อิทธิพลของเลเซอร์สปอตแบบวงแหวนที่ปรับพลังงานได้ต่อการก่อตัวและคุณสมบัติทางกลของสารประกอบโลหะระหว่างกันในรอยต่อเชื่อมเหล็ก-อลูมิเนียมด้วยเลเซอร์

เมื่อเชื่อมเหล็กกับอะลูมิเนียม ปฏิกิริยาระหว่างอะตอมของเหล็ก (Fe) และอะลูมิเนียม (Al) ในระหว่างกระบวนการเชื่อมจะก่อให้เกิดสารประกอบโลหะระหว่างกัน (IMCs) ที่เปราะบาง การมีอยู่ของ IMCs เหล่านี้จำกัดความแข็งแรงเชิงกลของการเชื่อม ดังนั้นจึงจำเป็นต้องควบคุมปริมาณของสารประกอบเหล่านี้ เหตุผลของการเกิด IMCs คือความสามารถในการละลายของเหล็กในอะลูมิเนียมต่ำ หากมีปริมาณเกินกว่าที่กำหนด อาจส่งผลต่อคุณสมบัติเชิงกลของรอยเชื่อม IMCs มีคุณสมบัติเฉพาะตัว เช่น ความแข็ง ความยืดหยุ่นและความเหนียวที่จำกัด และลักษณะทางสัณฐานวิทยา งานวิจัยพบว่าเมื่อเปรียบเทียบกับ IMCs อื่นๆ ชั้น IMC Fe2Al5 ถือว่าเปราะบางที่สุด (11.8)± เฟส IMC (Fe2Al5 IMC) มีค่าความแข็งแรงเฉือนสูง (1.8 GPa) และเป็นสาเหตุหลักที่ทำให้คุณสมบัติทางกลลดลงเนื่องจากความล้มเหลวในการเชื่อม บทความนี้ศึกษาการเชื่อมด้วยเลเซอร์ระยะไกลของเหล็กกล้า IF และอะลูมิเนียม 1050 โดยใช้เลเซอร์แบบวงแหวนปรับได้ และศึกษาอย่างละเอียดถึงอิทธิพลของรูปร่างลำแสงเลเซอร์ต่อการก่อตัวของสารประกอบโลหะระหว่างกันและคุณสมบัติทางกล โดยการปรับอัตราส่วนกำลังแกน/วงแหวน พบว่าในโหมดการนำความร้อน อัตราส่วนกำลังแกน/วงแหวนที่ 0.2 สามารถทำให้ได้พื้นที่ผิวการยึดเกาะของรอยเชื่อมที่ดีขึ้นและลดความหนาของ IMC Fe2Al5 ได้อย่างมีนัยสำคัญ จึงช่วยเพิ่มความแข็งแรงเฉือนของรอยเชื่อมได้

บทความนี้กล่าวถึงอิทธิพลของเลเซอร์แบบวงแหวนปรับได้ต่อการก่อตัวของสารประกอบโลหะระหว่างกันและคุณสมบัติทางกลในระหว่างการเชื่อมเลเซอร์ระยะไกลของเหล็กกล้า IF และอะลูมิเนียม 1050 ผลการวิจัยชี้ให้เห็นว่าภายใต้โหมดการนำความร้อน อัตราส่วนกำลังแกน/วงแหวนที่ 0.2 ให้พื้นที่ผิวการยึดเกาะของรอยเชื่อมที่ใหญ่กว่า ซึ่งสะท้อนให้เห็นจากความแข็งแรงเฉือนสูงสุดที่ 97.6 N/mm² (ประสิทธิภาพรอยเชื่อม 71%) นอกจากนี้ เมื่อเปรียบเทียบกับลำแสงเกาส์เซียนที่มีอัตราส่วนกำลังมากกว่า 1 จะช่วยลดความหนาของสารประกอบโลหะระหว่างกัน Fe2Al5 (IMC) ลงอย่างมีนัยสำคัญถึง 62% และความหนารวมของ IMC ลง 40% ในโหมดการเจาะรู พบรอยแตกและความแข็งแรงเฉือนที่ต่ำกว่าเมื่อเทียบกับโหมดการนำความร้อน ที่น่าสังเกตคือ พบการปรับขนาดเกรนอย่างมีนัยสำคัญในรอยเชื่อมเมื่ออัตราส่วนกำลังแกน/วงแหวนอยู่ที่ 0.5

เมื่อ r=0 จะมีการผลิตพลังงานเฉพาะวงจรปิดเท่านั้น ในขณะที่เมื่อ r=1 จะมีการผลิตพลังงานเฉพาะแกนกลางเท่านั้น

แผนภาพแสดงอัตราส่วนกำลัง r ระหว่างลำแสงเกาส์เซียนและลำแสงวงแหวน

(ก) อุปกรณ์เชื่อม; (ข) ความลึกและความกว้างของรอยเชื่อม; (ค) แผนภาพแสดงการตั้งค่าชิ้นงานและอุปกรณ์จับยึด

การทดสอบ MC: เฉพาะในกรณีของลำแสงเกาส์เซียนเท่านั้น รอยเชื่อมจะอยู่ในโหมดการนำความร้อนตื้นในตอนแรก (ID 1 และ 2) จากนั้นจึงเปลี่ยนไปเป็นโหมดรูพรุนที่ทะลุผ่านบางส่วน (ID 3-5) โดยมีรอยแตกปรากฏให้เห็นชัดเจน เมื่อกำลังไฟของวงแหวนเพิ่มขึ้นจาก 0 เป็น 1000 วัตต์ จะไม่มีรอยแตกปรากฏให้เห็นชัดเจนที่ ID 7 และความลึกของบริเวณที่มีเหล็กเข้มข้นค่อนข้างน้อย เมื่อกำลังไฟของวงแหวนเพิ่มขึ้นเป็น 2000 และ 2500 วัตต์ (ID 9 และ 10) ความลึกของบริเวณที่มีเหล็กเข้มข้นจะเพิ่มขึ้น มีรอยแตกมากเกินไปที่กำลังไฟของวงแหวน 2500 วัตต์ (ID 10)

การทดสอบ MR: เมื่อกำลังไฟฟ้าแกนกลางอยู่ระหว่าง 500 ถึง 1000 วัตต์ (ID 11 และ 12) รอยเชื่อมจะอยู่ในโหมดการนำความร้อน เมื่อเปรียบเทียบ ID 12 กับ ID 7 แม้ว่ากำลังไฟฟ้ารวม (6000 วัตต์) จะเท่ากัน แต่ ID 7 กลับใช้โหมดรูล็อค นี่เป็นเพราะความหนาแน่นของกำลังไฟฟ้าลดลงอย่างมากที่ ID 12 อันเนื่องมาจากลักษณะเฉพาะของลูปที่เด่นชัด (r=0.2) เมื่อกำลังไฟฟ้ารวมถึง 7500 วัตต์ (ID 15) จะสามารถบรรลุโหมดการทะลุทะลวงเต็มที่ได้ และเมื่อเปรียบเทียบกับ 6000 วัตต์ที่ใช้ใน ID 7 กำลังไฟฟ้าในโหมดการทะลุทะลวงเต็มที่นั้นเพิ่มขึ้นอย่างมาก

การทดสอบ IC: โหมดการนำไฟฟ้า (ID 16 และ 17) เกิดขึ้นที่กำลังแกน 1500 วัตต์ และกำลังวงแหวน 3000 และ 3500 วัตต์ เมื่อกำลังแกน 3000 วัตต์ และกำลังวงแหวนอยู่ระหว่าง 1500 ถึง 2500 วัตต์ (ID 19-20) จะเกิดรอยแตกอย่างเห็นได้ชัดที่บริเวณรอยต่อระหว่างเหล็กและอลูมิเนียม ทำให้เกิดรูปแบบรูเล็กๆ ที่ทะลุผ่านเฉพาะจุด เมื่อกำลังวงแหวน 3000 และ 3500 วัตต์ (ID 21 และ 22) จะได้โหมดรูทะลุผ่านเต็มรูปแบบ

ภาพตัดขวางแสดงลักษณะการเชื่อมแต่ละจุดภายใต้กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง

รูปที่ 4. (ก) ความสัมพันธ์ระหว่างความแข็งแรงดึงสูงสุด (UTS) และอัตราส่วนกำลังในการทดสอบการเชื่อม; (ข) กำลังรวมทั้งหมดของการทดสอบการเชื่อมทั้งหมด

รูปที่ 5. (ก) ความสัมพันธ์ระหว่างอัตราส่วนด้านและค่าความแข็งแรงดึงสูงสุด (UTS); (ข) ความสัมพันธ์ระหว่างการยืดตัวและความลึกของการทะลุทะลวงและค่าความแข็งแรงดึงสูงสุด (UTS); (ค) ความหนาแน่นของกำลังสำหรับการทดสอบการเชื่อมทั้งหมด

รูปที่ 6. (ac) แผนที่แสดงเส้นชั้นความแข็งแบบวิคเกอร์ (Vickers microhardness indentation contour map); (df) สเปกตรัมทางเคมี SEM-EDS ที่สอดคล้องกันสำหรับการเชื่อมแบบนำความร้อนที่เป็นตัวแทน; (g) แผนภาพแสดงส่วนต่อประสานระหว่างเหล็กและอลูมิเนียม; (h) Fe2Al5 และความหนา IMC รวมของการเชื่อมแบบนำความร้อน

รูปที่ 7. (ac) แผนที่แสดงเส้นชั้นความแข็งระดับไมโครของวิคเกอร์ส; (df) สเปกตรัมทางเคมี SEM-EDS ที่สอดคล้องกันสำหรับการเชื่อมแบบเจาะรูเฉพาะที่ที่เป็นตัวแทน

รูปที่ 8. (ac) แผนที่แสดงเส้นชั้นความแข็งระดับไมโครของวิคเกอร์ส; (df) สเปกตรัมทางเคมี SEM-EDS ที่สอดคล้องกันสำหรับการเชื่อมแบบทะลุเต็มเส้นชั้นความแข็งที่เป็นตัวแทน

รูปที่ 9 แผนภาพ EBSD แสดงขนาดเกรนของบริเวณที่มีธาตุเหล็กสูง (แผ่นด้านบน) ในการทดสอบแบบเจาะทะลุเต็มที่ และวัดปริมาณการกระจายขนาดเกรน

รูปที่ 10. สเปกตรัม SEM-EDS ของส่วนต่อประสานระหว่างบริเวณที่มีเหล็กสูงและบริเวณที่มีอะลูมิเนียมสูง

งานวิจัยนี้ศึกษาผลกระทบของเลเซอร์ ARM ต่อการก่อตัว โครงสร้างจุลภาค และคุณสมบัติทางกลของ IMC ในรอยเชื่อมแบบซ้อนทับของเหล็กกล้า IF และโลหะผสมอะลูมิเนียม 1050 ที่แตกต่างกัน งานวิจัยนี้พิจารณาโหมดการเชื่อมสามโหมด (โหมดการนำความร้อน โหมดการแทรกซึมเฉพาะจุด และโหมดการแทรกซึมเต็มที่) และรูปทรงลำแสงเลเซอร์สามแบบที่เลือก (ลำแสงเกาส์เซียน ลำแสงวงแหวน และลำแสงเกาส์เซียนวงแหวน) ผลการวิจัยชี้ให้เห็นว่า การเลือกอัตราส่วนกำลังที่เหมาะสมของลำแสงเกาส์เซียนและลำแสงวงแหวนเป็นพารามิเตอร์สำคัญในการควบคุมการก่อตัวและโครงสร้างจุลภาคของคาร์บอนโมดอลภายใน ซึ่งจะช่วยเพิ่มคุณสมบัติทางกลของรอยเชื่อมให้สูงสุด ในโหมดการนำความร้อน ลำแสงวงกลมที่มีอัตราส่วนกำลัง 0.2 ให้ความแข็งแรงในการเชื่อมที่ดีที่สุด (ประสิทธิภาพรอยเชื่อม 71%) ในโหมดการแทรกซึม ลำแสงเกาส์เซียนสร้างความลึกในการเชื่อมที่มากขึ้นและอัตราส่วนความกว้างต่อความลึกที่สูงขึ้น แต่ความเข้มของการเชื่อมลดลงอย่างมาก ลำแสงวงแหวนที่มีอัตราส่วนกำลัง 0.5 มีผลกระทบอย่างมากต่อการปรับปรุงเกรนด้านข้างของเหล็กในรอยเชื่อม สาเหตุนี้เกิดจากอุณหภูมิสูงสุดที่ต่ำกว่าของคานวงแหวน ส่งผลให้อัตราการเย็นตัวเร็วขึ้น และผลกระทบจากการจำกัดการเติบโตของการเคลื่อนตัวของอะลูมิเนียมในส่วนบนของรอยเชื่อมที่มีต่อโครงสร้างของเกรน มีความสัมพันธ์อย่างมากระหว่างค่าความแข็งระดับไมโครของวิคเกอร์สและการทำนายเปอร์เซ็นต์ปริมาตรของเฟสโดย Thermo Calc ยิ่งเปอร์เซ็นต์ปริมาตรของ Fe4Al13 มากเท่าใด ค่าความแข็งระดับไมโครก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น