بررسی تجربی وعددی فرآیند لحیم کاری سخت با استفاده از لیزر
چکیده
فرآیند لحیم کاری سخت به کمک لیزر توسط حرارت دادن و ذوب ماده پرکننده برای نفوذ به فلزات پایه صورت می پذیرد. این فرآیند لیزری مزایایی همچون لحیم کاری سخت قطعات بسیار نازک، اتصال مجموعه های دارای قطعات حساس به حرارت، کاهش پیچش قطعات، قابلیت پرکنندگی فاصله، زمان حرارت دادن کم، منطقه حرارت دادن کوچک و کاهش در هزینه ها را در مقایسه با روش های مرسوم لحیم کاری سخت دارا می باشد. این روش در سال های اخیر مورد توجه فراوانی قرار گرفته است. در این پژوهش فرآیند لحیم کاری سخت با لیزر پالسیnd:yag برای اتصال سر به سر آلیاژ پایه نیکل (inconel 718)به ضخامت 1میلیمتر با استفاده از ماده پرکننده با ترکیب 57% نقره، 22%مس، 16/5%روی و 4/5%قلع مورد مطالعه قرار گرفت.آزمایشهای مقدماتی لحیم کاری سخت به کمک لیزر جهت بررسی اولیه محدوده کاری موثر هر یک از متغیرها صورت پذیرفت. بعد از تعیین محدوده مناسب متغیرها، لحیم کاری به کمک لیزر با لحاظ نمودن پارامترهای متغیر فرآیند براساس روش طراحی آزمایشها (روش رویه پاسخ) بر روی نمونه ها انجام شد. توان لیزر، سرعت حرکت لیزر و عرض پالس به عنوان متغیرهای ورودی فرآیند و عمق جریان، میزان پخش شوندگی و زاویه ترشوندگی به عنوان پاسخ های خروجی طرح در نظر گرفته شدند. نتایج نشان می دهد که توان لیزر اثر مستقیم بر روی پخش شوندگی و اثر معکوس بر روی زاویه ترشوندگی دارد. اثر سرعت، برعکس اثر توان لیزر می باشد. همچنین تعامل اثر توان لیزر و سرعت مهم می باشد.کاهش عرض پالس منجر به کاهش زاویه ترشوندگی و افزایش پخش شوندگی می گردد. مدلسازی وبهینه سازی آماری فرآیند، جهت دستیابی به اتصال باعمق جریان کامل، بیشترین میزان پخش شوندگی و کمترین زاویه ترشوندگی انجام گردید. پارامترهای بهینه جهت به دست آوردن بهترین هندسه اتصال عبارت است از: فرکانس 100 هرتز، توان 205/21 وات، عرض پالس 1/7 میلی ثانیه، سرعت 1/8 میلیمتر بر ثانیه و دمای پیش گرم 350 درجه سانتیگراد. صحت سنجی نتایج بهینه سازی باانجام آزمایش درتنظیمات بهینه صورت پذیرفت. مقادیر آزمایشگاهی به دست آمده از بهینه سازی نشان می دهد که میانگین خطای مدل ایجاد شده کمتر از 6 درصد می باشد. متالوگرافی مناطق اتصال جهت تفسیر تاثیرات حرارتی فرآیند بر روی پاسخ های خروجی طرح انجام پذیرفت و به بررسی میزان نفوذ عناصر ماده پرکننده در فلزپایه پرداخته شد. تست های کشش و میکروسختی برای بررسی خواص مکانیکی اتصال انجام شد. نتایج حاکی از آن است که نفوذ بین اتم های فلز پایه و ماده پرکننده اتفاق می افتد و میانگین ضخامت لایه واکنشی در آزمایشات اولیه 2/5 میکرومتر و در تنظیمات بهینه 3 میکرومتر می باشد.بیشترین مقدار استحکام کششی(338 مگا پاسکال) برای نمونه لحیم کاری شده در تنظیمات بهینه به دست آمد. میانگین سختی در درز اتصال در این تنظیمات 145 ویکرزمی باشد. آزمایشات در تنظیمات بهینه بر روی 3 ماده متفاوت دیگر(فولاد زنگ نزن 321، فولاد زنگ نزن 410 وinconel 600) انجام گردید و نتایج به دست آمده با یکدیگر مقایسه شدند تا علاوه بر پارامترهای لیزر، اثر ترکیبات شیمیایی مواد نیز درخروجی های فرآیند بررسی گردد.نتایج نشان می دهد که ماده پرکننده بر روی فلزات پایه پخش می شود و با گذشت زمان به داخل درز اتصال نفوذ می کند. میانگین استحکام کششی اتصال در تنظیمات بهینه برای inconel 600 ، فولاد زنگ نزن 321 و فولاد زنگ نزن 410، 338 مگا پاسکال و میانگین سختی در درز اتصال 145 ویکرز می باشد. شبیه سازی فرآیند لحیم کاری سخت به کمک لیزر می تواند اطلاعات مفیدی را در مورد ذوب و انجماد،انتقال حرارت و هندسه اتصال (ترشوندگی و پخش شوندگی ماده پرکننده بر روی فلزپایه و جریان ماده به داخل درز اتصال) در یک زمان مناسب و هزینه کم فراهم کند. شبیه سازی به کمک روش حجم محدود و با استفاده از نرم افزار fluent 6.3براساس معادلات بقاء جرم، بقاء مومنتوم و بقاء انرژی به منظورتخمین هندسه فرآیند انجام گردید. بامقایسه نتایج شبیه سازی ونتایج آزمایشگاهی اعتباربخشی به مدل بکاررفته وصحه گذاری نتایج صورت پذیرفت. همچنین پیش بینی مدل از هندسه و اندازه اتصال برای فولاد زنگ نزن 321، فولاد زنگ نزن 410 وinconel 600با نتایج آزمایشگاهی متناظر مقایسه گردید. مقایسه نتایج تجربی و شبیه سازی نشان می دهد که ماکزیمم درصد خطا برای عمق جریان، میزان پخش شوندگی و زاویه ترشوندگی به ترتیب 7 درصد، 1 درصد و 27درصد می باشد. این مقایسه تطابق مناسبی را بین نتایج تجربی و شبیه سازی نشان می دهد.بنابراین این مدل می تواند به طور منطقی مشخصات اتصال را با در نظر گرفتن جریان سیال پیش بینی کند و به عنوان یک مدل مناسب برای پیش بینی جریان ماده، انتقال حرارت، ذوب و انجماد معرفی گردد.