การศึกษาการเชื่อมด้วยเลเซอร์ของแผ่นสแตนเลส 304

ยานพาหนะที่ใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนเป็นหนึ่งในเส้นทางทางเทคนิคหลักในการพัฒนารถยนต์พลังงานใหม่ในประเทศจีน เนื่องจาก ข้อได้เปรียบเช่นความทนทานที่แข็งแกร่ง เสียงต่ำ และการปล่อยมลพิษเป็นศูนย์ ถือเป็นสุดยอด ทิศทางการพัฒนารถยนต์พลังงานใหม่เซลล์เชื้อเพลิงเป็นแหล่งพลังงานหลักของรถยนต์พลังงานไฮโดรเจน และเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อสมรรถนะของรถยนต์ แผ่นไบโพลาร์เป็นหนึ่งในองค์ประกอบหลักของน้ำมันเชื้อเพลิง เซลล์เหล็กกล้าไร้สนิมเหมาะสำหรับการผลิตแผ่นไบโพลาร์เซลล์เชื้อเพลิงจำนวนมากเนื่องจากการประทับตราที่ยอดเยี่ยม ประสิทธิภาพการทำงานค่าการนำไฟฟ้าสูง ราคาต่ำ วิธีการผลิตที่หลากหลาย และคุณสมบัติทางกลที่ดี

พื้นที่ การเชื่อมโลหะ ของแผ่นสแตนเลสเป็นกระบวนการสำคัญในกระบวนการผลิตแผ่นไบโพลาร์เซลล์เชื้อเพลิงเมื่อใช้การเชื่อมอาร์กในการเชื่อม ความร้อนจะมีขนาดค่อนข้างมาก ซึ่งสามารถทำให้เกิดการเชื่อมขนาดใหญ่ได้ง่าย การเสียรูปซึ่งไม่เอื้อต่อการเชื่อมแผ่นสแตนเลสบทความนี้ใช้ไฟเบอร์เลเซอร์ในการดำเนินการ การวิจัยการเชื่อมบนแผ่นสแตนเลส 1 หนา 304 มม. สำรวจผลกระทบของพารามิเตอร์กระบวนการต่างๆ การก่อตัวของรอยเชื่อมและข้อบกพร่องในการเชื่อม และวิเคราะห์โครงสร้างจุลภาคและคุณสมบัติทางกลของข้อต่อด้านล่าง ข้อกำหนดที่แตกต่างกันสำหรับ การเชื่อมด้วยเลเซอร์ ของสแตนเลส 304 ให้คำแนะนำเกี่ยวกับวิศวกรรมภาคปฏิบัติ การใช้งานแผ่นบาง

 

1 วัสดุและวิธีการทดสอบ

 

วัสดุทดสอบเป็นแผ่นสแตนเลส 1 รีดเย็นหนา 304 มม. และองค์ประกอบทางเคมีแสดงไว้ในตารางที่ 1รูปที่ 1 แสดงโครงสร้างโลหะฐานของเหล็กกล้าไร้สนิม ซึ่งส่วนใหญ่เป็นออสเทนไนต์ มีการกลิ้งที่ชัดเจน ทิศทางและโครงสร้างเฟอร์ไรต์จำนวนเล็กน้อยยังคงอยู่ระหว่างชั้นออสเทนไนต์

แท็บ 1สารเคมีส่วนประกอบจาก 304สแตนเลสเหล็ก(น้ำหนัก%)

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 จุลภาคจาก 304สแตนเลสเหล็กฐานmEtal

 

อุปกรณ์เชื่อม คือ YLS-10000 ไฟเบอร์เลเซอร์กำลังขับสูงสุดของเลเซอร์คือ 10 kWทางยาวโฟกัสคือ 300 มม. ความยาวคลื่นเอาต์พุตคือ 1070 นาโนเมตร และเส้นผ่านศูนย์กลางจุดที่โฟกัสคือ 0.72 มม.ใช้กำลังเลเซอร์ที่แตกต่างกัน P ความเร็วการเชื่อม v และค่าการพร่ามัวของลำแสง D เพื่อเชื่อมแผ่นและวิเคราะห์

ผลกระทบของพารามิเตอร์กระบวนการต่างๆ ต่อการขึ้นรูป มีการใช้ก๊าซอาร์กอนในการป้องกันระหว่างกระบวนการเชื่อมและอัตราการไหลของก๊าซอยู่ที่ 15 ลิตร/นาทีหลังจากการเชื่อมแล้ว จะใช้การตัดลวดในการสุ่มตัวอย่าง หลังจากการบดและขัดเงาแล้วรีเอเจนต์ FeCl3 ถูกใช้สำหรับการกัดกร่อน ใช้กล้องจุลทรรศน์สเตอริโอเพื่อสังเกตสัณฐานวิทยาขนาดมหภาค ของส่วนเชื่อม และใช้กล้องจุลทรรศน์โลหะวิทยาเพื่อสังเกตโครงสร้างจุลภาคของรอยเชื่อม

ตัวอย่างได้รับการสั่นสะเทือนและขัดเงา และวิเคราะห์การวางแนวและขนาดของเกรนโดยใช้ เครื่องวัดการกระจายกลับของอิเล็กตรอน (EBSD) รอยเชื่อมถูกยืดออกโดยใช้ Zwick-Z100 เครื่องทดสอบแรงดึงที่อุณหภูมิห้อง และอัตราการยืดข้อต่อคือ 0.5 มม./นาที

 

2 ผลการทดสอบและการวิเคราะห์

 

2.1 อิทธิพลของพารามิเตอร์กระบวนการที่แตกต่างกันต่อการสร้างรอยเชื่อม

 

รูปที่ 2 แสดงผลของความเร็วในการเชื่อมต่อการเกิดรอยเชื่อม กำลังเลเซอร์อยู่ที่ 100 W เสมอและ ระยะเบี่ยงเบนของลำแสงอยู่ที่ 0 มม. จะเห็นได้ว่าเมื่อความเร็วการเชื่อมอยู่ที่ 5 ม./นาที แผ่นจะแยกออกจากกันโดยสิ้นเชิง ภายใต้การกระทำของเลเซอร์ เมื่อความเร็วในการเชื่อมเพิ่มขึ้นเป็น 8 ม./นาที การเชื่อมจะไม่ต่อเนื่องและ มีรูเจาะเต็มในบางจุด เมื่อความเร็วในการเชื่อมยังคงเพิ่มขึ้นเป็น 10 ม./นาทีพื้นผิวและด้านหลังของรอยเชื่อมมีความสม่ำเสมอและต่อเนื่อง และไม่มีปรากฏการณ์การไหม้ทะลุในเวลานี้ รูปร่างโดยรวมของการเชื่อมดีขึ้น แต่มีการตัดราคาเล็กน้อยที่ด้านหลังเมื่อความเร็วถึง 12 ม./นาที แสดงว่าทะลุด้านหลังของแนวเชื่อมไม่เพียงพอ

Fig.2Weldการสร้างภายใต้ต่างการเชื่อมโลหะความเร็ว

(P= 100W,D=0mm)

 

จะเห็นได้ว่าความเร็วในการเชื่อมมีผลกระทบอย่างมากต่อการขึ้นรูป ด้วยความเร็วการเชื่อมต่ำพลังงานเชิงเส้นของลำแสงสูงโลหะในสระหลอมเหลวจะระเหยอย่างแรงและแรงปฏิกิริยาไอน้ำที่เกิดขึ้นนั้นแข็งแกร่ง อย่างไรก็ตาม ความลึกของสระหลอมเหลวมีขนาดเล็กภายใต้การกระทำของไอโลหะความเร็วสูง โลหะในสระที่หลอมละลายของเหลวสามารถพุ่งออกมาได้อย่างง่ายดาย จากด้านหลังหลุมหลอมเหลวลึกแล้วหนีออกจากสระหลอมเหลวในลักษณะน้ำกระเซ็นหรือแม้แต่โลหะในสระที่หลอมละลายทั้งหมดก็ถูกดีดออกมาจากด้านล่างจนหมด ทำให้บอร์ดพัง..เมื่อความเร็วในการเชื่อมเพิ่มขึ้น พลังงานเชิงเส้นจะลดลง แรงปฏิกิริยาการระเหยจะเกิดขึ้น ในโลหะสระหลอมเหลวลดลง และผลกระทบต่อโลหะสระหลอมเหลวลดลง นอกจากนี้มุมโก่งของขนนกโลหะที่สร้างขึ้นในโลหะหลอมเหลวจะมีขนาดใหญ่ขึ้นและแรงปฏิกิริยาการระเหยจะเอนเอียงจากด้านล่างของสระหลอมเหลวไปทางด้านหลัง สระหลอมเหลวซึ่งเอื้อต่อการปรับปรุงการก่อตัวของการเชื่อม

รูปที่ 3 แสดงการก่อตัวของรอยเชื่อมภายใต้กำลังเลเซอร์ที่แตกต่างกัน ที่ การเชื่อมด้วยเลเซอร์ คือความเร็ว 10 ม./นาที และระยะเบี่ยงเบนของลำแสงอยู่ที่ 0 มม. จะเห็นได้ว่าเมื่อกำลังเลเซอร์เพิ่มขึ้น จาก 5 W ถึง 1000 W สามารถเจาะแผ่นสแตนเลสขนาด 1 มม. ได้อย่างสมบูรณ์แต่กำลังเลเซอร์ที่แตกต่างกันจะส่งผลต่อการขึ้นรูปมากกว่าเมื่อกำลังเลเซอร์อยู่ที่ 5 W ความกว้างของการเชื่อมจะค่อนข้างแคบ มีรูทะลุจำนวนมากในแนวเชื่อมและมีอนุภาคกระเด็นเล็กๆ มากมายที่ด้านหลังเมื่อเพิ่มกำลังไฟฟ้าเป็น 50 W ความกว้าง ของการเชื่อมเพิ่มขึ้นและระดับการเผาไหม้ผ่านลดลงเมื่อกำลังไฟเพิ่มขึ้นเป็น 100 Wรอยเชื่อมไม่มีข้อบกพร่องจากการไหม้อีกต่อไป และการเกิดรอยเชื่อมสองด้านจะดีกว่า ตอนนี้

เมื่อกำลังเลเซอร์อยู่ที่ 500 W รูปร่างการเชื่อมโดยรวมจะดีแต่มีจำนวนน้อย หลุมไหม้จะปรากฏขึ้นเมื่อกำลังเพิ่มขึ้นเป็น 1000 W ความกว้างของการเชื่อมจะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องแต่จำนวนรูที่เกิดจากการไหม้ทะลุของรอยเชื่อมก็เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ดังนั้นเมื่อ การพร่ามัวของลำแสงคือ 0 มม. เมื่อกำลังเลเซอร์น้อยหรือใหญ่ ความไวของรอยเชื่อมต่อการเผาไหม้ทะลุ ยิ่งใหญ่กว่าพลังงานเลเซอร์ในระดับปานกลางเท่านั้นที่สามารถรับประกันการสร้างรอยเชื่อมที่ดี เนื่องจากเมื่อพลังงานเลเซอร์ ต่ำ ปริมาตรของสระหลอมเหลวมีขนาดเล็กมากและต้องใช้แรงปฏิกิริยาเพียงเล็กน้อยของการระเหยของโลหะเท่านั้น เพื่อให้โลหะเชื่อมหลุดออกจากด้านล่างและสร้างรูไหม้ที่ตำแหน่งที่สอดคล้องกันเมื่อพลังงานเลเซอร์สูง แรงปฏิกิริยาของการระเหยของโลหะจะมีมากขึ้น ซึ่งสามารถนำไปสู่การไหม้ทะลุได้ง่าย ของรอยเชื่อม

          Fig.3 Weldการสร้างatต่างการเชื่อมปอใช่ไหม

(v= 10เมตร/นาที,D=0มิลลิเมตร)

 

รูปที่ 4 แสดงผลของการพร่ามัวของลำแสงต่อการเกิดรอยเชื่อม ผลลัพธ์เมื่อลำแสงพร่ามัวอยู่ที่ 0 มม ดังแสดงในรูปที่ 2 และ 3 ที่นี่เราจะแสดงผลลัพธ์เป็นหลักเมื่อลำแสงพร่ามัวอยู่ที่ 10 และ - 10 มม.ดังแสดงในรูปที่ 4(a) และ (b) เมื่อระยะเบี่ยงเบนของลำแสงอยู่ที่ 10 มม. และความเร็วในการเชื่อมอยู่ที่ 10 ม./นาที แม้ว่ากำลังเลเซอร์จะเพิ่มขึ้นจาก 100 W เป็น 3000 W แต่ด้านหลังของเพลตก็ไม่สามารถเชื่อมทะลุได้ขึ้นอยู่กับว่ามีการสร้างรูเจาะลึกในระหว่างกระบวนการเชื่อมด้วยเลเซอร์หรือไม่ การเชื่อมด้วยเลเซอร์จะถูกแบ่งออก เป็นสองโหมด: การเชื่อมการนำความร้อนและการเชื่อมแบบเจาะลึกมีเกณฑ์ระหว่างสองโหมด เกินเกณฑ์นี้ การเชื่อมด้วยเลเซอร์จะเปลี่ยนจาก การเชื่อมแบบการนำความร้อนไปจนถึงการเชื่อมแบบเจาะลึก โดยทั่วไปใช้เกณฑ์นี้อธิบายเป็นอัตราส่วนของ กำลังเลเซอร์ไปยังเส้นผ่านศูนย์กลางของจุดเล็ง หรือกำลังเลเซอร์ไปยังจุดพื้นที่ ดังนั้น เมื่อปริมาณการพร่ามัวเพิ่มขึ้นลำแสงจะใหญ่ขึ้น ภายใต้พลังเลเซอร์และความเร็วในการเชื่อมที่เท่ากันlการเชื่อมแบบแอสเซอร์จะเปลี่ยนจาก การเชื่อมแบบเจาะลึกถึงการเชื่อมแบบการนำความร้อน และความลึกของการเจาะจะลดลงตามไปด้วย

(ก)P= 100W,v= 10เมตร/นาที,D=10mm,(ข)P= 3000W,v= 10เมตร/นาที,

D= 10mm,(ค)P= 100W,v=6เมตร/นาที,D= 10mm,(D)P= 3000W,

v=6เมตร/นาที,D= 10mm,(จ)P= 100W,v=6เมตร/นาที,D=-10mm,

(F)P= 3000W,v=6เมตร/นาที,D=-10mm

      Fig.4 Weldการสร้างunderต่างพร่ามัวจำนวน

 

ดังนั้น เมื่อระยะพร่ามัวอยู่ที่ 10 มม. โหมดการเชื่อมจะเป็นการเชื่อมแบบการนำความร้อน ณ ขณะนี้,ความกว้างของการเชื่อมมีขนาดใหญ่และความลึกมีขนาดเล็ก พลังงานเลเซอร์จะมุ่งไปที่ พื้นผิวของสระหลอมเหลวและความสามารถในการเจาะทะลุมีจำกัดดังนั้นจึงไม่สามารถเจาะทะลุแผ่นได้ ทำได้ที่ความเร็วการเชื่อมที่สูงขึ้นและอยู่ภายในช่วงกำลังที่กว้างขึ้น เมื่อความเร็วในการเชื่อมลดลงเหลือ 6 ม./นาทีการเพิ่มขึ้นของความร้อนทำให้การเชื่อมทะลุได้อย่างสมบูรณ์ ความกว้างของการเชื่อมมีขนาดใหญ่ขึ้น และด้านหน้าและ ส่วนหลังจะมีรูปทรงที่ดีขึ้น ดังแสดงในรูปที่ 4 (c) และ (d) เมื่อระยะพร่ามัวอยู่ที่ - 10 มม. และ ความเร็วในการเชื่อมคือ 6 ม./นาที การเกิดรอยเชื่อมก็ดี ดังแสดงในรูปที่ 4 (e) และ (f)

 

2.2โครงสร้างของรอยเชื่อม

 

รูปที่ 5 แสดงสัณฐานวิทยาของข้อต่อภายใต้ปริมาณการพร่ามัวของลำแสงที่แตกต่างกัน จะเห็นได้ว่าอยู่ข้างใต้ กระบวนการต่าง ๆ ไม่มีรอยแตก รูขุมขน และข้อบกพร่องอื่น ๆ ในข้อต่อ อย่างไรก็ตามเมื่อพร่ามัว มีค่าเท่ากับ 0 มม. ข้อบกพร่องการตัดราคาจะเกิดขึ้นที่ด้านหลังของแนวเชื่อม และเนื่องจากการระเหยอย่างแรง

ของโลหะเชื่อมในเวลานี้การรบกวนในสระหลอมเหลวมีขนาดใหญ่และเส้นฟิวชั่นรอยต่อ ด้านซ้ายและด้านขวาไม่สมมาตร เมื่อระยะพร่ามัวอยู่ที่ 10 หรือ - 10 มม. ทั้งสอง ด้านหน้าและด้านหลังของรอยเชื่อมแสดงรูปร่างนูน และความกว้างของการหลอมเพิ่มขึ้น

Fig.5ร่วมกันสัณฐานวิทยาภายใต้ต่างพร่ามัวจำนวน

รูปที่ 6 แสดงโครงสร้างจุลภาคของโลหะเชื่อม รูปที่ 6(a) แสดงโครงสร้างของรอยเชื่อมใกล้จุดศูนย์กลางรูปที่ 6(b) แสดงโครงสร้างของรอยเชื่อมใกล้กับบริเวณที่ได้รับความร้อนจะเห็นได้ว่า โครงสร้างการเชื่อมแสดงให้เห็นการเจริญเติบโตของผลึกแบบเรียงเป็นแนวชัดเจนจากขอบถึงศูนย์กลาง และมีเมล็ดใน 

บริเวณรอยเชื่อมที่ได้รับความร้อนจะไม่เพิ่มขึ้นมากนัก

Fig.6 จุลภาคของส่วนต่างๆofข้อต่อ

 

อัตราการเย็นตัวของส่วนต่างๆ ของรอยเชื่อมและองค์ประกอบต่างๆ ของรอยเชื่อม ทำให้เกิดเฟอร์ไรต์ มีรูปร่างที่แตกต่างกัน รวมถึงเฟอร์ไรต์โครงกระดูกจำนวนมากและเฟอร์ไรต์คล้ายไม้ระแนงจำนวนเล็กน้อยเพื่อสังเกตทิศทางการเติบโตของเกรนข้อต่อและการกระจายขนาดเกรน รูปที่ 7 แสดง EBSD การวิเคราะห์ข้อต่อ จะเห็นได้ว่าโลหะฐานประกอบด้วยเม็ดเกรนที่มีขนาดเท่ากัน 10 ถึง 30 ไมโครเมตร โครงสร้างการเชื่อมส่วนใหญ่จะเป็นไปตามทิศทาง <100> ซึ่งแสดงการเติบโตแบบเสาตรงข้าม ไปยังทิศทางการไหลของความร้อน ขนาดเกรนส่วนใหญ่ในบริเวณรอยเชื่อมมีขนาดเล็กและมีเกรนเฉลี่ย ขนาดน้อยกว่า 100 ไมโครเมตร และเมล็ดเรียงเป็นแนวส่วนที่เหลือมีขนาดใหญ่กว่า ตั้งแต่ 100 ถึง 400 ไมโครเมตร

 

Fig.7 โรคอีบีเอสดีการวิเคราะห์ofร่วมกันStrการฝัง

 

2.3 คุณสมบัติทางกลของข้อต่อ

 

รูปที่ 8 และ 9 แสดงความต้านทานแรงดึงและตำแหน่งการแตกหักของข้อต่อภายใต้ค่าเบี่ยงเบนโฟกัสที่แตกต่างกันตามลำดับพบว่าเมื่อค่าเบี่ยงเบนโฟกัสเท่ากับ 0 มม. ตำแหน่งแตกหักของข้อต่อคือจุดเชื่อมต่อระหว่างกัน รอยเชื่อมและโลหะฐานเนื่องจากช่วงนี้มีรอยตัดที่ด้านหลังของข้อต่อทำให้เกิดความเครียดได้ง่าย ความเข้มข้นและการแตกหัก เมื่อค่าเบี่ยงเบนโฟกัสอยู่ที่ 10 และ - 10 มม. ข้อต่อจะหักทั้งหมดในโลหะฐาน ห่างไกลจากรอยเชื่อม ขณะนี้ความต้านทานแรงดึงและการยืดตัวของข้อต่อมีสูงทั้งคู่

Fig.8 แรงดึงเสริมสร้างhของข้อต่อภายใต้ต่างพร่ามัวจำนวน

Fig.9 หักตำแหน่งของการเข้าร่วมอยู่ใต้ต่างพร่ามัวจำนวน

 

3 บทสรุป

 

1. ความเร็วในการเชื่อม กำลังเลเซอร์ และลำแสงพร่ามัว ล้วนมีผลกระทบสำคัญต่อการก่อตัวของรอยเชื่อมขนาด 1 มม หนาสเตนเลส 304เหล็กแผ่น เนื่องจากความเร็วในการเชื่อมเพิ่มขึ้นจากเล็กไปใหญ่ ทำให้เกิดรอยเชื่อม การเปลี่ยนแปลงจากการแตกแยกกันโดยสิ้นเชิงการเชื่อมที่ไม่สมบูรณ์หากกำลังแสงเลเซอร์น้อยเกินไปหรือใหญ่เกินไปความไวของการเจาะทะลุจะมากขึ้นเมื่อกำลังเลเซอร์ 100 W การพร่ามัวคือ 0 มม.และความเร็วในการเชื่อม 10 ม./นาที การเชื่อมจะขึ้นรูปได้ดีขึ้น การเพิ่มขึ้นในปริมาณของการพร่ามัว เอื้ออำนวยเพื่อปรับปรุงการสร้างรอยเชื่อมซึ่งเพิ่มความกว้างของรอยเชื่อมลดความไวลงอย่างมากของการเจาะและเพิ่มช่วงของพารามิเตอร์การเชื่อม
2. รูปร่างหน้าตัดของข้อต่อที่มีระยะพร่ามัว 10 และ - 10 มม. นั้นดีและไม่มีข้อบกพร่องโหมดการแข็งตัวของโลหะเชื่อมคือการแข็งตัวของ FA ซึ่งประกอบด้วยออสเทนไนต์ γ and แปลงδเฟอร์ไรต์ไม่สมบูรณ์เฟอร์ไรต์แสดงรูปร่างที่แตกต่างกัน รวมถึงเฟอร์ไรต์โครงกระดูกจำนวนมาก และเฟอร์ไรต์คล้ายไม้ระแนงจำนวนเล็กน้อยโครงสร้างการเชื่อมเป็นหลักขยายแนวเสาไปตามทิศทาง<100>ขนาดเกรนส่วนใหญ่ในบริเวณรอยเชื่อมมีขนาดเล็กและขนาดเกรนเฉลี่ยน้อยกว่า 100 ไมโครเมตรเสาที่เหลือ ผลึกมีขนาดใหญ่กว่า ตั้งแต่ 100 ถึง 400 ไมโครเมตร
3. เมื่อค่าเบี่ยงเบนโฟกัสอยู่ที่ 10, - 10 มม. ข้อต่อจะมีความต้านทานแรงดึงและการยืดตัวสูง และตำแหน่งการแตกหัก is ในวัสดุฐาน อย่างไรก็ตาม เมื่อระยะพร่ามัวอยู่ที่ 0 มม. ประสิทธิภาพของข้อต่อจะลดลงและการแตกหัก ตำแหน่งปิดการขายไปที่การเชื่อม