Prilikom spajanja čelika s aluminijem, reakcija između atoma Fe i Al tijekom procesa spajanja stvara krhke intermetalne spojeve (IMC). Prisutnost ovih IMC-ova ograničava mehaničku čvrstoću spoja, stoga je potrebno kontrolirati količinu tih spojeva. Razlog stvaranja IMC-ova je slaba topljivost Fe u Al. Ako premaši određenu količinu, to može utjecati na mehanička svojstva zavara. IMC-ovi imaju jedinstvena svojstva poput tvrdoće, ograničene duktilnosti i žilavosti te morfoloških značajki. Istraživanja su pokazala da se, u usporedbi s drugim IMC-ovima, sloj Fe2Al5 IMC-a općenito 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 pomoću podesivog prstenastog lasera te detaljno istražuje utjecaj oblika laserske zrake na stvaranje intermetalnih spojeva i mehanička svojstva. Podešavanjem omjera snage jezgre/prstena utvrđeno je da se u načinu rada provođenja, omjerom snage jezgre/prstena od 0,2 može postići bolja površina zavarivanja i značajno smanjiti debljinu Fe2Al5 IMC-a, čime se poboljšava smična čvrstoća spoja.
Ovaj članak predstavlja utjecaj lasera s podesivim prstenastim načinom rada na stvaranje intermetalnih spojeva i mehanička svojstva tijekom daljinskog laserskog zavarivanja IF čelika i aluminija 1050. Rezultati istraživanja pokazuju da u načinu rada s provođenjem, omjer snage jezgre/prstena od 0,2 osigurava veću površinu spajanja zavarenog spoja, što se odražava u maksimalnoj čvrstoći na smicanje od 97,6 N/mm2 (učinkovitost spoja od 71%). Osim toga, u usporedbi s Gaussovim snopovima s omjerom snage većim od 1, to značajno smanjuje debljinu intermetalnog spoja (IMC) Fe2Al5 za 62% i ukupnu debljinu IMC-a za 40%. U načinu rada s perforacijom uočene su pukotine i niža čvrstoća na smicanje u usporedbi s načinom rada s provođenjem. Vrijedi napomenuti da je uočeno značajno profinjenje zrna u zavarenom šavu kada je omjer snage jezgre/prstena bio 0,5.
Kada je r=0, generira se samo napajanje petlje, dok kada je r=1, generira se samo napajanje jezgre.
Shematski dijagram omjera snaga r između Gaussove i prstenaste zrake
(a) Uređaj za zavarivanje; (b) Dubina i širina profila zavara; (c) Shematski dijagram prikaza postavki uzorka i uređaja
MC ispitivanje: Samo u slučaju Gaussove zrake, zavareni šav je u početku u plitkom načinu provođenja (ID 1 i 2), a zatim prelazi u djelomično prodirući način rada s bravom (ID 3-5), s pojavom očitih pukotina. Kada se snaga prstena povećala od 0 do 1000 W, nije bilo očitih 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 na snazi prstena od 2500 W (ID 10).
MR test: Kada je snaga jezgre između 500 i 1000 W (ID 11 i 12), zavar je u načinu provođenja; Uspoređujući ID 12 i ID 7, iako je ukupna snaga (6000 W) ista, ID 7 implementira način rada s rupom zaključavanja. To je zbog značajnog smanjenja gustoće snage kod ID 12 zbog dominantne karakteristike petlje (r=0,2). Kada ukupna snaga dosegne 7500 W (ID 15), može se postići način punog prodiranja, a u usporedbi sa 6000 W korištenih u ID 7, snaga načina punog prodiranja značajno se povećava.
IC test: Provođeni mod (ID 16 i 17) postignut je pri snazi jezgre od 1500 W i snazi prstena od 3000 W i 3500 W. Kada je snaga jezgre 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, tvoreći lokalni uzorak prodirućih malih rupica. Kada je snaga prstena 3000 i 3500 W (ID 21 i 22), postiže se mod potpune penetracije kroz ključanicu.
Reprezentativne slike presjeka svake identifikacije zavara pod optičkim mikroskopom
Slika 4. (a) Odnos između granične vlačne 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) Konturna karta udubljenja mikrotvrdoće po Vickersu; (df) Odgovarajući SEM-EDS kemijski spektri za reprezentativno zavarivanje u konduktivnom načinu rada; (g) Shematski dijagram granice između čelika i aluminija; (h) Fe2Al5 i ukupna IMC debljina zavara u konduktivnom načinu rada
Slika 7. (ac) Konturna karta udubljenja mikrotvrdoće po Vickersu; (df) Odgovarajući SEM-EDS kemijski spektar za reprezentativno zavarivanje perforacijom s lokalnim prodiranjem
Slika 8. (ac) Konturna karta udubljenja po Vickersu; (df) Odgovarajući SEM-EDS kemijski spektar za reprezentativno zavarivanje perforacijom s potpunim prodiranjem
Slika 9. EBSD dijagram prikazuje veličinu zrna područja bogatog željezom (gornja ploča) u testu perforacije s potpunom penetracijom i kvantificira raspodjelu veličine zrna
Slika 10. SEM-EDS spektri granice između bogatog željeza i bogatog aluminija
Ova studija istraživala je učinke ARM lasera na formiranje, mikrostrukturu i mehanička svojstva IMC-a u preklopljenim zavarenim spojevima različitih materijala od IF čelika i aluminijeve legure 1050. Studija je razmotrila tri načina zavarivanja (način provođenja, način lokalnog prodiranja i način potpunog 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 unutarnjeg modalnog ugljika, čime se maksimiziraju mehanička svojstva zavara. U načinu provođenja, kružni snop s omjerom snage od 0,2 pruža najbolju čvrstoću zavarivanja (učinkovitost spoja 71%). U načinu perforacije, Gaussov snop proizvodi veću dubinu zavarivanja i veći omjer stranica, ali je intenzitet zavarivanja značajno smanjen. Prstenasti snop s 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 brže brzine hlađenja i učinka ograničenja rasta migracije otopljenog Al prema gornjem dijelu zavara na strukturu zrna. Postoji jaka korelacija između Vickersove mikrotvrdoće i Thermo Calcove predikcije postotka volumena faze. Što je veći postotak volumena Fe4Al13, to je veća mikrotvrdoća.
Vrijeme objave: 25. siječnja 2024.
