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Abstrakt
Wolfram ist aufgrund seines hohen Schmelzpunkts, seiner guten Wärmeleitfähigkeit und seiner geringen Wasserstoffretention ein ideales Material für plasmaorientierte Komponenten in Kernfusionsreaktoren. Seine intrinsische Sprödigkeit und die hohe duktile Sprödigkeitstemperatur (DBTT) machen es jedoch sehr anfällig für Risse während der Laserbearbeitung. Dies ist im Wesentlichen auf die extrem hohe Abkühlgeschwindigkeit und den extrem hohen Temperaturgradienten zurückzuführen, die zu thermischer Spannung und einer Schwächung der Korngrenzen führen. Bestehende Methoden zur Unterdrückung von Rissen umfassen das Vorwärmen des Substrats, das Legieren von Nanopartikeln und gepulste Laser. Diese Methoden weisen jedoch Einschränkungen auf, wie z. B. Pulverabbau, Änderungen der Zusammensetzung oder erhöhte Porosität. In den letzten Jahren wurde die Laserstrahlformung (z. B. Ringstrahlen) eingesetzt, um die Spitzenleistungsdichte zu reduzieren und das Tiefschweißen in wärmeleitendes Schweißen umzuwandeln, wodurch Temperaturgradienten und Abkühlraten effektiv reduziert wurden. Die Oszillation des Laserstrahls kann das Schmelzbad umrühren, den Wärmeeintrag weiter homogenisieren und eine gleichachsige Kornbildung fördern. Beide Methoden basieren auf thermodynamischer Kontrolle und verfügen über komplementäre Mechanismen. In diesem Artikel wird vorgeschlagen, sie zu kombinieren, um ein wiederholbares rissfreies Schweißen von reinem Wolfram ohne Vorwärmen oder Modifikation zu erreichen. Die Auswirkungen der Strahlform und der Schwingungsparameter auf Risse, das Schmelzbad und die Mikrostruktur werden systematisch untersucht und liefern eine Referenz für die anschließende additive Fertigung.
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Überblick
Diese Studie verglich systematisch die Auswirkungen von drei Laserstrahlformen-Gaußscher Strahl, Ringkernverteilung (RC 80/20) und ringförmiger Strahl-auf das Rissverhalten von Einzelschweißungen-in dünnen Platten aus reinem Wolfram unter verschiedenen Schwingungsparametern. Durch die Kombination von thermophysikalischer Simulation, optischer Mikroskopieanalyse und EBSD-Charakterisierung wurde eine mehrskalige Analyse durchgeführt, die von makroskopischen Rissstatistiken und der Geometrie des Schmelzbads bis hin zur mikroskopischen Kornstruktur reicht. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass der Gaußsche Strahl aufgrund seiner übermäßig hohen Spitzenleistung leicht ein tiefes und schmales Schmelzbad bildet (Verhältnis Tiefe-zu-Breite > 1), was zu starker Rissbildung mit einer Rissfreiheitsrate von nur 36 % führt. Im Gegensatz dazu führen die Ring- und RC 80/20-Strahlen durch die Reduzierung der Spitzenleistungsdichte dazu, dass das Schmelzbad verbreitert und flacher wird, wodurch der Temperaturgradient und die Abkühlgeschwindigkeit deutlich reduziert werden. Allein mit dem RC 80/20-Träger kann eine Rissfreiheit von 80 % erreicht werden. Aufbauend auf dieser Grundlage wurde durch die Hinzufügung der Laserstrahloszillation die Rissbildung bei allen Strahltypen weiter unterdrückt, wobei die Seitenverhältnisse im Allgemeinen unter 1 fielen. Die Kombination aus RC 80/20 und Oszillation schnitt am besten ab und erreichte eine rissfreie Rate von 91 % über 55 Parametersätze. Darüber hinaus kam es zur Bildung größerer gleichachsiger Kristalle im Schmelzbad, was der simulierten Reduzierung der Abkühlgeschwindigkeit von bis zu 45 % sehr nahe kam. Die abschließende statistische Analyse ergab, dass Strahlform, Laserleistung und Scangeschwindigkeit die wichtigsten Parameter waren, die die Rissentstehung beeinflussten, während Schwingungsfrequenz und -amplitude im Rahmen dieser Studie keinen signifikanten Einfluss hatten. Dies zeigt, dass die kombinierte Strategie aus Strahlformung und Oszillation ein wiederholbares rissfreies Schweißen von Wolfram ohne Vorwärmen oder Materialmodifikation erreichen kann.
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Grafische Analyse
Die Daten in der oberen linken Ecke von Abbildung 1 zeigen, dass bei gleichem Punktdurchmesser (202 μm) und gleichen Prozessbedingungen der Temperaturgradient G des RC 80/20-Strahls deutlich geringer ist als der des Gaußschen Strahls, während die Wachstumsrate R etwas höher ist. Der Schlüssel liegt in den Ergebnissen der Abkühlungsratenberechnung in der oberen rechten Ecke-die Abkühlungsrate des RC 80/20-Strahls ist im Vergleich zum Gaußschen Strahl mit demselben Punktdurchmesser um etwa 40 % reduziert und beim ringförmigen Strahl noch einmal um etwa 45 % reduziert. Der simulierte Schmelzbad-Querschnitt-unten spiegelt dies ebenfalls visuell wider: Das Schmelzbad des geformten Strahls ist breiter und flacher. Diese Daten erklären direkt, warum die Strahlformung durch thermische Spannungen verursachte Risse effektiv reduzieren kann, was eine starke Unterstützung für nachfolgende Experimente aus thermodynamischer Sicht darstellt.
Abbildung 2 entspricht einem Gaußschen Strahl. Ohne Oszillation durchdringt ein Längsriss die gesamte Schweißnaht. Mit der Hinzufügung von Schwingungen verschwindet der Riss jedoch selbst bei ähnlichen Linienenergiedichten vollständig. Abbildung 3 entspricht einem RC 80/20-Träger. Auch ohne Schwingung existiert bei hohen Linienenergiedichten immer noch ein Riss. Durch die Hinzufügung von Oszillation wird der Riss vollständig beseitigt. Dies beweist voll und ganz, dass unabhängig von der Strahlform die Oszillation Risse wirksam unterdrücken kann. Der Mechanismus besteht darin, dass die Strahloszillation das Schmelzbad rührt und so die Wärmezufuhr gleichmäßiger macht. Das ursprünglich schmale und tiefe Schmelzbad wird erheblich erweitert und das Verhältnis von Tiefe zu Breite sinkt unter 1. Der Schweißmodus wechselt vom Tiefschweißen zum Wärmeleitungsschweißen, wodurch thermische Spannungen abgebaut werden.
Abbildung 4 quantifiziert den Effekt der Verarbeitungsstrategie auf mikrostruktureller Ebene. Die linke Seite zeigt, dass die durchschnittliche Korngröße des Gaußschen Strahls (93 μm) nur 10,2 μm beträgt; Die alleinige Verwendung von RC 80/20 (202 μm) erhöht ihn auf 14,3 μm; und wenn RC 80/20 mit Oszillation kombiniert wird, werden die Körner noch gröber, was perfekt zum Simulationsergebnis einer Reduzierung der Abkühlrate um 45 % passt. Die Daten zum Seitenverhältnis auf der rechten Seite zeigen, dass die Körner der Formungs- und Schwingungskombination eher gleichachsig sind (Verhältnis nahe 1), während die Körner des Gaußschen Strahls deutlich säulenförmig sind (Verhältnis größer). Ein höherer Anteil und eine größere Anzahl gleichachsiger Körner bedeuten, dass die mechanischen Eigenschaften des Materials isotroper sind und sein Widerstand gegen die Ausbreitung von Rissen größer ist. Dies erklärt, warum Risse auf mikrostruktureller Ebene effektiv unterdrückt werden.
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Zusammenfassung
Diese Studie bestätigt, dass eine kombinierte Strategie aus Laserstrahlformung und Oszillation ein wiederholbares rissfreies Schweißen von reinem Wolfram ohne Vorwärmen oder Materialmodifikation erreichen kann. Unter den getesteten Parametern lieferte der Ringkernbalken RC 80/20 in Kombination mit Oszillation die besten Ergebnisse und erreichte eine Rissfreiheitsrate von 91 %, deutlich höher als die 36 % des Gaußschen Balkens. Diese Kombination unterdrückt effektiv Risse, indem sie die Spitzenleistungsdichte reduziert und das Schmelzbad umrührt, den Schweißmodus in wärmeleitendes Schweißen umwandelt, die Abkühlrate um bis zu 45 % reduziert und die Bildung größerer gleichachsiger Kristalle fördert. Strahlform, Laserleistung und Scangeschwindigkeit sind die wesentlichen Einflussparameter, während Oszillationsfrequenz und -amplitude kaum Einfluss haben. Zukünftige Forschung muss die Anwendbarkeit dieser Strategie bei der mehrschichtigen, mehrstufigen Laminierung und bei der tatsächlichen PBF-LB/M-Herstellung weiter verifizieren.
