Estudo sobre soldagem a laser de chapa de aço inoxidável 304

Os veículos movidos a hidrogênio são um dos principais caminhos técnicos para o desenvolvimento de novos veículos energéticos na China. Devido a suas vantagens, como forte resistência, baixo ruído e zero emissões, eles são considerados o melhor direção para o desenvolvimento de novos veículos energéticos.As células de combustível são a principal fonte de energia dos veículos movidos a hidrogênio e um fator chave que afeta o desempenho do veículo. A placa bipolar é um dos principais componentes do combustível célula.O aço inoxidável é adequado para produção em massa em larga escala de placas bipolares de células de combustível devido à sua excelente estampagem desempenhoalta condutividade elétrica, baixo preço, diversos métodos de fabricação e boas propriedades mecânicas.

O soldagem A produção de chapas de aço inoxidável é um processo chave no processo de fabricação de placas bipolares para células de combustível.Quando a soldagem a arco é usada para soldagem, a entrada de calor é relativamente grande, o que pode facilmente causar grandes soldagem deformações, o que não favorece a soldagem de chapas de aço inoxidável.Este artigo utiliza laser de fibra para conduzir pesquisa de soldagem em chapas de aço inoxidável 1 com 304 mm de espessura, explora os efeitos de diferentes parâmetros do processo em formação de solda e defeitos de soldagem, e analisa a microestrutura e propriedades mecânicas das juntas sob especificações diferentes, para soldagem a laser de aço inoxidável 304. Fornecer orientação sobre engenharia prática aplicações de chapas finas.

1 Materiais e métodos de teste

O material de teste é uma chapa de aço inoxidável 1 laminada a frio com 304 mm de espessura e sua composição química é mostrada na Tabela 1.A Figura 1 mostra a estrutura metálica básica do aço inoxidável, que é principalmente austenita. Há um rolamento óbvio direção, e uma pequena quantidade de estrutura de ferrita permanece entre as camadas de austenita.

Guia.1Produtos Químicoscomposiçãode 304inoxidávelaço(peso%)

               Fig.1 Microestruturade 304inoxidávelaçobasemetal

O equipamento de soldagem é YLS-10000 laser de fibra.A potência máxima de saída do laser é de 10 kW,a distância focal é 300 mm, o comprimento de onda de saída é 1070 nm e o diâmetro do ponto no foco é 0.72 mm.Use diferentes potências de laser P, velocidade de soldagem v e quantidade de desfocagem do feixe D para soldar a placa e analisar

o impacto de diferentes parâmetros do processo na conformação. O gás argônio foi utilizado para proteção durante o processo de soldagem,e a vazão de gás foi de 15 L/min.Após a soldagem, o corte do fio foi utilizado para amostragem. Após moagem e polimento,O reagente FeCl3 foi usado para corrosão. Um microscópio estéreo foi usado para observar a morfologia macroscópica da seção de solda, e um microscópio metalográfico foi utilizado para observar a microestrutura da solda.

As amostras foram vibradas e polidas, e a orientação e tamanho dos grãos foram analisados ​​usando um difratômetro de retroespalhamento de elétrons (EBSD). As juntas soldadas foram estiradas usando um Zwick-Z100 máquina de teste de tração à temperatura ambiente e a taxa de alongamento da junta foi de 0.5 mm/min.

2 Resultados de testes e análises

2.1 A influência de diferentes parâmetros do processo na formação do cordão de soldagem

A Figura 2 mostra o efeito da velocidade de soldagem na formação da solda. A potência do laser é sempre de 100 W e o a desfocagem do feixe é de 0 mm. Pode-se observar que quando a velocidade de soldagem é de 5 m/min, a placa está completamente dividida sob a ação do laser; quando a velocidade de soldagem aumenta para 8 m/min, a soldagem é descontínua e existem furos totalmente penetrantes em alguns locais; quando a velocidade de soldagem continua a aumentar para 10 m/min,a superfície e a parte posterior da solda são uniformes e contínuas e não há fenômeno de queima.Neste momento, o formato geral da solda é melhor, mas há um ligeiro corte na parte traseira;Quando a velocidade atinge 12 m/min, há penetração insuficiente no verso da solda.

Fig.2Soldartreinamentoparadiferentesoldagemvelocidades

(P= 100W,D=0mm)

Pode-se observar que a velocidade de soldagem tem um impacto significativo na conformação. Em baixas velocidades de soldagem,a energia linear do feixe é alta, o metal na poça fundida evapora fortemente,e a força de reação do vapor gerada é forte. No entanto, a profundidade da poça de fusão é pequena.Sob a ação do vapor metálico de alta velocidade, o metal líquido da poça derretida pode facilmente sair da parte de trás do buraco derretido profundo e escapar da poça derretida na forma de respingo,ou mesmo todo o metal fundido da poça é completamente ejetado do fundo. Faz com que a placa quebre.À medida que a velocidade de soldagem aumenta, a energia linear diminui, a força de reação de evaporação gerada no metal da poça fundida diminui e o impacto no metal da poça fundida diminui;o ângulo de deflexão da pluma de metal gerada no metal da poça fundida torna-se maior,e a força de reação de evaporação é desviada do fundo da poça de fusão para a parte traseira do a poça fundida, o que contribui para a melhoria da formação da solda.

A Figura 3 mostra a formação do cordão de soldagem sob diferentes potências de laser. O soldagem a laser velocidade é 10 m/min e a desfocagem do feixe é de 0 mm. Pode-se observar que quando a potência do laser aumenta de 5 W a 1000 W, consegue-se a penetração completa da placa de aço inoxidável de 1 mm,mas diferentes potências de laser têm um impacto maior na formação.Quando a potência do laser é de 5 W, a largura da solda é relativamente estreita, há muitos furos na solda,e há muitas pequenas partículas de respingos na parte traseira.Quando a potência aumenta para 50 W, a largura da solda aumenta e o grau de queima diminui.Quando a potência aumenta para 100 W,a costura de solda não apresenta mais defeitos de queimadura e a formação dupla-face da costura de solda é melhor neste momento.

Quando a potência do laser é de 500 W, o formato geral da solda é bom, mas um pequeno número de buracos queimados aparecerão.Quando a potência aumenta para 1000 W, a largura da solda continua a aumentar,mas o número de furos causados ​​pela queima da solda também aumenta significativamente. Portanto, quando o a desfocagem do feixe é de 0 mm, quando a potência do laser é pequena ou grande, a sensibilidade da costura de solda à queima é maior.Somente a potência moderada do laser pode garantir uma boa formação de costura de solda. Isso ocorre porque quando a potência do laser é baixo, o volume da poça fundida é muito pequeno e apenas uma pequena força de reação de evaporação do metal é necessária para fazer com que o metal de solda seja ejetado da parte inferior e crie furos nos locais correspondentes.Quando a potência do laser é alta, a força de reação da evaporação do metal é maior, o que pode facilmente levar à queima da solda.

          Fig.3 Soldartreinamentoatdiferentesoldagem porespostas

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

A Figura 4 mostra o efeito da desfocagem do feixe na formação do cordão de soldagem. Os resultados quando a desfocagem do feixe é de 0 mm são mostrados nas Figuras 2 e 3. Aqui mostramos principalmente os resultados quando a desfocagem do feixe é de 10 e - 10 mm.Conforme mostrado na Figura 4 (a) e (b), quando a desfocagem do feixe é de 10 mm e a velocidade de soldagem é 10 m/min, mesmo que a potência do laser seja aumentada de 100 W para 3000 W, a parte traseira da placa não pode ser soldada.Com base na produção de furos de penetração profunda durante o processo de soldagem a laser, a soldagem a laser é dividida em dois modos: soldagem por condução térmica e soldagem de penetração profunda.Existe um limite entre os dois modos. Além deste limite, a soldagem a laser se transformará de soldagem por condução térmica até soldagem de penetração profunda. Geralmente usado Este limite é descrito como a proporção de potência do laser para localizar o diâmetro ou potência do laser para localizar a área. Portanto, à medida que a quantidade de desfocagem aumenta,o ponto do feixe torna-se maior. Sob a mesma potência do laser e velocidade de soldagem,lsoldagem a lasermudará de soldagem de penetração profunda para soldagem por condução de calor, e a profundidade de penetração diminuirá de acordo.

(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 Soldartreinamentoonderdiferentedesfocagemquantidades

Portanto, quando o valor de desfocagem é de 10 mm, o modo de soldagem é soldagem por condução térmica. Neste momento,a largura da solda é grande e a profundidade é pequena. A energia do laser está concentrada no superfície da poça fundida e a capacidade de penetração é limitada.Portanto, a penetração da placa não pode ser alcançado em velocidades de soldagem mais altas e dentro de uma faixa de potência mais ampla. Quando a velocidade de soldagem cai para 6 m/min,o aumento na entrada de calor faz com que a solda penetre completamente, a largura da solda seja maior e a frente e o dorso fica melhor formado, conforme mostrado na Figura 4 (c) e (d). Quando a quantidade de desfocagem é - 10 mm e a velocidade de soldagem é 6 m/min, a formação do cordão de solda também é boa, conforme mostrado na Figura 4 (e) e (f).

2.2Estrutura de juntas soldadas

A Figura 5 mostra a morfologia da junta sob diferentes quantidades de desfocagem do feixe. Pode-se ver que sob processos diferentes, não há fissuras, poros e outros defeitos nas juntas. No entanto, quando a desfocagem quantidade for 0 mm, defeitos de corte ocorrerão na parte de trás da solda e devido à forte evaporação

do metal de solda neste momento, a perturbação na poça de fusão é grande e a linha de fusão da junta não é simétrico nos lados esquerdo e direito. Quando a quantidade de desfocagem é 10 ou - 10 mm, ambos os os lados frontal e traseiro da solda apresentam uma forma convexa e a largura de fusão aumenta.

Fig.5Articulaçãomorfologiasparadiferentedesfocagemquantidades

A Figura 6 mostra a microestrutura do metal de solda. A Figura 6(a) mostra a estrutura da solda próxima ao centro.A Figura 6(b) mostra a estrutura da solda próxima à zona afetada pelo calor.Pode-se ver que o a estrutura da solda mostra um crescimento cristalino colunar óbvio da borda para o centro, e os grãos na 

zona da solda afetada pelo calor não cresce significativamente.

Fig.6 Microestruturade diferentes partesofa articulação

As taxas de resfriamento de diferentes partes da solda e as diferentes composições da solda fazem com que a ferrita assumem diferentes formas, incluindo uma grande quantidade de ferrita esquelética e uma pequena quantidade de ferrita tipo ripa.Para observar melhor a orientação conjunta do crescimento dos grãos e a distribuição do tamanho dos grãos, a Figura 7 mostra o EBSD análise da articulação. Pode-se observar que o metal base é composto por grãos equiaxiais com granulometria de 10 a 30 μm. A estrutura da solda segue principalmente a direção<100>, mostrando crescimento colunar oposto na direção do fluxo de calor. A maioria dos tamanhos de grão na área de solda são pequenos, com grão médio tamanho inferior a 100 μm, e o restante dos grãos colunares são maiores, variando de 100 a 400 μm.

Fig.7 EBSDanáliseofarticulaçãostrcriar

2.3 Propriedades mecânicas das juntas

As Figuras 8 e 9 mostram a resistência à tração e a posição de fratura da junta sob diferentes valores de desfocagem, respectivamente.Pode-se descobrir que quando o valor de desfocagem é 0 mm, a posição de fratura da articulação é a conexão entre a solda e o metal base, porque há um recorte na parte de trás da junta neste momento, o que facilmente causa tensão concentração e fratura. Quando a quantidade de desfocagem é de 10 e -10 mm, as juntas estão todas quebradas no metal base longe da solda. Neste momento, a resistência à tração e o alongamento das juntas são altos.

Fig.8 tênsilforçahda articulação sobdiferentedesfocagemquantidades

Fig.9 Fraturarabertasda junçãoabaixodiferentedesfocagemquantidades

3 Conclusão

1. A velocidade de soldagem, a potência do laser e a desfocagem do feixe têm um impacto significativo na formação da solda de 1 mm Grosso304 inoxidávelchapas de aço. À medida que a velocidade de soldagem aumenta de pequeno para grande, a formação de costura de soldagem alterarde completamente separados, bem formados,à soldagem incompleta; se a potência do laser for muito pequena ou muito grande,a sensibilidade de penetração da solda será maior;quando a potência do laser é de 100 W, a desfocagem é de 0 mm,e a velocidade de soldagem é de 10 m/min, a solda será formada melhor.na quantidade de desfocagem é propíciopara a melhoria da formação da costura de soldagem, o que aumenta a largura da costura de soldagem,reduz muito a sensibilidadede perfuração e aumenta a gama de parâmetros de soldagem.
2. O formato da seção transversal da junta com um valor de desfocagem de 10 e - 10 mm é bom e não há defeitos;O modo de solidificação do metal de solda é a solidificação FA, que é composta de austenita γ ed ferrita δ transformada incompletamente.A ferrita apresenta diferentes formatos, incluindo uma grande quantidade de ferrita esquelética e uma pequena quantidade de ferrite tipo ripa;A estrutura da solda principalmentecresce colunar ao longo da direção<100>.A maioria dos tamanhos de grãos na área de solda são pequenos,e o tamanho médio do grão é inferior a 100 μm.A coluna restante os cristais são maiores em tamanho, variando de 100 a 400 μm.
3. Quando a quantidade de desfocagem é de 10, - 10 mm, a junta tem alta resistência à tração e alongamento, e a posição da fratura is no material base. No entanto, quando o valor de desfocagem é 0 mm, o desempenho da articulação diminui e a fratura posiçãofecharpara a solda.