Vid sammanfogning av stål med aluminium bildas spröda intermetalliska föreningar (IMC) genom reaktionen mellan Fe- och Al-atomer under sammanfogningsprocessen. Närvaron av dessa IMC begränsar sammanfogningens mekaniska hållfasthet, därför är det nödvändigt att kontrollera mängden av dessa föreningar. Anledningen till bildandet av IMC är att Fe har dålig löslighet i Al. Om den överstiger en viss mängd kan det påverka svetsens mekaniska egenskaper. IMC har unika egenskaper som hårdhet, begränsad duktilitet och seghet, samt morfologiska egenskaper. Forskning har visat att Fe2Al5 IMC-skiktet, jämfört med andra IMC, allmänt anses vara det mest spröda (11,8± 1,8 GPa) IMC-fas, och är också den främsta orsaken till minskningen av mekaniska egenskaper på grund av svetsfel. Denna artikel undersöker fjärrlasersvetsprocessen för IF-stål och 1050-aluminium med hjälp av en justerbar ringlägeslaser, och undersöker djupgående inverkan av laserstrålens form på bildandet av intermetalliska föreningar och mekaniska egenskaper. Genom att justera kärna/ring-effektförhållandet fann man att under ledningsläge kan ett kärna/ring-effektförhållande på 0,2 uppnå bättre svetsgränssnittsyta och avsevärt minska tjockleken på Fe2Al5 IMC, vilket därigenom förbättrar fogens skjuvhållfasthet.
Denna artikel introducerar inverkan av justerbar ringmodslaser på bildandet av intermetalliska föreningar och mekaniska egenskaper vid fjärrlasersvetsning av IF-stål och 1050-aluminium. Forskningsresultaten indikerar att ett kärna/ring-effektförhållande på 0,2 i ledningsläge ger en större svetsgränssnittsyta, vilket återspeglas av en maximal skjuvhållfasthet på 97,6 N/mm2 (fogeffektivitet på 71%). Jämfört med Gaussiska strålar med ett effektförhållande större än 1 minskar detta dessutom avsevärt tjockleken på Fe2Al5-intermetalliska föreningar (IMC) med 62% och den totala IMC-tjockleken med 40%. I perforeringsläge observerades sprickor och lägre skjuvhållfasthet jämfört med ledningsläge. Det är värt att notera att betydande kornförfining observerades i svetssömmen när kärna/ring-effektförhållandet var 0,5.
När r=0 genereras endast loopeffekt, medan när r=1 genereras endast kärneffekt.
Schematiskt diagram över effektförhållandet r mellan gaussisk stråle och ringformad stråle
(a) Svetsanordning; (b) Svetsprofilens djup och bredd; (c) Schematiskt diagram som visar prov- och fixturinställningar
MC-test: Endast i fallet med Gaussisk stråle är svetssömmen initialt i ytledningsläge (ID 1 och 2) och övergår sedan till delvis penetrerande låshålsläge (ID 3-5), med tydliga sprickor. När ringeffekten ökade från 0 till 1000 W fanns inga uppenbara sprickor vid ID 7 och djupet av järnanrikningen var relativt litet. När ringeffekten ökar till 2000 och 2500 W (ID 9 och 10) ökar djupet av den rika järnzonen. Överdriven sprickbildning vid 2500 W ringeffekt (ID 10).
MR-test: När kärneffekten är mellan 500 och 1000 W (ID 11 och 12) är svetssömmen i ledningsläge; Jämfört med ID 12 och ID 7, även om den totala effekten (6000 W) är densamma, implementerar ID 7 ett låshålsläge. Detta beror på den betydande minskningen av effekttätheten vid ID 12 på grund av den dominerande slingkarakteristiken (r=0,2). När den totala effekten når 7500 W (ID 15) kan fullt penetrationsläge uppnås, och jämfört med de 6000 W som används i ID 7 ökar effekten i fullt penetrationsläge avsevärt.
IC-test: Ledningsbunden funktion (ID 16 och 17) uppnåddes vid 1500 W kärneffekt och 3000 W respektive 3500 W ringeffekt. När kärneffekten är 3000 W och ringeffekten är mellan 1500 W och 2500 W (ID 19-20) uppstår tydliga sprickor vid gränssnittet mellan rikt järn och rikt aluminium, vilket bildar ett lokalt penetrerande mönster av små hål. När ringeffekten är 3000 och 3500 W (ID 21 och 22) uppnås full penetration i nyckelhålsläge.
Representativa tvärsnittsbilder av varje svetsidentifiering under ett optiskt mikroskop
Figur 4. (a) Sambandet mellan draghållfasthet och effektförhållande i svetstester; (b) Den totala effekten för alla svetstester
Figur 5. (a) Samband mellan bildförhållande och UTS; (b) Sambandet mellan utsträckning och penetrationsdjup och UTS; (c) Effekttäthet för alla svetstester
Figur 6. (ac) Karta över Vickers mikrohårdhetsintryckningskontur; (df) Motsvarande SEM-EDS kemiska spektra för representativ svetsning i konduktivt läge; (g) Schematiskt diagram över gränssnittet mellan stål och aluminium; (h) Fe2Al5 och total IMC-tjocklek för svetsar i konduktivt läge
Figur 7. (ac) Vickers mikrohårdhetsintryckningskonturkarta; (df) Motsvarande SEM-EDS kemiskt spektrum för representativ lokal penetrationssvetsning med perforeringsläge
Figur 8. (ac) Vickers mikrohårdhetsintryckningskonturkarta; (df) Motsvarande SEM-EDS kemiskt spektrum för representativ fullpenetrationssvetsning med perforering
Figur 9. EBSD-diagrammet visar kornstorleken för det järnrika området (övre plattan) i fullpenetrations-perforeringstestet och kvantifierar kornstorleksfördelningen.
Figur 10. SEM-EDS-spektra av gränssnittet mellan rikt järn och rikt aluminium
Denna studie undersökte effekterna av ARM-laser på bildning, mikrostruktur och mekaniska egenskaper hos IMC i IF-stål-1050 aluminiumlegering med olika överlappningssvetsförband. Studien beaktade tre svetslägen (ledningsläge, lokal penetrationsläge och full penetrationsläge) och tre utvalda laserstråleformer (Gaussisk stråle, ringformad stråle och Gaussisk ringformad stråle). Forskningsresultaten indikerar att valet av lämpligt effektförhållande mellan Gaussisk stråle och ringformad stråle är en nyckelparameter för att kontrollera bildningen och mikrostrukturen av intern modal kol, och därigenom maximera svetsens mekaniska egenskaper. I ledningsläge ger en cirkulär stråle med ett effektförhållande på 0,2 den bästa svetsstyrkan (71 % fogeffektivitet). I perforeringsläge producerar Gaussisk stråle större svetsdjup och högre bildförhållande, men svetsintensiteten minskar avsevärt. Den ringformade strålen med ett effektförhållande på 0,5 har en betydande inverkan på förfiningen av stålets sidofibrer i svetssömmen. Detta beror på den lägre topptemperaturen hos den ringformade balken, vilket leder till en snabbare kylningshastighet, och den tillväxtbegränsande effekten av migration av lösta Al-partiklar mot den övre delen av svetssömmen på kornstrukturen. Det finns en stark korrelation mellan Vickers mikrohårdhet och Thermo Calcs förutsägelse av fasvolymprocent. Ju större volymprocenten Fe4Al13 är, desto högre mikrohårdhet.
Publiceringstid: 25 januari 2024
