تأثير الليزر الموضعي الحلقي القابل للتعديل على الطاقة على التكوين والخواص الميكانيكية للمركبات بين المعادن في وصلات اللفة الملحومة بالليزر من الألومنيوم الصلب

عند ربط الفولاذ بالألمنيوم، فإن التفاعل بين ذرات Fe وAl أثناء عملية الاتصال يشكل مركبات بين معدنية هشة (IMCs). إن وجود هذه المركبات IMC يحد من القوة الميكانيكية للاتصال، لذلك من الضروري التحكم في كمية هذه المركبات. سبب تكوين IMCs هو أن قابلية ذوبان Fe في Al ضعيفة. إذا تجاوزت كمية معينة، فقد يؤثر ذلك على الخواص الميكانيكية للحام. تتمتع IMCs بخصائص فريدة مثل الصلابة والمرونة المحدودة والمتانة والميزات المورفولوجية. لقد وجدت الأبحاث أنه بالمقارنة مع IMCs الأخرى، تعتبر طبقة Fe2Al5 IMC هي الأكثر هشاشة على نطاق واسع (11.8± 1.8 GPa) طور IMC، وهو أيضًا السبب الرئيسي لانخفاض الخواص الميكانيكية بسبب فشل اللحام. يبحث هذا البحث في عملية اللحام بالليزر عن بعد للفولاذ IF والألمنيوم 1050 باستخدام ليزر وضع الحلقة القابل للتعديل، ويبحث بعمق في تأثير شكل شعاع الليزر على تكوين المركبات المعدنية والخواص الميكانيكية. من خلال ضبط نسبة طاقة اللب/الحلقة، وجد أنه في ظل وضع التوصيل، يمكن لنسبة طاقة اللب/الحلقة البالغة 0.2 أن تحقق مساحة سطحية أفضل لربط واجهة اللحام وتقلل بشكل كبير من سمك Fe2Al5 IMC، وبالتالي تحسين قوة القص للمفصل. .

تقدم هذه المقالة تأثير الليزر ذو الوضع الدائري القابل للتعديل على تكوين المركبات المعدنية والخواص الميكانيكية أثناء اللحام بالليزر عن بعد للفولاذ IF والألمنيوم 1050. تشير نتائج البحث إلى أنه في ظل وضع التوصيل، توفر نسبة طاقة القلب/الحلقة البالغة 0.2 مساحة أكبر لسطح ربط واجهة اللحام، وهو ما ينعكس في قوة قص قصوى تبلغ 97.6 نيوتن/مم2 (كفاءة مشتركة تبلغ 71%). بالإضافة إلى ذلك، بالمقارنة مع الحزم الغوسية ذات نسبة طاقة أكبر من 1، فإن هذا يقلل بشكل كبير من سمك المركب المعدني Fe2Al5 (IMC) بنسبة 62% وإجمالي سمك IMC بنسبة 40%. في وضع التثقيب، لوحظت تشققات وانخفاض قوة القص مقارنة بوضع التوصيل. تجدر الإشارة إلى أنه تمت ملاحظة تحسن كبير في الحبوب في خط اللحام عندما كانت نسبة الطاقة الأساسية / الحلقة 0.5.

عندما تكون r=0، يتم توليد طاقة الحلقة فقط، بينما عندما تكون r=1، يتم إنشاء الطاقة الأساسية فقط.

رسم تخطيطي لنسبة الطاقة r بين الحزمة الغوسية والحزمة الحلقية

(أ) جهاز اللحام؛ (ب) عمق وعرض مقطع اللحام؛ (ج) رسم تخطيطي لعرض إعدادات العينة والتركيبات

اختبار MC: فقط في حالة الشعاع الغوسي، يكون خط اللحام مبدئيًا في وضع التوصيل الضحل (ID 1 و2)، ثم ينتقل إلى وضع ثقب القفل المخترق جزئيًا (ID 3-5)، مع ظهور شقوق واضحة. عندما زادت قوة الحلقة من 0 إلى 1000 واط، لم تكن هناك شقوق واضحة عند ID 7 وكان عمق تخصيب الحديد صغيرًا نسبيًا. عندما تزيد قوة الحلقة إلى 2000 و2500 واط (المعرفان 9 و10)، يزداد عمق المنطقة الغنية بالحديد. تكسير مفرط عند قوة الحلقة 2500 واط (المعرف 10).

اختبار MR: عندما تكون الطاقة الأساسية بين 500 و1000 واط (المعرف 11 و12)، يكون خط اللحام في وضع التوصيل؛ بمقارنة ID 12 وID 7، على الرغم من أن الطاقة الإجمالية (6000 واط) هي نفسها، فإن ID 7 يطبق وضع فتحة القفل. ويرجع ذلك إلى الانخفاض الكبير في كثافة الطاقة عند المعرف 12 بسبب خاصية الحلقة السائدة (r = 0.2). عندما تصل الطاقة الإجمالية إلى 7500 واط (ID 15)، يمكن تحقيق وضع الاختراق الكامل، ومقارنة بـ 6000 واط المستخدمة في ID 7، يتم زيادة قوة وضع الاختراق الكامل بشكل كبير.

اختبار IC: تم تحقيق الوضع الموصل (المعرف 16 و17) بطاقة أساسية تبلغ 1500 واط وقوة حلقة تبلغ 3000 واط و3500 واط. عندما تكون الطاقة الأساسية 3000 واط وطاقة الحلقة بين 1500 واط و2500 واط (ID 19-20)، تظهر شقوق واضحة في الواجهة بين الحديد الغني والألمنيوم الغني، مما يشكل نمط ثقب صغير مخترق محليًا. عندما تكون طاقة الحلقة 3000 و3500 واط (المعرف 21 و22)، قم بتحقيق وضع ثقب المفتاح للاختراق الكامل.

صور مقطعية تمثيلية لكل تعريف لحام تحت المجهر الضوئي

الشكل 4. (أ) العلاقة بين قوة الشد النهائية (UTS) ونسبة الطاقة في اختبارات اللحام؛ (ب) القوة الإجمالية لجميع اختبارات اللحام

الشكل 5. (أ) العلاقة بين نسبة العرض إلى الارتفاع وUTS؛ (ب) العلاقة بين الامتداد وعمق الاختراق وUTS؛ (ج) كثافة الطاقة لجميع اختبارات اللحام

الشكل 6. (أ) خريطة كفاف المسافة البادئة للصلابة الدقيقة فيكرز؛ ( df ) الأطياف الكيميائية SEM-EDS المقابلة للحام وضع التوصيل التمثيلي ؛ (ز) رسم تخطيطي للواجهة بين الفولاذ والألومنيوم؛ (ح) Fe2Al5 وسمك IMC الكلي لحامات الوضع الموصل

الشكل 7. (أ) خريطة كفاف المسافة البادئة للصلابة الدقيقة فيكرز؛ ( df ) الطيف الكيميائي SEM-EDS المطابق للحام وضع ثقب الاختراق المحلي التمثيلي

الشكل 8. (أ) خريطة كفاف المسافة البادئة للصلابة الدقيقة فيكرز؛ (df) الطيف الكيميائي SEM-EDS المطابق للحام وضع ثقب الاختراق الكامل التمثيلي

الشكل 9. تُظهر مؤامرة EBSD حجم الحبوب في المنطقة الغنية بالحديد (اللوحة العلوية) في اختبار وضع ثقب الاختراق الكامل، وتحدد توزيع حجم الحبوب

الشكل 10. أطياف SEM-EDS للواجهة بين الحديد الغني والألومنيوم الغني

بحثت هذه الدراسة في تأثيرات ليزر ARM على التكوين والبنية المجهرية والخواص الميكانيكية للـ IMC في الوصلات الملحومة غير المتشابهة المصنوعة من سبائك الألومنيوم من الفولاذ 1050. تناولت الدراسة ثلاثة أوضاع لحام (وضع التوصيل، وضع الاختراق المحلي، ونمط الاختراق الكامل) وثلاثة أشكال مختارة من شعاع الليزر (شعاع غاوسي، شعاع حلقي، وشعاع حلقي غاوسي). تشير نتائج البحث إلى أن اختيار نسبة الطاقة المناسبة للشعاع الغوسي والشعاع الحلقي يعد معلمة أساسية للتحكم في التكوين والبنية المجهرية للكربون المشروط الداخلي، وبالتالي تعظيم الخواص الميكانيكية للحام. في وضع التوصيل، توفر العارضة الدائرية ذات نسبة الطاقة 0.2 أفضل قوة لحام (71% كفاءة مشتركة). في وضع التثقيب، ينتج الشعاع الغوسي عمق لحام أكبر ونسبة عرض إلى ارتفاع أعلى، ولكن يتم تقليل كثافة اللحام بشكل كبير. إن الحزمة الحلقية ذات نسبة الطاقة 0.5 لها تأثير كبير على تحسين حبيبات الجانب الفولاذي في خط اللحام. ويرجع ذلك إلى انخفاض درجة حرارة الذروة للحزمة الحلقية مما يؤدي إلى معدل تبريد أسرع، وتأثير تقييد النمو لهجرة المذاب نحو الجزء العلوي من خط اللحام على بنية الحبوب. هناك علاقة قوية بين صلابة فيكرز الدقيقة وتنبؤ Thermo Calc بالنسبة المئوية لحجم الطور. كلما زادت نسبة حجم Fe4Al13، زادت الصلابة الدقيقة.