تأثير ليزر البقعة الحلقية القابل لتعديل الطاقة على تكوين وخواص المركبات بين الفلزية في وصلات اللحام التراكبي المصنوعة من الفولاذ والألومنيوم باستخدام الليزر

عند وصل الفولاذ بالألومنيوم، ينتج عن تفاعل ذرات الحديد والألومنيوم أثناء عملية الوصل مركبات بين فلزية هشة. يحد وجود هذه المركبات من المتانة الميكانيكية للوصلة، لذا من الضروري التحكم في كميتها. ويعود سبب تكوّن هذه المركبات إلى ضعف ذوبان الحديد في الألومنيوم. فإذا تجاوزت نسبته حدًا معينًا، فقد تؤثر على الخواص الميكانيكية للحام. تتميز المركبات البين فلزية بخصائص فريدة، مثل الصلابة، ومحدودية الليونة والمتانة، بالإضافة إلى خصائص مورفولوجية مميزة. وقد أظهرت الأبحاث أن طبقة Fe2Al5 البين فلزية تُعتبر الأكثر هشاشة مقارنةً بالمركبات البين فلزية الأخرى (11.8).± تُعدّ مرحلة المركب المعدني البيني (IMC) ذات مقاومة القص 1.8 جيجا باسكال السبب الرئيسي لانخفاض الخواص الميكانيكية نتيجة فشل اللحام. تتناول هذه الورقة البحثية عملية اللحام بالليزر عن بُعد للفولاذ IF والألومنيوم 1050 باستخدام ليزر ذي نمط حلقي قابل للتعديل، وتدرس بعمق تأثير شكل شعاع الليزر على تكوين المركبات المعدنية البينية والخواص الميكانيكية. من خلال ضبط نسبة طاقة القلب إلى طاقة الحلقة، وُجد أنه في وضع التوصيل، تُحقق نسبة طاقة القلب إلى طاقة الحلقة 0.2 مساحة سطح ربط أفضل لواجهة اللحام، وتُقلل بشكل ملحوظ من سُمك مركب Fe2Al5 المعدني البيني، مما يُحسّن مقاومة القص للوصلة.

تتناول هذه المقالة تأثير ليزر نمط الحلقة القابل للتعديل على تكوين المركبات البينية والخواص الميكانيكية أثناء اللحام بالليزر عن بُعد للفولاذ IF والألومنيوم 1050. تشير نتائج البحث إلى أنه في نمط التوصيل، توفر نسبة طاقة القلب إلى الحلقة 0.2 مساحة سطح ربط أكبر لواجهة اللحام، وهو ما ينعكس في قوة قص قصوى تبلغ 97.6 نيوتن/مم² (كفاءة وصلة 71%). بالإضافة إلى ذلك، بالمقارنة مع حزم غاوسية بنسبة طاقة أكبر من 1، يقلل هذا بشكل ملحوظ من سمك المركب البيني Fe2Al5 بنسبة 62%، وسمك المركب البيني الكلي بنسبة 40%. في نمط الثقب، لوحظت تشققات وانخفاض في قوة القص مقارنةً بنمط التوصيل. تجدر الإشارة إلى أنه لوحظ تحسن ملحوظ في بنية الحبيبات في خط اللحام عندما كانت نسبة طاقة القلب إلى الحلقة 0.5.

عندما تكون قيمة r تساوي صفرًا، يتم توليد طاقة الحلقة فقط، بينما عندما تكون قيمة r تساوي واحدًا، يتم توليد طاقة النواة فقط.

رسم تخطيطي لنسبة القدرة r بين شعاع غاوسي وشعاع حلقي

(أ) جهاز اللحام؛ (ب) عمق وعرض شكل اللحام؛ (ج) رسم تخطيطي لعرض إعدادات العينة والتثبيت

اختبار MC: في حالة شعاع غاوسي فقط، يكون خط اللحام في البداية في وضع التوصيل الضحل (ID 1 و2)، ثم ينتقل إلى وضع ثقب القفل المخترق جزئيًا (ID 3-5)، مع ظهور تشققات واضحة. عند زيادة قدرة الحلقة من 0 إلى 1000 واط، لم تكن هناك تشققات واضحة عند ID 7 وكان عمق منطقة إثراء الحديد صغيرًا نسبيًا. عند زيادة قدرة الحلقة إلى 2000 و2500 واط (ID 9 و10)، يزداد عمق منطقة الحديد الغنية. يحدث تشقق مفرط عند قدرة حلقة 2500 واط (ID 10).

اختبار المقاومة المغناطيسية: عندما تتراوح قدرة القلب بين 500 و1000 واط (الرقم التعريفي 11 و12)، يكون خط اللحام في وضع التوصيل. عند مقارنة الرقم التعريفي 12 بالرقم التعريفي 7، على الرغم من أن القدرة الإجمالية (6000 واط) متساوية، إلا أن الرقم التعريفي 7 يُطبق وضع تثبيت الثقب. ويعود ذلك إلى الانخفاض الكبير في كثافة القدرة عند الرقم التعريفي 12 نتيجةً لخاصية الحلقة السائدة (r=0.2). عندما تصل القدرة الإجمالية إلى 7500 واط (الرقم التعريفي 15)، يمكن تحقيق وضع الاختراق الكامل، وبالمقارنة مع 6000 واط المستخدمة في الرقم التعريفي 7، تزداد قدرة وضع الاختراق الكامل بشكل ملحوظ.

اختبار الدائرة المتكاملة: تم تحقيق وضع التوصيل (ID 16 و17) عند قدرة قلب 1500 واط وقدرة حلقة 3000 واط و3500 واط. عندما تكون قدرة القلب 3000 واط وقدرة الحلقة بين 1500 واط و2500 واط (ID 19-20)، تظهر تشققات واضحة عند السطح الفاصل بين الحديد والألومنيوم، مُشكّلةً نمط ثقوب صغيرة متغلغلة موضعيًا. عندما تكون قدرة الحلقة 3000 واط و3500 واط (ID 21 و22)، يتم تحقيق وضع ثقب المفتاح المتغلغل بالكامل.

صور مقطعية نموذجية لكل عملية تعريف لحام تحت المجهر الضوئي

الشكل 4. (أ) العلاقة بين مقاومة الشد القصوى (UTS) ونسبة القدرة في اختبارات اللحام؛ (ب) القدرة الكلية لجميع اختبارات اللحام

الشكل 5. (أ) العلاقة بين نسبة العرض إلى الطول وقوة الشد القصوى؛ (ب) العلاقة بين التمدد وعمق الاختراق وقوة الشد القصوى؛ (ج) كثافة الطاقة لجميع اختبارات اللحام

الشكل 6. (أ) خريطة كفاف اختبار صلابة فيكرز الدقيقة؛ (د) الأطياف الكيميائية المقابلة لتقنية SEM-EDS للحام نمط التوصيل النموذجي؛ (ز) رسم تخطيطي للسطح البيني بين الفولاذ والألومنيوم؛ (ح) سمك Fe2Al5 وسمك المركب المعدني البيني الكلي في لحامات نمط التوصيل.

الشكل 7. (أج) خريطة كونتورية لاختبار صلابة فيكرز الدقيقة؛ (د و) الطيف الكيميائي المقابل المُستخلص من المجهر الإلكتروني الماسح ومطياف تشتت الطاقة للأشعة السينية (SEM-EDS) لنمط اللحام التثقيبي الموضعي النموذجي

الشكل 8. (أج) خريطة كونتورية لاختبار صلابة فيكرز الدقيقة؛ (د و) الطيف الكيميائي المقابل المُستخلص من المجهر الإلكتروني الماسح ومطياف تشتت الطاقة للأشعة السينية (SEM-EDS) لنموذج لحام اختراق كامل نموذجي

الشكل 9. يوضح مخطط EBSD حجم الحبيبات في المنطقة الغنية بالحديد (اللوحة العلوية) في اختبار وضع الاختراق الكامل، ويحدد توزيع حجم الحبيبات كميًا

الشكل 10. أطياف SEM-EDS للسطح البيني بين الحديد الغني والألومنيوم الغني

بحثت هذه الدراسة تأثيرات ليزر ARM على تكوين وبنية وخواص الكربون المعدني الداخلي (IMC) في وصلات اللحام التراكبي غير المتشابهة بين فولاذ IF وسبائك الألومنيوم 1050. تناولت الدراسة ثلاثة أنماط للحام (نمط التوصيل، ونمط الاختراق الموضعي، ونمط الاختراق الكامل) وثلاثة أشكال مختارة لشعاع الليزر (شعاع غاوسي، وشعاع حلقي، وشعاع غاوسي حلقي). تشير نتائج البحث إلى أن اختيار نسبة القدرة المناسبة للشعاع الغاوسي والشعاع الحلقي يُعدّ عاملاً أساسياً للتحكم في تكوين وبنية الكربون المعدني الداخلي، وبالتالي تعظيم الخواص الميكانيكية للحام. في نمط التوصيل، يوفر الشعاع الدائري بنسبة قدرة 0.2 أفضل قوة لحام (كفاءة وصلة 71%). في نمط الاختراق، يُنتج الشعاع الغاوسي عمق لحام أكبر ونسبة أبعاد أعلى، لكن شدة اللحام تنخفض بشكل ملحوظ. يُحدث الشعاع الحلقي بنسبة قدرة 0.5 تأثيراً كبيراً على تحسين حبيبات الفولاذ الجانبية في خط اللحام. يعود ذلك إلى انخفاض درجة الحرارة القصوى للشعاع الحلقي، مما يؤدي إلى معدل تبريد أسرع، وتأثير تقييد نمو هجرة الألومنيوم المذاب نحو الجزء العلوي من خط اللحام على بنية الحبيبات. ثمة ارتباط قوي بين صلابة فيكرز الدقيقة وتوقعات برنامج Thermo Calc لنسبة حجم الطور. فكلما زادت نسبة حجم Fe4Al13، زادت الصلابة الدقيقة.