השפעת לייזר נקודתי טבעתי מתכוונן אנרגטית על היווצרות ותכונות מכניות של תרכובות אינטר-מתכתיות במפרקי חיפוי מרותכים בלייזר, פלדה ואלומיניום

בעת חיבור פלדה לאלומיניום, התגובה בין אטומי Fe ו-Al במהלך תהליך החיבור יוצרת תרכובות אינטר-מתכתיות שבירות (IMCs). נוכחותם של IMCs אלה מגבילה את החוזק המכני של החיבור, לכן יש צורך לשלוט בכמות התרכובות הללו. הסיבה להיווצרות IMCs היא שהמסיסות של Fe ב-Al ירודה. אם היא עולה על כמות מסוימת, היא עלולה להשפיע על התכונות המכניות של הריתוך. ל-IMCs תכונות ייחודיות כגון קשיות, משיכות וקשיחות מוגבלות ותכונות מורפולוגיות. מחקרים מצאו כי בהשוואה ל-IMCs אחרים, שכבת Fe2Al5 IMC נחשבת באופן נרחב לשבירה ביותר (11.8± שלב IMC (1.8 GPa), והוא גם הסיבה העיקרית לירידה בתכונות המכניות עקב כשל ריתוך. מאמר זה בוחן את תהליך ריתוך הלייזר מרחוק של פלדת IF ואלומיניום 1050 באמצעות לייזר במצב טבעת מתכוונן, וחוקר לעומק את השפעת צורת קרן הלייזר על היווצרות תרכובות בין-מתכתיות ותכונות מכניות. על ידי התאמת יחס הספק ליבה/טבעת, נמצא כי במצב הולכה, יחס הספק ליבה/טבעת של 0.2 יכול להשיג שטח פנים טוב יותר של חיבור ממשק הריתוך ולהפחית משמעותית את עובי ה-Fe2Al5 IMC, ובכך לשפר את חוזק הגזירה של החיבור.

מאמר זה מציג את השפעת לייזר במצב טבעת מתכוונן על היווצרות תרכובות בין-מתכתיות ותכונות מכניות במהלך ריתוך בלייזר מרחוק של פלדת IF ואלומיניום 1050. תוצאות המחקר מצביעות על כך שבמצב הולכה, יחס הספק ליבה/טבעת של 0.2 מספק שטח פנים גדול יותר של חיבור ממשק הריתוך, המשתקף בחוזק גזירה מקסימלי של 97.6 ניוטון/מ"מ² (יעילות חיבור של 71%). בנוסף, בהשוואה לקורות גאוסיות עם יחס הספק גדול מ-1, הדבר מפחית משמעותית את עובי התרכובת הבין-מתכתית Fe2Al5 (IMC) ב-62% ואת עובי ה-IMC הכולל ב-40%. במצב ניקוב, נצפו סדקים וחוזק גזירה נמוך יותר בהשוואה למצב הולכה. ראוי לציין כי נצפה עידון גרגירים משמעותי בתפר הריתוך כאשר יחס הספק ליבה/טבעת היה 0.5.

כאשר r=0, נוצר רק הספק בלולאה, בעוד שכאשר r=1, נוצר רק הספק בליבת הליבה.

תרשים סכמטי של יחס הספק r בין קרן גאוסית לקורה טבעתית

(א) מכשיר ריתוך; (ב) עומק ורוחב פרופיל הריתוך; (ג) תרשים סכמטי של הצגת הגדרות הדגימה והמתקני הריתוך

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

בדיקת MR: כאשר הספק הליבה הוא בין 500 ל-1000 וואט (ID 11 ו-12), תפר הריתוך נמצא במצב הולכה; בהשוואה בין ID 12 ל-ID 7, למרות שההספק הכולל (6000 וואט) זהה, ID 7 מיישם מצב נעילת חור. זאת בשל הירידה המשמעותית בצפיפות ההספק ב-ID 12 עקב מאפיין הלולאה הדומיננטי (r=0.2). כאשר ההספק הכולל מגיע ל-7500 וואט (ID 15), ניתן להשיג מצב חדירה מלא, ובהשוואה ל-6000 וואט המשמשים ב-ID 7, ההספק של מצב חדירה מלאה גדל משמעותית.

בדיקת IC: מצב מוליך (ID 16 ו-17) הושג בהספק ליבה של 1500 וואט ובהספק טבעתי של 3000 וואט ו-3500 וואט. כאשר הספק הליבה הוא 3000 וואט והספק הטבעת הוא בין 1500 וואט ל-2500 וואט (ID 19-20), מופיעים סדקים ברורים בממשק שבין ברזל עשיר לאלומיניום עשיר, ויוצרים דפוס חדירה מקומי של חורים קטנים. כאשר הספק הטבעת הוא 3000 ו-3500 וואט (ID 21 ו-22), מושג מצב חור מנעול חדירה מלא.

תמונות חתך מייצגות של כל זיהוי ריתוך תחת מיקרוסקופ אופטי

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

איור 5. (א) הקשר בין יחס גובה-רוחב לבין UTS; (ב) הקשר בין עומק מתיחה וחדירה לבין UTS; (ג) צפיפות הספק עבור כל בדיקות הריתוך

איור 6. (ac) מפת קווי גובה של קשיות מיקרו לפי ויקרס; (df) ספקטרום כימי SEM-EDS מתאים לריתוך במצב הולכה מייצג; (g) תרשים סכמטי של הממשק בין פלדה לאלומיניום; (h) Fe2Al5 ועובי IMC כולל של ריתוכים במצב הולכה

איור 7. (ac) מפת קווי גובה של קשיות מיקרו של ויקרס; (df) ספקטרום כימי SEM-EDS מתאים לריתוך במצב ניקוב חדירה מקומית מייצג

איור 8. (ac) מפת קווי גובה של קשיות מיקרו ויקרס; (df) ספקטרום כימי SEM-EDS מתאים לריתוך במצב ניקוב חדירה מלאה מייצג

איור 9. גרף EBSD מציג את גודל הגרעינים של האזור העשיר בברזל (הלוח העליון) במבחן מצב ניקוב חדירה מלאה, ומכמת את התפלגות גודל הגרעינים.

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

מחקר זה בחן את השפעות לייזר ARM על היווצרות, מיקרו-מבנה ותכונות מכניות של IMC במפרקי ריתוך שונים מפלדת IF-סגסוגת אלומיניום 1050. המחקר בחן שלושה מצבי ריתוך (מצב הולכה, מצב חדירה מקומית ומצב חדירה מלאה) ושלוש צורות קרן לייזר נבחרות (קרן גאוסית, קרן טבעתית וקרן טבעתית גאוסית). תוצאות המחקר מצביעות על כך שבחירת יחס ההספק המתאים בין קרן גאוסית לקרן טבעתית היא פרמטר מפתח לשליטה על היווצרות ובמיקרו-מבנה 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 (יעילות חיבור של 71%). במצב ניקוב, קרן גאוסית מייצרת עומק ריתוך גדול יותר ויחס גובה-רוחב גבוה יותר, אך עוצמת הריתוך מופחתת משמעותית. לקרן הטבעתית עם יחס הספק של 0.5 יש השפעה משמעותית על עידון גרגירי הצד של הפלדה בתפר הריתוך. זאת בשל טמפרטורת שיא נמוכה יותר של הקורה הטבעתית, מה שמוביל לקצב קירור מהיר יותר, וההשפעה של הגבלת הצמיחה של נדידת מומסי אלומיניום לכיוון החלק העליון של תפר הריתוך על מבנה הגרעינים. קיים מתאם חזק בין קשיות המיקרו של ויקרס לבין התחזית של Thermo Calc לגבי אחוז נפח הפאזה. ככל שאחוז הנפח של Fe4Al13 גדול יותר, כך קשיות המיקרו גבוהה יותר.