Дослідження лазерного зварювання листової нержавіючої сталі 304 Україна

Автомобілі на водневому паливі є одним із основних технічних шляхів розвитку транспортних засобів на новій енергії в Китаї. Через їхні переваги, такі як сильна витривалість, низький рівень шуму та нульові викиди, вважаються найкращими напрямок розробки транспортних засобів нової енергії.Паливні елементи є основним джерелом живлення автомобілів на водневій енергії і ключовий фактор, що впливає на продуктивність автомобіля. Біполярна пластина є одним з основних компонентів палива клітинаНержавіюча сталь підходить для великомасштабного виробництва біполярних пластин паливних елементів завдяки чудовій штампованості продуктивність,висока електропровідність, низька ціна, різноманітність способів виготовлення та добрі механічні властивості.

Команда зварювання Листи з нержавіючої сталі є ключовим процесом у процесі виробництва біполярних пластин паливних елементів.Коли для зварювання використовується дугове зварювання, підведення тепла є відносно великим, що може легко спричинити велике зварювання деформації, що не сприяє зварюванню листів з нержавіючої сталі.У цій статті для проведення використовується волоконний лазер дослідження зварювання листів з нержавіючої сталі 1 товщиною 304 мм, досліджує вплив різних параметрів процесу на утворення зварних швів і зварювальних дефектів, а також аналізує мікроструктуру та механічні властивості з'єднань різні специфікації, для зварювання лазером з нержавіючої сталі 304. Надати керівництво з практичної техніки аплікації з тонких пластин.

1 Випробувальні матеріали та методи

Випробуваним матеріалом є холоднокатаний лист з нержавіючої сталі марки 1 товщиною 304 мм, його хімічний склад наведено в таблиці 1.На малюнку 1 показано структуру основного металу нержавіючої сталі, яка в основному складається з аустеніту. Є очевидний прокат напрямку, і невелика кількість феритової структури залишається між шарами аустеніту.

Таб.1Хімічнийскладз 304нержавіючийсталь(мас%)

               Fig.1 Мікроструктураз 304нержавіючийстальбазаmта ін

Зварювальне обладнання становить YLS-10000 волоконний лазер.Максимальна вихідна потужність лазера 10 кВт,фокусна відстань 300 мм, довжина хвилі випромінювання 1070 нм, діаметр плями у фокусі 0.72 мм.Використовуйте різну потужність лазера P, швидкість зварювання v і величину розфокусування променя D для зварювання пластини та аналізу

вплив різних параметрів процесу на формування. Для захисту в процесі зварювання використовувався газ аргон,а швидкість потоку газу становила 15 л/хв.Після зварювання для відбору зразків використовували різання дроту. Після шліфування та полірування,Для корозії використовували реактив FeCl3. Для спостереження макроскопічної морфології використовували стереомікроскоп зварного шва, а для спостереження за мікроструктурою шва використовували металографічний мікроскоп.

Зразки вібрували та полірували, а орієнтацію та розмір зерна аналізували за допомогою дифрактометр зворотного розсіювання електронів (EBSD). Зварні з’єднання розтягували за допомогою Zwick-Z100 машина для випробування на розтяг при кімнатній температурі, а швидкість розтягування з’єднання становила 0.5 мм/хв.

2 Результати тестування та аналіз

2.1 Вплив різних параметрів процесу на формування зварювального шва

На малюнку 2 показано вплив швидкості зварювання на формування зварного шва. Потужність лазера завжди становить 100 Вт дефокус пучка становить 0 мм. Видно, що при швидкості зварювання 5 м/хв пластина повністю розколюється. під дією лазера; при збільшенні швидкості зварювання до 8 м/хв зварний шов є розривним і у деяких місцях є повністю проникаючі отвори; Коли швидкість зварювання продовжує збільшуватися до 10 м/хв,поверхня та задня сторона зварного шва є рівними та безперервними, і немає явища прогорання.У цей час загальна форма зварного шва краща, але є невелика підрізка на спині;Коли швидкість досягає 12 м/хв, на тильній стороні зварного шва недостатнє проплавлення.

Fig.2зварений шовосвітаприрізнийзварюванняшвидкість

(P= 100W,D=0mm)

Можна побачити, що швидкість зварювання має значний вплив на формування. При низьких швидкостях зварювання,лінійна енергія променя висока, метал у розплавленому басейні сильно випаровується,і створювана сила реакції пари є сильною. Однак глибина басейну розплаву невелика.Під дією високошвидкісної пари металу рідкий розплавлений метал може легко витікати із задньої частини глибокої розплавленої діри та втекти з розплавленого басейну у вигляді бризок,або навіть весь розплавлений метал басейну повністю викидається з дна. Спричиняє розрив дошки.Зі збільшенням швидкості зварювання лінійна енергія зменшується, що створює силу реакції випаровування у розплавленому металі ванни зменшується, і вплив на розплавлений метал зменшується; Крім того,кут відхилення металевого струменя, що утворюється в розплавленому металі, стає більшим,і сила реакції випаровування зміщується від дна басейну розплаву до задньої частини басейн розплаву, що сприяє покращенню формування зварного шва.

На рис.3 показано формування зварювального шва при різних потужностях лазера. The зварювання лазером швидкість 10 м/хв, а розфокусування променя становить 0 мм. Видно, що при збільшенні потужності лазера від 5 Вт до 1000 Вт, досягається повне проникнення пластини з нержавіючої сталі 1 мм,але різна потужність лазера має більший вплив на формування.Коли потужність лазера становить 5 Вт, ширина зварного шва відносно вузька, у зварному шві є багато прожжених отворів,і на звороті є багато дрібних бризок.При збільшенні потужності до 50 Вт шир збільшується зварний шов і зменшується ступінь прогару.При збільшенні потужності до 100 Вт,зварний шов більше не має дефектів прогорання, а двостороннє формування зварного шва краще в цей час.

Коли потужність лазера становить 500 Вт, загальна форма зварного шва хороша, але невелика кількість з'являться прогорілі отвори.При збільшенні потужності до 1000 Вт ширина шва продовжує збільшуватися,але кількість отворів, викликаних прогоранням зварного шва, також значно збільшується. Тому, коли дефокус пучка 0 мм, при малій або великій потужності лазера чутливість зварного шва до прогорання більше.Тільки помірна потужність лазера може забезпечити хороше формування зварного шва. Це тому, що коли потужність лазера низька, об'єм розплавленої ванни дуже малий, і потрібна лише невелика сила реакції випаровування металу щоб спричинити викид зварювального металу знизу та створення прожжених отворів у відповідних місцях.Коли потужність лазера висока, сила реакції випаровування металу більша, що може легко призвести до прогорання зварного шва.

          Fig.3 зварений шовосвітаatрізнийзварювання поWERS

(v= 10м / хв,D=0мм)

На малюнку 4 показано вплив розфокусування променя на формування зварювального шва. Результати при розфокусуванні променя 0 мм показані на малюнках 2 і 3. Тут ми в основному показуємо результати, коли розфокус променя становить 10 і - 10 мм.Як показано на рисунку 4(a) і (b), коли розфокусування променя становить 10 мм, а швидкість зварювання становить 10 м/хв, навіть якщо потужність лазера збільшити зі 100 Вт до 3000 Вт, задню частину пластини неможливо проварити.Залежно від того, чи утворюються глибокі отвори під час лазерного зварювання, лазерне зварювання поділяється у двох режимах: теплопровідне зварювання та зварювання глибоким проплавленням.Існує поріг між двома режимами. За цим порогом лазерне зварювання трансформується з теплопровідне зварювання до зварювання глибоким проваром. Зазвичай використовується Цей поріг описується як відношення потужність лазера до діаметра плями або потужність лазера до площі плями. Таким чином, із збільшенням величини розфокусування,пляма променя стає більшою. За тієї ж потужності лазера та швидкості зварювання,laser зварюваннязміниться з зварювання глибоким проплавленням до зварювання теплопровідністю, і глибина проплавлення відповідно зменшиться.

(А)P= 100W,v= 10м / хв,D=10mm,(Б)P= 3000W,v= 10м / хв,

D= 10mm,(С)P= 100W,v=6м / хв,D= 10mm,(Г)P= 3000W,

v=6м / хв,D= 10mm,(Е)P= 100W,v=6м / хв,D=-10mm,

(Е)P= 3000W,v=6м / хв,D=-10mm

      Fig.4 зварений шовосвітадеrрізнийрозфокусуваннясуми

Тому, коли величина розфокусування становить 10 мм, режим зварювання є теплопровідним зварюванням. У цей час,ширина шва велика, а глибина мала. Лазерна енергія зосереджена на поверхню розплавленої ванни та здатність до проникнення обмежена.Тому пробиття плити бути не може досягається при більш високих швидкостях зварювання і в більш широкому діапазоні потужностей. При зниженні швидкості зварювання до 6 м/хв.збільшення підведення тепла робить зварний шов повністю провареним, ширина шва більша, а передня частина і спина краще сформована, як показано на рисунку 4 (c) і (d). При величині розфокусування - 10 мм і швидкість зварювання становить 6 м/хв, формування зварного шва також добре, як показано на рисунку 4 (e) і (f).

2.2Будова зварних з'єднань

На рисунку 5 показана морфологія з’єднання при різних ступенях розфокусування променя. Видно, що під різні процеси, немає тріщин, пір та інших дефектів у з’єднаннях. Однак при розфокусуванні 0 мм, дефекти підрізу виникнуть на тильній стороні зварного шва, а через сильне випаровування

зварювального металу в цей час, Порушення в розплавленому басейні велике, і лінія з'єднання не є симетричним ліворуч і праворуч. Коли величина розфокусування становить 10 або - 10 мм, обидва передня і задня сторони шва мають опуклу форму, а ширина плавлення збільшується.

Fig.5Спільнийморфологіїприрізнийрозфокусуваннясуми

На малюнку 6 представлена ​​мікроструктура металу шва. На малюнку 6(a) показано структуру зварного шва поблизу центру.На малюнку 6(b) показано структуру зварного шва поблизу зони теплового впливу.Видно, що Структура зварного шва демонструє очевидний стовпчастий ріст кристалів від краю до центру та зерна всередині 

зони термічного впливу зварного шва істотно не розростаються.

Fig.6 Мікроструктурарізних частинofсуглоб

Швидкість охолодження різних частин зварного шва та різний склад зварного шва спричиняють ферит приймають різні форми, включаючи велику кількість скелетного фериту та невелику кількість рейкового фериту.Для подальшого спостереження за орієнтацією росту спільних зерен і розподілом зерен за розміром на малюнку 7 показано EBSD аналіз суглоба. Можна побачити, що основний метал складається з рівновісних зерен із розміром зерна від 10 до 30 мкм. Структура зварного шва в основному дотримується <100>напрямку, демонструючи стовпчастий ріст навпроти у напрямку теплового потоку. Більшість розмірів зерен у зоні зварювання малі, із середнім зерном розмір менше 100 мкм, а решта стовпчастих зерен більші, коливаються від 100 до 400 мкм.

Fig.7 EBSDаналізofспільнавулуктура

2.3 Механічні властивості з'єднань

На рисунках 8 і 9 показано міцність на розрив і положення розриву з’єднання при різних величинах розфокусування відповідно.Можна виявити, що коли величина розфокусування становить 0 мм, місце перелому суглоба є з’єднанням між зварного шва та основного металу, тому що на задній частині з’єднання в цей час є підріз, який легко викликає напругу концентрація та руйнування. Коли величина розфокусування становить 10 та - 10 мм, всі з’єднання в основному металі розбиті далеко від зварного шва. У цей час як міцність на розрив, так і подовження з’єднань є високими.

Fig.8 безрозмірнийсилаhсуглоба підрізнийрозфокусуваннясуми

Fig.9 Переломпозиціїприєднанняt підрізнийрозфокусуваннясуми

3 Висновок

1. Швидкість зварювання, потужність лазера та розфокусування променя мають значний вплив на утворення шва 1 мм. товстий304 нержавіючасталеві листи. У міру збільшення швидкості зварювання від малої до великої утворюється зварювальний шов змінивід повністю відокремлених, добре сформованих,до неповного зварювання; якщо потужність лазера занадто мала або занадто велика,чутливість проплавлення шва буде більше;при потужності лазера 100 Вт розфокус 0 мм,і швидкість зварювання 10 м/хв, зварний шов буде формуватися краще. Збільшенняу розмірі розфокусування є сприятливимдо поліпшення формування зварювального шва, що збільшує ширину зварювального шва,значно знижує чутливістьперфорації, а також збільшує діапазон параметрів зварювання.
2. Форма поперечного перерізу з'єднання з величиною розфокусування 10 і - 10 мм хороша, дефектів немає;Режимом затвердіння металу шва є затвердіння FA, який складається з аустеніту γ іd неповністю перетворений δ ферит.Ферит має різні форми, включаючи велику кількість скелетного фериту і невелика кількість рейкового фериту;В основному структура зварного шваросте колоноподібно вздовж<100>напрямку.Більшість розмірів зерен у зоні зварного шва малі,а середній розмір зерен менше 100 мкм.Решта стовпчаста кристали більшого розміру, коливаються від 100 до 400 мкм.
3. Коли величина розфокусування становить 10, - 10 мм, з'єднання має високу міцність на розрив і подовження, а також положення перелому is в матеріалі основи. Однак, коли величина розфокусування становить 0 мм, продуктивність суглоба знижується, і перелом положенняблизькодо зварного шва.