Podczas łączenia stali z aluminium, reakcja między atomami Fe i Al w procesie łączenia tworzy kruche związki międzymetaliczne (IMC). Obecność tych związków IMC ogranicza wytrzymałość mechaniczną połączenia, dlatego konieczna jest kontrola ich ilości. Przyczyną powstawania IMC jest słaba rozpuszczalność Fe w Al. Przekroczenie określonej wartości może wpłynąć na właściwości mechaniczne spoiny. IMC charakteryzują się unikalnymi właściwościami, takimi jak twardość, ograniczona ciągliwość i wytrzymałość oraz cechy morfologiczne. Badania wykazały, że w porównaniu z innymi IMC, warstwa IMC Fe2Al5 jest powszechnie uważana za najbardziej kruchą (11,8).± 1,8 GPa) fazy IMC, a także jest główną przyczyną pogorszenia właściwości mechanicznych z powodu awarii spawania. W niniejszym artykule zbadano proces zdalnego spawania laserowego stali IF i aluminium 1050 z użyciem lasera o regulowanym trybie pierścieniowym oraz szczegółowo zbadano wpływ kształtu wiązki laserowej na tworzenie związków międzymetalicznych i właściwości mechaniczne. Dostosowując stosunek mocy rdzenia do pierścienia, stwierdzono, że w trybie przewodzenia, stosunek mocy rdzenia do pierścienia wynoszący 0,2 pozwala uzyskać lepszą powierzchnię styku spoiny i znacząco zmniejszyć grubość warstwy Fe2Al5 IMC, poprawiając tym samym wytrzymałość na ścinanie złącza.
Niniejszy artykuł przedstawia wpływ lasera o regulowanym trybie pierścieniowym na powstawanie związków międzymetalicznych i właściwości mechaniczne podczas zdalnego spawania laserowego stali IF i aluminium 1050. Wyniki badań wskazują, że w trybie przewodzenia, stosunek mocy rdzenia do pierścienia wynoszący 0,2 zapewnia większą powierzchnię połączenia spoiny, co przekłada się na maksymalną wytrzymałość na ścinanie wynoszącą 97,6 N/mm2 (sprawność złącza 71%). Ponadto, w porównaniu z belkami Gaussa o stosunku mocy większym niż 1, powoduje to znaczące zmniejszenie grubości związku międzymetalicznego Fe2Al5 (IMC) o 62%, a całkowitej grubości IMC o 40%. W trybie perforacji obserwowano pęknięcia i niższą wytrzymałość na ścinanie w porównaniu z trybem przewodzenia. Warto zauważyć, że zaobserwowano znaczne rozdrobnienie ziarna w spoinie, gdy stosunek mocy rdzenia do pierścienia wynosił 0,5.
Gdy r=0, generowana jest tylko moc pętli, natomiast gdy r=1, generowana jest tylko moc rdzenia.
Schematyczny diagram stosunku mocy r pomiędzy wiązką Gaussa a wiązką pierścieniową
(a) Urządzenie spawalnicze; (b) Głębokość i szerokość profilu spoiny; (c) Schematyczny diagram wyświetlania ustawień próbki i urządzenia
Test MC: Tylko w przypadku belki Gaussa, spoina początkowo znajduje się w trybie przewodzenia płytkiego (ID 1 i 2), a następnie przechodzi w tryb częściowo penetrującego otworu ryglowego (ID 3-5), z widocznymi pęknięciami. Gdy moc pierścienia wzrosła z 0 do 1000 W, nie było widocznych pęknięć przy ID 7, a głębokość wzbogacenia w żelazo była stosunkowo niewielka. Gdy moc pierścienia wzrosła do 2000 i 2500 W (ID 9 i 10), głębokość strefy bogatej w żelazo wzrosła. Nadmierne pękanie wystąpiło przy mocy pierścienia 2500 W (ID 10).
Test MR: Gdy moc rdzenia mieści się w zakresie od 500 do 1000 W (ID 11 i 12), spoina jest w trybie przewodzenia. Porównując ID 12 i ID 7, mimo że moc całkowita (6000 W) jest taka sama, ID 7 realizuje tryb z otworem blokady. Wynika to ze znacznego spadku gęstości mocy przy ID 12, wynikającego z dominującej charakterystyki pętli (r = 0,2). Gdy moc całkowita osiągnie 7500 W (ID 15), można osiągnąć tryb pełnej penetracji, a w porównaniu z 6000 W używanymi w ID 7, moc w trybie pełnej penetracji jest znacznie zwiększona.
Test układu scalonego: Tryb przewodzenia (ID 16 i 17) został osiągnięty przy mocy rdzenia 1500 W oraz mocy pierścienia 3000 W i 3500 W. Przy mocy rdzenia 3000 W i mocy pierścienia między 1500 W a 2500 W (ID 19-20), widoczne są pęknięcia na styku bogatego żelaza i bogatego aluminium, tworząc lokalny, penetrujący wzór małych otworów. Przy mocy pierścienia 3000 W i 3500 W (ID 21 i 22) należy osiągnąć tryb pełnej penetracji z otworem na klucz.
Reprezentatywne obrazy przekroju poprzecznego każdej identyfikacji spawu pod mikroskopem optycznym
Rysunek 4. (a) Zależność między wytrzymałością na rozciąganie (UTS) a współczynnikiem mocy w próbach spawania; (b) Całkowita moc wszystkich prób spawania
Rysunek 5. (a) Zależność między współczynnikiem kształtu a UTS; (b) Zależność między wydłużeniem i głębokością penetracji a UTS; (c) Gęstość mocy dla wszystkich testów spawania
Rysunek 6. (ac) Mapa konturów wgłębień mikrotwardości Vickersa; (df) Odpowiednie widma chemiczne SEM-EDS dla reprezentatywnego spawania w trybie przewodzenia; (g) Schematyczny rysunek interfejsu między stalą a aluminium; (h) Fe2Al5 i całkowita grubość IMC spawów w trybie przewodzenia
Rysunek 7. (ac) Mapa konturów mikrotwardości Vickersa; (df) Odpowiednie widmo chemiczne SEM-EDS dla reprezentatywnego spawania z lokalnym wtopieniem w tryb perforacji
Rysunek 8. (ac) Mapa konturów mikrotwardości Vickersa; (df) Odpowiednie widmo chemiczne SEM-EDS dla reprezentatywnego spawania z pełną penetracją w trybie perforacji
Rysunek 9. Wykres EBSD przedstawia wielkość ziarna w obszarze bogatym w żelazo (płyta górna) w teście pełnego penetrowania i określa rozkład wielkości ziarna
Rysunek 10. Widma SEM-EDS interfejsu między bogatym żelazem i bogatym glinem
W niniejszym badaniu zbadano wpływ lasera ARM na powstawanie, mikrostrukturę i właściwości mechaniczne IMC w złączu zakładkowym ze stali IF i stopu aluminium 1050 o różnych kształtach. W badaniu uwzględniono trzy tryby spawania (tryb przewodzenia, tryb lokalnego przetopu i tryb pełnego przetopu) oraz trzy wybrane kształty wiązki laserowej (wiązka Gaussa, wiązka pierścieniowa i wiązka pierścieniowa Gaussa). Wyniki badań wskazują, że dobór odpowiedniego stosunku mocy wiązki Gaussa i wiązki pierścieniowej jest kluczowym parametrem do kontrolowania powstawania i mikrostruktury wewnętrznego węgla modalnego, maksymalizując w ten sposób właściwości mechaniczne spoiny. W trybie przewodzenia wiązka kołowa o stosunku mocy 0,2 zapewnia najlepszą wytrzymałość spawania (71% sprawności złącza). W trybie perforacji wiązka Gaussa zapewnia większą głębokość spawania i wyższy współczynnik kształtu, ale intensywność spawania jest znacznie zmniejszona. Wiązka pierścieniowa o stosunku mocy 0,5 ma znaczący wpływ na rozdrobnienie bocznych ziaren stali w spoinie. Wynika to z niższej temperatury szczytowej belki pierścieniowej, co prowadzi do szybszego chłodzenia, oraz z efektu ograniczenia wzrostu spowodowanego migracją rozpuszczonego Al w kierunku górnej części spoiny na strukturę ziarna. Istnieje silna korelacja między mikrotwardością Vickersa a przewidywanym przez Thermo Calc procentowym udziałem objętościowym fazy. Im większy procentowy udział objętościowy Fe4Al13, tym wyższa mikrotwardość.
Czas publikacji: 25-01-2024
