01
추상적인
텅스텐은 높은 융점, 우수한 열 전도성 및 낮은 수소 보유로 인해 핵융합로의 플라즈마{0}} 지향 구성요소에 이상적인 재료입니다. 그러나 본질적인 취성과 높은 연성-취성 전이 온도(DBTT)로 인해 레이저 가공 중에 균열이 발생하기 매우 쉽습니다. 이는 근본적으로 매우 높은 냉각 속도와 온도 구배로 인해 열 응력과 결정립 경계가 약화되기 때문입니다. 균열을 억제하기 위한 기존 방법으로는 기판 예열, 나노입자 합금화, 펄스 레이저 등이 있으나 이러한 방법에는 분말 열화, 조성 변화, 다공성 증가 등의 한계가 있습니다. 최근 몇 년 동안 레이저 빔 성형(예: 링 빔)을 사용하여 피크 전력 밀도를 줄이고 깊은 용입 용접을 열 전도성 용접으로 변환하여 온도 구배와 냉각 속도를 효과적으로 줄였습니다. 레이저 빔 진동은 용융 풀을 휘젓고 열 입력을 더욱 균질화하며 등축 입자 형성을 촉진할 수 있습니다. 두 방법 모두 열역학적 제어를 기반으로 하며 보완적인 메커니즘을 가지고 있습니다. 본 논문에서는 예열이나 수정 없이 순수 텅스텐의 반복 가능한 균열{9}}없는 용접을 달성하기 위해 이들을 결합하는 것을 제안합니다. 빔 모양과 진동 매개변수가 균열, 용융 풀, 미세 구조에 미치는 영향을 체계적으로 연구하여 후속 적층 가공에 대한 참고 자료를 제공합니다.
02
개요
이 연구에서는 서로 다른 진동 매개변수 하에서 순수 텅스텐 박판의 단일 패스 용접의 균열 거동에 대한 세 가지 레이저 빔 형태-가우스 빔, 링 코어 분포(RC 80/20) 및 환형 빔-의 효과를 체계적으로 비교했습니다. 열물리 시뮬레이션, 광학 현미경 분석 및 EBSD 특성 분석을 결합하여 거시적 균열 통계 및 용융 풀 기하학부터 미세한 결정립 구조에 이르기까지 다중{6}} 규모 분석이 수행되었습니다. 실험 결과에 따르면 가우스 빔은 지나치게 높은 피크 전력으로 인해 깊고 좁은 용융 풀(깊이-대-폭 비율 > 1)을 쉽게 형성하여 심각한 균열을 일으키며 균열-무균열율은 36%에 불과합니다. 대조적으로, 환형 빔과 RC 80/20 빔은 피크 출력 밀도를 줄여 용융 풀을 넓히고 얕게 만들어 온도 구배와 냉각 속도를 크게 줄입니다. RC 80/20 빔만으로도 80%의 균열 발생률-을 달성할 수 있습니다. 이러한 기반을 바탕으로 레이저 빔 진동을 추가하면 모든 빔 유형에서 균열이 더욱 억제되었으며 일반적으로 종횡비가 1 미만으로 떨어졌습니다. RC 80/20과 진동의 조합이 가장 좋은 성능을 발휘하여 55개 매개변수 세트에서 91%의 균열-없는 비율을 달성했습니다. 또한, 이는 용융 풀 내에 더 큰 등축 결정이 형성되어 시뮬레이션된 냉각 속도 감소 최대 45%와 거의 일치합니다. 최종 통계 분석에 따르면 빔 모양, 레이저 출력 및 스캐닝 속도는 균열 발생에 영향을 미치는 가장 중요한 매개 변수인 반면 진동 주파수와 진폭은 이 연구 범위 내에서 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났습니다. 이는 빔 성형과 진동의 결합 전략이 예열이나 재료 수정 없이 텅스텐의 반복 가능한 균열{32}}없는 용접을 달성할 수 있음을 보여줍니다.
03
그래픽 분석
그림 1의 왼쪽 상단에 있는 데이터는 동일한 스폿 직경(202μm) 및 공정 조건에서 RC 80/20 빔의 온도 구배 G가 가우스 빔보다 상당히 낮은 반면 성장률 R은 약간 더 높다는 것을 보여줍니다. 핵심은 오른쪽 상단 모서리에 있는 냉각 속도 계산 결과에 있습니다.-RC 80/20 빔의 냉각 속도는 동일한 스폿 직경을 갖는 가우스 빔에 비해 약 40% 감소하고 환형 빔의 경우 약 45% 더 감소합니다. 아래의 시뮬레이션된 용융 풀 단면-도 이를 시각적으로 반영합니다. 즉, 성형 빔의 용융 풀이 더 넓고 얕습니다. 이 데이터는 빔 성형이 열 응력으로 인한 균열을 효과적으로 감소시킬 수 있는 이유를 직접적으로 설명하며, 열역학적 관점에서 후속 실험을 위한 강력한 지원을 제공합니다.
그림 2는 가우스 빔에 해당합니다. 진동이 없으면 세로방향 균열이 전체 용접부를 관통합니다. 그러나 진동을 추가하면 유사한 선에너지 밀도에서도 균열이 완전히 사라집니다. 그림 3은 RC 80/20 빔에 해당합니다. 진동이 없으면 높은 선 에너지 밀도에서 균열이 여전히 존재합니다. 진동을 추가하면 균열이 완전히 제거됩니다. 이는 빔 모양에 관계없이 진동이 균열을 효과적으로 억제할 수 있음을 충분히 보여줍니다. 메커니즘은 빔 진동이 용융 풀을 휘저어 열 입력을 더욱 균일하게 만드는 것입니다. 원래 좁고 깊은 용융 풀은 크게 넓어지고 깊이- 대-폭 비율이 1 아래로 떨어집니다. 용접 모드는 심용입 용접에서 열전도 용접으로 변경되어 열 응력을 방출합니다.
그림 4는 미세 구조 수준에서 처리 전략의 효과를 정량화합니다. 왼쪽은 가우시안 빔(93μm)의 평균 입자 크기가 10.2μm에 불과하다는 것을 보여줍니다. RC 80/20만 사용하면(202μm) 14.3μm로 증가합니다. RC 80/20이 진동과 결합되면 입자가 더욱 거칠어지며 이는 냉각 속도가 45% 감소한 시뮬레이션 결과와 완벽하게 일치합니다. 오른쪽의 종횡비 데이터는 성형 및 진동 조합의 입자가 등축형에 더 가까운(비율이 1에 가까움) 반면 가우시안 빔의 입자는 확실히 원주형(비율이 더 큼)임을 보여줍니다. 등축 결정립의 비율이 높고 개수가 많을수록 재료의 기계적 특성이 등방성이고 균열 전파에 대한 저항성이 강해지며 미세 구조 수준에서 균열이 효과적으로 억제되는 이유를 설명할 수 있습니다.
04
요약
이 연구는 레이저 빔 성형과 진동의 결합 전략이 예열이나 재료 수정 없이 순수 텅스텐의 반복 가능한 균열 없는 용접을 달성할 수 있음을 확인합니다.{0}} 테스트된 매개변수 중에서 진동과 결합된 RC 80/20 링 코어 빔이 가장 좋은 결과를 얻었으며, 가우시안 빔의 36%보다 훨씬 높은 91%의 무균열률-을 달성했습니다. 이 조합은 피크 전력 밀도를 줄이고 용융 풀을 교반하고, 용접 모드를 열전도 용접으로 변환하고, 냉각 속도를 최대 45%까지 줄이고, 더 큰 등축 결정의 형성을 촉진함으로써 균열을 효과적으로 억제합니다. 빔 모양, 레이저 출력 및 스캐닝 속도는 주요 영향 매개변수이며 진동 주파수와 진폭은 거의 영향을 미치지 않습니다. 향후 연구에서는 다층, 다중{13}}패스 적층 및 실제 PBF-LB/M 제조에서 이 전략의 적용 가능성을 추가로 검증해야 합니다.
