Khi nối thép với nhôm, phản ứng giữa các nguyên tử Fe và Al trong quá trình nối tạo thành các hợp chất liên kim loại (IMC) giòn. Sự hiện diện của các IMC này hạn chế độ bền cơ học của mối nối, do đó cần phải kiểm soát lượng các hợp chất này. Nguyên nhân hình thành IMC là do độ hòa tan của Fe trong Al kém. Nếu vượt quá một lượng nhất định, nó có thể ảnh hưởng đến các tính chất cơ học của mối hàn. IMC có các đặc tính độc đáo như độ cứng, độ dẻo và độ dai hạn chế, và các đặc điểm hình thái. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng so với các IMC khác, lớp IMC Fe2Al5 được coi là giòn nhất (11,8).± Pha IMC (Fe2Al5) có cường độ chịu kéo dài 1,8 GPa, và đây cũng là nguyên nhân chính gây ra sự suy giảm các tính chất cơ học do hỏng mối hàn. Bài báo này nghiên cứu quá trình hàn laser từ xa thép IF và nhôm 1050 bằng laser chế độ vòng điều chỉnh được, và nghiên cứu sâu ảnh hưởng của hình dạng chùm tia laser đến sự hình thành các hợp chất liên kim loại và các tính chất cơ học. Bằng cách điều chỉnh tỷ lệ công suất lõi/vòng, người ta nhận thấy rằng ở chế độ dẫn, tỷ lệ công suất lõi/vòng là 0,2 có thể đạt được diện tích bề mặt liên kết giao diện mối hàn tốt hơn và giảm đáng kể độ dày của IMC Fe2Al5, từ đó cải thiện độ bền cắt của mối nối.
Bài báo này giới thiệu ảnh hưởng của laser chế độ vòng điều chỉnh được đến sự hình thành các hợp chất liên kim loại và tính chất cơ học trong quá trình hàn laser từ xa thép IF và nhôm 1050. Kết quả nghiên cứu cho thấy, ở chế độ dẫn nhiệt, tỷ lệ công suất lõi/vòng là 0,2 tạo ra diện tích bề mặt liên kết giao diện mối hàn lớn hơn, được thể hiện bằng độ bền cắt tối đa là 97,6 N/mm2 (hiệu suất mối hàn 71%). Ngoài ra, so với chùm tia Gaussian có tỷ lệ công suất lớn hơn 1, điều này làm giảm đáng kể độ dày của hợp chất liên kim loại Fe2Al5 (IMC) xuống 62% và tổng độ dày IMC xuống 40%. Ở chế độ xuyên thủng, các vết nứt và độ bền cắt thấp hơn được quan sát thấy so với chế độ dẫn nhiệt. Điều đáng chú ý là sự tinh luyện hạt đáng kể được quan sát thấy trong đường hàn khi tỷ lệ công suất lõi/vòng là 0,5.
Khi r=0, chỉ có công suất vòng được tạo ra, trong khi khi r=1, chỉ có công suất lõi được tạo ra.
Sơ đồ biểu diễn tỷ số công suất r giữa chùm tia Gaussian và chùm tia hình vành khuyên.
(a) Thiết bị hàn; (b) Chiều sâu và chiều rộng của đường hàn; (c) Sơ đồ hiển thị mẫu và cài đặt đồ gá.
Thử nghiệm MC: Chỉ trong trường hợp chùm tia Gaussian, đường hàn ban đầu ở chế độ dẫn nhiệt nông (ID 1 và 2), sau đó chuyển sang chế độ lỗ khóa xuyên một phần (ID 3-5), xuất hiện các vết nứt rõ ràng. Khi công suất vòng tăng từ 0 đến 1000 W, không có vết nứt rõ ràng ở ID 7 và độ sâu vùng giàu sắt tương đối nhỏ. Khi công suất vòng tăng lên 2000 và 2500 W (ID 9 và 10), độ sâu vùng giàu sắt tăng lên. Xuất hiện nhiều vết nứt ở công suất vòng 2500W (ID 10).
Kiểm tra MR: Khi công suất lõi nằm trong khoảng từ 500 đến 1000 W (ID 11 và 12), đường hàn ở chế độ dẫn nhiệt; So sánh ID 12 và ID 7, mặc dù tổng công suất (6000W) là như nhau, ID 7 lại thực hiện chế độ lỗ khóa. Điều này là do mật độ công suất giảm đáng kể ở ID 12 do đặc tính vòng lặp chiếm ưu thế (r=0,2). Khi tổng công suất đạt 7500 W (ID 15), có thể đạt được chế độ xuyên thấu hoàn toàn, và so với 6000 W được sử dụng trong ID 7, công suất của chế độ xuyên thấu hoàn toàn tăng lên đáng kể.
Kiểm tra IC: Chế độ dẫn điện (ID 16 và 17) đạt được ở công suất lõi 1500W và công suất vòng 3000W và 3500W. Khi công suất lõi là 3000W và công suất vòng nằm trong khoảng từ 1500W đến 2500W (ID 19-20), các vết nứt rõ ràng xuất hiện tại giao diện giữa vùng giàu sắt và vùng giàu nhôm, tạo thành một dạng lỗ nhỏ xuyên thấu cục bộ. Khi công suất vòng là từ 3000 đến 3500W (ID 21 và 22), đạt được chế độ lỗ xuyên thấu hoàn toàn.
Hình ảnh mặt cắt ngang tiêu biểu của từng mối hàn được quan sát dưới kính hiển vi quang học.
Hình 4. (a) Mối quan hệ giữa độ bền kéo tối đa (UTS) và tỷ lệ công suất trong các thử nghiệm hàn; (b) Tổng công suất của tất cả các thử nghiệm hàn
Hình 5. (a) Mối quan hệ giữa tỷ lệ kích thước và độ bền kéo tối đa (UTS); (b) Mối quan hệ giữa độ giãn dài và độ sâu xuyên thấu với độ bền kéo tối đa (UTS); (c) Mật độ công suất cho tất cả các thử nghiệm hàn
Hình 6. (ac) Bản đồ đường đồng mức độ cứng vi mô Vickers; (df) Phổ hóa học SEM-EDS tương ứng cho mối hàn dẫn điện điển hình; (g) Sơ đồ giao diện giữa thép và nhôm; (h) Độ dày Fe2Al5 và tổng độ dày IMC của các mối hàn dẫn điện.
Hình 7. (ac) Bản đồ đường đồng mức độ cứng vi mô Vickers; (df) Phổ hóa học SEM-EDS tương ứng cho phương pháp hàn xuyên thủng cục bộ điển hình.
Hình 8. (ac) Bản đồ đường đồng mức độ cứng vi mô Vickers; (df) Phổ hóa học SEM-EDS tương ứng cho phương pháp hàn xuyên thủng hoàn toàn điển hình.
Hình 9. Biểu đồ EBSD thể hiện kích thước hạt của vùng giàu sắt (tấm trên) trong thử nghiệm xuyên thủng hoàn toàn, và định lượng sự phân bố kích thước hạt.
Hình 10. Phổ SEM-EDS của vùng giao diện giữa giàu sắt và giàu nhôm.
Nghiên cứu này đã khảo sát ảnh hưởng của laser ARM đến sự hình thành, cấu trúc vi mô và tính chất cơ học của hợp chất liên kim loại (IMC) trong các mối hàn chồng không đồng nhất giữa thép IF và hợp kim nhôm 1050. Nghiên cứu đã xem xét ba chế độ hàn (chế độ dẫn nhiệt, chế độ xuyên cục bộ và chế độ xuyên toàn phần) và ba hình dạng chùm tia laser được lựa chọn (chùm tia Gaussian, chùm tia hình vòng và chùm tia Gaussian hình vòng). Kết quả nghiên cứu cho thấy việc lựa chọn tỷ lệ công suất thích hợp của chùm tia Gaussian và chùm tia hình vòng là một thông số quan trọng để kiểm soát sự hình thành và cấu trúc vi mô của cacbon liên kim loại, từ đó tối đa hóa các tính chất cơ học của mối hàn. Ở chế độ dẫn nhiệt, chùm tia tròn với tỷ lệ công suất 0,2 cho độ bền hàn tốt nhất (hiệu suất mối hàn 71%). Ở chế độ xuyên, chùm tia Gaussian tạo ra độ sâu hàn lớn hơn và tỷ lệ khung hình cao hơn, nhưng cường độ hàn giảm đáng kể. Chùm tia hình vòng với tỷ lệ công suất 0,5 có tác động đáng kể đến sự tinh luyện các hạt thép ở cạnh đường hàn. Điều này là do nhiệt độ đỉnh thấp hơn của chùm tia hình vòng dẫn đến tốc độ làm nguội nhanh hơn, và hiệu ứng hạn chế tăng trưởng do sự di chuyển của chất hòa tan Al về phía phần trên của đường hàn lên cấu trúc hạt. Có mối tương quan chặt chẽ giữa độ cứng vi mô Vickers và dự đoán phần trăm thể tích pha của Thermo Calc. Phần trăm thể tích Fe4Al13 càng lớn thì độ cứng vi mô càng cao.
Thời gian đăng bài: 25 tháng 1 năm 2024
