Al unir acero con aluminio, la reacción entre los átomos de Fe y Al durante el proceso de unión forma compuestos intermetálicos (CIM) frágiles. La presencia de estos CIM limita la resistencia mecánica de la unión, por lo que es necesario controlar la cantidad de estos compuestos. La razón de la formación de CIM es que la solubilidad del Fe en Al es baja. Si excede cierta cantidad, puede afectar las propiedades mecánicas de la soldadura. Los CIM tienen propiedades únicas como dureza, ductilidad y tenacidad limitadas, y características morfológicas. Las investigaciones han encontrado que, en comparación con otros CIM, la capa de CIM Fe2Al5 se considera ampliamente la más frágil (11,8± La fase IMC (1,8 GPa) es también la principal causa de la disminución de las propiedades mecánicas debido a fallos en la soldadura. Este artículo investiga el proceso de soldadura láser remota de acero IF y aluminio 1050 utilizando un láser de modo de anillo ajustable, y analiza en profundidad la influencia de la forma del haz láser en la formación de compuestos intermetálicos y las propiedades mecánicas. Ajustando la relación de potencia núcleo/anillo, se encontró que, en modo de conducción, una relación de potencia núcleo/anillo de 0,2 puede lograr una mejor área de superficie de unión de la interfaz de soldadura y reducir significativamente el espesor de la fase IMC Fe2Al5, mejorando así la resistencia al corte de la unión.
Este artículo presenta la influencia del láser de modo de anillo ajustable en la formación de compuestos intermetálicos y propiedades mecánicas durante la soldadura láser remota de acero IF y aluminio 1050. Los resultados de la investigación indican que, en el modo de conducción, una relación de potencia núcleo/anillo de 0,2 proporciona una mayor área de superficie de unión de la interfaz de soldadura, lo que se refleja en una resistencia al corte máxima de 97,6 N/mm² (eficiencia de unión del 71%). Además, en comparación con los haces gaussianos con una relación de potencia mayor que 1, esto reduce significativamente el espesor del compuesto intermetálico (IMC) Fe₂Al₅ en un 62% y el espesor total de IMC en un 40%. En el modo de perforación, se observaron grietas y una menor resistencia al corte en comparación con el modo de conducción. Cabe destacar que se observó un refinamiento significativo del grano en el cordón de soldadura cuando la relación de potencia núcleo/anillo fue de 0,5.
Cuando r=0, solo se genera potencia en el bucle, mientras que cuando r=1, solo se genera potencia en el núcleo.
Diagrama esquemático de la relación de potencia r entre el haz gaussiano y el haz anular.
(a) Dispositivo de soldadura; (b) Profundidad y anchura del perfil de soldadura; (c) Diagrama esquemático de visualización de la muestra y los ajustes del dispositivo de sujeción.
Prueba MC: Solo en el caso del haz gaussiano, la soldadura se encuentra inicialmente en modo de conducción superficial (ID 1 y 2), y luego pasa a modo de penetración parcial (ID 3-5), con la aparición de grietas evidentes. Cuando la potencia del anillo aumentó de 0 a 1000 W, no hubo grietas evidentes en ID 7 y la profundidad del enriquecimiento de hierro fue relativamente pequeña. Cuando la potencia del anillo aumenta a 2000 y 2500 W (ID 9 y 10), la profundidad de la zona rica en hierro aumenta. Agrietamiento excesivo a 2500 W de potencia del anillo (ID 10).
Prueba MR: Cuando la potencia del núcleo está entre 500 y 1000 W (ID 11 y 12), la soldadura está en modo de conducción; al comparar ID 12 e ID 7, aunque la potencia total (6000 W) es la misma, ID 7 implementa un modo de bloqueo de orificio. Esto se debe a la disminución significativa de la densidad de potencia en ID 12 debido a la característica de bucle dominante (r=0,2). Cuando la potencia total alcanza los 7500 W (ID 15), se puede lograr el modo de penetración completa, y en comparación con los 6000 W utilizados en ID 7, la potencia del modo de penetración completa aumenta significativamente.
Prueba IC: El modo conducido (ID 16 y 17) se logró con una potencia del núcleo de 1500 W y una potencia del anillo de 3000 W y 3500 W. Cuando la potencia del núcleo es de 3000 W y la potencia del anillo está entre 1500 W y 2500 W (ID 19-20), aparecen grietas evidentes en la interfaz entre el hierro rico y el aluminio rico, formando un patrón de pequeños orificios penetrantes localizados. Cuando la potencia del anillo es de 3000 y 3500 W (ID 21 y 22), se logra el modo de orificio de cerradura de penetración completa.
Imágenes transversales representativas de cada identificación de soldadura bajo un microscopio óptico
Figura 4. (a) Relación entre la resistencia máxima a la tracción (UTS) y la relación de potencia en las pruebas de soldadura; (b) Potencia total de todas las pruebas de soldadura.
Figura 5. (a) Relación entre la relación de aspecto y la resistencia a la tracción; (b) Relación entre la extensión y la profundidad de penetración y la resistencia a la tracción; (c) Densidad de potencia para todas las pruebas de soldadura.
Figura 6. (ac) Mapa de contorno de indentación de microdureza Vickers; (df) Espectros químicos SEM-EDS correspondientes para soldadura representativa en modo de conducción; (g) Diagrama esquemático de la interfaz entre acero y aluminio; (h) Espesor de Fe2Al5 y espesor total de IMC de soldaduras en modo de conducción.
Figura 7. (ac) Mapa de contorno de indentación de microdureza Vickers; (df) Espectro químico SEM-EDS correspondiente para soldadura en modo de penetración local representativa
Figura 8. (ac) Mapa de contorno de indentación de microdureza Vickers; (df) Espectro químico SEM-EDS correspondiente para soldadura representativa en modo de perforación de penetración completa.
Figura 9. El gráfico EBSD muestra el tamaño de grano de la región rica en hierro (placa superior) en el ensayo de penetración completa y cuantifica la distribución del tamaño de grano.
Figura 10. Espectros SEM-EDS de la interfaz entre hierro rico y aluminio rico.
Este estudio investigó los efectos del láser ARM en la formación, microestructura y propiedades mecánicas del IMC en uniones soldadas a solape disímiles de acero IF-aleación de aluminio 1050. El estudio consideró tres modos de soldadura (modo de conducción, modo de penetración local y modo de penetración total) y tres formas de haz láser seleccionadas (haz gaussiano, haz anular y haz anular gaussiano). Los resultados de la investigación indican que seleccionar la relación de potencia adecuada del haz gaussiano y del haz anular es un parámetro clave para controlar la formación y la microestructura del carbono modal interno, maximizando así las propiedades mecánicas de la soldadura. En el modo de conducción, un haz circular con una relación de potencia de 0,2 proporciona la mejor resistencia de soldadura (71 % de eficiencia de la unión). En el modo de perforación, el haz gaussiano produce una mayor profundidad de soldadura y una mayor relación de aspecto, pero la intensidad de la soldadura se reduce significativamente. El haz anular con una relación de potencia de 0,5 tiene un impacto significativo en el refinamiento de los granos laterales del acero en el cordón de soldadura. Esto se debe a la menor temperatura máxima del haz anular, que conlleva una velocidad de enfriamiento más rápida, y al efecto de restricción del crecimiento de la migración del soluto de Al hacia la parte superior del cordón de soldadura sobre la estructura granular. Existe una fuerte correlación entre la microdureza Vickers y la predicción del porcentaje de volumen de fase de Thermo Calc. Cuanto mayor sea el porcentaje de volumen de Fe4Al13, mayor será la microdureza.
Fecha de publicación: 25 de enero de 2024
