جوشکاری لیزری فولاد زنگ نزن آستنیتی
مقدمه
واژه لیزر از حروف اول کلمات عبارت "Light Amplification By Stimulated Emission of Radiation" گرفته شدهاست و به معنای تقویت نور توسط تشعشع تحریک شدهاست. دستگاه لیزر یک جریان الکتریکی را از مادهای که میتواند جامد، مایع یا گاز باشد عبور میدهد. بعضی از اتمهای ماده انرژی جذب میکنند و کوانتوم ساطع میکنند. این امر موجب میشود که اتمهای دیگر نیز کوانتوم ساطع کنند. این کوانتومها )بستههای تشعشع) بین آینههایی به عقب و جلو منعکس میشوند و نهایتا بهصورت نوری با یک طول موج واحد شلیک میشوند.
اولین لیزر جهان توسط تئودور مایمن اختراع گردید که درآن از یاقوت استفاده شدهبود. در سال 1962 پروفسور علیجوان، اولین لیزر گازی را به جهانیان معرفی نمود و بعدها نوع سوم و چهارم لیزرها که لیزرهای مایع و نیمه رسانا بودند اختراع شدند.
نوری که توسط لیزر در یک سو گسیل میگردد بسیار پر انرژی و درخشنده است و قدرت نفوذ بالایی نیز دارد بهطوریکه در الماس فرو میرود. امروزه استفاده از لیزر در صنعت بهعنوان جوشآورندهی فلزات و چاقوی جراحی بدون درد در پزشکی بسیار متداول است.
لیزر وسیلهای برای تبدیل نور معمولی به پرتوی باریک و متراکم است. جوشکاری توسط پرتو لیزر در تولیدات صنعتی بشکل روزافزونی در حال گسترش است و دامنه استفاده آن از میکرو الکترونیک تا کشتیسازی گسترده شدهاست. جوشکاری لیزر یکی از روشهای پیشرفته جوشکاری است. لیزرها انواع مختلفی دارند که لیزر گازی 〖Co〗_2 و لیزر Nd:YAG (نایوبیم: ایتریم، آلومینیم، گارنت) بیشتر در جوشکاری کاربرد دارند. هر دو نوع لیزرها را میتوان بهصورت پیوسته یا پالسی به کاربرد که با تبدیل لیزر پیوسته به حالت پالسی میتوان توان لیزر را افزایش داد. لیزرها بهطور معمول از یک محیط فعال و یک مشدد نوری ساخته میشوند. مشدد نوری از دو آینه که یکی بازتابنده تقریبا کامل و دیگری نیمه گذرنده-بازتابنده است تشکیل میشود که خروجی لیزر از آینه نیم گذرنده است.
شکل(2-1)دستگاه جوشکاری لیزری[2]
تقسیم بندی لیزرها
لیزرها بر اساس آهنگ خروج انرژی از آنها به دو دسته پیوسته کار و پالسی تقسیم بندی میشوند. نور لیزرهای پیوسته کار بهطور پیوسته گسیل میشود، ولی نور لیزرهای پالسی در زمانهای کوتاه که به این زمان دوام پالس گفته میشود ارائه میگردد. فاصله زمانی ارائه دو پالس متوالی معمولا خیلی بیشتر از زمان دوام پالس است. لیزرهای پالسی بهدلیل اینکه میتوانند انرژی خود را در زمان کوتاهی ارائه دهند، معمولا دارای توانهای بالاتری میباشند. لیزرها را براساس حالت ماده لیزر زا هم به لیزرهای حالت جامد، لیزرهای گازی، لیزر رزینه ، لیزرهای نیمه هادی(دیودهای لیزری)، و لیزرهای الکترون آزاد تقسیمبندی میکنند. همچنین ممکناست لیزرها را براساس نوع ماده تشکیل دهنده محیط لیزر زایی نیز تقسیم بندی کرد. لیزر یاقوت، لیزر نئودیوم یاگ، لیزر دی اکسید کربن، لیزر هلیوم – نئون و انواع لیزرهای دیگر بر این اساس نامگذاری شدهاند.
فرآیند جوشکاری لیزر
جوشکاری لیزری تعادلی بین گرمایش و سرمایش در یک حجم مشخص از یک یا دو ماده جامد استکه منجر به تشکیل ماده مذاب و انجماد آن می شود. مشخصه جوشکاری لیزری ایجاد ناحیه مذاب مایع بهوسیله جذب شدت اشعه استکه این اجازه رشد و گسترش حوضچه مذاب به درون ناحیه فصل مشترک جامد را داده و در نتیجه یک اتصال پیوسته میان اجزایی که متصل خواهندشد ایجاد می شود. اتصالات ناموفق زمانیکه ناحیه مذاب خیلی بزرگ یا خیلی کوچک باشد و یا اگر تبخیر ماده بیش از حد باشد، اتفاق می افتد.
مزایای جوشکاری لیزر
* محدودهی بسیار وسیعی از مواد را مانند آلیاژها با نقاط ذوب فوقالعاده بالا، مواد غیر همجنس و … را میتوان به یکدیگر جوش داد.
* در این روش میتوان مکانهای غیرقابل دسترسی را جوشکاری نمود.
* از آنجا که هیچ الکترودی برای این منظور استفاده نمیشود نیازی به جریانهای بالا برای جوشکاری نیست.
* بهخاطر تمرکز بالای اشعه منطقه HAZ بسیار باریکی در جوش تشکیل میشود.
* جوشکاری لیزر نسبت به سایر روشهای جوشکاری تمیزتر است.
* هیچگونه تماس فیزیکی با اجزاء خارجی وجود ندارد.
* گرما فقط در محل تعیین شده وارد میشود.
* فلزات غیرمشابه قابل جوشکاری هستند.
معایب جوشکاری لیزر
سیستمهای جوشکاری لیزر نسبتبه سایر دستگاههای سنتی جوشکاری بسیار گران هستند و در ضمن لیزرهایی مانند Ruby به خاطر پالسی بودن اکثر آنها از سرعت پیشروی کمی برخوردارند ( ۲۵ تا ۲۵۰ میلیمتر در دقیقه).
موارد استفاده
از اشعه لیزر هم بهمنظور برش و هم بهمنظور جوشکاری استفاده میشود.
این نوع جوشکاری در اتصال قطعات بسیار کوچک الکترونیکی و در سایر میکرو اتصالها کاربرد دارد.
از اشعه لیزر میتوان در جوشدادن آلیاژها و سوپرآلیاژها با نقطه ذوب بالا و برای جوشدادن فلزات غیر همجنس استفاده نمود.
بهطورکلی این روش جوشکاری برای استفادههای دقیق و حساس استفاده میشود.
از این روش میتوان در صنعت اتومبیل و مونتاژ آن برای جوشدادن درزهای بلند استفاده نمود.
فولاد زنگ نزن آستنیتی نوع 9-6-21
فولاد زنگنزن آستنیتی نوع 21Cr-6Ni-9Mn (همچنین با نام نیترونیک 40 شناخته میشود) دارای نیتروژن بالا و منگنز بالا میباشد که در آن نیتروژن محلول جامد بین نشین است. فولاد زنگ نزن آستنیتی نوع 9-6-21 خواص مکانیکی بهتری نسبت به فولادهای سری 300 دارد بدون از دست دادن خوردگی. میزان منگنز بالا، حلالیت نیتروژن را ترویج میدهد، کاهش نیترید که باعث افزایش هم در خواص مکانیکی و خوردگی میشود. نیتروژن تثبیت کننده آستنیت میباشد که کمک میکند تا ساختار تماما آستنیتی در ساختار فولاد زنگ نزن آستنیتی از نوع 9-6-21 ایجادشود.
با اینحال، افزایش سطح تثبیت کننده آستنیت، در فولاد آستنیتی، میتواند منجر به انجماد آستنیته بر روی جوش ایجاد شود که سبب افزایش حساسیت ترک انجمادی میشود. افزایش حساسیت ترک انجمادی در فلز جوش، وقتیکه انجماد آستنیته رخ میدهد شناخته شدهاست.
ترکیب شیمیایی و پارامترهای جوشکاری (ولتاژ، قطر اشعه لیزر، فرکانس و سرعت جوشکاری) بر حالت انجمادی فولاد زنگ نزن آستنیتی تاثیر میگذارد.
تغییرات کوچک در نیتروژن با توجه به فرمول نیکل معادل، میتواند حالت انجمادی را تغییر دهد. منگنز در فولاد زنگ نزن آستنیتی بهعنوان یک تثبیت کننده آستنیتی ضعیف در غلظتهای پایین شناخته شده است(1-2 %wt) به هرحال منگنز بالا انجماد فریتی را ترقی میبخشد.
〖Cr〗_eq=Cr+Mo+0.5Nb
〖Ni〗_eq=Ni+35C+20N+0.25Cu
انواع حالتهای انجمادی که در فولادهای زنگ نزن آستنیتی رخ میدهند عبارتند از:
* کاملا آستنیتی
* کاملا فریتی – آستنیتی
* آستنیتی- فریتی
* ریزساختار کاملا فریتی
شکل(2-2)انواع حالتهای انجمادی در فولاد زنگ نزن آستنیتی[4]
در انجماد نوع Aریزساختار کاملا آستنیتی بهوجود میآید.
در انجماد نوع AF در هنگام انجماد اولین فازی که جوانه میزند آستنیت است و سپس فریت بهوجود میآید. در انجماد نوع FA برعکس بوده ابتدا فریت جوانهزنی میکند و در F ابتدا ریزساختار تماما فریتی بهوجود آمده و سپس طی استحاله حالت جامد δ→γ مقداری آستنیت بهوجود میآید.
یکی از نگرانیها در جوشکاری لیزر برای فولاد زنگ نزن آستنیتی، تغییر در رفتار انجماد در جوش لیزر میباشد. تحقیقات نشان داده است که سرعت انجمادی بالا و سرعت حرکت بالا در فولاد آستنیتی میتواند باعث تغییر به انجماد آستنیتی شود وقتی که انجماد فریتی انتظار میرود. نرخ انجماد زیاد، مادون انجماد را در جبهه انجماد افزایش میدهد و سبب افزایش پایداری و تثبیت آستنیت نسبت به فریت میشود. تغییر رفتار آستنیت انجمادی به فریت در نرخ 〖Cr〗_eq⁄〖Ni〗_eq بالا رخ میدهد.
جدول(2-1)ترکیب مواد استفاده شده در این تحقیق[3]
Heat1 موادی بودند همراه به سرعت حرکت پایین جوش داده شدند. شکل(2-3) ریزساختار فلز جوش را که با Heat1 جوشکاری شدهاند همراه با انجماد فریتی و اسکلت فریتی در زمینه آستنیتی را نشان میدهد. مواد تحت Heat2 که با سرعت حرکت بالا جوشکاری شده بودند همه جوشها حالت انجمادی دوگانه همراه با مخلوطی از انجماد فریتی و آستنیتی رخ داد.
شکل(2-3)مورفولوژی دندریتی و اسکلت فریتی در جوش حرارت 1 [3]
شکل(2-4) تنوع میکروساختار فلز جوش موادی که تحت Heat 2 قرار گرفتند را نشان میدهد. برای جوشکاری با Heat 2 انجماد فریتی دندریتی در سرعت حرکت پایین غالب بود چون در سرعت حرکت پایین نرخ سرمایش کاهش مییابد. این منطقه از انجماد فریتی با افزایش سرعت حرکت، کاهش مییابد و مقداری انجماد آستنیت سلولی افزایش مییابد. ریشه همه جوشها که با Heat 2 انجام شدند نشان داده شده است که انجماد آستنیتی بوده است.
شکل(2-4)الف)انجماد فریتی دندریتی ب)انجماد آستنیتی سلولی ج)انجماد آستنیتی در ریشه جوش[3]
در شکل(2-5) نشان داده شده است که میزان فریت تابعی از سرعت حرکت میباشد. میزان فریت با افزایش سرعت حرکت برای هر دو حرارت کاهش مییابد. وقتی سرعت حرکت زیاد میشود(به شرط یکسان بودن قدرت لیزر) سرعت انجمادی افزایش مییابد و در سرعتهای انجمادی بالا مقدار فریت در فلز جوش کاهش مییابد.
شکل(2-5)میانگین فریت در فلز جوش بر حسب سرعت حرکت برای هر دو حرارت، قدرت لیزر 500 و 1100 وات[3]
شکل(2-6) تغییر در میزان فریت به عنوان تابعی از سرعت حرکت برای بالا و وسط و ریشه جوش رسم شد. جوشهای مواد Heat 1 نشان میدهد که تنوع کمی در میزان فریت در مکانهای مختلف سطح مقطع جوش دارد و برای Heat 2 میزان فریت بیشتری در بالای جوش است به خصوص در سرعت حرکت پایین.
شکل(2-6)میزان فریت بر حسب سرعت حرکت برای سه ارتفاع جوش در سطح مقطع جوش[3]
ترکیب Heat 2 همراه با سطح تثبیت کننده بالای آستنیت هر دو حالت انجماد آستنیتی و فریتی را ایجاد میکند و منجر به تغییر در میزان فریت از طریق سطح مقطع جوش میگردد. برای جوش با حرارت 2 بخش فوقانی جوش تغییر بسیار کمتر در سطح فریت نسبت به وسط جوش کرده است. میزان فریت از وسط جوش به سرعت کاهش یافته و با توجه به تغییر در منطقه، انجماد آستنیت پیدا شد. برای توصیف بیشتر از انجماد دوگانه، از مواد Heat 2 مناطق حالتهای انجمادی برای سطح مقطع جوش در قدرت لیزر ثابت نقشه برداری شد. افزایش سرعت حرکت منجر به انجماد آستنیتی در یک بخش بزرگتری از حوضچه جوش میشود. تغییر در حالت انجمادی میتواند منسوب به چندین مکانیسم باشد:1-تنوع ترکیب شیمیایی 2-تنوع نرخ انجماد 3-تنوع گرادیان دما یا ترکیبی از مکانیزمها.
منطقه نازکی از انجماد آستنیتی در مرکز مشاهده شده در سرعت 8/31 میلیمتر بر ثانیه که در شکل(2-7) نشان داده شده است علت هم افزایش نرخ انجماد در جوش مرکزی است.
شکل(2-7)تغییر حالت انجمادی با افزایش سرعت حرکت الف)8/31 میلی متر بر ثانیه ب)2/57 ج)6/82[3]
نرخ انجماد
شکل(8-2) نرخ انجماد را بر حسب سرعت حرکت نشان میدهد. در سرعت حرکت بالا تحت شرایط یکسان از نظر قدرت پرتو لیزر، نرخ انجماد افزایش مییابد. تفاوت گرادیان دما به خاطر شرایط متنوع انتقال حرارت در طول عمق جوش میباشد. همرفت(انتقال حرارت) در سطح جوش در مقایسه با ریشه جوش تمایل به ایجاد گرادیان دمایی پایین را دارد. به هر حال، در سرعت حرکت بالا گرادیان دمایی در سطح جوش برای انجماد فریتی کافی نمیباشد هر چه نسبت کمتر باشد انجماد آستنیتی در نرخ انجمادی پایین غالب خواهد بود.
با کاهش سرعت سرمایش مقدار فریت در فلز جوش کاهش مییابد. زیرا زمان برای تبدیل فریت به آستنیت در هنگام سرمایش افزایش یافته و فریت کمتری باقی میماند.
با افزایش سرعت سرمایش در جوشکاری فولاد زنگ نزن آستنیتی، ابتدا مقدار فریت افزایش و سپس کاهش مییابد. در شکل(2-9) نشان داده شده است مرحله اول که شیب نمودار عدد فریت بر حسب سرعت سرمایش مثبت است، حالت انجمادی فریت اولیه حاکم است و با افزایش کاهش (δ→ γ) سرعت سرمایش زمان استحاله حالت جامد یافته و فریت بیشتری در ریزساختار باقی میماند. ولی از سرعت سرمایش حدود k/s 10^4.5 به بعد که شیب نمودار منفی است حالت انجمادی آستنیت اولیه حاکم بوده و با افزایش سرعت سرمایش، زمان کمتری برای تشکیل فریت بعد از انجماد وجود داشته و فریت ریزساختار کاهش مییابد.
شکل(2-8) رابطه سرعت حرکت و نرخ انجماد در توان لیزر 500 وات[3]
شکل(2-9) رابطه نرخ سرمایش و میزان فریت[5]
عیوب
عیبهای ایجاد شده در جوشکاری لیزری شامل ترک گرم، تخلخل، سرد جوشی میباشد.
ترک گرم
در بررسی ترکهای ایجاد شده در روش جوشکاری لیزری به این نتیجه میرسیم که ترکهای ایجاد شده در جوشکاری لیزری بزرگ میباشد، به دلیل افزایش گرمای ورودی حساسیت به ترک گرم افزایش مییابد که دلیل آن نفوذ عناصر مضر در مرزدانه میباشد که با کاهش گرمای ورودی این حساسیت کاهش مییابد ولی منجر به تغییر حالت انجمادی به دلیل افزایش سرعت انجمادی و انقباض ناگهانی انجمادی میشود.
شکل(2-10) ترک گرم در جوشکاری لیزری[1]
تخلخل
در شرایطی که سطح جوش داده شونده دارای آلودگی باشد یا دبی گاز محافظ زیاد باشد تخلخل در فلز جوش به وجود میآید که در شکل (2-11) مشاهده میکنید.
شکل(2-11) تخلخل در جوشکاری لیزری[1]
سرد جوشی
این عیب ناشی از خوب تمیز نکردن نمونه قبل از جوشکاری و یا دبی گاز زیاد میباشد که در شکل(2-12) این عیب نشان داده شده است.
شکل(2-12) سرد جوشی در جوشکاری لیزری[1]
منابع
1)C. Lipoid and J. Kotecki, Welding Metallurgy and Weldability of Stainless Steels, John Wiley & Sons ,2005
2)JunYan, MingGao, XiaoyanZeng, Study on microstructure and Mechanical Properties of 304 Stainless Steel Joints by TIG, Laser and Laser-TIG Hybrid Welding, 2015
3)S. B. Tate and S. Liu, Solidification Behaviour of Laser Welded type 21Cr-6Ni-9Mn Stainless Steel, 2014
4) N . Suutala, T . Takalo, And T . Moisio, The Relationship Between Solidification and Microstructure in Austenitic and Austenitic-Ferritic Stainless Steel Welds, 1977
5) J. M. Vitek and S. A. David; Improved Ferrite Number Prediction that Accounts for Cooling Rate Effects; 2005
[1]