- Văn bản
- Lịch sử
Optics and Lasers in Engineering 67
Optics and Lasers in Engineering 67 (2015) 22–30
S. Meco a,n, G. Pardal a, S. Ganguly a, S. Williams a, N. McPherson b
a
Welding Engineering and Laser Processing Centre, Cranfield University, University Way (Building 46), Bedford, MK43 0AL, United Kingdom
b BAE Systems Maritime – Naval Ships, 1048 Govan Road, Glasgow, G14 5XP, United Kingdom
a r t i c l e i n f o
Article history:
Received 25 April 2014
Received in revised form
23 August 2014
Accepted 19 October 2014 Available online 18 November 2014
Keywords:
Laser welding-brazing
Conduction
Intermetallic compound
Steel
Aluminium alloy
a b s t r a c t
Laser welding-brazing technique, using a continuous wave (CW) fibre laser with 8000 W of maximum power, was applied in conduction mode to join 2 mm thick steel (XF350) to 6 mm thick aluminium (AA5083-H22), in a lap joint configuration with steel on the top. The steel surface was irradiated by the laser and the heat was conducted through the steel plate to the steel-aluminium interface, where the aluminium melts and wets the steel surface. The welded samples were defect free and the weld micrographs revealed presence of a brittle intermetallic compounds (IMC) layer resulting from reaction of Fe and Al atoms. Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) analysis indicated the stoichiometry of the IMC as Fe2Al5 and FeAl3, the former with maximum microhardness measured of 1145 HV 0.025/10. The IMC layer thickness varied between 4 to 21 μm depending upon the laser processing parameters. The IMC layer showed an exponential growth pattern with the applied specific point energy (E sp) at a constant power density (PD). Higher PD values accelerate the IMC layer growth. The mechanical shear strength showed a narrow band of variation in all the samples (with the maximum value registered at 31.3 kN), with a marginal increase in the applied Esp. This could be explained by the fact that increasing the Esp results into an increase in the wetting and thereby the bonded area in the steel-aluminium interface.
& 2014 The Authors. Published by Elsevier Ltd. This is an open access article under the CC BY license (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/).
1. Introduction
In recent past the surface transportation industry has been challenged to reduce fuel consumption and to comply with the governmental policies to lower the carbon emissions. To achieve these objectives, fuel efficient engines and mass efficient structural materials, aiming to reduce the total weight of the vehicle, are required. Therefore, light alloys are increasingly in use along with the traditional structural materials in vehicle designs. Aluminum (Al) is one of the materials of choice as it is cost effective, has high specific modulus and is corrosion resistant. The latest design solutions are aimed at using a higher proportion of Al as a structural material. Therefore, a cost effective and energy efficient joining solution with steel and Al would be vital to realize the potential of such innovative design solutions. The main issues associated with the joining of steel to Al are their different physical properties (e.g. melting temperatures, thermal expansion and conductivity), the nearly zero solid solubility of Al in iron (Fe) and zero solid solubility of Fe in Al and the resulting formation of
intermetallic compounds (IMC). The diffusion of Fe and Al atoms at the Fe-Al interface forms different types of IMCs that are harmful for the structure due to their brittle behaviour. The most frequently reported IMCs are FeAl3 and Fe2Al5.
Many studies have been carried out with the goal of understanding and minimizing the Fe-Al reaction. Some researchers were focused on the study of Fe-Al reaction between molten Al and solid steel, controlling the time-temperature and evaluating the IMC layer composition and growth [1–3], whilst others assessed the influence of other alloying elements on the IMC layer thickness growth [4,5]. The research developed by Shih et al. is an example of the latter point, where a steel bar was dipped in different molten Al alloys (pure, Si, Mg and Si-Mg based) during different time intervals, to evaluate the influence of these elements on the Fe-Al reaction [5]. The Al alloy containing Si and Mg showed the thinnest IMC layer.
The physical state of the alloys (solid or liquid) at the joint interface during the joining process is one of the determining factors for the formation of IMC because it directly controls the
n Corresponding author. Tel.: þ44 0 1234750111.
E-mail addresses: s.a.martinsmeco@cranfield.ac.uk (S. Meco),
g.n.rodriguespardal@cran field.ac.uk (G. Pardal),
s.ganguly@cranfield.ac.uk (S. Ganguly), s.williams@cranfield.ac.uk (S. Williams), norrie.mcpherson@baesystems.com (N. McPherson). http://dx.doi.org/10.1016/j.optlaseng.2014.10.006
activity and mobility of the atoms of the participating alloys.
0143-8166/& 2014 The Authors. Published by Elsevier Ltd. This is an open access article under the CC BY license (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/).
In solid state joining processes, such as friction stir welding [6] or linear friction welding [7], the formation of the Fe-Al IMC is usually minimized because there is basically only plastic deformation of the Al and the temperature generated during the joining process is very low (usually lower than the melting temperature of the substrate). Explosion welding has another advantage, as the process happens so quickly there is almost no time for the reaction between Fe and Al and so the IMC layer is also very thin as demonstrated in [8–10].
Laser welding-brazing technique produces a joint between solid steel and molten Al [11–14] and is usually applied with filler wire. The interaction between both metals using this technique is minimal and consequently, sound dissimilar joints are produced with mechanical strength either identical or close to the weaker of the two metals (steel or Al plate, depending on the cross-sectional area of the specimen). An alternative technique was assessed in which a rolling system was combined to the laser [15–17]. The principle of this technique is to heat the substrate with the laser and immediately apply pressure on the soft metal with a roller to improve the contact in hot stage and thus the bonding. This way sound joints could be produced with IMC layer thickness less than 10 mm (many researchers have considered 10 mm as a reference maximum value of IMC layer thickness for an acceptable steel to Al joint [18]). Resistance spot welding applied to the steel to Al joining was also investigated [19–22]. Even though this process is a solid state pressure welding process, the researchers couldn't prevent formation of the IMCs and the samples failed from the interface when tested under tensile loading.
On the other hand, when both metals are in liquid state during the joining process, as is the case of the high power laser welding in keyhole mode [23–25], thick Fe-Al IMC layers are formed due to uncontrolled reaction and the joints are fragile.
It is well known from previous studies that the Fe-Al reaction depends on the welding temperature and time. IMC formation and growth is favoured when the welding thermal cycle is prolonged. This is expected because formation of IMC is a diffusion controlled process and prolonged time and higher temperature will allow more diffusion. Borrisutthekul et al. observed that under such conditions the IMC layer becomes thicker and as a result the joint mechanical strength would be lower [26].
So far in the area of joining this specific dissimilar combination, most of the research focus is towards the automotive industry and therefore, only thin (1 mm) sheets of steel and Al have been investigated. For maritime application, where thick (43 mm) plates are used, only few papers were found, for instance the work produced by Thomy et al. using the laser-MIG hybrid process to join 3 mm plates of steel and Al in a butt joint configuration [27]. At present, in many industrial applications an explosion bonded hybrid transition bar, half Al and other half Fe, is used for successful joining of steel and Al (Fig. 1). However, the resulting
joining process is not cost effective as it increases the cost of production through the cost of the bar and complicated logistics of operation. In addition, four fillet welds were necessary when a transition bar is used, instead of two, if Fe and Al were joined directly. The cost effectiveness and mass efficiency are thus reduced in such structures.
The overall aim of the present research programme is to develop a process in which thick plates of steel can be joined directly to Al without application of a filler material. Application of laser to join steel to aluminium in overlap configuration by welding-brazing process was investigated where the laser applied on the steel surface is conducted through and melts the aluminium to wet the steel surface. This minimizes random mixing of the two alloys as steel remains in solid state. However, in order to achieve viable joint it is necessary to understand the underpinning interaction between the laser source and the alloys and correlate the microstructural constituents of the interface with the interaction parameters and finally to the mechanical strength of the joint. This will enable development of a cost effective, design and energy efficient joining solution between Fe and Al with appropriate mechanical strength and metallurgical characteristics suitable for the intended application. In order to achieve this, an experimental matrix based on fundamental laser material interaction parameters was defined and the growth of Fe-Al IMC is correlated with the transient thermal (time-temperature) cycle resulting from the laser-material interaction.
2. System Parameters versus fundamental material interaction Parameters
In research and industrial application of laser welding, the vast majority of results is presented in terms of the laser syst
S. Meco a,n, G. Pardal a, S. Ganguly a, S. Williams a, N. McPherson b
a
Welding Engineering and Laser Processing Centre, Cranfield University, University Way (Building 46), Bedford, MK43 0AL, United Kingdom
b BAE Systems Maritime – Naval Ships, 1048 Govan Road, Glasgow, G14 5XP, United Kingdom
a r t i c l e i n f o
Article history:
Received 25 April 2014
Received in revised form
23 August 2014
Accepted 19 October 2014 Available online 18 November 2014
Keywords:
Laser welding-brazing
Conduction
Intermetallic compound
Steel
Aluminium alloy
a b s t r a c t
Laser welding-brazing technique, using a continuous wave (CW) fibre laser with 8000 W of maximum power, was applied in conduction mode to join 2 mm thick steel (XF350) to 6 mm thick aluminium (AA5083-H22), in a lap joint configuration with steel on the top. The steel surface was irradiated by the laser and the heat was conducted through the steel plate to the steel-aluminium interface, where the aluminium melts and wets the steel surface. The welded samples were defect free and the weld micrographs revealed presence of a brittle intermetallic compounds (IMC) layer resulting from reaction of Fe and Al atoms. Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) analysis indicated the stoichiometry of the IMC as Fe2Al5 and FeAl3, the former with maximum microhardness measured of 1145 HV 0.025/10. The IMC layer thickness varied between 4 to 21 μm depending upon the laser processing parameters. The IMC layer showed an exponential growth pattern with the applied specific point energy (E sp) at a constant power density (PD). Higher PD values accelerate the IMC layer growth. The mechanical shear strength showed a narrow band of variation in all the samples (with the maximum value registered at 31.3 kN), with a marginal increase in the applied Esp. This could be explained by the fact that increasing the Esp results into an increase in the wetting and thereby the bonded area in the steel-aluminium interface.
& 2014 The Authors. Published by Elsevier Ltd. This is an open access article under the CC BY license (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/).
1. Introduction
In recent past the surface transportation industry has been challenged to reduce fuel consumption and to comply with the governmental policies to lower the carbon emissions. To achieve these objectives, fuel efficient engines and mass efficient structural materials, aiming to reduce the total weight of the vehicle, are required. Therefore, light alloys are increasingly in use along with the traditional structural materials in vehicle designs. Aluminum (Al) is one of the materials of choice as it is cost effective, has high specific modulus and is corrosion resistant. The latest design solutions are aimed at using a higher proportion of Al as a structural material. Therefore, a cost effective and energy efficient joining solution with steel and Al would be vital to realize the potential of such innovative design solutions. The main issues associated with the joining of steel to Al are their different physical properties (e.g. melting temperatures, thermal expansion and conductivity), the nearly zero solid solubility of Al in iron (Fe) and zero solid solubility of Fe in Al and the resulting formation of
intermetallic compounds (IMC). The diffusion of Fe and Al atoms at the Fe-Al interface forms different types of IMCs that are harmful for the structure due to their brittle behaviour. The most frequently reported IMCs are FeAl3 and Fe2Al5.
Many studies have been carried out with the goal of understanding and minimizing the Fe-Al reaction. Some researchers were focused on the study of Fe-Al reaction between molten Al and solid steel, controlling the time-temperature and evaluating the IMC layer composition and growth [1–3], whilst others assessed the influence of other alloying elements on the IMC layer thickness growth [4,5]. The research developed by Shih et al. is an example of the latter point, where a steel bar was dipped in different molten Al alloys (pure, Si, Mg and Si-Mg based) during different time intervals, to evaluate the influence of these elements on the Fe-Al reaction [5]. The Al alloy containing Si and Mg showed the thinnest IMC layer.
The physical state of the alloys (solid or liquid) at the joint interface during the joining process is one of the determining factors for the formation of IMC because it directly controls the
n Corresponding author. Tel.: þ44 0 1234750111.
E-mail addresses: s.a.martinsmeco@cranfield.ac.uk (S. Meco),
g.n.rodriguespardal@cran field.ac.uk (G. Pardal),
s.ganguly@cranfield.ac.uk (S. Ganguly), s.williams@cranfield.ac.uk (S. Williams), norrie.mcpherson@baesystems.com (N. McPherson). http://dx.doi.org/10.1016/j.optlaseng.2014.10.006
activity and mobility of the atoms of the participating alloys.
0143-8166/& 2014 The Authors. Published by Elsevier Ltd. This is an open access article under the CC BY license (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/).
In solid state joining processes, such as friction stir welding [6] or linear friction welding [7], the formation of the Fe-Al IMC is usually minimized because there is basically only plastic deformation of the Al and the temperature generated during the joining process is very low (usually lower than the melting temperature of the substrate). Explosion welding has another advantage, as the process happens so quickly there is almost no time for the reaction between Fe and Al and so the IMC layer is also very thin as demonstrated in [8–10].
Laser welding-brazing technique produces a joint between solid steel and molten Al [11–14] and is usually applied with filler wire. The interaction between both metals using this technique is minimal and consequently, sound dissimilar joints are produced with mechanical strength either identical or close to the weaker of the two metals (steel or Al plate, depending on the cross-sectional area of the specimen). An alternative technique was assessed in which a rolling system was combined to the laser [15–17]. The principle of this technique is to heat the substrate with the laser and immediately apply pressure on the soft metal with a roller to improve the contact in hot stage and thus the bonding. This way sound joints could be produced with IMC layer thickness less than 10 mm (many researchers have considered 10 mm as a reference maximum value of IMC layer thickness for an acceptable steel to Al joint [18]). Resistance spot welding applied to the steel to Al joining was also investigated [19–22]. Even though this process is a solid state pressure welding process, the researchers couldn't prevent formation of the IMCs and the samples failed from the interface when tested under tensile loading.
On the other hand, when both metals are in liquid state during the joining process, as is the case of the high power laser welding in keyhole mode [23–25], thick Fe-Al IMC layers are formed due to uncontrolled reaction and the joints are fragile.
It is well known from previous studies that the Fe-Al reaction depends on the welding temperature and time. IMC formation and growth is favoured when the welding thermal cycle is prolonged. This is expected because formation of IMC is a diffusion controlled process and prolonged time and higher temperature will allow more diffusion. Borrisutthekul et al. observed that under such conditions the IMC layer becomes thicker and as a result the joint mechanical strength would be lower [26].
So far in the area of joining this specific dissimilar combination, most of the research focus is towards the automotive industry and therefore, only thin (1 mm) sheets of steel and Al have been investigated. For maritime application, where thick (43 mm) plates are used, only few papers were found, for instance the work produced by Thomy et al. using the laser-MIG hybrid process to join 3 mm plates of steel and Al in a butt joint configuration [27]. At present, in many industrial applications an explosion bonded hybrid transition bar, half Al and other half Fe, is used for successful joining of steel and Al (Fig. 1). However, the resulting
joining process is not cost effective as it increases the cost of production through the cost of the bar and complicated logistics of operation. In addition, four fillet welds were necessary when a transition bar is used, instead of two, if Fe and Al were joined directly. The cost effectiveness and mass efficiency are thus reduced in such structures.
The overall aim of the present research programme is to develop a process in which thick plates of steel can be joined directly to Al without application of a filler material. Application of laser to join steel to aluminium in overlap configuration by welding-brazing process was investigated where the laser applied on the steel surface is conducted through and melts the aluminium to wet the steel surface. This minimizes random mixing of the two alloys as steel remains in solid state. However, in order to achieve viable joint it is necessary to understand the underpinning interaction between the laser source and the alloys and correlate the microstructural constituents of the interface with the interaction parameters and finally to the mechanical strength of the joint. This will enable development of a cost effective, design and energy efficient joining solution between Fe and Al with appropriate mechanical strength and metallurgical characteristics suitable for the intended application. In order to achieve this, an experimental matrix based on fundamental laser material interaction parameters was defined and the growth of Fe-Al IMC is correlated with the transient thermal (time-temperature) cycle resulting from the laser-material interaction.
2. System Parameters versus fundamental material interaction Parameters
In research and industrial application of laser welding, the vast majority of results is presented in terms of the laser syst
0/5000
Optics and Lasers in Engineering 67 (2015) 22–30
S. Meco a,n, G. Pardal a, S. Ganguly a, S. Williams a, N. McPherson b
a
Welding Engineering and Laser Processing Centre, Cranfield University, University Way (Building 46), Bedford, MK43 0AL, United Kingdom
b BAE Systems Maritime – Naval Ships, 1048 Govan Road, Glasgow, G14 5XP, United Kingdom
a r t i c l e i n f o
Article history:
Received 25 April 2014
Received in revised form
23 August 2014
Accepted 19 October 2014 Available online 18 November 2014
Keywords:
Laser welding-brazing
Conduction
Intermetallic compound
Steel
Aluminium alloy
a b s t r a c t
Laser welding-brazing technique, using a continuous wave (CW) fibre laser with 8000 W of maximum power, was applied in conduction mode to join 2 mm thick steel (XF350) to 6 mm thick aluminium (AA5083-H22), in a lap joint configuration with steel on the top. The steel surface was irradiated by the laser and the heat was conducted through the steel plate to the steel-aluminium interface, where the aluminium melts and wets the steel surface. The welded samples were defect free and the weld micrographs revealed presence of a brittle intermetallic compounds (IMC) layer resulting from reaction of Fe and Al atoms. Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) analysis indicated the stoichiometry of the IMC as Fe2Al5 and FeAl3, the former with maximum microhardness measured of 1145 HV 0.025/10. The IMC layer thickness varied between 4 to 21 μm depending upon the laser processing parameters. The IMC layer showed an exponential growth pattern with the applied specific point energy (E sp) at a constant power density (PD). Higher PD values accelerate the IMC layer growth. The mechanical shear strength showed a narrow band of variation in all the samples (with the maximum value registered at 31.3 kN), with a marginal increase in the applied Esp. This could be explained by the fact that increasing the Esp results into an increase in the wetting and thereby the bonded area in the steel-aluminium interface.
& 2014 The Authors. Published by Elsevier Ltd. This is an open access article under the CC BY license (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/).
1. Introduction
In recent past the surface transportation industry has been challenged to reduce fuel consumption and to comply with the governmental policies to lower the carbon emissions. To achieve these objectives, fuel efficient engines and mass efficient structural materials, aiming to reduce the total weight of the vehicle, are required. Therefore, light alloys are increasingly in use along with the traditional structural materials in vehicle designs. Aluminum (Al) is one of the materials of choice as it is cost effective, has high specific modulus and is corrosion resistant. The latest design solutions are aimed at using a higher proportion of Al as a structural material. Therefore, a cost effective and energy efficient joining solution with steel and Al would be vital to realize the potential of such innovative design solutions. The main issues associated with the joining of steel to Al are their different physical properties (e.g. melting temperatures, thermal expansion and conductivity), the nearly zero solid solubility of Al in iron (Fe) and zero solid solubility of Fe in Al and the resulting formation of
intermetallic compounds (IMC). The diffusion of Fe and Al atoms at the Fe-Al interface forms different types of IMCs that are harmful for the structure due to their brittle behaviour. The most frequently reported IMCs are FeAl3 and Fe2Al5.
Many studies have been carried out with the goal of understanding and minimizing the Fe-Al reaction. Some researchers were focused on the study of Fe-Al reaction between molten Al and solid steel, controlling the time-temperature and evaluating the IMC layer composition and growth [1–3], whilst others assessed the influence of other alloying elements on the IMC layer thickness growth [4,5]. The research developed by Shih et al. is an example of the latter point, where a steel bar was dipped in different molten Al alloys (pure, Si, Mg and Si-Mg based) during different time intervals, to evaluate the influence of these elements on the Fe-Al reaction [5]. The Al alloy containing Si and Mg showed the thinnest IMC layer.
The physical state of the alloys (solid or liquid) at the joint interface during the joining process is one of the determining factors for the formation of IMC because it directly controls the
n Corresponding author. Tel.: þ44 0 1234750111.
E-mail addresses: s.a.martinsmeco@cranfield.ac.uk (S. Meco),
g.n.rodriguespardal@cran field.ac.uk (G. Pardal),
s.ganguly@cranfield.ac.uk (S. Ganguly), s.williams@cranfield.ac.uk (S. Williams), norrie.mcpherson@baesystems.com (N. McPherson). http://dx.doi.org/10.1016/j.optlaseng.2014.10.006
activity and mobility of the atoms of the participating alloys.
0143-8166/& 2014 The Authors. Published by Elsevier Ltd. This is an open access article under the CC BY license (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/).
In solid state joining processes, such as friction stir welding [6] or linear friction welding [7], the formation of the Fe-Al IMC is usually minimized because there is basically only plastic deformation of the Al and the temperature generated during the joining process is very low (usually lower than the melting temperature of the substrate). Explosion welding has another advantage, as the process happens so quickly there is almost no time for the reaction between Fe and Al and so the IMC layer is also very thin as demonstrated in [8–10].
Laser welding-brazing technique produces a joint between solid steel and molten Al [11–14] and is usually applied with filler wire. The interaction between both metals using this technique is minimal and consequently, sound dissimilar joints are produced with mechanical strength either identical or close to the weaker of the two metals (steel or Al plate, depending on the cross-sectional area of the specimen). An alternative technique was assessed in which a rolling system was combined to the laser [15–17]. The principle of this technique is to heat the substrate with the laser and immediately apply pressure on the soft metal with a roller to improve the contact in hot stage and thus the bonding. This way sound joints could be produced with IMC layer thickness less than 10 mm (many researchers have considered 10 mm as a reference maximum value of IMC layer thickness for an acceptable steel to Al joint [18]). Resistance spot welding applied to the steel to Al joining was also investigated [19–22]. Even though this process is a solid state pressure welding process, the researchers couldn't prevent formation of the IMCs and the samples failed from the interface when tested under tensile loading.
On the other hand, when both metals are in liquid state during the joining process, as is the case of the high power laser welding in keyhole mode [23–25], thick Fe-Al IMC layers are formed due to uncontrolled reaction and the joints are fragile.
It is well known from previous studies that the Fe-Al reaction depends on the welding temperature and time. IMC formation and growth is favoured when the welding thermal cycle is prolonged. This is expected because formation of IMC is a diffusion controlled process and prolonged time and higher temperature will allow more diffusion. Borrisutthekul et al. observed that under such conditions the IMC layer becomes thicker and as a result the joint mechanical strength would be lower [26].
So far in the area of joining this specific dissimilar combination, most of the research focus is towards the automotive industry and therefore, only thin (1 mm) sheets of steel and Al have been investigated. For maritime application, where thick (43 mm) plates are used, only few papers were found, for instance the work produced by Thomy et al. using the laser-MIG hybrid process to join 3 mm plates of steel and Al in a butt joint configuration [27]. At present, in many industrial applications an explosion bonded hybrid transition bar, half Al and other half Fe, is used for successful joining of steel and Al (Fig. 1). However, the resulting
joining process is not cost effective as it increases the cost of production through the cost of the bar and complicated logistics of operation. In addition, four fillet welds were necessary when a transition bar is used, instead of two, if Fe and Al were joined directly. The cost effectiveness and mass efficiency are thus reduced in such structures.
The overall aim of the present research programme is to develop a process in which thick plates of steel can be joined directly to Al without application of a filler material. Application of laser to join steel to aluminium in overlap configuration by welding-brazing process was investigated where the laser applied on the steel surface is conducted through and melts the aluminium to wet the steel surface. This minimizes random mixing of the two alloys as steel remains in solid state. However, in order to achieve viable joint it is necessary to understand the underpinning interaction between the laser source and the alloys and correlate the microstructural constituents of the interface with the interaction parameters and finally to the mechanical strength of the joint. This will enable development of a cost effective, design and energy efficient joining solution between Fe and Al with appropriate mechanical strength and metallurgical characteristics suitable for the intended application. In order to achieve this, an experimental matrix based on fundamental laser material interaction parameters was defined and the growth of Fe-Al IMC is correlated with the transient thermal (time-temperature) cycle resulting from the laser-material interaction.
2. System Parameters versus fundamental material interaction Parameters
In research and industrial application of laser welding, the vast majority of results is presented in terms of the laser syst
S. Meco a,n, G. Pardal a, S. Ganguly a, S. Williams a, N. McPherson b
a
Welding Engineering and Laser Processing Centre, Cranfield University, University Way (Building 46), Bedford, MK43 0AL, United Kingdom
b BAE Systems Maritime – Naval Ships, 1048 Govan Road, Glasgow, G14 5XP, United Kingdom
a r t i c l e i n f o
Article history:
Received 25 April 2014
Received in revised form
23 August 2014
Accepted 19 October 2014 Available online 18 November 2014
Keywords:
Laser welding-brazing
Conduction
Intermetallic compound
Steel
Aluminium alloy
a b s t r a c t
Laser welding-brazing technique, using a continuous wave (CW) fibre laser with 8000 W of maximum power, was applied in conduction mode to join 2 mm thick steel (XF350) to 6 mm thick aluminium (AA5083-H22), in a lap joint configuration with steel on the top. The steel surface was irradiated by the laser and the heat was conducted through the steel plate to the steel-aluminium interface, where the aluminium melts and wets the steel surface. The welded samples were defect free and the weld micrographs revealed presence of a brittle intermetallic compounds (IMC) layer resulting from reaction of Fe and Al atoms. Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) analysis indicated the stoichiometry of the IMC as Fe2Al5 and FeAl3, the former with maximum microhardness measured of 1145 HV 0.025/10. The IMC layer thickness varied between 4 to 21 μm depending upon the laser processing parameters. The IMC layer showed an exponential growth pattern with the applied specific point energy (E sp) at a constant power density (PD). Higher PD values accelerate the IMC layer growth. The mechanical shear strength showed a narrow band of variation in all the samples (with the maximum value registered at 31.3 kN), with a marginal increase in the applied Esp. This could be explained by the fact that increasing the Esp results into an increase in the wetting and thereby the bonded area in the steel-aluminium interface.
& 2014 The Authors. Published by Elsevier Ltd. This is an open access article under the CC BY license (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/).
1. Introduction
In recent past the surface transportation industry has been challenged to reduce fuel consumption and to comply with the governmental policies to lower the carbon emissions. To achieve these objectives, fuel efficient engines and mass efficient structural materials, aiming to reduce the total weight of the vehicle, are required. Therefore, light alloys are increasingly in use along with the traditional structural materials in vehicle designs. Aluminum (Al) is one of the materials of choice as it is cost effective, has high specific modulus and is corrosion resistant. The latest design solutions are aimed at using a higher proportion of Al as a structural material. Therefore, a cost effective and energy efficient joining solution with steel and Al would be vital to realize the potential of such innovative design solutions. The main issues associated with the joining of steel to Al are their different physical properties (e.g. melting temperatures, thermal expansion and conductivity), the nearly zero solid solubility of Al in iron (Fe) and zero solid solubility of Fe in Al and the resulting formation of
intermetallic compounds (IMC). The diffusion of Fe and Al atoms at the Fe-Al interface forms different types of IMCs that are harmful for the structure due to their brittle behaviour. The most frequently reported IMCs are FeAl3 and Fe2Al5.
Many studies have been carried out with the goal of understanding and minimizing the Fe-Al reaction. Some researchers were focused on the study of Fe-Al reaction between molten Al and solid steel, controlling the time-temperature and evaluating the IMC layer composition and growth [1–3], whilst others assessed the influence of other alloying elements on the IMC layer thickness growth [4,5]. The research developed by Shih et al. is an example of the latter point, where a steel bar was dipped in different molten Al alloys (pure, Si, Mg and Si-Mg based) during different time intervals, to evaluate the influence of these elements on the Fe-Al reaction [5]. The Al alloy containing Si and Mg showed the thinnest IMC layer.
The physical state of the alloys (solid or liquid) at the joint interface during the joining process is one of the determining factors for the formation of IMC because it directly controls the
n Corresponding author. Tel.: þ44 0 1234750111.
E-mail addresses: s.a.martinsmeco@cranfield.ac.uk (S. Meco),
g.n.rodriguespardal@cran field.ac.uk (G. Pardal),
s.ganguly@cranfield.ac.uk (S. Ganguly), s.williams@cranfield.ac.uk (S. Williams), norrie.mcpherson@baesystems.com (N. McPherson). http://dx.doi.org/10.1016/j.optlaseng.2014.10.006
activity and mobility of the atoms of the participating alloys.
0143-8166/& 2014 The Authors. Published by Elsevier Ltd. This is an open access article under the CC BY license (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/).
In solid state joining processes, such as friction stir welding [6] or linear friction welding [7], the formation of the Fe-Al IMC is usually minimized because there is basically only plastic deformation of the Al and the temperature generated during the joining process is very low (usually lower than the melting temperature of the substrate). Explosion welding has another advantage, as the process happens so quickly there is almost no time for the reaction between Fe and Al and so the IMC layer is also very thin as demonstrated in [8–10].
Laser welding-brazing technique produces a joint between solid steel and molten Al [11–14] and is usually applied with filler wire. The interaction between both metals using this technique is minimal and consequently, sound dissimilar joints are produced with mechanical strength either identical or close to the weaker of the two metals (steel or Al plate, depending on the cross-sectional area of the specimen). An alternative technique was assessed in which a rolling system was combined to the laser [15–17]. The principle of this technique is to heat the substrate with the laser and immediately apply pressure on the soft metal with a roller to improve the contact in hot stage and thus the bonding. This way sound joints could be produced with IMC layer thickness less than 10 mm (many researchers have considered 10 mm as a reference maximum value of IMC layer thickness for an acceptable steel to Al joint [18]). Resistance spot welding applied to the steel to Al joining was also investigated [19–22]. Even though this process is a solid state pressure welding process, the researchers couldn't prevent formation of the IMCs and the samples failed from the interface when tested under tensile loading.
On the other hand, when both metals are in liquid state during the joining process, as is the case of the high power laser welding in keyhole mode [23–25], thick Fe-Al IMC layers are formed due to uncontrolled reaction and the joints are fragile.
It is well known from previous studies that the Fe-Al reaction depends on the welding temperature and time. IMC formation and growth is favoured when the welding thermal cycle is prolonged. This is expected because formation of IMC is a diffusion controlled process and prolonged time and higher temperature will allow more diffusion. Borrisutthekul et al. observed that under such conditions the IMC layer becomes thicker and as a result the joint mechanical strength would be lower [26].
So far in the area of joining this specific dissimilar combination, most of the research focus is towards the automotive industry and therefore, only thin (1 mm) sheets of steel and Al have been investigated. For maritime application, where thick (43 mm) plates are used, only few papers were found, for instance the work produced by Thomy et al. using the laser-MIG hybrid process to join 3 mm plates of steel and Al in a butt joint configuration [27]. At present, in many industrial applications an explosion bonded hybrid transition bar, half Al and other half Fe, is used for successful joining of steel and Al (Fig. 1). However, the resulting
joining process is not cost effective as it increases the cost of production through the cost of the bar and complicated logistics of operation. In addition, four fillet welds were necessary when a transition bar is used, instead of two, if Fe and Al were joined directly. The cost effectiveness and mass efficiency are thus reduced in such structures.
The overall aim of the present research programme is to develop a process in which thick plates of steel can be joined directly to Al without application of a filler material. Application of laser to join steel to aluminium in overlap configuration by welding-brazing process was investigated where the laser applied on the steel surface is conducted through and melts the aluminium to wet the steel surface. This minimizes random mixing of the two alloys as steel remains in solid state. However, in order to achieve viable joint it is necessary to understand the underpinning interaction between the laser source and the alloys and correlate the microstructural constituents of the interface with the interaction parameters and finally to the mechanical strength of the joint. This will enable development of a cost effective, design and energy efficient joining solution between Fe and Al with appropriate mechanical strength and metallurgical characteristics suitable for the intended application. In order to achieve this, an experimental matrix based on fundamental laser material interaction parameters was defined and the growth of Fe-Al IMC is correlated with the transient thermal (time-temperature) cycle resulting from the laser-material interaction.
2. System Parameters versus fundamental material interaction Parameters
In research and industrial application of laser welding, the vast majority of results is presented in terms of the laser syst
đang được dịch, vui lòng đợi..
Quang học và laser trong kỹ thuật 67 (2015) 22-30
S. Meco a, n, G. Pardal một, S. Ganguly một, S. Williams một, N. McPherson b
một
Kỹ thuật hàn và Trung tâm chế biến Laser, Đại học Cranfield, Đại học Way (Building 46), Bedford, MK43 0AL, United Kingdom
b BAE Systems Maritime - Tàu hải quân, 1048 Govan Road, Glasgow, G14 5XP, Vương quốc Anh một rticleinfo Điều lịch sử: Nhận ngày 25 tháng 4 năm 2014 sửa đổi trong nhận thức ngày 23 tháng 8 năm 2014 được chấp nhận ngày 19 tháng 10 năm 2014 có sẵn trực tuyến ngày 18 Tháng 11 năm 2014 Từ khóa: Laser hàn-thau Conduction hợp chất liên kim thép hợp kim nhôm một bstract kỹ thuật Laser hàn-hàn, sử dụng một sóng liên tục (CW) laser sợi quang với 8000 W điện năng tối đa, đã được áp dụng trong chế độ dẫn điện để nối 2 mm thép dày (XF350) đến 6 mm nhôm dày (AA5083 -H22), trong một cấu hình lap doanh với thép trên đầu trang. Bề mặt thép đã được chiếu xạ bằng tia laser và nhiệt được tiến hành thông qua các tấm thép để giao diện thép-nhôm, hợp tan chảy nhôm và làm ướt bề mặt thép. Các mẫu hàn là lỗi miễn phí và các mối hàn hiển vi cho thấy sự hiện diện của một hợp chất liên kim giòn (IMC) lớp do phản ứng của Fe và Al nguyên tử. Năng lượng phân tán Spectroscopy (EDS) phân tích chỉ ra các stoichiometry của IMC là Fe2Al5 và FeAl3, cựu với microhardness tối đa đo được của năm 1145 HV 0,025 / 10. Độ dày lớp IMC khác nhau giữa 4-21 mm tùy thuộc vào các thông số chế biến laser. Lớp IMC cho thấy một mô hình tăng trưởng theo cấp số nhân với năng lượng điểm cụ thể áp dụng (E sp) với mật độ công suất không đổi (PD). Giá trị cao hơn PD đẩy nhanh tốc độ tăng trưởng lớp IMC. Sức mạnh cơ khí cắt cho thấy một dải hẹp khác biệt trong tất cả các mẫu (với giá trị tối đa đăng ký tại 31,3 kN), với mức tăng cận biên trong Esp ứng dụng. Điều này có thể được giải thích bởi thực tế rằng việc tăng Esp kết quả vào tăng làm ướt và do đó các khu vực ngoại quan trong các giao diện thép-nhôm. & 2014 các tác giả. Xuất bản bởi Elsevier Ltd. Đây là một bài báo truy cập mở theo giấy phép CC BY (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/). 1. Giới thiệu Trong quá khứ gần đây ngành công nghiệp vận chuyển mặt đất đã được thử thách để giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và tuân thủ các chính sách của chính phủ để giảm lượng khí thải carbon. Để đạt được những mục tiêu này, động cơ tiết kiệm nhiên liệu và vật liệu cấu trúc công cộng hiệu quả, nhằm giảm tổng trọng lượng của xe, được yêu cầu. Do đó, hợp kim nhẹ đang ngày càng được sử dụng cùng với các vật liệu cấu trúc truyền thống trong thiết kế xe. Nhôm (Al) là một trong những vật liệu được lựa chọn vì nó là chi phí có hiệu quả, có mô đun cụ thể cao và có khả năng chống ăn mòn. Các giải pháp thiết kế mới nhất nhằm vào sử dụng một tỷ lệ cao hơn của Al là một vật liệu kết cấu. Vì vậy, một giải pháp chi phí hiệu quả và tiết kiệm năng lượng tham gia với thép và Al sẽ là rất quan trọng để nhận ra tiềm năng của giải pháp thiết kế sáng tạo như vậy. Những vấn đề chính liên quan với sự gia nhập của thép để Al là tài sản của họ khác nhau về thể chất (ví dụ như nhiệt độ nóng chảy, giãn nở nhiệt và dẫn điện), độ hòa tan gần zero rắn của Al trong sắt (Fe) và không hòa tan rắn của Fe trong Al và kết quả hình thành các hợp chất liên kim (IMC). Sự phổ biến của Fe và Al nguyên tử tại giao diện Fe-Al tạo thành các loại khác nhau của các công ty thuỷ nông có hại cho cấu trúc do hành vi của họ giòn. Các công ty thuỷ nông thường xuyên nhất được báo cáo là FeAl3 và Fe2Al5. Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện với mục tiêu của sự hiểu biết và giảm thiểu các phản ứng Fe-Al. Một số nhà nghiên cứu đã tập trung vào việc nghiên cứu Fe-Al phản ứng giữa Al nóng chảy và thép vững chắc, kiểm soát nhiệt độ thời gian và đánh giá các thành phần IMC lớp và tăng trưởng [1-3], trong khi những người khác đánh giá ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim khác trên IMC lớp trưởng độ dày [4,5]. Các nghiên cứu phát triển bởi Shih et al. là một ví dụ của điểm thứ hai, nơi một thanh thép được nhúng trong các hợp kim Al nóng chảy khác nhau (tinh khiết, Si, Mg và Si-Mg dựa) trong các khoảng thời gian khác nhau, để đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố trên các phản ứng Fe-Al [ 5]. Các hợp kim chứa Al Si và Mg cho thấy các lớp IMC mỏng. Các trạng thái vật lý của các hợp kim (rắn hoặc lỏng) tại giao diện chung trong quá trình tham gia là một trong những yếu tố quyết định đối với sự hình thành của IMC vì nó trực tiếp điều khiển tương ứng n tác giả. Tel .: þ44 0 1234750111. địa chỉ E-mail: samartinsmeco@cranfield.ac.uk (S. Meco), gnrodriguespardal @ cran field.ac.uk (G. Pardal), s.ganguly@cranfield.ac.uk (S Ganguly.), s.williams@cranfield.ac.uk (S. Williams), norrie.mcpherson@baesystems.com (N. McPherson). http://dx.doi.org/10.1016/j.optlaseng.2014.10.006 hoạt động và tính di động của các nguyên tử của các hợp kim tham gia. 0143-8166 / & 2014 các tác giả. Xuất bản bởi Elsevier Ltd. Đây là một bài báo truy cập mở theo giấy phép CC BY (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/). Trong quá trình nhà nước tham gia rắn, chẳng hạn như ma sát khuấy hàn [6] hoặc ma sát tuyến tính hàn [7], sự hình thành của Fe-Al IMC thường được giảm thiểu bởi vì về cơ bản chỉ là biến dạng dẻo của Al và nhiệt độ tạo ra trong quá trình gia nhập là rất thấp (thường thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của các chất nền). Hàn nổ có lợi thế khác, như là quá trình xảy ra nhanh như vậy có là thời gian hầu như không cho phản ứng giữa Fe và Al và vì vậy các lớp IMC cũng rất mỏng như đã chứng minh trong [8-10]. Laser kỹ thuật hàn-hàn sản xuất một doanh giữa thép rắn và nóng chảy Al [11-14] và thường được áp dụng với dây phụ. Sự tương tác giữa hai kim loại bằng cách sử dụng kỹ thuật này là tối thiểu và do đó, âm thanh khớp khác nhau được sản xuất với độ bền cơ học hoặc là trùng hoặc gần với yếu của hai kim loại (thép hoặc Al tấm, tùy thuộc vào diện tích mặt cắt ngang của mẫu vật). Một kỹ thuật khác đã được đánh giá trong đó một hệ thống cán đã được kết hợp với laser [15-17]. Nguyên tắc của kỹ thuật này là để làm nóng bề mặt bằng laser và ngay lập tức áp dụng áp lực lên kim loại mềm với một con lăn để cải thiện liên lạc trong giai đoạn nóng và do đó có sự gắn kết. Bằng cách này khớp âm thanh có thể được sản xuất với độ dày lớp IMC ít hơn 10 mm (nhiều nhà nghiên cứu đã xem xét 10 mm như một giá trị tối đa tài liệu tham khảo của độ dày lớp IMC cho một thép chấp nhận Al doanh [18]). Hàn điểm tiếp xúc áp dụng cho thép để gia nhập Al cũng bị điều tra [19-22]. Mặc dù quá trình này là một quá trình hàn áp lực trạng thái rắn, các nhà nghiên cứu không thể ngăn chặn sự hình thành của các công ty thuỷ nông và các mẫu không thành công từ giao diện khi được thử nghiệm chịu tải kéo. Mặt khác, khi cả hai kim loại ở trạng thái lỏng trong việc tham gia quá trình, như là trường hợp của hàn laser công suất cao trong chế độ keyhole [23-25], dày lớp Fe-Al IMC được hình thành do phản ứng không kiểm soát được và các khớp xương dễ vỡ. Nó cũng được biết từ các nghiên cứu trước đó rằng Fe- Al phản ứng phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian hàn. IMC hình thành và phát triển được ưa chuộng khi các chu kỳ nhiệt hàn được kéo dài. Điều này là bình thường vì hình thành của IMC là một quá trình kiểm soát việc truyền bá và thời gian kéo dài và nhiệt độ cao hơn sẽ cho phép khuếch tán hơn. Borrisutthekul et al. quan sát thấy rằng trong điều kiện như vậy các lớp IMC trở nên dày hơn và kết quả là sức mạnh cơ khí chung sẽ thấp hơn [26]. Cho đến nay trong lĩnh vực tham gia sự kết hợp khác nhau cụ thể này, hầu hết tập trung nghiên cứu là đối với ngành công nghiệp ô tô và do đó, chỉ mỏng (1 mm) Tấm thép và Al đã được điều tra. Đối với ứng dụng hàng hải, nơi dày (43 mm) tấm được sử dụng, chỉ vài giấy tờ đã được tìm thấy, ví dụ như việc sản xuất bởi Thomy et al. bằng cách sử dụng quá trình lai laser MIG để tham gia 3 tấm mm thép và Al trong một cấu hình phần mông [27]. Hiện nay, trong nhiều ứng dụng công nghiệp bùng nổ ngoại quan hybrid thanh chuyển tiếp, một nửa Al và một nửa khác Fe, được sử dụng để thành công khi tham gia thép và Al (Fig. 1). Tuy nhiên, các kết quả quá trình tham gia là không hiệu quả vì nó làm tăng chi phí sản xuất thông qua các chi phí thanh và hậu cần phức tạp của hoạt động. Ngoài ra, bốn mối hàn phi lê này là cần thiết khi một thanh chuyển đổi được sử dụng, thay vì hai, nếu Fe và Al đã tham gia trực tiếp. Do đó hiệu quả chi phí và hiệu quả hàng loạt được giảm trong các cấu trúc như vậy. Mục tiêu tổng thể của chương trình nghiên cứu này là để phát triển một quá trình trong đó các tấm dày từ thép có thể được tham gia trực tiếp vào Al mà không cần áp dụng một loại vật liệu phụ. Ứng dụng của laser để tham gia thép với nhôm trong cấu hình chồng chéo bởi quá trình hàn, hàn đã được điều tra nơi laser được áp dụng trên các bề mặt thép được tiến hành thông qua và tan chảy nhôm để làm ướt bề mặt thép. Điều này giảm thiểu trộn ngẫu nhiên của hai hợp kim như thép vẫn ở trạng thái rắn. Tuy nhiên, để đạt được doanh khả thi nó là cần thiết để hiểu sự tương tác giữa các nền tảng mã nguồn laser và các hợp kim và tương quan các thành phần microstructural của giao diện với các thông số tương tác và cuối cùng đến độ bền cơ học của khớp. Điều này sẽ cho phép phát triển một giải pháp hiệu quả chi phí tham gia có hiệu quả, thiết kế và năng lượng giữa Fe và Al với độ bền cơ học thích hợp và đặc điểm luyện kim phù hợp cho các ứng dụng dự định. Để đạt được điều này, một ma trận thực nghiệm dựa trên các thông số tương tác vật liệu laser cơ bản đã được xác định và sự phát triển của Fe-Al IMC có tương quan với chu kỳ thoáng nhiệt (nhiệt độ thời gian) từ tương tác laser-vật liệu. 2. Hệ thống thông số cơ bản so với thông số tương tác vật chất Trong nghiên cứu và ứng dụng công nghiệp của hàn laser, phần lớn các kết quả được trình bày trong các điều khoản của Syst tia laser
S. Meco a, n, G. Pardal một, S. Ganguly một, S. Williams một, N. McPherson b
một
Kỹ thuật hàn và Trung tâm chế biến Laser, Đại học Cranfield, Đại học Way (Building 46), Bedford, MK43 0AL, United Kingdom
b BAE Systems Maritime - Tàu hải quân, 1048 Govan Road, Glasgow, G14 5XP, Vương quốc Anh một rticleinfo Điều lịch sử: Nhận ngày 25 tháng 4 năm 2014 sửa đổi trong nhận thức ngày 23 tháng 8 năm 2014 được chấp nhận ngày 19 tháng 10 năm 2014 có sẵn trực tuyến ngày 18 Tháng 11 năm 2014 Từ khóa: Laser hàn-thau Conduction hợp chất liên kim thép hợp kim nhôm một bstract kỹ thuật Laser hàn-hàn, sử dụng một sóng liên tục (CW) laser sợi quang với 8000 W điện năng tối đa, đã được áp dụng trong chế độ dẫn điện để nối 2 mm thép dày (XF350) đến 6 mm nhôm dày (AA5083 -H22), trong một cấu hình lap doanh với thép trên đầu trang. Bề mặt thép đã được chiếu xạ bằng tia laser và nhiệt được tiến hành thông qua các tấm thép để giao diện thép-nhôm, hợp tan chảy nhôm và làm ướt bề mặt thép. Các mẫu hàn là lỗi miễn phí và các mối hàn hiển vi cho thấy sự hiện diện của một hợp chất liên kim giòn (IMC) lớp do phản ứng của Fe và Al nguyên tử. Năng lượng phân tán Spectroscopy (EDS) phân tích chỉ ra các stoichiometry của IMC là Fe2Al5 và FeAl3, cựu với microhardness tối đa đo được của năm 1145 HV 0,025 / 10. Độ dày lớp IMC khác nhau giữa 4-21 mm tùy thuộc vào các thông số chế biến laser. Lớp IMC cho thấy một mô hình tăng trưởng theo cấp số nhân với năng lượng điểm cụ thể áp dụng (E sp) với mật độ công suất không đổi (PD). Giá trị cao hơn PD đẩy nhanh tốc độ tăng trưởng lớp IMC. Sức mạnh cơ khí cắt cho thấy một dải hẹp khác biệt trong tất cả các mẫu (với giá trị tối đa đăng ký tại 31,3 kN), với mức tăng cận biên trong Esp ứng dụng. Điều này có thể được giải thích bởi thực tế rằng việc tăng Esp kết quả vào tăng làm ướt và do đó các khu vực ngoại quan trong các giao diện thép-nhôm. & 2014 các tác giả. Xuất bản bởi Elsevier Ltd. Đây là một bài báo truy cập mở theo giấy phép CC BY (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/). 1. Giới thiệu Trong quá khứ gần đây ngành công nghiệp vận chuyển mặt đất đã được thử thách để giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và tuân thủ các chính sách của chính phủ để giảm lượng khí thải carbon. Để đạt được những mục tiêu này, động cơ tiết kiệm nhiên liệu và vật liệu cấu trúc công cộng hiệu quả, nhằm giảm tổng trọng lượng của xe, được yêu cầu. Do đó, hợp kim nhẹ đang ngày càng được sử dụng cùng với các vật liệu cấu trúc truyền thống trong thiết kế xe. Nhôm (Al) là một trong những vật liệu được lựa chọn vì nó là chi phí có hiệu quả, có mô đun cụ thể cao và có khả năng chống ăn mòn. Các giải pháp thiết kế mới nhất nhằm vào sử dụng một tỷ lệ cao hơn của Al là một vật liệu kết cấu. Vì vậy, một giải pháp chi phí hiệu quả và tiết kiệm năng lượng tham gia với thép và Al sẽ là rất quan trọng để nhận ra tiềm năng của giải pháp thiết kế sáng tạo như vậy. Những vấn đề chính liên quan với sự gia nhập của thép để Al là tài sản của họ khác nhau về thể chất (ví dụ như nhiệt độ nóng chảy, giãn nở nhiệt và dẫn điện), độ hòa tan gần zero rắn của Al trong sắt (Fe) và không hòa tan rắn của Fe trong Al và kết quả hình thành các hợp chất liên kim (IMC). Sự phổ biến của Fe và Al nguyên tử tại giao diện Fe-Al tạo thành các loại khác nhau của các công ty thuỷ nông có hại cho cấu trúc do hành vi của họ giòn. Các công ty thuỷ nông thường xuyên nhất được báo cáo là FeAl3 và Fe2Al5. Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện với mục tiêu của sự hiểu biết và giảm thiểu các phản ứng Fe-Al. Một số nhà nghiên cứu đã tập trung vào việc nghiên cứu Fe-Al phản ứng giữa Al nóng chảy và thép vững chắc, kiểm soát nhiệt độ thời gian và đánh giá các thành phần IMC lớp và tăng trưởng [1-3], trong khi những người khác đánh giá ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim khác trên IMC lớp trưởng độ dày [4,5]. Các nghiên cứu phát triển bởi Shih et al. là một ví dụ của điểm thứ hai, nơi một thanh thép được nhúng trong các hợp kim Al nóng chảy khác nhau (tinh khiết, Si, Mg và Si-Mg dựa) trong các khoảng thời gian khác nhau, để đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố trên các phản ứng Fe-Al [ 5]. Các hợp kim chứa Al Si và Mg cho thấy các lớp IMC mỏng. Các trạng thái vật lý của các hợp kim (rắn hoặc lỏng) tại giao diện chung trong quá trình tham gia là một trong những yếu tố quyết định đối với sự hình thành của IMC vì nó trực tiếp điều khiển tương ứng n tác giả. Tel .: þ44 0 1234750111. địa chỉ E-mail: samartinsmeco@cranfield.ac.uk (S. Meco), gnrodriguespardal @ cran field.ac.uk (G. Pardal), s.ganguly@cranfield.ac.uk (S Ganguly.), s.williams@cranfield.ac.uk (S. Williams), norrie.mcpherson@baesystems.com (N. McPherson). http://dx.doi.org/10.1016/j.optlaseng.2014.10.006 hoạt động và tính di động của các nguyên tử của các hợp kim tham gia. 0143-8166 / & 2014 các tác giả. Xuất bản bởi Elsevier Ltd. Đây là một bài báo truy cập mở theo giấy phép CC BY (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/). Trong quá trình nhà nước tham gia rắn, chẳng hạn như ma sát khuấy hàn [6] hoặc ma sát tuyến tính hàn [7], sự hình thành của Fe-Al IMC thường được giảm thiểu bởi vì về cơ bản chỉ là biến dạng dẻo của Al và nhiệt độ tạo ra trong quá trình gia nhập là rất thấp (thường thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của các chất nền). Hàn nổ có lợi thế khác, như là quá trình xảy ra nhanh như vậy có là thời gian hầu như không cho phản ứng giữa Fe và Al và vì vậy các lớp IMC cũng rất mỏng như đã chứng minh trong [8-10]. Laser kỹ thuật hàn-hàn sản xuất một doanh giữa thép rắn và nóng chảy Al [11-14] và thường được áp dụng với dây phụ. Sự tương tác giữa hai kim loại bằng cách sử dụng kỹ thuật này là tối thiểu và do đó, âm thanh khớp khác nhau được sản xuất với độ bền cơ học hoặc là trùng hoặc gần với yếu của hai kim loại (thép hoặc Al tấm, tùy thuộc vào diện tích mặt cắt ngang của mẫu vật). Một kỹ thuật khác đã được đánh giá trong đó một hệ thống cán đã được kết hợp với laser [15-17]. Nguyên tắc của kỹ thuật này là để làm nóng bề mặt bằng laser và ngay lập tức áp dụng áp lực lên kim loại mềm với một con lăn để cải thiện liên lạc trong giai đoạn nóng và do đó có sự gắn kết. Bằng cách này khớp âm thanh có thể được sản xuất với độ dày lớp IMC ít hơn 10 mm (nhiều nhà nghiên cứu đã xem xét 10 mm như một giá trị tối đa tài liệu tham khảo của độ dày lớp IMC cho một thép chấp nhận Al doanh [18]). Hàn điểm tiếp xúc áp dụng cho thép để gia nhập Al cũng bị điều tra [19-22]. Mặc dù quá trình này là một quá trình hàn áp lực trạng thái rắn, các nhà nghiên cứu không thể ngăn chặn sự hình thành của các công ty thuỷ nông và các mẫu không thành công từ giao diện khi được thử nghiệm chịu tải kéo. Mặt khác, khi cả hai kim loại ở trạng thái lỏng trong việc tham gia quá trình, như là trường hợp của hàn laser công suất cao trong chế độ keyhole [23-25], dày lớp Fe-Al IMC được hình thành do phản ứng không kiểm soát được và các khớp xương dễ vỡ. Nó cũng được biết từ các nghiên cứu trước đó rằng Fe- Al phản ứng phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian hàn. IMC hình thành và phát triển được ưa chuộng khi các chu kỳ nhiệt hàn được kéo dài. Điều này là bình thường vì hình thành của IMC là một quá trình kiểm soát việc truyền bá và thời gian kéo dài và nhiệt độ cao hơn sẽ cho phép khuếch tán hơn. Borrisutthekul et al. quan sát thấy rằng trong điều kiện như vậy các lớp IMC trở nên dày hơn và kết quả là sức mạnh cơ khí chung sẽ thấp hơn [26]. Cho đến nay trong lĩnh vực tham gia sự kết hợp khác nhau cụ thể này, hầu hết tập trung nghiên cứu là đối với ngành công nghiệp ô tô và do đó, chỉ mỏng (1 mm) Tấm thép và Al đã được điều tra. Đối với ứng dụng hàng hải, nơi dày (43 mm) tấm được sử dụng, chỉ vài giấy tờ đã được tìm thấy, ví dụ như việc sản xuất bởi Thomy et al. bằng cách sử dụng quá trình lai laser MIG để tham gia 3 tấm mm thép và Al trong một cấu hình phần mông [27]. Hiện nay, trong nhiều ứng dụng công nghiệp bùng nổ ngoại quan hybrid thanh chuyển tiếp, một nửa Al và một nửa khác Fe, được sử dụng để thành công khi tham gia thép và Al (Fig. 1). Tuy nhiên, các kết quả quá trình tham gia là không hiệu quả vì nó làm tăng chi phí sản xuất thông qua các chi phí thanh và hậu cần phức tạp của hoạt động. Ngoài ra, bốn mối hàn phi lê này là cần thiết khi một thanh chuyển đổi được sử dụng, thay vì hai, nếu Fe và Al đã tham gia trực tiếp. Do đó hiệu quả chi phí và hiệu quả hàng loạt được giảm trong các cấu trúc như vậy. Mục tiêu tổng thể của chương trình nghiên cứu này là để phát triển một quá trình trong đó các tấm dày từ thép có thể được tham gia trực tiếp vào Al mà không cần áp dụng một loại vật liệu phụ. Ứng dụng của laser để tham gia thép với nhôm trong cấu hình chồng chéo bởi quá trình hàn, hàn đã được điều tra nơi laser được áp dụng trên các bề mặt thép được tiến hành thông qua và tan chảy nhôm để làm ướt bề mặt thép. Điều này giảm thiểu trộn ngẫu nhiên của hai hợp kim như thép vẫn ở trạng thái rắn. Tuy nhiên, để đạt được doanh khả thi nó là cần thiết để hiểu sự tương tác giữa các nền tảng mã nguồn laser và các hợp kim và tương quan các thành phần microstructural của giao diện với các thông số tương tác và cuối cùng đến độ bền cơ học của khớp. Điều này sẽ cho phép phát triển một giải pháp hiệu quả chi phí tham gia có hiệu quả, thiết kế và năng lượng giữa Fe và Al với độ bền cơ học thích hợp và đặc điểm luyện kim phù hợp cho các ứng dụng dự định. Để đạt được điều này, một ma trận thực nghiệm dựa trên các thông số tương tác vật liệu laser cơ bản đã được xác định và sự phát triển của Fe-Al IMC có tương quan với chu kỳ thoáng nhiệt (nhiệt độ thời gian) từ tương tác laser-vật liệu. 2. Hệ thống thông số cơ bản so với thông số tương tác vật chất Trong nghiên cứu và ứng dụng công nghiệp của hàn laser, phần lớn các kết quả được trình bày trong các điều khoản của Syst tia laser
đang được dịch, vui lòng đợi..
Các ngôn ngữ khác
Hỗ trợ công cụ dịch thuật: Albania, Amharic, Anh, Armenia, Azerbaijan, Ba Lan, Ba Tư, Bantu, Basque, Belarus, Bengal, Bosnia, Bulgaria, Bồ Đào Nha, Catalan, Cebuano, Chichewa, Corsi, Creole (Haiti), Croatia, Do Thái, Estonia, Filipino, Frisia, Gael Scotland, Galicia, George, Gujarat, Hausa, Hawaii, Hindi, Hmong, Hungary, Hy Lạp, Hà Lan, Hà Lan (Nam Phi), Hàn, Iceland, Igbo, Ireland, Java, Kannada, Kazakh, Khmer, Kinyarwanda, Klingon, Kurd, Kyrgyz, Latinh, Latvia, Litva, Luxembourg, Lào, Macedonia, Malagasy, Malayalam, Malta, Maori, Marathi, Myanmar, Mã Lai, Mông Cổ, Na Uy, Nepal, Nga, Nhật, Odia (Oriya), Pashto, Pháp, Phát hiện ngôn ngữ, Phần Lan, Punjab, Quốc tế ngữ, Rumani, Samoa, Serbia, Sesotho, Shona, Sindhi, Sinhala, Slovak, Slovenia, Somali, Sunda, Swahili, Séc, Tajik, Tamil, Tatar, Telugu, Thái, Thổ Nhĩ Kỳ, Thụy Điển, Tiếng Indonesia, Tiếng Ý, Trung, Trung (Phồn thể), Turkmen, Tây Ban Nha, Ukraina, Urdu, Uyghur, Uzbek, Việt, Xứ Wales, Yiddish, Yoruba, Zulu, Đan Mạch, Đức, Ả Rập, dịch ngôn ngữ.
- - Cần tạo cơ hội cho học sinh luyện các
- Việc lập thời gian biểu là rất quan trọn
- Gemeinden
- If you tall me
- But love is a necessity without love the
- I want to keep my swimming habit at the
- While very carefully constructed and com
- The use of an Intrusion Detection System
- If you talk me
- Việc lập thời gian biểu là rất quan trọn
- I want to keep my Habit that is swim at
- Without a certain distinction between no
- tài chính
- Mày phải tự cảm thấy trái tim mày có muố
- I want to keep my swimming habbit at the
- Can you ever forgive me?
- Và khi tôi nhìn thấy bạn đang online rất
- It is quite late
- First, the Kyoto dataset contains only t
- chỉ có thể
- The Kyoto University Benchmark dataset [
- Việc lập thời gian biểu là rất quan trọn
- I WAS SO INSPIRED ABOUT VIETNAM THAT NIG
- The dataset consists of captured network
