Studio sulla Saldatura Laser di Lamiere di Acciaio Inossidabile 304

I veicoli alimentati a idrogeno rappresentano uno dei principali percorsi tecnici per lo sviluppo di veicoli a nuova energia in Cina. A causa di i loro vantaggi come la forte resistenza, la bassa rumorosità e le zero emissioni, sono considerati il ​​massimo direzione per lo sviluppo di nuovi veicoli energetici.Le celle a combustibile sono la principale fonte di energia dei veicoli alimentati a idrogeno e un fattore chiave che influenza le prestazioni del veicolo. La piastra bipolare è uno dei componenti principali del carburante cella.L'acciaio inossidabile è adatto per la produzione in serie su larga scala di piastre bipolari per celle a combustibile grazie al suo eccellente stampaggio prestazioni,elevata conduttività elettrica, prezzo basso, diversi metodi di produzione e buone proprietà meccaniche.

Il saldatura di lamiere di acciaio inossidabile è un processo chiave nel processo di produzione delle piastre bipolari per celle a combustibile.Quando si utilizza la saldatura ad arco per la saldatura, l'apporto di calore è relativamente elevato e può facilmente causare saldature di grandi dimensioni deformazioni, che non sono favorevoli alla saldatura delle lamiere di acciaio inossidabile.Questo articolo utilizza il laser a fibra per condurre la ricerca sulla saldatura su lamiere di acciaio inossidabile 1 di spessore 304 mm, esplora gli effetti di diversi parametri di processo su formazione di saldature e difetti di saldatura e analizza la microstruttura e le proprietà meccaniche dei giunti specifiche diverse, per saldatura laser di acciaio inossidabile 304. Fornire indicazioni sull'ingegneria pratica applicazioni di lastre sottili.

 

1 Materiali e metodi di prova

 

Il materiale di prova è una lamiera di acciaio inossidabile 1 laminata a freddo spessa 304 mm e la sua composizione chimica è mostrata nella Tabella 1.La Figura 1 mostra la struttura del metallo di base dell'acciaio inossidabile, che è principalmente austenite. C'è un evidente rotolamento direzione, e una piccola quantità di struttura di ferrite rimane tra gli strati di austenite.

Tab.1Chemicalcomposizionedi 304inossidabileacciaio(peso%)

C	Mn	Si	S	P	Cr	Ni	Fe
0.027	1.6	0.36	0.002	0.01	18.5	11.6	余量

                 

               Fig.1 microstrutturadi 304inossidabileacciaiobasemet al

 

L'attrezzatura per la saldatura è YLS-10000 laser a fibra.La potenza massima in uscita del laser è di 10 kW,la lunghezza focale è 300 mm, la lunghezza d'onda in uscita è 1070 nm e il diametro dello spot al fuoco è 0.72 mm.Utilizzare diversa potenza laser P, velocità di saldatura v e quantità di sfocatura del raggio D per saldare la piastra e analizzare

l'impatto dei diversi parametri di processo sulla formatura. Il gas argon è stato utilizzato per la protezione durante il processo di saldatura,e la portata del gas era di 15 L/min.Dopo la saldatura, per il campionamento è stato utilizzato il taglio del filo. Dopo la molatura e la lucidatura,Il reagente FeCl3 è stato utilizzato per la corrosione. Per osservare la morfologia macroscopica è stato utilizzato uno stereomicroscopio della sezione di saldatura ed è stato utilizzato un microscopio metallografico per osservare la microstruttura della saldatura.

I campioni sono stati vibrati e lucidati e l'orientamento e la dimensione dei grani sono stati analizzati utilizzando un diffrattometro a retrodiffusione di elettroni (EBSD). I giunti saldati sono stati stirati utilizzando uno Zwick-Z100 macchina per prove di trazione a temperatura ambiente e la velocità di allungamento del giunto era di 0.5 mm/min.

 

2 Risultati dei test e analisi

 

2.1 Influenza dei diversi parametri di processo sulla formazione del cordone di saldatura

 

La Figura 2 mostra l'effetto della velocità di saldatura sulla formazione della saldatura. La potenza del laser è sempre di 100 W e il la sfocatura del raggio è di 0 mm. Si può vedere che quando la velocità di saldatura è di 5 m/min, la lamiera è completamente divisa sotto l'azione del laser; quando la velocità di saldatura aumenta a 8 m/min la saldatura è discontinua e in alcuni punti sono presenti fori che penetrano completamente; Quando la velocità di saldatura continua ad aumentare fino a 10 m/min,la superficie e il retro della saldatura sono uniformi e continui e non vi è alcun fenomeno di bruciatura.In questo momento, la forma complessiva della saldatura è migliore, ma sul retro è presente un leggero sottosquadro;Quando la velocità raggiunge i 12 m/min la penetrazione sul retro della saldatura è insufficiente.

Fig.2Saldareformazioneperdiversosaldaturavelocità

(P= 100W,D=0mm)

 

Si può vedere che la velocità di saldatura ha un impatto significativo sulla formatura. A basse velocità di saldatura,l'energia lineare del raggio è elevata, il metallo nella vasca fusa evapora fortemente,e la forza di reazione del vapore generata è elevata. Tuttavia, la profondità della pozza di fusione è piccola.Sotto l'azione del vapore metallico ad alta velocità, il metallo liquido fuso può fuoriuscire facilmente dalla parte posteriore del profondo buco fuso e fuga dalla pozza fusa sotto forma di schizzi,oppure addirittura l'intero metallo fuso viene espulso completamente dal fondo. Causa la rottura della tavola.All'aumentare della velocità di saldatura, l'energia lineare diminuisce, generando la forza di reazione di evaporazione nel metallo della piscina fusa diminuisce e l'impatto sul metallo della piscina fusa diminuisce; inoltre,l'angolo di deflessione del pennacchio metallico generato nel metallo fuso diventa maggiore,e la forza della reazione di evaporazione è spostata dal fondo della vasca fusa verso la parte posteriore il bagno di fusione, che favorisce il miglioramento della formazione della saldatura.

La Figura 3 mostra la formazione del cordone di saldatura con diverse potenze laser. IL saldatura laser velocità è 10 m/min e la sfocatura del raggio è 0 mm. Si può vedere che quando la potenza del laser aumenta da 5 W a 1000 W si ottiene la completa penetrazione della piastra in acciaio inox da 1 mm,ma diverse potenze laser hanno un impatto maggiore sulla formatura.Quando la potenza del laser è di 5 W, la larghezza della saldatura è relativamente stretta, sono presenti molti fori bruciati nella saldatura,e sul retro sono presenti molte piccole particelle di schizzi.Quando la potenza aumenta a 50 W, la larghezza della saldatura aumenta e il grado di combustione diminuisce.Quando la potenza aumenta a 100 W,il cordone di saldatura non presenta più difetti di bruciatura e la formazione del cordone di saldatura su entrambi i lati è migliore in questo momento.

Quando la potenza del laser è pari a 500 W, la forma complessiva della saldatura è buona, ma ridotta appariranno dei fori bruciati.Quando la potenza aumenta a 1000 W, la larghezza della saldatura continua ad aumentare,ma aumenta notevolmente anche il numero di fori causati dalla fusione della saldatura. Pertanto, quando il la sfocatura del raggio è 0 mm, quando la potenza del laser è piccola o grande, la sensibilità del cordone di saldatura alla bruciatura è più grande.Solo una potenza laser moderata può garantire una buona formazione del cordone di saldatura. Questo perché quando la potenza del laser è basso, il volume del bagno di fusione è molto piccolo ed è necessaria solo una piccola forza di reazione per l'evaporazione del metallo per provocare l'espulsione del metallo di saldatura dal fondo e creare fori di bruciatura nelle posizioni corrispondenti.Quando la potenza del laser è elevata, la forza di reazione dell'evaporazione del metallo è maggiore, il che può facilmente portare alla combustione della saldatura.

          Fig.3 Saldareformazioneatdiversosaldatura poWers

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

 

La Figura 4 mostra l'effetto della sfocatura del raggio sulla formazione del cordone di saldatura. I risultati quando la sfocatura del raggio è 0 mm sono mostrati nelle Figure 2 e 3. Qui mostriamo principalmente i risultati quando la sfocatura del raggio è di 10 e -10 mm.Come mostrato nella Figura 4(a) e (b), quando la sfocatura del raggio è di 10 mm e la velocità di saldatura è 10 m/min, anche se la potenza del laser aumenta da 100 W a 3000 W, la parte posteriore della lamiera non può essere saldata completamente.In base alla produzione di fori di penetrazione profondi durante il processo di saldatura laser, la saldatura laser viene divisa in due modalità: saldatura a conduzione termica e saldatura a penetrazione profonda.Esiste una soglia tra le due modalità. Oltre questa soglia la saldatura laser si trasformerà da dalla saldatura a conduzione termica alla saldatura a penetrazione profonda. Generalmente utilizzato Questa soglia è descritta come il rapporto di potenza del laser per individuare il diametro o potenza del laser per individuare l'area. Pertanto, all'aumentare della sfocatura,lo spot del raggio diventa più grande. Con la stessa potenza del laser e velocità di saldatura,lsaldatura asercambierà da saldatura a penetrazione profonda alla saldatura a conduzione termica e la profondità di penetrazione diminuirà di conseguenza.

(A)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 Saldareformazionedoverdiversodefocalizzazioneimporti

 

Pertanto, quando la quantità di sfocatura è di 10 mm, la modalità di saldatura è la saldatura a conduzione termica. In questo momento,la larghezza della saldatura è grande e la profondità è piccola. L'energia del laser è concentrata sul superficie del bagno di fusione e la capacità di penetrazione è limitata.Pertanto, la penetrazione della piastra non può essere ottenuto a velocità di saldatura più elevate e in un intervallo di potenza più ampio. Quando la velocità di saldatura scende a 6 m/min,l'aumento dell'apporto termico rende la saldatura completamente penetrata, la larghezza della saldatura è maggiore e la parte anteriore e la parte posteriore è meglio formata, come mostrato nella Figura 4 (c) e (d). Quando la quantità di sfocatura è - 10 mm e la velocità di saldatura è 6 m/min, anche la formazione del cordone di saldatura è buona, come mostrato nella Figura 4 (e) e (f).

 

2.2Struttura dei giunti saldati

 

La Figura 5 mostra la morfologia del giunto sotto diverse quantità di defocalizzazione del raggio. Lo si può vedere sotto processi diversi, non sono presenti crepe, pori e altri difetti nelle giunture. Tuttavia, quando la sfocatura quantità è 0 mm, si verificheranno difetti di sottosquadro sul retro della saldatura e a causa della forte evaporazione

del metallo saldato in questo momento, il disturbo nel bagno di fusione è ampio e la linea di fusione congiunta non è simmetrico sui lati sinistro e destro. Quando la quantità di sfocatura è 10 o - 10 mm, entrambi i lati i lati anteriore e posteriore della saldatura mostrano una forma convessa e l'ampiezza della fusione aumenta.

Fig.5Giuntomorfologieperdiversodefocalizzazioneimporti

La Figura 6 mostra la microstruttura del metallo saldato. La Figura 6 (a) mostra la struttura della saldatura vicino al centro.La Figura 6 (b) mostra la struttura della saldatura vicino alla zona interessata dal calore.Si può vedere che il la struttura della saldatura mostra un'evidente crescita di cristalli colonnari dal bordo al centro e i grani al suo interno 

la zona della saldatura influenzata dal calore non cresce in modo significativo.

Fig.6 microstrutturadi parti diverseofil giunto

 

Le velocità di raffreddamento delle diverse parti della saldatura e le diverse composizioni della saldatura provocano la formazione di ferrite assumere forme diverse, tra cui una grande quantità di ferrite scheletrica e una piccola quantità di ferrite simile ad assi.Per osservare ulteriormente l'orientamento della crescita congiunta dei grani e la distribuzione delle dimensioni dei grani, la Figura 7 mostra l'EBSD analisi del giunto. Si può vedere che il metallo base è composto da grani equiassici con una dimensione del grano da 10 a 30 µm. La struttura della saldatura segue principalmente la direzione <100>, mostrando una crescita colonnare opposta alla direzione del flusso di calore. La maggior parte delle granulometrie nell'area di saldatura sono piccole, con grana media dimensione inferiore a 100 μm e il resto dei grani colonnari sono più grandi, compresi tra 100 e 400 μm.

 

Fig.7 EBSD.ofgiuntostrstruttura

 

2.3 Proprietà meccaniche dei giunti

 

Le Figure 8 e 9 mostrano rispettivamente la resistenza alla trazione e la posizione di frattura del giunto in diverse quantità di sfocatura.Si può notare che quando la quantità di sfocatura è 0 mm, la posizione di frattura dell'articolazione è la connessione tra la saldatura e il metallo di base, poiché in questo momento è presente un sottosquadro sul retro del giunto, che provoca facilmente stress concentrazione e frattura. Quando la quantità di sfocatura è pari a 10 e - 10 mm, le articolazioni sono tutte rotte nel metallo di base lontano dalla saldatura. In questo momento, la resistenza alla trazione e l'allungamento delle articolazioni sono entrambi elevati.

Fig.8 di tensionerigorosamentehdel giunto sottodiversodefocalizzazioneimporti

Fig.9 Fratturaposizionidell'unionet sottodiversodefocalizzazioneimporti

 

3 Conclusione

 

1. La velocità di saldatura, la potenza del laser e la sfocatura del raggio hanno tutti un impatto significativo sulla formazione della saldatura di 1 mm grossaAcciaio inossidabile 304lamiere di acciaio. Man mano che la velocità di saldatura aumenta da piccola a grande, la formazione del cordone di saldatura i cambiamentida completamente separati, ben formati,alla saldatura incompleta; Se la potenza del laser è troppo piccola o troppo grande,la sensibilità della penetrazione della saldatura sarà maggiore;quando la potenza del laser è di 100 W, la sfocatura è di 0 mm,e la velocità di saldatura è di 10 m/min, la saldatura verrà formata meglio. L'aumentonella quantità di sfocatura è favorevoleal miglioramento della formazione del cordone di saldatura, che aumenta la larghezza del cordone di saldatura,riduce notevolmente la sensibilitàdi perforazione e aumenta la gamma dei parametri di saldatura.
2. La forma della sezione trasversale del giunto con una quantità di sfocatura di 10 e -10 mm è buona e non ci sono difetti;La modalità di solidificazione del metallo saldato è la solidificazione FA, che è composta da austenite γ and ferrite δ trasformata in modo incompleto.La ferrite mostra forme diverse, inclusa una grande quantità di ferrite scheletrica e una piccola quantità di ferrite simile ad assicella;Principalmente la struttura della saldaturacresce colonnare lungo la direzione.La maggior parte delle dimensioni dei grani nell'area di saldatura sono piccole,e la dimensione media dei grani è inferiore a 100 μm.Il rimanente colonnare i cristalli sono di dimensioni maggiori, che vanno da 100 a 400 μm.
3. Quando la quantità di sfocatura è di 10, - 10 mm, il giunto ha elevata resistenza alla trazione e allungamento e la posizione di frattura is nel materiale di base. Tuttavia, quando la quantità di sfocatura è pari a 0 mm, le prestazioni dell'articolazione diminuiscono e si verifica la frattura posizioneclosealla saldatura.