Ao unir aço e alumínio, a reação entre os átomos de Fe e Al durante o processo de união forma compostos intermetálicos (CIMs) frágeis. A presença desses CIMs limita a resistência mecânica da união, sendo necessário, portanto, controlar a quantidade desses compostos. A formação dos CIMs ocorre devido à baixa solubilidade do Fe no Al. Se essa solubilidade exceder um determinado limite, pode afetar as propriedades mecânicas da solda. Os CIMs possuem propriedades únicas, como dureza, ductilidade e tenacidade limitadas, além de características morfológicas específicas. Pesquisas indicam que, em comparação com outros CIMs, a camada de Fe₂Al₅ é amplamente considerada a mais frágil (11,8± A fase IMC (comprimento do feixe de laser de 1,8 GPa) é a principal responsável pela diminuição das propriedades mecânicas devido à falha na soldagem. Este artigo investiga o processo de soldagem a laser remota de aço IF e alumínio 1050 utilizando um laser de modo anular ajustável e analisa em profundidade a influência do formato do feixe de laser na formação de compostos intermetálicos e nas propriedades mecânicas. Ao ajustar a relação de potência núcleo/anel, constatou-se que, no modo de condução, uma relação de potência núcleo/anel de 0,2 permite obter uma melhor área de ligação na interface de solda e reduzir significativamente a espessura da fase IMC Fe₂Al₅, melhorando assim a resistência ao cisalhamento da junta.
Este artigo apresenta a influência do laser de modo anelar ajustável na formação de compostos intermetálicos e nas propriedades mecânicas durante a soldagem a laser remota de aço IF e alumínio 1050. Os resultados da pesquisa indicam que, no modo de condução, uma relação de potência núcleo/anel de 0,2 proporciona uma maior área de ligação na interface da solda, o que se reflete em uma resistência ao cisalhamento máxima de 97,6 N/mm² (eficiência da junta de 71%). Além disso, em comparação com feixes gaussianos com uma relação de potência superior a 1, isso reduz significativamente a espessura do composto intermetálico (CIM) Fe₂Al₅ em 62% e a espessura total do CIM em 40%. No modo de perfuração, observaram-se trincas e menor resistência ao cisalhamento em comparação com o modo de condução. Vale ressaltar que um refinamento de grão significativo foi observado na junta de solda quando a relação de potência núcleo/anel foi de 0,5.
Quando r=0, apenas a potência do circuito é gerada, enquanto que quando r=1, apenas a potência do núcleo é gerada.
Diagrama esquemático da razão de potência r entre um feixe gaussiano e um feixe anular.
(a) Dispositivo de soldagem; (b) Profundidade e largura do perfil de solda; (c) Diagrama esquemático da exibição da amostra e das configurações de fixação.
Teste MC: Somente no caso do feixe gaussiano, a junta de solda inicialmente apresenta condução superficial (ID 1 e 2) e, em seguida, transita para o modo de penetração parcial (ID 3-5), com o aparecimento de trincas visíveis. Quando a potência do anel aumentou de 0 para 1000 W, não houve trincas visíveis no ID 7 e a profundidade da zona rica em ferro foi relativamente pequena. Quando a potência do anel aumentou para 2000 e 2500 W (IDs 9 e 10), a profundidade da zona rica em ferro aumentou. Trincas excessivas foram observadas com potência do anel de 2500 W (ID 10).
Teste MR: Quando a potência do núcleo está entre 500 e 1000 W (ID 11 e 12), a solda opera em modo de condução. Comparando ID 12 e ID 7, embora a potência total (6000 W) seja a mesma, ID 7 opera em modo de travamento do furo. Isso se deve à significativa diminuição da densidade de potência em ID 12, causada pela característica de laço dominante (r = 0,2). Quando a potência total atinge 7500 W (ID 15), o modo de penetração total é alcançado e, em comparação com os 6000 W utilizados em ID 7, a potência para o modo de penetração total é significativamente maior.
Teste de CI: O modo conduzido (ID 16 e 17) foi alcançado com potência de núcleo de 1500 W e potência de anel de 3000 W e 3500 W. Quando a potência do núcleo é de 3000 W e a potência do anel está entre 1500 W e 2500 W (ID 19-20), rachaduras visíveis aparecem na interface entre o ferro e o alumínio, formando um padrão de pequenos orifícios de penetração localizada. Quando a potência do anel é de 3000 W e 3500 W (ID 21 e 22), obtém-se o modo de penetração total com orifício de fechadura.
Imagens representativas da seção transversal de cada identificação de solda sob um microscópio óptico.
Figura 4. (a) Relação entre a resistência à tração máxima (UTS) e a relação de potência em testes de soldagem; (b) Potência total de todos os testes de soldagem.
Figura 5. (a) Relação entre a relação de aspecto e a resistência à tração (UTS); (b) Relação entre a extensão e a profundidade de penetração e a resistência à tração (UTS); (c) Densidade de potência para todos os ensaios de soldagem.
Figura 6. (ac) Mapa de contorno de indentação de microdureza Vickers; (df) Espectros químicos SEM-EDS correspondentes para soldagem representativa em modo de condução; (g) Diagrama esquemático da interface entre aço e alumínio; (h) Espessura da camada Fe2Al5 e da camada intermetálica total em soldas em modo de condução.
Figura 7. (ac) Mapa de contorno de indentação por microdureza Vickers; (df) Espectro químico SEM-EDS correspondente para soldagem representativa no modo de perfuração por penetração local.
Figura 8. (ac) Mapa de contorno de indentação por microdureza Vickers; (df) Espectro químico SEM-EDS correspondente para soldagem representativa no modo de perfuração com penetração total.
Figura 9. O gráfico EBSD mostra o tamanho de grão da região rica em ferro (placa superior) no teste de perfuração com penetração total e quantifica a distribuição do tamanho de grão.
Figura 10. Espectros SEM-EDS da interface entre ferro rico e alumínio rico
Este estudo investigou os efeitos do laser ARM na formação, microestrutura e propriedades mecânicas do composto intermetálico (IMC) em juntas soldadas por sobreposição de aço IF e liga de alumínio 1050. O estudo considerou três modos de soldagem (modo de condução, modo de penetração localizada e modo de penetração total) e três formatos de feixe de laser selecionados (feixe gaussiano, feixe anular e feixe gaussiano anular). Os resultados da pesquisa indicam que a seleção da relação de potência adequada entre o feixe gaussiano e o feixe anular é um parâmetro chave para controlar a formação e a microestrutura do carbono intermetálico, maximizando assim as propriedades mecânicas da solda. No modo de condução, um feixe circular com uma relação de potência de 0,2 proporciona a melhor resistência da solda (71% de eficiência da junta). No modo de perfuração, o feixe gaussiano produz maior profundidade de soldagem e maior relação de aspecto, mas a intensidade da soldagem é significativamente reduzida. O feixe anular com uma relação de potência de 0,5 tem um impacto significativo no refinamento dos grãos laterais do aço na junta soldada. Isso se deve à temperatura máxima mais baixa do feixe anular, que leva a uma taxa de resfriamento mais rápida, e ao efeito de restrição de crescimento da migração do soluto de alumínio em direção à parte superior da junta de solda na estrutura granular. Há uma forte correlação entre a microdureza Vickers e a previsão da porcentagem de volume da fase pelo Thermo Calc. Quanto maior a porcentagem de volume de Fe4Al13, maior a microdureza.
Data da publicação: 25 de janeiro de 2024
