Дослідження лазерного зварювання арматурної нержавіючої сталі 304

Автомобілі на водневому паливі є одним із головних технічних шляхів розвитку транспортних засобів нової енергетики в Китаї. Завдякиїх перевагам, таким як велика тривалість роботи, низький рівень шуму та нульові викиди, їх вважають кінцевоюметою у розвитку транспортних засобів нової енергетики.Паливні елементи є основним джерелом живлення для автомобілів на водньому паливіта ключовим фактором, що впливає на特性 characteristic characteristics характеристики vehicle транспортного засобу. Біполярна плита є однією з основних складових частин паливногоелемента.Нержавіюча сталь підходить для масового виробництва біполярних пластин паливних елементів завдяки своєму відмінному формуваннюякості,високій електричній провідності, низькій ціні, різноманітним методам виготовлення та хорошим механічним властивостям.

Цейзварюванняштампування листків нержавіючої сталі є ключевим процесом у технологічному процесі виготовлення біполярних пластин паливних елементів.При використанні дугового зварювання для сполучення матеріалів тепловий вход є відносно великим, що легко може призвести до великих деформаційзварювання, що не сприяє зварюванню нержавіючих стальних листів.Ця стаття використовує волоконний лазер для проведеннядосліджень зварювання 304 нержавіючих стальних листів товщиною 1 мм, досліджує вплив різних технологічних параметрів наформування шва та дефекти зварювання, а також аналізує мікроструктуру та механічні властивості сполук під часрізних специфікацій для Лазерне зварювання нержавіючої сталі 304. Забезпечує підказки для практичного інженерного застосуванняу промисловості для тонких пластин.

1Матеріали та методи дослідження

Матеріалом для дослідження є холоднопресований лист нержавіючої сталі 304 товщиною 1 мм, а його хімічний склад представлено в Таблиці 1.Рисунок 1 показує базову металеву структуру нержавіючої сталі, яка головним чином складається з аустеніту. Є явний напрямок прокатування, і між шарами аустеніту залишається невелика кількість ферритової структури.напрямок, і між шарами аустеніту залишається невелика кількість ферритової структури.

Табл.1хімічнийСклад304НержавіючаСталь(вага%)

Рис.1мікроструктура304НержавіючаСтальБазамetal

Сварочне обладнання є YLS-10000вілковий лазер.Максимальна вихідна потужність лазера становить 10 кВт,фокусна відстань 300 мм, вихідна хвильова довжина 1070 нм, а діаметр споту у фокусі 0,72 мм.Використовуючи різні значення потужності лазера P, швидкості з'єднання v та відфокусування променя D для з'єднання пластини, і аналізуючи

вплив різних технологічних параметрів на формування. Під час процесу з'єднання використовувався аргон для захисту,при цьому швидкість потоку газу становила 15 Л/хв.Після з'єднання використовувалося проволочне розтинання для отримання проб. Після грінтування та поліруваннявикористовувався реагент FeCl3 для корозії. Стереомікроскоп використовувався для спостереження макроскопічної морфологіїсечі шва, а металографічний мікроскоп використовувався для спостереження мікроструктури шва.

Пробы були вібрувані та поліровані, а напрямок та розмір зерен було проаналізовано за допомогоюелектронний дифрактометр зворотнього розсіяння (EBSD). Сварні шви тяглися за допомогою Zwick-Z100станка для розтягування при кімнатній температурі, а швидкість розтягування швів становила 0.5 мм/хв.

2Результати тестування та аналіз

2.1 Вплив різних параметрів процесу на формування сварного шва

Рисунок 2 показує вплив швидкості сварки на формування шва. Потужність лазера завжди 100 Вт, арозфокусування променя 0 мм. Видно, що коли швидкість сварки становить 5 м/хв, плита повністю розколюєтьсяпід дією лазера; коли швидкість сварки збільшується до 8 м/хв, шов стає неперервним іє повністю проникальні отвори в деяких місцях; Коли швидкість сварки продовжує зростати до 10 м/хв,поверхня та задня частина шва є рівними та неперервними, і немає явища перегорання.У цей час загальна форма шва краща, але є легкий підтрим на задній стороні;Коли швидкість досягає 12 м/хв, є недостатньо проникнення ззаду шва.

Рис.2Шовутворенняпідрізнізварюванняшвидкостей

（P=100W,Д=0мм）

видно, що швидкість сварки має значний вплив на утворення. При низьких швидкостях сварки,лінійна енергія променя висока, метал у розплавленій їм течії сильно парує,а сила реакції пару, що виникає, велика. Проте глибина розплавленого басейну мала.Під дією високоскоростного металевого пару, розплавлений метал басейну може легко вискочитиз задньої частини глибокого розплавленого отвору і втекти з розплавленого басейну у вигляді брызг,чи навіть всього розплавленого металу басейну повністю викидається знизу. Причина - дошка розламується.Збільшення швидкості зварювання призводить до зменшення лінійної енергії, зменшується реакція випарювання, що виникаєв розплавленому металі басейну, і зменшується її вплив на розплавлений метал; Крім того,кут відхилення металевого пучка, що утворюється в розплавленому металі басейну, стає більшим,а сила реакції випарювання зміщується від дна басейну до задньої частинибасейну, що сприяє покращенню формування шва.

Рисунок 3 показує формування шва при різних потужностях лазера. ШвидкістьЛазерне зварювання дорівнює10 м/хв, а дефокусування променя становить 0 мм. Видно, що коли потужність лазера зростаєвід 5 Вт до 1000 Вт, досягається повна прошивка 1-мм нержавіючої сталі.але різні потужності лазера більше впливають на формування.Коли потужність лазера становить 5 Вт, ширина шва досить вузька, у шві є багато прожогих отворів,а також багато малих частинок бруйнування ззаду.Коли потужність збільшується до 50 Вт, ширинашва збільшується, а ступінь прожогу зменшується.Коли потужність збільшується до 100 Вт,у швовому шві більше немає дефектів прожогу, і двостороннє формування шва кращеу цей час.

Коли потужність лазера становить 500 Вт, загальна форма шва хороша, але у малій кількостіпрожогих отворів все ж таки з'являються.Коли потужність збільшується до 1000 Вт, ширина зварки продовжує збільшуватися,Але кількість дір, викликаних перегорянням зварки, також значно зростає.дефокус промені 0 мм, коли потужність лазера мала або велика, чутливість шва зварного шва до спалювання черезє більшим.Тільки помірна потужність лазера може забезпечити хорошу формування шва.є низьким, об'єм розплавленого басейну дуже невеликий, і потрібна лише невелика сила реакції металевого випаровуваннящоб загоряний метал виходив з дна і створював прогоряльні отвори в відповідних місцях.Коли потужність лазера висока, реакційна сила випаровування металу більша, що може легко призвести до спалювання череззварювання.

Схема 3ШовутворенняУрізнісварювання з використанням плазмиверсія

(В=10м/хв，Д=0мм)

Рисунок 4 показує вплив розфокусування променя на утворення шва при сварюванні. Результати, коли розфокусування променя становить 0 ммпоказано на рисунках 2 і 3. Тут ми головним чином показуємо результати, коли розфокусування променя становить 10 і -10 мм.Як видно з рисунка 4(a) і (b), коли розфокусування променя становить 10 мм, а швидкість сварювання10 м/хв, навіть якщо потужність лазера збільшується від 100 Вт до 3000 Вт, зворотна сторона пластини не може бути повністю просварена.На підставі того, чи утворюються глибокі проникальні отвори під час процесу лазерного сварювання, лазерне сварювання поділяєтьсяна два режими: теплопровідне сварювання та глибоке проникальне сварювання.Між цими двома режимами існує порогова межа. За цим порогом лазерне сварювання перетворюєтьсяз теплопровідного сварювання на глибоке проникальне сварювання. Зазвичай цей поріг описується як співвідношеннявідношення лазерної потужності до діаметра споту або лазерної потужності до площі споту. Тому, збільшуючи кількість дефокусування,пляма променя стає більшою. При тій самій лазерній потужності та швидкості зварювання,Lлазерне зварюваннязміниться зглибокого зварювання на теплопровідне зварювання, і глибина проникнення відповідно зменшиться.

(А)P=100W，В=10м/хв，Д=10мм，(b)P=3000W，В=10м/хв，

Д=10мм，(c)P=100W，В=6м/хв，Д=10мм，(d)P=3000W，

В=6м/хв，Д=10мм，(e)P=100W，В=6м/хв，Д=-10мм，

(f)P=3000W，В=6м/хв，Д=-10мм

Рис.4ШовутвореннядеRрізнірозфокусуваннякількості

Тому, коли кількість розфокусування становить 10 мм, режим зварювання є теплопровідним зварюванням. У цей час,ширина шва велика, а глибина мала. Енергія лазера концентрується наповерхні випарувального ямки, і здатність проникнення обмежена.Тому, повного проникнення через пластину не може бутидосягається при вищих швидкостях зварювання та у більш широкому діапазоні потужності. Коли швидкість зварювання спадає до 6 м/хв,збільшення теплового входу робить зварний шов повністю проникальним, ширина шва більша, а передній ізадній частини краще формуються, як показано на рисунку 4 (c) і (d). Коли величина дефокусування -10 мм,швидкість зварюваннятакож становить 6 м/хв, формування шва доброе, як показано на рисунку 4 (e) і (f).

2.2Структура зварних сполук

Рисунок 5 показує морфологію сполуки під дією різних величин дефокусування променя. Видно, що прирізних процесах у сполуках відсутні тріщини, пористість та інші дефекти. Проте, коли величина дефокусуваннядорівнює 0 мм, на задній стороні шва можуть виникати дефекти видобуття, і через сильну еваляцію

металу шва в цей час, збурення у розплавленій ємності велике, і лінія спливу сполукине симетричний на лівій і правій сторонах. Коли величина дефокусування становить 10 або -10 мм, обидвіпередня та задня сторони шва мають випуклу форму, а ширина плавлення збільшується.

Рис.5Спільнеморфологіїпідрізнірозфокусуваннякількості

Рисунок 6 показує мікроструктуру металу шва. Рисунок 6(a) показує структуру шва поблизу центру.Рисунок 6(b) показує структуру шва біля термічної зони впливу.Видно, щоструктура шва демонструє явний колоноподібний кристалічний ріст від краю до центру, а зерна в

термічній зоні впливу шва не зростають значно.

Рис.6мікроструктурарізних частинofсварного шва

Швидкості охолодження різних частин сварюваного шва та різні склади сварки спричиняють виникнення ферритуу різних формах, включаючи велику кількість скелетного ферриту та невелику кількість пластинчастого ферриту.Для подальшого спостереження за напрямком зростання зерен сварного шва та розподілом розміру зерен, Рисунок 7 показує EBSDаналіз сварного шва. Видно, що основна матриця складається з еквіаксних зерен з розміром10 до 30 μm. Структура шва головним чином слідує за напрямком <100>, що демонструє стовпчастий рост у протилежномунапрямку теплового потоку. Більша частина розмірів зерен у зоні шва мала, з середнім розміром зернаменше 100 μm, а решта стовпчастих зерен більша, в діапазоні від 100 до 400 μm.

Рис.7EBSDАналізofСпільнеструктурауродження

2.3 Механічні властивості сполук

Рисунки 8 і 9 показують міцність на розтяг і місце зламу сполуки під дією різних кількостей дефокусу відповідно.Виявлено, що коли кількість дефокусу становить 0 мм, місце зламу сполуки знаходиться у з'єднанні міжсваркою та матеріалом основи, оскільки у цей час на задній стороні сполуки є захоплення, що легко призводить до стресовогоконцентрації та злому. Коли кількість дефокусу становить 10 і -10 мм, сполуки ламаються у матеріалі основидалеко від сварки. У цьому випадку міцність на розтяг та витяг сполук є високою.

Рис.8РозтягувальнасилаHвузла підрізнірозфокусуваннякількості

Рис.9Злампозиціївузлапідрізнірозфокусуваннякількості

3 Висновок

1. Швидкість з'єднання, лазерна потужність та дефокусування променя мають значний вплив на формування шва для 1 ммтовстенержавіюча сталь 304стальні листи. Коли швидкість зварювання збільшується від малих до великих значень, формування швазмінивід повністю розділених, добре сформованих,до незавершеного зварювання; Якщо лазерна потужність занадто мала або занадто велика,чутливість проникнення при зварюванні буде більшою;коли лазерна потужність становить 100 Вт, дефокус 0 мм,а швидкість зварювання 10 м/хв, зварювальний шов буде сформований краще. Збільшеннякількості дефокусусприяєпокращенню формування шва, що збільшує ширину зварювального шва,значно зменшує чутливістьдо перфорації, а також збільшує діапазон параметрів сварювання.
2. Форма у屠ху при відфокусуванні на рівні 10 та -10 мм добра, дефектів немає;Режим кристалізації металу шва — це FA кристалізація, яка складається з аустеніту γ інеповністю перетвореного δ ферриту.Феррит має різні форми, включаючи велику кількість скелетного ферритута невелику кількість пластинчастого ферриту;Структура шва головним чиномзростає стовпчасто у напрямку <100>.Більшість розмірів зерен у зоні шва мали,а середній розмір зерен менше 100 μm.Залишаються стовпчастікристали більшого розміру, в діапазоні від 100 до 400 μm.
3. Коли кількість дефокусу становить 10, - 10 мм, співєднання має високу розтягувальну міцність та витягу, а позиція переломуєрозташована у матеріалі. Проте, коли кількість дефокусу становить 0 мм, якість співєднання зменшується, і переломPozицiязакритивідбувається до шва.