При з’єднанні сталі з алюмінієм реакція між атомами Fe та Al під час процесу з’єднання утворює крихкі інтерметалічні сполуки (IMC). Наявність цих ІМК обмежує механічну міцність з'єднання, тому необхідно контролювати кількість цих сполук. Причиною утворення ІМК є погана розчинність Fe в Al. Якщо він перевищує певну кількість, це може вплинути на механічні властивості зварного шва. ІМС мають унікальні властивості, такі як твердість, обмежена пластичність і міцність, а також морфологічні особливості. Дослідження показали, що порівняно з іншими IMC шар Fe2Al5 IMC вважається найбільш крихким (11,8± 1,8 ГПа) фази IMC, а також є основною причиною зниження механічних властивостей через зварювання. У цій статті досліджується процес дистанційного лазерного зварювання сталі IF та алюмінію 1050 за допомогою регульованого лазера з кільцевим режимом, а також детально досліджується вплив форми лазерного променя на утворення інтерметалічних сполук і механічні властивості. Шляхом регулювання співвідношення потужності серцевини/кільця було виявлено, що в режимі провідності співвідношення потужності серцевини/кільця, що дорівнює 0,2, може досягти кращої площі з’єднувальної поверхні між зварюванням і значно зменшити товщину Fe2Al5 IMC, тим самим покращуючи міцність з’єднання на зсув .
У цій статті розглядається вплив регульованого кільцевого лазера на утворення інтерметалічних сполук і механічні властивості під час дистанційного лазерного зварювання сталі IF та алюмінію 1050. Результати дослідження вказують на те, що в режимі провідності співвідношення потужності сердечника/кільця 0,2 забезпечує більшу площу з’єднувальної поверхні зварювального з’єднання, що відображається в максимальному міцності на зсув 97,6 Н/мм2 (ефективність з’єднання 71%). Крім того, порівняно з гауссовими пучками з коефіцієнтом потужності більше 1, це значно зменшує товщину інтерметалічної сполуки Fe2Al5 (IMC) на 62% і загальну товщину IMC на 40%. У режимі перфорації спостерігалися тріщини та менша міцність на зсув порівняно з режимом провідності. Варто зазначити, що значне подрібнення зерна спостерігалося у зварювальному шві, коли коефіцієнт потужності сердечника/кільця становив 0,5.
Коли r=0, генерується лише потужність контуру, а коли r=1, генерується лише потужність ядра.
Принципова діаграма співвідношення потужностей r між гауссовим пучком і кільцевим пучком
(a) Зварювальний пристрій; (b) Глибина та ширина профілю зварного шва; (c) Схематична діаграма відображення налаштувань зразка та приладу
Випробування MC: лише у випадку гаусового променя зварний шов спочатку знаходиться в режимі неглибокої провідності (ID 1 і 2), а потім переходить у режим часткового проникнення (ID 3-5), з появою явних тріщин. Коли потужність кільця зросла від 0 до 1000 Вт, не було явних тріщин на ID 7, а глибина збагачення залізом була відносно невеликою. При збільшенні потужності кільця до 2000 і 2500 Вт (ідентифікатори 9 і 10) глибина зони багатого заліза збільшується. Надмірне розтріскування при потужності кільця 2500 Вт (ID 10).
МР-тест: коли потужність сердечника становить від 500 до 1000 Вт (ID 11 і 12), зварний шов знаходиться в режимі провідності; Порівнюючи ID 12 і ID 7, хоча загальна потужність (6000 Вт) однакова, ID 7 реалізує режим замкового отвору. Це пов’язано зі значним зниженням щільності потужності при ID 12 через домінуючу характеристику петлі (r=0,2). Коли загальна потужність досягає 7500 Вт (ID 15), можна досягти режиму повного проникнення, і порівняно з 6000 Вт, що використовуються в ID 7, потужність режиму повного проникнення значно збільшується.
Тест IC: Кондуктивний режим (ID 16 і 17) досягався при потужності ядра 1500 Вт і потужності кільця 3000 Вт і 3500 Вт. Коли потужність сердечника становить 3000 Вт, а потужність кільця становить від 1500 Вт до 2500 Вт (ID 19-20), на межі розділу між насиченим залізом і насиченим алюмінієм з’являються явні тріщини, утворюючи локальний малюнок невеликих отворів. Коли потужність кільця становить 3000 і 3500 Вт (ID 21 і 22), досягайте режиму повного проникнення в замкову щілину.
Репрезентативні зображення поперечного перерізу кожної ідентифікації зварювання під оптичним мікроскопом
Рисунок 4. (a) Співвідношення між межею міцності на розрив (UTS) і коефіцієнтом потужності під час зварювальних випробувань; (b) Загальна потужність усіх зварювальних випробувань
Рисунок 5. (a) Зв'язок між співвідношенням сторін і UTS; (b) Зв’язок між розширенням і глибиною проникнення та UTS; (c) Щільність потужності для всіх випробувань на зварювання
Рисунок 6. (ac) Контурна карта мікротвердості за Віккерсом; (df) Відповідні хімічні спектри SEM-EDS для типового зварювання в режимі провідності; (g) Схематична діаграма поверхні розділу між сталлю та алюмінієм; (h) Fe2Al5 і загальна товщина IMC зварних швів у провідному режимі
Рисунок 7. (ac) Контурна карта мікротвердості за Віккерсом; (df) Відповідний хімічний спектр SEM-EDS для репрезентативного зварювання в режимі локального проникнення та перфорації
Рисунок 8. (ac) Контурна карта мікротвердості за Віккерсом; (df) Відповідний хімічний спектр SEM-EDS для типового зварювання в режимі перфорації з повним проваром
Малюнок 9. Діаграма EBSD показує розмір зерна багатої на залізо області (верхня пластина) у випробуванні в режимі перфорації повного проникнення та кількісно визначає розподіл зерна за розміром
Рисунок 10. Спектри SEM-EDS межі розділу між насиченим залізом і насиченим алюмінієм
У цьому дослідженні досліджувався вплив лазера ARM на формування, мікроструктуру та механічні властивості IMC у різнорідних зварних з’єднаннях із алюмінієвого сплаву IF сталь-1050. У дослідженні розглянуто три режими зварювання (режим провідності, режим локального проплавлення та режим повного проплавлення) і три вибрані форми лазерного променя (промінь Гауса, кільцевий промінь і кільцевий промінь Гаусса). Результати дослідження вказують на те, що вибір відповідного співвідношення потужності пучка Гауса та кільцевого променя є ключовим параметром для контролю формування та мікроструктури внутрішнього модального вуглецю, таким чином максимізуючи механічні властивості зварного шва. У режимі провідності круглий пучок із коефіцієнтом потужності 0,2 забезпечує найкращу міцність зварювання (ефективність з’єднання 71%). У режимі перфорації промінь Гауса забезпечує більшу глибину зварювання та вищий аспектний коефіцієнт, але інтенсивність зварювання значно знижується. Кільцева балка з коефіцієнтом потужності 0,5 суттєво впливає на подрібнення бічних зерен сталі в зварному шві. Це пов’язано з нижчою піковою температурою кільцевого балки, що призводить до швидшої швидкості охолодження, а також ефектом обмеження росту міграції розчиненої речовини Al до верхньої частини зварного шва на зернисту структуру. Існує сильна кореляція між мікротвердістю Віккерса та прогнозом Thermo Calc об’ємного відсотка фази. Чим більше об'ємний відсоток Fe4Al13, тим вище мікротвердість.
Час публікації: 25 січня 2024 р
