3. فرآیند جوشکاری لیزری و بهینه سازی پارامتر
3.1 تجهیزات جوشکاری و راه اندازی
جوشکاری لیزری معمولاً با استفاده از جوشکارهای لیزری اتوماتیک با حداکثر توان خروجی در محدوده 2.5 کیلو وات یا بالاتر انجام می شود. این فرآیند اغلب در هوای محیط بدون گاز محافظ انجام میشود، و عملیات را سادهتر میکند و در عین حال به اتصالات صوتی دست مییابد. پارامترهای کلیدی قابل تنظیم عبارتند از قدرت لیزر، سرعت جوش، موقعیت فوکوس، قطر نقطه و زاویه برخورد پرتو.
3.2 پارامترهای بهینه شده از مطالعات تجربی
تحقیقات تجربی همبستگی های واضحی را بین پارامترهای جوشکاری و عملکرد اتصال ایجاد کرده است. در مطالعهای با استفاده از لایه انتقال پودر پیش آلیاژی مس-Co-Fe و Ni-Cr{{4}Cu-برای جوشکاری قطعات الماس به یک ماتریس فولادی 30CrMo، عملکرد جوشکاری بهینه در توان لیزر 1600 میلیمتر وات و 10 میلیمتر و 10 میلیمتر به دست آمد. قدرت درگیری 819 مگاپاسکال.
مطالعات شبیه سازی عددی با استفاده از نرم افزار SYSWELD این پارامترها را بیشتر اصلاح کرده است. با ایجاد یک مدل اتصال چند میدانی در مقیاس متقاطع که میدان دما، تبدیل فاز، مورفولوژی دانه، میدان تنش و عملکرد خستگی را در بر میگیرد، محققین تشخیص دادند که سرعت جوش 26 میلیمتر بر ثانیه و توان 1700 وات تنش جوش را به حداقل میرساند، مقاومت همبستگی حجمی دیجیتال (DVC) را کاهش میدهد و مقاومت چربی را افزایش میدهد. آزمایشهای جوشکاری تأیید کرد که شرایط 1700 W بالاترین استحکام دندان را ایجاد میکند و به MPa 1200 میرسد.
اختلاف جزئی بین پارامترهای بهینه گزارش شده توسط مطالعات مختلف (1600 W در مقابل{1}} W) ممکن است منعکس کننده تفاوت در ترکیب مواد، هندسه تیغه، یا شرایط تجربی باشد. با این وجود، ثبات در ترتیب بزرگی-تقریباً 1.6-1.7 کیلووات قدرت و سرعت 23-26 میلیمتر بر ثانیه{8}}راهنمای قوی برای بهینهسازی فرآیند ارائه میدهد.
3.3 شبیه سازی عددی فرآیند جوشکاری
پیچیدگی جوشکاری لیزری-شامل پدیدههای حرارتی، مکانیکی و متالورژیکی جفت شده{1}}شبیهسازی عددی را به ابزاری ارزشمند برای طراحی و بهینهسازی فرآیند تبدیل میکند. مدلهای پیشرفته از یک منبع حرارتی گاوسی سه بعدی برای نمایش مشخصات پرتو لیزر استفاده میکنند که توزیع انرژی غیریکنواختی را که در سیستمهای لیزری با قدرت{{5} بالا ایجاد میشود، به حساب میآورد.
ضریب کیفیت پرتو M² که انحراف از پروفیل گاوسی ایده آل را توصیف می کند، نقش مهمی ایفا می کند. در عمل، پرتوهای لیزری پرقدرت اغلب مقادیر M² را از 1.3 تا 2.0 نشان میدهند که منجر به نمایههای پرتو دراز با چندین قله به جای یک قله مرکزی منفرد میشود. این اعوجاج بر میدان دما و هندسه حوضچه مذاب تأثیر می گذارد و در نهایت بر کیفیت جوش و خواص مکانیکی تأثیر می گذارد. فاکتورهای تصحیح گنجانده شده در مدل های شبیه سازی نشان داده شده است که دقت پیش بینی را بهبود می بخشد و نتایجی را به دست می دهد که با داده های تجربی مطابقت دارد.
محاسبه میدان حرارتی شامل حل معادلات غیرخطی انتقال حرارت برای به دست آوردن توزیع دمای گذرا در سراسر منطقه جوش است. مدل میدان تنش، کرنش کل را بهعنوان مجموع کرنش الاستیک، کرنش پلاستیک، پلاستیسیته ناشی از تبدیل فاز-و کرنش حرارتی در نظر میگیرد. چنین مدلسازی جامعی، پیشبینی تنشهای پسماند و تکامل ریزساختاری را امکانپذیر میسازد، و انتخاب پارامترهای جوشکاری بهینه را بدون آزمایشهای{3}}و{4}خطایی گسترده هدایت میکند.
4. مشخصات و خواص ریزساختاری
4.1 ریزساختار منطقه همجوشی و حرارت{1}}منطقه تحت تأثیر
ریزساختار تیغههای اره الماس جوش داده شده لیزری- در مناطق مختلف ویژگیهای متمایزی را نشان میدهد. منطقه همجوشی (FZ) را می توان به مناطق-غنی از مس و غنی از آهن- تقسیم کرد که با دانه های درشت بدون جهت گیری ترجیحی آشکار مشخص می شود. این تفکیک فاز از شرایط انجماد غیرتعادلی معمول جوشکاری لیزری ناشی میشود، جایی که سرعت خنکسازی سریع از همگنسازی کامل آلیاژ جلوگیری میکند.
منطقه متاثر از گرما (HAZ) زیرلایه فولادی 30CrMo یک ریزساختار متفاوت را ارائه میکند که عمدتاً از سختی بالا و سوزن شکننده و شکننده مانند مارتنزیت تشکیل شده است. ریزسختی در این ناحیه می تواند به شدت تا مقادیر بالای 550 HV افزایش یابد. این سخت شدن ناشی از سرعت های سرد شدن سریع است که باعث ایجاد دگرگونی مارتنزیتی در زمینه فولادی می شود که پیامدهای قابل توجهی برای چقرمگی و حساسیت به ترک خوردگی اتصال دارد.
تجزیه و تحلیل شکست نشان میدهد که شکست معمولاً در مرز بین منطقه همجوشی و ناحیه تحت تأثیر گرما{0}}، جایی که تمرکز تنش بارزتر است، رخ میدهد. این مشاهدات بر اهمیت بهینهسازی پارامترهای جوشکاری برای به حداقل رساندن میزان HAZ سختشده و کاهش گرادیانهای تنش سطحی تأکید میکند.
4.2 عملکرد مکانیکی و مکانیزم های خرابی
استحکام درگیری دندان به عنوان معیار اصلی برای ارزیابی کیفیت مفصل در تیغههای اره الماس جوش داده شده لیزری-. همانطور که در بالا ذکر شد، شرایط جوشکاری بهینه میتواند استحکام بیش از 800 مگاپاسکال و در برخی موارد تا 1200 مگاپاسکال را ایجاد کند. این مقادیر نشان دهنده بهبود قابل توجهی نسبت به عملکرد قابل دستیابی با روش های اتصال مرسوم است.
عملکرد خستگی مفاصل جوش داده شده با لیزر یکی دیگر از ملاحظات مهم است، با توجه به بارگذاری چرخه ای که در طول عملیات برش تجربه می شود. شبیهسازیهای عددی شامل ارزیابی چرخه عمر نشان دادهاند که کاهش مقادیر DVC با بهبود مقاومت در برابر خستگی مرتبط است و استفاده از حداقلسازی تنش را بهعنوان هدف طراحی تایید میکند.
عیوب ریزساختاری مانند تخلخل، به ویژه در ناحیه همجوشی، می توانند به عنوان مکان های شروع ترک ترجیحی عمل کنند. بنابراین کنترل چگالی لایه انتقال و جلوگیری از تبخیر عنصر برای دستیابی به عملکرد قابل اعتماد اتصال ضروری است.
