Studie o laserovém svařování plechu z nerez oceli 304

Vozidla poháněná vodíkovým palivem jsou jednou z hlavních technických cest rozvoje vozidel s novými zdroji energie v Číně. Z důvodujejich výhod, jako je velká vydrž, nízký hluk a nulové emise, jsou považována za konečnýsměr rozvoje vozidel s novými zdroji energie.Palivové články jsou hlavním zdrojem energie pro vozidla poháněná vodíkovou energiía klíčovým faktorem ovlivňujícím výkon vozidla. Bipolární deska je jedním z hlavních součástí palivovéhočlánku.Nerezová ocel je vhodná pro masovou výrobu bipolárních desk palivových článků díky svým vynikajícím tvarovacímvlastnostem,vysoké elektřinovodnosti, nízké ceně, různorodým metodám výroby a dobrým mechanickým vlastnostem.

DistribučníSvařováníTvarování listů z nerezové oceli je klíčový proces ve výrobním postupu bipolárních desk palivových článků.Když se používá k svařování obloukové svařování, tepelný vstup je relativně velký, což může snadno způsobit velké deformacesvazku, což není příznivé pro svařování nerezových ocelových plechů.Tento článek používá fibrový laser k provedenísvařovacích studií na 1 mm silných plechů ze 304 nerezové oceli, zkoumá vliv různých procesních parametrů natvorbu svazu a svařovacích vad, a analyzuje mikrostrukturu a mechanické vlastnosti spojů zarůzných specifikací, pro Laserové svařování 304 nerezovou ocel. Poskytuje pokyny pro praktické inženýrskéaplikace tenkých desek.

1Testovací materiály a metody

Testovacím materiálem je 1 mm silný chladičově valený plech ze 304 nerezové oceli a jeho chemické složení je uvedeno v tabulce 1.Obrázek 1 ukazuje základní kovovou strukturu nerdzidé oceli, která je převážně austenitová. Je zde zřetelný směr valčení,a mezi austenitovými vrstvami zůstává malé množství ferritové struktury.

Tab.1Chemickýsložení304NerezOcel(hm%)

Obr.1Mikrostruktura304NerezOcelZákladníMetal

Svařovací zařízení je YLS-10000vlasový laser.Maximální výstupní výkon lasera je 10 kW,fokální délka je 300 mm, výstupní vlnová délka je 1070 nm a průměr skvrny v ohnisku je 0,72 mm.Použijte různé výkony lasera P, spojovací rychlost v a odchylku paprsku D k svařování desky a analyzujte

vliv různých procesních parametrů na formování. Během svařovacího procesu byl použit krytý plyn argon,a rychlost proudění plynu byla 15 L/min.Po svaření bylo pro vzorkování použito drátové řezání. Poté co byly vzorky leštěny a polirovány,byl použit reagens FeCl3 pro korózi. Stereomikroskop byl použit k pozorování makroskopické morfologiepříčného profilu svazu a metalografický mikroskop byl použit k pozorování mikrostruktury svazu.

Vzorky byly vibrované a leštěné, a orientace a velikost vloček byly analyzovány pomocíelektronového zpětného derivačního diffraktometru (EBSD). Svářené spoje byly natahovány pomocí Zwick-Z100materiálového zkoušedla na tah při místnosti teplotě, a rychlost natáhnutí spojů byla 0,5 mm/min.

2Výsledky testů a analýza

2.1 Vliv různých procesních parametrů na tvorbu svářeného švu

Obrázek 2 ukazuje vliv rychlosti svařování na tvorbu švu. Výkon laseru je stále 100 W arozostření paprsku je 0 mm. Je vidět, že když je rychlost svařování 5 m/min, deska je úplně rozdělenapod působením laseru; když se rychlost svařování zvýší na 8 m/min, šev je nespojitý ana některých místech jsou úplně pronikající díry; Když se rychlost svařování dále zvyšuje na 10 m/min,je povrch a zadní strana švu rovnoměrná a spojitá, a nevyskytuje se žádné prohoření.V této chvíli je celkový tvar spoje lepší, ale na zadní straně je mírné podřezání;Když dosáhne rychlost 12 m/min, dochází k nedostatečnému propojení na zadní straně spoje.

Obr.2SvártvarovánípodrůznéSvařováníRychlosti

（P=100W,D=0mm）

Je zřejmé, že rychlost svařování má významný vliv na tvarování. Při nízkých rychlostech svařovánílineární energie paprsku je vysoká, kov v roztavené lázni silně evaporuje,a vyvinutá párová reakční síla je silná. Nicméně hloubka roztavené lázni je malá.Pod působením high-speed kovového páru může kapalný kov z roztavené lázni snadno vytrysknoutze zadní části hluboké roztavené díry a uniknout z roztavené lázni ve formě spršky,nebo dokonce být celá roztavená lázeň úplně vystřelena zespoda. Způsobuje to prasknutí desky.S nárůstem rychlosti svařování klesá lineární energie, evaporační reakční síla vyvolanáv kovové roztavené lázni se snižuje a její dopad na roztavenou lázeň se také snižuje; Navíc,úhel odchylky kovového plamínku vyvolaného v roztavené lázni se zvyšuje,a evaporační reakční síla je posunuta z dna roztavené lázni do zadní částiroztavené lázni, což přispívá ke zlepšení tvary svárců.

Obrázek 3 ukazuje výsledky svařovacích jahod za různých výkonů laseru.Laserové svařování rychlost je10 m/min a defokus laserového paprsku je 0 mm. Je vidět, že při zvýšení výkonu laseruz 5 W na 1000 W se dosáhne úplné průchodnosti ocelové desky 1 mm,ale různé výkony laseru mají větší vliv na tvarování.Když je výkon laseru 5 W, je šířka svařovacího jihu relativně úzká, v jihu je mnoho propalovacích děr,a na zadní straně je mnoho malých střepin.Když se výkon zvýší na 50 W, zvětší se šířkasvařovacího jihu a míra propalování klesá.Když se výkon zvýší na 100 W,vázaný šev již nemá defekty propálení a dvojstranná forma vázaného ševu je lepšív tomto okamžiku.

Když je výkon laseru 500 W, celkový tvar spoje je dobrý, ale malé množstvípropálených děr se objeví.Když se výkon zvýší na 1000 W, šířka spoje pokračuje ve zvyšování,ale počet děr způsobených propálením spoje také významně roste. Proto, když jerozostření paprsku 0 mm, při malém nebo velkém laserovém výkonu je citlivost spoje k propálenívětší.Pouze mírný laserový výkon může zajistit dobré formování spoje. To je proto, že při nízkém laserovém výkonuje objem lázně velmi malý a vyžaduje se pouze malá reakční síla páry kovuzpůsobit vyloučení svářecího kovu zespoda a vytvořit propálené díry na odpovídajících místech.Když je výkon laseru vysoký, reakční síla páry kovu je větší, což může snadno vést k propálenísváru.

Obr.3SvártvarováníNarůznésváření povýkonech

(V=10m/min，D=0mm)

Obrázek 4 ukazuje vliv rozostření paprsku na tvorbu svářecího švu. Výsledky pro rozostření paprsku 0 mmjsou znázorněny na obrázcích 2 a 3. Zde představujeme především výsledky pro rozostření paprsku 10 a -10 mm.Jak je vidět na obrázku 4(a) a (b), když je rozostření paprsku 10 mm a rychlost sváření je10 m/min, i to i tehdy, když je výkon lasery zvýšen z 100 W na 3000 W, nelze prostřednictvím desky svářet.Na základě toho, zda během procesu laserové svařování vznikají hluboké průstřely, se laserové svařování dělído dvou režimů: tepelného provázání a hlubinného svařování.Mezi těmito dvěma režimy existuje práh. Přes tento práh se laserové svařování změní zteplotního provázání na hlubinné svařování. Tento práh obecně popisujeme jako poměr mezilaserovým výkonem a průměrem skvrny nebo laserovým výkonem a plochou skvrny. Proto, jak se zvyšuje množství rozostření,se paprsek stává větším. Za stejného laserového výkonu a rychlosti svařování,Llaserové svařováníse změní zhlubinného svařování na tepelné provázání a hloubka propojení se příslušně sníží.

(A)P=100Š，V=10m/min，D=10mm，(b)P=3000Š，V=10m/min，

D=10mm，(c)P=100Š，V=6m/min，D=10mm，(d)P=3000Š，

V=6m/min，D=10mm，(e)P=100Š，V=6m/min，D=-10mm，

(f)P=3000Š，V=6m/min，D=-10mm

Obr.4Svártvarováníkderrůznérozostřenímnožství

Proto, když je množství rozostření 10 mm, je režim svařování termálním vodivostním svařováním. V tomto okamžiku,je šířka svaru velká a hloubka malá. Energie laseru je soustředěna napovrch tavené lázně a průchodnost je omezena.takže nelze dosáhnout průchodu deskyve vyšších rychlostech svařování a v širším rozsahu výkonu. Když klesne rychlost svařování na 6 m/min,zvýšení tepelného vstupu způsobí, že svarka bude úplně průchozí, šířka svaru je větší a přední izádní strana jsou lépe tvarované, jak je znázorněno na obrázku 4 (c) a (d). Když je množství rozostření - 10 mm arychlost svařování je6 m/min, také je dobrá tvorba spojového švu, jak je znázorněno na obrázku 4 (e) a (f).

2.2Struktura svařených spojů

Obrázek 5 ukazuje morfologii spoje při různých úroveňch odstředivosti paprsku. Je vidět, že přirůzných procesech nejsou v spojích viditelné trhliny, pory a jiné defekty. Nicméně, když je úroveň odstředivosti0 mm, dojdou na zadní straně švu ke zplošťovacím defektům, a kvůli silné parování

svařovaného kovu v této době je velká rušivost v tavené lázni a fúzní linie spojenení symetrická na levé a pravé straně. Když je úroveň odstředivosti 10 nebo -10 mm, oběpřední i zadní strana švu ukazují konvexní tvar a šířka tavení se zvyšuje.

Obr.5Spojmorfologiepodrůznérozostřenímnožství

Obrázek 6 ukazuje mikrostrukturu svařovaného kovu. Obrázek 6(a) ukazuje strukturu svazu blízko středu.Obrázek 6(b) ukazuje strukturu svazu poblíž teplotně ovlivněné zóny.Je vidět, žestruktura svazu ukazuje jasný sloupcovitý růst krystalů od okraje ke středu a v oblasti

teplotně ovlivněné zóny svazu nemají vločky významně narostly.

Obr.6Mikrostrukturarůzných částízspojení

Rychlosti chlazení různých částí svazu a rozdílné složení svazu způsobují, že ferrit přijímárůzné tvary, včetně velkého množství skeletového ferritu a malého množství listovitého ferritu.Pro další pozorování orientace růstu vloček spoje a distribuce velikosti vloček je na obrázku 7 znázorněna EBSDanalýza spoje. Je vidět, že základní kov se skládá z rovnoměrných vloček o velikosti10 do 30 μm. Struktura svaru převážně následuje <100> směr, ukazující sloupcovitý růst opačnýve směru tepelného toku. Většina velikostí vloček ve svarové oblasti je malá, průměrná velikost vločekje méně než 100 μm, a zbytek sloupcovitých vloček je větší, dosahující od 100 do 400 μm.

Obr.7EBSDAnalýzazSpojstruktura

2.3 Mechanické vlastnosti spojů

Obrázky 8 a 9 ukazují tahovou pevnost a polohu zlomu spoje při různých měřítkách defokusu.Lze pozorovat, že když je měřítko defokusu 0 mm, nachází se poloha zlomu spoje v spojení mezisvarovým švem a matricí, protože v tomto okamžiku je na zadní straně spoje podřez, který snadno způsobujestresovou koncentraci a zlom. Když je měřítko defokusu 10 a -10 mm, jsou spoje zlomeny v matricedaleko od svaru. V tomto případě jsou jak tahová pevnost, tak prodloužení spojů vysoké.

Obr.8TenzilnípevnostHspoje přirůznérozostřenímnožství

Obr.9zlompolohyspojepodrůznérozostřenímnožství

3 Závěr

1. Rychlost svařování, laserová výkon a rozostření paprsku mají významný vliv na tvorbu svařeného spoje o tloušťce 1 mmHustá304 nerezováocele. Když se rychlost svařování zvyšuje od malé po velkou, vznikání svařovacího švuse měníod úplně odděleného, dobře tvarovaného,k nedokončenému svařování; Pokud je laserový výkon příliš malý nebo příliš velký,bude citlivost průchodu svařováním větší;když je výkon lasera 100 W a defokuse 0 mm,a rychlost svařování je 10 m/min, bude spoj tvořen lépe. Zvýšenímnožství defokusupřispívák vylepšení tvorby svařovacího švu, což zvyšuje šířku svařovacího švu,značně snižuje citlivostna propichování a rozšiřuje rozsah parametrů svařování.
2. Tvar průřezu spoje s množstvím defokusu 10 a -10 mm je dobrý a neobsahuje žádné defekty;režim tuhnutí svařovaného kovu je FA tuhnutí, které se skládá z austenitu γ ačástečně neproměněného δ ferritu.Ferrit ukazuje různé tvary, včetně velkého množství kostrovitého ferritua malého množství ferritu ve tvaru lopatek;Struktura svařeného spoje převážněrostoucích sloupcovitě ve směru <100>.Většina velikostí vloček v oblasti svaření je malá,a průměrná velikost vloček je menší než 100 μm.Zbylé sloupcovitékrystaly jsou větší, dosahují velikosti od 100 do 400 μm.
3. Když je rozostření 10, - 10 mm, má spoj vysokou tahovou pevnost a délku prodloužení, a poloha zlomujeje v mateřském materiálu. Nicméně, když je rozostření 0 mm, snižuje se kvalita spoje a dochází ke zlomuPolohazavřítke spoji.