تاثیر لیزر نقطه ای حلقوی قابل تنظیم انرژی بر شکل گیری و خواص مکانیکی ترکیبات بین فلزی در اتصالات لبه جوش داده شده با لیزر آلومینیوم فولادی

هنگام اتصال فولاد به آلومینیوم، واکنش بین اتم های آهن و آل در طول فرآیند اتصال، ترکیبات بین فلزی شکننده (IMCs) را تشکیل می دهد. وجود این IMC ها استحکام مکانیکی اتصال را محدود می کند، بنابراین کنترل کمیت این ترکیبات ضروری است. دلیل تشکیل IMC ها این است که حلالیت آهن در Al ضعیف است. اگر از مقدار معینی بیشتر شود، ممکن است بر خواص مکانیکی جوش تأثیر بگذارد. IMC ها خواص منحصر به فردی مانند سختی، شکل پذیری و چقرمگی محدود و ویژگی های مورفولوژیکی دارند. تحقیقات نشان داده است که در مقایسه با سایر IMC ها، لایه Fe2Al5 IMC به طور گسترده ای شکننده ترین لایه در نظر گرفته می شود (11.8± 1.8 گیگا پاسکال) فاز IMC و همچنین دلیل اصلی کاهش خواص مکانیکی ناشی از خرابی جوش است. این مقاله فرآیند جوشکاری لیزر از راه دور فولاد IF و آلومینیوم 1050 را با استفاده از لیزر حالت حلقه قابل تنظیم بررسی می‌کند و تأثیر شکل پرتو لیزر را بر تشکیل ترکیبات بین فلزی و خواص مکانیکی به طور عمیق بررسی می‌کند. با تنظیم نسبت توان هسته/حلقه، مشخص شد که در حالت هدایت، نسبت توان هسته/حلقه 0.2 می‌تواند سطح اتصال رابط جوش بهتری را به دست آورد و ضخامت Fe2Al5 IMC را به میزان قابل توجهی کاهش دهد، در نتیجه مقاومت برشی اتصال را بهبود بخشد. .

این مقاله تاثیر لیزر حالت حلقه قابل تنظیم بر تشکیل ترکیبات بین فلزی و خواص مکانیکی در حین جوشکاری لیزری از راه دور فولاد IF و آلومینیوم 1050 را معرفی می‌کند. نتایج تحقیق نشان می‌دهد که در حالت هدایت، نسبت توان هسته/حلقه 0.2 سطح پیوند رابط جوش بزرگ‌تری را فراهم می‌کند که با حداکثر مقاومت برشی 97.6 نیوتن بر میلی‌متر مربع (بازده اتصال 71 درصد) منعکس می‌شود. علاوه بر این، در مقایسه با تیرهای گاوسی با نسبت توان بیشتر از 1، این امر به طور قابل توجهی ضخامت ترکیب بین فلزی Fe2Al5 (IMC) را تا 62 درصد و ضخامت کل IMC را تا 40 درصد کاهش می دهد. در حالت سوراخ شدگی ترک ها و مقاومت برشی کمتری نسبت به حالت هدایت مشاهده شد. شایان ذکر است که پالایش دانه قابل توجهی در درز جوش مشاهده شد که نسبت قدرت هسته به حلقه 0.5 بود.

هنگامی که r=0، تنها توان حلقه تولید می شود، در حالی که زمانی که r=1، تنها توان هسته تولید می شود.

نمودار شماتیک نسبت توان r بین تیر گوسی و تیر حلقوی

(الف) دستگاه جوش؛ (ب) عمق و عرض پروفیل جوش. (ج) نمودار شماتیک نمایش تنظیمات نمونه و فیکسچر

تست MC: فقط در مورد تیر گاوسی، درز جوش ابتدا در حالت هدایت کم عمق قرار دارد (ID 1 و 2)، و سپس به حالت سوراخ نافذ نیمه نفوذ (ID 3-5)، با ترک‌های آشکار تغییر می‌کند. هنگامی که قدرت حلقه از 0 به 1000 وات افزایش یافت، هیچ ترک آشکاری در ID 7 وجود نداشت و عمق غنی‌سازی آهن نسبتاً کم بود. هنگامی که قدرت حلقه به 2000 و 2500 وات (ID 9 و 10) افزایش می یابد، عمق منطقه آهن غنی افزایش می یابد. ترک بیش از حد در توان حلقه 2500 وات (ID 10).

تست MR: هنگامی که توان هسته بین 500 تا 1000 وات (ID 11 و 12) باشد، درز جوش در حالت هدایت است. با مقایسه ID 12 و ID 7، اگرچه توان کل (6000w) یکسان است، ID 7 حالت سوراخ قفل را پیاده سازی می کند. این به دلیل کاهش قابل توجه چگالی توان در ID 12 به دلیل مشخصه حلقه غالب (r=0.2) است. هنگامی که توان کل به 7500 وات (ID 15) می رسد، حالت نفوذ کامل را می توان به دست آورد و در مقایسه با 6000 وات استفاده شده در ID 7، قدرت حالت نفوذ کامل به طور قابل توجهی افزایش می یابد.

تست آی سی: حالت هدایت شده (ID 16 و 17) با توان هسته 1500 وات و توان حلقه 3000 وات و 3500 وات بدست آمد. وقتی توان هسته 3000 وات و توان حلقه بین 1500 وات تا 2500 وات است (ID 19-20)، ترک‌های آشکاری در سطح مشترک بین آهن غنی و آلومینیوم غنی ظاهر می‌شوند و یک الگوی سوراخ کوچک نافذ محلی را تشکیل می‌دهند. هنگامی که قدرت حلقه 3000 و 3500 وات (ID 21 و 22) است، به حالت سوراخ کلید با نفوذ کامل دست پیدا کنید.

تصاویر مقطعی نمایندگی از هر شناسایی جوشکاری در زیر میکروسکوپ نوری

شکل 4. (الف) رابطه بین استحکام کششی نهایی (UTS) و نسبت توان در آزمایش‌های جوشکاری. (ب) توان کل کلیه آزمایشات جوشکاری

شکل 5. (الف) رابطه بین نسبت ابعاد و UTS. (ب) رابطه بین گسترش و عمق نفوذ و UTS. (ج) چگالی توان برای تمام آزمایشات جوشکاری

شکل 6. (ac) نقشه کانتور فرورفتگی میکروسختی ویکرز. (df) طیف های شیمیایی SEM-EDS مربوطه برای جوشکاری حالت هدایتی نماینده. (ز) نمودار شماتیک سطح مشترک بین فولاد و آلومینیوم. (h) Fe2Al5 و ضخامت کل IMC جوش های حالت رسانا

شکل 7. (ac) نقشه کانتور فرورفتگی میکروسختی ویکرز. (df) طیف شیمیایی SEM-EDS متناظر برای جوشکاری با حالت سوراخ نفوذ موضعی نماینده

شکل 8. (ac) نقشه کانتور فرورفتگی میکروسختی ویکرز. (df) طیف شیمیایی SEM-EDS متناظر برای جوشکاری با حالت سوراخکاری کامل

شکل 9. نمودار EBSD اندازه دانه ناحیه غنی از آهن (صفحه بالایی) را در تست حالت سوراخ نفوذ کامل نشان می دهد و توزیع اندازه دانه را کمیت می کند.

شکل 10. طیف SEM-EDS رابط بین آهن غنی و آلومینیوم غنی

این مطالعه به بررسی اثرات لیزر ARM بر شکل‌گیری، ریزساختار و خواص مکانیکی IMC در اتصالات جوشی ناهمسان با آلیاژ آلومینیوم IF-1050 پرداخت. این مطالعه سه حالت جوشکاری (حالت هدایت، حالت نفوذ موضعی، و حالت نفوذ کامل) و سه شکل پرتو لیزر انتخاب شده (پرتو گاوسی، پرتو حلقوی و پرتو حلقوی گاوسی) را در نظر گرفت. نتایج تحقیق نشان می دهد که انتخاب نسبت توان مناسب تیر گوسی و تیر حلقوی یک پارامتر کلیدی برای کنترل تشکیل و ریزساختار کربن مدال داخلی است و در نتیجه خواص مکانیکی جوش را به حداکثر می رساند. در حالت هدایت، یک تیر دایره ای با نسبت توان 0.2 بهترین استحکام جوشکاری (71% راندمان اتصال) را فراهم می کند. در حالت سوراخ، پرتو گاوسی عمق جوش بیشتر و نسبت ابعاد بیشتری تولید می کند، اما شدت جوش به طور قابل توجهی کاهش می یابد. تیر حلقوی با نسبت توان 0.5 تأثیر قابل توجهی در پالایش دانه های جانبی فولاد در درز جوش دارد. این به دلیل دمای اوج کمتر تیر حلقوی است که منجر به سرعت خنک‌سازی سریع‌تر می‌شود و اثر محدودیت رشد مهاجرت املاح Al به سمت قسمت بالایی درز جوش بر روی ساختار دانه است. بین ریزسختی ویکرز و پیش‌بینی ترمو کالک درصد حجم فاز همبستگی قوی وجود دارد. هر چه درصد حجمی Fe4Al13 بیشتر باشد، ریزسختی بیشتر است.