Při spojování oceli s hliníkem vzniká reakcí mezi atomy Fe a Al během procesu spojování křehké intermetalické sloučeniny (IMC). Přítomnost těchto IMC omezuje mechanickou pevnost spoje, proto je nutné kontrolovat množství těchto sloučenin. Důvodem vzniku IMC je nízká rozpustnost Fe v Al. Pokud překročí určité množství, může to ovlivnit mechanické vlastnosti svaru. IMC mají jedinečné vlastnosti, jako je tvrdost, omezená tažnost a houževnatost a morfologické znaky. Výzkum zjistil, že ve srovnání s jinými IMC je vrstva IMC Fe2Al5 všeobecně považována za nejkřehčí (11,8± 1,8 GPa) fáze IMC a je také hlavním důvodem poklesu mechanických vlastností v důsledku selhání svaru. Tento článek zkoumá proces dálkového laserového svařování IF oceli a hliníku 1050 s použitím nastavitelného prstencového laseru a podrobně zkoumá vliv tvaru laserového paprsku na tvorbu intermetalických sloučenin a mechanické vlastnosti. Úpravou poměru výkonu jádra/kroužku bylo zjištěno, že v režimu vedení může poměr výkonu jádra/kroužku 0,2 dosáhnout lepší plochy svarového rozhraní a výrazně zmenšit tloušťku IMC Fe2Al5, čímž se zlepší smyková pevnost spoje.
Tento článek představuje vliv laseru s nastavitelným prstencovým režimem na tvorbu intermetalických sloučenin a mechanické vlastnosti během dálkového laserového svařování IF oceli a hliníku 1050. Výsledky výzkumu ukazují, že v režimu vedení poskytuje poměr výkonu jádra/kroužku 0,2 větší plochu svarového rozhraní, což se odráží v maximální smykové pevnosti 97,6 N/mm2 (účinnost spoje 71 %). Navíc ve srovnání s Gaussovými paprsky s poměrem výkonu větším než 1 se významně snižuje tloušťka intermetalické sloučeniny (IMC) Fe2Al5 o 62 % a celková tloušťka IMC o 40 %. V perforačním režimu byly pozorovány trhliny a nižší smyková pevnost ve srovnání s režimem vedení. Za zmínku stojí, že při poměru výkonu jádra/kroužku 0,5 bylo ve svarovém švu pozorováno významné zjemnění zrna.
Pokud r=0, generuje se pouze napájení smyčky, zatímco pokud r=1, generuje se pouze napájení jádra.
Schéma poměru výkonu r mezi Gaussovým paprskem a prstencovým paprskem
(a) Svařovací zařízení; (b) Hloubka a šířka svarového profilu; (c) Schéma zobrazení nastavení vzorku a přípravku
MC test: Pouze v případě Gaussova paprsku je svar zpočátku v režimu mělké vodivosti (ID 1 a 2) a poté přechází do režimu částečně pronikajícího zámkového otvoru (ID 3-5) s výskytem zjevných trhlin. Když se výkon prstence zvýšil z 0 na 1000 W, u ID 7 se neobjevily žádné zjevné trhliny a hloubka obohacení železem byla relativně malá. Když se výkon prstence zvýšil na 2000 a 2500 W (ID 9 a 10), hloubka zóny bohaté na železo se zvětšuje. Nadměrné praskání při výkonu prstence 2500 W (ID 10).
MR test: Pokud je výkon jádra mezi 500 a 1000 W (ID 11 a 12), svar je v režimu vedení. Při srovnání ID 12 a ID 7, ačkoli je celkový výkon (6000 W) stejný, ID 7 implementuje režim uzamčeného otvoru. To je způsobeno výrazným poklesem hustoty výkonu u ID 12 v důsledku dominantní smyčkové charakteristiky (r=0,2). Když celkový výkon dosáhne 7500 W (ID 15), lze dosáhnout režimu plného provaru a ve srovnání s 6000 W použitými u ID 7 se výkon režimu plného provaru výrazně zvýší.
Test IC: Vedený režim (ID 16 a 17) byl dosažen při výkonu jádra 1500 W a výkonu prstence 3000 W a 3500 W. Pokud je výkon jádra 3000 W a výkon prstence mezi 1500 W a 2500 W (ID 19-20), na rozhraní mezi bohatým železem a bohatým hliníkem se objevují zjevné trhliny, které vytvářejí lokální pronikající vzor malých otvorů. Pokud je výkon prstence 3000 a 3500 W (ID 21 a 22), je dosaženo režimu klíčové dírky s plnou penetrací.
Reprezentativní průřezové snímky každé identifikace svaru pod optickým mikroskopem
Obrázek 4. (a) Vztah mezi mezí pevnosti v tahu (UTS) a poměrem výkonu ve svařovacích zkouškách; (b) Celkový výkon všech svařovacích zkoušek
Obrázek 5. (a) Vztah mezi poměrem stran a UTS; (b) Vztah mezi prodloužením a hloubkou průvaru a UTS; (c) Hustota výkonu pro všechny svařovací zkoušky
Obrázek 6. (ac) Mapa kontur vtiskové mikrotvrdosti dle Vickerse; (df) Odpovídající chemická spektra SEM-EDS pro reprezentativní svařování ve vodivém režimu; (g) Schéma rozhraní mezi ocelí a hliníkem; (h) Fe2Al5 a celková tloušťka IMC svarů ve vodivém režimu
Obrázek 7. (ac) Mapa kontur vtiskové mikrotvrdosti dle Vickerse; (df) Odpovídající chemické spektrum SEM-EDS pro reprezentativní svařování v režimu lokální penetrace s perforací
Obrázek 8. (ac) Mapa kontur vtiskové mikrotvrdosti dle Vickerse; (df) Odpovídající chemické spektrum SEM-EDS pro reprezentativní perforační svařování s plným průvarem
Obrázek 9. EBSD graf ukazuje velikost zrna v oblasti bohaté na železo (horní deska) v režimu perforace s plnou penetrací a kvantifikuje distribuci velikosti zrn.
Obrázek 10. SEM-EDS spektra rozhraní mezi bohatým železem a bohatým hliníkem
Tato studie zkoumala vliv ARM laseru na tvorbu, mikrostrukturu a mechanické vlastnosti IMC v různorodých přeplátovaných spojích z IF oceli a hliníkové slitiny 1050. Studie zvažovala tři svařovací režimy (režim vedení, režim lokálního pronikání a režim plného pronikání) a tři vybrané tvary laserového paprsku (Gaussův paprsek, prstencový paprsek a Gaussův prstencový paprsek). Výsledky výzkumu naznačují, že volba vhodného poměru výkonu Gaussova paprsku a prstencového paprsku je klíčovým parametrem pro řízení tvorby a mikrostruktury vnitřního modálního uhlíku, čímž se maximalizují mechanické vlastnosti svaru. V režimu vedení poskytuje kruhový paprsek s poměrem výkonu 0,2 nejlepší pevnost svaru (účinnost spoje 71 %). V perforačním režimu vytváří Gaussův paprsek větší hloubku svaru a vyšší poměr stran, ale intenzita svaru je výrazně snížena. Prstencový paprsek s poměrem výkonu 0,5 má významný vliv na zjemnění bočních zrn oceli ve svarovém švu. To je způsobeno nižší maximální teplotou prstencového nosníku, která vede k rychlejšímu ochlazování, a také účinkem omezení růstu v důsledku migrace rozpuštěné látky Al směrem k horní části svarového švu na strukturu zrna. Existuje silná korelace mezi mikrotvrdostí dle Vickerse a predikcí procentuálního zastoupení fáze pomocí programu Thermo Calc. Čím větší je objemové procento Fe4Al13, tím vyšší je mikrotvrdost.
Čas zveřejnění: 25. ledna 2024
