Jungiant plieną su aliuminiu, jungimo proceso metu vykstanti reakcija tarp Fe ir Al atomų sudaro trapius tarpmetalinius junginius (IMC). Šių IMC buvimas riboja jungties mechaninį stiprumą, todėl būtina kontroliuoti šių junginių kiekį. IMC susidarymo priežastis yra ta, kad Fe prastai tirpsta Al. Jei jo kiekis viršija tam tikrą ribą, tai gali paveikti suvirinimo siūlės mechanines savybes. IMC pasižymi unikaliomis savybėmis, tokiomis kaip kietumas, ribotas tąsumas ir tvirtumas, bei morfologinėmis savybėmis. Tyrimai parodė, kad, palyginti su kitais IMC, Fe2Al5 IMC sluoksnis yra plačiai laikomas trapiausiu (11,8± 1,8 GPa) IMC fazė, ir taip pat yra pagrindinė mechaninių savybių sumažėjimo dėl suvirinimo gedimo priežastis. Šiame straipsnyje nagrinėjamas IF plieno ir 1050 aliuminio nuotolinio lazerinio suvirinimo procesas naudojant reguliuojamo žiedinio režimo lazerį, ir išsamiai nagrinėjama lazerio spindulio formos įtaka tarpmetalinių junginių susidarymui ir mechaninėms savybėms. Reguliuojant šerdies/žiedo galios santykį, nustatyta, kad laidumo režimu šerdies/žiedo galios santykis 0,2 gali pasiekti geresnį suvirinimo tarpinės jungties paviršiaus plotą ir žymiai sumažinti Fe2Al5 IMC storį, taip pagerinant jungties šlyties stiprumą.
Šiame straipsnyje pristatoma reguliuojamo žiedinio režimo lazerio įtaka tarpmetalinių junginių susidarymui ir mechaninėms savybėms nuotolinio IF plieno ir 1050 aliuminio lazerinio suvirinimo metu. Tyrimo rezultatai rodo, kad laidumo režimu, kai šerdies ir žiedo galios santykis yra 0,2, gaunamas didesnis suvirinimo tarpinės jungties paviršiaus plotas, o tai atsispindi maksimaliame 97,6 N/mm2 šlyties stiprio režime (71 % jungties efektyvumas). Be to, palyginti su Gauso spinduliais, kurių galios santykis yra didesnis nei 1, tai žymiai sumažina Fe2Al5 tarpmetalinio junginio (IMC) storį 62 %, o bendrą IMC storį – 40 %. Perforacijos režimu, palyginti su laidumo režimu, pastebėti įtrūkimai ir mažesnis šlyties stipris. Verta paminėti, kad, kai šerdies ir žiedo galios santykis buvo 0,5, suvirinimo siūlėje pastebėtas reikšmingas grūdelių smulkėjimas.
Kai r=0, generuojama tik kilpos energija, o kai r=1, generuojama tik pagrindinė energija.
Gauso ir žiedinės sijos galios santykio r schema
(a) Suvirinimo įrenginys; (b) Suvirinimo profilio gylis ir plotis; (c) Scheminė diagrama, kurioje pavaizduoti mėginio ir tvirtinimo įtaiso nustatymai
MC bandymas: Tik Gauso sijos atveju suvirinimo siūlė iš pradžių yra negilaus laidumo režime (ID 1 ir 2), o vėliau pereina į dalinai prasiskverbiančios šliuzo angos režimą (ID 3–5), atsiranda akivaizdžių įtrūkimų. Kai žiedo galia padidėjo nuo 0 iki 1000 W, ID 7 akivaizdžių įtrūkimų nebuvo, o geležies sodrinimo gylis buvo santykinai mažas. Kai žiedo galia padidėjo iki 2000 ir 2500 W (ID 9 ir 10), geležies sodrinimo zonos gylis padidėjo. Per didelis įtrūkimų atsiradimas esant 2500 W žiedo galiai (ID 10).
MR bandymas: kai šerdies galia yra nuo 500 iki 1000 W (ID 11 ir 12), suvirinimo siūlė yra laidumo režime; Lyginant ID 12 ir ID 7, nors bendra galia (6000 W) yra tokia pati, ID 7 įdiegia užrakto skylės režimą. Taip yra dėl žymiai sumažėjusio galios tankio ties ID 12 dėl dominuojančios kilpos charakteristikos (r = 0,2). Kai bendra galia pasiekia 7500 W (ID 15), galima pasiekti visiško įsiskverbimo režimą, o palyginti su 6000 W, naudojamu ID 7, visiško įsiskverbimo režimo galia žymiai padidėja.
IC bandymas: laidumo režimas (ID 16 ir 17) buvo pasiektas esant 1500 W šerdies galiai ir 3000 W bei 3500 W žiedo galiai. Kai šerdies galia yra 3000 W, o žiedo galia yra nuo 1500 W iki 2500 W (ID 19–20), sodriosios geležies ir sodriosios aliuminio sąsajoje atsiranda akivaizdžių įtrūkimų, kurie sudaro vietinį įsiskverbiantį mažų skylučių raštą. Kai žiedo galia yra 3000 ir 3500 W (ID 21 ir 22), pasiekiamas visiškas įsiskverbimas į rakto skylutę.
Kiekvieno suvirinimo identifikavimo reprezentatyvūs skerspjūvio vaizdai optiniu mikroskopu
4 pav. (a) Didžiausio tempiamojo stiprio (UTS) ir galios santykio ryšys suvirinimo bandymuose; (b) Visų suvirinimo bandymų bendra galia
5 pav. (a) Santykis tarp kraštinių santykio ir UTS; (b) Santykis tarp išplėtimo ir įsiskverbimo gylio bei UTS; (c) Visų suvirinimo bandymų galios tankis
6 pav. (ac) Vickerso mikrokietumo įspaudimo kontūro žemėlapis; (df) Atitinkami SEM-EDS cheminiai spektrai, skirti reprezentatyviam laidumo režimo suvirinimui; (g) Plieno ir aliuminio sąsajos schema; (h) Fe2Al5 ir bendras laidumo režimo suvirinimo siūlių IMC storis
7 pav. (ac) Vickerso mikrokietumo įspaudimo kontūro žemėlapis; (df) Atitinkamas SEM-EDS cheminis spektras, skirtas tipiškam vietinio įsiskverbimo perforacijos režimo suvirinimui.
8 pav. (ac) Vickerso mikrokietumo įspaudimo kontūro žemėlapis; (df) Atitinkamas SEM-EDS cheminis spektras, skirtas reprezentatyviam pilno įsiskverbimo perforacijos režimo suvirinimui.
9 pav. EBSD diagrama rodo geležies turtingos srities (viršutinės plokštės) grūdelių dydį atliekant pilno įsiskverbimo perforacijos režimo bandymą ir kiekybiškai įvertina grūdelių dydžio pasiskirstymą.
10 pav. Sodraus geležies ir sodraus aliuminio sąsajos SEM-EDS spektrai
Šiame tyrime buvo nagrinėjamas ARM lazerio poveikis IMC susidarymui, mikrostruktūrai ir mechaninėms savybėms IF plieno ir 1050 aliuminio lydinio skirtingose užlaidose suvirintose jungtyse. Tyrime buvo nagrinėjami trys suvirinimo režimai (laidumo režimas, vietinio įsiskverbimo režimas ir visiško įsiskverbimo režimas) ir trys pasirinktos lazerio spindulio formos (Gauso spindulys, žiedinis spindulys ir Gauso žiedinis spindulys). Tyrimo rezultatai rodo, kad tinkamo Gauso ir žiedinio spindulio galios santykio pasirinkimas yra pagrindinis parametras, kontroliuojantis vidinės modalinės anglies susidarymą ir mikrostruktūrą, taip maksimaliai padidinant suvirinimo siūlės mechanines savybes. Laidumo režimu apskritas spindulys, kurio galios santykis yra 0,2, užtikrina geriausią suvirinimo stiprumą (71 % jungties efektyvumas). Perforacijos režimu Gauso spindulys sukuria didesnį suvirinimo gylį ir didesnį kraštinių santykį, tačiau suvirinimo intensyvumas yra žymiai sumažintas. Žiedinis spindulys, kurio galios santykis yra 0,5, daro didelę įtaką plieno šoninių grūdelių detalumui suvirinimo siūlėje. Taip yra dėl žemesnės žiedinės sijos maksimalios temperatūros, dėl kurios greičiau aušma, ir dėl Al ištirpusio tirpalo migracijos link viršutinės suvirinimo siūlės dalies grūdelių struktūroje augimo apribojimo. Yra stipri koreliacija tarp Vickerso mikrokietumo ir „Thermo Calc“ prognozės apie fazės tūrio procentą. Kuo didesnė Fe4Al13 tūrio procentinė dalis, tuo didesnis mikrokietumas.
Įrašo laikas: 2024 m. sausio 25 d.
