معماری

بررسی خواص جوش لیزر مورد استفاده در ارتدنسی

بررسی خواص جوش لیزر مورد استفاده در ارتدنسی

با توجه به خصوصیات منحصر به فرد فرایند جوشکاری لیزر، می‌توان آن را جایگزینی مناسب  برای روش‌های موجود و سنتی در ترمیم و اتصال دادن فلزات دانست.در این تحقیق با استفاده از دستگاه لیزر پالسی Nd:YAG بر روی سیمی از جنس فولاد زنگ نزن ۳۰۴ به ضخامت ۸/۰میلیمتر، که در ارتودنسی مورد استفاده قرار می‌گیرد، جوشکاری از نوع هدایتی به صورت سر به سر انجام گرفت و تاثیر پارامتر‌های مختلف پالس لیزر بر روی خواص مکانیکی و متالورژیک جوش حاصل مورد بررسی قرار گرفت و در نهایت با خواص فیزیکی روش‌ موجود در اتصال دادن فلزات در دندانپزشکی(لحیم کاری) مقایسه شد. با به کارگیری پارامترهای بهینه لیزر می‌توان جوش با نفوذ کامل و کیفیت مناسب ایجاد کرد. منطقه افت سختی در جوش،  کمتر از ۱میلیمتر است و جوش حاصل دارای استحکام کششی معادل ۸۲۰ مگا پاسکال است. استحکام نمونه های لحیم کاری شده بسیار پایین‌تر از نمونه‌های جوش داده شده است به طوری که نمونه‌های لحیم کاری شده دارای استحکام ۳۶۰ مگاپاسکال و نمونه‌های جوشکاری شده دارای استحکام ۸۲۰ مگاپاسکال هستند.

جـــوشــکـــاری بـــا اســتــفـــاده از لـیــزر یـکــی از جـدیـدتـریـن تـکـنـولوژی های مورد استفاده در صنعت و علم پزشکی است. امروزه با توجه به اینکه جوشکاری لیزر تکنیکی با کارایی زیاد در کارهای آزمایشگاهی دندانی است، اطلاعات خـــاصـــی در مـــورد نــحـــوه انــتــخـــاب صــحــیـــح پــارامـتــرهــای لـیــزر جـهــت جــوشکـاری مـوفـق آلـیـاژهـای دنـدانـی و جـلـوگـیری از آسیب‌های سطح فلز در حال حاظر در منابع علمی موجود نـیـسـت. بـا کـوچـک‌تـر شـدن وسـایـل پـزشـکـی، استفـاده از جوشکاری‌های بسیار ظریف را به همـراه دارد. در فـراینـد جـوشکـاری لیزر اولین مــرحـلــه بــایــد تـصمیـم گیـری در مـورد شـرایـط جوشکاری مانند ولتاژ، قطر لکه و زمان پالس باشد. در شرایط کلینیکی،آلیاژهای دندانی در بخش‌های مختلف دارای ضخامت های متفاوتی هستند که عدم  انتخابصحیح پارامترهای مناسب باعث می‌شود تا فلز از بین‌رفته یا اینکه عدم نفوذ کافی جوش را  به همراه داشته باشد. فرایند جوشکاری لیزر در مقایسه با لحیم کاری این توانایی را دارد که بدون استفاده از فلز پرکننده بتوان محل اتصال را جوشکاری کرد.

مواد و روش‌ها
در ایــن تـحـقـیــق از یــک دسـتـگــاه جــوش ظــریــف لـیــزر پــالـسـی ۱SW ،Nd:YAG بـا مـشـخـصـات(حـداکـثـر تـوان مـتـوسط۸۰ وات،مدت زمان تابش اشعه لیزر۱تا ۱۰ میلی ثـانـیـه،انرژی پالس ۵/۰تا ۸ ژول) استفاده شده است.همچنین مشخصات سیم فولاد زنگ‌نزن ۳۰۴ Remanium ساخت کارخانه Denturum آلمان که دارای قطر ۸/۰ میلیمتر است به صورت جدول شماره۱ است.

کنترل هم ترازی نمونه‌های سیم جهت کنترل انجام جوشکاری
با توجه به اینکه نحوه انجام کار کاملا دستی است جهت کنترل فرایند جوشکاری، فیکسچر نگهدارنده نمونه و میز xyz که دارای دقتی معادل ۰۵/۰ میلیمتر است طراحی و ساخته شد. نمونه قبل از قرار گرفتن در سیستم طراحی شده ،توسط محلول الکل جهت رفع آلودگی تمیز شد.در این قسمت از تحقیق ۱۲ سری از مجموعه پارامترهای مختلف لیزر انتخاب شد که در هر سری ۱۳ نمونه جوشکاری شد تا با توجه به دستی بودن فرایند، میزان سعی و خطا کنترل شده باشد. توان و مدت زمان پالس بر روی دستگاه تنظیم شده بود و انرژی به طور مستقیم از این پارامترها تعیین شد،جوشکاری برروی سیم ۸/۰ میلیمتر به صورت پالسی انجام گرفت به طوری که هر پالس ۵۰% پالس قبلی خود را هم‌پوشانی  کرد.

نتایج و بحث
ریز ساختار و ویژگی‌های مکانیکی فرآیند جوشکاری لیزر
بـررسـی سـاخـتـار انجمادی جوش و تغییرات ابعادی شکل جوش با برش طولی نمونه‌ها و عملیات متنالوگرافی انجام شد.جهت انجام آزمایش کشش از هر مجموعه پارامتر ، تعداد ۵ نمونه انتخاب و توسط دستگاه Instron و با سرعت ۵ میلیمتر بر دقیقه و با اعمال نیروی ۲۰کیلو نیوتون مورد تست قرار گرفت و درنهایت نتایج حاصل با نتایج استخراج شده از کشش سیم جوشکاری نشده مورد ارزیابی واقع شد و سپس منطقه شـکـسـتـه شـده تـوسـط میکـروسکـوپ نـوری و تـصاویر SEM عکس برداری شد. آزمایش ریز سـخـتـی سـنجی جوش و منطقه مجاور جوش (HAZ) و فلز پایه با اعمال نیروی ۱۰۰ گرم انجام و نتایج حاصل جمع‌آوری شد.

 

ریز ساختار و تاثیر پارامترهای جوشکاری بر شکل ابعادی حوضچه جوش
کـه بـا افـزایـش گـرمـای ورودی بـه نـمـونـه‌هـا تغییرات ابعادی جوش با سرعت بیشتری تغییر می‌کنند،پس از ذوب در آلیاژ دانه‌های درشتی مشاهده می‌شود این مساله با توجه به انجماد هر پالس در زمان ۵ تا ۶ هزارم ثانیه بعد از خاموش شدن لیزر اهمیت خاصی پیدا می کند. فازهای تشکیل شده از نوع آستنیتی بوده و در عکس‌برداری‌های انجام گرفته اثری از فریت مشـاهـده نشـد. میکـروساختار انجمادی نیز شامل ساختار سلولی و هم محور است (شکل۱٫)
در ایـن سـری از آزمـایـش‌هـا بـا ثـابـت نگـاه داشتـن عـرض پـالـسmsec(‌۲) و مقدار هم‌پوشانی پالس‌ها(۵۰)%، تاثیر افزایش انرژی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج حاصله نشان دهنده آن است که با افزایش گرمای ورودی به نمونه‌ها تغییرات ابعادی جوش با سرعت بیشتری تغییر می‌کند.شکل ۲ تغییرات انرژی از ۲/۳ ژول تا ۷/۴ ژول در عرض پالس ثابت ۲ میلی ثانیه را نشان می‌دهد.
در این مرحله از انجام آزمایش‌ها با ثابت بودن فرکانس و عرض پالس تاثیر افزایش قله توان، در هر سری از نمونه‌ها مورد بررسی قرار گرفت. مشاهده می شود که با  افزایش قله توان میزان نفوذ جوش افزایش می‌یابد. شکل ۳ مقطع طولی نمونه‌های جوش داده شده را که تغییرات مربوط به رسیدن به نفوذ جوش کامل که در اثر افزایش قله توان از ۵۷/۱ کیلو وات تا۳۳/۲ کیلو وات ایجاد می شود ، نشان می‌دهد.
در ادامه روند انجام تحقیقات رابطه بین عرض پالس و انرژی پالس و قله توان مورد بررسی قرار گرفت و نتایج زیر حاصل شد: در نمونه های a3 وb6 مشاهده شد که با افزایش عرض پالس از ms 2 به ms‌۳ و با ثابت نگه داشتن انرژی پالس به میزان ۷/۴ ژول‌شاهد کاهش قله توان هستیم

بررسی‌های مکانیکی اتصال ناشی از فرایند لیزر
بررسی نتایج ریز سختی سنجی
آزمایش ریز سختی درمقاطع متالوگرافی به‌دست آمده انجام شد. نقاط آزمایش شده به فاصله mm‌۰۵/۰ از یکدیگر قرار داشتند همچنین نتایج حاصل از ریز سختی مربوط به میانگین به دست آمده از سختی سنجی ۵ نمونه است. در شکل ۵ مقایسه‌ای بین رفتار سختی در جوش با نفوذ کامل و جوش با نفوذ جزئی صورت گرفته است.همان‌طور که مشاهده می‌شود با افزایش انرژی، ابعاد جوش تغییر کرده و سختی کاهش پیدا کرده است، با توجه به این‌که نمونه سیم فولاد زنگ نزن از نوع کارگرم است دارای سختی بالایی در حدود۸۵۰ ویکرز است. این ساختار کار شده در مقابل ساختار ریختگی فلز جوش، دارای سختی بیشتری  است. علت کاهش میزان سختی در منطقه فلز جوش مربوط به افزایش اندازه دانه‌ها به میزان تقریبیm 54 در جهت سرد شدن است. در منطقه‌ متاثر از حرارت جوش، با رشد دانه، سختی نسبت به فلز پایه‌ کارشده، کاهش می‌یابد.

بررسی نتایج تست کشش
در این مرحله جوش‌های لب به لب انجام شده تحت آزمایش کشش قرار گرفتند تا استحکام مکانیکی این جوش‌ها تعیین شود. با توجه به اهمیت پارامترهای چیدمان، اثر این موارد در نتایج، مورد توجه قرار گرفت. در شکل۶ نتایج حاصل از این آزمایش‌ها آورده شده است. همان‌طور که در شکل۶ مشخص است با افزایش میزان انرژی و تغییر پـارامتـرهـای جوشکاری در  راستای رسیدن به جوش با نفوذ کامل میزان استحکام کششی نمونه، افزایش یافته است. در بررسی نمونه های جوش با نفوذ کامل، میانگین عددی استحکام کششی در حدود ۸۱۵ مگا پاسکال است که با افزایش میزان انرژی تا ۷ ژول، استحکام کششی به ۸۱۵ مگاپاسکال کاهش پیدا می کند، بنابراین در جوشکاری سر به سر سیم‌هایی با ضخامت ۸/۰ میلیمتر میزان انرژی از ۷ ژول نبایستی افزایش پیدا کند چون با افزایش میزان انرژی و در پی آن افزایش حرارت ورودی به قطعه کار، میزان عیب بریدگی کنار جوش افزایش می‌یابد که در نهایت در تست کشش، این عیب نوعی تنش محسوب شده و باعث گسیختگی در اتصال می شود.
لازم به ذکر است که شکست در نمونه هایی که نفوذ ناقص داشتند از محل اتصال است در صورتی که نمونه‌های با نفوذ کامل به علت وجود بریدگی کنار جوش از محل این عیب، دچار شکستگی شده‌اند.

بررسی‌های مکانیکی اتصال ناشی از عملیات لحیم کاری و مقایسه با نمونه جوشکاری شده
بررسی نتایج ریز سختی سنجی
بـا تـوجـه بـه آنکـه عـدد سختـی نمـایـان گـر ایجـاد تغییـرات سـاختـاری فلـز در حین حرارت‌دهی نمونه تا ۶۰۰ درجه سانتیگراد و سرد شدن سریع در آب است، تغییر آن‌را می‌توان به تغییر دانه‌بندی  و سرعت سرد شدن نسبت داد. در پروفیل سختی به دست آمده از نمـونـه لحیـم کـاری شده سطح بسیار زیادی از نمونه در معرض حرارت  ناشی از لحیم کاری قـرار گـرفتـه اسـت و  محـدوده عـدد سختـی در مـحـدوده ۱۶۰ ویـکـرز تـا ۲۲۰ ویـکـرز مربوط به پروفیل سختی مرکز سیم است که در معرض حرارت۶۵۰ درجه سانتیگراد قرار داشته است و عدد سختی ۱۲۰ ویکرز مربوط به فلز لحیم است که فضای اتصال بین دو مقطع سیم را پر کرده اســت. بــا دور شــدن از مـحـل اتـصـال، افـزایـش سختی بسیار کم است تا اینکه از ناحیه تحت تاثیر حرارت، خارج شویم. به علت گرمای ورودی زیاد لحیم کاری، وسعت منطقه افت سختی در حدود ۲ سانتی‌متر است
بـا مقـایسـه پـروفیـل سختـی حـاصـل از نمونه جوشکاری شده با نمونه عملیات حرارتی شده و نمونه لحیم کاری شده که در شکل۷ نشان داده شده است، می‌توان به این نتیجه دست پیدا کرد که میزان سختی در نمونه لحیم کاری شده نسبت بــه نـمـونـه جـوشکـاری شـده در نـزدیکـی محـل اتـصـال و در یـک پـروفـیـل مـشابه که از فلز پایه شـروع  شـده و از مـحـل اعـمـال حرارت در اثر جـوش یـا لـحیم عبور کرده و سپس به فلز پایه مـنـتـهـی مـی شـود، نـسـبـتـا بـیـشـتر است. زیرا که حرارت اعمالی و سرعت سرد شدن در نمونه جـوشـکـاری شـده بـه تـنـاسـب بـیـشـتـر از نـمـونه لـحـیـم کـاری شـده است  و سختی کاهش پیدا می‌کند.در حالی که در نمونه لحیم کاری شده چون هیچ گونه ذوبی در فلز پایه ایجاد نشده و با تــوجــه بـه ایـنـکـه کـنـتـرل دمـایـی و زمـان اعـمـال حرارت وجود ندارد ساختارهای تشکیل شده و انـدازه دانـه‌هـای فلـز، نقـش به سزایی در میزان سختی دارند و نسبت به نمونه جوشکاری شده این سختی بیشتر است.

بررسی نتایج تست کشش نمونه‌های
لحیم کاری شده

در این مرحله استحکام مکانیکی نمونه‌های لحیـم کـاری شـده با استفاده از آزمایش کشش تعییـن مـی شـود. لازم بـه ذکـر اسـت که در این قسمت نیز تعداد ۸ نمونه مورد تست کشش قرار گرفت.در شکل۸ نتایج حاصل از مقایسه میزان استحکام کششی نمونه‌های جوشکاری شده و لحیم کاری شده آورده شده است.  همان طور که در شکل مشخص است علت افزایش یا کاهش میزان استحکام کششی نمونه‌های لحیم کاری شده به نحوه اجرای اتصال و اعمال تنش‌ها و مهارت اپراتور بستگی دارد. در بهترین حالت نمونه لحیم کاری شده دارای استحکامی معادل MPa 510 اسـت در صـورتـی کـه در نمـونه‌های جــوشـکــاری شــده بـهتـریـن نتیجـه از استحکـام کـشـشـی، مربوط به نمونه جوش با نفوذ کامل است که برابر با MPa 815  است.

نتیجه گیری
۱-برروی سیم از نوع فولاد زنگ نزن ۳۰۴  با ضـخـامـت mm‌۸/۰ در شـرایـط پـارامـتـری بـهـیـنه لـیــزری(قـلــه تــوان:Kw‌۳۵/۲، فــرکــانــس پــالــس: Hz‌۱،انـرژی پـالـس۷/۶ ژول ) در حـالت هدایتی مـی‌تـوان بـه یـک جـوش بـا نـفـوذ کـامل و ظاهر مناسب دست یافت.
۲-در مــنــطــقـــه‌ فــلـــز جـــوش، افـــت ســخـتــی (۵۰۰ ویکرز) نسبت به فلز پایه مشاهده می‌شود. میزان افت سختی در مرکز اتصال لحیم نسبت به فلز پایه در حدود ۷۰۰ ویکرز است.
۳-بـا اعـمـال شـرایـط بـهینه به دست آمده در آزمایش‌های جوش لب به لب، جوش هایی با استحکام کششی ۸۲۰ مگاپاسکال و ظـــاهــری مـنــاســب بــه دســت آمــد. کــاهــش اسـتـحـکــام جــوش نـسـبــت بــه فـلــز پــایــه (۱۵۰۰مگاپاسکال) را می‌توان به تمرکز تنش ناشی از بریدگی کنار جوش و افت سختی مربوط دانست.
۴-نمونه‌های لحیم کاری شده دارای استحکام پایینی با میانگین ۳۶۰ مگاپاسکال بودند که نسبت به فلز پایه (۱۵۰۰ مگاپاسکال) و جوش نفوذ کامل (۸۲۰ مگاپاسکال) بسیـار کمتـر اسـت. طبـق بـررسـی‌هـای مسیر رشد ترک در تست کشش، افت شدید استحکام لحیم را می‌توان به سختی بسیار پایین منطقه‌ اتصال لحیم (حدود ۱۲۵ ویکرز) مربوط دانست.
۵-مهارت اپراتور با توجه به این‌که فرایند به صورت دستی انجام می‌پذیرد، اثر مهمی بر موفقیت جوشکاری دارد.  شناخت دستگاه لیزر و مشکلاتی که هنگام کار بروز می کند، مهارت در کنترل فرایند اتصال و کنار هم گذاشتن سیم‌ها، همگی بر نتایج اثر گذار است

 

پاسخ دهید