Pengelasan Sinar LaserDengan kecepatan tinggi, presisi tinggi, dan karakteristik tanpa kontak, pengelasan banyak diaplikasikan di berbagai bidang seperti otomotif, kedirgantaraan, dan perangkat elektronik, terutama menunjukkan keunggulan unik dalam penyambungan material yang berbeda. Namun, retakan pembekuan (Solidification Cracking) yang dihasilkan selama proses pengelasan merupakan salah satu cacat utama yang membatasi aplikasi industrinya. Retakan ini biasanya terjadi di akhir pembekuan di zona fusi (Fusion Zone), dipicu oleh gabungan efek tegangan termal, penyusutan pembekuan, dan lapisan cairan pada batas butir, yang secara signifikan mengurangi sifat mekanik dan umur kelelahan sambungan.
1. Mekanisme pembentukan
Mekanisme inti retakan pembekuan terletak pada lapisan cairan sisa di batas butir pada akhir pembekuan. Selama proses pembekuan, kolam lelehan terbagi menjadi tiga zona: zona cairan bebas, zona cairan terbatas, dan zona padat, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Di zona cairan terbatas, aliran cairan terhalang dan tidak dapat mengimbangi regangan yang dihasilkan oleh penyusutan pembekuan, sehingga menyebabkan pemisahan batas butir. Rasio energi batas butir (γgb) terhadap energi antarmuka padat-cair (γsl) menentukan stabilitas lapisan cairan: jika γgb < 2γsl, lapisan cairan tidak stabil dan terjadi penggabungan butir; sebaliknya, jika lapisan cairan stabil, inisiasi retakan cenderung terjadi.
Selain itu, pembentukan retakan pembekuan juga berkaitan dengan sifat metalurgi material. Material yang berbeda memiliki karakteristik pembekuan yang berbeda, seperti kisaran suhu pembekuan, laju penyusutan pembekuan, dan distribusi unsur paduan, dll. Karakteristik ini memengaruhi sensitivitas retakan. Misalnya, pada material yang mengandung sejumlah besar fase eutektik dengan titik leleh rendah, sensitivitas retakan pembekuan lebih tinggi karena fase eutektik ini cenderung membentuk lapisan cairan kontinu selama pembekuan, sehingga memperintensifkan pembentukan retakan.
Selamaproses pengelasan laserSelain itu, parameter pengelasan seperti daya laser, kecepatan pengelasan, dan ukuran titik juga berdampak pada pembentukan retakan pembekuan. Parameter-parameter ini memengaruhi masukan panas dan gradien suhu selama proses pengelasan, sehingga mengubah struktur pembekuan dan morfologi butiran. Misalnya, daya laser yang lebih tinggi dan kecepatan pengelasan yang lebih rendah menghasilkan masukan panas yang lebih besar dan laju pendinginan yang lebih lambat, yang mendorong pertumbuhan kristal kolumnar dan meningkatkan sensitivitas retakan. Sebaliknya, daya laser yang lebih rendah dan kecepatan pengelasan yang lebih tinggi menyebabkan masukan panas yang lebih kecil dan laju pendinginan yang lebih cepat, sehingga memfasilitasi pembentukan kristal equiaxed dan mengurangi sensitivitas retakan.
2. Langkah-langkah penanggulangan
Untuk menekan retakan pembekuan secara efektif padapengelasan laserPara peneliti telah mengusulkan berbagai strategi, yang terutama berfokus pada pengendalian struktur butir, pengoptimalan parameter pengelasan, dan peningkatan sifat material. Dengan memperhalus struktur butir, jumlah batas butir dapat ditingkatkan, dan konsentrasi tegangan dapat dikurangi, sehingga mengurangi pembentukan retakan. Studi menunjukkan bahwa dengan menggunakan teknologi osilasi sinar laser, kristal kolumnar dapat diubah menjadi kristal equiaxed halus tanpa menambahkan material lain. Osilasi sinar laser dapat menyebarkan energi laser, menyebabkan kolam lelehan menghasilkan turbulensi, sehingga memecah arah pertumbuhan kristal kolumnar dan mendorong pembentukan kristal equiaxed, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3. Selain itu, osilasi sinar laser juga dapat meningkatkan lebar kolam lelehan, mengurangi gradien suhu, dan memperpanjang waktu pembekuan kolam lelehan, yang kondusif untuk difusi zat terlarut dan pengisian kembali lapisan cairan, sehingga secara signifikan mengurangi sensitivitas retakan pembekuan.
Distribusi lapisan cairan batas butir di bawah bentuk kolam yang berbeda.
Diagram skematik dari kolam lelehan las, a, b) tanpa osilasi, c, d) osilasi lateral, e, f) osilasi longitudinal, g, h) osilasi melingkar.
Selain itusinar laserTeknologi osilasi, menggunakan sumber laser ganda, juga merupakan salah satu metode efektif untuk menekan retakan pembekuan. Sumber laser ganda dapat mencapai transformasi dari kristal kolumnar menjadi kristal equiaxed dengan mengoptimalkan siklus termal, sehingga mengurangi ukuran butir dan konsentrasi regangan. Misalnya, ketika menggunakan laser CO₂ sebagai sumber panas utama dan laser pulsa Nd:YAG sebagai sumber panas tambahan, siklus termal yang dioptimalkan dapat dibentuk selama pengelasan, mendorong pembentukan kristal equiaxed dan mengurangi sensitivitas retakan pembekuan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.
Mengoptimalkan parameter pengelasan juga merupakan cara penting untuk menekan retakan pembekuan. Dengan menyesuaikan parameter seperti daya laser, kecepatan pengelasan, dan ukuran titik, masukan panas dan gradien suhu selama proses pengelasan dapat dikontrol, sehingga memengaruhi struktur pembekuan dan morfologi butiran. Studi menunjukkan bahwa perlakuan pemanasan awal dapat mengurangi laju pendinginan, mendorong pembentukan kristal equiaxed, dan dengan demikian mengurangi sensitivitas retakan pembekuan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5. Selain itu, metode seperti menggunakan pengelasan laser pulsa dan meningkatkan kecepatan pengelasan juga dapat mencapai transformasi dari kristal kolumnar menjadi kristal equiaxed dengan mengubah masukan panas dan laju pendinginan, sehingga mengurangi sensitivitas retakan.
Gambar 5. a) Tidak dipanaskan, b) Butiran equiaxed yang dipanaskan terlebih dahulu pada suhu 300°C.
Saat mengelas material yang berbeda dengan laser, karena perbedaan signifikan dalam sifat fisik dan kimia antara material tersebut, senyawa intermetalik yang rapuh cenderung terbentuk, yang merupakan salah satu penyebab utama retakan pembekuan. Oleh karena itu, menyesuaikan parameter dan pengaturan laser untuk mengurangi pembentukan atau jumlah senyawa intermetalik juga merupakan strategi penting untuk menekan retakan pembekuan. Misalnya, dalam pengelasan laser material tembaga-aluminium yang berbeda, dengan mengontrol offset sinar laser dan kecepatan pengelasan, rasio pencampuran tembaga dan aluminium dalam kolam lebur dapat dikurangi, sehingga mengurangi pembentukan senyawa intermetalik yang rapuh dan mengurangi sensitivitas retakan. Selain itu, penggunaan material pengisi juga dapat meningkatkan kinerja sambungan las dan mengurangi pembentukan retakan. Material pengisi dapat mengurangi pembentukan senyawa intermetalik dengan mengubah komposisi dan mikrostruktur sambungan las dan meningkatkan ketangguhan sambungan las.
Retakan pembekuan merupakan salah satu cacat umum dalam proses pengelasan laser. Mekanisme pembentukannya kompleks dan melibatkan interaksi berbagai faktor seperti panas, mekanika, dan metalurgi. Dengan mempelajari secara mendalam mekanisme pembentukan retakan pembekuan, dasar teoritis dapat diberikan untuk menekan retakan tersebut. Dalam beberapa tahun terakhir, para peneliti telah mengusulkan berbagai strategi untuk menekan retakan pembekuan, yang terutama berfokus pada pengendalian struktur butir, pengoptimalan parameter pengelasan, dan peningkatan sifat material. Praktik telah membuktikan bahwa strategi ini dapat secara efektif mengurangi sensitivitas retakan pembekuan sampai batas tertentu dan meningkatkan kualitas serta keandalan pengelasan laser. Namun, karena kompleksitas dan keragaman proses pengelasan laser, masih terdapat beberapa kekurangan dalam penelitian saat ini. Misalnya, untuk mekanisme penghambatan retakan pembekuan di bawah berbagai material dan kondisi pengelasan, penelitian mendalam lebih lanjut masih diperlukan.
Waktu posting: 20 Maret 2025
