01
Povzetek
Volfram je zaradi visokega tališča, dobre toplotne prevodnosti in nizkega zadrževanja vodika idealen material za plazemsko{0}}orientirane komponente v jedrskih fuzijskih reaktorjih. Vendar pa je zaradi njegove notranje krhkosti in visoke duktilne-temperature krhkega prehoda (DBTT) zelo dovzeten za razpoke med lasersko obdelavo. To je v bistvu posledica izjemno visoke hitrosti hlajenja in temperaturnega gradienta, ki vodi do toplotne obremenitve in oslabitve meja zrn. Obstoječe metode za preprečevanje razpok vključujejo predgrevanje substrata, legiranje nanodelcev in impulzne laserje, vendar imajo te metode omejitve, kot so degradacija prahu, spremembe sestave ali povečana poroznost. V zadnjih letih se je za zmanjšanje konične gostote moči uporabljalo oblikovanje laserskega žarka (kot so obročasti žarki), s čimer se varjenje z globokim prebojem spremeni v toplotno prevodno varjenje, kar učinkovito zmanjša temperaturne gradiente in stopnje hlajenja. Nihanje laserskega žarka lahko premeša bazen staline, dodatno homogenizira vnos toplote in spodbuja enakoosno tvorbo zrn. Obe metodi temeljita na termodinamičnem nadzoru in imata komplementarne mehanizme. V tem prispevku je predlagana njihova kombinacija za dosego ponovljivega varjenja čistega volframa brez razpok brez predgretja ali modifikacije. Učinki oblike žarka in parametrov nihanja na razpoke, bazen staline in mikrostrukturo so sistematično preučeni, kar zagotavlja referenco za kasnejšo aditivno proizvodnjo.
02
Pregled
Ta študija je sistematično primerjala učinke treh oblik laserskega žarka-Gaussovega žarka, porazdelitve obročastega jedra (RC 80/20) in obročastega žarka-na obnašanje razpok pri enojnih-zvarih v tankih ploščah iz čistega volframa pri različnih parametrih nihanja. S kombinacijo termofizikalne simulacije, analize z optično mikroskopijo in karakterizacije EBSD je bila izvedena analiza na več-razmerjih, od statistike makroskopskih razpok in geometrije staljenega bazena do mikroskopske zrnate strukture. Eksperimentalni rezultati kažejo, da Gaussov žarek zaradi svoje previsoke konične moči zlahka oblikuje globok in ozek staljeni bazen (razmerje med globino-in-širino > 1), kar vodi do hudih razpok, s stopnjo brez-razpok le 36 %. Nasprotno pa obročasti nosilci in žarki RC 80/20 z zmanjšanjem gostote konične moči razširijo in plitvijo bazen staline, kar znatno zmanjša temperaturni gradient in hitrost hlajenja. Samo žarek RC 80/20 lahko doseže 80-odstotno stopnjo brez razpok-. Na tej osnovi je dodatek nihanja laserskega žarka dodatno zatrl razpoke v vseh vrstah žarkov, pri čemer so razmerja stranic na splošno padla pod 1. Kombinacija RC 80/20 in nihanja je bila najboljša, saj je dosegla 91-odstotno stopnjo brez razpok-v 55 nizih parametrov. Poleg tega je to povzročilo nastanek večjih enakoosnih kristalov v staljenem bazenu, kar se je zelo ujemalo s simuliranim zmanjšanjem hitrosti hlajenja do 45 %. Končna statistična analiza je pokazala, da so bili oblika žarka, moč laserja in hitrost skeniranja najpomembnejši parametri, ki so vplivali na nastanek razpoke, medtem ko frekvenca in amplituda nihanja nista imeli pomembnega vpliva v okviru te študije. To dokazuje, da lahko kombinirana strategija oblikovanja žarka in nihanja doseže ponovljivo varjenje volframa brez razpok brez predhodnega segrevanja ali spreminjanja materiala.
03
Grafična analiza
Podatki v zgornjem levem kotu slike 1 kažejo, da je pri enakem premeru točke (202 μm) in pogojih postopka temperaturni gradient G žarka RC 80/20 bistveno nižji kot pri Gaussovem žarku, medtem ko je stopnja rasti R nekoliko višja. Ključ je v rezultatih izračuna hitrosti hlajenja v zgornjem desnem kotu-hitrost hlajenja žarka RC 80/20 je zmanjšana za približno 40 % v primerjavi z Gaussovim žarkom z enakim premerom točke in dodatno zmanjšana za približno 45 % za obročasti žarek. Spodnji prerez-simuliranega staljenega bazena to tudi vizualno odraža: staljeni bazen oblikovanega žarka je širši in plitvejši. Ti podatki neposredno pojasnjujejo, zakaj lahko oblikovanje snopa učinkovito zmanjša razpoke,-ki jih povzroča toplotna obremenitev, kar zagotavlja močno podporo za nadaljnje poskuse s termodinamičnega vidika.
Slika 2 ustreza Gaussovemu žarku. Brez nihanja vzdolžna razpoka predre celoten zvar. Z dodatkom nihanja pa tudi pri podobnih energijskih gostotah linij razpoka popolnoma izgine. Slika 3 ustreza nosilcu RC 80/20. Brez nihanja razpoka še vedno obstaja pri visokih energijskih gostotah. Z dodatkom nihanja je razpoka popolnoma odpravljena. To v celoti dokazuje, da lahko ne glede na obliko žarka nihanje učinkovito zatre razpoke. Mehanizem je v tem, da nihanje žarka premeša bazen staline, zaradi česar je dovod toplote bolj enakomeren. Prvotno ozek in globok staljeni bazen se znatno razširi, razmerje med globino-in-širino pa pade pod 1. Način varjenja se spremeni iz varjenja z globokim prebojem v varjenje s toplotno prevodnostjo, s čimer se sprosti toplotna obremenitev.
Slika 4 kvantificira učinek strategije obdelave na mikrostrukturni ravni. Leva stran kaže, da je povprečna velikost zrn Gaussovega žarka (93 μm) le 10,2 μm; uporaba samega RC 80/20 (202 μm) ga poveča na 14,3 μm; in ko je RC 80/20 kombiniran z nihanjem, se zrna še bolj zgostijo, kar se popolnoma ujema z rezultatom simulacije 45-odstotnega zmanjšanja hitrosti hlajenja. Podatki o razmerju stranic na desni kažejo, da so zrna kombinacije oblikovanja in nihanja bližje enakoosnim (razmerje blizu 1), medtem ko so zrna Gaussovega žarka jasno stebrasta (razmerje večje). Večji delež in večje število enakoosnih zrn pomeni, da so mehanske lastnosti materiala bolj izotropne, njegova odpornost proti širjenju razpok pa večja, kar pojasnjuje, zakaj so razpoke učinkovito zatrte na mikrostrukturni ravni.
04
Povzetek
Ta študija potrjuje, da lahko kombinirana strategija oblikovanja laserskega žarka in nihanja doseže ponovljivo varjenje čistega volframa brez razpok brez predhodnega segrevanja ali spreminjanja materiala. Med preizkušenimi parametri je obročast jedrni žarek RC 80/20 v kombinaciji z nihanjem dal najboljše rezultate, saj je dosegel 91-odstotno -stopnjo brez razpok, kar je bistveno več kot 36 % pri Gaussovem žarku. Ta kombinacija učinkovito zavira razpoke z zmanjšanjem največje gostote moči in mešanjem staljene mase, preoblikovanjem varilnega načina v toplo-prevajanje varjenja, zmanjšanjem stopnje ohlajanja do 45 % in spodbujanjem tvorbe večjih enakoosnih kristalov. Oblika žarka, moč laserja in hitrost skeniranja so ključni parametri, ki vplivajo, medtem ko imata frekvenca in amplituda nihanja majhen vpliv. Prihodnje raziskave morajo dodatno preveriti uporabnost te strategije pri več-slojni, več-prehodni laminaciji in v dejanski proizvodnji PBF-LB/M.
