Etude sur le soudage laser de tôles en acier inoxydable 304

Les véhicules à hydrogène constituent l’une des principales voies techniques pour le développement de véhicules à énergie nouvelle en Chine. En raison de leurs avantages tels qu'une forte endurance, un faible bruit et zéro émission, ils sont considérés comme le nec plus ultra orientation pour le développement de véhicules à énergies nouvelles.Les piles à combustible sont la principale source d’énergie des véhicules à hydrogène et un facteur clé affectant les performances du véhicule. La plaque bipolaire est l'un des principaux composants du carburant cellule.L'acier inoxydable convient à la production de masse à grande échelle de plaques bipolaires pour piles à combustible en raison de son excellent estampage. ses performances,conductivité électrique élevée, prix bas, méthodes de fabrication diverses et bonnes propriétés mécaniques.

Le soudage La fabrication de tôles d'acier inoxydable est un processus clé dans le processus de fabrication des plaques bipolaires pour piles à combustible.Lorsque le soudage à l'arc est utilisé pour le soudage, l'apport de chaleur est relativement important, ce qui peut facilement provoquer des soudures importantes. déformations, ce qui n'est pas propice au soudage des tôles en acier inoxydable.Cet article utilise un laser à fibre pour conduire la recherche sur le soudage sur des tôles d'acier inoxydable 1 de 304 mm d'épaisseur explore les effets de différents paramètres de processus sur formation de soudure et défauts de soudage, et analyse la microstructure et les propriétés mécaniques des joints sous spécifications différentes, pour la soudure au laser en acier inoxydable 304. Fournir des conseils sur l’ingénierie pratique applications de plaques minces.

1 Matériels et méthodes d'essai

Le matériau d'essai est une tôle d'acier inoxydable 1 laminée à froid de 304 mm d'épaisseur et sa composition chimique est présentée dans le tableau 1.La figure 1 montre la structure du métal de base de l'acier inoxydable, qui est principalement de l'austénite. Il y a un roulement évident direction, et une petite quantité de structure de ferrite reste entre les couches d'austénite.

Tab.1Chemicalcompositionsur 304inoxydableacier(poids%)

               Fig.1 Microstructuresur 304inoxydableacierbasemetal

Le matériel de soudage est YLS-10000 laser à fibre.La puissance de sortie maximale du laser est de 10 kW,la distance focale est de 300 mm, la longueur d'onde de sortie est de 1070 0.72 nm et le diamètre du spot au foyer est de XNUMX mm.Utilisez différentes puissances laser P, vitesses de soudage v et quantités de défocalisation du faisceau D pour souder la plaque et analyser

l'impact des différents paramètres du processus sur le formage. Le gaz argon était utilisé pour la protection pendant le processus de soudage,et le débit de gaz était de 15 L/min.Après le soudage, un fil coupant a été utilisé pour l'échantillonnage. Après meulage et polissage,Le réactif FeCl3 a été utilisé pour la corrosion. Un stéréomicroscope a été utilisé pour observer la morphologie macroscopique de la section de soudure, et un microscope métallographique a été utilisé pour observer la microstructure de la soudure.

Les échantillons ont été vibrés et polis, et l'orientation et la taille des grains ont été analysées à l'aide de un diffractomètre à rétrodiffusion d'électrons (EBSD). Les joints soudés ont été étirés à l'aide d'un Zwick-Z100 machine d'essai de traction à température ambiante, et le taux d'étirement des joints était de 0.5 mm/min.

2 Résultats de test et analyse

2.1 L'influence de différents paramètres de processus sur la formation des cordons de soudure

La figure 2 montre l'effet de la vitesse de soudage sur la formation de la soudure. La puissance du laser est toujours de 100 W et le la défocalisation du faisceau est de 0 mm. On constate que lorsque la vitesse de soudage est de 5 m/min, la plaque est complètement fendue sous l'action du laser ; lorsque la vitesse de soudage augmente jusqu'à 8 m/min, la soudure est discontinue et il y a des trous entièrement pénétrants à certains endroits ; lorsque la vitesse de soudage continue d'augmenter jusqu'à 10 m/min,la surface et l'arrière de la soudure sont uniformes et continus, et il n'y a pas de phénomène de brûlure.À ce stade, la forme générale de la soudure est meilleure, mais il y a une légère contre-dépouille au dos ;Lorsque la vitesse atteint 12 m/min, la pénétration est insuffisante au dos de la soudure.

Fig.2Souderformationsousdifférentsoudagevitesses

(P= 100W,D=0mm)

On constate que la vitesse de soudage a un impact significatif sur le formage. À faibles vitesses de soudage,l'énergie linéaire du faisceau est élevée, le métal dans le bain en fusion s'évapore fortement,et la force de réaction de la vapeur générée est forte. Cependant, la profondeur du bassin fondu est petite.Sous l'action de la vapeur métallique à grande vitesse, le métal liquide de la piscine en fusion peut facilement s'échapper. de l'arrière du trou fondu profond et s'échappent de la piscine fondue sous forme d'éclaboussures,ou même tout le métal fondu de la piscine est complètement éjecté du fond. Provoque la rupture de la planche.À mesure que la vitesse de soudage augmente, l'énergie linéaire diminue, la force de réaction d'évaporation générée dans le métal du bain en fusion diminue et l'impact sur le métal du bain en fusion diminue ; De plus,l'angle de déviation du panache métallique généré dans le métal en fusion devient plus grand,et la force de réaction d'évaporation est polarisée du fond du bain de fusion vers l'arrière de le bain de fusion, ce qui favorise l'amélioration de la formation des soudures.

La figure 3 montre la formation du cordon de soudure sous différentes puissances laser. Le la soudure au laser vitesse est 10 m/min et la défocalisation du faisceau est de 0 mm. On peut voir que lorsque la puissance laser augmente de 5 W à 1000 W, on obtient une pénétration complète de la plaque en acier inoxydable de 1 mm,mais des puissances laser différentes ont un impact plus important sur le formage.Lorsque la puissance du laser est de 5 W, la largeur de soudure est relativement étroite, il y a de nombreux trous traversants dans la soudure,et il y a de nombreuses petites particules d'éclaboussures sur le dos.Lorsque la puissance augmente jusqu'à 50 W, la largeur de la soudure augmente et le degré de brûlure diminue.Lorsque la puissance augmente jusqu'à 100 W,le cordon de soudure ne présente plus de défauts de brûlure et la formation double face du cordon de soudure est meilleure à cette époque.

Lorsque la puissance du laser est de 500 W, la forme globale de la soudure est bonne, mais un petit nombre de Des trous de brûlure apparaîtront.Lorsque la puissance augmente jusqu'à 1000 W, la largeur de la soudure continue d'augmenter,mais le nombre de trous provoqués par la brûlure de la soudure augmente également de manière significative. Par conséquent, lorsque le la défocalisation du faisceau est de 0 mm, lorsque la puissance laser est petite ou grande, la sensibilité du cordon de soudure aux brûlures est plus grand.Seule une puissance laser modérée peut assurer une bonne formation du cordon de soudure. En effet, lorsque la puissance laser est faible, le volume du bain fondu est très petit et seule une petite force de réaction d'évaporation du métal est requise pour faire éjecter le métal soudé par le bas et créer des trous de brûlure aux emplacements correspondants.Lorsque la puissance du laser est élevée, la force de réaction de l'évaporation du métal est plus grande, ce qui peut facilement entraîner des brûlures. de la soudure.

          Fig.3 Souderformationatdifférentposte de soudageous

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

La figure 4 montre l'effet de la défocalisation du faisceau sur la formation du cordon de soudure. Les résultats lorsque la défocalisation du faisceau est de 0 mm sont représentés sur les figures 2 et 3. Ici, nous montrons principalement les résultats lorsque la défocalisation du faisceau est de 10 et - 10 mm.Comme le montrent les figures 4 (a) et (b), lorsque la défocalisation du faisceau est de 10 mm et que la vitesse de soudage est 10 m/min, même si la puissance laser passe de 100 W à 3000 W, le dos de la plaque ne peut pas être soudé de part en part.Selon que des trous de pénétration profonds sont produits pendant le processus de soudage au laser, le soudage au laser est divisé en deux modes : soudage par conduction thermique et soudage par pénétration profonde.Il existe un seuil entre les deux modes. Au-delà de ce seuil, le soudage laser se transformera de soudage par conduction thermique au soudage par pénétration profonde. Généralement utilisé Ce seuil est décrit comme le rapport entre puissance laser pour repérer le diamètre ou puissance laser pour repérer la zone. Par conséquent, à mesure que la quantité de défocalisation augmente,le spot du faisceau devient plus grand. Sous la même puissance laser et vitesse de soudage,lsoudage au laserva changer de soudage par pénétration profonde au soudage par conduction thermique, et la profondeur de pénétration diminuera en conséquence.

(une)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 Souderformationoùrdifférentdéfocalisationquantités

Par conséquent, lorsque le degré de défocalisation est de 10 mm, le mode de soudage est le soudage par conduction thermique. En ce moment,la largeur de la soudure est grande et la profondeur est petite. L'énergie du laser est concentrée sur le surface du bain fondu et la capacité de pénétration est limitée.Par conséquent, la pénétration de la plaque ne peut pas être obtenu à des vitesses de soudage plus élevées et dans une plage de puissance plus large. Lorsque la vitesse de soudage descend à 6 m/min,l'augmentation de l'apport de chaleur fait pénétrer complètement la soudure, la largeur de la soudure est plus grande et l'avant et le dos est mieux formé, comme le montre la figure 4 (c) et (d). Lorsque le degré de défocalisation est de - 10 mm et la vitesse de soudage est 6 m/min, la formation du cordon de soudure est également bonne, comme le montrent les figures 4 (e) et (f).

2.2Structure des joints soudés

La figure 5 montre la morphologie de l'articulation sous différentes valeurs de défocalisation du faisceau. On voit que sous différents processus, il n'y a pas de fissures, pores et autres défauts dans les joints. Cependant, lorsque la défocalisation La quantité est de 0 mm, des défauts de contre-dépouille se produiront au dos de la soudure et, en raison de la forte évaporation

du métal fondu à ce moment, la perturbation dans le bain de fusion est importante et la ligne de fusion du joint n'est pas symétrique sur les côtés gauche et droit. Lorsque le degré de défocalisation est de 10 ou - 10 mm, les deux les côtés avant et arrière de la soudure présentent une forme convexe et la largeur de fusion augmente.

Fig.5Communmorphologiessousdifférentdéfocalisationquantités

La figure 6 montre la microstructure du métal fondu. La figure 6 (a) montre la structure de la soudure près du centre.La figure 6 (b) montre la structure de la soudure à proximité de la zone affectée thermiquement.On peut voir que le La structure de la soudure montre une croissance cristalline colonnaire évidente du bord vers le centre, et les grains dans le 

La zone de soudure affectée par la chaleur ne s’agrandit pas de manière significative.

Fig.6 Microstructurede différentes partiesofLe joint

Les vitesses de refroidissement des différentes parties de la soudure et les différentes compositions de la soudure font que la ferrite prendre différentes formes, y compris une grande quantité de ferrite squelettique et une petite quantité de ferrite en forme de latte.Pour observer plus en détail l'orientation commune de la croissance des grains et la distribution granulométrique, la figure 7 montre l'EBSD. analyse de l'articulation. On voit que le métal de base est composé de grains équiaxes de granulométrie de 10 à 30 µm. La structure de la soudure suit principalement la direction<100>, montrant une croissance en colonnes opposée dans la direction du flux de chaleur. La plupart des tailles de grains dans la zone de soudure sont petites, le grain moyen taille inférieure à 100 μm, et le reste des grains colonnaires est plus gros, allant de 100 à 400 μm.

Fig.7 EBSDanalyseofjointstrStructure

2.3 Propriétés mécaniques des joints

Les figures 8 et 9 montrent respectivement la résistance à la traction et la position de rupture de l'articulation sous différentes valeurs de défocalisation.On peut constater que lorsque le degré de défocalisation est de 0 mm, la position de fracture de l'articulation est la connexion entre la soudure et le métal de base, car il y a une contre-dépouille à l'arrière du joint à ce moment-là, ce qui provoque facilement des contraintes concentration et fracture. Lorsque la quantité de défocalisation est de 10 et - 10 mm, les joints sont tous cassés dans le métal de base loin de la soudure. A cette époque, la résistance à la traction et l’allongement des joints sont tous deux élevés.

Fig.8 élastiqueforcehde l'articulation sousdifférentdéfocalisationquantités

Fig.9 Fracturepositionsde la jointuret sousdifférentdéfocalisationquantités

3 Conclusion

1. La vitesse de soudage, la puissance du laser et la défocalisation du faisceau ont tous un impact significatif sur la formation d'une soudure de 1 mm. épaisse304 inoxydabletôles d'acier. À mesure que la vitesse de soudage augmente de petite à grande, la formation du cordon de soudure changede complètement séparés, bien formés,au soudage incomplet ; si la puissance du laser est trop petite ou trop grande,la sensibilité de la pénétration des soudures sera plus grande ;lorsque la puissance laser est de 100 W, la défocalisation est de 0 mm,et la vitesse de soudage est de 10 m/min, la soudure sera mieux formée. L'augmentationdans la quantité de défocalisation est propiceà l'amélioration de la formation du cordon de soudure, ce qui augmente la largeur du cordon de soudure,réduit considérablement la sensibilitéde perforation et augmente la gamme de paramètres de soudage.
2. La forme en coupe transversale du joint avec un degré de défocalisation de 10 et - 10 mm est bonne et il n'y a aucun défaut ;Le mode de solidification du métal fondu est la solidification FA, qui est composée d'austénite γ and ferrite δ incomplètement transformée.La ferrite présente différentes formes, dont une grande quantité de ferrite squelettique et une petite quantité de ferrite en forme de latte ;La structure de soudure principalementse développe en colonne dans la direction<100>.La plupart des tailles de grains dans la zone de soudure sont petites,et la taille moyenne des grains est inférieure à 100 µm.La colonne restante les cristaux sont plus gros, allant de 100 à 400 μm.
3. Lorsque le degré de défocalisation est de 10, - 10 mm, le joint présente une résistance à la traction et un allongement élevés, ainsi que la position de fracture. is dans le matériau de base. Cependant, lorsque le degré de défocalisation est de 0 mm, les performances de l'articulation diminuent et la fracture positioncloseà la soudure.