3. กระบวนการเชื่อมด้วยเลเซอร์และการเพิ่มประสิทธิภาพพารามิเตอร์
3.1 อุปกรณ์การเชื่อมและการติดตั้ง
โดยทั่วไปการเชื่อมด้วยเลเซอร์จะดำเนินการโดยใช้เครื่องเชื่อมเลเซอร์อัตโนมัติที่มีกำลังขับสูงสุดในช่วง 2.5 kW หรือสูงกว่า กระบวนการนี้มักดำเนินการในอากาศโดยรอบโดยไม่มีก๊าซป้องกัน ทำให้การทำงานง่ายขึ้นในขณะที่ยังคงข้อต่อที่แข็งแรง พารามิเตอร์ที่ปรับได้ที่สำคัญ ได้แก่ กำลังเลเซอร์ ความเร็วในการเชื่อม ตำแหน่งโฟกัส เส้นผ่านศูนย์กลางของลำแสง และมุมตกกระทบของลำแสง
3.2 พารามิเตอร์ที่ปรับให้เหมาะสมจากการศึกษาเชิงทดลอง
การตรวจสอบเชิงทดลองได้สร้างความสัมพันธ์ที่ชัดเจนระหว่างพารามิเตอร์การเชื่อมและประสิทธิภาพของข้อต่อ ในการศึกษาที่ใช้ชั้นการเปลี่ยนผ่านแบบผงอัลลอยด์ Cu-Co-Fe และ Ni-Cr-Cu pre- สำหรับการเชื่อมส่วนของเพชรกับเมทริกซ์เหล็ก 30CrMo ประสิทธิภาพการเชื่อมที่เหมาะสมที่สุดทำได้โดยใช้กำลังเลเซอร์ 1600 W และความเร็วในการเชื่อม 1400 มม./นาที ซึ่งให้ความแข็งแรงในการยึดฟันที่ 819 MPa
การศึกษาการจำลองเชิงตัวเลขโดยใช้ซอฟต์แวร์ SYSWELD ได้ปรับปรุงพารามิเตอร์เหล่านี้เพิ่มเติม ด้วยการสร้างโมเดลการต่อเชื่อมสนาม-หลายขนาด-ที่ผสมผสานสนามอุณหภูมิ การเปลี่ยนเฟส สัณฐานวิทยาของเกรน สนามความเค้น และประสิทธิภาพความล้า นักวิจัยพบว่าความเร็วการเชื่อม 26 มม./วินาที และกำลัง 1700 W ช่วยลดความเค้นในการเชื่อม ลดค่าความสัมพันธ์ของปริมาตรดิจิทัล (DVC) และเพิ่มความต้านทานต่อความเมื่อยล้า การทดสอบการเชื่อมยืนยันว่าสภาวะ 1700 วัตต์ทำให้ฟันมีความแข็งแรงสูงสุดได้ถึง 1200 MPa
ความแตกต่างเล็กน้อยระหว่างพารามิเตอร์ที่เหมาะสมที่สุดที่รายงานโดยการศึกษาต่างๆ (1600 W เทียบกับ . 1700 W) อาจสะท้อนถึงความแตกต่างในองค์ประกอบของวัสดุ รูปทรงของใบมีด หรือสภาวะการทดลอง อย่างไรก็ตาม ความสอดคล้องตามลำดับขนาด-กำลังประมาณ 1.6–1.7 kW และความเร็ว 23–26 มม./วินาที- ให้แนวทางที่มีประสิทธิภาพสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการ
3.3 การจำลองเชิงตัวเลขของกระบวนการเชื่อม
ความซับซ้อนของการเชื่อมด้วยเลเซอร์-ที่เกี่ยวข้องกับปรากฏการณ์ทางความร้อน เครื่องกล และโลหะวิทยาควบคู่กันไป- ทำให้การจำลองเชิงตัวเลขเป็นเครื่องมืออันล้ำค่าสำหรับการออกแบบกระบวนการและการเพิ่มประสิทธิภาพ โมเดลขั้นสูงใช้แหล่งความร้อนแบบเกาส์เซียน 3 มิติเพื่อแสดงโปรไฟล์ลำแสงเลเซอร์ ซึ่งทำให้เกิดการกระจายพลังงานที่ไม่สม่ำเสมอ-ซึ่งเกิดขึ้นในระบบเลเซอร์กำลังสูง-
ปัจจัยด้านคุณภาพลำแสง M² ซึ่งอธิบายความเบี่ยงเบนไปจากโปรไฟล์เกาส์เซียนในอุดมคติ มีบทบาทสำคัญ ในทางปฏิบัติ ลำแสงเลเซอร์กำลังสูง-มักแสดงค่า M² ตั้งแต่ 1.3 ถึง 2.0 ส่งผลให้ได้ลำแสงเลเซอร์ที่ยาวและมีพีคหลายจุด แทนที่จะเป็นพีคตรงกลางจุดเดียว การบิดเบือนเหล่านี้ส่งผลต่อสนามอุณหภูมิและเรขาคณิตของสระหลอมเหลว ซึ่งท้ายที่สุดจะส่งผลต่อคุณภาพการเชื่อมและคุณสมบัติทางกล มีการแสดงปัจจัยการแก้ไขที่รวมอยู่ในแบบจำลองการจำลองเพื่อปรับปรุงความแม่นยำในการทำนาย โดยให้ผลลัพธ์ที่ใกล้เคียงกับข้อมูลการทดลอง
การคำนวณสนามความร้อนเกี่ยวข้องกับการแก้สมการการถ่ายเทความร้อนแบบไม่เชิงเส้นเพื่อให้ได้การกระจายอุณหภูมิชั่วคราวทั่วบริเวณรอยเชื่อม แบบจำลองสนามความเค้นพิจารณาความเครียดทั้งหมดเป็นผลรวมของความเครียดแบบยืดหยุ่น ความเครียดของพลาสติก การเปลี่ยนแปลงเฟส-ความเป็นพลาสติกที่เหนี่ยวนำ และความเครียดจากความร้อน การสร้างแบบจำลองที่ครอบคลุมดังกล่าวช่วยให้สามารถคาดการณ์ความเค้นตกค้างและวิวัฒนาการของโครงสร้างจุลภาคได้ โดยแนะนำการเลือกพารามิเตอร์การเชื่อมที่เหมาะสมที่สุดโดยไม่ต้องทดลอง-และ-ข้อผิดพลาดอย่างกว้างขวาง
4. ลักษณะโครงสร้างจุลภาคและคุณสมบัติ
4.1 โครงสร้างจุลภาคของโซนฟิวชั่นและโซนความร้อน-ที่ได้รับผลกระทบ
โครงสร้างจุลภาคของใบเลื่อยเพชรเชื่อมด้วยเลเซอร์-แสดงคุณลักษณะที่แตกต่างในโซนต่างๆ โซนฟิวชัน (FZ) สามารถแบ่งออกเป็นบริเวณที่อุดมไปด้วยทองแดง-และส่วนที่อุดมไปด้วยธาตุเหล็ก- ซึ่งมีลักษณะพิเศษคือเม็ดหยาบซึ่งไม่มีการวางแนวที่ต้องการอย่างชัดเจน การแยกเฟสนี้เกิดขึ้นจากสภาวะการแข็งตัวที่ไม่-สมดุลซึ่งเป็นไปตามแบบฉบับของการเชื่อมด้วยเลเซอร์ โดยที่อัตราการเย็นลงอย่างรวดเร็วจะขัดขวางไม่ให้อัลลอยด์เป็นเนื้อเดียวกันโดยสมบูรณ์
-โซนรับผลกระทบความร้อน (HAZ) ของซับสเตรตเหล็ก 30CrMo มีโครงสร้างจุลภาคที่แตกต่างกัน โดยหลักแล้วประกอบด้วย-เข็มชุบแข็งและเปราะสูง- เช่น มาร์เทนไซต์ ความแข็งระดับไมโครในภูมิภาคนี้สามารถเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเป็นค่าสูงถึง 550 HV การแข็งตัวนี้เป็นผลมาจากอัตราการเย็นลงอย่างรวดเร็วที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของมาร์เทนซิติกในเมทริกซ์เหล็ก ซึ่งมีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อความเหนียวและความไวต่อการแตกร้าวของข้อต่อ
การวิเคราะห์การแตกหักเผยให้เห็นว่าความล้มเหลวมีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้นที่ขอบเขตระหว่างโซนฟิวชันและโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน- ซึ่งความเข้มข้นของความเครียดเด่นชัดที่สุด การสังเกตนี้เน้นย้ำถึงความสำคัญของการปรับพารามิเตอร์การเชื่อมให้เหมาะสมเพื่อลดขอบเขตของ HAZ ที่ชุบแข็งให้เหลือน้อยที่สุด และลดการไล่ระดับความเค้นระหว่างผิว
4.2 สมรรถนะทางกลและกลไกความล้มเหลว
ความแข็งแรงในการยึดฟันทำหน้าที่เป็นตัวชี้วัดหลักในการประเมินคุณภาพข้อต่อในใบเลื่อยเพชรที่เชื่อมด้วยเลเซอร์- ตามที่ระบุไว้ข้างต้น สภาพการเชื่อมที่ได้รับการปรับปรุงสามารถให้ความแข็งแรงเกิน 800 MPa และในบางกรณีอาจสูงถึง 1200 MPa ค่าเหล่านี้แสดงถึงการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญเหนือประสิทธิภาพที่ทำได้ด้วยวิธีการเชื่อมแบบเดิมๆ
ประสิทธิภาพความล้าของข้อต่อเชื่อมด้วยเลเซอร์-ถือเป็นข้อพิจารณาที่สำคัญอีกประการหนึ่ง เมื่อพิจารณาจากการโหลดแบบวนรอบระหว่างการตัด การจำลองเชิงตัวเลขที่รวมการประเมินวัฏจักรชีวิตได้ระบุว่าค่า DVC ที่ลดลงมีความสัมพันธ์กับความต้านทานต่อความเมื่อยล้าที่ดีขึ้น ซึ่งเป็นการตรวจสอบความถูกต้องของการใช้การลดความเครียดให้เหลือน้อยที่สุดเป็นวัตถุประสงค์การออกแบบ
ข้อบกพร่องทางโครงสร้างระดับจุลภาค เช่น ความพรุน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในบริเวณฟิวชัน สามารถทำหน้าที่เป็นจุดเริ่มต้นรอยแตกพิเศษได้ การควบคุมความหนาแน่นของชั้นทรานซิชันและการป้องกันการระเหยขององค์ประกอบจึงมีความสำคัญต่อการบรรลุประสิทธิภาพของข้อต่อที่เชื่อถือได้
