При соединении стали с алюминием в процессе сварки происходит реакция между атомами Fe и Al, в результате которой образуются хрупкие интерметаллические соединения (ИМС). Наличие этих ИМС ограничивает механическую прочность соединения, поэтому необходимо контролировать их количество. Причиной образования ИМС является низкая растворимость Fe в Al. Если её количество превышает определённое значение, это может повлиять на механические свойства сварного шва. ИМС обладают уникальными свойствами, такими как твёрдость, ограниченная пластичность и ударная вязкость, а также морфологическими особенностями. Исследования показали, что по сравнению с другими ИМС слой ИМС Fe2Al5 широко считается наиболее хрупким (11,8).± Фаза интерметаллических соединений (ИМС) Fe2Al5 (1,8 ГПа) является основной причиной снижения механических свойств из-за разрушения сварного шва. В данной работе исследуется процесс дистанционной лазерной сварки стали IF и алюминия 1050 с использованием лазера с регулируемым кольцевым режимом, а также подробно изучается влияние формы лазерного луча на образование интерметаллических соединений и механические свойства. Путем регулирования соотношения мощности сердечника/кольца было установлено, что в режиме проводимости соотношение мощности сердечника/кольца 0,2 позволяет достичь лучшей площади поверхности соединения в зоне сварного шва и значительно уменьшить толщину ИМС Fe2Al5, тем самым повышая прочность соединения на сдвиг.
В данной статье рассматривается влияние лазера с регулируемым кольцевым режимом на образование интерметаллических соединений и механические свойства при дистанционной лазерной сварке стали IF и алюминия 1050. Результаты исследования показывают, что в режиме проводимости соотношение мощности сердечника/кольца 0,2 обеспечивает большую площадь поверхности сварного шва, что отражается в максимальной прочности на сдвиг 97,6 Н/мм² (эффективность соединения 71%). Кроме того, по сравнению с гауссовыми пучками с соотношением мощности более 1, это значительно уменьшает толщину интерметаллического соединения Fe₂Al₅ на 62% и общую толщину интерметаллического соединения на 40%. В режиме перфорации наблюдались трещины и более низкая прочность на сдвиг по сравнению с режимом проводимости. Стоит отметить, что при соотношении мощности сердечника/кольца 0,5 в сварном шве наблюдалось значительное измельчение зерна.
Когда r=0, генерируется только мощность контура, а когда r=1, генерируется только мощность сердечника.
Схематическое изображение отношения мощностей r между гауссовым и кольцевым пучками
(a) Сварочное устройство; (b) Глубина и ширина сварного шва; (c) Схема отображения параметров образца и приспособления.
Тест MC: Только в случае гауссова пучка сварной шов изначально находится в режиме неглубокой проводимости (ID 1 и 2), а затем переходит в режим частичного проникновения через запорное отверстие (ID 3-5), при этом появляются явные трещины. При увеличении мощности кольца от 0 до 1000 Вт явных трещин на ID 7 не наблюдалось, а глубина обогащения железом была относительно небольшой. При увеличении мощности кольца до 2000 и 2500 Вт (ID 9 и 10) глубина зоны обогащения железом увеличивается. Чрезмерное растрескивание наблюдается при мощности кольца 2500 Вт (ID 10).
Испытание на магнитосопротивление: При мощности сердечника от 500 до 1000 Вт (ID 11 и 12) сварной шов находится в режиме проводимости; при сравнении ID 12 и ID 7, несмотря на одинаковую общую мощность (6000 Вт), в ID 7 реализуется режим заклинивания. Это связано со значительным снижением плотности мощности в ID 12 из-за преобладающей характеристики петли (r=0,2). Когда общая мощность достигает 7500 Вт (ID 15), достигается режим полного проплавления, и по сравнению с 6000 Вт, используемыми в ID 7, мощность в режиме полного проплавления значительно увеличивается.
Тестирование ИС: Режим проводимости (ID 16 и 17) был достигнут при мощности сердечника 1500 Вт и мощности кольца 3000 Вт и 3500 Вт. Когда мощность сердечника составляет 3000 Вт, а мощность кольца находится в диапазоне от 1500 Вт до 2500 Вт (ID 19-20), на границе раздела между обогащенным железом и обогащенным алюминием появляются явные трещины, образующие локальный рисунок проникающих мелких отверстий. Когда мощность кольца составляет 3000 и 3500 Вт (ID 21 и 22), достигается режим полного проникновения в виде сквозного отверстия.
Типичные поперечные изображения каждого сварочного шва под оптическим микроскопом.
Рисунок 4. (а) Зависимость между пределом прочности на растяжение (ППР) и коэффициентом мощности в сварочных испытаниях; (б) Суммарная мощность всех сварочных испытаний.
Рисунок 5. (а) Зависимость соотношения сторон от предела прочности на разрыв; (б) Зависимость протяженности и глубины проплавления от предела прочности на разрыв; (в) Плотность мощности для всех сварочных испытаний.
Рисунок 6. (ac) Карта контуров микротвердости по Виккерсу; (df) Соответствующие химические спектры SEM-EDS для типичной сварки в режиме проводимости; (g) Схематическое изображение границы раздела стали и алюминия; (h) Fe2Al5 и общая толщина интерметаллических соединений в сварных швах, выполненных в режиме проводимости.
Рисунок 7. (ac) Карта контуров микротвердости по Виккерсу; (df) Соответствующий химический спектр SEM-EDS для типичного режима сварки с локальным проплавлением и перфорацией.
Рисунок 8. (ac) Карта контуров микротвердости по Виккерсу; (df) Соответствующий химический спектр SEM-EDS для типичной сварки с полным проплавлением и перфорацией.
Рисунок 9. Диаграмма EBSD показывает размер зерен в богатой железом области (верхняя пластина) в режиме перфорации с полным проникновением и количественно определяет распределение размеров зерен.
Рисунок 10. Спектры SEM-EDS границы раздела между обогащенным железом и обогащенным алюминием.
В данном исследовании изучалось влияние лазера ARM на формирование, микроструктуру и механические свойства интерметаллических соединений (ИМС) в разнородных сварных соединениях стали IF и алюминиевого сплава 1050 внахлест. В исследовании рассматривались три режима сварки (режим теплопроводности, режим локального проплавления и режим полного проплавления) и три выбранные формы лазерного луча (гауссовый луч, кольцевой луч и гауссовый кольцевой луч). Результаты исследования показывают, что выбор соответствующего соотношения мощностей гауссова и кольцевого лучей является ключевым параметром для контроля формирования и микроструктуры интерметаллических соединений, тем самым максимизируя механические свойства сварного шва. В режиме теплопроводности круговой луч с соотношением мощностей 0,2 обеспечивает наилучшую прочность сварки (эффективность соединения 71%). В режиме перфорации гауссовый луч обеспечивает большую глубину сварки и большее соотношение сторон, но значительно снижает интенсивность сварки. Кольцевой луч с соотношением мощностей 0,5 оказывает существенное влияние на измельчение боковых зерен стали в сварном шве. Это объясняется более низкой пиковой температурой кольцевого пучка, что приводит к более быстрой скорости охлаждения, а также эффектом ограничения роста, вызванным миграцией примеси Al в верхнюю часть сварного шва, влияющим на структуру зерен. Существует сильная корреляция между микротвердостью по Виккерсу и прогнозируемым Thermo Calc процентным содержанием фаз. Чем больше процентное содержание Fe4Al13, тем выше микротвердость.
Дата публикации: 25 января 2024 г.
