Prilikom spajanja čelika s aluminijem, reakcija između atoma Fe i Al tokom procesa spajanja formira krhke intermetalne spojeve (IMC). Prisustvo ovih IMC-ova ograničava mehaničku čvrstoću spoja, stoga je potrebno kontrolirati količinu ovih spojeva. Razlog za formiranje IMC-ova je slaba topljivost Fe u Al. Ako premaši određenu količinu, to može utjecati na mehanička svojstva zavara. IMC-ovi imaju jedinstvena svojstva kao što su tvrdoća, ograničena duktilnost i žilavost, te morfološke karakteristike. Istraživanja su pokazala da se, u poređenju s drugim IMC-ovima, sloj Fe2Al5 IMC-a smatra najkrhkijim (11,8± 1,8 GPa) IMC faza, a ujedno je i glavni razlog smanjenja mehaničkih svojstava zbog kvara zavarivanja. Ovaj rad istražuje proces daljinskog laserskog zavarivanja IF čelika i aluminija 1050 korištenjem podesivog prstenastog lasera i detaljno istražuje utjecaj oblika laserskog snopa na formiranje intermetalnih spojeva i mehanička svojstva. Podešavanjem odnosa snage jezgra/prsten, utvrđeno je da se u modu provodljivosti, odnos snage jezgra/prsten od 0,2 može postići bolja površina zavarivanja i značajno smanjiti debljinu Fe2Al5 IMC-a, čime se poboljšava čvrstoća spoja na smicanje.
Ovaj članak predstavlja utjecaj lasera s podesivim prstenastim modom na formiranje intermetalnih spojeva i mehanička svojstva tokom daljinskog laserskog zavarivanja IF čelika i aluminija 1050. Rezultati istraživanja pokazuju da u modu vođenja, odnos snage jezgra/prsten od 0,2 osigurava veću površinu spajanja zavarenog spoja, što se odražava maksimalnom čvrstoćom na smicanje od 97,6 N/mm2 (efikasnost spoja od 71%). Osim toga, u poređenju s Gaussovim snopovima s omjerom snage većim od 1, ovo značajno smanjuje debljinu intermetalnog spoja (IMC) Fe2Al5 za 62% i ukupnu debljinu IMC-a za 40%. U modu perforacije, uočene su pukotine i niža čvrstoća na smicanje u poređenju s modom vođenja. Vrijedi napomenuti da je uočeno značajno profinjenje zrna u zavarenom šavu kada je odnos snage jezgra/prsten bio 0,5.
Kada je r=0, generira se samo napajanje petlje, dok kada je r=1, generira se samo napajanje jezgra.
Shematski dijagram odnosa snaga r između Gaussovog snopa i prstenastog snopa
(a) Uređaj za zavarivanje; (b) Dubina i širina profila zavara; (c) Shematski dijagram prikaza postavki uzorka i uređaja
MC test: Samo u slučaju Gaussovog snopa, zavareni šav je u početku u modu plitke provodljivosti (ID 1 i 2), a zatim prelazi u mod djelomično prodiruće brave (ID 3-5), s pojavom očiglednih pukotina. Kada se snaga prstena povećala od 0 do 1000 W, nije bilo očiglednih pukotina na ID 7, a dubina obogaćivanja željezom bila je relativno mala. Kada se snaga prstena poveća na 2000 i 2500 W (ID 9 i 10), dubina zone bogate željezom se povećava. Prekomjerno pucanje pri snazi prstena od 2500 W (ID 10).
MR test: Kada je snaga jezgra između 500 i 1000 W (ID 11 i 12), zavar je u modu provođenja; Upoređujući ID 12 i ID 7, iako je ukupna snaga (6000 W) ista, ID 7 implementira mod zaključane rupe. To je zbog značajnog smanjenja gustine snage kod ID 12 zbog dominantne karakteristike petlje (r=0,2). Kada ukupna snaga dostigne 7500 W (ID 15), može se postići mod punog prodiranja, a u poređenju sa 6000 W korištenih u ID 7, snaga moda punog prodiranja je značajno povećana.
IC test: Provođeni mod (ID 16 i 17) postignut je pri snazi jezgra od 1500 W i snazi prstena od 3000 W i 3500 W. Kada je snaga jezgra 3000 W, a snaga prstena između 1500 W i 2500 W (ID 19-20), na granici između bogatog željeza i bogatog aluminija pojavljuju se očite pukotine, formirajući lokalni uzorak prodirućih malih rupa. Kada je snaga prstena 3000 i 3500 W (ID 21 i 22), postiže se mod potpune penetracije kroz ključaonicu.
Reprezentativne slike poprečnog presjeka svake identifikacije zavara pod optičkim mikroskopom
Slika 4. (a) Odnos između granične zatezne čvrstoće (UTS) i omjera snage u ispitivanjima zavarivanja; (b) Ukupna snaga svih ispitivanja zavarivanja
Slika 5. (a) Odnos između omjera stranica i UTS-a; (b) Odnos između produžetka i dubine prodiranja i UTS-a; (c) Gustoća snage za sva ispitivanja zavarivanja
Slika 6. (ac) Mapa kontura udubljenja mikrotvrdoće po Vickersu; (df) Odgovarajući SEM-EDS hemijski spektri za reprezentativno zavarivanje u konduktivnom modu; (g) Shematski dijagram granične površine između čelika i aluminija; (h) Fe2Al5 i ukupna IMC debljina zavara u konduktivnom modu
Slika 7. (ac) Mapa kontura udubljenja po Vickersu; (df) Odgovarajući SEM-EDS hemijski spektar za reprezentativno zavarivanje perforacijom s lokalnim prodiranjem
Slika 8. (ac) Mapa kontura udubljenja po Vickersu; (df) Odgovarajući SEM-EDS hemijski spektar za reprezentativno zavarivanje perforacijom s potpunim prodiranjem
Slika 9. EBSD dijagram prikazuje veličinu zrna područja bogatog željezom (gornja ploča) u testu perforacije s punom penetracijom i kvantificira raspodjelu veličine zrna
Slika 10. SEM-EDS spektri granične površine između bogatog željeza i bogatog aluminija
Ova studija istraživala je utjecaj ARM lasera na formiranje, mikrostrukturu i mehanička svojstva IMC-a u spojevima preklopno zavarenim spojevima IF čelika i aluminijske legure 1050 različitih materijala. Studija je razmotrila tri načina zavarivanja (mod provođenja, mod lokalnog prodiranja i mod punog prodiranja) i tri odabrana oblika laserskog snopa (Gaussov snop, prstenasti snop i Gaussov prstenasti snop). Rezultati istraživanja pokazuju da je odabir odgovarajućeg omjera snage Gaussovog snopa i prstenastog snopa ključni parametar za kontrolu formiranja i mikrostrukture unutrašnjeg modalnog ugljika, čime se maksimiziraju mehanička svojstva zavara. U modu provođenja, kružni snop sa omjerom snage od 0,2 pruža najbolju čvrstoću zavarivanja (efikasnost spoja 71%). U modu perforacije, Gaussov snop proizvodi veću dubinu zavarivanja i veći omjer stranica, ali je intenzitet zavarivanja značajno smanjen. Prstenasti snop sa omjerom snage od 0,5 ima značajan utjecaj na pročišćavanje bočnih zrna čelika u zavaru. To je zbog niže vršne temperature prstenaste grede što dovodi do bržeg hlađenja i efekta ograničenja rasta migracije rastvorenog Al prema gornjem dijelu zavara na strukturu zrna. Postoji jaka korelacija između Vickersove mikrotvrdoće i Thermo Calcove predviđanja procenta volumena faze. Što je veći procenat volumena Fe4Al13, to je veća mikrotvrdoća.
Vrijeme objave: 25. januar 2024.
