Bij het verbinden van staal met aluminium vormt de reactie tussen Fe- en Al-atomen tijdens het verbindingsproces brosse intermetallische verbindingen (IMC's). De aanwezigheid van deze IMC's beperkt de mechanische sterkte van de verbinding, waardoor het noodzakelijk is de hoeveelheid van deze verbindingen te beheersen. De reden voor de vorming van IMC's is de slechte oplosbaarheid van Fe in Al. Als deze een bepaalde hoeveelheid overschrijdt, kan dit de mechanische eigenschappen van de las beïnvloeden. IMC's hebben unieke eigenschappen zoals hardheid, beperkte ductiliteit en taaiheid, en morfologische kenmerken. Onderzoek heeft aangetoond dat de Fe2Al5 IMC-laag, vergeleken met andere IMC's, algemeen wordt beschouwd als de meest brosse (11.8).± De intermetallische verbinding (IMC) vormt een druk van 1,8 GPa en is tevens de belangrijkste oorzaak van de afname van de mechanische eigenschappen als gevolg van lasfouten. Dit artikel onderzoekt het laserlasproces op afstand van IF-staal en 1050-aluminium met behulp van een laser met instelbare ringmodus. De invloed van de laserstraalvorm op de vorming van intermetallische verbindingen en de mechanische eigenschappen wordt diepgaand onderzocht. Door de vermogensverhouding tussen de kern en de ring aan te passen, werd vastgesteld dat in de geleidingsmodus een verhouding van 0,2 een groter hechtingsoppervlak van de lasverbinding oplevert en de dikte van de Fe2Al5 IMC aanzienlijk vermindert, waardoor de schuifsterkte van de verbinding verbetert.
Dit artikel beschrijft de invloed van een laser met instelbare ringmodus op de vorming van intermetallische verbindingen en de mechanische eigenschappen tijdens laserlassen op afstand van IF-staal en 1050-aluminium. De onderzoeksresultaten tonen aan dat in de geleidingsmodus een vermogensverhouding kern/ring van 0,2 zorgt voor een groter hechtingsoppervlak van de lasnaad, wat zich uit in een maximale schuifsterkte van 97,6 N/mm² (lasrendement van 71%). Bovendien wordt, vergeleken met Gaussische bundels met een vermogensverhouding groter dan 1, de dikte van de intermetallische verbinding Fe₂Al₅ (IMC) aanzienlijk verminderd met 62% en de totale IMC-dikte met 40%. In de perforatiemodus werden scheuren en een lagere schuifsterkte waargenomen in vergelijking met de geleidingsmodus. Het is opmerkelijk dat er een significante korrelverfijning in de lasnaad werd waargenomen bij een vermogensverhouding kern/ring van 0,5.
Als r=0, wordt alleen lusvermogen opgewekt, terwijl als r=1, alleen kernvermogen wordt opgewekt.
Schematisch diagram van de vermogensverhouding r tussen een Gaussische bundel en een ringvormige bundel.
(a) Lasapparaat; (b) De diepte en breedte van het lasprofiel; (c) Schematisch diagram van de weergave van de instellingen van het monster en de opspaninrichting
MC-test: Alleen bij een Gaussische bundel bevindt de lasnaad zich aanvankelijk in een ondiepe geleidingsmodus (ID 1 en 2) en gaat vervolgens over in een gedeeltelijk doordringende vergrendelingsmodus (ID 3-5), waarbij duidelijke scheuren ontstaan. Toen het ringvermogen werd verhoogd van 0 naar 1000 W, waren er geen duidelijke scheuren bij ID 7 en was de diepte van de ijzerverrijking relatief klein. Bij een ringvermogen van 2000 W (ID 9 en 10) nam de diepte van de ijzerrijke zone toe. Bij een ringvermogen van 2500 W (ID 10) trad er overmatige scheurvorming op.
MR-test: Wanneer het kernvermogen tussen 500 en 1000 W ligt (ID 11 en 12), bevindt de lasnaad zich in de geleidingsmodus. Bij vergelijking van ID 12 en ID 7, hoewel het totale vermogen (6000 W) gelijk is, implementeert ID 7 een vergrendelingsmodus. Dit komt door de aanzienlijke afname van de vermogensdichtheid bij ID 12 als gevolg van de dominante luskarakteristiek (r=0,2). Wanneer het totale vermogen 7500 W bereikt (ID 15), kan de volledige penetratiemodus worden bereikt. Vergeleken met de 6000 W die bij ID 7 wordt gebruikt, is het vermogen van de volledige penetratiemodus aanzienlijk hoger.
IC-test: De geleidingsmodus (ID 16 en 17) werd bereikt bij een kernvermogen van 1500 W en een ringvermogen van 3000 W en 3500 W. Wanneer het kernvermogen 3000 W is en het ringvermogen tussen 1500 W en 2500 W ligt (ID 19-20), verschijnen er duidelijke scheuren op het grensvlak tussen het ijzerrijke en het aluminiumrijke gebied, waardoor een lokaal patroon van kleine, doordringende gaten ontstaat. Wanneer het ringvermogen 3000 en 3500 W is (ID 21 en 22), wordt de volledig doordringende sleutelgatmodus bereikt.
Representatieve dwarsdoorsnedebeelden van elke lasverbinding onder een optische microscoop.
Figuur 4. (a) Het verband tussen de uiteindelijke treksterkte (UTS) en de vermogensverhouding bij lasproeven; (b) Het totale vermogen van alle lasproeven.
Figuur 5. (a) Relatie tussen aspectverhouding en treksterkte; (b) De relatie tussen verlenging en indringdiepte en treksterkte; (c) Vermogensdichtheid voor alle lasproeven.
Figuur 6. (ac) Contourkaart van de Vickers-microhardheidsindruk; (df) Overeenkomstige SEM-EDS-chemische spectra voor representatieve geleidingslasverbindingen; (g) Schematische weergave van het grensvlak tussen staal en aluminium; (h) Fe2Al5- en totale IMC-dikte van geleidingslasverbindingen.
Figuur 7. (ac) Contourkaart van de Vickers-microhardheidsindruk; (df) Overeenkomend SEM-EDS-chemisch spectrum voor representatieve lokale penetratie-perforatiemoduslassen
Figuur 8. (ac) Contourkaart van de Vickers-microhardheidsindruk; (df) Overeenkomend SEM-EDS-chemisch spectrum voor representatief volledig doorgelast perforerend lassen.
Figuur 9. De EBSD-grafiek toont de korrelgrootte van het ijzerrijke gebied (bovenste plaat) in de test met volledige perforatie en kwantificeert de korrelgrootteverdeling.
Figuur 10. SEM-EDS-spectra van het grensvlak tussen ijzerrijk en aluminiumrijk.
Deze studie onderzocht de effecten van een ARM-laser op de vorming, microstructuur en mechanische eigenschappen van intermetallische verbindingen (IMC) in overlappende lasverbindingen tussen IF-staal en een 1050-aluminiumlegering. De studie omvatte drie lasmodi (geleidingsmodus, lokale penetratiemodus en volledige penetratiemodus) en drie geselecteerde laserbundelvormen (Gaussische bundel, ringvormige bundel en Gaussische ringvormige bundel). De onderzoeksresultaten tonen aan dat de juiste vermogensverhouding tussen de Gaussische en ringvormige bundel een cruciale parameter is voor het beheersen van de vorming en microstructuur van intermetallische verbindingen, waardoor de mechanische eigenschappen van de las worden gemaximaliseerd. In de geleidingsmodus levert een cirkelvormige bundel met een vermogensverhouding van 0,2 de beste lassterkte (71% verbindingsrendement). In de perforatiemodus produceert de Gaussische bundel een grotere lasdiepte en een hogere aspectverhouding, maar de lasintensiteit is aanzienlijk lager. De ringvormige bundel met een vermogensverhouding van 0,5 heeft een significant effect op de verfijning van de zijkorrels van het staal in de lasnaad. Dit komt door de lagere piektemperatuur van de ringvormige balk, wat leidt tot een snellere afkoelsnelheid, en het effect van de groeiremming van de migratie van Al-opgeloste stoffen naar het bovenste deel van de lasnaad op de korrelstructuur. Er is een sterke correlatie tussen de Vickers-microhardheid en de voorspelling van Thermo Calc van het fasevolumepercentage. Hoe groter het volumepercentage Fe4Al13, hoe hoger de microhardheid.
Geplaatst op: 25 januari 2024
