مکانیسم تشکیل و اقدامات سرکوب ترک‌های انجمادی در جوشکاری لیزری

جوشکاری پرتو لیزربا سرعت بالا، دقت بالا و ویژگی‌های غیرتماسی، به طور گسترده در زمینه‌هایی مانند خودرو، هوافضا و دستگاه‌های الکترونیکی کاربرد دارد، به ویژه با نشان دادن مزایای منحصر به فرد در اتصال مواد غیرمشابه. با این حال، ترک‌های انجمادی (Solidification Cracking) که در طول فرآیند جوشکاری ایجاد می‌شوند، یکی از عیوب کلیدی هستند که کاربرد صنعتی آن را محدود می‌کنند. این ترک‌ها معمولاً در پایان انجماد در ناحیه ذوب (Fusion Zone) رخ می‌دهند که توسط اثرات ترکیبی تنش حرارتی، انقباض انجمادی و فیلم مایع روی مرز دانه‌ها ایجاد می‌شوند و به طور قابل توجهی خواص مکانیکی و عمر خستگی اتصال را کاهش می‌دهند.

۱. مکانیسم تشکیل

مکانیسم اصلی ترک‌های انجمادی در فیلم مایع باقیمانده در مرز دانه‌ها در پایان انجماد نهفته است. در طول فرآیند انجماد، حوضچه مذاب به سه ناحیه تقسیم می‌شود: ناحیه مایع آزاد، ناحیه مایع محدود شده و ناحیه جامد، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است. در ناحیه مایع محدود شده، جریان مایع مسدود شده و نمی‌تواند کرنش ایجاد شده توسط انقباض انجمادی را جبران کند و در نتیجه جداسازی مرز دانه رخ می‌دهد. نسبت انرژی مرز دانه (γgb) به انرژی سطح مشترک جامد-مایع (γsl) پایداری فیلم مایع را تعیین می‌کند: اگر γgb < 2γsl باشد، فیلم مایع ناپایدار است و ادغام دانه‌ها رخ می‌دهد. برعکس، فیلم مایع پایدار است و شروع ترک مستعد وقوع است.

علاوه بر این، تشکیل ترک‌های انجمادی به خواص متالورژیکی مواد نیز مربوط می‌شود. مواد مختلف ویژگی‌های انجمادی متفاوتی دارند، مانند محدوده دمای انجماد، نرخ انقباض انجمادی و توزیع عناصر آلیاژی و غیره. این ویژگی‌ها بر حساسیت ترک‌ها تأثیر می‌گذارند. به عنوان مثال، در موادی که حاوی مقدار زیادی فازهای یوتکتیک با نقطه ذوب پایین هستند، حساسیت ترک‌های انجمادی بیشتر است زیرا این فازهای یوتکتیک مستعد تشکیل لایه‌های مایع پیوسته در طول انجماد هستند و در نتیجه تشکیل ترک‌ها را تشدید می‌کنند.

در طولفرآیند جوشکاری لیزریپارامترهای جوشکاری مانند توان لیزر، سرعت جوشکاری و اندازه نقطه جوش نیز بر تشکیل ترک‌های انجمادی تأثیر می‌گذارند. این پارامترها بر ورودی گرما و گرادیان دما در طول فرآیند جوشکاری تأثیر می‌گذارند و در نتیجه ساختار انجماد و مورفولوژی دانه را تغییر می‌دهند. به عنوان مثال، توان لیزر بالاتر و سرعت جوشکاری پایین‌تر منجر به ورودی گرما بیشتر و سرعت خنک شدن کندتر می‌شود که رشد کریستال‌های ستونی را افزایش داده و حساسیت به ترک را افزایش می‌دهد. برعکس، توان لیزر پایین‌تر و سرعت جوشکاری بالاتر منجر به ورودی گرما کمتر و سرعت خنک شدن سریع‌تر می‌شود که تشکیل کریستال‌های هم‌محور را تسهیل کرده و حساسیت به ترک را کاهش می‌دهد.

۲. اقدامات سرکوبگرانه

برای سرکوب مؤثر ترک‌های انجمادی درجوشکاری لیزریمحققان استراتژی‌های مختلفی را پیشنهاد کرده‌اند که عمدتاً بر کنترل ساختار دانه، بهینه‌سازی پارامترهای جوشکاری و بهبود خواص مواد تمرکز دارند. با اصلاح ساختار دانه، می‌توان تعداد مرزهای دانه را افزایش داد و غلظت تمرکز تنش را کاهش داد و در نتیجه تشکیل ترک‌ها را کاهش داد. مطالعات نشان داده‌اند که با استفاده از فناوری نوسان پرتو لیزر، می‌توان کریستال‌های ستونی را بدون افزودن مواد دیگر به کریستال‌های ریز هم‌محور تبدیل کرد. نوسان پرتو لیزر می‌تواند انرژی لیزر را پراکنده کند و باعث ایجاد تلاطم در حوضچه مذاب شود و در نتیجه جهت رشد کریستال‌های ستونی را بشکند و تشکیل کریستال‌های هم‌محور را افزایش دهد، همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است. علاوه بر این، نوسان پرتو لیزر همچنین می‌تواند عرض حوضچه مذاب را افزایش دهد، گرادیان دما را کاهش دهد و زمان انجماد حوضچه مذاب را طولانی‌تر کند که این امر منجر به انتشار مواد حل‌شده و پر شدن مجدد لایه‌های مایع می‌شود و در نتیجه حساسیت ترک‌های انجماد را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد.

توزیع لایه‌های نازک مایع مرز دانه‌ای تحت شکل‌های مختلف حوضچه.

نمودار شماتیک حوضچه مذاب جوشکاری، الف، ب) بدون نوسان، ج، د) نوسان جانبی، ه، و) نوسان طولی، ز، ح) نوسان محیطی.

علاوه برپرتو لیزردر فناوری نوسان، استفاده از منابع لیزر دوگانه نیز یکی از روش‌های مؤثر برای سرکوب ترک‌های انجمادی است. منابع لیزر دوگانه می‌توانند با بهینه‌سازی چرخه حرارتی، تبدیل کریستال‌های ستونی به کریستال‌های هم‌محور را محقق کنند و در نتیجه اندازه دانه و تمرکز کرنش را کاهش دهند. به عنوان مثال، هنگام استفاده از لیزر CO₂ به عنوان منبع اصلی گرما و لیزر پالسی Nd:YAG به عنوان منبع کمکی گرما، می‌توان یک چرخه حرارتی بهینه در حین جوشکاری تشکیل داد که تشکیل کریستال‌های هم‌محور را افزایش داده و حساسیت ترک‌های انجمادی را کاهش می‌دهد، همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است.

بهینه‌سازی پارامترهای جوشکاری نیز وسیله‌ای مهم برای سرکوب ترک‌های انجمادی است. با تنظیم پارامترهایی مانند توان لیزر، سرعت جوشکاری و اندازه نقطه جوش، می‌توان ورودی گرما و گرادیان دما را در طول فرآیند جوشکاری کنترل کرد و در نتیجه بر ساختار انجماد و مورفولوژی دانه تأثیر گذاشت. مطالعات نشان داده‌اند که عملیات پیش‌گرمایش می‌تواند سرعت خنک شدن را کاهش دهد، تشکیل کریستال‌های هم‌محور را افزایش دهد و در نتیجه حساسیت ترک‌های انجمادی را کاهش دهد، همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است. علاوه بر این، روش‌هایی مانند استفاده از جوشکاری لیزر پالسی و افزایش سرعت جوشکاری نیز می‌توانند با تغییر ورودی گرما و سرعت خنک شدن، تبدیل کریستال‌های ستونی به کریستال‌های هم‌محور را محقق کنند و در نتیجه حساسیت ترک‌ها را کاهش دهند.

شکل ۵. الف) حرارت ندیده، ب) دانه‌های هم‌محورِ پیش‌حرارت داده شده تا دمای ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد.

هنگام جوشکاری مواد غیرمشابه با لیزر، به دلیل تفاوت‌های قابل توجه در خواص فیزیکی و شیمیایی بین مواد، ترکیبات بین فلزی شکننده مستعد تشکیل هستند که یکی از دلایل اصلی ترک‌های انجمادی هستند. بنابراین، تنظیم پارامترها و تنظیمات لیزر برای کاهش تشکیل یا مقدار ترکیبات بین فلزی نیز یک استراتژی مهم برای سرکوب ترک‌های انجمادی است. به عنوان مثال، در جوشکاری لیزری مواد غیرمشابه مس-آلومینیوم، با کنترل انحراف پرتو لیزر و سرعت جوشکاری، می‌توان نسبت اختلاط مس و آلومینیوم در حوضچه مذاب را کاهش داد و در نتیجه تشکیل ترکیبات بین فلزی شکننده را کاهش داد و حساسیت ترک‌ها را کاهش داد. علاوه بر این، استفاده از مواد پرکننده همچنین می‌تواند عملکرد اتصال جوش داده شده را بهبود بخشد و تشکیل ترک‌ها را کاهش دهد. مواد پرکننده می‌توانند با تغییر ترکیب و ریزساختار اتصال جوش داده شده، تشکیل ترکیبات بین فلزی را کاهش داده و چقرمگی اتصال جوش داده شده را بهبود بخشند.

ترک‌های انجمادی یکی از عیوب رایج در فرآیندهای جوشکاری لیزری هستند. مکانیسم تشکیل آنها پیچیده است و شامل تعامل عوامل متعددی مانند گرما، مکانیک و متالورژی می‌شود. با مطالعه عمیق مکانیسم تشکیل ترک‌های انجمادی، می‌توان مبانی نظری برای سرکوب ترک‌ها فراهم کرد. در سال‌های اخیر، محققان استراتژی‌های مختلفی را برای سرکوب ترک‌های انجمادی پیشنهاد کرده‌اند که عمدتاً بر کنترل ساختار دانه، بهینه‌سازی پارامترهای جوشکاری و بهبود خواص مواد تمرکز دارند. تجربه ثابت کرده است که این استراتژی‌ها می‌توانند به طور مؤثر حساسیت ترک‌های انجمادی را تا حدی کاهش داده و کیفیت و قابلیت اطمینان جوشکاری لیزری را بهبود بخشند. با این حال، به دلیل پیچیدگی و تنوع فرآیند جوشکاری لیزری، هنوز برخی کاستی‌ها در تحقیقات فعلی وجود دارد. به عنوان مثال، برای مکانیسم‌های مهار ترک‌های انجمادی تحت مواد و شرایط جوشکاری مختلف، هنوز تحقیقات عمیق‌تری مورد نیاز است.