Resumen
Para resolver el problema del bajo rendimiento de las juntas causado por la frágil capa de compuesto en la interfaz aluminio/titanio, se han utilizado láseres de nanosegundos para tratar la superficie de las aleaciones de titanio mediante reticulación y tratamiento lineal, que cambia la micromorfología de la superficie. A continuación, se llevó a cabo la soldadura fuerte con láser de la aleación de aluminio 6061 y la aleación de titanio TC4.
El estudio demostró que la capacidad de extensión del metal de aportación mejora significativamente al disminuir la separación entre puntos. El tratamiento de texturizado de superficies con láser puede mejorar eficazmente la forma de la superficie de soldadura, y el tratamiento de red fue más eficaz que el tratamiento lineal.
El tratamiento de texturizado tiene un impacto menor en los tipos de compuestos interfaciales, que son compuestos frágiles de Ti-Al, afectando principalmente la dirección de crecimiento y la morfología de los compuestos en las fosas. Después del tratamiento de matriz de puntos, la carga de tracción de la unión soldada con láser de aluminio/titanio aumentó del 5% al 21%.
Las picaduras resultantes del tratamiento de texturizado bloquearon eficazmente la propagación de grietas, mientras que el tratamiento lineal tuvo un efecto insignificante sobre las propiedades de las juntas de aluminio y titanio.
El estudio destaca la necesidad de mejorar el efecto humectante de la soldadura fundida, garantizando al mismo tiempo la humectación de metales diferentes y mejorando las propiedades mecánicas de las uniones. Este será el foco principal en la siguiente etapa de la investigación.
Prefacio
La estructura compuesta de aluminio/titanio tiene una alta resistencia específica, excelente resistencia a la corrosión, beneficios económicos y de ahorro de energía y facilidad de procesamiento. Como resultado, tiene un potencial significativo para su aplicación en una amplia gama de industrias, incluidas la aeroespacial, la construcción naval y la fabricación de automóviles.
Airbus, por ejemplo, emplea un marco de placa de titanio con nervaduras de aluminio para el riel guía del asiento y suelda láminas de aleación de aluminio a tubos de aleación de titanio para fabricar radiadores para la sala de máquinas. En el sector automovilístico, Alemania ha desarrollado un sistema de escape compuesto de aluminio y titanio que es un 40% más ligero que los sistemas de escape tradicionales de acero.
La estructura de diferentes materiales de aluminio/titanio cumple con las rigurosas demandas de la industria moderna en términos de conservación de energía, reducción de emisiones y retención del rendimiento. En consecuencia, la tecnología que conecta a ambos ha atraído mucha atención.
Sin embargo, las propiedades físicas y químicas de la aleación de aluminio y la aleación de titanio son bastante diferentes, lo que dificulta el control del espesor del compuesto frágil durante la soldadura, lo que plantea un desafío para una unión confiable entre los dos materiales. Esta limitación ha dificultado la aplicación de componentes compuestos de aleación de aluminio y aleación de titanio.
El rápido desarrollo de la tecnología de soldadura láser ha llevado a su uso generalizado en la industria moderna. La soldadura fuerte por fusión láser ha permitido un control preciso de la entrada de calor y una regulación efectiva de los compuestos de interfaz, lo que la convierte en una opción atractiva para conectar placas de aluminio y titanio.
Dado que las propiedades mecánicas de diferentes uniones metálicas entre aluminio y titanio y el efecto de humectación y extensión de las soldaduras están relacionados con compuestos de interfaz, los investigadores han realizado extensas investigaciones para mejorar estas propiedades agregando elementos de aleación y regulando la entrada de calor.
Por un lado, la humectabilidad del metal de soldadura influye significativamente en el rendimiento de la unión. Por ejemplo, Cui Qinglong descubrió que al ajustar los parámetros de soldadura al soldar aleación de titanio TC4 y aleación de aluminio 5A06, la humectabilidad óptima del metal de aportación puede mejorar significativamente la resistencia a la tracción de las juntas no metálicas de aluminio/titanio.
Por otro lado, el tipo, morfología y distribución de los compuestos interfaciales juegan un papel decisivo en las propiedades mecánicas de las uniones. Sin embargo, controlar la estructura de la interfaz utilizando métodos convencionales puede resultar muy complicado.
En este estudio, se utilizó el texturizado de superficies con láser para tratar placas de titanio. Al mejorar la humectabilidad del metal de aportación sobre la superficie de titanio y regular la morfología y distribución de la capa de reacción de la interfaz, se mejoró la calidad de unión de metales diferentes de aluminio/titanio, lo que dio como resultado uniones con buenas propiedades mecánicas.
El estudio reveló la influencia del texturizado por láser en la forma de la soldadura, las propiedades mecánicas y la microestructura de la interfaz de soldadura fuerte por fusión láser de aluminio/titanio.
1. Materiales y métodos de prueba.
Las probetas están compuestas por placas hechas de aleación de titanio TC4 y aleación de aluminio 6061, ambas de 100 mm x 50 mm x 1,5 mm.
La aleación de aluminio 6061 se lamina y su composición química se presenta en la Tabla 1, mientras que la composición de la aleación de titanio TC4 está disponible en la Tabla 2.
Para el alambre de relleno se elige alambre de soldadura de silicio aluminio ER4043 (AlSi5) con un diámetro de 1,2 mm. Ver Tabla 3 para su composición química.
Tabla 1 Composiciones químicas de 6061 (% en peso)
| Alabama | Tú | mg | Sí | Fe | Culo |
| Movimiento rápido del ojo. | 0,15 | 0,80-1,20 | 0,40-0,80 | 0,70 | 0,15-0,40 |
Tabla 2 Composiciones químicas de TC4 (% en peso)
| Tú | Alabama | V | Fe | W. | norte | h | oh |
| Movimiento rápido del ojo. | 5,50-6,80 | 3,50-4,50 | 0:30 | 0,10 | 0,05 | 0,01 | 0,20 |
Tabla 3 Composiciones químicas de ER4043 (% en peso)
| Alabama | Sí | Fe | Culo | Tú | zinc | mg | Minnesota |
| Movimiento rápido del ojo. | 5:00 | 0,80 | 0:30 | 0,20 | 0,10 | 0,05 | 0,05 |
Antes de soldar, utilice un método de limpieza químico para eliminar la película de óxido en la superficie de la placa de aluminio. Utilice una solución acuosa de NaOH del 6 % al 10 % a entre 40 °C y 60 °C durante aproximadamente 7 minutos para una limpieza alcalina.
Luego, sumerja la muestra en HNO3 al 30% durante aproximadamente 3 minutos para neutralizarla y someterla a un tratamiento fotoquímico, eliminando cualquier ceniza gris o negra que cuelgue en la superficie. Para limpiar la placa de titanio, utilice una solución HCl-HF (3:1).
Para la prueba de soldadura, utilice el láser de fibra IPG YLS-6000; la plataforma de prueba se muestra en la Figura 1a. Según investigaciones anteriores, los parámetros de prueba se establecen de la siguiente manera: potencia del láser 2000 W, cantidad de desenfoque +20 mm, velocidad de soldadura 0,5 m/min, velocidad de alimentación del alambre 5 m/min y caudal de gas protector (99,9% aire) de 10 L/min.
La Figura 1b ilustra el proceso de soldadura láser de aluminio/titanio utilizando el método de emisión de luz continua.
El metal base se cubrió con una placa de titanio en la parte superior y una placa de aluminio en la parte inferior, con un ancho de lapeado de 5 mm.
Se trataron dos grupos de materiales a base de aleación de titanio con un láser de baja potencia, sometiéndose un grupo a texturizado matricial y el otro a texturizado lineal.
Para el texturizado matricial se varió el espaciado entre puntos con valores de 0,8 mm, 1,0 mm y 1,2 mm. Por otro lado, para el texturizado lineal se varió el espaciamiento lineal con valores de 0,2 mm, 0,4 mm y 0,6 mm. La dirección de procesamiento lineal era paralela a la dirección de soldadura.
Fig.1 Equipo de soldadura por láser y esquema de Al/Ti
Después del tratamiento, se forman surcos y depresiones regulares en la superficie de la placa de titanio, como se muestra en la Fig. 2. La Fig. 3 ilustra la morfología tridimensional de los surcos y surcos observados bajo el microscopio de campo ultraprofundo. 、
Como se muestra en la Figura 3, el número de cavidades y ranuras generadas por unidad de área varía bajo diferentes espacios entre puntos y líneas. Sin embargo, la profundidad y el diámetro (ancho) de las picaduras y ranuras permanecen constantes. Esto indica que cuanto menor sea el espaciado, mayor será el aumento en el área de superficie de la placa de titanio.
Fig.2 Texturizado de superficie con láser de aleación de titanio.
Fig.3 Morfología 3D de aleación de titanio con textura de superficie láser
Después de soldar, córtelo perpendicular a la soldadura y procéselo hasta obtener una muestra de tracción de 50 mm x 10 mm para probar las propiedades mecánicas de la junta.
Para garantizar resultados precisos de la prueba, se deben agregar cuñas en ambos extremos de las placas de aluminio y titanio durante la prueba para evitar torsión o deflexión durante el proceso de extracción.
Las muestras metalográficas deben pulirse y caracterizarse la microestructura de soldadura mediante un microscopio óptico (OM), un microscopio electrónico de barrido (SEM) y un espectrómetro de dispersión de energía (EDS).
2. Resultados y análisis de las pruebas.
2.1 Efecto de diferentes métodos de texturizado sobre la formación de soldadura
La rugosidad del sustrato de aleación de titanio aumenta con un menor espacio entre redes en el texturizado por láser. Esto, a su vez, aumenta la capilaridad, lo que promueve la propagación directa del metal de soldadura.
La Figura 4 ilustra la morfología macroscópica de la soldadura fuerte por láser de aluminio/titanio bajo diferentes espacios de rejilla. Existe una diferencia significativa en la formación de soldadura entre diferentes grupos experimentales.
Sin texturizar, el metal de aportación para soldadura fuerte no se extiende bien, lo que da como resultado una mala formación de soldadura. El metal de soldadura no se humedece durante la solidificación, lo que forma un gran ángulo de humectación y un efecto de dispersión débil.
Sin embargo, después del tratamiento de texturización, la formación de la soldadura mejora significativamente, lo que da como resultado un buen efecto de humectación y extensión, lo que conduce a una formación de soldadura continua y estable.
La Figura 4e muestra los resultados estadísticos del ángulo de humectación y el ancho de dispersión del metal de aportación bajo diferentes espacios de red. A medida que disminuye el espacio entre puntos, el ángulo de humectación disminuye gradualmente y mejora el efecto de dispersión del metal de soldadura.
El efecto de mejora es más significativo con un espacio entre puntos más pequeño. Esto se debe principalmente al efecto capilar de la red, que promueve la dispersión de la soldadura fundida, lo que resulta en una mejor formación de la soldadura.
Fig.4 Aspectos de la soldadura de la unión Al/Ti producida en diferentes espaciamientos de puntos
La Figura 5 muestra la macromorfología de la soldadura fuerte por láser de aluminio/titanio en diferentes intervalos lineales.
Los valores correspondientes para el ángulo de humectación de la soldadura y el ancho de extensión de la soldadura en diferentes espacios en línea recta se presentan en la Figura 5e.
A medida que disminuye el espacio entre líneas rectas, el ángulo de humectación permanece relativamente sin cambios, mientras que la capacidad de extensión de la soldadura aumenta ligeramente. Sin embargo, el efecto de mejorar la capacidad de dispersión de la soldadura es más débil que el del procesamiento en red.
Esto implica que la barrera energética creada por la ranura tratada con líneas rectas es mayor que la del procesamiento en red. Como resultado, dificulta el movimiento del metal de soldadura fundido. Además, el borde de la ranura ejerce un efecto de apriete sobre la línea trifásica, impidiendo así una mayor dispersión del metal fundido.
Fig.5 Aspecto de la soldadura de unión Al/Ti producida bajo diferentes espaciamientos lineales
2.2 Efecto de diferentes métodos de texturizado sobre las propiedades de tracción.
Los resultados de las pruebas de las propiedades de tracción de las uniones bajo diferentes modos de texturizado se presentan en la Fig. 6, todas las cuales fallan en la interfaz.
La carga de tracción de la junta sin tratamiento texturizado fue de 2345N.
El tratamiento con matriz mejoró el rendimiento de la junta entre un 5% y un 21%, mientras que el tratamiento lineal no afectó el rendimiento de la junta de aluminio/titanio.
El análisis revela que el tratamiento con matriz de puntos dio como resultado un ángulo de contacto de la junta soldada más bajo, un mayor ancho de soldadura y un mayor efecto de mordida mecánica, lo que condujo a una mejora significativa en la resistencia a la tracción de la muestra tratada con matriz de puntos.
Sin embargo, el tratamiento lineal hizo más difícil esparcir el metal de aportación fundido, dando como resultado una diferencia insignificante en el efecto de dispersión y las propiedades de tracción.
Fig.6 Resultados de la prueba de tracción de juntas
2.3 Efecto de diferentes métodos de texturizado en la estructura de la interfaz
Las características microestructurales de la interfaz de la unión soldada por fusión después del tratamiento de texturizado matricial se muestran en la Fig.
La microestructura de las uniones después del tratamiento con matriz de puntos es similar a la de las uniones no tratadas, ya que el tratamiento con puntos es mínimo y la mayor parte de la morfología de la sección transversal no muestra puntos de tratamiento con puntos.
Según la investigación bibliográfica, la capa compuesta de interfaz generada en la interfaz después del tratamiento de texturizado ya no tiene una distribución suave en las cavidades y ranuras. En cambio, se distribuye en forma de zigzag a lo largo de la interfaz.
Este patrón aumenta el área de conexión de la interfaz efectiva al tiempo que mejora el mosaicismo mecánico, lo que conduce a mejores propiedades mecánicas de la unión.
Sin embargo, debido al gran gradiente de temperatura causado por el calentamiento local del láser, las microestructuras del borde de soldadura by la zona de irradiación intermedia c son diferentes.
La figura 7d ilustra que el espesor de la capa de reacción en el área de la punta de soldadura es delgado y los resultados del escaneo lineal muestran un enriquecimiento del elemento Si, que se puede especular que es la fase TiAlSi.
Por otro lado, el espesor de la capa de reacción en la zona de irradiación media es de aproximadamente 30 μm, y los resultados del escaneo indican que es una fase de TiAl frágil con 55,69% Al, 44,22% Ti y 0,08% Mg.
Fig.7 Microestructura de interfaz de la unión Al/Ti con texturizado matricial
Las características de la estructura de la interfaz de uniones soldadas por fusión con tratamiento lineal se muestran en la Fig.
Cuando el láser actúa sobre la articulación, el metal de aportación se funde y rellena los surcos de la placa de titanio por acción capilar y su propia fluidez.
Se encontró que los compuestos se formaron en los pocillos tratados en línea recta cerca de la punta de soldadura en la zona by la zona de irradiación láser e. La dirección de su crecimiento era inconsistente con la dirección de la matriz (ver Fig. 8c), lo que podría desempeñar un papel en la inhibición del crecimiento de grietas.
El tejido de la zona irradiada directamente por el láser es más grueso.
Los resultados del espectro de energía indican que el punto b contiene 60,93% Al, 38,73% Ti y 0,33% Mg, mientras que el punto e contiene 4,16% Al, 25,19% Ti y 0,65% Mg.
Se infiere que el compuesto intermetálico frágil es la fase TiAl3, y el compuesto frágil interfacial continuo puede ser la fuente de falla de la interfaz.
Fig.8 Microestructura de la interfaz de unión Al/Ti con procesamiento de texturizado lineal
Después de analizar los resultados de la observación de la microestructura anterior, es evidente que la matriz de puntos y la textura lineal tienen un efecto mínimo en la morfología de la interfaz. Además, la interfaz genera productos de reacción continuos.
Debido a la alta fragilidad del compuesto de interfaz, una interfaz sin tratar puede convertirse en una fuente de agrietamiento. Estas grietas pueden continuar expandiéndose hacia la capa plana y quebradiza del compuesto y, en última instancia, provocar la fractura de la junta.
Aunque la capa del compuesto de interfaz también producirá grietas después de texturizar, el metal base y el compuesto de interfaz serán dentados. Como resultado, cuando las microfisuras se extienden hasta el borde dentado, se bloquearán, inhibiendo una mayor expansión de la grieta y previniendo la fractura frágil de la junta.
En resumen, la formación de la interfaz dentada del texturizado por láser reduce las posibilidades de propagación de grietas a gran escala en la capa compuesta frágil, mejorando así las propiedades mecánicas de la junta.
En la Figura 9 se muestra la morfología SEM de la superficie de fractura de aluminio/titanio bajo tratamiento de matriz de puntos.
Se puede ver que parte del metal de soldadura en la fractura, especialmente las abolladuras después del tratamiento de texturizado, se adhirió al sustrato de titanio durante el estiramiento, lo que resultó en "protuberancias" regulares en la superficie, como se muestra en la Figura 9a. Esto indica que el tratamiento de celosía mejoró efectivamente la adhesión de la junta.
El análisis del espectro de potencia identificó que la adhesión del cráter es el metal de soldadura formado después de la fusión de la soldadura (#1: contenido de Al 98,39 %, contenido de Ti 0,46 %, contenido de Mg 1,15 %). Además, el pozo del sustrato de titanio está rodeado por compuestos de Ti-Al (#2: 38,56 % Al, 60,32 % Ti, 1,12 % Mg), como se muestra en la Figura 9d.
Estos hallazgos indican que cuando ocurre una fractura, la grieta de la interfaz no pasa a través de la interfaz del pozo sino que corta el metal de soldadura en el pozo. Esto sugiere que la fosa bloquea eficazmente el crecimiento de grietas y mejora el rendimiento de las juntas.
Estos resultados proporcionan información valiosa para futuras investigaciones.
Fig.9 Morfología de la superficie de fractura articular con textura puntual.
La Figura 10 muestra la morfología SEM de la superficie de fractura de aluminio/titanio después del tratamiento lineal.
Como se ve en las Figuras 10b y 10d, después del tratamiento de texturizado lineal, algo de metal de soldadura permanece en el sustrato de titanio en la superficie de fractura de la junta.
El análisis del espectro de energía revela que el metal en el pozo es metal de aportación (#1: contenido de Al 69,19%, contenido de Ti 1,68%, contenido de Mg 0,94%, contenido de Si 21,52%), que está rodeado por productos de reacción Ti-Al ( #2: contenido de Al 33,28%, contenido de Ti 55,18%, contenido de Mg 1,81%).
Por lo tanto, los surcos creados por el tratamiento lineal juegan un papel crucial en la prevención de la propagación de grietas en la interfaz.
Sin embargo, las propiedades mecánicas de la unión no mejoraron significativamente debido a la limitada humectación y dispersión de la soldadura fundida.
Fig.10 Morfología de la superficie de fractura de la articulación con texturizado lineal.
En resumen, diferentes métodos de texturizado pueden tener efectos variables sobre la humectabilidad del metal de soldadura, las propiedades mecánicas y la microestructura de la junta.
Después de someterse a un tratamiento de texturizado de matriz, el metal de aportación puede fluir hacia las ranuras y ranuras durante la soldadura. Esto se debe al efecto capilar, que facilita la propagación del metal de aportación sobre la superficie del titanio, dando como resultado mejores propiedades mecánicas.
Por otro lado, el tratamiento de texturizado lineal no tiene ningún efecto significativo sobre la dispersión de la soldadura. Las ranuras paralelas a la soldadura generan una barrera de energía que evita una mayor propagación de la soldadura fundida.
Sin embargo, ambos métodos de texturizado pueden aumentar el área de conexión de la interfaz y el compuesto de la interfaz se volverá dentado, lo que puede inhibir la propagación de grietas a gran escala.
Cabe señalar que el tratamiento de texturizado lineal no tiene un efecto significativo en la mejora del área de dispersión del metal de aportación ni de las propiedades mecánicas.
3. Conclusión
(1) El texturizado de superficies con láser puede mejorar significativamente la formación de superficies de soldadura.
Después del tratamiento con matriz de puntos, el ángulo de humectación disminuyó de 98° a un mínimo de 62°. La humectabilidad mejorada de la soldadura, debido a la capilaridad, dio como resultado una disminución en el ángulo de humectación del metal de soldadura y un aumento en el ancho de extensión de la soldadura.
El tratamiento con matriz de puntos es más efectivo que el tratamiento de texturizado lineal para aumentar la humectabilidad de la soldadura, y la mejora es más significativa con un espaciado de puntos más pequeño.
(2) El tratamiento de texturizado con matriz puede mejorar significativamente las propiedades de tracción de la junta, aumentando la carga de tracción en un 21% en comparación con una junta no tratada.
El tratamiento de texturizado matricial mejora la humectabilidad de la soldadura y aumenta el área efectiva de la unión, mientras que los agujeros formados en la red bloquean la propagación de grietas.
Aunque el tratamiento de texturizado lineal también puede prevenir el agrietamiento, no mejora significativamente la humectabilidad y propagación de las juntas, lo que no produce una mejora significativa en el rendimiento de las juntas.
(3) Los tratamientos de texturizado tienen poco efecto sobre el tipo de interfaz intermetálica, que son todos compuestos frágiles de Ti-Al. Los intermetálicos frágiles y continuos en la interfaz forman una fuente de grietas.
Sin embargo, el tratamiento de texturizado aumenta el área de conexión efectiva de la interfaz y cambia la morfología del compuesto de la interfaz. La orientación de crecimiento del compuesto formado mediante tratamiento de texturización es diferente de la del compuesto continuo sin tratamiento de sustrato. La capa compuesta cambia de una distribución recta a una distribución en zigzag, lo que inhibe la expansión de la grieta, reduciendo la posibilidad de crecimiento de grietas a gran escala en la interfaz compuesta.
(4) La siguiente investigación se centra en cómo mejorar aún más el efecto humectante de la soldadura fundida, bajo la premisa del texturizado, para mejorar las propiedades mecánicas de las uniones y asegurar la humectación de metales diferentes.
