Κατά τη σύνδεση χάλυβα με αλουμίνιο, η αντίδραση μεταξύ ατόμων Fe και Al κατά τη διάρκεια της διαδικασίας σύνδεσης σχηματίζει εύθραυστες διαμεταλλικές ενώσεις (IMC). Η παρουσία αυτών των IMC περιορίζει τη μηχανική αντοχή της σύνδεσης, επομένως είναι απαραίτητο να ελέγχεται η ποσότητα αυτών των ενώσεων. Ο λόγος για τον σχηματισμό των IMC είναι ότι η διαλυτότητα του Fe στο Al είναι κακή. Εάν υπερβεί μια ορισμένη ποσότητα, μπορεί να επηρεάσει τις μηχανικές ιδιότητες της συγκόλλησης. Τα IMC έχουν μοναδικές ιδιότητες όπως σκληρότητα, περιορισμένη ολκιμότητα και ανθεκτικότητα, καθώς και μορφολογικά χαρακτηριστικά. Έρευνες έχουν δείξει ότι σε σύγκριση με άλλα IMC, το στρώμα Fe2Al5 IMC θεωρείται ευρέως το πιο εύθραυστο (11,8± 1,8 GPa) φάση IMC, και είναι επίσης ο κύριος λόγος για τη μείωση των μηχανικών ιδιοτήτων λόγω αστοχίας συγκόλλησης. Αυτή η εργασία διερευνά την διαδικασία τηλεσυγκόλλησης με λέιζερ χάλυβα IF και αλουμινίου 1050 χρησιμοποιώντας ένα ρυθμιζόμενο λέιζερ λειτουργίας δακτυλίου, και διερευνά σε βάθος την επίδραση του σχήματος της δέσμης λέιζερ στον σχηματισμό μεσομεταλλικών ενώσεων και στις μηχανικές ιδιότητες. Ρυθμίζοντας την αναλογία ισχύος πυρήνα/δακτυλίου, διαπιστώθηκε ότι υπό λειτουργία αγωγιμότητας, μια αναλογία ισχύος πυρήνα/δακτυλίου 0,2 μπορεί να επιτύχει καλύτερη επιφάνεια συγκόλλησης διεπαφής συγκόλλησης και να μειώσει σημαντικά το πάχος του Fe2Al5 IMC, βελτιώνοντας έτσι την αντοχή σε διάτμηση της σύνδεσης.
Αυτό το άρθρο παρουσιάζει την επίδραση του ρυθμιζόμενου λέιζερ δακτυλίου στον σχηματισμό διαμεταλλικών ενώσεων και στις μηχανικές ιδιότητες κατά τη διάρκεια της τηλεσυγκόλλησης με λέιζερ χάλυβα IF και αλουμινίου 1050. Τα αποτελέσματα της έρευνας δείχνουν ότι υπό λειτουργία αγωγιμότητας, ένας λόγος ισχύος πυρήνα/δακτυλίου 0,2 παρέχει μεγαλύτερη επιφάνεια συγκόλλησης διεπαφής συγκόλλησης, η οποία αντικατοπτρίζεται από μέγιστη αντοχή σε διάτμηση 97,6 N/mm2 (απόδοση σύνδεσης 71%). Επιπλέον, σε σύγκριση με τις γκαουσιανές δοκούς με λόγο ισχύος μεγαλύτερο από 1, αυτό μειώνει σημαντικά το πάχος της διαμεταλλικής ένωσης (IMC) Fe2Al5 κατά 62% και το συνολικό πάχος IMC κατά 40%. Στη λειτουργία διάτρησης, παρατηρήθηκαν ρωγμές και χαμηλότερη αντοχή σε διάτμηση σε σύγκριση με τη λειτουργία αγωγιμότητας. Αξίζει να σημειωθεί ότι παρατηρήθηκε σημαντική βελτίωση των κόκκων στη ραφή συγκόλλησης όταν ο λόγος ισχύος πυρήνα/δακτυλίου ήταν 0,5.
Όταν r=0, παράγεται μόνο ισχύς βρόχου, ενώ όταν r=1, παράγεται μόνο ισχύς πυρήνα.
Σχηματικό διάγραμμα του λόγου ισχύος r μεταξύ γκαουσιανής δοκού και δακτυλιοειδούς δοκού
(α) Συσκευή συγκόλλησης· (β) Το βάθος και το πλάτος του προφίλ συγκόλλησης· (γ) Σχηματικό διάγραμμα εμφάνισης των ρυθμίσεων του δείγματος και του εξαρτήματος συγκόλλησης
Δοκιμή MC: Μόνο στην περίπτωση της Γκαουσιανής δοκού, η ραφή συγκόλλησης βρίσκεται αρχικά σε λειτουργία ρηχής αγωγιμότητας (ID 1 και 2) και στη συνέχεια μεταβαίνει σε λειτουργία μερικής διείσδυσης οπής ασφάλισης (ID 3-5), με εμφανείς ρωγμές. Όταν η ισχύς του δακτυλίου αυξήθηκε από 0 σε 1000 W, δεν υπήρχαν εμφανείς ρωγμές στο ID 7 και το βάθος εμπλουτισμού σιδήρου ήταν σχετικά μικρό. Όταν η ισχύς του δακτυλίου αυξάνεται σε 2000 και 2500 W (ID 9 και 10), το βάθος της ζώνης πλούσιου σιδήρου αυξάνεται. Υπερβολική ρωγμή σε ισχύ δακτυλίου 2500w (ID 10).
Δοκιμή μαγνητικού συντονισμού: Όταν η ισχύς του πυρήνα είναι μεταξύ 500 και 1000 W (ID 11 και 12), η ραφή συγκόλλησης βρίσκεται σε λειτουργία αγωγιμότητας. Συγκρίνοντας τα ID 12 και ID 7, αν και η συνολική ισχύς (6000w) είναι η ίδια, το ID 7 εφαρμόζει λειτουργία οπής ασφάλισης. Αυτό οφείλεται στη σημαντική μείωση της πυκνότητας ισχύος στο ID 12 λόγω του χαρακτηριστικού κυρίαρχου βρόχου (r=0,2). Όταν η συνολική ισχύς φτάσει τα 7500 W (ID 15), μπορεί να επιτευχθεί λειτουργία πλήρους διείσδυσης και, σε σύγκριση με τα 6000 W που χρησιμοποιούνται στο ID 7, η ισχύς της λειτουργίας πλήρους διείσδυσης αυξάνεται σημαντικά.
Δοκιμή ολοκληρωμένου κυκλώματος: Η λειτουργία αγωγής (ID 16 και 17) επιτεύχθηκε με ισχύ πυρήνα 1500w και ισχύ δακτυλίου 3000w και 3500w. Όταν η ισχύς πυρήνα είναι 3000w και η ισχύς δακτυλίου είναι μεταξύ 1500w και 2500w (ID 19-20), εμφανίζονται εμφανείς ρωγμές στη διεπαφή μεταξύ πλούσιου σιδήρου και πλούσιου αλουμινίου, σχηματίζοντας ένα τοπικό μοτίβο μικρών οπών διείσδυσης. Όταν η ισχύς δακτυλίου είναι 3000 και 3500w (ID 21 και 22), επιτυγχάνεται λειτουργία πλήρους διείσδυσης σε κλειδαρότρυπα.
Αντιπροσωπευτικές εικόνες διατομής κάθε αναγνώρισης συγκόλλησης υπό οπτικό μικροσκόπιο
Σχήμα 4. (α) Η σχέση μεταξύ της μέγιστης αντοχής σε εφελκυσμό (UTS) και του λόγου ισχύος σε δοκιμές συγκόλλησης· (β) Η συνολική ισχύς όλων των δοκιμών συγκόλλησης
Σχήμα 5. (α) Σχέση μεταξύ λόγου διαστάσεων και UTS· (β) Η σχέση μεταξύ έκτασης και βάθους διείσδυσης και UTS· (γ) Πυκνότητα ισχύος για όλες τις δοκιμές συγκόλλησης
Σχήμα 6. (ac) Χάρτης περιγράμματος μικροσκληρότητας Vickers. (df) Αντίστοιχα χημικά φάσματα SEM-EDS για αντιπροσωπευτική συγκόλληση σε τρόπο αγωγιμότητας. (g) Σχηματικό διάγραμμα της διεπαφής μεταξύ χάλυβα και αλουμινίου. (h) Fe2Al5 και συνολικό πάχος IMC συγκολλήσεων σε τρόπο αγωγιμότητας.
Σχήμα 7. (ac) Χάρτης περιγράμματος μικροσκληρότητας εσοχής Vickers. (df) Αντίστοιχο χημικό φάσμα SEM-EDS για αντιπροσωπευτική συγκόλληση με τοπική διείσδυση και διάτρηση.
Σχήμα 8. (ac) Χάρτης περιγράμματος μικροσκληρότητας εσοχής Vickers. (df) Αντίστοιχο χημικό φάσμα SEM-EDS για αντιπροσωπευτική συγκόλληση με διάτρηση πλήρους διείσδυσης
Σχήμα 9. Το διάγραμμα EBSD δείχνει το μέγεθος των κόκκων της πλούσιας σε σίδηρο περιοχής (άνω πλάκα) στη δοκιμή λειτουργίας διάτρησης πλήρους διείσδυσης και ποσοτικοποιεί την κατανομή μεγέθους των κόκκων.
Σχήμα 10. Φάσματα SEM-EDS της διεπιφάνειας μεταξύ πλούσιου σιδήρου και πλούσιου αλουμινίου
Αυτή η μελέτη διερεύνησε τις επιδράσεις του λέιζερ ARM στον σχηματισμό, τη μικροδομή και τις μηχανικές ιδιότητες του IMC σε ανόμοιες συγκολλημένες ενώσεις με επικάλυψη από κράμα αλουμινίου IF χάλυβα-1050. Η μελέτη έλαβε υπόψη τρεις τρόπους συγκόλλησης (τρόπος αγωγιμότητας, τρόπος τοπικής διείσδυσης και τρόπος πλήρους διείσδυσης) και τρία επιλεγμένα σχήματα δέσμης λέιζερ (Γκαουσιανή δέσμη, δακτυλιοειδής δέσμη και Γκαουσιανή δακτυλιοειδής δέσμη). Τα αποτελέσματα της έρευνας δείχνουν ότι η επιλογή της κατάλληλης αναλογίας ισχύος της Γκαουσιανής δέσμης και της δακτυλιοειδούς δέσμης είναι μια βασική παράμετρος για τον έλεγχο του σχηματισμού και της μικροδομής του εσωτερικού τροποποιημένου άνθρακα, μεγιστοποιώντας έτσι τις μηχανικές ιδιότητες της συγκόλλησης. Στη λειτουργία αγωγιμότητας, μια κυκλική δέσμη με λόγο ισχύος 0,2 παρέχει την καλύτερη αντοχή συγκόλλησης (71% απόδοση σύνδεσης). Στη λειτουργία διάτρησης, η Γκαουσιανή δέσμη παράγει μεγαλύτερο βάθος συγκόλλησης και υψηλότερη αναλογία διαστάσεων, αλλά η ένταση συγκόλλησης μειώνεται σημαντικά. Η δακτυλιοειδής δέσμη με λόγο ισχύος 0,5 έχει σημαντικό αντίκτυπο στη βελτίωση των πλευρικών κόκκων του χάλυβα στη ραφή συγκόλλησης. Αυτό οφείλεται στη χαμηλότερη μέγιστη θερμοκρασία της δακτυλιοειδούς δοκού που οδηγεί σε ταχύτερο ρυθμό ψύξης, και στο φαινόμενο περιορισμού της ανάπτυξης της μετανάστευσης διαλυμένης ουσίας Al προς το άνω μέρος της ραφής συγκόλλησης στη δομή των κόκκων. Υπάρχει ισχυρή συσχέτιση μεταξύ της μικροσκληρότητας Vickers και της πρόβλεψης του ποσοστού όγκου φάσης από το Thermo Calc. Όσο μεγαλύτερο είναι το ποσοστό όγκου του Fe4Al13, τόσο υψηλότερη είναι η μικροσκληρότητα.
Ώρα δημοσίευσης: 25 Ιανουαρίου 2024
