השפעתו של לייזר נקודתי טבעתי מתכוונן באנרגיה על היווצרות ותכונות מכניות של תרכובות בין-מתכתיות במפרקי חך מרותכים בלייזר פלדה אלומיניום

כאשר מחברים פלדה לאלומיניום, התגובה בין אטומי Fe ו-Al במהלך תהליך החיבור יוצרת תרכובות בין מתכתיות שבירות (IMCs). הנוכחות של IMCs אלה מגבילה את החוזק המכני של החיבור, ולכן יש צורך לשלוט בכמות התרכובות הללו. הסיבה להיווצרות IMCs היא שהמסיסות של Fe ב-Al היא ירודה. אם זה עולה על כמות מסוימת, זה עלול להשפיע על התכונות המכניות של הריתוך. ל-IMCs יש תכונות ייחודיות כגון קשיות, גמישות וקשיחות מוגבלת ותכונות מורפולוגיות. מחקר מצא כי בהשוואה ל-IMCs אחרים, שכבת Fe2Al5 IMC נחשבת לרוב השבירה ביותר (11.8± 1.8 GPa) שלב IMC, והוא גם הסיבה העיקרית לירידה בתכונות המכניות עקב כשל ריתוך. מאמר זה חוקר את תהליך ריתוך הלייזר המרוחק של פלדת IF ואלומיניום 1050 באמצעות לייזר מצב טבעת מתכוונן, וחוקר לעומק את ההשפעה של צורת קרן הלייזר על היווצרות תרכובות בין-מתכתיות ותכונות מכניות. על ידי התאמת יחס הספק ליבה/טבעת, נמצא שבמצב הולכה, יחס כוח ליבה/טבעת של 0.2 יכול להשיג שטח פנים טוב יותר של חיבור ממשק ריתוך ולהפחית משמעותית את העובי של Fe2Al5 IMC, ובכך לשפר את חוזק הגזירה של המפרק .

מאמר זה מציג את ההשפעה של לייזר במצב טבעת מתכוונן על היווצרות תרכובות בין-מתכתיות ותכונות מכניות במהלך ריתוך לייזר מרחוק של פלדת IF ואלומיניום 1050. תוצאות המחקר מצביעות על כך שבמצב הולכה, יחס כוח ליבה/טבעת של 0.2 מספק שטח משטח מליטה גדול יותר של ממשק ריתוך, המתבטא בחוזק גזירה מרבי של 97.6 N/mm2 (יעילות מפרק של 71%). בנוסף, בהשוואה לקורות גאוסיות עם יחס הספק גדול מ-1, הדבר מפחית משמעותית את עובי התרכובת הבין-מתכתית (IMC) של Fe2Al5 ב-62% ואת עובי ה-IMC הכולל ב-40%. במצב ניקוב נצפו סדקים וחוזק גזירה נמוך יותר בהשוואה למצב ההולכה. ראוי לציין כי עידון גרגר משמעותי נצפה בתפר הריתוך כאשר יחס כוח ליבה/טבעת היה 0.5.

כאשר r=0, רק כוח לולאה נוצר, בעוד כאשר r=1, רק כוח ליבה נוצר.

תרשים סכמטי של יחס הספק r בין אלומה גאוסית לקורה טבעתית

(א) מכשיר ריתוך; (ב) העומק והרוחב של פרופיל הריתוך; (ג) תרשים סכמטי של הצגת הגדרות מדגם ומתקן

בדיקת MC: רק במקרה של קרן גאוס, תפר הריתוך נמצא בתחילה במצב הולכה רדודה (ID 1 ו-2), ולאחר מכן עובר למצב חודר נעילה חלקית (ID 3-5), עם סדקים ברורים. כאשר הספק הטבעת גדל מ-0 ל-1000 W, לא היו סדקים ברורים ב-ID 7 ועומק העשרת הברזל היה קטן יחסית. כאשר הספק הטבעת גדל ל-2000 ו-2500 W (מזהות 9 ו-10), עומק אזור הברזל העשיר גדל. פיצוח מוגזם בהספק טבעת של 2500w (מזהה 10).

בדיקת MR: כאשר הספק הליבה הוא בין 500 ל-1000 W (ID 11 ו-12), תפר הריתוך נמצא במצב הולכה; בהשוואה של ID 12 ו-ID 7, למרות שההספק הכולל (6000w) זהה, ID 7 מיישם מצב חור נעילה. זה נובע מהירידה המשמעותית בצפיפות ההספק ב-ID 12 עקב מאפיין הלולאה הדומיננטי (r=0.2). כאשר ההספק הכולל מגיע ל-7500 W (ID 15), ניתן להגיע למצב חדירה מלאה, ובהשוואה ל-6000 W המשמשים ב-ID 7, ההספק של מצב חדירה מלאה גדל משמעותית.

בדיקת IC: מצב מתנהל (מזהה 16 ו-17) הושג בהספק ליבה של 1500 ואט והספק טבעת של 3000 וואט ו-3500 וואט. כאשר הספק הליבה הוא 3000w והספק הטבעת הוא בין 1500w ל-2500w (מזהה 19-20), מופיעים סדקים ברורים בממשק בין ברזל עשיר ואלומיניום עשיר, ויוצרים תבנית מקומית חודרת של חורים קטנים. כאשר הספק הטבעת הוא 3000 ו-3500w (ID 21 ו-22), השג מצב חדירה מלאה לחור המנעול.

תמונות חתך מייצגות של כל זיהוי ריתוך תחת מיקרוסקופ אופטי

איור 4. (א) הקשר בין חוזק מתיחה אולטימטיבי (UTS) ויחס הספק בבדיקות ריתוך; (ב) ההספק הכולל של כל בדיקות הריתוך

איור 5. (א) קשר בין יחס רוחב-גובה ו-UTS; (ב) הקשר בין הרחבה ועומק החדירה לבין UTS; (ג) צפיפות הספק עבור כל בדיקות הריתוך

איור 6. (ac) מפת קווי מתאר של הזחה של Vickers microhardness; (df) ספקטרום כימי SEM-EDS מקביל לריתוך מצב הולכה מייצג; (ז) תרשים סכמטי של הממשק בין פלדה לאלומיניום; (ח) Fe2Al5 ועובי IMC הכולל של ריתוכים במצב מוליכים

איור 7. (ac) מפת קווי המתאר של הזחה של Vickers microhardness; (df) ספקטרום כימי SEM-EDS מקביל לריתוך מצב חדירה מקומי ייצוגי

איור 8. (ac) מפת קווי המתאר של הזחה של Vickers microhardness; (df) ספקטרום כימי SEM-EDS מקביל עבור ריתוך מייצג של מצב חדירה של חדירה מלאה

איור 9. עלילת EBSD מציגה את גודל הגרגירים של האזור העשיר בברזל (הצלחת העליונה) בבדיקת מצב ניקוב חדירה מלאה, ומכמתת את התפלגות גודל הגרגרים

איור 10. ספקטרום SEM-EDS של הממשק בין ברזל עשיר ואלומיניום עשיר

מחקר זה חקר את ההשפעות של לייזר ARM על היווצרות, מבנה מיקרו ותכונות מכניות של IMC בחיבורים מרותכים מסגסוגת אלומיניום IF פלדה-1050 שאינם דומים. המחקר בחן שלושה מצבי ריתוך (מצב הולכה, מצב חדירה מקומית ומצב חדירה מלאה) ושלוש צורות נבחרות של קרן לייזר (קרן גאוסית, קרן טבעתית וקרן טבעתית גאוסית). תוצאות המחקר מצביעות על כך שבחירת יחס ההספק המתאים של קרן גאוס וקרן טבעתית היא פרמטר מרכזי לבקרת היווצרות ומבנה המיקרו של פחמן מודאלי פנימי, ובכך למקסם את התכונות המכניות של הריתוך. במצב הולכה, קרן מעגלית עם יחס הספק של 0.2 מספקת את חוזק הריתוך הטוב ביותר (71% יעילות מפרקים). במצב ניקוב, קרן גאוס מייצרת עומק ריתוך גדול יותר ויחס רוחב-גובה גבוה יותר, אך עוצמת הריתוך מופחתת באופן משמעותי. לקורה הטבעתית עם יחס הספק של 0.5 יש השפעה משמעותית על עידון גרגרי צד פלדה בתפר הריתוך. זאת בשל טמפרטורת השיא הנמוכה יותר של הקורה הטבעתית המובילה לקצב קירור מהיר יותר, והשפעת הגבלת הצמיחה של נדידת אל מומסים לכיוון החלק העליון של תפר הריתוך על מבנה התבואה. יש מתאם חזק בין מיקרו קשיות Vickers לבין חיזוי של Thermo Calc לגבי אחוז נפח הפאזה. ככל שאחוז הנפח של Fe4Al13 גדול יותר, כך המיקרו קשיות גבוהה יותר.