ריתוך בלייזר - השפעת פרמטרי תנודה על ריתוך בלייזר במצב טבעת מתכוונן (ARM) של סגסוגות אלומיניום

ריתוך בלייזר - השפעת פרמטרי תנודה על ריתוך בלייזר במצב טבעת מתכוונן (ARM) של סגסוגות אלומיניום

1. תקציר

מחקר זה בוחן את ההשפעות של אמפליטודה ותדירות התנודה על איכות פני השטח, מקרו-מבנים ומיקרו-מבנים, ונקבוביות של מצב טבעת מתכוונן (ARM).מרותך תנודות לייזרלוחות מסגסוגת אלומיניום A5083. התוצאות מראות שעם העלייה באמפליטודת ותדירות התנודה, איכות פני השטח של הריתוך משתפרת. ככל שהאמפליטודה עולה, חתך הריתוך משתנה מצורת "גביע" לצורת "סהר". ניתוח מיקרו-מבני מצביע על כך שגודל הגרעינים של הריתוך אינו יורד עם העלייה באמפליטודת ותדירות התנודה עקב התחרות בין אפקט הערבוב לבין הפחתת קצב הקירור. נקבוביות הריתוך יורדת עם העלייה בפרמטרי התנודה, ומגיעה לנקבוביות סופית של 0.22% כאשר האמפליטודה היא 2 מ"מ. טומוגרפיה תלת-ממדית של קרני רנטגן מאשרת עוד יותר את השפעת התנודה על פיזור הנקבוביות: נקבוביות גדולות נוטות להצטבר מאחורי בריכת המותך, בעוד שנקבוביות קטנות מראות סימטריה טובה יותר. מחקר זה מספק תובנות חשובות לאופטימיזציה של פרמטרי התנודה להשגת ריתוך לייזר באיכות גבוהה ביישומי סגסוגת אלומיניום A5083.

2 רקע בתעשייה

לסגסוגות אלומיניום יתרונות של משקל קל, חוזק סגולי גבוה ועמידות טובה בפני קורוזיה, והן נמצאות בשימוש נרחב בתעשיות הרכב, הרכבות המהירות, התעופה ותעשיות אחרות. לריתוך בלייזר יתרונות של יעילות גבוהה, אזור מושפע חום קטן ועיוות ריתוך קטן. לכן,ריתוך בלייזר היא שיטת ריתוך חסכונית המתאימה ללוחות עבים, אשר יכול להפחית משמעותית את מספר מעברי הריתוך. נקבוביות היא פגם משמעותי בריתוך לייזר של סגסוגות אלומיניום, אשר משפיע קשות על התכונות המכניות של חיבורים מרותכים. לכן, נערכו מחקרים מקיפים כדי להפחית ולחסל היווצרות נקבוביות, כולל אופטימיזציה של גז מגן, יישום טכנולוגיית קרן כפולה, שימוש במערכות כוח לייזר מווסתות ואימוץ שיטות קרן תנודה. טכנולוגיית ריתוך תנודה בלייזר בולטת ביכולתה לשלב את היתרונות של ריתוך לייזר עם המאפיינים שלה. שימוש בריתוך תנודה בלייזר יכול לא רק להפחית את הנקבוביות אלא גם לשפר את המיקרו-מבנה של הריתוך ולשפר את איכות הריתוך. מספר רב של מחקרים התמקדו בעיקר בהיבטים שונים של ריתוך תנודה בלייזר, כולל הפחתת נקבוביות, אופטימיזציה של פיזור אנרגיה, עידון מבנה הגרעינים ואפיון זרימת ההיתוך בבריכת ההיתוך. פיזור אנרגיית הלייזר ממלא תפקיד מכריע בפיזור הטמפרטורה ובעומק החדירה של ריתוך לייזר. במשרעת תנודה מסוימת, עם העלייה בתדירות הסריקה, תהליך הריתוך עובר מריתוך חדירה עמוקה לריתוך לא יציב, ולבסוף לריתוך הולכת חום. התוצאות מראות כי הגדלת אמפליטודת ותדירות הסריקה יכולות להפחית את נקבוביות הריתוך, אך גם להפחית משמעותית את עומק החדירה של הריתוך, ובכך להפחית את התכונות המכניות של הריתוך. בשנים האחרונות פותח לייזר במצב טבעת מתכוונן (ARM), המחלק את אנרגיית הלייזר לליבה בעלת צפיפות אנרגיה גבוהה וטבעת בעלת צפיפות אנרגיה נמוכה, במטרה לייצב את חור המנעול ולשפר את איכות הריתוך. חוקרים השתמשו בריתוך תנודתי בלייזר ARM כדי לרתך סגסוגות אלומיניום בעלות חוזק גבוה 6xxx תחת יחסי הספק ליבה/טבעת ורוחבי תנודה שונים. תוצאות הניסוי מראות כי הגורם העיקרי המשפיע על גיאומטריית הריתוך הוא רוחב התנודה, ולא יחס הספק ליבה-טבעת. עם זאת, פיזור הנקבוביות ומנגנון העיכוב שלו תחת סופרפוזיציה של תנודה ולייזר ARM לא נחקרו. במאמר זה, מאומצת טכנולוגיית ריתוך תנודתי חדשה בלייזר ARM כדי להפחית את נקבוביות הריתוך, להשיג עומק חדירה גבוה יותר ואיכות ריתוך טובה יותר. נערך מחקר מקיף על פיזור אנרגיית הלייזר, התנהגות דינמית של בריכת מותכת ומיקרו-מבנה תחת תדרי תנודה ואמפליטודות שונות.

3. מטרות ונהלים ניסיוניים

טכנולוגיית ריתוך תנודתי בלייזר מעגלי שימשה לריתוך סגסוגות אלומיניום. חומר הבסיס (BM) היה סגסוגת אלומיניום 5083-O במידות של 300 מ"מ × 100 מ"מ × 5 מ"מ (אורך × רוחב × עובי), וההרכב הכימי שלו מוצג בטבלה. לפני הריתוך, הדגימות לוטשו כדי להסיר את שכבת התחמוצת על פני השטח, ולאחר מכן נוקו באצטון באמבט אולטרסאונד במשך 15 דקות כדי להסיר שמן על פני השטח.מערכת ריתוך לייזרמורכב בעיקר מרובוט Kuka, לייזר דיסק TruDisk 8001 וסורק גלוונומטר PFO תלת-ממדי. לייזר הדיסק TruDisk 8001 שימש כמקור לייזר במצב טבעת מתכוונן, עם יחס ליבה/סיב טבעת של 100/400 מיקרון והספק יציאה מרבי של 8 קילוואט (אורך גל של 1030 ננומטר, פרמטר איכות קרן של 4.0 מ"מ·רדאן). קרן הלייזר מורכבת מחלק ליבה וחלק טבעת, כאשר הלייזר בחלק הליבה המרכזי מייצר חור מנעול (60% מאנרגיית הלייזר), והלייזר בחלק הטבעת מבטיח פיזור טמפרטורה טוב (40% מאנרגיית הלייזר), כפי שמוצג באיור (ב). אורכי המוקד של הקולימטור ועדשת המיקוד הם 138 מ"מ ו-450 מ"מ, בהתאמה. במהלך תהליך הריתוך, נעשה שימוש במצלמת Phantom V1840 במהירות גבוהה ובמקור אור Cavilux בתדר גבוה כדי לנטר את תהליך הריתוך בזמן אמת, עם מהירות צילום של 5000 פריימים לשנייה וזמן חשיפה של 1 מיקרו-שנייה. במחקר זה, מסלול תנודת הקרן המעגלית, נתיב תנועת הלייזר והמהירות הרגעית מוגדרים כפי שמוצג באיור.

4 תוצאות ודיון

4.1 מאפייני מורפולוגיה של הריתוך מורפולוגיות פני השטח של הריתוך תחת מצבי תנודה שונים של לייזר מוצגות באיור. התוצאות מראות כי פני השטח של ריתוך קו ישר קונבנציונלי הם מחוספסים (חספוס של 78.01 מיקרון), עם רציפות ירודה של אדוות הריתוך ופיזור ריתוך לא מספק. כמו כן נצפו היווצרות ריתוך לא מספקת, התזות חמורות וחיתוך תחתון. עם העלייה באמפליטודת ותדירות התנודה, פני השטח של הריתוך מציגים קשקשי דגים צפופים ואחידים. חספוס פני השטח של ריתוכים עם אמפליטודות תנודה של 0.5 מ"מ, 1 מ"מ ו-2 מ"מ הוא 80.71 מיקרון, 49.63 מיקרון ו-31.12 מיקרון, בהתאמה. אין אי סדרים או בליטות הנגרמות כתוצאה מהתזה. התוצאות מצביעות על כך שתדר תנודה גבוה יותר מוביל לזרימה סדירה יותר של בריכת המותך, אפקט ערבוב חזק יותר של קרן הלייזר ומשטח ריתוך אידיאלי יותר. באופן בסיסי, צורת ריתוך הלייזר קשורה באופן סיבתי לתנועת קרן הלייזר. במהלך הריתוך, שינויים במשרעת התנודה ובתדירות התנודה משנים את מהירות הריתוך, ובכך משפיעים על צפיפות האנרגיה הליניארית ועל סך כניסת החום של הלייזר. מורפולוגיית החתך של הריתוך היא בצורת "גביע", המורכבת משני חלקים: החלק התחתון הוא ה"גבעול", והחלק העליון הוא ה"קערה". עומק החדירה וה"גבעול" מוגדרים כ-H1 ו-H2, בהתאמה, ורוחבי הריתוך ("קערה") וה"גבעול" מוגדרים כ-W1 ו-W2, בהתאמה. שני רוחב הריתוך W1 ו-W2 גדלים באופן סינכרוני עם העלייה במשרעת התנודה, ומורפולוגיית הריתוך משתנה בהדרגה מצורת "גביע" לצורת "סהר". צפיפות אנרגיית הלייזר המקסימלית מופיעה בחפיפת המסלול. בהשוואה לאיורים (b, d) ו-(c, e), ניתן לראות כי העלייה בתדירות הסריקה תגדיל את אזור חפיפת המסלול לאורך נתיב הסריקה, מה שהופך את פיזור אנרגיית הלייזר לאחיד יותר. עם זאת, הפחתת צפיפות האנרגיה המקסימלית תוביל לירידה בעומק הריתוך.

4.2 התנהגות בריכת המותכת כדי להבהיר את השפעת נתיב הסריקה על התנהגות בריכת המותכת, נעשה שימוש במערכת מצלמה במהירות גבוהה כדי לצפות בתהליך האבולוציה של בריכת המותכת וחור המנעול. איור (א) מציג את תהליך האבולוציה של בריכת המותכת במסלול קו ישר. איורים (bf) הם דיאגרמות האבולוציה של בריכת המותכת תחת פרמטרי תנודה שונים. עם העלייה בתדירות ובמשרעת התנודה, החלק האחורי של בריכת המותכת הופך מעוגל יותר עקב התרחבות רוחב בריכת המותכת. ככל שאורך בריכת המותכת גדל, תנודות פני השטח הנגרמות כתוצאה מהתפרצות חור המנעול פוחתות במהלך התפשטות לאחור. לכן, המתכת הנוזלית המותכת מתמצקת בצורה חלקה וסדירה בקצה האחורי של בריכת המותכת, ויוצרת קשקשי דג אחידים וצפופים לריתוך. האיור מציג את השינוי באזור פתיחת חור המנעול במהלך ריתוך בלייזר, הנגזר מתמונות צילום במהירות גבוהה של בריכת המותכת. כפי שמוצג באיור (א), במהלך ריתוך בקו ישר, גודל פתיחת חור המנעול מראה תנודות ברורות. נצפו מספר מקרים של סגירת חור המנעול (0 מ"מ²), עם שטח פתיחת חור המנעול הממוצע של 0.47 מ"מ². הגדלת משרעת התנודה יכולה גם להפחית תנודות ולשפר את היציבות. הסיבה לכך היא שבריתוך תנודתי, חלק גדול יותר של אנרגיה מתפזר לשני הצדדים. לכן, הפתח על חור המנעול מתרחב, ומשרעת התנודה עולה, ובכך מגדילה את שטח הפתיחה. הגדלת המשרעת מרחיבה את טווח הערבוב של קרן הלייזר, מה שמוביל להרחבת רדיוס התנועה המחזורית של חור המנעול. בשל צמיגות המתכת המותכת והלחץ ההידרודינמי הפועל ליד דופן חור המנעול, מתרחשת תנועת זרמי מערבולת בבריכת המתכת המותכת של הריתוך ליד פתח חור המנעול. הרחבת שטח פתיחת חור המנעול משפרת את יציבותו, מונעת היווצרות בועות, ובכך מעכבת משמעותית את הנקבוביות.

4.3 מיקרו-מבנה האיור מציג את המורפולוגיה של EBSD של חתך הריתוך תחת תדרי תנודה ואמפליטודות שונות. ליד קו ההיתוך של ריתוך הלייזר, גרגירי דנדריט עמודיים צומחים לכיוון מרכז הריתוך. כפי שמוצג באיור (א), בין אזורי ה"קערה" לאזור ה"גזע", ניתן להבחין בהבדלים ברורים בפיזור גרגירי העמודים. גרגירי עמודים מפוזרים בצורת U לאורך דופן ה"קערה", בעוד שבאזור ה"גזע", גרגירי עמודים מפוזרים בצורת U לאורך קו ההיתוך. במהלך התמצקות הריתוך, הגרגירים שהתמצקו חלקית באזור ההיתוך משמשים כאתרי התגרענות לחזית ההתמצקות וגדלים באופן מעדיף בניצב לגבול בריכת הריתוך המותכת לאורך כיוון גרדיאנט הטמפרטורה המקסימלי. תופעה זו מתרחשת מכיוון שצפיפות ההספק הגבוהה של הלייזר מובילה להתחממות יתר בתוך בריכת הריתוך. גרדיאנט התרמי הגבוה יותר G וקצב הצמיחה המתון R הופכים את G/R לגדול מהסף לטרנספורמציה של מיקרו-מבנה, וכתוצאה מכך להיווצרות גרגירים עמודיים. גרדיאנט הטמפרטורה G במרכז הריתוך יורד, מה שגורם ליחס ה-G/R לרדת בהדרגה מתחת לסף טרנספורמציה של המיקרו-מבנה, ועובר לגרגירים שווי ציר. גרגירים שווי ציר ממוקמים בחלקים המרכזיים של ה"קערה" וה"גבעול". מכיוון ש"גבעול" הריתוך צר וקרוב לחומר הבסיס, הוא מתמצק לחלוטין לפני אזור ה"קערה" במהלך הקירור. חלק ה"גבעול" המתמצק משמש כאתר התגרענות בתחתית ה"קערה", ומקדם את הצמיחה כלפי מעלה של גרגירים עמודיים. האיור מציג את תהליכי הריתוך בקו ישר ובתנודות. מוכח כי השינוי המתמשך של מיקום קרן הלייזר בריתוך תנודתי בלייזר יגדיל את אורך בריכת המותכת הביניים, וימיס מחדש את המתכת שכבר התמצקה, וכתוצאה מכך יפחית את קצב צמיחת הגרגירים r. זה יכול להוביל לירידה ב-G/R באזור הגרגירים השווה ציר התחתון.

4.4 פיזור נקבוביות טומוגרפיה תלת-ממדית של קרני רנטגן שימשה לביצוע בדיקה מקיפה של הריתוך, תוך קבלת פיזור תלת-ממדי של הנקבוביות בריתוך, כפי שמוצג באיור. נקבוביות מחושבת כנפח הנקבוביות הכולל חלקי הנפח הכולל של הריתוך. על ידי השוואת המורפולוגיה והפיזור של הנקבוביות של ריתוכים מתנדנדים בלייזר בקו ישר לבין ריתוכים מתנדנדים בלייזר מעגליים, נמצא כי ריתוכים מתנדנדים בלייזר בקו ישר מכילים יותר נקבוביות בעלות נפח גדול, עם נקבוביות של 2.49%, שהיא גבוהה משמעותית מזו של ריתוכים מעגליים.ריתוכים מתנדנדים בלייזרבהשוואה בין איורים (ב, ג) ו-(ד, ה), ניתן לראות כי הגברת תדירות התנודה מסייעת לעכב היווצרות נקבוביות. בהשוואה בין איורים (ב, ד) ו-(ג, ה), ניתן לראות כי הגדלת משרעת התנודה משחקת גם היא תפקיד משמעותי בעיכוב היווצרות נקבוביות. כאשר משרעת התנודה גדלה עוד יותר ל-2 מ"מ (איור (ו)), הנקבוביות מצטמצמת עוד יותר ל-0.22%, ומשאירות רק נקבוביות קטנות ונפח קטנות. האיור מתאר את פיזור שטח הנקבוביות במרחקים שונים מקו מרכז הריתוך, המייצג את הנקבוביות על סמך גודל שטח הנקבוביות. בריתוך קו ישר, שטח הנקבוביות מפוזר באופן סימטרי לאורך קו מרכז הריתוך, ויורד בהדרגה עם הגדלת המרחק מקו מרכז הריתוך. התוצאות מראות כי נקבוביות הנגרמות על ידי חור המנעול מרוכזות בעיקר מאחורי הבריכה המותכת בקו מרכז הריתוך. בריתוך תנודתי בלייזר, הסימטריה של פיזור הנקבוביות נחלשת. האיור מציג את שטח הנקבוביות במרחקים שונים מפני השטח של הריתוך, כאשר הקו האדום מייצג את הגבול בין אזור ה"קערה" לאזור ה"גזע". במקרה של נקבוביות גדולות דומיננטיות (איורים (ac)), שטח הנקבוביות מעל הגבול מהווה יותר מ-85%. הסיבה לכך היא שמעבר הקונטורה בגבול הארוך והמרכזי נוטה יותר ללכוד בועות בבריכת הריתוך, והבועות הלכודות נוטות לנדוד כלפי מעלה תחת השפעת ציפה. במקרה של נקבוביות קטנות דומיננטיות (איורים (df)), הנקבוביות מרוכזות באזור עד 0.5 מ"מ מתחת לקו הגבול. זמן הקירור הקצר והתזוזה הקטנה כלפי מעלה עשויים להיות הסיבות לתופעה זו.

5 מסקנות

(1) למצבי תנודה שונים של הלייזר יש השפעות ברורות על משטח הריתוך. אמפליטודה ותדירות גבוהות יותר יכולות לשפר את איכות המשטח, בעוד שפרמטרי תנודה גדולים מדי עלולים להגביר את החספוס ולגרום לפגמים קעורים.

(2) צורת הריתוך נקבעת בעיקר על ידי פרמטרי תנודת הלייזר, המשפיעים על מהירות הריתוך, פיזור האנרגיה וסך כניסת החום. עם העלייה באמפליטודת התנודה, מורפולוגיית הריתוך משתנה מ"גביע" ל"סהר", ויחס הגובה-רוחב יורד.

(3) עם העלייה באמפליטודת ותדירות התנודה, בריכת המותכת מתרחבת והחלק האחורי מתעגל. אפקט התנודה מגדיל את אורך בריכת המותכת, דבר המועיל לבריחת בועות ולהתמצקות אחידה. במהלך ריתוך בקו ישר, שטח פתיחת חור המנעול משתנה; באופן יחסי, ניתן להפחית תנודה זו, ובכך לשפר את יציבות הריתוך.

(4) הגדלת משרעת ותדירות התנודה מפחיתות הן את הגרדיאנט התרמי והן את קצב הצמיחה, דבר המועיל להיווצרות גרגירים גדולים. עם זאת, אפקט ערבוב הלייזר תורם לעידון גודל הגרגירים ולשיפור חוזק המרקם. תחת פרמטרי לייזר שונים, קשיות הריתוך נשארת יציבה יחסית, מעט נמוכה מזו של חומר הבסיס, דבר שעשוי להיות עקב אובדן אידוי של מגנזיום.

(5) טומוגרפיה תלת-ממדית של קרני רנטגן מראה כי לריתוך בקו ישר נקבוביות גבוהה יותר (2.49%) ונפח נקבוביות גדול יותר מאשר לריתוך תנודתי. הגדלת פרמטרי התנודה יכולה להפחית משמעותית את הנקבוביות, ואף להגיע ל-0.22% כאשר האמפליטודה היא 2 מ"מ. פיזור שטח הנקבוביות משתנה עם התנודה: נקבוביות גדולות מצטברות מאחורי בריכת המותך, ולנקבוביות קטנות יש סימטריה טובה יותר. נקבוביות גדולות מפוזרות בעיקר מעל הגבול בין אזורי ה"קערה" לאזור ה"גזע", בעוד שנקבוביות קטנות מרוכזות מתחת לגבול.