Príspevok spevnenia od zrna mechanizmus

Zliatiny hliníka sú široko používané v leteckom a automobilovom priemysle vďaka ich vysokej pevnosti, nízkej hmotnosti a vynikajúcej odolnosti proti korózii. Avšak oblasť zvarového kovu (ZK) zvyčajne vykazuje makroskopické defekty, zhrubnuté zrná a degradáciu precipitačného spevnenia, čo vedie k horším mechanickým vlastnostiam v porovnaní so základným materiálom (ZM). Výsledná mikroštruktúra ZK je kritickým faktorom na určenie mechanických vlastností zvarového spoja.

Tento článok sa zameriava na príspevok spevnenia od zrna mechanizmu, pričom sa opiera o dáta získané zo zvárania Al 7075 zliatiny pomocou laserového lúča v režimoch CW (continuous wave) a QCW (quasi-continuous wave). Na hodnotenie vlastností zvarových spojov bola použitá svetelná a elektrónová mikroskopia a mechanické skúšky.

Zváranie laserovým lúčom a jeho vplyv na mikroštruktúru

Tavné zváranie, ako je zváranie laserovým lúčom (LBW) a oblúkové zváranie (AW), je jednou z metód pri spájaní Al zliatin. Proces rýchleho tavenia a ochladzovania pri zváraní prispieva k odlišným štruktúram ZK. V mikroštruktúre sa vytvárajú v dôsledku epitaxiálneho rastu zhrubnuté zrná s intragranulárnymi dendritickými alebo celulárnymi štruktúrami. V dôsledku neustálej zmeny dynamiky tuhnutia vzniká v ZK nehomogénna mikroštruktúra. Okrem toho sa rozpúšťajú pôvodné fázy spevňujúce matricu a z dôvodu rýchleho tuhnutia nedôjde k ich opätovnému vyzrážaniu.

Zhrubnuté zrná a rozpustené precipitáty znižujú medzu klzu spoja a makroskopické defekty, ako sú póry a trhliny, pôsobia ako koncentrácie napätia, čo zhoršuje pevnosť v ťahu. Aj nehomogénna mikroštruktúra medzi ZM-TOO-ZK vedie k akumulácii napätia. Preto by použitie QCW-LBW (kvázi-kontinuálne zváranie laserovým lúčom) mohlo byť potenciálnym prístupom pre zlepšenie mechanických vlastností zvarového spoja z hliníkovej zliatiny.

Experimentálne overenie vplyvu QCW-LBW

V spomínanej štúdii sa na spojenie plechov z hliníkovej zliatiny 7075-T6 použila metóda QCW-LBW a pre porovnanie aj CW-LBW (kontinuálne zváranie laserovým lúčom).

Prečítajte si tiež: Podmienky dotácie na elektromobily

Na výskum boli použité plechy s rozmermi 100 x 100 x 1 mm z Al zliatiny 7075-T6 so zložením (5,95-Zn, 2,27-Mg, 1,45-Cu, 0,28-Fe, 0,18-Mn, 0,13-Si, 0,20-Cr a Bal-Al v hm. %). Povrch pred zváraním bol očistený brúsnym papierom. Pre vyhotovenie tupých zvarových spojov bol použitý vláknový laser (IPG YLS-5000) s vlnovou dĺžkou 1,06 μm a priemerom stopy lúča 0,25 mm. Zváranie laserovým lúčom sa uskutočnilo v dvoch režimoch, CW a QCW. Pri CW-LBW bol výkon lasera konštantný; zatiaľ čo pri QCW-LBW bol výkon lasera modulovaný pravouhlou vlnou cez integrované analógové rozhranie. Ako ochranný plyn bol zvolený argón s prietokom 20 l/min.

Pri rýchlosti zvárania 25 mm/s, výkone lasera 1,5 kW a fokusácii 0 mm bola dosiahnutá pri kontinuálnom režime zvárania plná penetrácia. Povrch zvaru je plochý a rovnomerný a prierezy sú bez prítomnosti pórov a trhlín. Pri QCW-LBM s pevným pracovným cyklom 50 % bola dosiahnutá penetrácia zvaru pri výkone 2,5 kW a modulačnou frekvenciou 200 Hz. Povrch zvaru je tiež plochý a rovnomerný a prierezy sú bez viditeľnej pórovitosti alebo trhlín. V dôsledku použitia vyššieho výkonu lasera nastalo zváranie metódou kľúčovej dierky počas periódy. Úplná penetrácia, v režime zvárania kľúčovou dierkou, bola dosiahnutá aj pri nižšom výkone lasera 1250 W. Šírka zvaru je 1,8 mm, o niečo užšia ako pri CW-LBW (2,0 mm). Zvarovú húsenicu pri metóde zvárania QCW-LBW možno charakterizovať ako rovnomernú s pravidelnými líniami kovu v porovnaní so zvarom vyhotovenom pri CW-LBW. Na rozhraní sú zreteľne viditeľné línie v horizontálnych, priečnych a pozdĺžnych rezoch. Pri QCW-LBW dosahuje faktor prekrytia 94 %, čo naznačuje významné pretavenie predtým stuhnutého kovu. S poklesom modulačnej frekvencie z 200 Hz na 80 Hz sa rozhranie natavenej oblasti aj povrch zvlnia a koeficient prekrytia sa zníži. Ďalšie zníženie modulačnej frekvencie na 40 Hz nielen prispieva k nerovnomernosti zvarovej húsenice, ale tiež vytvára trhliny pozdĺž stredu zvaru v smere zvárania.

Mikroštruktúra ZK po zváraní rôznymi režimami

Pri CW-LBW možno pozorovať hrubé kolumnárné zrná, zatiaľ čo pri QCW-LBW možno pozorovať jemné ekviaxiálne zrná s priemernou veľkosťou zrna klesajúcou zo 64,8 μm na 43,9 μm. Priemerný pomer strán zŕn sa znížil zo 4,29 na 1,8. Okrem toho sa výrazne zvýšila homogenita rozloženia zŕn. Pre CW-LBW je priemerná veľkosť zrna v strede ZK 183,35 μm, takmer 5-krát väčšia ako pri hranici stavenia (38,26 μm). Na rozdiel od toho, pre QCW-LBW je priemerná veľkosť zrna v strede ZK 80 μm, o niečo viac ako 2-krát väčšia ako pri hranici stavenia 35 μm.

Pri oboch zvaroch sa vytvorila TOO s podobnou morfológiou s čiastočne rozpustenými precipitátmi. Pri QCW-LBW sa morfológia precipitátov v ZK transformovala z veľkých na výrazne menšie častice ako pri CW-LBW. Primárna vzdialenosť ramien dendritov v strede ZK je iba 2,3 μm pri QCW, čo je približne 1/4 v porovnaní s CW, kde nameraná veľkosť bola 8,6 μm. Okrem toho, primárna vzdialenosť ramien dendritov je približne rovnaká aj pri hranici stavenia, a to 1,9 μm. Na rozdiel od toho, primárna vzdialenosť ramien dendritov v strede ZK (8,6 μm) je viac ako 3-násobok v porovnaní ako pri hranici stavenia (2,8 μm) pri vzorke vyhotovenej v CW režime.

Mikrotvrdosť a mechanické vlastnosti zvarových spojov

Základný materiál vykazuje mikrotvrdosť s najvyššou hodnotou, a to 100 HV. Mikrotvrdosť v oblasti TOO postupne klesá na 85 HV pri CW aj QCW režime. Okrem toho, mikrotvrdosť v ZK dramaticky klesá pri oboch režimoch zvárania.

Prečítajte si tiež: Analýza Cav príspevku

Medza klzu, pevnosť v ťahu a predĺženie pri režime zvárania CW sú 263 MPa, 328 MPa a 2,54 %. Pre QCW-LBW sú hodnoty 336 MPa, 389 MPa a 4,27 %. Čo sa týka účinnosti spoja, vzorka pri CW-LBW dosahuje účinnosť pevnosti iba 66,26 % a účinnosť predĺženia 15,69 %. Na lomovej ploche ZM sú viditeľné široké a hlboké jamky, ktoré sú znakom húževnatého lomu. Je zjavné, že jamky sú prítomné aj vo zvarovom kove pri CW aj QCW-LBW režime, čo je v rozpore s nameraným predĺžením pri oboch zvarových spojov. Ďalšia analýza lomových plôch odhaľuje, že veľkosť jamiek pri QCW je menšia ako veľkosť pri CW režime a v spodnej časti jamiek pri CW sú zoskupené relatívne väčšie častice ako pri QCW. Vyššie uvedené výsledky naznačujú veľkú lokálnu plastickú deformáciu zvarového kovu.

Mechanizmus zlepšenia mechanických vlastností vďaka QCW-LBW

Pri CW-LBW je ZK tvorený kolumnárnymi zrnami s nehomogénnou distribúciou zŕn. Na rozdiel od toho, pri režime zvárania QCW sa v ZK vytvorí homogénna štruktúra s ekviaxiálnymi zrnami. Podstatne modifikované podmienky a odlišná dynamika tuhnutia ZK pomáha k vytvoreniu homogénnej mikroštruktúry s rovnoosými zrnami. Režim QCW sa vyznačuje periodickými cyklami zopnutia a vypnutia lasera. Periodické vypínanie laserového lúča je ekvivalentné periodickému uvoľňovaniu energie. Za týchto podmienok sa ZK rýchlejšie ochladzuje bez výraznej zmeny teplotného gradientu. Za jemnozrnnú mikroštruktúru je zodpovedná výrazne vyššia rýchlosť ochladzovania. Na rozdiel od toho, pri CW-LBW dochádza k nižšej rýchlosti tuhnutia ZK. V dôsledku toho sa vytvorí hrubozrnná a nehomogénna štruktúra. Pri periodickom zapínaní laserového lúča nastáva tavenie už skôr stuhnutého ZK, čo vedie k fragmentácii dendritov a podporuje homogénnu nukleáciu a transformáciu kolumnárnych zŕn na akviaxiálne. Ako je demonštrované vyššie, nízkofrekvenčný modulovaný zdroj tepla 80 Hz a 40 Hz vedie k dramatickej mikroštrukturálnej variácii a vysokej náchylnosti na praskanie.

Precipitačne spevnená Al zliatina 7075 sa vyznačuje vysokou tvrdosťou a pevnosťou. Strata tvrdosti a pevnosti pri oboch zvaroch sa pripisuje najmä rozpustením precipitátov. V tomto prípade je veľkosť zrna v ZK určujúcim faktorom pevnosti zvaru. Priemerná veľkosť zrna pri CW-LBW režime je 64,8 μm a pri QCW-LBM 43,9 μm. Lepšiu ťažnosť pri QCW-LBW režime možno pripísať jemnozrnnej a homogénnej mikroštruktúre. Homogénna mikroštruktúra eliminuje akumuláciu lokálneho napätia v ZK. Jemnozrnná mikroštruktúra zvyšuje pevnosť ZK, čím znižuje rozdiel pevnosti medzi ZK a ZM. Nakoniec, častice v interdendritických priestoroch sú preferovanými miestami pre iniciáciu mikrotrhlín. Disperzné častice vo zvare vyhotovenom pri QCW režime sa ľahšie pohybujú v Al matrici alebo sa rozpadajú na menšie počas procesu ťahania, čím sa znižuje možnosť iniciácie mikrotrhlín. Navyše, šíreniu mikrotrhlín bránia rovnoosé zrná. Preto homogénna mikroštruktúra s rovnoosými zrnami v ZK prispieva k vynikajúcej schopnosti plastickej deformácie.

Pri LBW režime sa dosiahne účinnosť pevnosti spoja 60 % až 80 %, zatiaľ čo predĺženie je nižšie ako 20 %. Na rozdiel od toho, účinnosť pevnosti pri AW výrazne klesá na 45 % až 60 %, zatiaľ čo predĺženie môže dosiahnuť 60 % až 80 %. Vysoká účinnosť pevnosti spoja je spojená s jemnozrnnou mikroštruktúrou vďaka vysokej rýchlosti tuhnutia, zatiaľ čo menšie predĺženie nastáva z dôvodu väčšieho napätia vytvoreného vplyvom úzkej natavenej oblasti. S vysokou modulačnou frekvenciou aj pracovným cyklom je QCW-LBW schopný homogenizovať mikroštruktúru bez vytvárania defektov.

Prečítajte si tiež: Žiadosť o príspevok na nové auto

tags: #príspevok #spevnenia #od #zrna #mechanizmus