01
چکیده
تنگستن، به دلیل نقطه ذوب بالا، هدایت حرارتی خوب، و نگهداری کم هیدروژن، یک ماده ایده آل برای اجزای پلاسما{0}} در راکتورهای همجوشی هسته ای است. با این حال، شکنندگی ذاتی و دمای انتقال شکننده{2}}شکل پذیر بالا (DBTT) آن را بسیار مستعد ترک خوردن در طول پردازش لیزری میکند. این اساساً به دلیل سرعت بسیار بالای خنک کننده و گرادیان دما است که منجر به تنش حرارتی و تضعیف مرز دانه می شود. روشهای موجود برای سرکوب ترکخوردگی شامل پیشگرم کردن بستر، آلیاژ نانوذرات و لیزرهای پالسی است، اما این روشها محدودیتهایی مانند تخریب پودر، تغییرات ترکیبی یا افزایش تخلخل دارند. در سالهای اخیر، شکلدهی پرتو لیزر (مانند پرتوهای حلقهای) برای کاهش چگالی توان پیک، تبدیل جوشکاری با نفوذ عمیق به جوشکاری رسانای حرارتی، بهطور موثر کاهش گرادیان دما و نرخ خنککننده استفاده شده است. نوسان پرتو لیزر می تواند حوضچه مذاب را به هم بزند، گرمای ورودی را بیشتر همگن کند و تشکیل دانه های هم محور را تقویت کند. هر دو روش مبتنی بر کنترل ترمودینامیکی هستند و مکانیسم های مکمل هم دارند. این مقاله ترکیب آنها را برای دستیابی به جوشکاری بدون ترک-تکرار تنگستن خالص بدون پیش گرم کردن یا اصلاح پیشنهاد میکند. اثرات شکل تیر و پارامترهای نوسان بر ترک ها، حوضچه مذاب و ریزساختار به طور سیستماتیک مورد مطالعه قرار می گیرند و مرجعی برای تولید افزودنی بعدی ارائه می کنند.
02
نمای کلی
این مطالعه به طور سیستماتیک اثرات سه شکل پرتو لیزر-پرتو گاوس، توزیع هسته حلقوی (RC 80/20) و پرتو حلقوی{3}}بر رفتار ترک خوردگی جوشهای منفرد{4}در صفحات نازک تنگستن خالص تحت پارامترهای مختلف نوسان مقایسه کرد. با ترکیب شبیهسازی ترموفیزیکی، تجزیه و تحلیل میکروسکوپ نوری، و مشخصه EBSD، یک تجزیه و تحلیل چند مقیاسی از آمار ترکهای ماکروسکوپی و هندسه حوضچه مذاب گرفته تا ساختار دانههای میکروسکوپی انجام شد. نتایج تجربی نشان میدهد که پرتو گاوسی به دلیل قدرت اوج بسیار بالای خود، به راحتی یک حوضچه مذاب عمیق و باریک (عمق-به-نسبت عرض > 1) تشکیل میدهد، که منجر به ترکخوردگی شدید، با نرخ آزاد{11}ترک فقط 36 درصد میشود. در مقابل، تیرهای حلقوی و RC 80/20، با کاهش چگالی توان پیک، حوضچه مذاب را عریض و کم عمق میکنند و به طور قابلتوجهی گرادیان دما و سرعت خنککننده را کاهش میدهند. پرتو RC 80/20 به تنهایی میتواند به نرخ آزاد{19}ترک 80 درصدی دست یابد. با تکیه بر این پایه، افزودن نوسان پرتو لیزر باعث کاهش بیشتر ترک خوردگی در همه انواع پرتوها شد، با نسبتهای ابعادی که عموماً به زیر 1 میرسند. ترکیب RC 80/20 و نوسان بهترین عملکرد را داشتند و به نرخ آزاد 91%-در 55 مجموعه پارامتر رسیدند. علاوه بر این، منجر به تشکیل کریستالهای هم محور بزرگتر در حوضچه مذاب شد که با کاهش سرعت خنکسازی شبیهسازیشده تا ۴۵ درصد مطابقت دارد. تجزیه و تحلیل آماری نهایی نشان داد که شکل پرتو، توان لیزر و سرعت اسکن مهمترین پارامترهای مؤثر بر شروع ترک بودند، در حالی که فرکانس و دامنه نوسان تأثیر معنیداری در محدوده این مطالعه نداشتند. این نشان میدهد که استراتژی ترکیبی شکلدهی پرتو و نوسان میتواند به جوشکاری بدون ترک{32}تکرار تنگستن بدون پیش گرم کردن یا اصلاح مواد دست یابد.
03
تحلیل گرافیکی
دادههای گوشه سمت چپ بالای شکل 1 نشان میدهد که، تحت همان قطر لکه (202 میکرومتر) و شرایط فرآیند، گرادیان دمایی G پرتو RC 80/20 به طور قابلتوجهی کمتر از پرتو گاوسی است، در حالی که نرخ رشد R کمی بالاتر است. نکته کلیدی در نتایج محاسبه نرخ خنککننده در گوشه بالا سمت راست نهفته است-نرخ خنککننده پرتو RC 80/20 تقریباً 40٪ در مقایسه با پرتو گاوسی با همان قطر نقطه کاهش مییابد، و تقریباً 45٪ برای پرتو حلقوی کاهش مییابد. بخش متقاطع حوض مذاب{11}}شبیهسازی شده در زیر نیز بهطور بصری این را منعکس میکند: حوضچه مذاب تیر شکلدار عریضتر و کم عمقتر است. این دادهها مستقیماً توضیح میدهند که چرا شکلدهی پرتو میتواند به طور مؤثری تنش حرارتی{13}را کاهش دهد و از دیدگاه ترمودینامیکی پشتیبانی قوی برای آزمایشهای بعدی فراهم کند.
شکل 2 مربوط به پرتو گاوسی است. بدون نوسان، یک ترک طولی در کل جوش نفوذ می کند. با این حال، با اضافه شدن نوسان، حتی در چگالی انرژی خط مشابه، ترک به طور کامل ناپدید می شود. شکل 3 مربوط به یک تیر RC 80/20 است. بدون نوسان، یک ترک هنوز در چگالی انرژی خط بالا وجود دارد. با اضافه شدن نوسان، ترک کاملاً از بین می رود. این به طور کامل نشان می دهد که بدون توجه به شکل پرتو، نوسان می تواند به طور موثر ترک ها را سرکوب کند. مکانیسم این است که نوسان پرتو حوضچه مذاب را به هم می زند و حرارت ورودی را یکنواخت تر می کند. حوضچه مذاب اولیه باریک و عمیق به طور قابل توجهی گشاد می شود و نسبت عمق به عرض کمتر از 1 می شود. حالت جوشکاری از جوشکاری با نفوذ عمیق به جوشکاری رسانش گرمایی تغییر می کند و در نتیجه تنش حرارتی آزاد می شود.
شکل 4 اثر استراتژی پردازش را در سطح ریزساختاری کمی نشان می دهد. سمت چپ نشان می دهد که اندازه دانه متوسط پرتو گاوسی (93 میکرومتر) تنها 10.2 میکرومتر است. استفاده از RC 80/20 به تنهایی (202 میکرومتر) آن را به 14.3 میکرومتر افزایش می دهد. و هنگامی که RC 80/20 با نوسان ترکیب می شود، دانه ها بیشتر درشت می شوند، که کاملاً با نتیجه شبیه سازی کاهش 45٪ در سرعت خنک کننده مطابقت دارد. دادههای نسبت ابعاد در سمت راست نشان میدهند که دانههای ترکیب شکلدهی و نوسان به هم محور نزدیکتر هستند (نسبت نزدیک به 1)، در حالی که دانههای پرتو گاوسی به وضوح ستونی هستند (نسبت بزرگتر). نسبت بیشتر و تعداد بیشتر دانههای هم محور به این معنی است که خواص مکانیکی ماده همسانگردتر است و مقاومت آن در برابر انتشار ترک قویتر است، بنابراین توضیح میدهد که چرا ترکها به طور موثر در سطح ریزساختاری سرکوب میشوند.
04
خلاصه
این مطالعه تأیید میکند که استراتژی ترکیبی شکلدهی پرتو لیزر و نوسان میتواند به جوشکاری بدون ترک{0}تکرار تنگستن خالص بدون پیش گرم کردن یا اصلاح مواد دست یابد. در میان پارامترهای آزمایش شده، پرتو هسته حلقه ای RC 80/20 همراه با نوسان بهترین نتایج را به همراه داشت و به نرخ آزاد{4} ترک 91 درصدی دست یافت که به طور قابل توجهی بالاتر از 36 درصد پرتو گاوسی بود. این ترکیب با کاهش چگالی اوج توان و هم زدن حوضچه مذاب، تبدیل حالت جوش به گرما{8}}هدایت جوشکاری، کاهش سرعت خنکسازی تا 45% و ترویج تشکیل کریستالهای هم محور بزرگتر، ترکها را بهطور مؤثری سرکوب میکند. شکل پرتو، قدرت لیزر و سرعت اسکن پارامترهای کلیدی تأثیرگذار هستند، در حالی که فرکانس نوسان و دامنه تأثیر کمی دارند. تحقیقات آینده نیاز به تأیید بیشتر کاربرد این استراتژی در{12}}لمینیت چند لایه، چند{13}}و در ساخت PBF{14}}LB/M واقعی دارد.
