Studie laserového svařování plechu 304 z nerezové oceli Česká republika

Vozidla na vodíková paliva jsou jednou z hlavních technických cest pro vývoj nových energetických vozidel v Číně. Kvůli jejich výhody, jako je vysoká odolnost, nízká hlučnost a nulové emise, jsou považovány za nejvyšší směr pro vývoj nových energetických vozidel.Palivové články jsou hlavním zdrojem energie vozidel na vodíkovou energii a klíčový faktor ovlivňující výkon vozidla. Bipolární deska je jednou z hlavních součástí paliva buňka.Nerezová ocel je vhodná pro velkosériovou výrobu bipolárních desek palivových článků díky svému vynikajícímu lisování představení,vysoká elektrická vodivost, nízká cena, různé výrobní metody a dobré mechanické vlastnosti.

Jedno svařování plechů z nerezové oceli je klíčovým procesem ve výrobním procesu bipolárních desek palivových článků.Při použití obloukového svařování pro svařování je tepelný příkon poměrně velký, což může snadno způsobit velké svařování deformace, což neprospívá svařování nerezových plechů.Tento článek používá k vedení vláknový laser výzkum svařování na plechech z nerezové oceli 1 o tloušťce 304 mm, zkoumá účinky různých parametrů procesu na tvorba svarů a vady svařování a analyzuje mikrostrukturu a mechanické vlastnosti spojů pod různé specifikace, pro laserové svařování z nerezové oceli 304. Poskytnout pokyny pro praktické inženýrství aplikace tenkých desek.

1 Testovací materiály a metody

Testovaným materiálem je 1 mm silný plech z nerezové oceli 304 válcovaný za studena a jeho chemické složení je uvedeno v tabulce 1.Obrázek 1 ukazuje základní kovovou strukturu nerezové oceli, která je převážně austenitem. Je zde patrné rolování a mezi vrstvami austenitu zůstává malé množství feritové struktury.

Tab.1Chemicalsloženíz 304nerezocel(hmotn%)

               Fig.1 Mikrostrukturaz 304nerezocelzákladnametal

Svařovací zařízení je YLS-10000 vláknový laser.Maximální výstupní výkon laseru je 10 kW,ohnisková vzdálenost je 300 mm, výstupní vlnová délka je 1070 nm a průměr bodu v ohnisku je 0.72 mm.Použijte různý výkon laseru P, rychlost svařování v a velikost rozostření paprsku D pro svaření desky a analýzu

vliv různých parametrů procesu na tváření. Pro ochranu během procesu svařování byl použit plynný argon,a průtok plynu byl 15 l/min.Po svaření bylo k odběru vzorků použito řezání drátem. Po broušení a leštění,Ke korozi bylo použito činidlo FeCl3. K pozorování makroskopické morfologie byl použit stereomikroskop části svaru a k pozorování mikrostruktury svaru byl použit metalografický mikroskop.

Vzorky byly vibrovány a leštěny a orientace zrna a velikost byly analyzovány pomocí difraktometr zpětného rozptylu elektronů (EBSD). Svarové spoje byly protaženy pomocí Zwick-Z100 stroj na zkoušení tahem při pokojové teplotě a rychlost natahování spoje byla 0.5 mm/min.

2 Výsledky testů a analýzy

2.1 Vliv různých parametrů procesu na tvorbu svaru

Obrázek 2 ukazuje vliv rychlosti svařování na tvorbu svaru. Výkon laseru je vždy 100 W a rozostření paprsku je 0 mm. Je vidět, že při rychlosti svařování 5 m/min je plech zcela rozštípnut působením laseru; při zvýšení rychlosti svařování na 8 m/min je svar nespojitý a v některých místech jsou zcela pronikající otvory; Když se rychlost svařování stále zvyšuje na 10 m/min,povrch a zadní strana svaru jsou rovné a souvislé a nedochází k jevu propálení.V této době je celkový tvar svaru lepší, ale na zadní straně je mírné podříznutí;Když rychlost dosáhne 12 m/min, nedochází k dostatečnému průvaru na zadní straně svaru.

Fig.2Svařovatformacepododlišnýsvařovánírychlosti

(P= 100W,D=0mm)

Je vidět, že rychlost svařování má významný vliv na tváření. Při nízkých rychlostech svařování,lineární energie paprsku je vysoká, kov v roztavené lázni se silně odpařuje,a vytvořená reakční síla páry je silná. Hloubka roztavené lázně je však malá.Působením vysokorychlostních kovových par může tekutý roztavený kov snadno unikat ven ze zadní části hlubokého roztaveného otvoru a uniknout z roztaveného bazénu ve formě rozstřiku,nebo je dokonce celý roztavený kov bazénu zcela vyhozen ze dna. Způsobuje prasknutí desky.S rostoucí rychlostí svařování klesá lineární energie, vznikající reakční síla odpařování v roztaveném kovu klesá a dopad na roztavený kov bazénu se snižuje;úhel vychýlení kovového oblaku generovaného v roztaveném kovu lázně se zvětší,a reakční síla odpařování je vychýlena ode dna roztavené lázně směrem k zadní části roztavené lázně, což přispívá ke zlepšení tvorby svaru.

Obrázek 3 ukazuje tvorbu svarového švu při různých výkonech laseru. The laserové svařování rychlost je 10 m/min a rozostření paprsku je 0 mm. Je vidět, že když se výkon laseru zvýší od 5 W do 1000 W je dosaženo úplného proniknutí 1 mm nerezové desky,ale různé výkony laseru mají větší vliv na tváření.Při výkonu laseru 5 W je šířka svaru relativně malá, ve svaru je mnoho propálených otvorů,a na zadní straně je mnoho malých rozstřikovaných částic.Když se výkon zvýší na 50 W, šířka svaru se zvyšuje a stupeň propálení se snižuje.Když se výkon zvýší na 100 W,svarový šev již nemá vady propálení a oboustranná tvorba svarového švu je lepší v tomto okamžiku.

Při výkonu laseru 500 W je celkový tvar svaru dobrý, ale malý objeví se propálené otvory.Když se výkon zvýší na 1000 W, šířka svaru se dále zvětšuje,ale výrazně se zvyšuje i počet děr způsobených propálením svaru rozostření paprsku je 0 mm, když je výkon laseru malý nebo velký, citlivost svarového švu na propálení je lepší.Pouze mírný výkon laseru může zajistit dobrou tvorbu svarového švu. Je to proto, že při výkonu laseru je nízká, objem roztavené lázně je velmi malý a je zapotřebí pouze malá reakční síla odpařování kovu aby se svarový kov vysunul zespodu a vytvořily se propálené otvory na odpovídajících místech.Když je výkon laseru vysoký, reakční síla vypařování kovu je větší, což může snadno vést k propálení svaru.

          Fig.3 Svařovatformaceatodlišnýsvařování powers

(v= 10m / min,D=0mm)

Obrázek 4 ukazuje účinek rozostření paprsku na tvorbu svarového švu. Výsledky, když je rozostření paprsku 0 mm jsou znázorněny na obrázcích 2 a 3. Zde uvádíme především výsledky, když je rozostření paprsku 10 a -10 mm.Jak je znázorněno na obrázku 4(a) a (b), když je rozostření paprsku 10 mm a rychlost svařování je 10 m/min, i když se výkon laseru zvýší ze 100 W na 3000 W, zadní stranu desky nelze provařit.Na základě toho, zda se při procesu laserového svařování vytvoří hluboké penetrační otvory, se laserové svařování dělí do dvou režimů: svařování tepelným vedením a svařování hlubokým průvarem.Mezi těmito dvěma režimy existuje práh. Za tímto prahem se laserové svařování transformuje z tepelně vodivé svařování až po hluboké penetrační svařování. Obecně používaný Tento práh je popsán jako poměr výkon laseru na bodový průměr nebo výkon laseru na bodový prostor. Proto, jak se rozsah rozostření zvyšuje,bod paprsku se zvětší. Při stejném výkonu laseru a rychlosti svařování,laserové svařováníse změní z svařování hlubokým průvarem na svařování vedením tepla a hloubka průniku se odpovídajícím způsobem sníží.

()P= 100W,v= 10m / min,D=10mm,(B)P= 3000W,v= 10m / min,

D= 10mm,(C)P= 100W,v=6m / min,D= 10mm,(D)P= 3000W,

v=6m / min,D= 10mm,(E)P= 100W,v=6m / min,D=-10mm,

(F)P= 3000W,v=6m / min,D=-10mm

      Fig.4 Svařovatformacekderodlišnýrozostřeníčástky

Proto, když je velikost rozostření 10 mm, režim svařování je svařování tepelným vedením. V tuto chvíli,šířka svaru je velká a hloubka je malá. Laserová energie je soustředěna na povrch tavné lázně a schopnost penetrace je omezená.Proto penetrace desky nemůže být dosahováno při vyšších rychlostech svařování a v širším rozsahu výkonu. Když rychlost svařování klesne na 6 m/min,zvýšení vneseného tepla způsobí, že svar zcela pronikne, šířka svaru je větší a přední a hřbety jsou lépe tvarované, jak je znázorněno na obrázku 4 (c) a (d). Když je velikost rozostření - 10 mm a rychlost svařování je 6 m/min, tvorba svarového švu je také dobrá, jak je znázorněno na obrázku 4 (e) a (f).

2.2Struktura svarových spojů

Obrázek 5 ukazuje morfologii spoje při různých velikostech rozostření paprsku. Je vidět, že pod různé procesy, ve spojích nejsou žádné praskliny, póry a jiné vady. Když však rozostření množství je 0 mm, dojde k defektům podříznutí na zadní straně svaru a díky silnému odpařování

svarového kovu v tomto okamžiku, narušení v roztavené lázni je velké, a spoj fúzní linie není symetrická na levé a pravé straně. Když je velikost rozostření 10 nebo -10 mm, obě přední a zadní strany svaru vykazují konvexní tvar a šířka tavení se zvětšuje.

Fig.5Kloubmorfologiepododlišnýrozostřeníčástky

Obrázek 6 ukazuje mikrostrukturu svarového kovu. Obrázek 6(a) ukazuje strukturu svaru blízko středu.Obrázek 6(b) ukazuje strukturu svaru v blízkosti tepelně ovlivněné zóny.Je vidět, že struktura svaru ukazuje zřejmý sloupcovitý růst krystalů od okraje ke středu a zrna v 

tepelně ovlivněná zóna svaru výrazně neroste.

Fig.6 Mikrostrukturarůzných částíofkloub

Rychlost ochlazování různých částí svaru a různé složení svaru způsobují, že ferit vzniká mít různé tvary, včetně velkého množství kosterního feritu a malého množství lištovitého feritu.Pro další pozorování orientace růstu kloubu a distribuce velikosti zrn ukazuje obrázek 7 EBSD analýza kloubu. Je vidět, že základní kov je složen z rovnoosých zrn o zrnitosti 10 až 30 μm. Struktura svaru sleduje hlavně směr<100>, přičemž vykazuje opačný sloupcový růst do směru tepelného toku.Většina velikostí zrn v oblasti svaru je malá, s průměrným zrnem velikost menší než 100 μm a zbytek sloupcových zrn je větší, v rozmezí od 100 do 400 μm.

Fig.7 EBSDanalýzaofkloubstrstruktura

2.3 Mechanické vlastnosti spojů

Obrázky 8 a 9 ukazují pevnost v tahu a polohu lomu spoje při různých velikostech rozostření.Je možné zjistit, že když je velikost rozostření 0 mm, lomová poloha kloubu je spojením mezi nimi svar a základní kov, protože v tomto okamžiku je na zadní straně spoje podříznutí, které snadno způsobuje napětí koncentrace a lom. Když je velikost rozostření 10 a -10 mm, všechny spoje jsou v základním kovu rozbité daleko od svaru. V této době jsou jak pevnost v tahu, tak i prodloužení spojů vysoké.

Fig.8 Tahovásílahkloubu pododlišnýrozostřeníčástky

Fig.9 Zlomeninapozicespojenít pododlišnýrozostřeníčástky

3 Závěr

1. Rychlost svařování, výkon laseru a rozostření paprsku mají významný vliv na vytvoření svaru 1 mm tlustý304 nerezocelové plechy. Jak se rychlost svařování zvyšuje z malé na velkou, dochází k tvorbě svarového švu změnyze zcela oddělených, dobře tvarovaných,na neúplné svařování; Pokud je výkon laseru příliš malý nebo příliš velký,citlivost pronikání svaru bude větší;při výkonu laseru 100 W je rozostření 0 mm,a rychlost svařování je 10 m/min, svar se bude lépe tvarovat. Nárůstv množství rozostření je příznivéke zlepšení tvorby svarového švu, což zvyšuje šířku svarového švu,výrazně snižuje citlivostperforace a zvyšuje rozsah svařovacích parametrů.
2. Tvar příčného řezu spoje s velikostí rozostření 10 a - 10 mm je dobrý a nejsou žádné vady;Režim tuhnutí svarového kovu je tuhnutí FA, které je složeno z austenitu γ and neúplně transformovaný δ ferit.Ferit vykazuje různé tvary, včetně velkého množství kosterního feritu a malé množství lištovitého feritu;Především struktura svaruroste sloupcovitě ve směru<100>.Většina velikostí zrn v oblasti svaru je malá,a průměrná velikost zrna je menší než 100 μm.Zbývající sloupcový krystaly jsou větší velikosti, v rozmezí od 100 do 400 μm.
3. Při velikosti rozostření 10, - 10 mm má spoj vysokou pevnost v tahu a prodloužení a polohu lomu is v základním materiálu. Pokud je však velikost rozostření 0 mm, výkon kloubu klesá a dochází ke zlomenině pozicezavřítke svaru.