Pri spájaní ocele s hliníkom dochádza k reakcii medzi atómami Fe a Al počas procesu spájania, ktorá vytvára krehké intermetalické zlúčeniny (IMC). Prítomnosť týchto IMC obmedzuje mechanickú pevnosť spoja, preto je potrebné kontrolovať množstvo týchto zlúčenín. Dôvodom vzniku IMC je nízka rozpustnosť Fe v Al. Ak prekročí určité množstvo, môže to ovplyvniť mechanické vlastnosti zvaru. IMC majú jedinečné vlastnosti, ako je tvrdosť, obmedzená ťažnosť a húževnatosť a morfologické znaky. Výskum zistil, že v porovnaní s inými IMC sa vrstva IMC Fe2Al5 všeobecne považuje za najkrehkejšiu (11,8± 1,8 GPa) fáza IMC a je tiež hlavným dôvodom poklesu mechanických vlastností v dôsledku zlyhania zvárania. Tento článok skúma proces diaľkového laserového zvárania IF ocele a hliníka 1050 pomocou nastaviteľného prstencového lasera a podrobne skúma vplyv tvaru laserového lúča na tvorbu intermetalických zlúčenín a mechanické vlastnosti. Úpravou pomeru výkonu jadra/kruhu sa zistilo, že v režime vedenia môže pomer výkonu jadra/kruhu 0,2 dosiahnuť lepšiu plochu spoja zvarového rozhrania a výrazne znížiť hrúbku IMC Fe2Al5, čím sa zlepší šmyková pevnosť spoja.
Tento článok predstavuje vplyv laseru s nastaviteľným prstencovým režimom na tvorbu intermetalických zlúčenín a mechanické vlastnosti počas diaľkového laserového zvárania IF ocele a hliníka 1050. Výsledky výskumu naznačujú, že v režime vedenia poskytuje pomer výkonu jadra/kruhu 0,2 väčšiu plochu spojovacieho povrchu zvarového rozhrania, čo sa odráža v maximálnej šmykovej pevnosti 97,6 N/mm2 (účinnosť spoja 71 %). Okrem toho, v porovnaní s Gaussovými lúčmi s pomerom výkonu väčším ako 1, sa výrazne znižuje hrúbka intermetalickej zlúčeniny (IMC) Fe2Al5 o 62 % a celková hrúbka IMC o 40 %. V perforačnom režime sa pozorovali trhliny a nižšia šmyková pevnosť v porovnaní s režimom vedenia. Stojí za zmienku, že pri pomere výkonu jadra/kruhu 0,5 sa pozorovalo výrazné zjemnenie zvaru.
Keď r=0, generuje sa iba výkon slučky, zatiaľ čo keď r=1, generuje sa iba výkon jadra.
Schematický diagram výkonového pomeru r medzi Gaussovým lúčom a prstencovým lúčom
(a) Zváracie zariadenie; (b) Hĺbka a šírka zvarového profilu; (c) Schematický diagram zobrazujúci nastavenia vzorky a upínacieho prípravku
MC test: Iba v prípade Gaussovho lúča je zvarový šev spočiatku v režime plytkej vodivosti (ID 1 a 2) a potom prechádza do režimu čiastočne prenikajúcej zámkovej diery (ID 3-5) s objavením sa zjavných trhlín. Keď sa výkon prstenca zvýšil z 0 na 1000 W, pri ID 7 sa neobjavili žiadne zjavné trhliny a hĺbka obohatenia železom bola relatívne malá. Keď sa výkon prstenca zvýšil na 2000 a 2500 W (ID 9 a 10), hĺbka zóny bohatej na železo sa zväčšila. Nadmerné praskanie pri výkone prstenca 2500 W (ID 10).
MR test: Keď je výkon jadra medzi 500 a 1000 W (ID 11 a 12), zvarový šev je v režime vedenia; Pri porovnaní ID 12 a ID 7, hoci je celkový výkon (6000 W) rovnaký, ID 7 implementuje režim uzamknutého otvoru. Je to spôsobené výrazným poklesom hustoty výkonu pri ID 12 v dôsledku dominantnej charakteristiky slučky (r = 0,2). Keď celkový výkon dosiahne 7500 W (ID 15), je možné dosiahnuť režim úplného prevarenia a v porovnaní so 6000 W použitými v ID 7 sa výkon režimu úplného prevarenia výrazne zvýši.
Test IC: Vedený režim (ID 16 a 17) bol dosiahnutý pri výkone jadra 1500 W a výkone prstenca 3000 W a 3500 W. Keď je výkon jadra 3000 W a výkon prstenca medzi 1500 W a 2500 W (ID 19-20), na rozhraní medzi bohatým železom a bohatým hliníkom sa objavujú zjavné trhliny, ktoré vytvárajú lokálny prenikajúci vzor malých otvorov. Keď je výkon prstenca 3000 a 3500 W (ID 21 a 22), dosiahne sa režim kľúčovej dierky s plnou penetráciou.
Reprezentatívne prierezové snímky každej identifikácie zvaru pod optickým mikroskopom
Obrázok 4. (a) Vzťah medzi medzou pevnosti v ťahu (UTS) a pomerom výkonu v zváracích skúškach; (b) Celkový výkon všetkých zváracích skúšok
Obrázok 5. (a) Vzťah medzi pomerom strán a UTS; (b) Vzťah medzi predĺžením a hĺbkou prieniku a UTS; (c) Hustota výkonu pre všetky zváracie skúšky
Obrázok 6. (ac) Mapa kontúr vtlačenej mikrotvrdosti podľa Vickersa; (df) Zodpovedajúce chemické spektrá SEM-EDS pre reprezentatívne zváranie vo vodivom režime; (g) Schematický diagram rozhrania medzi oceľou a hliníkom; (h) Fe2Al5 a celková hrúbka IMC zvarov vo vodivom režime
Obrázok 7. (ac) Mapa kontúr vtlačenej mikrotvrdosti podľa Vickersa; (df) Zodpovedajúce chemické spektrum SEM-EDS pre reprezentatívne zváranie lokálnym penetračným perforačným režimom
Obrázok 8. (ac) Mapa kontúr vtlačenej mikrotvrdosti podľa Vickersa; (df) Zodpovedajúce chemické spektrum SEM-EDS pre reprezentatívne zváranie perforáciou s plným prievarom
Obrázok 9. EBSD graf zobrazuje veľkosť zŕn v oblasti bohatej na železo (horná doska) v teste perforácie s plnou penetráciou a kvantifikuje rozloženie veľkosti zŕn.
Obrázok 10. SEM-EDS spektrá rozhrania medzi bohatým železom a bohatým hliníkom
Táto štúdia skúmala vplyv ARM laseru na tvorbu, mikroštruktúru a mechanické vlastnosti IMC v preplátovaných spojoch zvarov z rôznych zliatin IF ocele a hliníka 1050. Štúdia zvažovala tri režimy zvárania (režim vedenia, režim lokálneho prenikania a režim úplného prenikania) a tri vybrané tvary laserového lúča (Gaussov lúč, prstencový lúč a Gaussov prstencový lúč). Výsledky výskumu naznačujú, že výber vhodného pomeru výkonu Gaussovho lúča a prstencového lúča je kľúčovým parametrom pre riadenie tvorby a mikroštruktúry vnútorného modálneho uhlíka, čím sa maximalizujú mechanické vlastnosti zvaru. V režime vedenia poskytuje kruhový lúč s pomerom výkonu 0,2 najlepšiu pevnosť zvaru (účinnosť spoja 71 %). V perforačnom režime vytvára Gaussov lúč väčšiu hĺbku zvaru a vyšší pomer strán, ale intenzita zvárania je výrazne znížená. Prstencový lúč s pomerom výkonu 0,5 má významný vplyv na zjemnenie bočných zŕn ocele vo zvarovom šve. Je to spôsobené nižšou maximálnou teplotou prstencového nosníka, čo vedie k rýchlejšiemu ochladzovaniu, a účinkom obmedzenia rastu migrácie rozpusteného hliníka smerom k hornej časti zvarového švu na štruktúru zŕn. Existuje silná korelácia medzi mikrotvrdosťou podľa Vickersa a predikciou percenta objemu fázy pomocou programu Thermo Calc. Čím väčšie je objemové percento Fe4Al13, tým vyššia je mikrotvrdosť.
Čas uverejnenia: 25. januára 2024
