Beim Verbinden von Stahl und Aluminium bilden sich während des Verbindungsprozesses durch die Reaktion zwischen Eisen- und Aluminiumatomen spröde intermetallische Verbindungen (IMV). Das Vorhandensein dieser IV begrenzt die mechanische Festigkeit der Verbindung, weshalb ihre Menge kontrolliert werden muss. Die Bildung von IV ist auf die geringe Löslichkeit von Eisen in Aluminium zurückzuführen. Überschreitet die Menge einen bestimmten Wert, kann dies die mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht beeinträchtigen. IV weisen spezifische Eigenschaften wie Härte, begrenzte Duktilität und Zähigkeit sowie besondere morphologische Merkmale auf. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Fe₂Al₅-IMV-Schicht im Vergleich zu anderen IV als die sprödeste gilt (11,8).± Die Bildung der intermetallischen Phase (IMC) bei 1,8 GPa ist die Hauptursache für die Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften aufgrund von Schweißfehlern. Diese Arbeit untersucht das Fernlaserschweißen von IF-Stahl und 1050-Aluminium mit einem einstellbaren Ringlaser und analysiert den Einfluss der Laserstrahlform auf die Bildung intermetallischer Verbindungen und die mechanischen Eigenschaften. Durch Anpassung des Kern-/Ringleistungsverhältnisses konnte gezeigt werden, dass im Leitungsmodus ein Kern-/Ringleistungsverhältnis von 0,2 eine größere Schweißnaht-Verbindungsfläche und eine signifikante Reduzierung der Dicke der Fe₂Al₅-IMC ermöglicht und somit die Scherfestigkeit der Verbindung verbessert.
Dieser Artikel untersucht den Einfluss eines einstellbaren Ringlasermodus auf die Bildung intermetallischer Verbindungen und die mechanischen Eigenschaften beim Laserschweißen von IF-Stahl und 1050-Aluminium. Die Ergebnisse zeigen, dass im Leitungsmodus ein Kern-/Ringleistungsverhältnis von 0,2 eine größere Schweißnahtoberfläche ergibt, was sich in einer maximalen Scherfestigkeit von 97,6 N/mm² (Verbindungswirkungsgrad 71 %) widerspiegelt. Im Vergleich zu Gauß-Lasern mit einem Leistungsverhältnis größer als 1 reduziert dies die Dicke der intermetallischen Verbindung Fe₂Al₅ (IMC) um 62 % und die Gesamtdicke der IMC um 40 %. Im Perforationsmodus wurden im Vergleich zum Leitungsmodus Risse und eine geringere Scherfestigkeit beobachtet. Bemerkenswert ist die signifikante Kornfeinung in der Schweißnaht bei einem Kern-/Ringleistungsverhältnis von 0,5.
Bei r=0 wird nur Schleifenleistung erzeugt, bei r=1 hingegen nur Kernleistung.
Schematische Darstellung des Leistungsverhältnisses r zwischen Gaußscher Strahl und Ringstrahl
(a) Schweißvorrichtung; (b) Tiefe und Breite des Schweißprofils; (c) Schematische Darstellung der Proben- und Vorrichtungseinstellungen
MC-Test: Nur bei Verwendung eines Gaußschen Strahls befindet sich die Schweißnaht anfänglich im Flachleitungsmodus (ID 1 und 2) und geht dann in den teilweise durchdringenden Lochleitungsmodus über (ID 3–5), wobei deutliche Risse auftreten. Bei einer Erhöhung der Ringleistung von 0 auf 1000 W traten bei ID 7 keine deutlichen Risse auf, und die Tiefe der Eisenanreicherung war relativ gering. Bei einer Erhöhung der Ringleistung auf 2000 und 2500 W (ID 9 und 10) nahm die Tiefe der eisenreichen Zone zu. Bei einer Ringleistung von 2500 W (ID 10) traten übermäßige Risse auf.
MR-Test: Bei einer Kernleistung zwischen 500 und 1000 W (ID 11 und 12) befindet sich die Schweißnaht im Leitungsmodus. Beim Vergleich von ID 12 und ID 7 zeigt sich, dass bei ID 7 trotz gleicher Gesamtleistung (6000 W) ein Lochschweißen auftritt. Dies ist auf die deutlich geringere Leistungsdichte bei ID 12 aufgrund der dominanten Schleifencharakteristik (r = 0,2) zurückzuführen. Bei einer Gesamtleistung von 7500 W (ID 15) wird Volldurchschweißen erreicht. Im Vergleich zu den bei ID 7 verwendeten 6000 W ist die Leistung im Volldurchschweißmodus deutlich höher.
IC-Test: Der leitungsgebundene Modus (ID 16 und 17) wurde bei einer Kernleistung von 1500 W und Ringleistungen von 3000 W bzw. 3500 W erreicht. Bei einer Kernleistung von 3000 W und einer Ringleistung zwischen 1500 W und 2500 W (ID 19–20) traten deutliche Risse an der Grenzfläche zwischen eisen- und aluminiumreichem Bereich auf, die ein lokales, durchdringendes Lochmuster bildeten. Bei Ringleistungen von 3000 W und 3500 W (ID 21 und 22) wurde ein vollständig durchdringender Schlüssellochmodus erreicht.
Repräsentative Querschnittsbilder der einzelnen Schweißnahtidentifizierungen unter einem optischen Mikroskop
Abbildung 4. (a) Der Zusammenhang zwischen der Zugfestigkeit (UTS) und dem Leistungsverhältnis bei Schweißversuchen; (b) Die Gesamtleistung aller Schweißversuche
Abbildung 5. (a) Zusammenhang zwischen Aspektverhältnis und Zugfestigkeit; (b) Zusammenhang zwischen Dehnung und Einbrandtiefe und Zugfestigkeit; (c) Leistungsdichte für alle Schweißprüfungen
Abbildung 6. (ac) Konturdiagramm der Vickers-Mikrohärte; (df) Zugehörige SEM-EDS-Spektren für repräsentative Schweißungen im Leitungsmodus; (g) Schematische Darstellung der Grenzfläche zwischen Stahl und Aluminium; (h) Dicke der Fe₂Al₅- und der gesamten intermetallischen Phase (IMC) bei Schweißungen im Leitungsmodus.
Abbildung 7. (ac) Konturdiagramm der Vickers-Mikrohärte; (df) zugehöriges SEM-EDS-Spektrum für eine repräsentative lokale Durchdringungsschweißung.
Abbildung 8. (ac) Konturdiagramm der Vickers-Mikrohärte; (df) zugehöriges SEM-EDS-Spektrum für eine repräsentative Volldurchschweißung.
Abbildung 9. Die EBSD-Aufzeichnung zeigt die Korngröße der eisenreichen Region (obere Platte) im Volldurchdringungsversuch und quantifiziert die Korngrößenverteilung.
Abbildung 10. SEM-EDS-Spektren der Grenzfläche zwischen eisenreichem und aluminiumreichem Material.
Diese Studie untersuchte die Auswirkungen des ARM-Lasers auf die Bildung, das Mikrogefüge und die mechanischen Eigenschaften intermetallischer Phasen (IMP) in Überlappschweißverbindungen aus IF-Stahl und der Aluminiumlegierung 1050. Drei Schweißmodi (Konduktionsmodus, lokaler Durchschweißmodus und Volldurchschweißmodus) und drei ausgewählte Laserstrahlformen (Gaußscher Strahl, Ringstrahl und Gaußscher Ringstrahl) wurden betrachtet. Die Ergebnisse zeigen, dass das geeignete Leistungsverhältnis von Gaußscher Strahl und Ringstrahl ein Schlüsselparameter für die Kontrolle der Bildung und des Mikrogefüges des intermetallischen Kohlenstoffs ist und somit die mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht maximiert. Im Konduktionsmodus liefert ein Ringstrahl mit einem Leistungsverhältnis von 0,2 die beste Schweißnahtfestigkeit (71 % Nahtwirkungsgrad). Im Durchschweißmodus erzeugt der Gaußsche Strahl eine größere Schweißtiefe und ein höheres Aspektverhältnis, jedoch ist die Schweißintensität deutlich reduziert. Der Ringstrahl mit einem Leistungsverhältnis von 0,5 hat einen signifikanten Einfluss auf die Verfeinerung der Stahlkornflanken in der Schweißnaht. Dies ist auf die niedrigere Spitzentemperatur des Ringstrahls zurückzuführen, die eine schnellere Abkühlung bedingt, sowie auf die wachstumshemmende Wirkung der Aluminium-Migration in Richtung des oberen Teils der Schweißnaht auf das Korngefüge. Es besteht eine starke Korrelation zwischen der Vickers-Mikrohärte und der von Thermo Calc vorhergesagten Phasenvolumenprozentzahl. Je höher der Volumenanteil von Fe₄Al₁₃ ist, desto höher ist die Mikrohärte.
Veröffentlichungsdatum: 25. Januar 2024
