Teräksen ja alumiinin liittämisessä Fe- ja Al-atomien välinen reaktio liitosprosessin aikana muodostaa hauraita metallien välisiä yhdisteitä (IMC). Näiden IMC:iden läsnäolo rajoittaa liitoksen mekaanista lujuutta, joten on tarpeen kontrolloida näiden yhdisteiden määrää. IMC:iden muodostumisen syynä on Fe:n heikko liukoisuus alumiiniin. Jos se ylittää tietyn määrän, se voi vaikuttaa hitsin mekaanisiin ominaisuuksiin. IMC:illä on ainutlaatuisia ominaisuuksia, kuten kovuus, rajoitettu venyvyys ja sitkeys sekä morfologiset ominaisuudet. Tutkimukset ovat osoittaneet, että muihin IMC:ihin verrattuna Fe2Al5 IMC-kerrosta pidetään yleisesti hauraimpana (11,8± 1,8 GPa) IMC-faasi, ja se on myös tärkein syy hitsausvirheistä johtuvaan mekaanisten ominaisuuksien heikkenemiseen. Tässä artikkelissa tutkitaan IF-teräksen ja 1050-alumiinin etälaserhitsausprosessia säädettävällä rengasmoodilaserilla ja tutkitaan perusteellisesti lasersäteen muodon vaikutusta metallien välisten yhdisteiden muodostumiseen ja mekaanisiin ominaisuuksiin. Säätämällä ydin/rengas-tehosuhdetta havaittiin, että johtavuustilassa ydin/rengas-tehosuhde 0,2 voi saavuttaa paremman hitsausrajapinnan liitospinta-alan ja vähentää merkittävästi Fe2Al5 IMC:n paksuutta, mikä parantaa liitoksen leikkauslujuutta.
Tässä artikkelissa esitellään säädettävän rengaslaserin vaikutusta metallien välisten yhdisteiden muodostumiseen ja mekaanisiin ominaisuuksiin IF-teräksen ja 1050-alumiinin etälaserhitsauksessa. Tutkimustulokset osoittavat, että johtavuustilassa ydin/rengas-tehosuhde 0,2 tarjoaa suuremman hitsausrajapinnan, mikä näkyy maksimileikkauslujuutena 97,6 N/mm2 (liitoksen hyötysuhde 71 %). Lisäksi verrattuna Gaussin säteisiin, joiden tehosuhde on suurempi kuin 1, tämä vähentää merkittävästi Fe2Al5-metallien välisen yhdisteen (IMC) paksuutta 62 % ja IMC:n kokonaispaksuutta 40 %. Rei'itystilassa havaittiin halkeamia ja alhaisempaa leikkauslujuutta verrattuna johtavuustilaan. On syytä huomata, että hitsaussaumassa havaittiin merkittävää raekoon hienonemista, kun ydin/rengas-tehosuhde oli 0,5.
Kun r=0, tuotetaan vain silmukkatehoa, kun taas kun r=1, tuotetaan vain ydintehoa.
Gaussisen ja rengasmaisen palkin tehosuhteen r kaaviokuva
(a) Hitsauslaite; (b) Hitsausprofiilin syvyys ja leveys; (c) Näytteen ja kiinnittimen asetusten kaaviokuva
MC-testi: Vain Gaussisen palkin tapauksessa hitsaussauma on aluksi matalassa johtavuustilassa (ID 1 ja 2) ja siirtyy sitten osittain lävistävään sulkureikätilaan (ID 3-5), jossa ilmenee selviä halkeamia. Kun rengasteho nousi 0:sta 1000 W:iin, ID 7:ssä ei ollut selviä halkeamia ja raudan rikastussyvyys oli suhteellisen pieni. Kun rengasteho nousi 2000 ja 2500 W:iin (ID 9 ja 10), rautapitoisen vyöhykkeen syvyys kasvaa. Liiallista halkeilua 2500 W:n rengasteholla (ID 10).
MR-testi: Kun ydinteho on 500–1000 W (ID 11 ja 12), hitsaussauma on johtavuustilassa; Verrattuna ID 12:een ja ID 7:ään, vaikka kokonaisteho (6000 W) on sama, ID 7 käyttää lukitusreikätilaa. Tämä johtuu tehotiheyden merkittävästä laskusta ID 12:ssa hallitsevan silmukan ominaisuuden (r = 0,2) vuoksi. Kun kokonaisteho saavuttaa 7500 W (ID 15), voidaan saavuttaa täysi tunkeumatila, ja verrattuna ID 7:ssä käytettyyn 6000 W:iin, täyden tunkeumatilan teho kasvaa merkittävästi.
IC-testi: Johtuva moodi (ID 16 ja 17) saavutettiin 1500 W:n ydinteholla ja 3000 W:n ja 3500 W:n rengasteholla. Kun ydinteho on 3000 W ja rengasteho 1500 W:n ja 2500 W:n välillä (ID 19–20), rikkaiden raudan ja rikkaiden alumiinien rajapinnalle ilmestyy selviä halkeamia, jotka muodostavat paikallisen läpäisevän pienten reikien kuvion. Kun rengasteho on 3000 W ja 3500 W (ID 21 ja 22), saavutetaan täysi läpäisymuotoinen avaimenreikämoodi.
Edustavat poikkileikkauskuvat kustakin hitsaustunnistuksesta optisen mikroskoopin alla
Kuva 4. (a) Murtolujuuden (UTS) ja tehosuhteen välinen suhde hitsaustesteissä; (b) Kaikkien hitsaustestien kokonaisteho
Kuva 5. (a) Sivusuhteen ja hitsaussyvyyden välinen suhde; (b) Ulottuman ja tunkeutumissyvyyden sekä hitsaussyvyyden välinen suhde; (c) Tehotiheys kaikissa hitsaustesteissä
Kuva 6. (ac) Vickersin mikrokovuuden sisennyskäyräkartta; (df) Vastaavat SEM-EDS-kemialliset spektrit edustavalle johtavuusmoodihitsaukselle; (g) Teräksen ja alumiinin rajapinnan kaaviokuva; (h) Fe2Al5 ja johtavuusmoodihitsien kokonais-IMC-paksuus
Kuva 7. (ac) Vickersin mikrokovuuden painumakäyräkartta; (df) Vastaava SEM-EDS-kemiallinen spektri edustavalle paikalliselle tunkeumalle ja perforointimoodille
Kuva 8. (ac) Vickersin mikrokovuuden painumakäyräkartta; (df) Vastaava SEM-EDS-kemiallinen spektri edustavalle täysläpimenohitsaukselle perforaatiotilassa
Kuva 9. EBSD-käyrä näyttää rautapitoisen alueen (ylempi levy) raekoon täyden tunkeutumisen perforointitilassa tehdyssä testissä ja määrittää raekokojakauman.
Kuva 10. Rikkaan raudan ja rikkaan alumiinin rajapinnan SEM-EDS-spektrit
Tässä tutkimuksessa selvitettiin ARM-laserin vaikutuksia IMC:n muodostumiseen, mikrorakenteeseen ja mekaanisiin ominaisuuksiin IF-teräs-1050-alumiiniseoksesta valmistetuissa erilaisissa limihitsausliitoksissa. Tutkimuksessa tarkasteltiin kolmea hitsaustilaa (johtamistila, paikallinen tunkeutumistila ja täysi tunkeutumistila) ja kolmea valittua lasersäteen muotoa (Gaussinen säde, rengasmainen säde ja Gaussinen rengasmainen säde). Tutkimustulokset osoittavat, että Gaussisen ja rengasmaisen säteen sopivan tehosuhteen valinta on keskeinen parametri sisäisen modaalisen hiilen muodostumisen ja mikrorakenteen hallitsemiseksi, mikä maksimoi hitsin mekaaniset ominaisuudet. Johtamistilassa pyöreä säde, jonka tehosuhde on 0,2, tarjoaa parhaan hitsauslujuuden (71 %:n liitoksen hyötysuhde). Perforointitilassa Gaussinen säde tuottaa suuremman hitsaussyvyyden ja korkeamman sivusuhteen, mutta hitsauksen intensiteetti pienenee merkittävästi. Rengasmaisella säteellä, jonka tehosuhde on 0,5, on merkittävä vaikutus teräksen sivuraeiden hienojakoisuuteen hitsaussaumassa. Tämä johtuu rengasmaisen palkin alhaisemmasta huippulämpötilasta, joka johtaa nopeampaan jäähtymisnopeuteen, sekä Al-liuenneen aineen kulkeutumisen hitsaussauman yläosaa kohti kasvua rajoittavasta vaikutuksesta raerakenteeseen. Vickersin mikrokovuuden ja Thermo Calcin ennusteen välillä on vahva korrelaatio. Mitä suurempi Fe4Al13:n tilavuusprosentti on, sitä suurempi on mikrokovuus.
Julkaisun aika: 25. tammikuuta 2024
