دراسة اللحام بالليزر لصفائح الفولاذ المقاوم للصدأ 304

تعد مركبات وقود الهيدروجين أحد المسارات التقنية الرئيسية لتطوير مركبات الطاقة الجديدة في الصين. بسبب مزاياها مثل التحمل القوي، وانخفاض مستوى الضجيج، والانبعاثات الصفرية، تعتبر الأفضل الاتجاه لتطوير مركبات الطاقة الجديدة.خلايا الوقود هي مصدر الطاقة الرئيسي لمركبات الطاقة الهيدروجينية وعامل رئيسي يؤثر على أداء السيارة. تعد اللوحة ثنائية القطب أحد المكونات الرئيسية للوقود خلية - زنزانة.يعتبر الفولاذ المقاوم للصدأ مناسبًا للإنتاج الضخم لألواح خلايا الوقود ثنائية القطب نظرًا لختمها الممتاز الأداء،الموصلية الكهربائية العالية والسعر المنخفض وطرق التصنيع المتنوعة والخصائص الميكانيكية الجيدة.

تشير لحام تعتبر صفائح الفولاذ المقاوم للصدأ عملية أساسية في عملية تصنيع ألواح خلايا الوقود ثنائية القطب.عند استخدام اللحام القوسي في اللحام، يكون مدخل الحرارة كبيرًا نسبيًا، مما قد يؤدي بسهولة إلى لحام كبير التشوهات، التي لا تساعد على لحام صفائح الفولاذ المقاوم للصدأ.تستخدم هذه المقالة ألياف الليزر لإجراء بحث اللحام على صفائح الفولاذ المقاوم للصدأ 1 بسمك 304 مم، يستكشف تأثيرات معلمات العملية المختلفة عليها تشكيل اللحام وعيوب اللحام، ويحلل البنية المجهرية والخواص الميكانيكية للمفاصل الموجودة تحته مواصفات مختلفة، ل اللحام بالليزر من الفولاذ المقاوم للصدأ 304. تقديم التوجيه بشأن الهندسة العملية تطبيقات لوحات رقيقة.

1 مواد وطرق الاختبار

مادة الاختبار عبارة عن صفائح من الفولاذ المقاوم للصدأ 1 مدلفنة على البارد بسمك 304 مم، ويظهر تركيبها الكيميائي في الجدول 1.ويبين الشكل 1 الهيكل المعدني الأساسي للفولاذ المقاوم للصدأ، والذي يتكون أساسًا من الأوستينيت. هناك المتداول واضح الاتجاه، وتبقى كمية صغيرة من بنية الفريت بين طبقات الأوستينيت.

علامة التبويب 1مواد كيميائيةتركيبمن 304غير القابل للصدأصلب(وزن%)

               Fig.1 المجهريةمن 304غير القابل للصدأصلبقاعدةmETAL

معدات اللحام هو YLS-10000 ليزر الألياف.الحد الأقصى لطاقة خرج الليزر هو 10 كيلو واط،الطول البؤري 300 مم، والطول الموجي الناتج 1070 نانومتر، وقطر البقعة عند التركيز 0.72 مم.استخدم طاقة ليزر مختلفة P وسرعة اللحام v وكمية إزالة تركيز الشعاع D لحام اللوحة وتحليلها

تأثير معلمات العملية المختلفة على التشكيل. تم استخدام غاز الأرجون للحماية أثناء عملية اللحام،وكان معدل تدفق الغاز 15 لتر/دقيقة.بعد اللحام، تم استخدام قطع الأسلاك لأخذ العينات. بعد الطحن والتلميع .تم استخدام كاشف FeCl3 للتآكل. تم استخدام مجهر ستيريو لمراقبة التشكل العياني لقسم اللحام، وتم استخدام المجهر الميتالوغرافي لمراقبة البنية المجهرية للحام.

تم اهتزاز العينات وصقلها، وتم تحليل اتجاه الحبوب وحجمها باستخدام مقياس حيود التشتت الخلفي للإلكترون (EBSD). تم تمديد الوصلات الملحومة باستخدام Zwick-Z100 آلة اختبار الشد في درجة حرارة الغرفة، وكان معدل تمدد المفاصل 0.5 مم / دقيقة.

2 نتائج الاختبار والتحليل

2.1 تأثير معلمات العملية المختلفة على تشكيل التماس اللحام

ويبين الشكل 2 تأثير سرعة اللحام على تكوين اللحام. قوة الليزر دائمًا 100 واط و يبلغ تركيز الشعاع 0 مم. ويمكن ملاحظة أنه عندما تكون سرعة اللحام 5 م / دقيقة، يتم تقسيم اللوحة بالكامل تحت تأثير الليزر. عندما تزيد سرعة اللحام إلى 8 م/دقيقة، يكون اللحام متقطعًا توجد ثقوب مخترقة بالكامل في بعض المواقع؛ وعندما تستمر سرعة اللحام في الزيادة إلى 10 م/دقيقة،السطح والجزء الخلفي من اللحام متساويان ومستمران، ولا توجد ظاهرة احتراق.في هذا الوقت، يكون الشكل العام للحام أفضل، ولكن هناك قطع طفيف في الخلف؛عندما تصل السرعة إلى 12 م/دقيقة، لا يكون هناك اختراق كافٍ في الجزء الخلفي من اللحام.

Fig.2حامتشكيلمعمختلفلحامبسرعة

(P= 100W,D=0mm)

يمكن ملاحظة أن سرعة اللحام لها تأثير كبير على التشكيل. عند سرعات اللحام المنخفضة،الطاقة الخطية للشعاع عالية، ويتبخر المعدن الموجود في البركة المنصهرة بقوة،وقوة رد فعل البخار المتولدة قوية. ومع ذلك، فإن عمق البركة المنصهرة صغير.تحت تأثير البخار المعدني عالي السرعة، يمكن أن يندفع المعدن المنصهر السائل للخارج بسهولة من الجزء الخلفي من الحفرة المنصهرة العميقة والهروب من البركة المنصهرة على شكل دفقة،أو حتى يتم إخراج معدن البركة المنصهر بالكامل من القاع. يتسبب في كسر اللوحة.مع زيادة سرعة اللحام، تنخفض الطاقة الخطية، وتتولد قوة تفاعل التبخر في المعدن المنصهر، ينخفض ​​\u200b\u200bالتأثير على المعدن المنصهر؛ بالإضافة إلى ذلك،تصبح زاوية انحراف العمود المعدني المتولدة في حوض السباحة المعدني المنصهر أكبر،وتنحاز قوة رد فعل التبخر من قاع البركة المنصهرة إلى الجزء الخلفي من البركة المنصهرة البركة المنصهرة، والتي تساعد على تحسين تشكيل اللحام.

ويبين الشكل 3 تشكيل خط اللحام تحت قوى ليزر مختلفة. ال اللحام بالليزر السرعة 10 م / دقيقة وإلغاء تركيز الشعاع هو 0 مم. ويمكن ملاحظة ذلك عندما تزيد قوة الليزر من 5 وات إلى 1000 وات، يتم تحقيق اختراق كامل للوحة الفولاذ المقاوم للصدأ مقاس 1 مم،لكن قوى الليزر المختلفة لها تأثير أكبر على التشكيل.عندما تكون قوة الليزر 5 واط، يكون عرض اللحام ضيقًا نسبيًا، وهناك العديد من ثقوب الاحتراق في اللحام،وهناك العديد من الجزيئات الصغيرة المتناثرة على الظهر.عندما تزيد الطاقة إلى 50 واط، العرض يزداد اللحام وتقل درجة الاحتراق.عندما تزيد الطاقة إلى 100 واط،لم يعد خط اللحام به عيوب احتراق، كما أن تشكيل خط اللحام على الوجهين أفضل في هذا الوقت.

عندما تكون قوة الليزر 500 واط، يكون شكل اللحام العام جيدًا، لكن عدد قليل منه سوف تظهر ثقوب الاحتراق.عندما تزيد القدرة إلى 1000 واط، يستمر عرض اللحام في الزيادة،لكن عدد الثقوب الناتجة عن احتراق اللحام يزيد أيضًا بشكل ملحوظ. ولذلك، عندما يبلغ إلغاء تركيز الشعاع 0 مم، وعندما تكون طاقة الليزر صغيرة أو كبيرة، تكون حساسية خط اللحام للحرق أكبر.قوة الليزر المعتدلة فقط هي التي يمكنها ضمان تشكيل جيد لدرز اللحام. وذلك لأنه عندما تكون طاقة الليزر منخفض، وحجم البركة المنصهرة صغير جدًا، ولا يتطلب الأمر سوى قوة رد فعل صغيرة لتبخر المعدن لإخراج معدن اللحام من الأسفل وإنشاء فتحات احتراق في المواقع المقابلة.عندما تكون قوة الليزر عالية، تكون قوة رد الفعل لتبخر المعدن أكبر، مما قد يؤدي بسهولة إلى الاحتراق من اللحام.

          Fig.3 حامتشكيلatمختلفلحام بور

(v= 10م / دقيقة،D=0مم)

ويبين الشكل 4 تأثير عدم تركيز الشعاع على تشكيل التماس اللحام. النتائج عندما يكون تركيز الشعاع 0 مم تظهر في الشكلين 2 و 3. هنا نعرض بشكل رئيسي النتائج عندما يكون تركيز الشعاع 10 و-10 ملم.كما هو مبين في الشكل 4 (أ) و (ب)، عندما يكون إلغاء تركيز الشعاع 10 مم وتكون سرعة اللحام 10 م/دقيقة، حتى لو تمت زيادة طاقة الليزر من 100 واط إلى 3000 واط، لا يمكن لحام الجزء الخلفي من اللوحة.بناءً على ما إذا كان يتم إنتاج ثقوب اختراق عميقة أثناء عملية اللحام بالليزر، يتم تقسيم اللحام بالليزر إلى وضعين: لحام التوصيل الحراري واللحام الاختراق العميق.هناك عتبة بين الوضعين. بعد هذه العتبة، سيتحول اللحام بالليزر من لحام التوصيل الحراري لحام الاختراق العميق. تستخدم بشكل عام وتوصف هذه العتبة بأنها نسبة قوة الليزر لتحديد القطر أو قوة الليزر لتحديد المنطقة. لذلك، مع زيادة كمية إزالة التركيز البؤري،تصبح بقعة الشعاع أكبر. تحت نفس قوة الليزر وسرعة اللحام،lلحام عسيرسوف يتغير من لحام الاختراق العميق لحام التوصيل الحراري، وسوف ينخفض ​​عمق الاختراق وفقا لذلك.

(A)P= 100W،v= 10م / دقيقة،D=10mm،(B)P= 3000W،v= 10م / دقيقة،

D= 10mm،(C)P= 100W،v=6م / دقيقة،D= 10mm،(D)P= 3000W،

v=6م / دقيقة،D= 10mm،(E)P= 100W،v=6م / دقيقة،D=-10mm،

(F)P= 3000W،v=6م / دقيقة،D=-10mm

      Fig.4 حامتشكيلحيثrمختلفإزالة التركيزالمبالغ

لذلك، عندما تكون كمية إزالة التركيز البؤري 10 مم، يكون وضع اللحام هو لحام التوصيل الحراري. في هذا الوقت،عرض اللحام كبير والعمق صغير. تتركز طاقة الليزر على سطح البركة المنصهرة وقدرة الاختراق محدودة.ولذلك، لا يمكن أن يكون اختراق اللوحة يتم تحقيقه بسرعات لحام أعلى وضمن نطاق طاقة أوسع. عندما تنخفض سرعة اللحام إلى 6 م/دقيقة،الزيادة في مدخلات الحرارة تجعل اللحام مخترقًا بالكامل، ويكون عرض اللحام أكبر، والأمام و يتم تشكيل الظهر بشكل أفضل، كما هو موضح في الشكل 4 (ج) و (د). عندما يكون مقدار إزالة التركيز البؤري - 10 مم و سرعة اللحام هي 6 م/دقيقة، تشكيل التماس اللحام جيد أيضًا، كما هو موضح في الشكل 4 (هـ) و(و).

2.2هيكل المفاصل الملحومة

ويبين الشكل 5 شكل المفصل تحت كميات مختلفة من إزالة تركيز الشعاع. ويمكن ملاحظة ذلك تحت عمليات مختلفة، لا توجد شقوق ومسام وعيوب أخرى في المفاصل. ومع ذلك، عندما يزيل التركيز كمية 0 مم، سوف تحدث عيوب تقويض على الجزء الخلفي من اللحام، وذلك بسبب التبخر القوي

من معدن اللحام في هذا الوقت، فإن الاضطراب في المجمع المنصهر كبير، وخط الانصهار المشترك غير متماثل على الجانبين الأيسر والأيمن. عندما يكون مقدار إلغاء التركيز البؤري 10 أو - 10 مم، فإن كلا الجانبين تظهر الجوانب الأمامية والخلفية للحام شكلاً محدبًا، ويزداد عرض الذوبان.

Fig.5مشتركمورفولوجيامعمختلفإزالة التركيزالمبالغ

ويبين الشكل 6 البنية المجهرية لمعدن اللحام. يوضح الشكل 6 (أ) هيكل اللحام بالقرب من المركز.يوضح الشكل 6 (ب) هيكل اللحام بالقرب من المنطقة المتأثرة بالحرارة.يمكن ملاحظة أن ملف يُظهر هيكل اللحام نموًا بلوريًا عموديًا واضحًا من الحافة إلى المركز، والحبيبات الموجودة في 

منطقة اللحام المتأثرة بالحرارة لا تنمو بشكل ملحوظ.

Fig.6 المجهريةمن أجزاء مختلفةofالمفصل

تتسبب معدلات التبريد لأجزاء مختلفة من اللحام والتركيبات المختلفة للحام في تكوين الفريت تأخذ أشكالًا مختلفة، بما في ذلك كمية كبيرة من الفريت الهيكلي وكمية صغيرة من الفريت الشبيه باللوح.لمزيد من مراقبة اتجاه نمو الحبوب المشتركة وتوزيع حجم الحبوب، يوضح الشكل 7 EBSD تحليل المفصل. يمكن ملاحظة أن المعدن الأساسي يتكون من حبيبات متساوية ذات حجم حبيبي من 10 إلى 30 ميكرومتر. يتبع هيكل اللحام بشكل أساسي الاتجاه <100>، مما يظهر نموًا عموديًا معاكسًا إلى اتجاه تدفق الحرارة. معظم أحجام الحبوب في منطقة اللحام تكون صغيرة، مع متوسط ​​الحبوب حجمها أقل من 100 ميكرومتر، وبقية الحبيبات العمودية أكبر حجماً، ويتراوح حجمها من 100 إلى 400 ميكرومتر.

Fig.7 إي بي إس ديتحليلofمشتركشارعثقب

2.3 الخواص الميكانيكية للمفاصل

يوضح الشكلان 8 و9 قوة الشد وموضع الكسر للمفصل تحت كميات مختلفة من عدم التركيز على التوالي.يمكن العثور على أنه عندما تكون كمية إزالة التركيز 0 مم، فإن موضع كسر المفصل هو الاتصال بينهما اللحام والمعدن الأساسي، لأن هناك قطعًا سفليًا على الجزء الخلفي من المفصل في هذا الوقت، مما يسبب الإجهاد بسهولة التركيز والكسر. عندما تكون كمية إزالة التركيز 10 و - 10 مم، يتم كسر جميع المفاصل في المعدن الأساسي بعيدا عن اللحام. في هذا الوقت، تكون قوة الشد واستطالة المفاصل عالية.

Fig.8 الشدتزداد قوةhمن المفصل تحتمختلفإزالة التركيزالمبالغ

Fig.9 كسر العظممواقفمن الانضمامر تحتمختلفإزالة التركيزالمبالغ

3 الخلاصة

1. سرعة اللحام، وقوة الليزر، وإلغاء تركيز الشعاع كلها لها تأثير كبير على تشكيل اللحام بمقدار 1 مم سميك304 غير القابل للصدأصفائح الفولاذ. مع زيادة سرعة اللحام من الصغيرة إلى الكبيرة، يتم تشكيل التماس اللحام التغييراتمنفصل تمامًا، وحسن التكوين،لحام غير مكتمل؛ إذا كانت طاقة الليزر صغيرة جدًا أو كبيرة جدًا،حساسية اختراق اللحام ستكون أكبر.عندما تكون قوة الليزر 100 واط، يكون إلغاء التركيز 0 مم،وسرعة اللحام 10 م/دقيقة، سيتم تشكيل اللحام بشكل أفضل.الزيادةفي مقدار إلغاء التركيز مواتيةلتحسين تشكيل التماس اللحام، مما يزيد من عرض التماس اللحام،يقلل من الحساسية بشكل كبيرمن التثقيب، ويزيد من نطاق معلمات اللحام.
2. الشكل المقطعي للمفصل مع مقدار إزالة التركيز البؤري 10 و - 10 مم جيد ولا توجد به عيوب؛وضع التصلب لمعدن اللحام هو التصلب FA، والذي يتكون من الأوستينيت γ anد تحولت بشكل غير كامل δ الفريت.ويظهر الفريت أشكالا مختلفة، بما في ذلك كمية كبيرة من الفريت الهيكلي وكمية صغيرة من الفريت الشبيه باللوح؛هيكل اللحام بشكل رئيسيينمو عموديًا على طول الاتجاه<100>.معظم أحجام الحبوب في منطقة اللحام صغيرة،ومتوسط ​​حجم الحبوب أقل من 100 ميكرومتر.العمودي المتبقي البلورات أكبر حجمًا، ويتراوح حجمها من 100 إلى 400 ميكرومتر.
3. عندما تكون كمية إزالة التركيز 10، - 10 مم، يكون للمفصل قوة شد واستطالة عالية، وموضع الكسر is في المادة الأساسية. ومع ذلك، عندما تكون كمية إزالة التركيز 0 مم، ينخفض ​​أداء المفصل، ويحدث الكسر ان يرتفع المركزاغلقإلى اللحام.