Når stål forbindes med aluminium, danner reaksjonen mellom Fe- og Al-atomer under forbindelsesprosessen sprø intermetalliske forbindelser (IMC-er). Tilstedeværelsen av disse IMC-ene begrenser den mekaniske styrken til forbindelsen, derfor er det nødvendig å kontrollere mengden av disse forbindelsene. Årsaken til dannelsen av IMC-er er at løseligheten av Fe i Al er dårlig. Hvis den overstiger en viss mengde, kan det påvirke sveisens mekaniske egenskaper. IMC-er har unike egenskaper som hardhet, begrenset duktilitet og seighet, og morfologiske trekk. Forskning har funnet at sammenlignet med andre IMC-er, er Fe2Al5 IMC-laget ansett som det mest sprø (11,8± 1,8 GPa) IMC-fase, og er også hovedårsaken til reduksjonen i mekaniske egenskaper på grunn av sveisefeil. Denne artikkelen undersøker fjernlasersveiseprosessen for IF-stål og 1050 aluminium ved bruk av en justerbar ringmoduslaser, og undersøker i dybden påvirkningen av laserstråleform på dannelsen av intermetalliske forbindelser og mekaniske egenskaper. Ved å justere kjerne/ring-effektforholdet ble det funnet at under ledningsmodus kan et kjerne/ring-effektforhold på 0,2 oppnå bedre sveisegrensesnittbindingsoverflateareal og redusere tykkelsen på Fe2Al5 IMC betydelig, og dermed forbedre skjøtens skjærstyrke.
Denne artikkelen introduserer påvirkningen av justerbar ringmoduslaser på dannelsen av intermetalliske forbindelser og mekaniske egenskaper under fjernlasersveising av IF-stål og 1050 aluminium. Forskningsresultatene indikerer at i ledningsmodus gir et kjerne/ring-effektforhold på 0,2 et større sveisegrensesnittoverflateareal, noe som reflekteres av en maksimal skjærstyrke på 97,6 N/mm2 (skjøteffektivitet på 71 %). I tillegg reduserer dette tykkelsen på Fe2Al5 intermetallisk forbindelse (IMC) betydelig med 62 % og den totale IMC-tykkelsen med 40 %. I perforeringsmodus ble det observert sprekker og lavere skjærstyrke sammenlignet med ledningsmodus. Det er verdt å merke seg at betydelig kornforfining ble observert i sveisesømmen når kjerne/ring-effektforholdet var 0,5.
Når r=0 genereres det bare sløyfekraft, mens når r=1 genereres det bare kjernekraft.
Skjematisk diagram av effektforholdet r mellom Gaussisk stråle og ringformet stråle
(a) Sveiseinnretning; (b) Dybde og bredde på sveiseprofilen; (c) Skjematisk diagram som viser prøve- og fiksturinnstillinger
MC-test: Kun i tilfelle Gaussisk bjelke er sveisesømmen i utgangspunktet i grunnledningsmodus (ID 1 og 2), og går deretter over til delvis penetrerende låsehullmodus (ID 3-5), med tydelige sprekker. Da ringeffekten økte fra 0 til 1000 W, var det ingen åpenbare sprekker ved ID 7, og dybden av jernanrikningen var relativt liten. Når ringeffekten øker til 2000 og 2500 W (ID 9 og 10), øker dybden av den rike jernsonen. Overdreven sprekkdannelse ved 2500 W ringeffekt (ID 10).
MR-test: Når kjerneeffekten er mellom 500 og 1000 W (ID 11 og 12), er sveisesømmen i ledningsmodus. Sammenlignet med ID 12 og ID 7, implementerer ID 7 en låsehullmodus, selv om den totale effekten (6000 W) er den samme. Dette skyldes den betydelige reduksjonen i effekttetthet ved ID 12 på grunn av den dominerende sløyfekarakteristikken (r=0,2). Når den totale effekten når 7500 W (ID 15), kan full penetrasjonsmodus oppnås, og sammenlignet med 6000 W som brukes i ID 7, økes effekten i full penetrasjonsmodus betydelig.
IC-test: Ledningsstyrt modus (ID 16 og 17) ble oppnådd ved 1500 W kjerneeffekt og 3000 W og 3500 W ringeffekt. Når kjerneeffekten er 3000 W og ringeffekten er mellom 1500 W og 2500 W (ID 19-20), oppstår det tydelige sprekker i grenseflaten mellom rikt jern og rikt aluminium, og danner et lokalt penetrerende mønster av små hull. Når ringeffekten er 3000 og 3500 W (ID 21 og 22), oppnås full penetrasjonsnøkkelhullmodus.
Representative tverrsnittsbilder av hver sveiseidentifikasjon under et optisk mikroskop
Figur 4. (a) Forholdet mellom ultimat strekkfasthet (UTS) og effektforhold i sveisetester; (b) Den totale effekten for alle sveisetester
Figur 5. (a) Forholdet mellom sideforhold og UTS; (b) Forholdet mellom utstrekning og penetrasjonsdybde og UTS; (c) Effekttetthet for alle sveisetester
Figur 6. (ac) Vickers mikrohardhetskonturkart; (df) Tilsvarende SEM-EDS kjemiske spektre for representativ ledningsmodussveising; (g) Skjematisk diagram av grensesnittet mellom stål og aluminium; (h) Fe2Al5 og total IMC-tykkelse av ledningsmodussveiser
Figur 7. (ac) Vickers mikrohardhetskonturkart for innrykk; (df) Tilsvarende SEM-EDS kjemisk spektrum for representativ lokal penetrasjons-perforeringsmodussveising
Figur 8. (ac) Vickers mikrohardhetskonturkart for innrykk; (df) Tilsvarende SEM-EDS kjemisk spektrum for representativ sveising med full penetrasjonsmodus for perforering
Figur 9. EBSD-plottet viser kornstørrelsen til det jernrike området (øvre plate) i full penetrasjonsperforeringsmodustest, og kvantifiserer kornstørrelsesfordelingen.
Figur 10. SEM-EDS-spektre av grenseflaten mellom rikt jern og rikt aluminium
Denne studien undersøkte effektene av ARM-laser på dannelsen, mikrostrukturen og de mekaniske egenskapene til IMC i ulikt overlappende sveisede skjøter av IF-stål og 1050 aluminiumslegering. Studien vurderte tre sveisemoduser (ledningsmodus, lokal penetrasjonsmodus og full penetrasjonsmodus) og tre utvalgte laserstråleformer (Gaussisk stråle, ringformet stråle og Gaussisk ringformet stråle). Forskningsresultatene indikerer at valg av passende effektforhold mellom Gaussisk stråle og ringformet stråle er en nøkkelparameter for å kontrollere dannelsen og mikrostrukturen av intern modal karbon, og dermed maksimere sveisens mekaniske egenskaper. I ledningsmodus gir en sirkulær stråle med et effektforhold på 0,2 den beste sveisestyrken (71 % skjøteffektivitet). I perforeringsmodus produserer Gaussisk stråle større sveisedybde og høyere sideforhold, men sveiseintensiteten er betydelig redusert. Ringformet stråle med et effektforhold på 0,5 har en betydelig innvirkning på raffineringen av stålets sidefibre i sveisesømmen. Dette skyldes den lavere topptemperaturen til den ringformede bjelken, noe som fører til en raskere avkjølingshastighet, og den vekstbegrensende effekten av migrasjon av Al-løst stoff mot den øvre delen av sveisesømmen på kornstrukturen. Det er en sterk korrelasjon mellom Vickers-mikrohardhet og Thermo Calcs prediksjon av fasevolumprosent. Jo større volumprosent Fe4Al13 er, desto høyere mikrohardhet.
Publisert: 25. januar 2024
