اتصال استیل ۳۰۴ به مس با استفاده از جوش لیزر ND:YAG

اتصال فلزات ناهمنام با استفاده از جوشکاری لیزر ND:YAG ، فلزات به عنوان رایج ­ترین مواد در زندگی روزمره ما از زمان قدیم تا کنون شناخته شده­ اند، کاربرد آنها در طیف وسیعی از صنایع خودرو­سازی، الکترونیک، وسایل پزشکی، تولید برق، نفت، گاز، پتروشیمی و غیره می ­باشد.

فلزات جنس ­های مختلف از جمله استیل، مس، نقره، تیتانیوم، آهن، آلومینیوم، برنج و …. دمای جوش و عملکرد متفاوتی دارند و به دلیل محدودیت خواص نمی ­توان تنها از یک فلز برای تولید قطعات استفاده نمود درنتیجه می بایست از اتصال چند فلز غیر همنام استفاده کرد و برای اتصال آنها به یکدیگر نیاز به تکنولوژی جوشی از جمله جوش لیزر ND:YAG می ­باشد که بتواند دو فلز را بدون ایجاد گرما و تنش و حفظ خواص آنها به هم اتصال دهد.

در بررسی­ های صورت گرفته توسط محققین از جمله ” Cheng ” و همکارانش بر روی جوش­های  Tig , Mig در مقایسه با لیزر Nd:YAG مشاهده گردید جوش­های  Tig , Mig دارای استحکام کششی کمتری نسبت به لیزر Nd:YAG می باشند و افزایش دما در جوش­های  Tig , Mig سبب نرم شدن و از بین رفتن حالت اولیه فلزاتی مانند مس می­ گردد،  از این رو جوشکاری با لیزر Nd:YAG  به دلیل توانایی گسترده آن در اتصال فلزات مختلف (همنام وغیر همنام) بدون ایجاد تنش گرمایی، روش جایگزین مناسبی می­ باشد.

فولاد ضد زنگ ۳۰۴ و مس (آهنی و جفت فلزی غیر آهنی) به دلیل خاصیت مکمل آنها مانند گرمای بالا و هدایت الکتریکی مس و مقاومت در برابر خوردگی ۳۰۴ به طور گسترده­ای در نیروگاه­های هسته ای، فرآوری مواد غذایی، نیروگاه توربین بخار، اتومبیل، چرخ دنده ها و…  کاربرد دارند.

در این مقاله قصد داریم میزان نفوذپذیری و استحکام جوش دو فلز غیرهمنام فولاد ضد زنگ ۳۰۴ و مس با استفاده از لیزر Nd:YAG  اندازه گیری نماییم.

جدول شماره ۱ بازه کاری پارامترهای لیزر Nd:YAG شرکت جوش لیزر پالس

Discriptions	Parameters
500W	Maximum average power
100J	Pulse energy
9KW	Peak pulse power
۰.۰۱-40ms	Pulse duration
۱-20Hz	Pulse frequency
۰.۰۴-4mm	Focuse diameter

جدول شماره ۱

روش تحقیق

دو ورق فلزی AISI 304 SS و CP Cu با ضخامت ۲ میلی ­متر نمونه­ هایی است که قبل از جوشکاری توسط حمام اولتراسونیک و استون تمیز می ­شوند تا از ورود آلودگی به حوضچه مذاب جوش جلوگیری شود.

ابتدا دو فلز (مس، استیل ۳۰۴) را به صورت صاف و ۹۰ درجه برش می­ دهیم و آنرا به صورت لب به لب و بدون استفاده از فیلر به صورتی که شکاف ما بین دو نمونه صفر باشد، جوشکاری می­ نماییم. (شکل شماره ۱)

شکل شماره ۱

بر روی نمونه ­های A,B,C با شرایط یکسان و با توجه به پارامترهای جدول شماره ۲ آزمایش صورت می­ پذیرد، همانگونه که در جدول مشخص است تمامی پارامترها به غیر از Laser power  برای سه نمونه یکسان می ­باشد.

Values	Parameters (SI Unit)
۲.۵,۳,۳.۵	Laser power (KW)
۵	Pulse duration (ms)
۲	Scaning speed (mm/sec)
۰.۳	Beam Diameter
۸	Frequency (Hz)
۱۵	Gas Flow Rate (lpm)

جدول شماره ۲

با استفاده از دستگاه وایرکات CNC و با رعایت استاندارد Astm E8m-4   نمونه های جوش داده شده  برای آزمایش تست کشش آماده می­ گردند، سپس تست کشش با توان ۲۰۰ بار و مدت ۲۰ ثانیه به وسیله دستگاه Instron 600Kn بر روی نمونه­ های مورد نظر انجام می­ گیرد پس از تست کشش نوبت تست متالورژی برای تحلیل نمونه ها می­ باشد، برای این کار ابتدا آنها را برش داده شده و به وسیله حمام التراسونیک تمیز نموده و سپس با استفاده از سمباده نرم و خمیر الماس جلا داده و درون محلول اسید ۱۰ درصد قرار می ­دهیم، تا ساختار آن برای مشاهده در زیر میکروسکوپ آماده گردد.

نتیجه گیری

پس از اتمام آزمایشات ابتدا نمونه­ ها تحت ماکروگرافی قرار گرفتند و نتایج شکل شماره ۲ حاصل گردید. همانطور که در عکس مشاهده می­ شود در عکس A پهنای جوش نسبت به عکس B کمتر و در عکس B نیز نسبت به عکس C کمتر می­ باشد و می توان نتیجه گرفت پهنای جوش نیز به قدرت لیزر بستگی دارد. لازم به ذکر است در عکس B مقداری ترک ایجاد گردیده است.

304SS

Weld pool

CU

شکل شماره ۲

همچنین با استفاده از میکروسکوپ عمق جوش و عمق نفوذ مورد بررسی قرار گرفت و با توجه به پارامترهای جدول شماره ۳ مشخص گردید با افزایش قدرت لیزر و ثابت ماندن سایر پارامترها انرژی پالس افزایش و در نتیجه عمق نفوذ افزایش می یابد. همانند شکل شماره ۳  

Penetration depth (%)	Pulse Energy (J)	Scaning speed (mm/sec)	Pulse duration (ms)	Laser power (KW)	Specimen No.
۴۰	۲۶	۲	۵	۲.۵	A
۷۰	۳۴	۲	۵	۳	B
(Full) 100	۴۵	۲	۵	۳.۵	C

جدول شماره ۳

شکل شماره ۳

پیشنهادات

در این مقاله ما با تغییر Laser power  و ثابت نگه داشتن سایر پارامترها تواستیم به عمق نفوذ ۱۰۰ درصد برسیم پیشنهاد می­ شود در تحقیقات آتی تغییر پارامترهای Pulse duration و Frequency مورد بررسی قرار گیرد تا تاثیر آنها بر عمق نفوذ و HAZ جوش مشخص گردد.