อิทธิพลของเลเซอร์จุดวงแหวนแบบปรับพลังงานได้ต่อการสร้างและคุณสมบัติทางกลของสารประกอบระหว่างโลหะในข้อต่อตักที่เชื่อมด้วยเลเซอร์กับเหล็กกล้า อลูมิเนียม

เมื่อเชื่อมต่อเหล็กกับอะลูมิเนียม ปฏิกิริยาระหว่างอะตอมของ Fe และ Al ในระหว่างกระบวนการเชื่อมต่อจะทำให้เกิดสารประกอบระหว่างโลหะที่เปราะ (IMC) การมีอยู่ของ IMC เหล่านี้จะจำกัดความแข็งแรงเชิงกลของการเชื่อมต่อ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องควบคุมปริมาณของสารประกอบเหล่านี้ สาเหตุของการก่อตัวของ IMC ก็คือความสามารถในการละลายของ Fe ใน Al นั้นไม่ดี หากเกินจำนวนที่กำหนดอาจส่งผลต่อคุณสมบัติทางกลของการเชื่อมได้ IMC มีคุณสมบัติเฉพาะตัว เช่น ความแข็ง ความเหนียวและความเหนียวที่จำกัด และคุณสมบัติทางสัณฐานวิทยา การวิจัยพบว่าเมื่อเปรียบเทียบกับ IMC อื่นๆ แล้ว ชั้น Fe2Al5 IMC ถือว่ามีความเปราะมากที่สุด (11.8± 1.8 GPa) เฟส IMC และยังเป็นสาเหตุหลักที่ทำให้คุณสมบัติทางกลลดลงเนื่องจากความล้มเหลวในการเชื่อม บทความนี้ศึกษากระบวนการเชื่อมด้วยเลเซอร์ระยะไกลของเหล็ก IF และอลูมิเนียม 1050 โดยใช้เลเซอร์โหมดวงแหวนแบบปรับได้ และตรวจสอบในเชิงลึกถึงอิทธิพลของรูปร่างลำแสงเลเซอร์ต่อการก่อตัวของสารประกอบระหว่างโลหะและคุณสมบัติทางกล โดยการปรับอัตราส่วนกำลังของแกน/วงแหวน พบว่าภายใต้โหมดการนำไฟฟ้า อัตราส่วนพลังงานของแกน/วงแหวนที่ 0.2 จะทำให้ได้พื้นที่ผิวการเชื่อมประสานที่ดีขึ้น และลดความหนาของ Fe2Al5 IMC ได้อย่างมาก จึงช่วยเพิ่มความต้านทานแรงเฉือนของข้อต่อ .

บทความนี้จะแนะนำอิทธิพลของเลเซอร์โหมดวงแหวนแบบปรับได้ต่อการก่อตัวของสารประกอบระหว่างโลหะและคุณสมบัติทางกลระหว่างการเชื่อมด้วยเลเซอร์ระยะไกลของเหล็ก IF และอะลูมิเนียม 1050 ผลการวิจัยระบุว่าภายใต้โหมดการนำไฟฟ้า อัตราส่วนกำลังของแกน/วงแหวนที่ 0.2 จะให้พื้นที่ผิวการเชื่อมประสานที่ใหญ่ขึ้น ซึ่งสะท้อนด้วยความต้านทานแรงเฉือนสูงสุดที่ 97.6 N/mm2 (ประสิทธิภาพข้อต่อที่ 71%) นอกจากนี้ เมื่อเปรียบเทียบกับคานเกาส์เซียนที่มีอัตราส่วนกำลังมากกว่า 1 จะช่วยลดความหนาของสารประกอบอินเตอร์เมทัลลิก Fe2Al5 (IMC) ลงได้ 62% และความหนาของ IMC ทั้งหมดลง 40% อย่างมีนัยสำคัญ ในโหมดการเจาะจะสังเกตรอยแตกและความต้านทานแรงเฉือนที่ต่ำกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับโหมดการนำ เป็นที่น่าสังเกตว่ามีการปรับปรุงเกรนอย่างมีนัยสำคัญในรอยเชื่อมเมื่ออัตราส่วนกำลังของแกน/วงแหวนเท่ากับ 0.5

เมื่อ r=0 จะสร้างเฉพาะกำลังลูปเท่านั้น ในขณะที่เมื่อ r=1 จะสร้างเฉพาะกำลังหลักเท่านั้น

แผนผังของอัตราส่วนกำลัง r ระหว่างลำแสงเกาส์เซียนและลำแสงวงแหวน

(ก) อุปกรณ์เชื่อม (b) ความลึกและความกว้างของโปรไฟล์การเชื่อม (c) แผนผังแสดงตัวอย่างและการตั้งค่าฟิกซ์เจอร์

การทดสอบ MC: เฉพาะในกรณีของลำแสงเกาส์เซียนเท่านั้น ตะเข็บเชื่อมจะเริ่มต้นในโหมดการนำไฟฟ้าตื้น (ID 1 และ 2) จากนั้นจึงเปลี่ยนไปเป็นโหมดรูล็อคที่เจาะทะลุบางส่วน (ID 3-5) โดยมีรอยแตกปรากฏชัดเจน เมื่อกำลังวงแหวนเพิ่มขึ้นจาก 0 เป็น 1,000 W ไม่มีรอยแตกที่เห็นได้ชัดเจนที่ ID 7 และความลึกของการเสริมธาตุเหล็กค่อนข้างน้อย เมื่อกำลังวงแหวนเพิ่มขึ้นเป็น 2000 และ 2500 W (ID 9 และ 10) ความลึกของโซนเหล็กเข้มข้นจะเพิ่มขึ้น การแคร็กมากเกินไปที่กำลังไฟวงแหวน 2500w (ID 10)

การทดสอบ MR: เมื่อกำลังหลักอยู่ระหว่าง 500 ถึง 1,000 W (ID 11 และ 12) รอยเชื่อมจะอยู่ในโหมดการนำไฟฟ้า เมื่อเปรียบเทียบ ID 12 และ ID 7 แม้ว่ากำลังไฟทั้งหมด (6000w) จะเท่ากัน แต่ ID 7 จะใช้โหมดรูล็อค นี่เป็นเพราะความหนาแน่นของพลังงานลดลงอย่างมากที่ ID 12 เนื่องจากคุณลักษณะลูปที่โดดเด่น (r=0.2) เมื่อกำลังรวมถึง 7500 W (ID 15) จะสามารถบรรลุโหมดการเจาะแบบเต็มได้ และเมื่อเทียบกับ 6000 W ที่ใช้ใน ID 7 พลังของโหมดการเจาะแบบเต็มจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก

การทดสอบ IC: โหมด Conducted (ID 16 และ 17) ทำได้ที่กำลังหลัก 1500w และกำลังวงแหวน 3000w และ 3500w เมื่อกำลังหลักอยู่ที่ 3000w และกำลังของวงแหวนอยู่ระหว่าง 1500w ถึง 2500w (ID 19-20) รอยแตกที่เห็นได้ชัดเจนจะปรากฏขึ้นที่ส่วนต่อประสานระหว่างเหล็กที่มีปริมาณมากและอลูมิเนียมที่อุดมไปด้วย ก่อให้เกิดรูปแบบรูเล็ก ๆ ที่เจาะทะลุในท้องถิ่น เมื่อกำลังวงแหวนอยู่ที่ 3000 และ 3500w (ID 21 และ 22) ให้เข้าสู่โหมดรูกุญแจแบบเจาะเต็ม

ภาพตัดขวางที่เป็นตัวแทนของการระบุการเชื่อมแต่ละครั้งภายใต้กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง

รูปที่ 4 (a) ความสัมพันธ์ระหว่างความต้านทานแรงดึงสูงสุด (UTS) และอัตราส่วนกำลังในการทดสอบการเชื่อม (ข) กำลังรวมของการทดสอบการเชื่อมทั้งหมด

รูปที่ 5 (a) ความสัมพันธ์ระหว่างอัตราส่วนภาพกับ UTS; (b) ความสัมพันธ์ระหว่างส่วนขยายและความลึกของการเจาะและ UTS (ค) ความหนาแน่นของกำลังสำหรับการทดสอบการเชื่อมทั้งหมด

รูปที่ 6 (ac) แผนที่รูปร่างการเยื้องความแข็งระดับไมโครของ Vickers; (df) สเปกตรัมเคมี SEM-EDS ที่สอดคล้องกันสำหรับการเชื่อมแบบการนำไฟฟ้าแบบตัวแทน (g) แผนผังของส่วนต่อประสานระหว่างเหล็กกับอลูมิเนียม (h) Fe2Al5 และความหนา IMC ทั้งหมดของรอยเชื่อมแบบวิธีนำไฟฟ้า

รูปที่ 7 (ac) แผนที่รูปร่างการเยื้องความแข็งระดับไมโครของ Vickers; (df) สเปกตรัมทางเคมี SEM-EDS ที่สอดคล้องกันสำหรับการเชื่อมโหมดการเจาะทะลุเฉพาะจุด

รูปที่ 8 (ac) แผนที่รูปร่างการเยื้องความแข็งระดับไมโครของ Vickers; (df) สเปกตรัมทางเคมี SEM-EDS ที่สอดคล้องกันสำหรับการเชื่อมแบบการเจาะทะลุแบบเต็มแบบตัวแทน

รูปที่ 9 แผนภาพ EBSD แสดงขนาดเกรนของบริเวณที่มีธาตุเหล็กสูง (แผ่นด้านบน) ในการทดสอบโหมดการเจาะทะลุแบบเต็ม และหาปริมาณการกระจายขนาดเกรน

รูปที่ 10 สเปกตรัม SEM-EDS ของส่วนต่อประสานระหว่างเหล็กและอลูมิเนียมที่อุดมไปด้วย

การศึกษานี้ตรวจสอบผลกระทบของเลเซอร์ ARM ต่อการก่อตัว โครงสร้างจุลภาค และคุณสมบัติทางกลของ IMC ในข้อต่อรอยเชื่อมบนตักที่ไม่เหมือนกันของโลหะผสมอะลูมิเนียม IF steel-1050 การศึกษานี้พิจารณาโหมดการเชื่อมสามโหมด (โหมดการนำ โหมดการเจาะเฉพาะจุด และโหมดการเจาะเต็ม) และรูปร่างลำแสงเลเซอร์ที่เลือกสามแบบ (ลำแสงเกาส์เซียน ลำแสงวงแหวน และลำแสงวงแหวนเกาส์เซียน) ผลการวิจัยระบุว่าการเลือกอัตราส่วนพลังงานที่เหมาะสมของลำแสงเกาส์เซียนและลำแสงวงแหวนเป็นพารามิเตอร์สำคัญในการควบคุมการก่อตัวและโครงสร้างจุลภาคของคาร์บอนโมดัลภายใน ซึ่งจะทำให้คุณสมบัติทางกลของรอยเชื่อมเพิ่มขึ้นสูงสุด ในโหมดการนำไฟฟ้า ลำแสงวงกลมที่มีอัตราส่วนกำลัง 0.2 จะให้ความแข็งแรงในการเชื่อมที่ดีที่สุด (ประสิทธิภาพของข้อต่อ 71%) ในโหมดการเจาะ ลำแสงเกาส์เซียนจะสร้างความลึกในการเชื่อมที่มากขึ้นและอัตราส่วนกว้างยาวที่สูงขึ้น แต่ความเข้มของการเชื่อมจะลดลงอย่างมาก คานรูปวงแหวนที่มีอัตราส่วนกำลัง 0.5 มีผลกระทบอย่างมากต่อการปรับแต่งเสี้ยนเหล็กด้านข้างในตะเข็บเชื่อม นี่เป็นเพราะอุณหภูมิจุดสูงสุดที่ต่ำกว่าของลำแสงวงแหวนทำให้อัตราการเย็นตัวเร็วขึ้น และผลกระทบจากข้อจำกัดการเติบโตของการอพยพของตัวถูกละลายอัลไปยังส่วนบนของรอยเชื่อมบนโครงสร้างเกรน มีความสัมพันธ์กันอย่างมากระหว่างความแข็งระดับจุลภาคของ Vickers และการทำนายเปอร์เซ็นต์ปริมาตรเฟสของ Thermo Calc ยิ่งเปอร์เซ็นต์ปริมาตรของ Fe4Al13 มากเท่าใด ความแข็งระดับไมโครก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น