304ステンレス鋼板のレーザー溶接に関する研究

水素燃料自動車は、中国における新エネルギー自動車開発の主要な技術的経路の 1 つです。により 強力な耐久性、低騒音、ゼロエミッションなどの利点があり、究極のものと考えられています。 新エネルギー車開発の方向性。燃料電池は水素エネルギー自動車の主な動力源です そして車両のパフォーマンスに影響を与える重要な要素です。バイポーラプレートは燃料の主要コンポーネントの 1 つです セル。ステンレス鋼はプレス加工性に優れ、燃料電池用セパレータの大量生産に適しています。 パフォーマンス、高い導電性、低価格、多様な製造方法、優れた機械的特性。

このアプリケーションには、XNUMXµmおよびXNUMXµm波長で最大XNUMXWの平均出力を提供する 溶接 ステンレス鋼シートの製造は、燃料電池セパレータの製造プロセスにおける重要なプロセスです。アーク溶接で溶接を行う場合、入熱が比較的大きく、大溶接が発生しやすい 変形が発生し、ステンレス鋼シートの溶接に役立ちません。この記事ではファイバーレーザーを使用して、 厚さ 1 mm の 304 ステンレス鋼シートの溶接研究で、さまざまなプロセス パラメータの影響を調査します。 溶接の形成と溶接欠陥を調査し、接合部の微細構造と機械的特性を分析します。 仕様が異なるため、 レーザー溶接 304ステンレス鋼製。実践的なエンジニアリングを指導します 薄板の応用。

 

1 試験材料と方法

 

試験材は厚さ 1 mm の冷間圧延 304 ステンレス鋼板であり、その化学組成を表 1 に示します。図1にオーステナイトを主成分とするステンレス鋼の母材組織を示します。明らかなローリングがある オーステナイト層の間には少量のフェライト組織が残ります。

表1化学 構図/ 304stainless鋼(重量%)

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 微細構造/ 304stainless鋼ベースmエタル島

 

溶接設備 YLS-10000です ファイバーレーザー。レーザーの最大出力は10kW、焦点距離は 300 mm、出力波長は 1070 nm、焦点でのスポット直径は 0.72 mm です。異なるレーザー出力 P、溶接速度 v、ビーム デフォーカス量 D を使用してプレートを溶接し、解析します

さまざまなプロセスパラメータが成形に与える影響。溶接プロセス中の保護のためにアルゴンガスが使用されました。ガス流量は１５Ｌ／分であった。溶接後、ワイヤカットによりサンプリングを行った。研削・研磨を行った後、腐食には FeCl3 試薬を使用しました。実体顕微鏡を使用して巨視的形態を観察した 溶接部の微細構造を金属顕微鏡で観察した。

サンプルを振動させて研磨し、結晶粒の配向とサイズを次の方法で分析しました。 電子後方散乱回折計 (EBSD)。溶接接合部は Zwick-Z100 を使用して引き伸ばしました。 室温引張試験機を使用し、接合部の伸び速度は０．５ｍｍ／ｍｉｎとした。

 

2 テスト結果と分析

 

2.1 溶接シームの形成に対するさまざまなプロセスパラメータの影響

 

図 2 は、溶接速度が溶接部の形成に及ぼす影響を示しています。レーザー出力は常に 100 W であり、 ビームデフォーカスは0 mmです。溶接速度が5 m/minの場合、プレートが完全に分割されることがわかります。 レーザーの作用下;溶接速度が 8 m/min に増加すると、溶接は不連続になり、 一部の場所に完全に貫通した穴があります。溶接速度が 10 m/min まで増加し続けると、溶接部の表裏が均一で連続しており、焼き付き現象がありません。この時点で、溶接の全体的な形状は良くなりますが、背面にわずかなアンダーカットがあります。速度が 12 m/min に達すると、溶接部の裏側の溶け込みが不十分になります。

Fig.2溶接形成下異なります溶接速度

（P= 100W,D=0mm）

 

溶接速度が成形に大きな影響を与えることがわかります。溶接速度が低い場合、ビームの線エネルギーが高く、溶融池内の金属が激しく蒸発し、発生する蒸気反力は強いが、溶融池の深さは浅い。高速金属蒸気の作用下で、液体溶融プール金属が容易に飛び出します。 深い溶融穴の奥から飛沫となって溶融池から脱出し、あるいは、溶融池の金属全体が底から完全に排出される場合もあります。基板破損の原因となります。溶接速度が上がると線エネルギーが減少し、発生する蒸発反力が大きくなります。 溶融池金属中の成分が減少し、溶融池金属への影響が減少します。また、溶融池金属内に発生するメタルプルームの偏向角が大きくなり、蒸発反力は溶融池の底から後方に偏ります。 溶融池は溶接形成の改善に役立ちます。

図 3 は、さまざまなレーザー出力下での溶接シームの形成を示しています。の レーザー溶接 速度は 10 m/min、ビームのデフォーカスは 0 mm です。レーザー出力が増加すると、 5Wから1000Wまで、1mmのステンレス板を完全貫通します。ただし、レーザー出力が異なると、成形に大きな影響を与えます。レーザー出力が5Wの場合、溶接幅は比較的狭く、溶接部に溶け込み穴が多くなります。裏面には小さなスパッタ粒子が多数付着しています。電力が 50 W に増加すると、幅は 溶接部が増加し、溶け込みの程度が減少します。電力が100Wまで上がると、溶接シームに溶け込み欠陥がなくなり、溶接シームの両面形成が改善されました。 この時点で。

レーザー出力が 500 W の場合、全体的な溶接形状は良好ですが、溶接部の数はわずかです。 焼き抜け穴が現れます。電力が 1000 W に増加すると、溶接の幅は増加し続けます。ただし、溶接の溶け込みによって生じる穴の数も大幅に増加します。 ビームの焦点ずれが 0 mm の場合、レーザー出力が小さい場合でも大きい場合でも、溶接シームの溶け込みに対する感度が低くなります。 大きいです。適切な溶接シームを確実に形成できるのは、中程度のレーザー出力だけです。これは、レーザー出力が が低く、溶融池の体積は非常に小さく、金属蒸発の反力は小さくて済みます。 溶接金属が底部から排出され、対応する位置に溶け込み穴が形成されます。レーザー出力が高いと金属蒸発の反力が大きくなり、焼き付きが発生しやすくなります。 溶接の。

          Fig.3 溶接形成at異なります溶接ポーワース

(v= 10m / min、D=0ミリメートル）

 

図 4 は、溶接シームの形成に対するビームの焦点ずれの影響を示しています。ビームデフォーカスが0mmの場合の結果 ここでは主にビームデフォーカスが 2 mm と -3 mm の場合の結果を示します。図 4(a)、(b)に示すように、ビームのデフォーカスが 10 mm、溶接速度が XNUMX mm の場合、 10m/minではレーザー出力を100Wから3000Wに上げても板の裏面まで溶接できません。レーザー溶接プロセス中に深い貫通穴が生成されるかどうかに基づいて、レーザー溶接は次のように分類されます。 熱伝導溶接と深溶け込み溶接の2つのモードに分かれています。2 つのモードの間にはしきい値があります。このしきい値を超えると、レーザー溶接は次のように変化します。 熱伝導溶接から深溶け込み溶接まで。一般的に使用されるこのしきい値は、 スポット直径に対するレーザー出力、またはスポット領域に対するレーザー出力。したがって、デフォーカス量が増加するにつれて、ビームスポットが大きくなります。同じレーザー出力と溶接速度の下で、lレーザー溶接から変更されます 深溶け込み溶接から熱伝導溶接に移行すると、溶け込み深さはそれに応じて減少します。

（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）のP= 100W、v=6m / min、D=-10mm、

（f）は、P= 3000W、v=6m / min、D=-10mm

      Fig.4 溶接形成どこr異なります焦点ぼけ金額

 

したがって、デフォーカス量が１０ｍｍの場合、溶接モードは熱伝導溶接となる。現時点では、溶接幅は広く、深さは浅い。レーザーエネルギーは次の部分に集中します。 溶融池の表面が狭くなり、浸透能力が制限されます。したがって、プレートを貫通することはできません。 より高い溶接速度とより広い出力範囲内で達成されます。溶接速度が6m/minに低下すると、入熱の増加により溶接が完全に貫通し、溶接幅が大きくなり、前面と 図 4 (c) および (d) に示すように、後部の形状がより良くなります。デフォーカス量が-10mmの場合と 溶接速度は 6 m/min では、図 4 (e) および (f) に示すように、溶接シームの形成も良好です。

 

2.2溶接継手の構造

 

図5は、異なるビームデフォーカス量の下での接合部の形態を示しています。以下のことがわかります さまざまなプロセスが行われているため、接合部に亀裂、孔、その他の欠陥はありません。ただし、ピントがずれると、 量が0mmの場合、溶接部の裏側にアンダーカット欠陥が発生し、強い蒸発によりアンダーカット欠陥が発生します

このときの溶接金属の溶融池内の乱れが大きく、継手の融解線が大きくなる デフォーカス量が10mmまたは-10mmの場合、左右対称ではありません。 溶接部の表裏が凸形状となり、溶融幅が大きくなります。

Fig.5ジョイント形態学下異なります焦点ぼけ金額

図６に溶接金属の組織を示す。図 6(a) は溶接部の中心付近の構造を示しています。図 6(b) は熱影響部付近の溶接部の構造を示しています。見ることができます 溶接組織には、端から中心に向かって明らかな柱状結晶成長が見られ、内部の結晶粒が観察されます。 

溶接部の熱影響部は大きく成長しません。

Fig.6 微細構造さまざまな部分のofジョイント

 

溶接部のさまざまな部分の冷却速度と溶接部のさまざまな組成により、フェライトに 多量の骨格状フェライトと少量のラス状フェライトなど、さまざまな形状をとります。結合粒子の成長方向と粒子サイズの分布をさらに観察するために、図 7 に EBSD を示します。 関節の分析です。母材は一定の粒径の等軸粒子で構成されていることがわかります。 10～30μm程度。溶接構造は主に<100>方向に従い、反対方向の柱状成長を示します。 溶接部のほとんどの結晶粒径は小さく、平均的な結晶粒が存在します。 粒子のサイズは 100 μm 未満で、残りの柱状粒子はそれより大きく、100 ～ 400 μm の範囲です。

 

Fig.7 EBSD分析ofジョイントSTR縫合

 

2.3 関節の機械的性質

 

図 8 と図 9 にそれぞれ異なるデフォーカス量における接合部の引張強度と破断位置を示します。デフォーカス量が 0 mm の場合、関節の破断位置は、 このとき、溶接部と母材との間にはアンダーカットがあり、応力が発生しやすいため、 デフォーカス量が10mmと-10mmの場合、母材の接合部が全て破断します。 溶接部からは遠いです。このときの接合部の引張強度、伸びはともに高い。

Fig.8 引張強いh下のジョイントの異なります焦点ぼけ金額

Fig.9 骨折ポジション結合部の下の異なります焦点ぼけ金額

 

3結論

 

1. 溶接速度、レーザー出力、ビームの焦点ずれはすべて、1 mm の溶接形成に大きな影響を与えます。 厚いです304ステンレス溶接速度が小さいものから大きいものに増加するにつれて、溶接シームの形成が行われます。 変更完全に分離されたものから、よく形成されたものまで、レーザー出力が小さすぎたり大きすぎたりすると、溶接が不完全になります。溶接溶け込みの感度が大きくなります。レーザー出力が 100 W の場合、デフォーカスは 0 mm、溶接速度が 10 m/min の場合、溶接はより良く形成されます。ピンぼけの量で 助かる溶接シームの形成を改善し、溶接シームの幅を増加させ、感度が大幅に低下します穿孔の範囲が広がり、溶接パラメータの範囲が広がります。
2. デフォーカス量10、-10mmの接合部の断面形状は良好で欠陥はありません。溶接金属の凝固様式はFA凝固であり、オーステナイトγとオーステナイトから構成されます。d 不完全に変態したδフェライト。フェライトは、大量の骨格フェライトを含む、さまざまな形状を示します。 少量のラス状フェライト。主に溶接構造＜１００＞方向に沿って柱状に成長する。溶接部の結晶粒径はほとんどが小さいため、平均粒径は100μm未満です。残った柱状のもの 結晶のサイズはさらに大きく、100 ～ 400 μm の範囲です。
3. デフォーカス量が10～10mmの場合、接合部の引張強度と伸びが高く、破断位置も良好 is ベース素材にあります。ただし、デフォーカス量が0mmになると関節の性能が低下し、破壊が発生します。 位置閉じる溶接まで。