Når stål forbindes med aluminium, danner reaktionen mellem Fe- og Al-atomer under forbindelsesprocessen sprøde intermetalliske forbindelser (IMC'er). Tilstedeværelsen af disse IMC'er begrænser forbindelsens mekaniske styrke, derfor er det nødvendigt at kontrollere mængden af disse forbindelser. Årsagen til dannelsen af IMC'er er, at Fe's opløselighed i Al er dårlig. Hvis den overstiger en vis mængde, kan det påvirke svejsningens mekaniske egenskaber. IMC'er har unikke egenskaber såsom hårdhed, begrænset duktilitet og sejhed samt morfologiske træk. Forskning har vist, at Fe2Al5 IMC-laget i vid udstrækning anses for at være det mest sprøde (11,8± 1,8 GPa) IMC-fase, og er også hovedårsagen til faldet i mekaniske egenskaber på grund af svejsefejl. Denne artikel undersøger fjernlasersvejseprocessen for IF-stål og 1050 aluminium ved hjælp af en justerbar ringtilstandslaser og undersøger i dybden indflydelsen af laserstrålens form på dannelsen af intermetalliske forbindelser og mekaniske egenskaber. Ved at justere kerne/ring-effektforholdet blev det konstateret, at et kerne/ring-effektforhold på 0,2 under ledningstilstand kan opnå et bedre svejsegrænsefladebindingsoverfladeareal og reducere tykkelsen af Fe2Al5 IMC betydeligt og derved forbedre samlingens forskydningsstyrke.
Denne artikel introducerer indflydelsen af justerbar ringlaser på dannelsen af intermetalliske forbindelser og mekaniske egenskaber under fjernlasersvejsning af IF-stål og 1050 aluminium. Forskningsresultaterne indikerer, at et kerne/ring-effektforhold på 0,2 i ledningstilstand giver et større svejsegrænsefladebindingsareal, hvilket afspejles i en maksimal forskydningsstyrke på 97,6 N/mm2 (fugeeffektivitet på 71%). Derudover reducerer dette, sammenlignet med Gaussiske bjælker med et effektforhold større end 1, tykkelsen af Fe2Al5 intermetallisk forbindelse (IMC) betydeligt med 62% og den samlede IMC-tykkelse med 40%. I perforeringstilstand blev der observeret revner og lavere forskydningsstyrke sammenlignet med ledningstilstand. Det er værd at bemærke, at der blev observeret betydelig kornforfining i svejsesømmen, når kerne/ring-effektforholdet var 0,5.
Når r=0 genereres der kun loop-strøm, mens der når r=1 genereres kun kerne-strøm.
Skematisk diagram over effektforholdet r mellem Gaussisk stråle og ringformet stråle
(a) Svejseanordning; (b) Dybde og bredde af svejseprofilen; (c) Skematisk diagram over visning af prøve- og fiksturindstillinger
MC-test: Kun i tilfælde af Gaussisk stråle er svejsesømmen i starten i overfladisk ledningstilstand (ID 1 og 2) og overgår derefter til delvist penetrerende låsehulstilstand (ID 3-5) med tydelige revner. Da ringeffekten steg fra 0 til 1000 W, var der ingen tydelige revner ved ID 7, og dybden af jernberigelsen var relativt lille. Når ringeffekten steg til 2000 og 2500 W (ID 9 og 10), øges dybden af den rige jernzone. Overdreven revnedannelse ved 2500 W ringeffekt (ID 10).
MR-test: Når kerneeffekten er mellem 500 og 1000 W (ID 11 og 12), er svejsesømmen i ledningstilstand; Sammenlignet med ID 12 og ID 7, implementerer ID 7 en låsehulstilstand, selvom den samlede effekt (6000 W) er den samme. Dette skyldes det betydelige fald i effekttætheden ved ID 12 på grund af den dominerende sløjfekarakteristik (r=0,2). Når den samlede effekt når 7500 W (ID 15), kan fuld penetrationstilstand opnås, og sammenlignet med de 6000 W, der anvendes i ID 7, øges effekten af fuld penetrationstilstand betydeligt.
IC-test: Ledningsbåret tilstand (ID 16 og 17) blev opnået ved 1500 W kerneeffekt og 3000 W og 3500 W ringeffekt. Når kerneeffekten er 3000 W, og ringeffekten er mellem 1500 W og 2500 W (ID 19-20), opstår der tydelige revner ved grænsefladen mellem rigt jern og rigt aluminium, hvilket danner et lokalt penetrerende mønster af små huller. Når ringeffekten er 3000 og 3500 W (ID 21 og 22), opnås fuld penetrationsnøglehulstilstand.
Repræsentative tværsnitsbilleder af hver svejseidentifikation under et optisk mikroskop
Figur 4. (a) Forholdet mellem ultimativ trækstyrke (UTS) og effektforhold i svejsetests; (b) Den samlede effekt for alle svejsetests
Figur 5. (a) Forholdet mellem aspektforhold og UTS; (b) Forholdet mellem udstræknings- og indtrængningsdybde og UTS; (c) Effekttæthed for alle svejsetests
Figur 6. (ac) Vickers mikrohårdhedskonturkort; (df) Tilsvarende SEM-EDS kemiske spektre for repræsentativ ledningssvejsning; (g) Skematisk diagram over grænsefladen mellem stål og aluminium; (h) Fe2Al5 og total IMC-tykkelse af ledningssvejsninger
Figur 7. (ac) Vickers mikrohårdhedsindrykningskonturkort; (df) Tilsvarende SEM-EDS kemisk spektrum for repræsentativ lokal penetrations-perforeringssvejsning
Figur 8. (ac) Vickers mikrohårdhedsindrykningskonturkort; (df) Tilsvarende SEM-EDS kemisk spektrum for repræsentativ fuldpenetrationsperforeringssvejsning
Figur 9. EBSD-plottet viser kornstørrelsen i det jernrige område (øvre plade) i fuld penetrationsperforeringstest og kvantificerer kornstørrelsesfordelingen.
Figur 10. SEM-EDS-spektre af grænsefladen mellem rigt jern og rigt aluminium
Denne undersøgelse undersøgte virkningerne af ARM-laser på dannelsen, mikrostrukturen og de mekaniske egenskaber af IMC i IF-stål-1050 aluminiumlegering med forskellige overlapsvejsninger. Undersøgelsen omfattede tre svejsemetoder (ledningsmetode, lokal penetrationsmetode og fuld penetrationsmetode) og tre udvalgte laserstråleformer (Gaussisk stråle, ringformet stråle og Gaussisk ringformet stråle). Forskningsresultaterne indikerer, at valg af det passende effektforhold mellem Gaussisk stråle og ringformet stråle er en nøgleparameter til at kontrollere dannelsen og mikrostrukturen af intern modal kulstof og derved maksimere svejsningens mekaniske egenskaber. I ledningsmetode giver en cirkulær stråle med et effektforhold på 0,2 den bedste svejsestyrke (71 % samlingseffektivitet). I perforeringsmetode producerer Gaussisk stråle større svejsedybde og højere aspektforhold, men svejseintensiteten er betydeligt reduceret. Den ringformede stråle med et effektforhold på 0,5 har en betydelig indflydelse på forfinelsen af stålets sidefibre i svejsesømmen. Dette skyldes den lavere peaktemperatur for den ringformede bjælke, hvilket fører til en hurtigere afkølingshastighed, og den vækstrestriktive effekt af Al-opløst stofs migration mod den øvre del af svejsesømmen på kornstrukturen. Der er en stærk korrelation mellem Vickers-mikrohårdhed og Thermo Calcs forudsigelse af fasevolumenprocent. Jo større volumenprocenten af Fe4Al13 er, desto højere er mikrohårdheden.
Opslagstidspunkt: 25. januar 2024
