do-szerokości spada poniżej 1. Tryb spawania zmienia się ze spawania z głęboką penetracją na spawanie z przewodzeniem ciepła, uwalniając w ten sposób naprężenia termiczne.
Rysunek 4 przedstawia ilościowo wpływ strategii przetwarzania na poziomie mikrostrukturalnym. Lewa strona pokazuje, że średni rozmiar ziaren wiązki Gaussa (93 μm) wynosi zaledwie 10,2 μm; użycie samego RC 80/20 (202 μm) zwiększa ją do 14,3 μm; a gdy RC 80/20 jest połączone z oscylacją, ziarna stają się bardziej gruboziarniste, co idealnie pasuje do wyniku symulacji polegającego na 45% zmniejszeniu szybkości chłodzenia. Dane dotyczące proporcji po prawej stronie pokazują, że ziarna kombinacji kształtowania i oscylacji są bliższe równoosiowym (stosunek bliski 1), podczas gdy ziarna wiązki Gaussa są wyraźnie kolumnowe (stosunek większy). Większy udział i większa liczba ziaren równoosiowych oznacza, że właściwości mechaniczne materiału są bardziej izotropowe, a jego odporność na propagację pęknięć jest większa, co wyjaśnia, dlaczego pęknięcia są skutecznie tłumione na poziomie mikrostrukturalnym.
04
Streszczenie
To badanie potwierdza, że połączona strategia kształtowania wiązki laserowej i oscylacji pozwala uzyskać powtarzalne-spawanie czystego wolframu bez pęknięć, bez podgrzewania wstępnego lub modyfikacji materiału. Spośród testowanych parametrów najlepsze wyniki uzyskała wiązka z rdzeniem pierścieniowym RC 80/20 w połączeniu z oscylacją, osiągając współczynnik braku pęknięć na poziomie 91%, czyli znacznie więcej niż 36% belki Gaussa. Ta kombinacja skutecznie tłumi pęknięcia, zmniejszając szczytową gęstość mocy i mieszając stopione jeziorko, przekształcając tryb spawania w spawanie-przewodzące ciepło, zmniejszając szybkość chłodzenia nawet o 45% i sprzyjając tworzeniu się większych kryształów równoosiowych. Kształt wiązki, moc lasera i prędkość skanowania to kluczowe parametry wpływające, podczas gdy częstotliwość i amplituda oscylacji mają niewielki wpływ. Przyszłe badania wymagają dalszej weryfikacji możliwości zastosowania tej strategii w przypadku wielo-warstwowego, wieloprzebiegowego laminowania-oraz w rzeczywistej produkcji PBF-LB/M.
