Badanie dotyczące spawania laserowego blachy ze stali nierdzewnej 304

Pojazdy na paliwo wodorowe stanowią jedną z głównych ścieżek technicznych rozwoju nowych pojazdów energetycznych w Chinach. Wskutek ze względu na swoje zalety, takie jak duża wytrzymałość, niski poziom hałasu i zerowa emisja, są uważane za najlepsze kierunek rozwoju nowych pojazdów energetycznych.Ogniwa paliwowe są głównym źródłem zasilania pojazdów napędzanych wodorem i kluczowym czynnikiem wpływającym na osiągi pojazdu. Płyta bipolarna jest jednym z głównych składników paliwa komórek.Stal nierdzewna nadaje się do masowej produkcji płyt bipolarnych ogniw paliwowych na dużą skalę ze względu na doskonałe tłoczenie performance,wysoka przewodność elektryczna, niska cena, różnorodne metody produkcji i dobre właściwości mechaniczne.

Opona spawalniczy blach ze stali nierdzewnej jest kluczowym procesem w procesie produkcji dwubiegunowych płytek do ogniw paliwowych.Gdy do spawania stosuje się spawanie łukowe, dopływ ciepła jest stosunkowo duży, co może łatwo spowodować duże spawanie odkształceń, które nie sprzyjają spawaniu blach ze stali nierdzewnej.W tym artykule do przewodzenia wykorzystano laser światłowodowy badania spawania blach ze stali nierdzewnej 1 o grubości 304 mm, bada wpływ różnych parametrów procesu na powstawania spoin i wad spawalniczych oraz analizuje mikrostrukturę i właściwości mechaniczne złączy pod różne specyfikacje, np spawanie laserowe ze stali nierdzewnej 304. Podaj wskazówki dotyczące praktycznej inżynierii zastosowania cienkich płyt.

1 Materiały i metody badawcze

Materiał do badań stanowi walcowana na zimno blacha ze stali nierdzewnej 1 o grubości 304 mm, a jej skład chemiczny przedstawiono w tabeli 1.Rysunek 1 przedstawia strukturę metalu nieszlachetnego stali nierdzewnej, którą jest głównie austenit. Występuje wyraźne rolowanie kierunku, a pomiędzy warstwami austenitu pozostaje niewielka ilość struktury ferrytu.

Tab.1Chemicalskładlub 304nierdzewnystal(wt%)

               Fig.1 Mikrostrukturalub 304nierdzewnystalbazamwsp

Sprzęt spawalniczy wynosi YLS-10000 laser światłowodowy.Maksymalna moc wyjściowa lasera wynosi 10 kW,ogniskowa wynosi 300 mm, długość fali wyjściowej wynosi 1070 nm, a średnica plamki w ognisku wynosi 0.72 mm.Użyj innej mocy lasera P, prędkości spawania v i wielkości rozogniskowania wiązki D, aby zespawać płytę i przeprowadzić analizę

wpływ różnych parametrów procesu na formowanie. Do ochrony podczas procesu spawania zastosowano argon,a natężenie przepływu gazu wynosiło 15 l/min.Po spawaniu do pobierania próbek wykorzystano cięcie drutem. Po szlifowaniu i polerowaniu,Do korozji użyto odczynnika FeCl3. Do obserwacji makroskopowej morfologii wykorzystano mikroskop stereoskopowy przekroju spoiny, a za pomocą mikroskopu metalograficznego obserwowano mikrostrukturę spoiny.

Próbki poddano wibrowaniu i polerowaniu oraz analizowano orientację i wielkość ziaren za pomocą narzędzia dyfraktometr elektronowego rozproszenia wstecznego (EBSD). Połączenia spawane rozciągano za pomocą Zwick-Z100 maszynie do badania rozciągania w temperaturze pokojowej, a szybkość rozciągania złącza wynosiła 0.5 mm/min.

2 Wyniki testów i analiza

2.1 Wpływ różnych parametrów procesu na powstawanie szwu spawalniczego

Rysunek 2 pokazuje wpływ prędkości spawania na powstawanie spoiny. Moc lasera wynosi zawsze 100 W i rozogniskowanie wiązki wynosi 0 mm. Można zauważyć, że przy prędkości spawania wynoszącej 5 m/min płyta ulega całkowitemu rozszczepieniu pod działaniem lasera; gdy prędkość spawania wzrasta do 8 m/min, spoina jest nieciągła i w niektórych miejscach występują otwory całkowicie penetrujące; Gdy prędkość spawania w dalszym ciągu wzrasta do 10 m/min,powierzchnia i tył spoiny są równe i ciągłe, nie występuje zjawisko przepalenia.W tym momencie ogólny kształt spoiny jest lepszy, ale z tyłu występuje lekkie podcięcie;Gdy prędkość osiąga 12 m/min, penetracja tylnej części spoiny jest niewystarczająca.

Fig.2Spawaćformacjadlaróżnespawalniczyprędkości

(P= 100W,D=0mm)

Można zauważyć, że prędkość spawania ma istotny wpływ na formowanie. Przy niskich prędkościach spawaniaenergia liniowa wiązki jest duża, metal w roztopionym jeziorku silnie odparowuje,a wytworzona siła reakcji pary jest duża. Jednakże głębokość stopionego basenu jest niewielka.Pod działaniem szybkich oparów metalu ciekły, stopiony metal może łatwo wypłynąć z tyłu głębokiego roztopionego otworu i ucieczka z roztopionego basenu w postaci rozprysku,lub nawet cały stopiony metal basenowy jest całkowicie wyrzucany z dna. Powoduje pęknięcie deski.Wraz ze wzrostem prędkości spawania energia liniowa maleje i generowana jest siła reakcji parowania w stopionym jeziorze maleje, a wpływ na stopiony metal jeziorny maleje; ponadtokąt odchylenia smugi metalu powstającej w roztopionym metalu staje się większy,a siła reakcji parowania jest przesunięta od dna jeziorka stopionego do tyłu jeziorko stopionego, co sprzyja poprawie tworzenia spoiny.

Rysunek 3 przedstawia tworzenie się szwu spawalniczego przy różnych mocach lasera. The spawanie laserowe prędkość jest 10 m/min, a rozogniskowanie wiązki wynosi 0 mm. Można to zauważyć wraz ze wzrostem mocy lasera od 5 W do 1000 W uzyskuje się całkowitą penetrację płyty ze stali nierdzewnej o grubości 1 mm,ale różne moce lasera mają większy wpływ na formowanie.Gdy moc lasera wynosi 5 W, szerokość spoiny jest stosunkowo wąska, w spoinie występuje wiele przepaleń,i z tyłu znajduje się wiele małych cząstek rozprysków.Gdy moc wzrasta do 50 W, szerokość zwiększa się grubość spoiny i zmniejsza się stopień przepalenia.Gdy moc wzrośnie do 100 W,szew spawalniczy nie ma już wad przepaleń, a dwustronne tworzenie szwu spawalniczego jest lepsze w tym czasie.

Gdy moc lasera wynosi 500 W, ogólny kształt spoiny jest dobry, ale liczba jest niewielka pojawią się przepalenia.Gdy moc wzrasta do 1000 W, szerokość spoiny stale rośnie,ale liczba otworów powstałych w wyniku przepalenia spoiny również znacznie wzrasta. Dlatego też, gdy rozogniskowanie wiązki wynosi 0 mm, przy małej lub dużej mocy lasera wrażliwość spoiny na przepalenie jest wspanialszy.Tylko umiarkowana moc lasera może zapewnić dobre wykonanie spoiny. Dzieje się tak, ponieważ moc lasera jest mała, objętość stopionego jeziorka jest bardzo mała i wymagana jest jedynie niewielka siła reakcji odparowania metalu spowodować wyrzucenie metalu spoiny z dna i utworzenie przepalonych otworów w odpowiednich miejscach.Gdy moc lasera jest duża, siła reakcji parowania metalu jest większa, co może łatwo doprowadzić do przepalenia spoiny.

          Fig.3 Spawaćformacjaatróżnespawanie powwers

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

Rysunek 4 przedstawia wpływ rozogniskowania wiązki na powstawanie szwu spawalniczego. Wyniki, gdy rozogniskowanie wiązki wynosi 0 mm pokazano na rysunkach 2 i 3. Tutaj pokazujemy głównie wyniki, gdy rozogniskowanie wiązki wynosi 10 i - 10 mm.Jak pokazano na rysunku 4(a) i (b), gdy rozogniskowanie wiązki wynosi 10 mm, a prędkość spawania wynosi 10 m/min, nawet przy zwiększeniu mocy lasera ze 100 W do 3000 W, tylna strona płyty nie może zostać zespawana.W zależności od tego, czy w procesie spawania laserowego powstają głębokie otwory penetracyjne, spawanie laserowe dzieli się w dwóch trybach: zgrzewanie przewodzące ciepło i spawanie z głęboką penetracją.Istnieje próg pomiędzy tymi dwoma trybami. Po przekroczeniu tego progu spawanie laserowe ulegnie zmianie spawanie z przewodzeniem ciepła do spawania z głęboką penetracją. Powszechnie stosowane. Próg ten jest opisywany jako stosunek moc lasera w stosunku do średnicy plamki lub moc lasera w stosunku do obszaru plamki. Dlatego też, wraz ze wzrostem stopnia rozogniskowania,plamka wiązki staje się większa. Przy tej samej mocy lasera i prędkości spawania,lspawanie aserowezmieni się z spawanie z głęboką penetracją do spawania z przewodzeniem ciepła, a głębokość penetracji odpowiednio się zmniejszy.

(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,

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

      Fig.4 Spawaćformacjagdzierróżnerozogniskowaniekwoty

Dlatego też, gdy wielkość rozogniskowania wynosi 10 mm, trybem spawania jest spawanie z przewodzeniem ciepła. W tym czasie,szerokość spoiny jest duża, a głębokość mała. Energia lasera skupia się na powierzchni roztopionego jeziorka i zdolność penetracji jest ograniczona.Dlatego penetracja płyty nie może być osiągane przy wyższych prędkościach spawania i w szerszym zakresie mocy. Gdy prędkość spawania spadnie do 6 m/min,wzrost doprowadzonego ciepła powoduje, że spoina jest całkowicie przetopiona, szerokość spoiny jest większa, a przód i plecy są lepiej uformowane, jak pokazano na rysunku 4 (c) i (d). Gdy stopień rozogniskowania wynosi - 10 mm i prędkość spawania wynosi 6 m/min, tworzenie szwu spawalniczego jest również dobre, jak pokazano na rysunku 4 (e) i (f).

2.2Konstrukcja złączy spawanych

Rysunek 5 przedstawia morfologię złącza przy różnych stopniach rozogniskowania wiązki. Widać, że pod różne procesy, nie ma pęknięć, porów i innych wad w złączach. Jednakże, gdy rozogniskowanie ilość wynosi 0 mm, na spodniej stronie spoiny pojawią się defekty podcięte, a na skutek silnego odparowania

metalu spoiny w tym momencie, zaburzenie w jeziorku stopionego jest duże, a linia wtopienia złącza nie jest symetryczny po lewej i prawej stronie. Gdy stopień rozmycia wynosi 10 lub - 10 mm, oba przednia i tylna strona spoiny mają kształt wypukły, a szerokość topienia wzrasta.

Fig.5Wspólnymorfologiedlaróżnerozogniskowaniekwoty

Rysunek 6 przedstawia mikrostrukturę metalu spoiny. Rysunek 6 (a) pokazuje strukturę spoiny w pobliżu środka.Rysunek 6(b) przedstawia strukturę spoiny w pobliżu strefy wpływu ciepła.Widać, że struktura spoiny wykazuje wyraźny wzrost kryształów kolumnowych od krawędzi do środka oraz ziarna w spoinie 

strefa wpływu ciepła spoiny nie zwiększa się znacząco.

Fig.6 Mikrostrukturaz różnych częściofstaw

Szybkość chłodzenia różnych części spoiny i różne składy spoiny powodują, że ferryt się zatrzymuje przybierać różne kształty, w tym dużą ilość ferrytu szkieletowego i niewielką ilość ferrytu listewkowego.Aby dokładniej obserwować orientację wzrostu ziaren i rozkład wielkości ziaren, Rysunek 7 przedstawia EBSD analiza złącza. Można zauważyć, że metal nieszlachetny składa się z ziaren równoosiowych o określonej wielkości od 10 do 30 μm. Struktura spoiny podąża głównie w kierunku, wykazując przeciwny wzrost kolumnowy do kierunku przepływu ciepła. Większość wielkości ziaren w obszarze spoiny jest mała, o ziarnie średnim wielkość mniejsza niż 100 μm, a pozostałe ziarna kolumnowe są większe i wahają się od 100 do 400 μm.

Fig.7 EBSDanalizaofpołączeniestrstruktura

2.3 Właściwości mechaniczne złączy

Rysunki 8 i 9 przedstawiają wytrzymałość na rozciąganie i położenie pęknięcia złącza odpowiednio przy różnych stopniach rozogniskowania.Można stwierdzić, że gdy stopień rozogniskowania wynosi 0 mm, położeniem pęknięcia złącza jest połączenie pomiędzy spoinę i metal nieszlachetny, ponieważ w tym miejscu na tylnej części złącza znajduje się podcięcie, które łatwo powoduje naprężenia koncentracja i pękanie. Gdy stopień rozogniskowania wynosi 10 i - 10 mm, wszystkie połączenia w metalu nieszlachetnym są zepsute daleko od spoiny. W tym czasie zarówno wytrzymałość na rozciąganie, jak i wydłużenie złączy są wysokie.

Fig.8 Rozciągającysilnyhzłącza podróżnerozogniskowaniekwoty

Fig.9 ZłamaniePozycjezłączeniat podróżnerozogniskowaniekwoty

3 Wniosek

1. Prędkość spawania, moc lasera i rozogniskowanie wiązki mają znaczący wpływ na powstawanie spoiny o grubości 1 mm gruby304 nierdzewnychblachy stalowe. Wraz ze wzrostem prędkości spawania od małej do dużej, powstaje szew spawalniczy zmianyz całkowicie oddzielonych, dobrze uformowanych,do niekompletnego spawania; Jeżeli moc lasera jest za mała lub za duża,czułość penetracji spoiny będzie większa;przy mocy lasera 100 W rozogniskowanie wynosi 0 mm,a prędkość spawania wynosi 10 m/min, spoina będzie lepiej uformowana. Wzrostw ilości rozogniskowania sprzyjado poprawy formowania szwu spawalniczego, co zwiększa szerokość szwu spawalniczego,znacznie zmniejsza czułośćperforacji i zwiększa zakres parametrów zgrzewania.
2. Kształt przekroju złącza przy stopniu rozogniskowania 10 i - 10 mm jest dobry i nie ma żadnych wad;Tryb krzepnięcia metalu spoiny to krzepnięcie FA, które składa się z austenitu γ and niecałkowicie przekształcony ferryt δ.Ferryt wykazuje różne kształty, w tym dużą ilość ferrytu szkieletowego i niewielka ilość ferrytu przypominającego listwę;Głównie konstrukcja spoinyrośnie kolumnowo w <100>kierunku.Większość wielkości ziaren w obszarze spoiny jest mała,a średnia wielkość ziaren jest mniejsza niż 100 µm.Pozostała kolumna kryształy są większe, w zakresie od 100 do 400 μm.
3. Gdy wielkość rozogniskowania wynosi 10, - 10 mm, złącze ma dużą wytrzymałość na rozciąganie i wydłużenie, a położenie pęknięcia is w materiale bazowym. Jednakże, gdy stopień rozogniskowania wynosi 0 mm, wydajność złącza spada i dochodzi do złamania positionzamkniętedo spoiny.