ენერგიით რეგულირებადი რგოლოვანი ლაქების ლაზერის გავლენა მეტათაშორისი ნაერთების ფორმირებასა და მექანიკურ თვისებებზე ფოლადის ალუმინის ლაზერული შედუღებული ლაპის სახსრებში

ფოლადის ალუმინის შეერთებისას, რეაქცია Fe და Al ატომებს შორის კავშირის პროცესის დროს წარმოქმნის მყიფე ინტერმეტალურ ნაერთებს (IMCs). ამ IMC-ების არსებობა ზღუდავს კავშირის მექანიკურ სიმტკიცეს, ამიტომ აუცილებელია ამ ნაერთების რაოდენობის კონტროლი. IMC-ების წარმოქმნის მიზეზი არის ის, რომ Al-ში Fe-ის ხსნადობა ცუდია. თუ ის აღემატება გარკვეულ რაოდენობას, შეიძლება გავლენა იქონიოს შედუღების მექანიკურ თვისებებზე. IMC-ებს აქვთ უნიკალური თვისებები, როგორიცაა სიმტკიცე, შეზღუდული დრეკადობა და სიმტკიცე და მორფოლოგიური მახასიათებლები. კვლევამ აჩვენა, რომ სხვა IMC-ებთან შედარებით, Fe2Al5 IMC ფენა ფართოდ ითვლება ყველაზე მყიფედ (11.8± 1.8 გპა) IMC ფაზა და ასევე არის შედუღების უკმარისობის გამო მექანიკური თვისებების დაქვეითების მთავარი მიზეზი. ეს ნაშრომი იკვლევს IF ფოლადისა და 1050 ალუმინის დისტანციური ლაზერული შედუღების პროცესს რეგულირებადი რგოლის რეჟიმის ლაზერის გამოყენებით და სიღრმისეულად იკვლევს ლაზერის სხივის ფორმის გავლენას მეტალთაშორის ნაერთებისა და მექანიკური თვისებების ფორმირებაზე. ბირთვი/რგოლის სიმძლავრის თანაფარდობის კორექტირებით, აღმოჩნდა, რომ გამტარობის რეჟიმში, ბირთვის/რგოლის სიმძლავრის თანაფარდობა 0,2-ს შეუძლია მიაღწიოს შედუღების ინტერფეისის შემაერთებელი ზედაპირის უკეთეს ფართობს და მნიშვნელოვნად შეამციროს Fe2Al5 IMC-ის სისქე, რითაც აუმჯობესებს შეერთების ათვლის სიმტკიცეს. .

ეს სტატია წარმოგიდგენთ რეგულირებადი რგოლის რეჟიმის ლაზერის გავლენას მეტათაშორის ნაერთების წარმოქმნაზე და მექანიკურ თვისებებზე IF ფოლადისა და 1050 ალუმინის დისტანციური ლაზერული შედუღების დროს. კვლევის შედეგები მიუთითებს, რომ გამტარობის რეჟიმში, ბირთვი/რგოლის სიმძლავრის თანაფარდობა 0.2 უზრუნველყოფს შედუღების ინტერფეისის შემაერთებელი ზედაპირის უფრო დიდ ფართობს, რაც აისახება 97,6 N/mm2 მაქსიმალური ათვლის სიმტკიცით (შეერთების ეფექტურობა 71%). გარდა ამისა, გაუსიან სხივებთან შედარებით, რომელთა სიმძლავრის თანაფარდობა 1-ზე მეტია, ეს მნიშვნელოვნად ამცირებს Fe2Al5 მეტალთაშორისი ნაერთის (IMC) სისქეს 62%-ით და მთლიანი IMC სისქეს 40%-ით. პერფორაციის რეჟიმში დაფიქსირდა ბზარები და უფრო დაბალი ათვლის სიმტკიცე გამტარობის რეჟიმთან შედარებით. აღსანიშნავია, რომ მნიშვნელოვანი მარცვლის დახვეწა დაფიქსირდა შედუღების ნაკერში, როდესაც ბირთვი/რგოლი სიმძლავრის თანაფარდობა იყო 0,5.

როდესაც r=0 წარმოიქმნება მხოლოდ მარყუჟის სიმძლავრე, ხოლო როდესაც r=1 წარმოიქმნება მხოლოდ ბირთვის სიმძლავრე.

სიმძლავრის თანაფარდობის სქემატური დიაგრამა r გაუსის სხივსა და რგოლურ სხივს შორის

ა) შედუღების მოწყობილობა; ბ) შედუღების პროფილის სიღრმე და სიგანე; (გ) ნიმუშისა და მოწყობილობების პარამეტრების ჩვენების სქემატური დიაგრამა

MC ტესტი: მხოლოდ გაუსის სხივის შემთხვევაში, შედუღების ნაკერი თავდაპირველად არის არაღრმა გამტარობის რეჟიმში (ID 1 და 2), შემდეგ კი გადადის ნაწილობრივ შეღწევადობის ჩამკეტის რეჟიმში (ID 3-5), აშკარა ბზარებით. როდესაც რგოლის სიმძლავრე გაიზარდა 0-დან 1000 ვტ-მდე, ID 7-ზე აშკარა ბზარები არ იყო და რკინის გამდიდრების სიღრმე შედარებით მცირე იყო. როდესაც რგოლის სიმძლავრე იზრდება 2000 და 2500 W-მდე (ID 9 და 10), იზრდება მდიდარი რკინის ზონის სიღრმე. გადაჭარბებული ბზარი 2500 ვტ რგოლის სიმძლავრეზე (ID 10).

MR ტესტი: როდესაც ბირთვის სიმძლავრე არის 500-დან 1000 W-მდე (ID 11 და 12), შედუღების ნაკერი გამტარობის რეჟიმშია; ID 12-ისა და ID 7-ის შედარება, თუმცა მთლიანი სიმძლავრე (6000w) იგივეა, ID 7 ახორციელებს დაბლოკვის ხვრელის რეჟიმს. ეს გამოწვეულია სიმძლავრის სიმკვრივის მნიშვნელოვანი შემცირებით ID 12-ზე დომინანტური მარყუჟის მახასიათებლის გამო (r=0.2). როდესაც მთლიანი სიმძლავრე მიაღწევს 7500 W (ID 15), სრული შეღწევადობის რეჟიმის მიღწევა შესაძლებელია და ID 7-ში გამოყენებულ 6000 W-თან შედარებით, სრული შეღწევადობის რეჟიმის სიმძლავრე მნიშვნელოვნად იზრდება.

IC ტესტი: ჩატარებული რეჟიმი (ID 16 და 17) მიღწეული იყო 1500w ბირთვის სიმძლავრით და 3000w და 3500w რგოლის სიმძლავრით. როდესაც ბირთვის სიმძლავრე არის 3000w და რგოლის სიმძლავრე 1500w-დან 2500w-მდეა (ID 19-20), აშკარა ბზარები ჩნდება მდიდარ რკინასა და მდიდარ ალუმინს შორის ინტერფეისზე, რაც ქმნის ადგილობრივ შეღწევადობას მცირე ხვრელის ნიმუშს. როდესაც რგოლის სიმძლავრე არის 3000 და 3500 ვტ (ID 21 და 22), მიაღწიეთ სრული შეღწევის გასაღების ხვრელის რეჟიმს.

თითოეული შედუღების იდენტიფიკაციის წარმომადგენლობითი განივი გამოსახულებები ოპტიკური მიკროსკოპის ქვეშ

სურათი 4. (ა) კავშირი საბოლოო დაჭიმვის სიმტკიცესა (UTS) და სიმძლავრის თანაფარდობას შორის შედუღების ტესტებში; (ბ) ყველა შედუღების ტესტის ჯამური სიმძლავრე

სურათი 5. (ა) კავშირი ასპექტის თანაფარდობასა და UTS-ს შორის; ბ) კავშირი გაფართოებასა და შეღწევადობის სიღრმესა და UTS-ს შორის; (გ) სიმძლავრის სიმკვრივე ყველა შედუღების ტესტისთვის

სურათი 6. (ac) ვიკერსის მიკროსიხისტის ჩაღრმავების კონტურული რუკა; (df) შესაბამისი SEM-EDS ქიმიური სპექტრები წარმომადგენლობითი გამტარობის რეჟიმის შედუღებისთვის; (ზ) ფოლადისა და ალუმინის ურთიერთდაკავშირების სქემატური დიაგრამა; (თ) Fe2Al5 და საერთო IMC სისქე გამტარ რეჟიმში შედუღების

სურათი 7. (ა.გ) ვიკერსის მიკროსიხისტის ჩაღრმავების კონტურული რუკა; (df) შესაბამისი SEM-EDS ქიმიური სპექტრი წარმომადგენლობითი ადგილობრივი შეღწევადობის პერფორაციის რეჟიმში შედუღებისთვის

სურათი 8. (ac) ვიკერსის მიკროსიხისტის ჩაღრმავების კონტურული რუკა; (df) შესაბამისი SEM-EDS ქიმიური სპექტრი წარმომადგენლობითი სრული შეღწევადობის პერფორაციის რეჟიმში შედუღებისთვის

სურათი 9. EBSD დიაგრამა გვიჩვენებს რკინით მდიდარი რეგიონის მარცვლების ზომას (ზედა ფირფიტა) სრული შეღწევადობის პერფორაციის რეჟიმის ტესტში და რაოდენობრივად ასახავს მარცვლის ზომის განაწილებას

სურათი 10. მდიდარ რკინასა და მდიდარ ალუმინს შორის ინტერფეისის SEM-EDS სპექტრები

ამ კვლევამ გამოიკვლია ARM ლაზერის ზემოქმედება IMC-ის ფორმირებაზე, მიკროსტრუქტურასა და მექანიკურ თვისებებზე IF ფოლადის-1050 ალუმინის შენადნობის განსხვავებულ შედუღებულ სახსრებში. კვლევაში განხილული იყო შედუღების სამი რეჟიმი (გამტარობის რეჟიმი, ლოკალური შეღწევის რეჟიმი და სრული შეღწევის რეჟიმი) და ლაზერის სხივის სამი შერჩეული ფორმა (გაუსის სხივი, რგოლოვანი სხივი და გაუსის რგოლის სხივი). კვლევის შედეგები მიუთითებს, რომ გაუსის სხივისა და რგოლის სხივის შესაბამისი სიმძლავრის თანაფარდობის შერჩევა არის მთავარი პარამეტრი შიდა მოდალური ნახშირბადის ფორმირებისა და მიკროსტრუქტურის კონტროლისთვის, რითაც მაქსიმალურად გაზრდის შედუღების მექანიკურ თვისებებს. გამტარობის რეჟიმში, წრიული სხივი სიმძლავრის თანაფარდობით 0,2 უზრუნველყოფს საუკეთესო შედუღების სიძლიერეს (71% ერთობლივი ეფექტურობა). პერფორაციის რეჟიმში, გაუსის სხივი აწარმოებს შედუღების უფრო დიდ სიღრმეს და უფრო მაღალ თანაფარდობას, მაგრამ შედუღების ინტენსივობა მნიშვნელოვნად მცირდება. რგოლოვანი სხივი სიმძლავრის თანაფარდობით 0,5 მნიშვნელოვან გავლენას ახდენს შედუღების ნაკერში ფოლადის გვერდითი მარცვლების დახვეწაზე. ეს გამოწვეულია რგოლოვანი სხივის დაბალი პიკური ტემპერატურის გამო, რაც იწვევს უფრო სწრაფ გაგრილებას და ალ-ის გამხსნელი ნივთიერების მიგრაციის ზრდის შეზღუდვის ეფექტს მარცვლის სტრუქტურაზე შედუღების ნაკერის ზედა ნაწილისკენ. არსებობს ძლიერი კორელაცია ვიკერსის მიკროსიმტკიცესა და თერმო კალკის ფაზის მოცულობის პროცენტული პროგნოზს შორის. რაც უფრო დიდია Fe4Al13-ის მოცულობის პროცენტი, მით უფრო მაღალია მიკროსიმტკიცე.