Pengaruh laser titik anulus boleh laras tenaga terhadap pembentukan dan sifat mekanikal sebatian intermetalik dalam sambungan pusingan kimpalan laser keluli aluminium

Apabila menyambungkan keluli kepada aluminium, tindak balas antara atom Fe dan Al semasa proses penyambungan membentuk sebatian antara logam rapuh (IMC). Kehadiran IMC ini mengehadkan kekuatan mekanikal sambungan, oleh itu adalah perlu untuk mengawal kuantiti sebatian ini. Sebab pembentukan IMC adalah kerana keterlarutan Fe dalam Al adalah lemah. Jika ia melebihi jumlah tertentu, ia boleh menjejaskan sifat mekanikal kimpalan. IMC mempunyai sifat unik seperti kekerasan, kemuluran dan ketahanan yang terhad, dan ciri morfologi. Kajian mendapati bahawa berbanding dengan IMC lain, lapisan IMC Fe2Al5 secara meluas dianggap paling rapuh (11.8± 1.8 GPa) fasa IMC, dan juga merupakan sebab utama penurunan sifat mekanikal akibat kegagalan kimpalan. Kertas kerja ini mengkaji proses kimpalan laser jarak jauh keluli IF dan aluminium 1050 menggunakan laser mod cincin boleh laras, dan mengkaji secara mendalam pengaruh bentuk pancaran laser terhadap pembentukan sebatian antara logam dan sifat mekanikal. Dengan melaraskan nisbah kuasa teras/cincin, didapati bahawa di bawah mod konduksi, nisbah kuasa teras/cincin sebanyak 0.2 boleh mencapai luas permukaan ikatan antara muka kimpalan yang lebih baik dan mengurangkan ketebalan Fe2Al5 IMC dengan ketara, sekali gus meningkatkan kekuatan ricih sambungan.

Artikel ini memperkenalkan pengaruh laser mod cincin boleh laras terhadap pembentukan sebatian antara logam dan sifat mekanikal semasa kimpalan laser jarak jauh bagi keluli IF dan aluminium 1050. Keputusan kajian menunjukkan bahawa di bawah mod konduksi, nisbah kuasa teras/cincin sebanyak 0.2 menyediakan luas permukaan ikatan antara muka kimpalan yang lebih besar, yang dicerminkan oleh kekuatan ricih maksimum 97.6 N/mm2 (kecekapan sambungan sebanyak 71%). Di samping itu, berbanding dengan rasuk Gaussian dengan nisbah kuasa lebih besar daripada 1, ini mengurangkan ketebalan sebatian antara logam Fe2Al5 (IMC) dengan ketara sebanyak 62% dan jumlah ketebalan IMC sebanyak 40%. Dalam mod perforasi, retakan dan kekuatan ricih yang lebih rendah diperhatikan berbanding mod konduksi. Perlu diingatkan bahawa penghalusan butiran yang ketara diperhatikan dalam jahitan kimpalan apabila nisbah kuasa teras/cincin ialah 0.5.

Apabila r=0, hanya kuasa gelung dijana, manakala apabila r=1, hanya kuasa teras dijana.

Gambarajah skematik nisbah kuasa r antara pancaran Gaussian dan pancaran anulus

(a) Peranti kimpalan; (b) Kedalaman dan lebar profil kimpalan; (c) Gambarajah skematik memaparkan tetapan sampel dan lekapan

Ujian MC: Hanya dalam kes rasuk Gaussian, jahitan kimpalan pada mulanya berada dalam mod pengaliran cetek (ID 1 dan 2), dan kemudian beralih kepada mod lubang kunci penembusan separa (ID 3-5), dengan retakan yang jelas muncul. Apabila kuasa gelang meningkat dari 0 hingga 1000 W, tiada retakan yang jelas pada ID 7 dan kedalaman pengayaan besi agak kecil. Apabila kuasa gelang meningkat kepada 2000 dan 2500 W (ID 9 dan 10), kedalaman zon besi kaya meningkat. Keretakan yang berlebihan pada kuasa gelang 2500w (ID 10).

Ujian MR: Apabila kuasa teras berada antara 500 dan 1000 W (ID 11 dan 12), jahitan kimpalan berada dalam mod konduksi; Membandingkan ID 12 dan ID 7, walaupun jumlah kuasa (6000w) adalah sama, ID 7 melaksanakan mod lubang kunci. Ini disebabkan oleh penurunan ketara dalam ketumpatan kuasa pada ID 12 disebabkan oleh ciri gelung dominan (r=0.2). Apabila jumlah kuasa mencapai 7500 W (ID 15), mod penembusan penuh boleh dicapai, dan berbanding dengan 6000 W yang digunakan dalam ID 7, kuasa mod penembusan penuh meningkat dengan ketara.

Ujian IC: Mod yang dijalankan (ID 16 dan 17) dicapai pada kuasa teras 1500w dan kuasa gelang 3000w dan 3500w. Apabila kuasa teras ialah 3000w dan kuasa gelang adalah antara 1500w dan 2500w (ID 19-20), retakan yang jelas akan muncul pada antara muka antara besi kaya dan aluminium kaya, membentuk corak lubang kecil penembusan setempat. Apabila kuasa gelang ialah 3000 dan 3500w (ID 21 dan 22), capai mod lubang kunci penembusan penuh.

Imej keratan rentas perwakilan bagi setiap pengenalpastian kimpalan di bawah mikroskop optik

Rajah 4. (a) Hubungan antara kekuatan tegangan muktamad (UTS) dan nisbah kuasa dalam ujian kimpalan; (b) Jumlah kuasa semua ujian kimpalan

Rajah 5. (a) Hubungan antara nisbah aspek dan UTS; (b) Hubungan antara kedalaman pemanjangan dan penembusan dan UTS; (c) Ketumpatan kuasa untuk semua ujian kimpalan

Rajah 6. (ac) Peta kontur lekukan mikrokekerasan Vickers; (df) Spektrum kimia SEM-EDS yang sepadan untuk kimpalan mod konduksi yang mewakili; (g) Gambarajah skematik antara muka antara keluli dan aluminium; (h) Fe2Al5 dan ketebalan IMC keseluruhan kimpalan mod konduktif

Rajah 7. (ac) Peta kontur lekukan mikrokekerasan Vickers; (df) Spektrum kimia SEM-EDS yang sepadan untuk kimpalan mod perforasi penembusan setempat yang mewakili

Rajah 8. (ac) Peta kontur lekukan mikrokekerasan Vickers; (df) Spektrum kimia SEM-EDS yang sepadan untuk kimpalan mod perforasi penembusan penuh yang mewakili

Rajah 9. Plot EBSD menunjukkan saiz butiran kawasan kaya besi (plat atas) dalam ujian mod perforasi penembusan penuh dan mengukur taburan saiz butiran

Rajah 10. Spektrum SEM-EDS bagi antara muka antara besi kaya dan aluminium kaya

Kajian ini mengkaji kesan laser ARM terhadap pembentukan, mikrostruktur dan sifat mekanikal IMC dalam sambungan kimpalan pusingan aloi aluminium IF keluli-1050 yang berbeza. Kajian ini mempertimbangkan tiga mod kimpalan (mod pengaliran, mod penembusan setempat dan mod penembusan penuh) dan tiga bentuk pancaran laser terpilih (pancaran Gaussian, pancaran anulus dan pancaran anulus Gaussian). Keputusan kajian menunjukkan bahawa memilih nisbah kuasa pancaran Gaussian dan pancaran anulus yang sesuai adalah parameter utama untuk mengawal pembentukan dan mikrostruktur karbon modal dalaman, sekali gus memaksimumkan sifat mekanikal kimpalan. Dalam mod pengaliran, pancaran bulat dengan nisbah kuasa 0.2 memberikan kekuatan kimpalan terbaik (kecekapan sambungan 71%). Dalam mod perforasi, pancaran Gaussian menghasilkan kedalaman kimpalan yang lebih besar dan nisbah aspek yang lebih tinggi, tetapi keamatan kimpalan berkurangan dengan ketara. Pancaran anulus dengan nisbah kuasa 0.5 mempunyai kesan yang ketara terhadap penghalusan butiran sisi keluli dalam jahitan kimpalan. Ini disebabkan oleh suhu puncak rasuk anulus yang lebih rendah yang membawa kepada kadar penyejukan yang lebih cepat, dan kesan sekatan pertumbuhan migrasi zat terlarut Al ke arah bahagian atas jahitan kimpalan pada struktur butiran. Terdapat korelasi yang kuat antara kekerasan mikro Vickers dan ramalan Thermo Calc tentang peratusan isipadu fasa. Semakin besar peratusan isipadu Fe4Al13, semakin tinggi kekerasan mikro.