Ultra Yüksek Mukavemetli Otomotiv Çeliklerinin Lazer Kaynağı

Geliştirilmiş yakıt verimliliği ve azaltılmış emisyonlar için artan talep, otomotiv endüstrisini, ultra yüksek mukavemetli çelikler ve alüminyum alaşımları gibi iyi mukavemet/ağırlık oranına sahip malzemeleri kullanarak araç gövde ağırlığını azaltma yöntemleri aramaya yöneltmiştir. Araç yakıt tüketiminin %75'i doğrudan araç ağırlığıyla ilişkili olduğundan, ultra yüksek mukavemetli (UHS) çelikler kullanılarak ağırlık azaltmanın potansiyel faydaları iyi bilinmektedir. Özel kaynaklı boşluklar (TWB'ler) için veya daha yakın zamanda sürekli veya dikişli beyaz gövde (BIW) uygulamaları için UHS çeliklerinin lazer kaynağı, araç ağırlığını azaltma stratejisinin bir parçasını oluşturacaktır. Bu yazıda bildirilen çalışma, fiber ile iletilen katı hal lazerleri kullanarak ince sac UHS çeliklerinin birleştirilmesi için kaynak prosedürlerinin geliştirilmesi ve üretilen kaynakların performansını ve şekillendirilebilirliğini belirlemekle ilgiliydi. Alın ve bindirme bağlantı konfigürasyonunda ve 0,8 ila 1,5 mm kalınlık aralığında bir dizi UHS çelik üzerinde çalışılmıştır.
 

Malzemeler

Alın ve bindirme bağlantı konfigürasyonlarında, kalınlıkları 0,8 ile 1,5 mm arasında ve minimum çekme dayanımları 600 ile 1500 N/mm2 arasında olan aşağıdaki çelikler üzerinde lazer kaynak denemeleri gerçekleştirilmiştir:
 

Kapsam

Lazer kaynaklı bağlantıların sertliği, şekillendirilebilirliği ve statik mekanik özellikleri üzerindeki malzeme kombinasyonlarının ve işlem parametrelerinin etkilerini belirlemek için aşağıdaki yaklaşım kullanılarak kaynak denemeleri gerçekleştirilmiştir.

Alın ve bindirme bağlantı konfigürasyonlarında tamamen nüfuz eden kaynaklar elde etmek için kaynak prosedürleri geliştirmek için farklı lazer parametreleriyle denemeler.

Lazer nokta çapının lazer kaynak işlemi ve kaynak performansı üzerindeki etkisini belirlemek için farklı nokta boyutlarında 4kW lazer gücü kullanan bindirmeli bağlantılar üzerinde denemeler.

Lazer gücünün ve lazer nokta çapının kaynak hızı, kaynak profili ve kaynak performansı üzerindeki etkilerini belirlemek için farklı nokta boyutlarına sahip 4kW lazer gücü ve farklı lazer gücü seviyelerinde aynı nokta çapını kullanan çeliklerde alın birleştirmeleri üzerinde denemeler.

TRIP ve bor alaşımlı çeliklerde (diğer UHS çeliklerine kıyasla daha yüksek karbon içeriği nedeniyle) kaynak sertleşmesini azaltma ihtiyacının bir sonucu olarak, bu çelikler aynı zamanda düşük karbonlu bir çeliğe kaynaklanmıştır. Bu, kaynak metali karbon içeriğindeki azalmanın kaynak performansı üzerindeki etkisini incelemekti. Bu çelikler, otomotiv uygulamaları için mevcut UHS çelik türlerini temsil eder. Düşük karbonlu çelik, yalnızca farklı malzeme kombinasyonlarıyla bazı denemelerde kullanıldı. Yukarıdaki çelikler, otomotiv uygulamalarına uygun kalınlık aralığını temsil edecek şekilde seçilmiştir.

Kullanılan Lazer Ekipmanı

Lazer kaynağı, fiber iletimli üç farklı katı hal lazeri kullanılarak gerçekleştirildi: 4kW sürekli dalga (CW) Nd:YAG lazer, 5kW Yb fiber lazer ve 7kW Yb fiber lazer.

Kullanılan Nd:YAG lazer, Trumpf HL4006D, 4kW, lamba pompalı bir lazerdi ve gücü 0,6 mm çapında bir optik fiber aracılığıyla iş parçasına beslendi. İş parçasının yüzeyinde minimum 0,6 mm çapında lazer noktası oluşturmak için 200 mm odak uzaklığına sahip bir lens içeren standart bir Trumpf optik tertibatı kullanıldı.

Kullanılan ilk Yb fiber lazer, 7kW çıkış gücü üretebilen bir IPG Yb fiber lazerdi. Çıkış lazer gücü, 300 um çapında tek bir optik fiber kullanılarak işleme kafasına iletildi. Sırasıyla 0,6 mm ve 0,4 mm minimum spot çapı üretmek için 250 mm ve 160 mm odak uzaklığına sahip odaklama lensleri kullanıldı.

Kullanılan ikinci fiber lazer, maksimum 5kW çıkış gücü üretebilen bir IPG YLR5000 Yb fiber lazerdi. Çıkış lazer gücü, 100 um çapında tek bir optik fiber kullanılarak işlem kafasına iletildi. Sırasıyla yaklaşık 0,4 mm ve 0,2 mm minimum nokta çapları üretmek için 500 mm ve 160 mm odak uzunluklu odaklama lensleri kullanıldı.

Kaynak kafasını iş parçası üzerinde hareket ettirmek için bir Kawasaki JS6 6 eksenli eklemli robot kullanıldı. Numuneyi sabit kaynak kafasının altına taşımak için CNC kontrollü bir X-Y tablosu da kullanıldı.

Lazer Kaynak Denemeleri

Lazer kaynak denemeleri hem alın hem de bindirme bağlantı konfigürasyonlarında gerçekleştirilmiştir. Bindirme derzlerinde 50 mm'lik bir örtüşme vardı. Kaplamasız çelikler yakın temas halinde kenetlenirken, çinko kaplı çelikler 0,2 mm'lik önceden ayarlanmış bir boşluk sağlamak için ara şimleri ile kenetlendi. Alın eklemleri, kenarları yakın temas halinde olacak şekilde basitçe kenetlendi.

Denemeler, her iki bağlantı konfigürasyonu için iş parçası yüzeyine odaklanan lazer ışını ile gerçekleştirilmiştir. Kaynak hızı, her lazer gücü/nokta boyutu kombinasyonu için tamamen nüfuz eden kaynaklar elde etmek üzere ayarlandı.

Bu çalışmada kaynağın üst kısmında koruyucu gaz kullanılmamıştır. Lazer optiklerini kaynak sıçramasından korumak için yüksek basınçlı bir hava bıçağı kullanıldı.

Kaynak Kalitesi Değerlendirmesi

Üretilen tüm kaynaklar, herhangi bir yüzey kusuru için görsel olarak kontrol edildi. Kaynak profilini ve penetrasyonunu kontrol etmek için seçilen kaynaklar kesitlere ayrıldı. Bindirme kaynaklarının mukavemetini belirlemek için enine kesme testleri ve alın kaynaklarının mukavemetini belirlemek için çekme testleri yapıldı. Seçilen alın kaynaklarının basit bir şekillendirilebilirlik testi sağlamak için Erichsen çukurlaşma testleri yapıldı.
 

Bindirme Bağlantılarının Lazer Kaynağı

Kalınlıkları 0,8 ila 1,5 mm arasında değişen beş farklı çelik için üç farklı boyutta lazer noktası kullanıldığında tam nüfuziyetli kaynakların elde edilebileceği maksimum kaynak hızını göstermektedir. Lazer güç yoğunluğunu artırmanın etkisi, malzeme bileşimi veya kalınlığından bağımsız olarak kolayca görülebilir. Örneğin, bu çeliklerde 0,6 mm çapında nokta ve 4kW lazer gücü kullanılarak 2,5 ila 6,5 m/dk arasında bir kaynak hızında tam nüfuz eden kaynaklar elde edilebilirken, 0,2 mm çapta olduğunda 20 m/dk üzerinde tam nüfuz eden kaynaklar elde edildi. 

Lazer nokta boyutundaki değişiklikler, kaynak profili üzerinde önemli etkiler yarattı. Daha küçük bir lazer noktası kullanıldığında kaynak daraldı ve HAZ'ın boyutu azaldı. Usibor çeliği için üç farklı boyutta lazer noktasıyla üretilen kaynakların kesitleri 0,2 mm punta boyutuyla çok daha yüksek kaynak hızı elde edilmesine rağmen, kaynak genişliği yalnızca yaklaşık 0,3 mm idi. Diğer çeliklerde de benzer sonuçlar elde edildi.

Kaynak füzyon bölgesindeki maksimum sertlik, her iki çelikte de daha küçük bir lazer noktası ile kaynak yapıldığında biraz arttı. Örneğin lazer nokta boyutu 0,6'dan 0,2 mm çapa düşürüldüğünde kaynak sertliği 450HV'den yaklaşık 550HV'ye yükseltildi. Tüm kaynaklar, 0,2 mm çaplı nokta kullanılarak 17m/dk'da üretilen kaynak bile yumuşatılmış bir HAZ sergiledi. Ancak, kaynak daha küçük bir lazer noktası ve daha yüksek hız ile yapıldığında HAZ daraldı.

Lazer nokta boyutundaki ve lazer gücündeki değişiklikler, elde edilen kaynak hızı üzerindeki etkileriyle karşılaştırıldığında, kaynakların kesme yükü üzerinde sınırlı bir etki sergiledi. Test edilen kaynaklar, farklı lazer gücü yoğunluklarıyla üretildi (farklı lazer gücü ve lazer nokta boyutu kombinasyonlarıyla elde edildi). Bu şekillerde, karşılaştırma için arayüz kaynak genişliği de dahil edilmiştir. Her kaynak koşulu için üç veri noktası, kaynak başlangıcına yakın, orta ve kaynak ucuna yakın bölgelerde alınan numunelerden ölçülmüştür. Daha küçük çaplı bir lazer noktası kullanıldığında, kesme yükü hafifçe azaltıldı ve arayüz kaynak genişliği azaldı.

Üç Katmanlı Örtüşme

Farklı parametrelerle üretilen DP600 ve Mart1200 çeliklerindeki tipik üç katmanlı bindirme kaynaklarının enine kesitlerinde lazer parametrelerine bağlı olarak 3-20m/dk kaynak hızında, yüzey kusurlarından arınmış, tam nüfuz eden kaynaklar elde edilebilir.

Alın Derzlerinin Lazer Kaynağı

Kaynak hızı ve kaynak profili: Sonuçlar 4kW lazer gücü ve iki farklı spot boyutu ile elde edildi.

Lazer güç yoğunluğunun değişmesi nedeniyle kaynak hızı önemli ölçüde arttı. 0,6 mm çapında bir nokta ve iki farklı lazer gücü seviyesi (4 ve 7kW) ile de benzer sonuçlar elde edildi. Ancak lazer gücündeki artış, elde edilen maksimum kaynak hızı açısından daha küçük bir lazer noktasının kullanılmasından daha etkiliydi.

Tüm bu kaynaklar, 4kW lazer gücü ve 0,6 mm çapında bir nokta kullanılarak üretildi. Kaynaklar kabul edilebilir profiller sergiledi. Enine kesitlerde herhangi bir çatlak veya büyük gözenek bulunmadı. Farklı malzeme veya ölçü kombinasyonlarıyla yapılan kaynaklar yumuşak geçişler gösterdi.

Kaynak mukavemeti: Farklı çeliklerdeki alın kaynaklarının çekme mukavemeti sonuçlarına göre. Bu kaynakların tümü 4kW lazer gücü ve 0,6 mm çapında bir lazer noktası ile üretildi. Kaynak başlangıcına yakın bölgelerde, kaynak merkezinde ve kaynak ucuna yakın bölgelerde her kaynaktan üç numune alınmıştır. Her bir ana malzemenin gerilme mukavemeti de karşılaştırma için bu şekle dahil edilmiştir.

Bu sonuçlardan, elde edilen kaynak mukavemetinin ana malzemeye bağlı olduğu açıktır. Çekme mukavemeti 1000N/mm2'ye kadar olan çeliklerde ana malzemede arızalar meydana geldi. 1000N/mm2'nin üzerindeki çeliklerde kaynak mukavemeti ana malzemeden daha düşüktü ve Usibor ve bor çeliği gibi bu çeliklerde kaynaklar kaynağın HAZ'ından başarısız oldu.

Kaynak şekillendirilebilirliği ve sertliği: Proses parametrelerinin, ana malzeme mukavemetinin ve çelik tipinin şekillendirilebilirlik üzerindeki etkisini incelemek için alın kaynakları üzerinde Erichsen çukurlaşma testleri yapılmıştır. Test sonuçları, farklı kaynak kombinasyonlarının bir fonksiyonu olarak testler sırasında ölçülen arızaya gerçek yer değiştirmeyi sunan ölçümler yapılmıştır.

Sonuçlarda, ana malzeme mukavemetindeki artışla kaynağın şekillendirilebilirliğinin azaldığı yönünde genel bir eğilim vardı. Test edilen UHS çeliklerinden DP600'deki kaynaklar en iyi şekillendirilebilirliği sergiledi. DP1000'deki benzer kaynaklar, Usibor ve bor çeliği, Erichsen çukurluğu testlerinde en düşük düzeyde şekillendirilebilirlik gösterdi. Düşük karbonlu çeliğe kaynak yapıldığında, TRIP700, Usibor ve bor çeliğindeki kaynakların şekillendirilebilirliği iyileştirildi. Bu farklı malzeme kombinasyonları için, deformasyonun ve nihai bozulmanın çoğu, daha zayıf LC çeliğinin ana malzemesinde meydana geldi.
 

DP600, TRIP700 ve DP1000 gibi çeliklerde 1000N/mm2'ye kadar dayanımlara sahip kaynaklı alın bağlantıları ana malzeme kadar güçlüydü. 1500N/mm2 dayanımlı bor alaşımlı çeliklerde kaynaklı bağlantılar ana malzemeye göre biraz daha zayıftı.

0,8-1,5 mm kalınlığındaki UHS çeliklerinde 2,5-6,5 m/dk'da 4kW lazer gücü ve 0,6 mm çapında lazer noktası ile tam nüfuz eden vatka kaynakları elde edilebilir. 0,4 ve 0,2 mm çapında lazer noktaları kullanıldığında, kaynak hızı çeliklerin kalınlığına bağlı olarak sırasıyla %40 ve %200-700 oranında artırılabilmektedir.

Bu çeliklerde malzemenin kalınlığına bağlı olarak 4kW lazer gücü ve 0,6 mm çapında lazer punta ile 5-8m/dk hızla tam nüfuz eden alın kaynakları elde edilebilmektedir. 0,4 mm çapında bir lazer noktası kullanıldığında, aynı lazer gücü için kaynak hızı 10-17 m/dak'ya yükseltilebilir.

Beklendiği gibi, alın kaynaklarının şekillendirilebilirliği, ana malzeme mukavemetindeki bir artışla azaldı. Test edilen UHS çeliklerinden DP600'deki kaynaklar en yüksek, bor alaşımlı çeliklerdeki kaynaklar ise en düşük şekillendirilebilirlik seviyelerini gösterdi. TRIP700, Usibor ve bor çeliğindeki kaynakların şekillendirilebilirliği, bu çelikler daha düşük karbonlu bir çeliğe kaynak yapıldığında iyileştirilebilir.