Существование хрупких соединений Fe-Al ограничивает эксплуатационные характеристики соединения сталь/алюминий. Добавление лазера на фольге Tiсварка плавлениемиз двухфазной стали DP590 до 6022алюминийсплав был выполнен в конфигурации «сталь с алюминием» с перекрытием, а титановая фольга была определена для улучшения металлургических реакций на основе рассчитанной энтальпии образования, свободной энергии Гиббса и пластичности/хрупкости. Исследовано влияние титановой фольги на микроструктуру и свойства соединения сталь/алюминий. Результаты показали, чтоинтерметаллические соединенияВ стальной части иалюминийсторону соответственно. Толщина слоя ИМК на границе раздела была уменьшена, что означает сдерживание реакций между Fe и Al и подавление соединений Fe–Al. Максимальное значение нагрузки достигло 1616,25 Н с добавлением титановой фольги толщиной 0,03 мм, что представляет собой улучшение на 27% по сравнению с таковым без добавления. Улучшение механических свойств оценивается испытаниями на растяжение имикротвердостьхорошо согласуется с сокращениемхрупкостьпредсказано по результатам расчета, таким образом, механические свойства соединений во многом зависят от пластичности/хрупкости ИМК. Кроме того, удалось избежать размягчения в зоне термического влияния (ЗТВ) в верхней двухфазной стали, а зерна в ванне расплава были измельчены. Следовательно, характеристики соединения сталь/алюминий значительно улучшаются при добавлении титановой фольги.
В последнее время серьезный экологический кризис, такой как парниковый эффект, привлек внимание всего мира к осуществлению международных мер по энергосбережению и сокращению выбросов. В автомобильной промышленности снижение веса, особенно за счет использования облегченной конструкции из разнородных металлов стали и алюминия, оказалось эффективным способом и вызывает интерес исследователей. Поэтому очень важно получить надежное соединение стали и алюминия. Однако при сварке стали и алюминия следует учитывать большие трудности из-за их заметных различий в термических и физических свойствах, таких как температура плавления, коэффициент термического расширения и т. д. В процессе сварки стали и алюминия за счет реакции Fe и Al легко образуются хрупкие интерметаллиды Fe–Al (IMC), ухудшающие механические свойства соединений стали с алюминием. Следовательно, необходимо улучшить свойства соединения за счет улучшения металлургической реакции.
До сих пор для соединений стали и алюминия использовались различные методы сварки, в том числе сварка в твердом состоянии, такая как сварка трением с перемешиванием, сварка взрывом, диффузионная сварка и контактная точечная сварка, а также сварка плавлением, например, сварка TIG, дуговая сварка. сварка, лазерная сварка и лазерная пайка. Что касается применения сварки в твердом состоянии, Springer et al. Установлено, что прочность соединений на разрыв контролируется толщиной слоя Fe2Al5 при сварке трением с перемешиванием низкоуглеродистой стали и Al-5мас.%Si. Хан и др. подтвердили, что зарождение трещин вызвано фазой FeAl3 при соединении алюминиевого сплава АА1050 со сталью SS41 сваркой взрывом. Цю и др. исследовали контактную точечную сварку алюминиевого сплава A5052 со сталью SPCC и обнаружили, что слой IMC, состоящий из Fe2Al5 и FeAl3, образуется на границе раздела сталь/алюминий. Они считали, что эти IMC не влияют на механические свойства сустава. Что касается традиционной сварки плавлением, Song et al. использовал TIG в качестве источника тепла для сварки алюминиевого сплава 5A06 и нержавеющей стали SUS321. Они заявили, что средняя прочность соединения на растяжение достигает 120 МПа, а трещины возникают из-за хрупкой фазы ИМС η-Fe2Al5, когда ее толщина превышает 10 мкм. Хуанг и др. применили технологию двухсторонней дуговой сварки-пайки MIG-TIG для стыкового соединения алюминиевого сплава 5052 с мягкой сталью и обнаружили, что пластинчатый Fe2Al5 и игольчатый FeAl3 присутствуют на границе пайки, что приводит к возникновению трещин. Аналогичным образом Су и др. . сварив сплав 5052Al и оцинкованную мягкую сталь посредством дуговой сварки, они также доказали, что IMC состоят из Fe2Al5, FeAl3 и Fe3Al, а соединения разрушаются вдоль границы раздела между фазой Fe2Al5 и стальным листом. Кроме того, все соединения вышли из строя на границе раздела пайки, состоящей из слоя Fe2Al5 при использовании метода лазерной сварки-пайки при соединении низкоуглеродистой стали Q235 с алюминием AA6061. Судя по приведенным выше результатам, независимо от того, какой метод сварки использовался, разрушение соединения сталь/алюминий в основном было вызвано хрупкими ИМК Fe2Al5, образующимися на границе раздела. Следовательно, необходимо металлургическое регулирование путем добавления промежуточного слоя между сталью и алюминием в качестве нового подхода к уменьшению или подавлению образования IMC Fe-Al. Большинство исследований было сосредоточено на этом методе сварки с добавлением прослойки при соединении стали с алюминием. Сонг и др. удалось соединить нержавеющую сталь AISI 321 и алюминий 5A06 с помощью сварки-пайки TIG с добавлением Si и обнаружил, что фаза Fe-Al превращается в фазы τ5-Al7.2Fe1.8Si и θ-Fe (Al, Si)3. , что положительно сказалось на механических свойствах соединения. Чен и др. продемонстрировали, что фаза Al0,9Ni1,1 образовывалась в соединениях по сравнению с фазой без добавок, что могло улучшить металлургическую реакцию на границе раздела и повысить ударную вязкость соединения. Ян и др. сваривали алюминий и низкоуглеродистую сталь с цинковым покрытием с помощью холодной переносной сварки металла и сообщили, что хрупкая фаза AlxFey подавлялась из-за присутствия остаточного Zn на стальной стороне. Однако систематических исследований по выбору промежуточного элемента с использованием расчетов термодинамических свойств и собственных механических свойств не проводилось.
В этой статье легирующий элемент был определен как Ti путем сравнения стандартных молярных энтальпий образования различных бинарных систем, состоящих из альтернативных элементов, а также Fe и Al. Возможные фазы и их пластичность/хрупкость после добавления элемента Ti были предсказаны расчетами из первых принципов. Эксперименты по лазерной сварке двухфазной стали ДП590 с алюминиевым сплавом 6022 с добавлением титановой фольги проводились в конфигурации «сталь-алюминий» внахлест. Также было исследовано влияние титановой фольги на микроструктуру и свойства соединения сталь/алюминий. Со стороны стали и алюминия обнаружены пластичный Fe2Ti и малохрупкий TiAl3, толщина слоя ИМК на границе раздела была уменьшена. Улучшение механических свойств соответствует снижению хрупкости, прогнозируемому по результатам расчетов. Благодаря вышеуказанным исследованиям результаты проекта предоставят новую идею для разработки и применения сварных деталей конструкций из стали и алюминия.
