Energiaga reguleeritava rõngakujulise punktlaseri mõju metallidevaheliste ühendite moodustumisele ja mehaanilistele omadustele teras-alumiiniumlaserkeevitatud ülekatteühendustes

Terase ja alumiiniumi ühendamisel toimub Fe ja Al aatomite vaheline reaktsioon ühendusprotsessi ajal, mille käigus moodustuvad haprad metallidevahelised ühendid (IMC-d). Nende IMC-de olemasolu piirab ühenduse mehaanilist tugevust, mistõttu on vaja kontrollida nende ühendite hulka. IMC-de moodustumise põhjuseks on Fe halb lahustuvus Al-is. Kui see ületab teatud koguse, võib see mõjutada keevisõmbluse mehaanilisi omadusi. IMC-del on ainulaadsed omadused, nagu kõvadus, piiratud venivus ja sitkus ning morfoloogilised omadused. Uuringud on näidanud, et võrreldes teiste IMC-dega peetakse Fe2Al5 IMC kihti laialdaselt kõige hapramaks (11,8± 1,8 GPa) IMC faasis ja on ka peamine põhjus keevitusvea tõttu mehaaniliste omaduste vähenemisele. Käesolev artikkel uurib IF-terase ja 1050 alumiiniumi kaugjuhtimisega laserkeevitust reguleeritava rõngasrežiimiga laseri abil ning uurib põhjalikult laserkiire kuju mõju metallidevaheliste ühendite moodustumisele ja mehaanilistele omadustele. Südamiku/rõnga võimsuse suhte reguleerimisega leiti, et juhtivusrežiimis saab südamiku/rõnga võimsuse suhtega 0,2 saavutada parema keevisõmbluse liidese liimimispinna ja vähendada oluliselt Fe2Al5 IMC paksust, parandades seeläbi vuugi nihketugevust.

See artikkel tutvustab reguleeritava rõngasrežiimiga laseri mõju metallidevaheliste ühendite moodustumisele ja mehaanilistele omadustele IF-terase ja 1050 alumiiniumi kaugjuhtimisega laserkeevitamisel. Uurimistulemused näitavad, et juhtivusrežiimis tagab südamiku/rõnga võimsussuhe 0,2 suurema keevisõmbluse liidese pinna, mida peegeldab maksimaalne nihketugevus 97,6 N/mm2 (liite efektiivsus 71%). Lisaks vähendab see võrreldes Gaussi taladega, mille võimsussuhe on suurem kui 1, oluliselt Fe2Al5 metallidevahelise ühendi (IMC) paksust 62% ja IMC kogupaksust 40%. Perforatsioonirežiimis täheldati pragusid ja madalamat nihketugevust võrreldes juhtivusrežiimiga. Väärib märkimist, et südamiku/rõnga võimsussuhe 0,5 korral täheldati keevisõmbluses olulist terade peenenemist.

Kui r=0, genereeritakse ainult silmusvõimsust, samas kui r=1, genereeritakse ainult põhivõimsust.

Gaussi tala ja rõngastala võimsussuhte r skemaatiline diagramm

(a) Keevitusseade; (b) Keevisprofiili sügavus ja laius; (c) Proovi ja kinnitusvahendite sätete skemaatiline diagramm

MC-test: Ainult Gaussi tala puhul on keevisõmblus algselt madalas juhtivusrežiimis (ID 1 ja 2) ning seejärel läheb üle osaliselt läbistavale lukustusaugu režiimile (ID 3-5), ilmnedes ilmseid pragusid. Kui rõngasvõimsus suurenes 0-lt 1000 W-ni, ei olnud ID 7 juures ilmseid pragusid ja raua rikastumise sügavus oli suhteliselt väike. Kui rõngasvõimsus suureneb 2000 ja 2500 W-ni (ID 9 ja 10), suureneb rikka raua tsooni sügavus. Liigne pragunemine 2500 W rõngasvõimsusel (ID 10).

MR-test: Kui südamiku võimsus on vahemikus 500 kuni 1000 W (ID 11 ja 12), on keevisõmblus juhtivusrežiimis; Võrreldes ID 12 ja ID 7, rakendab ID 7 lukustusaugu režiimi, kuigi koguvõimsus (6000 W) on sama. See on tingitud võimsustiheduse olulisest vähenemisest ID 12 juures domineeriva silmuse karakteristiku tõttu (r = 0,2). Kui koguvõimsus ulatub 7500 W-ni (ID 15), on võimalik saavutada täieliku läbitungimise režiim ja võrreldes ID 7-s kasutatud 6000 W-ga on täieliku läbitungimise režiimi võimsus oluliselt suurenenud.

IC-test: Juhtivuslik režiim (ID 16 ja 17) saavutati südamiku võimsusel 1500 W ja rõngasvõimsusel 3000 W ning 3500 W. Kui südamiku võimsus on 3000 W ja rõngasvõimsus on vahemikus 1500 W kuni 2500 W (ID 19–20), tekivad rikaste raua ja rikaste alumiiniumide vahelisele piirile ilmsed praod, mis moodustavad lokaalse läbitungiva väikese augu mustri. Kui rõngasvõimsus on 3000 ja 3500 W (ID 21 ja 22), saavutatakse täielik läbitungiv võtmeaugu režiim.

Iga keevitustuvastuse representatiivsed ristlõikepildid optilise mikroskoobi all

Joonis 4. (a) Keevituskatsete maksimaalse tõmbetugevuse (UTS) ja võimsussuhte vaheline seos; (b) Kõigi keevituskatsete koguvõimsus

Joonis 5. (a) Seos kuvasuhte ja läbitungimissügavuse vahel; (b) Seos pikenemise, läbitungimissügavuse ja läbitungimissügavuse vahel; (c) Võimsustihedus kõigi keevituskatsete puhul

Joonis 6. (ac) Vickersi mikrokõvaduse taande kontuurkaart; (df) Vastavad SEM-EDS keemilised spektrid tüüpilise juhtivusrežiimi keevituse jaoks; (g) Terase ja alumiiniumi vahelise liidese skemaatiline diagramm; (h) Fe2Al5 ja juhtivusrežiimi keevisõmbluste IMC kogupaksus

Joonis 7. (ac) Vickersi mikrokõvaduse taande kontuurkaart; (df) Vastav SEM-EDS keemiline spekter tüüpilise lokaalse läbitungimise perforatsioonirežiimi keevituse jaoks.

Joonis 8. (ac) Vickersi mikrokõvaduse taande kontuurkaart; (df) Vastav SEM-EDS keemiline spekter tüüpilise täisläbitungiva perforatsiooniga keevituse jaoks.

Joonis 9. EBSD-graafik näitab rauarikka piirkonna (ülemise plaadi) terasuurust täieliku läbitungimisega perforatsioonirežiimi testis ja kvantifitseerib terasuuruste jaotust.

Joonis 10. Rikastatud raua ja rikastatud alumiiniumi vahelise piirpinna SEM-EDS spektrid

Käesolevas uuringus uuriti ARM-laseri mõju IMC moodustumisele, mikrostruktuurile ja mehaanilistele omadustele IF-terase-1050 alumiiniumisulamist erinevates keevitatud ühendustes. Uuringus vaadeldi kolme keevitusrežiimi (juhtivusrežiim, lokaalne läbitungimisrežiim ja täielik läbitungimisrežiim) ja kolme valitud laserkiire kuju (Gaussi kiir, rõngakujuline kiir ja Gaussi rõngakujuline kiir). Uurimistulemused näitavad, et Gaussi ja rõngakujulise kiire sobiva võimsussuhte valimine on võtmeparameeter sisemise modaalse süsiniku moodustumise ja mikrostruktuuri kontrollimiseks, maksimeerides seeläbi keevisõmbluse mehaanilisi omadusi. Juhtivusrežiimis tagab ümmargune kiir võimsussuhtega 0,2 parima keevitustugevuse (71% vuugi efektiivsus). Perforatsioonirežiimis annab Gaussi kiir suurema keevitussügavuse ja kõrgema külgsuhte, kuid keevituse intensiivsus väheneb oluliselt. Rõngakujulisel kiirel võimsussuhtega 0,5 on oluline mõju terase külgterade peenusele keevisõmbluses. See on tingitud rõngakujulise tala madalamast tipptemperatuurist, mis viib kiirema jahutuskiiruseni, ja Al-i lahustunud aine migratsiooni kasvu piiravast mõjust keevisõmbluse ülemise osa suunas terastruktuurile. Vickersi mikrokõvaduse ja Thermo Calci prognoositud faasi mahuprotsendi vahel on tugev korrelatsioon. Mida suurem on Fe4Al13 mahuprotsent, seda suurem on mikrokõvadus.