Quando si collega l'acciaio all'alluminio, la reazione tra gli atomi di Fe e Al durante il processo di collegamento forma composti intermetallici fragili (IMC). La presenza di questi IMC limita la resistenza meccanica del collegamento, pertanto è necessario controllare la quantità di questi composti. La ragione della formazione di IMC è che la solubilità del Fe nell'Al è scarsa. Se supera una certa quantità, può influenzare le proprietà meccaniche della saldatura. Gli IMC hanno proprietà uniche come durezza, duttilità e tenacità limitate e caratteristiche morfologiche. La ricerca ha scoperto che rispetto ad altri IMC, lo strato di IMC Fe2Al5 è ampiamente considerato il più fragile (11,8± 1,8 GPa) fase IMC, ed è anche la ragione principale della diminuzione delle proprietà meccaniche dovuta al cedimento della saldatura. Questo articolo studia il processo di saldatura laser a distanza dell'acciaio IF e dell'alluminio 1050 utilizzando un laser ad anello regolabile e analizza in dettaglio l'influenza della forma del fascio laser sulla formazione di composti intermetallici e sulle proprietà meccaniche. Regolando il rapporto di potenza core/ring, si è scoperto che in modalità di conduzione, un rapporto di potenza core/ring di 0,2 può ottenere una migliore area superficiale di adesione dell'interfaccia di saldatura e ridurre significativamente lo spessore dell'IMC Fe2Al5, migliorando così la resistenza al taglio del giunto.
Questo articolo illustra l'influenza del laser ad anello regolabile sulla formazione di composti intermetallici e sulle proprietà meccaniche durante la saldatura laser a distanza di acciaio IF e alluminio 1050. I risultati della ricerca indicano che, in modalità di conduzione, un rapporto di potenza core/ring di 0,2 fornisce una maggiore area di contatto dell'interfaccia di saldatura, che si riflette in una resistenza al taglio massima di 97,6 N/mm² (efficienza del giunto del 71%). Inoltre, rispetto ai fasci gaussiani con un rapporto di potenza superiore a 1, ciò riduce significativamente lo spessore del composto intermetallico Fe₂Al₅ (IMC) del 62% e lo spessore totale dell'IMC del 40%. In modalità di perforazione, sono state osservate cricche e una minore resistenza al taglio rispetto alla modalità di conduzione. È importante notare che è stato osservato un significativo affinamento del grano nel cordone di saldatura quando il rapporto di potenza core/ring era pari a 0,5.
Quando r=0, viene generata solo energia nel circuito, mentre quando r=1, viene generata solo energia nel nucleo.
Diagramma schematico del rapporto di potenza r tra fascio gaussiano e fascio anulare.
(a) Dispositivo di saldatura; (b) Profondità e larghezza del profilo di saldatura; (c) Schema di visualizzazione del campione e delle impostazioni del dispositivo di fissaggio
Test MC: Solo nel caso del fascio gaussiano, il cordone di saldatura è inizialmente in modalità di conduzione superficiale (ID 1 e 2), e poi passa alla modalità di penetrazione parziale (ID 3-5), con la comparsa di crepe evidenti. Quando la potenza dell'anello è aumentata da 0 a 1000 W, non si sono osservate crepe evidenti in ID 7 e la profondità dell'arricchimento di ferro è risultata relativamente piccola. Quando la potenza dell'anello aumenta a 2000 e 2500 W (ID 9 e 10), la profondità della zona ricca di ferro aumenta. Eccessiva formazione di crepe a 2500 W di potenza dell'anello (ID 10).
Test MR: Quando la potenza del nucleo è compresa tra 500 e 1000 W (ID 11 e 12), il cordone di saldatura è in modalità di conduzione; Confrontando ID 12 e ID 7, sebbene la potenza totale (6000 W) sia la stessa, ID 7 implementa una modalità di foro di bloccaggio. Ciò è dovuto alla significativa diminuzione della densità di potenza in ID 12 a causa della caratteristica di anello dominante (r=0,2). Quando la potenza totale raggiunge 7500 W (ID 15), è possibile ottenere la modalità di penetrazione completa e, rispetto ai 6000 W utilizzati in ID 7, la potenza della modalità di penetrazione completa è significativamente aumentata.
Test IC: La modalità condotta (ID 16 e 17) è stata raggiunta con una potenza del nucleo di 1500 W e una potenza dell'anello di 3000 W e 3500 W. Quando la potenza del nucleo è di 3000 W e la potenza dell'anello è compresa tra 1500 W e 2500 W (ID 19-20), compaiono crepe evidenti all'interfaccia tra il ferro ricco e l'alluminio ricco, formando un piccolo schema di fori penetranti localizzati. Quando la potenza dell'anello è di 3000 e 3500 W (ID 21 e 22), si ottiene la modalità keyhole a penetrazione completa.
Immagini rappresentative in sezione trasversale di ciascuna saldatura identificata, osservate al microscopio ottico.
Figura 4. (a) Relazione tra resistenza a trazione ultima (UTS) e rapporto di potenza nelle prove di saldatura; (b) Potenza totale di tutte le prove di saldatura
Figura 5. (a) Relazione tra rapporto d'aspetto e UTS; (b) Relazione tra estensione e profondità di penetrazione e UTS; (c) Densità di potenza per tutte le prove di saldatura
Figura 6. (ac) Mappa di contorno dell'indentazione di microdurezza Vickers; (df) Spettri chimici SEM-EDS corrispondenti per una saldatura rappresentativa in modalità di conduzione; (g) Schema dell'interfaccia tra acciaio e alluminio; (h) Spessore di Fe2Al5 e dello strato IMC totale delle saldature in modalità di conduzione.
Figura 7. (ac) Mappa di contorno dell'indentazione di microdurezza Vickers; (df) Spettro chimico SEM-EDS corrispondente per la saldatura rappresentativa in modalità di perforazione a penetrazione locale.
Figura 8. (ac) Mappa di contorno dell'indentazione di microdurezza Vickers; (df) Spettro chimico SEM-EDS corrispondente per una saldatura rappresentativa in modalità di perforazione a penetrazione completa.
Figura 9. Il grafico EBSD mostra la dimensione dei grani della regione ricca di ferro (piastra superiore) nel test in modalità di perforazione a penetrazione completa e quantifica la distribuzione della dimensione dei grani.
Figura 10. Spettri SEM-EDS dell'interfaccia tra una miscela ricca di ferro e una ricca di alluminio.
Questo studio ha analizzato gli effetti del laser ARM sulla formazione, la microstruttura e le proprietà meccaniche del carbonio modale interno (IMC) in giunti saldati a sovrapposizione dissimili tra acciaio IF e lega di alluminio 1050. Lo studio ha considerato tre modalità di saldatura (modalità di conduzione, modalità di penetrazione locale e modalità di penetrazione completa) e tre forme del fascio laser selezionate (fascio gaussiano, fascio anulare e fascio anulare gaussiano). I risultati della ricerca indicano che la scelta del rapporto di potenza appropriato tra il fascio gaussiano e il fascio anulare è un parametro chiave per controllare la formazione e la microstruttura del carbonio modale interno, massimizzando così le proprietà meccaniche della saldatura. In modalità di conduzione, un fascio circolare con un rapporto di potenza di 0,2 fornisce la migliore resistenza di saldatura (efficienza del giunto del 71%). In modalità di perforazione, il fascio gaussiano produce una maggiore profondità di saldatura e un rapporto di aspetto più elevato, ma l'intensità di saldatura è significativamente ridotta. Il fascio anulare con un rapporto di potenza di 0,5 ha un impatto significativo sull'affinamento dei grani laterali dell'acciaio nel cordone di saldatura. Ciò è dovuto alla minore temperatura di picco della trave anulare che determina una velocità di raffreddamento più rapida e all'effetto di restrizione della crescita della migrazione del soluto di Al verso la parte superiore del cordone di saldatura sulla struttura del grano. Esiste una forte correlazione tra la microdurezza Vickers e la previsione di Thermo Calc della percentuale di volume della fase. Maggiore è la percentuale di volume di Fe4Al13, maggiore è la microdurezza.
Data di pubblicazione: 25 gennaio 2024
