Pri spajanju jekla z aluminijem reakcija med atomoma Fe in Al med postopkom spajanja tvori krhke intermetalne spojine (IMC). Prisotnost teh IMC omejuje mehansko trdnost spoja, zato je treba nadzorovati količino teh spojin. Razlog za nastanek IMC je slaba topnost Fe v Al. Če preseže določeno količino, lahko vpliva na mehanske lastnosti zvara. IMC imajo edinstvene lastnosti, kot so trdota, omejena duktilnost in žilavost ter morfološke značilnosti. Raziskave so pokazale, da v primerjavi z drugimi IMC plast IMC Fe2Al5 velja za najbolj krhko (11,8± 1,8 GPa) IMC faza in je tudi glavni razlog za zmanjšanje mehanskih lastnosti zaradi napak pri varjenju. Ta članek raziskuje postopek oddaljenega laserskega varjenja IF jekla in aluminija 1050 z uporabo nastavljivega obročastega laserja in podrobno raziskuje vpliv oblike laserskega žarka na nastanek intermetalnih spojin in mehanske lastnosti. Z nastavitvijo razmerja moči jedro/obroč je bilo ugotovljeno, da lahko v prevodnem načinu razmerje moči jedro/obroč 0,2 doseže boljšo površino varilnega stika in znatno zmanjša debelino IMC Fe2Al5, s čimer se izboljša strižna trdnost spoja.
Ta članek predstavlja vpliv laserja z nastavljivim obročastim načinom na nastanek intermetalnih spojin in mehanske lastnosti med daljinskim laserskim varjenjem IF jekla in aluminija 1050. Rezultati raziskave kažejo, da v prevodnem načinu razmerje moči jedro/obroč 0,2 zagotavlja večjo površino zvarnega vmesnika, kar se odraža v največji strižni trdnosti 97,6 N/mm2 (učinkovitost spoja 71 %). Poleg tega se v primerjavi z Gaussovimi žarki z razmerjem moči, večjim od 1, debelina intermetalne spojine (IMC) Fe2Al5 znatno zmanjša za 62 %, skupna debelina IMC pa za 40 %. V perforacijskem načinu so bile v primerjavi s prevodnim načinom opažene razpoke in nižja strižna trdnost. Omeniti velja, da je bilo pri razmerju moči jedro/obroč 0,5 v varjenem šivu opaženo znatno zmehčanje zrn.
Ko je r=0, se generira samo moč zanke, ko pa je r=1, se generira samo moč jedra.
Shematski diagram razmerja moči r med Gaussovim in obročastim snopom
(a) Varilna naprava; (b) Globina in širina varilnega profila; (c) Shematski diagram prikaza nastavitev vzorca in vpenjala
MC test: Le v primeru Gaussovega žarka je var sprva v načinu plitve prevodnosti (ID 1 in 2), nato pa preide v način delno prodirajoče zapornice (ID 3-5), z očitnimi razpokami. Ko se je moč obroča povečala od 0 do 1000 W, pri ID 7 ni bilo očitnih razpok in globina obogatitve z železom je bila relativno majhna. Ko se je moč obroča povečala na 2000 in 2500 W (ID 9 in 10), se je globina območja bogatega z železom povečala. Prekomerno razpokanje pri moči obroča 2500 W (ID 10).
MR test: Ko je moč jedra med 500 in 1000 W (ID 11 in 12), je var v načinu prevodnosti; Pri primerjavi ID 12 in ID 7, čeprav je skupna moč (6000 W) enaka, ID 7 izvaja način zaklepanja luknje. To je posledica znatnega zmanjšanja gostote moči pri ID 12 zaradi dominantne karakteristike zanke (r=0,2). Ko skupna moč doseže 7500 W (ID 15), je mogoče doseči način polne penetracije in v primerjavi s 6000 W, uporabljenimi v ID 7, se moč načina polne penetracije znatno poveča.
IC test: Prevajani način (ID 16 in 17) je bil dosežen pri moči jedra 1500 W ter moči obroča 3000 W in 3500 W. Ko je moč jedra 3000 W in moč obroča med 1500 W in 2500 W (ID 19–20), se na vmesniku med bogatim železom in bogatim aluminijem pojavijo očitne razpoke, ki tvorijo lokalni prodorni vzorec majhnih lukenj. Ko je moč obroča 3000 in 3500 W (ID 21 in 22), se doseže način ključavnične luknje s popolno penetracijo.
Reprezentativne slike prečnega prereza vsake identifikacije varjenja pod optičnim mikroskopom
Slika 4. (a) Razmerje med natezno trdnostjo (UTS) in razmerjem moči pri varilnih preskusih; (b) Skupna moč vseh varilnih preskusov
Slika 5. (a) Razmerje med razmerjem stranic in UTS; (b) Razmerje med raztezkom in globino penetracije ter UTS; (c) Gostota moči za vse varilne preskuse
Slika 6. (ac) Konturni zemljevid vtisnjene mikrotrdote po Vickersu; (df) Ustrezni kemijski spektri SEM-EDS za reprezentativno varjenje v prevodnem načinu; (g) Shematski diagram vmesnika med jeklom in aluminijem; (h) Fe2Al5 in skupna debelina IMC v prevodnem načinu varjenja
Slika 7. (ac) Konturni zemljevid vtisnjene mikrotrdote po Vickersu; (df) Ustrezni kemijski spekter SEM-EDS za reprezentativno varjenje z lokalnim penetracijskim perforacijskim načinom
Slika 8. (ac) Konturni zemljevid vtisnjene mikrotrdote po Vickersu; (df) Ustrezni kemijski spekter SEM-EDS za reprezentativno varjenje s perforacijo s popolno penetracijo
Slika 9. EBSD diagram prikazuje velikost zrn območja, bogatega z železom (zgornja plošča), v preskusu perforacije s popolno penetracijo in kvantificira porazdelitev velikosti zrn.
Slika 10. SEM-EDS spektri vmesnika med bogatim železom in bogatim aluminijem
Ta študija je raziskala vplive ARM laserja na nastanek, mikrostrukturo in mehanske lastnosti IMC v raznovrstnih varjenih spojih med IF jeklom in aluminijevo zlitino 1050. Študija je upoštevala tri načine varjenja (prevodni način, način lokalne penetracije in način polne penetracije) in tri izbrane oblike laserskega žarka (Gaussov žarek, obročasti žarek in Gaussov obročasti žarek). Rezultati raziskave kažejo, da je izbira ustreznega razmerja moči Gaussovega žarka in obročastega žarka ključni parameter za nadzor nastanka in mikrostrukture notranjega modalnega ogljika, s čimer se maksimizirajo mehanske lastnosti zvara. V prevodnem načinu krožni žarek z razmerjem moči 0,2 zagotavlja najboljšo varilno trdnost (71-odstotni izkoristek spoja). V perforacijskem načinu Gaussov žarek ustvari večjo globino varjenja in večje razmerje stranic, vendar se intenzivnost varjenja znatno zmanjša. Obročasti žarek z razmerjem moči 0,5 ima pomemben vpliv na prečiščevanje stranskih zrn jekla v varnem šivu. To je posledica nižje temperature vrha obročastega nosilca, kar vodi do hitrejšega ohlajanja, in učinka omejevanja rasti zaradi migracije topljenca Al proti zgornjemu delu varjenega šiva na strukturo zrn. Obstaja močna korelacija med Vickersovo mikrotrdoto in napovedjo Thermo Calc o volumskem odstotku faze. Večji kot je volumski odstotek Fe4Al13, višja je mikrotrdota.
Čas objave: 25. januar 2024
