ენერგიის რეგულირებადი რგოლური წერტილოვანი ლაზერის გავლენა ფოლადისა და ალუმინის ლაზერით შედუღებულ რგოლურ შეერთებებში მეტალთაშორისი ნაერთების ფორმირებასა და მექანიკურ თვისებებზე.

ფოლადის ალუმინთან შეერთებისას, შეერთების პროცესში Fe და Al ატომებს შორის რეაქცია წარმოქმნის მყიფე მეტალთაშორის ნაერთებს (IMC). ამ IMC-ების არსებობა ზღუდავს შეერთების მექანიკურ სიმტკიცეს, ამიტომ აუცილებელია ამ ნაერთების რაოდენობის კონტროლი. IMC-ების წარმოქმნის მიზეზი ის არის, რომ Fe-ს ხსნადობა Al-ში ცუდია. თუ ის გარკვეულ რაოდენობას გადააჭარბებს, ამან შეიძლება გავლენა მოახდინოს შედუღების მექანიკურ თვისებებზე. IMC-ებს აქვთ უნიკალური თვისებები, როგორიცაა სიმტკიცე, შეზღუდული პლასტიურობა და სიმტკიცე, ასევე მორფოლოგიური მახასიათებლები. კვლევამ აჩვენა, რომ სხვა IMC-ებთან შედარებით, Fe2Al5 IMC ფენა ფართოდ ითვლება ყველაზე მყიფედ (11.8± 1.8 GPa) IMC ფაზა და ასევე წარმოადგენს შედუღების უკმარისობის გამო მექანიკური თვისებების შემცირების მთავარ მიზეზს. ეს ნაშრომი იკვლევს IF ფოლადისა და 1050 ალუმინის დისტანციური ლაზერული შედუღების პროცესს რეგულირებადი რგოლის რეჟიმის ლაზერის გამოყენებით და სიღრმისეულად იკვლევს ლაზერული სხივის ფორმის გავლენას ინტერმეტალური ნაერთების ფორმირებასა და მექანიკურ თვისებებზე. ბირთვის/რგოლის სიმძლავრის თანაფარდობის რეგულირებით დადგინდა, რომ გამტარობის რეჟიმში, ბირთვის/რგოლის სიმძლავრის 0.2 თანაფარდობით შესაძლებელია შედუღების ინტერფეისის უკეთესი შეერთების ზედაპირის ფართობის მიღწევა და მნიშვნელოვნად შემცირება Fe2Al5 IMC-ის სისქე, რითაც გაუმჯობესდება შეერთების სიმტკიცე.

ეს სტატია წარმოგვიდგენს რეგულირებადი რგოლის რეჟიმის ლაზერის გავლენას IF ფოლადისა და 1050 ალუმინის დისტანციური ლაზერული შედუღების დროს ლითონთაშორისი ნაერთების ფორმირებასა და მექანიკურ თვისებებზე. კვლევის შედეგები მიუთითებს, რომ გამტარობის რეჟიმში, ბირთვი/რგოლის სიმძლავრის 0.2 თანაფარდობა უზრუნველყოფს შედუღების ინტერფეისის შეერთების ზედაპირის უფრო დიდ ფართობს, რაც აისახება მაქსიმალური ძვრის სიმტკიცით 97.6 ნ/მმ2 (შეერთების ეფექტურობა 71%). გარდა ამისა, 1-ზე მეტი სიმძლავრის თანაფარდობის მქონე გაუსის სხივებთან შედარებით, ეს მნიშვნელოვნად ამცირებს Fe2Al5 ლითონთაშორისი ნაერთის (IMC) სისქეს 62%-ით და IMC-ს მთლიან სისქეს 40%-ით. პერფორაციის რეჟიმში, გამტარობის რეჟიმთან შედარებით, დაფიქსირდა ბზარები და ძვრის სიმტკიცის შემცირება. აღსანიშნავია, რომ შედუღების ნაკერში მნიშვნელოვანი მარცვლოვანი დახვეწა დაფიქსირდა, როდესაც ბირთვი/რგოლის სიმძლავრის თანაფარდობა 0.5 იყო.

როდესაც r=0, გენერირდება მხოლოდ ციკლის ენერგია, ხოლო როდესაც r=1, გენერირდება მხოლოდ ბირთვის ენერგია.

გაუსისა და რგოლისებრი სხივების სიმძლავრის თანაფარდობის სქემატური დიაგრამა r

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

MC ტესტი: მხოლოდ გაუსის სხივის შემთხვევაში, შედუღების ნაკერი თავდაპირველად ზედაპირული გამტარობის რეჟიმშია (ID 1 და 2), შემდეგ კი გადადის ნაწილობრივ შეღწევად ჩამკეტ ხვრელში (ID 3-5), აშკარა ბზარების გაჩენით. როდესაც რგოლის სიმძლავრე 0-დან 1000 ვტ-მდე გაიზარდა, ID 7-ზე აშკარა ბზარები არ იყო და რკინის გამდიდრების სიღრმე შედარებით მცირე იყო. როდესაც რგოლის სიმძლავრე 2000 და 2500 ვტ-მდე იზრდება (ID 9 და 10), მდიდარი რკინის ზონის სიღრმე იზრდება. ზედმეტი ბზარები 2500 ვტ რგოლის სიმძლავრეზე (ID 10).

მაგნიტურ-რეზონანსული ტომოგრაფიის ტესტი: როდესაც ბირთვის სიმძლავრე 500-დან 1000 ვატამდეა (ID 11 და 12), შედუღების ნაკერი გამტარ რეჟიმშია; ID 12-სა და ID 7-ს შედარებისას, მიუხედავად იმისა, რომ საერთო სიმძლავრე (6000 ვატი) იგივეა, ID 7 ახორციელებს ჩამკეტი ხვრელის რეჟიმს. ეს განპირობებულია ID 12-ზე სიმძლავრის სიმკვრივის მნიშვნელოვანი შემცირებით, რაც გამოწვეულია დომინანტური მარყუჟის მახასიათებლით (r=0.2). როდესაც საერთო სიმძლავრე 7500 ვატს (ID 15) მიაღწევს, შესაძლებელია სრული შეღწევადობის რეჟიმის მიღწევა და ID 7-ში გამოყენებულ 6000 ვატთან შედარებით, სრული შეღწევადობის რეჟიმის სიმძლავრე მნიშვნელოვნად იზრდება.

ინტეგრირებული სქემის ტესტი: გამტარ რეჟიმში (ID 16 და 17) მიღწეული იქნა 1500 ვატიანი ბირთვის სიმძლავრე და 3000 ვატი და 3500 ვატიანი რგოლის სიმძლავრე. როდესაც ბირთვის სიმძლავრეა 3000 ვატი და რგოლის სიმძლავრე 1500 ვატიდან 2500 ვატამდეა (ID 19-20), მდიდარ რკინასა და მდიდარ ალუმინს შორის საზღვარზე აშკარა ბზარები ჩნდება, რაც ლოკალურად შეღწევადი პატარა ხვრელების ნიმუშს ქმნის. როდესაც რგოლის სიმძლავრეა 3000 და 3500 ვატი (ID 21 და 22), მიიღწევა სრული შეღწევადობის ხვრელის რეჟიმი.

თითოეული შედუღების იდენტიფიკაციის წარმომადგენლობითი განივი სურათები ოპტიკური მიკროსკოპის ქვეშ

სურათი 4. (ა) შედუღების ტესტებში დაჭიმვის საბოლოო სიმტკიცეს (UTS) და სიმძლავრის თანაფარდობას შორის დამოკიდებულება; (ბ) ყველა შედუღების ტესტის სრული სიმძლავრე

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

სურათი 6. (ac) ვიკერსის მიკროსიხისტის ჩაღრმავების კონტურული რუკა; (df) შესაბამისი SEM-EDS ქიმიური სპექტრები წარმომადგენლობითი გამტარობის რეჟიმის შედუღებისთვის; (g) ფოლადსა და ალუმინს შორის ინტერფეისის სქემატური დიაგრამა; (h) Fe2Al5 და გამტარობის რეჟიმის შედუღების საერთო IMC სისქე

სურათი 7. (ac) ვიკერსის მიკროსიხისტის ჩაღრმავების კონტურის რუკა; (df) შესაბამისი SEM-EDS ქიმიური სპექტრი წარმომადგენლობითი ლოკალური შეღწევადობის პერფორაციის რეჟიმის შედუღებისთვის.

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

სურათი 9. EBSD დიაგრამა აჩვენებს რკინით მდიდარი რეგიონის (ზედა ფირფიტის) მარცვლის ზომას სრული შეღწევადობის პერფორაციის რეჟიმის ტესტის დროს და რაოდენობრივად განსაზღვრავს მარცვლის ზომის განაწილებას.

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

ამ კვლევაში შესწავლილი იყო ARM ლაზერის გავლენა IMC-ის ფორმირებაზე, მიკროსტრუქტურასა და მექანიკურ თვისებებზე IF ფოლად-1050 ალუმინის შენადნობის განსხვავებულ შემოხვეულ შედუღებულ შეერთებებში. კვლევაში განხილული იყო შედუღების სამი რეჟიმი (გამტარობის რეჟიმი, ლოკალური შეღწევადობის რეჟიმი და სრული შეღწევადობის რეჟიმი) და ლაზერული სხივის სამი შერჩეული ფორმა (გაუსის სხივი, რგოლისებრი სხივი და გაუსის რგოლისებრი სხივი). კვლევის შედეგები მიუთითებს, რომ გაუსის სხივისა და რგოლისებრი სხივის შესაბამისი სიმძლავრის თანაფარდობის შერჩევა ძირითადი პარამეტრია შიდა მოდალური ნახშირბადის ფორმირებისა და მიკროსტრუქტურის კონტროლისთვის, რითაც მაქსიმალურად იზრდება შედუღების მექანიკური თვისებები. გამტარობის რეჟიმში, 0.2 სიმძლავრის თანაფარდობის მქონე წრიული სხივი უზრუნველყოფს შედუღების საუკეთესო სიმტკიცეს (შეერთების ეფექტურობა 71%). პერფორაციის რეჟიმში, გაუსის სხივი უზრუნველყოფს შედუღების უფრო დიდ სიღრმეს და უფრო მაღალ ასპექტის თანაფარდობას, მაგრამ შედუღების ინტენსივობა მნიშვნელოვნად მცირდება. 0.5 სიმძლავრის თანაფარდობის მქონე რგოლისებრი სხივი მნიშვნელოვან გავლენას ახდენს შედუღების ნაკერში ფოლადის გვერდითი მარცვლების დახვეწაზე. ეს განპირობებულია რგოლისებრი სხივის დაბალი პიკური ტემპერატურით, რაც იწვევს უფრო სწრაფ გაგრილების სიჩქარეს, ასევე მარცვლის სტრუქტურაზე შედუღების ნაკერის ზედა ნაწილისკენ ალუმინის გახსნილი ნივთიერების მიგრაციის ზრდის შემაფერხებელი ეფექტით. ვიკერსის მიკროსიმაგრესა და Thermo Calc-ის მიერ ფაზის მოცულობის პროცენტული მაჩვენებლის პროგნოზირებას შორის არსებობს ძლიერი კორელაცია. რაც უფრო დიდია Fe4Al13-ის მოცულობითი პროცენტული მაჩვენებელი, მით უფრო მაღალია მიკროსიმაგრე.