تأثیر لیزر نقطه‌ای حلقوی با قابلیت تنظیم انرژی بر تشکیل و خواص مکانیکی ترکیبات بین فلزی در اتصالات روی هم جوش داده شده با لیزر فولاد و آلومینیوم

هنگام اتصال فولاد به آلومینیوم، واکنش بین اتم‌های آهن و آلومینیوم در طول فرآیند اتصال، ترکیبات بین فلزی شکننده (IMC) را تشکیل می‌دهد. وجود این IMCها، استحکام مکانیکی اتصال را محدود می‌کند، بنابراین کنترل مقدار این ترکیبات ضروری است. دلیل تشکیل IMCها این است که حلالیت آهن در آلومینیوم ضعیف است. اگر از مقدار مشخصی بیشتر شود، ممکن است بر خواص مکانیکی جوش تأثیر بگذارد. IMCها خواص منحصر به فردی مانند سختی، شکل‌پذیری و چقرمگی محدود و ویژگی‌های مورفولوژیکی دارند. تحقیقات نشان داده است که در مقایسه با سایر IMCها، لایه IMC Fe2Al5 به طور گسترده شکننده‌ترین لایه در نظر گرفته می‌شود (11.8)± فاز IMC (1.8 گیگا پاسکال) و همچنین دلیل اصلی کاهش خواص مکانیکی ناشی از شکست جوشکاری است. این مقاله فرآیند جوشکاری لیزری از راه دور فولاد IF و آلومینیوم 1050 را با استفاده از لیزر حلقه‌ای 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 رسانایی، نسبت توان هسته/حلقه 0.2 می‌تواند به مساحت سطح اتصال فصل مشترک جوش بهتری دست یابد و ضخامت Fe2Al5 IMC را به طور قابل توجهی کاهش دهد و در نتیجه استحکام برشی اتصال را بهبود بخشد.

این مقاله به بررسی تأثیر لیزر حلقه‌ای قابل تنظیم بر تشکیل ترکیبات بین فلزی و خواص مکانیکی در طول جوشکاری لیزری از راه دور فولاد IF و آلومینیوم 1050 می‌پردازد. نتایج تحقیق نشان می‌دهد که در حالت هدایت، نسبت توان هسته/حلقه 0.2، مساحت سطح اتصال فصل مشترک جوش بزرگتری را فراهم می‌کند که با حداکثر مقاومت برشی 97.6 نیوتن بر میلی‌متر مربع (راندمان اتصال 71%) منعکس می‌شود. علاوه بر این، در مقایسه با پرتوهای گاوسی با نسبت توان بیشتر از 1، این امر به طور قابل توجهی ضخامت ترکیب بین فلزی Fe2Al5 (IMC) را 62% و ضخامت کل IMC را 40% کاهش می‌دهد. در حالت سوراخکاری، ترک‌ها و مقاومت برشی کمتری در مقایسه با حالت هدایت مشاهده شد. شایان ذکر است که وقتی نسبت توان هسته/حلقه 0.5 بود، ریز شدن دانه قابل توجهی در درز جوش مشاهده شد.

وقتی r=0 باشد، فقط توان حلقه تولید می‌شود، در حالی که وقتی r=1 باشد، فقط توان هسته تولید می‌شود.

نمودار شماتیک نسبت توان r بین پرتو گاوسی و پرتو حلقوی

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

آزمایش MC: فقط در مورد پرتو گاوسی، درز جوش در ابتدا در حالت هدایت سطحی (ID 1 و 2) است و سپس به حالت سوراخ قفلی نیمه نفوذی (ID 3-5) منتقل می‌شود و ترک‌های واضحی ظاهر می‌شوند. هنگامی که توان حلقه از 0 به 1000 وات افزایش یافت، هیچ ترک واضحی در ID 7 وجود نداشت و عمق غنی‌سازی آهن نسبتاً کم بود. هنگامی که توان حلقه به 2000 و 2500 وات (ID 9 و 10) افزایش می‌یابد، عمق ناحیه غنی از آهن افزایش می‌یابد. ترک خوردگی بیش از حد در توان حلقه 2500 وات (ID 10).

آزمایش MR: وقتی توان هسته بین ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ وات (ID 11 و ۱۲) باشد، درز جوش در حالت رسانایی قرار دارد؛ با مقایسه ID 12 و ID 7، اگرچه توان کل (۶۰۰۰ وات) یکسان است، ID 7 حالت قفل‌شدگی را پیاده‌سازی می‌کند. این به دلیل کاهش قابل توجه چگالی توان در ID 12 به دلیل مشخصه حلقه غالب (r=0.2) است. وقتی توان کل به ۷۵۰۰ وات (ID 15) می‌رسد، می‌توان به حالت نفوذ کامل دست یافت و در مقایسه با ۶۰۰۰ وات مورد استفاده در ID 7، توان حالت نفوذ کامل به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد.

تست IC: حالت هدایت‌شده (با شناسه ۱۶ و ۱۷) در توان هسته ۱۵۰۰ وات و توان حلقه ۳۰۰۰ و ۳۵۰۰ وات حاصل شد. هنگامی که توان هسته ۳۰۰۰ وات و توان حلقه بین ۱۵۰۰ و ۲۵۰۰ وات (با شناسه ۱۹-۲۰) باشد، ترک‌های واضحی در فصل مشترک بین آهن غنی و آلومینیوم غنی ظاهر می‌شوند و یک الگوی سوراخ کوچک نفوذی موضعی تشکیل می‌دهند. هنگامی که توان حلقه ۳۰۰۰ و ۳۵۰۰ وات (با شناسه ۲۱ و ۲۲) باشد، به حالت سوراخ کلید با نفوذ کامل دست یابید.

تصاویر مقطعی نماینده از هر شناسایی جوش در زیر میکروسکوپ نوری

شکل ۴. (الف) رابطه بین استحکام کششی نهایی (UTS) و نسبت توان در آزمایش‌های جوشکاری؛ (ب) توان کل تمام آزمایش‌های جوشکاری

شکل 5. (الف) رابطه بین نسبت ابعاد و UTS؛ (ب) رابطه بین امتداد و عمق نفوذ و UTS؛ (ج) چگالی توان برای همه آزمایش‌های جوشکاری

شکل 6. (ac) نقشه کانتور فرورفتگی ریزسختی ویکرز؛ (df) طیف‌های شیمیایی SEM-EDS مربوطه برای جوشکاری حالت رسانایی نمونه؛ (g) نمودار شماتیک فصل مشترک بین فولاد و آلومینیوم؛ (h) Fe2Al5 و ضخامت کل IMC جوش‌های حالت رسانایی

شکل 7. (ac) نقشه کانتور فرورفتگی ریزسختی ویکرز؛ (df) طیف شیمیایی SEM-EDS مربوطه برای جوشکاری با روش سوراخکاری نفوذی موضعی

شکل 8. (ac) نقشه کانتور فرورفتگی ریزسختی ویکرز؛ (df) طیف شیمیایی SEM-EDS مربوطه برای جوشکاری با نفوذ کامل به عنوان نماینده حالت سوراخکاری

شکل 9. نمودار EBSD اندازه دانه ناحیه غنی از آهن (صفحه بالایی) را در آزمایش حالت سوراخکاری با نفوذ کامل نشان می‌دهد و توزیع اندازه دانه را کمّی می‌کند.

شکل 10. طیف‌های SEM-EDS از فصل مشترک بین آهن غنی و آلومینیوم غنی

این مطالعه به بررسی اثرات لیزر ARM بر تشکیل، ریزساختار و خواص مکانیکی IMC در اتصالات جوش داده شده روی هم غیرمشابه فولاد IF-آلیاژ آلومینیوم 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 می‌دهد که انتخاب نسبت توان مناسب پرتو گاوسی و پرتو حلقوی یک پارامتر کلیدی برای کنترل تشکیل و ریزساختار کربن مودال داخلی است و در نتیجه خواص مکانیکی جوش را به حداکثر می‌رساند. در حالت هدایت، پرتو دایره‌ای با نسبت توان 0.2 بهترین استحکام جوشکاری (راندمان اتصال 71٪) را فراهم می‌کند. در حالت سوراخکاری، پرتو گاوسی عمق جوش بیشتر و نسبت ابعاد بالاتری ایجاد می‌کند، اما شدت جوش به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. پرتو حلقوی با نسبت توان 0.5 تأثیر قابل توجهی بر اصلاح دانه‌های جانبی فولاد در درز جوش دارد. این امر به دلیل دمای پیک پایین‌تر پرتو حلقوی است که منجر به سرعت خنک‌سازی سریع‌تر و اثر محدودکننده رشد مهاجرت حل‌شونده آلومینیوم به سمت قسمت بالایی درز جوش بر ساختار دانه می‌شود. همبستگی قوی بین ریزسختی ویکرز و پیش‌بینی درصد حجمی فاز توسط Thermo Calc وجود دارد. هرچه درصد حجمی Fe4Al13 بیشتر باشد، ریزسختی نیز بیشتر است.