تأثير استحكام فولاد غير آلياژي بر شكل‌دهي به كمك پرتو ليزر
– مقدمه
يكي از جديدترين روش‌هاي شكل‌دهي مواد استفاده از پرتو ليزر مي‌باشد که در اين روش تنش‌هاي حرارتي ايجاد شده در اثر حرارت‌دهي موضعي ماده موجب تغيير شكل قطعه مي‌شود.(تأثير استحكام فولاد غير آلياژي)
به علت وابستگي اين شيوه به خواص حرارتي ماده مي‌توان با كمك آن فلزات سخت و همچنين قطعات ظريف و پيچيده را شكل‌دهي نمود.
شکلدهی به وسیله لیزر یک فرآیند وابسته به تنشهای حرارتی ایجاد شده در اثر حرارت ناشی از تابش پرتو لیزر است.
این حرارت موجب انبساط موضعی قطعه‌کار و ایجاد تنش پسماند فشاری میشود که این تنش‌ها باعث ایجاد گشتاور خمشی و در نتیجه تغییر شکل قطعه‌کار میشود.
در سال‌های اخیر استفاده از پرتو لیزر در روشهای ساخت از جمله برش‌کاری، جوشکاری، انجام عملیات سطحی (عملیات حرارتی، پوشش‌دهی و تمیزکاری)، چاپگرهای سه بعدی، نمونه‌‌سازی سریع و شکلدهی افزایش چشم‌گیری پیدا کرده است.
این عوامل باعث شده است تا مطالعات در این زمینه مورد توجه بسیاری از محققان قرار گیرد.
اولین بار ایده شکلدهی لیزری توسط کیتامورا در سال 1982 مطرح شد که با استفاده از یک لیزر CO2 با قدرت 15 کیلووات یک ورق فولادی به ضخامت 22 میلیمتر با موفقیت خم کرد.
از آن زمان تاکنون تحقیقات بسیاری در خصوص شکلدهی لیزری و کاربردهای آن در صنایع مختلف انجام شده است .
در سال 1986 نامبایکی از اولین مقالات را در مورد شکلدهی لیزری ارائه نمود.
فلزاتی که در تحقیق او مورد آزمایش قرار گرفت عبارت بودند: از تیتانیوم، آلومینیوم، استینلس استیل 304 و فولاد کربنی و پرتو لیزری که مورد استفاده قرار گرفت از نوع CO2 و با توان 1500 وات بود.
او ادعا کرد که علت فرم گرفتن ورق بهوسیله پرتو لیزر ایجاد یک گرادیان شدید دمایی میباشد که باعث انبساط حرارتی، تنشهای حرارتی و در نهایت تغییر شکل پلاستیک میشود.
پارامترهایی که توسط نامبا بهعنوان پارامترهای مؤثر بر زاویه خم معرفی شدند عبارت بودند از: توان لیزر، قطر پرتو لیزر، توزیع شار حرارتی، جذب سطحی انرژی لیزر، سرعت پرتو لیزر، تعداد پاس عبور لیزر، چگالی جنس ماده، ظرفیت گرمایی ویژه، ضریب انبساط حرارتی، استحکام تسلیم و نهایی، مدول یانگ، نسبت پواسون، ضریب کار سختی، ابعاد و ضخامت ورق و دمای ذوب قطعه کار.(تأثير استحكام فولاد غير آلياژي)
گيگر و ولرتسن سه مكانيزم اصلي شكل‌دهي با ليزر را شامل مكانيزم گراديان دمايي، مكانيزم خمش كمانشي و مكانيزم كوتاه كردن معرفي كرده‌اند.
ریاحی و همکاران تأثیر الگوهای شار حرارتی را در حالت یکنواخت و گاوسی بر روی یک ورق دو لایه از جنس آلومینیوم – سرامیک مورد بررسی قرار دادند.
ژانگ و همکاران با استفاده از تست‌های تجربی و مدل المان محدود به بررسی شکلدهی لیزری فوم‌های آلومینیومی سلول بسته پرداختند.
آنها اثر پارامترهای مختلف را بر روی زاویه خم‌شدگی این فوم‌ها مورد مطالعه قرار دادند.
چنگ و همكاران شرايط فرآيندي در شكل‌دهي با ليز ورق‌هاي داراي سطح مقطع متغير در راستاي مسير اسكن را مطالعه كرده‌اند.
نتایج مطالعه آنها نشان دهنده گذار مكانيزم‌هاي مختلف سه گانه به يكديگر به ازاي تغييرات سطح مقطع میباشد.
شن و همكاران چگونگي تغييرات مشخصه‌هاي مكانيكي ورق‌هاي فولاد كم كربن را پس از تابش پرتو ليزر نشان داده‌اند.
نتايج تجربي آنها نشان میدهد كه پس از فرآيند شكل‌دهي با ليزر، استحكام تسليم و استحكام نهايي بهبود، و درصد افزايش طول شكست قطعات كاهش می‌یابد.
کولینز و همكاران ] فرآيند شكل‌دهي ليزری مواد شكننده، شامل سيليكون‌هاي تك كريستالي، شيشه بروسيليكات و سراميك با تابش دو نوع ليزر حالت گاز CO2 و ليزر حالت جامد Nd:YAG را مورد مطالعه قرار دادند.(تأثير استحكام فولاد غير آلياژي)
چنگ و یاو تأثير سرمايش اجباري بر افزايش زاویه خمش حاصل در فرآيندهاي چند پاسه شکلدهی لیزری را بررسي كردند.
خینگ و همکاران میکروساختارها و مشخصات مکانیکی اتصالات TA15 حاصل از جوشکاری به کمک پرتو لیزر را مورد مطالعه قرار دادند.
نتایج مطالعه آنها نشان میدهد که اتصالات به دست آمده از این روش دارای استحکام بسیار بیشتری نسبت به اتصالات متداول سنتی هستند و استحکام شکست تا حدود 94 درصد افزایش می‌یابد.
هونگ و همکاران مشخصات عملکردی شکلدهی لیزری فولادی‌های آلیاژی را به صورت تجربی مطالعه کردند. کتبی و همکاران به بررسی تأثیر پارامترهای پرتو لیزر بر زاویه خم و تنشهای پسماند ورق دولایه St-Ti پرداختند.
بررسی مطالعه آنها نشان میدهد که با افزایش سرعت اسکن، قطر و ضخامت پرتو تنش پسماند کششی نمونه‌ها افزایش قابل توجهی می‌یابد.
روحی و همکاران با اعمال یک نیروی مکانیکی در کنار تابش پرتو لیزر، امکان ایجاد یک خم نود درجه بر روی ورق آلومینیم را فراهم کردند.
همچنین آنها با شبیهسازی عددی این فرآیند به کمک نرم‌افزار ABAQUS، میزان تأثیر نیروی مکانیکی و همچنین تابش پرتو بر شکلدهی نهایی ورق مطالعه شده است.
نتایج شبیه‌سازی‌ها نشان میدهد که در محدوده نیرویی آزمایشهای تجربی، درصد بیشتری از شکلدهی ورق ناشی از تابش پرتو لیزر میباشد.
نتیجه‌گیری
فرایند شکلدهی به کمک لیزر یکی از روشهای نوین شکلدهی ورقهای فلزی میباشد که انعطافپذیری آن در ساخت قطعات بسیار بزرگ یا کوچک بدون نیاز به قالب یا هر نوع ابزار اضافی از مزایای آن میباشد.
نتایج این فرایند به شدت وابسته به خواص مکانیکی حرارتی جنس ورق میباشد.
تاکنون مواد مختلفی برای درک رفتار آنها در این فرایند، تحت آزمونهای متنوع شکلدهی به کمک لیزر قرار گرفتهاند. در این تحقیق نیز با تمرکز بر فولادهای کربنی غیر آلیاژی آزمایشهایی به صورت تجربی انجام شد.
در این تحقیق برای بررسی اثر استحکام در فولادهای کربنی غیر آلیاژی سه گرید مختلف از این فولادها انتخاب شد.(تأثير استحكام فولاد غير آلياژي)
بر اساس نتایج تست‌های تجربی ارائه شده مهمترین نتایج تحقیق حاضر به صورت زیر میباشند:
- در فرایند خمکاری به کمک پرتو لیزر بر روی فولادهای کربنی غیر آلیاژی در گریدهای مختلف این فولادها تفاوت قابل توجهی در شکلپذیری آنها دیده میشود که میزان این تفاوت با استحکام تسلیم آنها در دماهای بالای 300 درجه سانتی‌گراد متناسب است.
- مقایسه نتایج تحلیل اثر پارامترها بر میانگین زاویه خم در آزمایشهای مرحله اول با مرحله دوم نشان میدهد تغییر پارامترهای کنترلی اثر مشابهی در گریدهای مختلف فولادهای کربنی غیر آلیاژی ندارند.
- نتایج تحلیل اثر پارامترها بر میانگین زاویه خم نشان میدهد پارامتر جنس ماده در مقایسه با توان لیزر حدود 30% و در مقایسه با سرعت پرتو حدود 17% تأثیرگذاری کمتری بر اندازه نهایی زاویه خم دارد، ولی در مقایسه با قطر پرتو در زاویه خم مؤثرتر است.
- قطر پرتو لیزر کم اثرترین و سرعت پرتو لیزر مؤثرترین پارامتر کنترلی در تعیین زاویه خم نهایی میباشد.
- روابط رگرسیون خطی با متوسط خطای 12 درصد و شبیهسازی (به شرط دقت در خواص جنس ماده) با متوسط خطای 11 درصد ابزارهای خوبی برای پیشبینی نتایج میباشند.
- ترکیب پارامترهای انرژی وقتی دمای ورق را به سطح دمای ذوب میرساند باعث تضعیف گرادیان دمایی و کاهش زاویه خم نهایی میگردد.
- لذا افزایش توان لیزر به خصوص زمانی که با کاهش سرعت پرتو همراه میشود، مادامیکه دمای سطح ورق را به دمای ذوب نرساند میتواند باعث افزایش زاویه خم گردد.(تأثير استحكام فولاد غير آلياژي)