بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله به بررسی پیش بینی هندسه جوش یعنی طول ، عرض ، و عمق نفوذ در فولاد ضد زنگ به ضخامت 2.5 میلی متر می باشد می پردازیم .پارامترهای ورودی نیز قدرت پرتو و زاویه پرتو و مدت زمان قرار گرفتن در معرض پرتو می باشند .و اثرات نهفته گرمای هم جوش ، گرمای تابشی ، و همرفتی از جنبه های شرایط مرزی می باشند . مطمنا در زمینه چوشکاری لیزری تحقیقاتی انجام گرفته است اما هیچ کدام این پارامترها را به صورت یکجا بررسی نکرده اند.
کلمات کلیدی: المان محدود ،جوشکاری لیزر ، الیاژ الومنیوم
مقدمه
جوشکاری لیزر آلیاژهای آلومینیوم در صنایع هوا-فضا و خودروسازی تبدیل به موضوع بسیار جذابی شده است. آلیاژهای آلومینیوم در حین جوشکاریکاملاً مستعد از دست دادن عناصر آلیاژی در حوضچه جوش هستند.آلومینیوم و آلیاژهای آن به نسبت آلیاژهای پایه آهنی به دلایل مختلفی سخت تر جوشکاری می شوند. واضح ترین دلیل بازتاب دهندگی و هدایت حرارتی بالای آلومینیوم است. بدین طریق بخشی از لیزر منعکس شده و بخش دیگر هم که وارد فلز می شود، از محل جوشکاری به قسمت های دیگر انتقال می یابد. این مسئله باعث می شود که نیاز به چگالی توان بالاتری برای ایجاد keyhole به نسبت فولاد داشته باشیم. متاسفانه بخار آلومینیوم خیلی سریعتر از بخار فولاد یونیزه شده و پلاسمای تشکیل شده انرژی بیشتری از لیزر را جذب خود می کند.
پلاسمای فوق داغ ایجاد شده، شروع به ترک keyhole کرده و مسیر پرتو ورودی را مسدود می کند و به دلیل ماهیت اپتیکی این جوشکاری باعث ایجاد اختلال در ادامه جوشکاری می گردد. تمامی این موارد منجر به جوشکاری ناپایدار می شود.گاز محافظ تأثیر فوق العاده ای بر بازدهی جوشکاری لیزرآلومینیوم دارد. سرعت گاز باید به اندازه کافی بالا باشد که بخارات ایجاد شده را جابجا کند. ترکیب گاز هم تأثیر گذار است به طوری که در صورت استفاده از نیتروژن به نسبت هلیوم، پلاسمای داغتری تولید می شود. در چگالی توان پایین تر اتصال بهتر با نیتروژن حاصل می شود در صورتی که با افزایش پگالی توان هلیوم بهتر کار می کند زیرا مسدود شدن مسیر پرتو کمتر است.
در همه موارد جوشکاری لیزر آلومینیوم به سطوح اتصال تمیز عاری از هیدورکسیدها، محافظت کامل گازی برای حداقل شدن تشکیل اکسیدها حین جوشکاری و چگالی توان زیاد برای غلبه بر بازتاب دهندگی و هدایت حرارتی بالا نیاز دارد. افت استحکام در ناحیه ذوب به دلیل کاهش عناصر آلیاژی نیز باید مد مظر قرار گیرد زیرا بیشتر عناصر استحکام دهنده آلومینیوم دارای نقطه جوش پایینی هستند. - قلع، منیزیم و لیتیم - در مورد گستردگی کاربرد باید گفت که با وجود هزینه های بالا سری آلیاژهای XXX6 اما فراگیرترین آلیاژهای مورد استفاده خودروسازان اروپایی هستند از این آلیاژها در پانلهای خارجی و از سری آلیاژهای XXX5 در پانلهای داخلی استفاده می شود.
در ایالات متحده آمریکا از آلیاژ 2036 که آلیاژ آلومینیوم با مس است استفاده می شود اما در اروپا به دلیل مشکلات بازیابی مورد استفاده قرار نمی گیرد. سری آلیاژهای XXX6 قابلیت سخت شدن با عملیات حرارتی را داشته و تنش تسلیم بالاتری را نسبت به سری XXX5 دارند.جوشکاری با استفاده از لیزر مزایا و فوائد زیادی دارد : دقت در میزان حرارت ورودی، منطقه متاثر از گرمای کوچک، حوضچه جوش کوچک و اعوجاج حرارتی کم . به همین دلیل استفاده از لیزر در سالهای اخیر افزایش چشمگیری داشته است [3-1] بر اساس نحوه انتقال انرژی و عمق نفوذ در جوشکاری لیزر ی دو نوع سازو کار وجود دارد .
هنگامی که لیزر به سطح ماده تابیده می شود، سطح ماده شروع به گرم شدن تا نقطه ذوب می کند و در نتیجه عمق نفوذ توسط نرخ انرژی ورودی از لیزر و میزان حرارت منتقل شده در ضخامت ماده بوسیله هدایت تعیین می شود . جوشکاری تحت چنین شرایطی به جوشکاری هدایتی معروف است . نوع دوم جوشکاری هنگامی رخ می دهد که چگالی توان لیزر به حدی افزایش یابد که انرژی لازم برای تبخیر لایه نازکی از فلز را تامین کند که در نتیجه یک حفره در حوضچه جوش ایجاد می شود که این نوع جوش به جوشکاری سوراخ کلیدی معرف است . در نتیجه یک مخلوطی از بخار فلزات یونیزه شده به همراه گاز محافظ در بالای حوضچه تشکیل می شود [7-4]
آلومینیوم آلیاژی 2024 به علت استحکام بالا نسبت به دیگر آلیاژهای آلومینیم از اهمیت ویژه ای برخوردار بوده و به طور گسترده ای در انواع سازه های صنایع هوافضا استفاده م ی شود. این آلیاژ جو ش پذیری اندکی داشته و اتصال آن همواره یکی از مشکلات صنایع مذکور است [6] عموما در جوشکاری آلومینیم با لیزر به علت بازتابش بالای فلز دستیابی به عمق نفوذ بالا و کیفیت مناسب جوش دشوار است به همین جهت بررسی محدوده پارامترهای فرایند و اثر آنها بر ابعاد حوضچه و کیفیت جوش دارای اهمیت است . اقای شانموگام و همکاران در سال [8] 2010 به بررسی گذرا المان محدود پروفیل T شکل جوشکاری لیزری یک قطعه پرداختند . در این تحقیق از روش المان محدود برای بررسی پروفیل گرده های جوشکاری استفاده شده است.و هندسه ان یک ورق mm1.6 می باشد.
صباغ زاده و همکاران در سال [2] 2008 به بررسی عددی و تجربی درز جوش به روش پالسی پرداختند. کار حاضر توسعه دو مدل عددی برای محاسبه پدیده حرارتی در طول جوشکاری لیزر پالسی است . یکی از انها که بر اساس مدل تفاضل محدود محاسبه عرض جوش و نفوذ خود را با استفاده از معادلات انتقال حرارت می باشد .اقای تریودی وهمکاران در سال [10] 2007 به بررسی سه بعدی انتقال حرارت گذرا و تجزیه و تحلیل ترمومکانیکی برای نقطه جوشکاری لیزر با استفاده از منبع حرارت تطبیقی پرداختند .اقای بگ و همکاران درسال [11] 2009به توسعه یک عنصر بر اساس انتقال حرارت محدود مدل برای حالت انتقال فرایند نقطه جوش لیزری با استفاده از یک منبع حرارت حجمی تطبیقی پرداختند.
مدلسازی:
برای کل صفحه جوشکاری شده با توجه به اندازه و ضخامت صفحه انجام میگیرد. در این مدل سازی طول صفحه 80mm و عرض آن 60mm و ضخامت آن 2mm در نظر گرفته شده است. در شکل زیر پارت ایجاد شده نشان داده شده است.با استفاده از پارتیشن از سایر قسمت ها جدا شده است.بخش اختصاص ماده و خواص آن به صفحه جوشکاری:
در این قسمت خواص مختلف و مورد نیاز آلومینیم سری 6000 با توجه به مقالات موجود در این زمینه استخراج گردید و به نرم افزار معرفی شده است. در جدول نشان داده شده در شکل زیر کلیه خواص مورد نیاز برای تحلیل المان محدود یک فرآیند جوشکاری لیزر ارائه شده است.
