Beim Verbinden von Stahl mit Aluminium entstehen durch die Reaktion zwischen Fe- und Al-Atomen während des Verbindungsprozesses spröde intermetallische Verbindungen (IMCs). Das Vorhandensein dieser IMCs begrenzt die mechanische Festigkeit der Verbindung, daher ist es notwendig, die Menge dieser Verbindungen zu kontrollieren. Der Grund für die Bildung von IMCs liegt darin, dass die Löslichkeit von Fe in Al schlecht ist. Wenn sie einen bestimmten Wert überschreitet, kann dies Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht haben. IMCs verfügen über einzigartige Eigenschaften wie Härte, begrenzte Duktilität und Zähigkeit sowie morphologische Merkmale. Untersuchungen haben ergeben, dass die Fe2Al5-IMC-Schicht im Vergleich zu anderen IMCs allgemein als die sprödeste gilt (11,8).± 1,8 GPa) IMC-Phase und ist auch der Hauptgrund für die Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften aufgrund von Schweißfehlern. Dieser Artikel untersucht den Remote-Laserschweißprozess von IF-Stahl und 1050-Aluminium mit einem einstellbaren Ringmoduslaser und untersucht eingehend den Einfluss der Laserstrahlform auf die Bildung intermetallischer Verbindungen und mechanischer Eigenschaften. Durch die Anpassung des Kern-/Ring-Leistungsverhältnisses wurde festgestellt, dass im Leitungsmodus ein Kern-/Ring-Leistungsverhältnis von 0,2 eine bessere Verbindungsoberfläche der Schweißschnittstelle erreichen und die Dicke des Fe2Al5-IMC erheblich reduzieren kann, wodurch die Scherfestigkeit der Verbindung verbessert wird .
In diesem Artikel wird der Einfluss des einstellbaren Ringmoduslasers auf die Bildung intermetallischer Verbindungen und mechanischer Eigenschaften beim Remote-Laserschweißen von IF-Stahl und 1050-Aluminium vorgestellt. Die Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass im Leitungsmodus ein Kern/Ring-Leistungsverhältnis von 0,2 eine größere Verbindungsoberfläche der Schweißschnittstelle bietet, was sich in einer maximalen Scherfestigkeit von 97,6 N/mm2 (Verbindungseffizienz von 71 %) widerspiegelt. Darüber hinaus wird im Vergleich zu Gaußschen Strahlen mit einem Leistungsverhältnis von mehr als 1 die Dicke der intermetallischen Verbindung Fe2Al5 (IMC) deutlich um 62 % und die Gesamtdicke der IMC um 40 % reduziert. Im Perforationsmodus wurden im Vergleich zum Leitungsmodus Risse und eine geringere Scherfestigkeit beobachtet. Es ist erwähnenswert, dass bei einem Kern/Ring-Leistungsverhältnis von 0,5 eine deutliche Kornverfeinerung in der Schweißnaht beobachtet wurde.
Bei r=0 wird nur Schleifenstrom erzeugt, während bei r=1 nur Kernstrom erzeugt wird.
Schematische Darstellung des Leistungsverhältnisses r zwischen Gaußstrahl und Ringstrahl
(a) Schweißgerät; (b) Die Tiefe und Breite des Schweißprofils; (c) Schematische Darstellung der Anzeige von Proben- und Vorrichtungseinstellungen
MC-Test: Nur beim Gaußschen Strahl befindet sich die Schweißnaht zunächst im flachen Leitungsmodus (ID 1 und 2) und geht dann in den teilweise durchdringenden Lockhole-Modus (ID 3-5) über, wobei deutliche Risse auftreten. Als die Ringleistung von 0 auf 1000 W anstieg, traten bei ID 7 keine offensichtlichen Risse auf und die Tiefe der Eisenanreicherung war relativ gering. Wenn die Ringleistung auf 2000 und 2500 W (IDs 9 und 10) ansteigt, nimmt die Tiefe der eisenreichen Zone zu. Übermäßiges Knacken bei 2500 W Ringleistung (ID 10).
MR-Test: Bei einer Kernleistung zwischen 500 und 1000 W (ID 11 und 12) befindet sich die Schweißnaht im Konduktionsmodus; Beim Vergleich von ID 12 und ID 7 ist festzustellen, dass die Gesamtleistung (6000 W) zwar gleich ist, ID 7 jedoch einen Lock-Hole-Modus implementiert. Dies ist auf die deutliche Abnahme der Leistungsdichte bei ID 12 aufgrund der dominanten Schleifencharakteristik (r=0,2) zurückzuführen. Wenn die Gesamtleistung 7500 W (ID 15) erreicht, kann der Vollpenetrationsmodus erreicht werden, und im Vergleich zu den 6000 W, die in ID 7 verwendet werden, ist die Leistung des Vollpenetrationsmodus deutlich erhöht.
IC-Test: Der leitungsgebundene Modus (ID 16 und 17) wurde bei 1500 W Kernleistung und 3000 W und 3500 W Ringleistung erreicht. Wenn die Kernleistung 3000 W und die Ringleistung zwischen 1500 W und 2500 W (ID 19–20) beträgt, treten an der Grenzfläche zwischen reichem Eisen und reichem Aluminium deutliche Risse auf, die ein lokal durchdringendes Muster kleiner Löcher bilden. Wenn die Ringleistung 3000 und 3500 W (ID 21 und 22) beträgt, erreichen Sie den Schlüssellochmodus mit vollständiger Durchdringung.
Repräsentative Querschnittsbilder jeder Schweißidentifizierung unter einem optischen Mikroskop
Abbildung 4. (a) Die Beziehung zwischen der Zugfestigkeit (UTS) und dem Leistungsverhältnis bei Schweißversuchen; (b) Die Gesamtleistung aller Schweißtests
Abbildung 5. (a) Beziehung zwischen Seitenverhältnis und UTS; (b) Die Beziehung zwischen Ausdehnung und Eindringtiefe und UTS; (c) Leistungsdichte für alle Schweißprüfungen
Abbildung 6. (ac) Vickers-Mikrohärte-Einkerbungskonturkarte; (df) Entsprechende chemische SEM-EDS-Spektren für repräsentatives Leitungsmodusschweißen; (g) Schematische Darstellung der Grenzfläche zwischen Stahl und Aluminium; (h) Fe2Al5 und Gesamt-IMC-Dicke von Schweißnähten im leitfähigen Modus
Abbildung 7. (ac) Vickers-Mikrohärte-Einkerbungskonturkarte; (df) Entsprechendes chemisches SEM-EDS-Spektrum für repräsentatives Schweißen im Perforationsmodus mit lokaler Eindringung
Abbildung 8. (ac) Vickers-Mikrohärte-Einkerbungskonturkarte; (df) Entsprechendes chemisches SEM-EDS-Spektrum für repräsentatives Perforationsmodusschweißen mit vollständiger Durchdringung
Abbildung 9. Das EBSD-Diagramm zeigt die Korngröße des eisenreichen Bereichs (obere Platte) im Perforationsmodustest mit vollständiger Durchdringung und quantifiziert die Korngrößenverteilung
Abbildung 10. SEM-EDS-Spektren der Grenzfläche zwischen reichem Eisen und reichem Aluminium
Diese Studie untersuchte die Auswirkungen des ARM-Lasers auf die Bildung, Mikrostruktur und mechanischen Eigenschaften von IMC in unterschiedlichen Überlappschweißverbindungen aus IF-Stahl und 1050-Aluminiumlegierung. Die Studie berücksichtigte drei Schweißmodi (Leitungsmodus, lokaler Penetrationsmodus und vollständiger Penetrationsmodus) und drei ausgewählte Laserstrahlformen (Gaußscher Strahl, Ringstrahl und Gaußscher Ringstrahl). Die Forschungsergebnisse zeigen, dass die Auswahl des geeigneten Leistungsverhältnisses von Gauß-Strahl und Ringstrahl ein Schlüsselparameter für die Steuerung der Bildung und Mikrostruktur von internem Modalkohlenstoff ist und dadurch die mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht maximiert. Im Leitungsmodus bietet ein kreisförmiger Strahl mit einem Leistungsverhältnis von 0,2 die beste Schweißfestigkeit (71 % Verbindungseffizienz). Im Perforationsmodus erzeugt der Gaußsche Strahl eine größere Schweißtiefe und ein höheres Seitenverhältnis, aber die Schweißintensität wird deutlich reduziert. Der Ringstrahl mit einem Leistungsverhältnis von 0,5 hat einen wesentlichen Einfluss auf die Verfeinerung der Stahlseitenkörner in der Schweißnaht. Dies ist auf die niedrigere Spitzentemperatur des ringförmigen Strahls zurückzuführen, die zu einer schnelleren Abkühlungsrate führt, und auf den wachstumshemmenden Effekt der Migration gelöster Al-Stoffe in Richtung des oberen Teils der Schweißnaht auf die Kornstruktur. Es besteht eine starke Korrelation zwischen der Vickers-Mikrohärte und der Vorhersage des Phasenvolumenprozentsatzes von Thermo Calc. Je größer der Volumenanteil von Fe4Al13 ist, desto höher ist die Mikrohärte.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 25. Januar 2024
