Під час з'єднання сталі з алюмінієм реакція між атомами Fe та Al у процесі з'єднання утворює крихкі інтерметалеві сполуки (ІМС). Наявність цих ІМС обмежує механічну міцність з'єднання, тому необхідно контролювати кількість цих сполук. Причиною утворення ІМС є низька розчинність Fe в Al. Якщо вона перевищує певну кількість, це може вплинути на механічні властивості зварного шва. ІМС мають унікальні властивості, такі як твердість, обмежена пластичність і в'язкість, а також морфологічні особливості. Дослідження показали, що порівняно з іншими ІМС, шар ІМС Fe2Al5 вважається найбільш крихким (11,8± 1,8 ГПа) фаза міжметалевого металу (ІМК), а також є основною причиною зниження механічних властивостей через порушення зварювання. У цій статті досліджується процес дистанційного лазерного зварювання сталі IF та алюмінію 1050 за допомогою регульованого кільцевого лазера, а також детально досліджується вплив форми лазерного променя на утворення інтерметалевих сполук та механічні властивості. Регулюючи співвідношення потужності ядра/кільця, було виявлено, що в режимі провідності співвідношення потужності ядра/кільця 0,2 може досягти кращої площі поверхні зварного з'єднання та значно зменшити товщину ІМК Fe2Al5, тим самим покращуючи міцність з'єднання на зсув.
У цій статті розглядається вплив лазера з регульованим кільцевим режимом на формування інтерметалевих сполук та механічні властивості під час дистанційного лазерного зварювання сталі IF та алюмінію 1050. Результати дослідження показують, що в режимі провідності співвідношення потужностей осердя/кільця 0,2 забезпечує більшу площу поверхні зварного з'єднання, що відображається максимальною міцністю на зсув 97,6 Н/мм2 (коефіцієнт корисної дії з'єднання 71%). Крім того, порівняно з гауссовими променями зі співвідношенням потужностей більше 1, це значно зменшує товщину інтерметалевої сполуки (ІМС) Fe2Al5 на 62% та загальну товщину ІМС на 40%. У режимі перфорації спостерігалися тріщини та нижча міцність на зсув порівняно з режимом провідності. Варто зазначити, що значне подрібнення зерна спостерігалося в зварному шві, коли співвідношення потужностей осердя/кільця становило 0,5.
Коли r=0, генерується лише живлення контуру, тоді як коли r=1, генерується лише живлення ядра.
Принципова діаграма коефіцієнта потужності r між гауссовим та кільцевим променями
(a) Зварювальний пристрій; (b) Глибина та ширина зварного профілю; (c) Схема відображення налаштувань зразка та пристосування
Випробування MC: Тільки у випадку гауссового променя зварний шов спочатку знаходиться в режимі поверхневої провідності (ID 1 та 2), а потім переходить у режим частково проникаючої шлюзової лунки (ID 3-5) з появою очевидних тріщин. Коли потужність кільця збільшилася від 0 до 1000 Вт, на ID 7 очевидних тріщин не було, а глибина збагачення залізом була відносно невеликою. Коли потужність кільця збільшується до 2000 та 2500 Вт (ID 9 та 10), глибина зони, збагаченої залізом, збільшується. Надмірне розтріскування при потужності кільця 2500 Вт (ID 10).
МРТ-тест: Коли потужність сердечника становить від 500 до 1000 Вт (ID 11 та 12), зварний шов знаходиться в режимі провідності; Порівнюючи ID 12 та ID 7, хоча загальна потужність (6000 Вт) однакова, ID 7 реалізує режим блокування отвору. Це пов'язано зі значним зниженням щільності потужності в ID 12 через характеристику домінантної петлі (r=0,2). Коли загальна потужність досягає 7500 Вт (ID 15), може бути досягнутий режим повного проплавлення, і порівняно з 6000 Вт, що використовуються в ID 7, потужність режиму повного проплавлення значно збільшується.
Випробування ІС: Кондуктивний режим (ID 16 та 17) був досягнутий при потужності осердя 1500 Вт та потужності кільця 3000 Вт та 3500 Вт. Коли потужність осердя становить 3000 Вт, а потужність кільця знаходиться між 1500 Вт та 2500 Вт (ID 19-20), на межі розділу між багатою залізною сталью та багатою алюмінієвою сталью з'являються очевидні тріщини, утворюючи локальний проникаючий візерунок з малих отворів. Коли потужність кільця становить 3000 та 3500 Вт (ID 21 та 22), досягається режим повного проникнення у замкову щілину.
Репрезентативні зображення поперечного перерізу кожного зварювального позначення під оптичним мікроскопом
Рисунок 4. (a) Зв'язок між межею міцності на розтяг (UTS) та коефіцієнтом потужності у зварювальних випробуваннях; (b) Загальна потужність усіх зварювальних випробувань
Рисунок 5. (a) Зв'язок між співвідношенням сторін та UTS; (b) Зв'язок між подовженням та глибиною проникнення й UTS; (c) Щільність потужності для всіх зварювальних випробувань
Рисунок 6. (ac) Карта контурів вдавлювання мікротвердості за Віккерсом; (df) Відповідні хімічні спектри SEM-EDS для репрезентативного зварювання в режимі провідності; (g) Принципова діаграма поверхні розділу між сталлю та алюмінієм; (h) Fe2Al5 та загальна товщина міжфазного кристалу (IMC) зварних швів у режимі провідності
Рисунок 7. (ac) Карта контурів вдавлювання мікротвердості за Віккерсом; (df) Відповідний хімічний спектр SEM-EDS для репрезентативного режиму зварювання з локальним проникненням та перфорацією
Рисунок 8. (ac) Карта контурів вдавлювання мікротвердості за Віккерсом; (df) Відповідний хімічний спектр SEM-EDS для репрезентативного режиму зварювання з повним проникненням та перфорацією
Рисунок 9. Графік EBSD показує розмір зерна області, багатої на залізо (верхня пластина), у випробуванні в режимі повного проникнення та кількісно визначає розподіл розміру зерна.
Рисунок 10. SEM-EDS спектри межі розділу між багатим залізом та багатим алюмінієм
У цьому дослідженні досліджувався вплив ARM-лазера на формування, мікроструктуру та механічні властивості внутрішнього модального вуглецю (ІМК) у різнорідних зварних з'єднаннях алюмінієвого сплаву IF сталі-1050, отриманих зварюванням унахлест. У дослідженні розглядалися три режими зварювання (режим кондуктивності, режим локального проникнення та режим повного проникнення) та три вибрані форми лазерного променя (гауссівський промінь, кільцевий промінь та гауссівський кільцевий промінь). Результати дослідження показують, що вибір відповідного співвідношення потужностей гауссового та кільцевого променя є ключовим параметром для контролю формування та мікроструктури внутрішнього модального вуглецю, тим самим максимізуючи механічні властивості зварного шва. У режимі кондуктивності круглий промінь зі співвідношенням потужностей 0,2 забезпечує найкращу міцність зварювання (ККД з'єднання 71%). У режимі перфорації гауссівський промінь забезпечує більшу глибину зварювання та вище співвідношення сторін, але інтенсивність зварювання значно знижується. Кільцевий промінь зі співвідношенням потужностей 0,5 має значний вплив на подрібнення бічних зерен сталі у зварному шві. Це пов'язано з нижчою піковою температурою кільцевої балки, що призводить до швидшої швидкості охолодження, а також з ефектом обмеження росту міграції розчиненого Al до верхньої частини зварного шва на структуру зерна. Існує сильна кореляція між мікротвердістю за Віккерсом та прогнозом Thermo Calc щодо відсотка об'єму фази. Чим більший об'ємний відсоток Fe4Al13, тим вища мікротвердість.
Час публікації: 25 січня 2024 р.
