Lors de l'assemblage de l'acier et de l'aluminium, la réaction entre les atomes de fer (Fe) et d'aluminium (Al) forme des composés intermétalliques (CIM) fragiles. La présence de ces CIM limite la résistance mécanique de l'assemblage ; il est donc nécessaire de contrôler leur quantité. La formation des CIM est due à la faible solubilité du fer dans l'aluminium. Un excès de fer peut affecter les propriétés mécaniques de la soudure. Les CIM possèdent des propriétés spécifiques telles que la dureté, une ductilité et une ténacité limitées, ainsi que des caractéristiques morphologiques particulières. Des études ont montré que, parmi les CIM, la couche Fe₂Al₅ est généralement considérée comme la plus fragile (11,8).± La phase IMC (composé intermétallique) Fe₂Al₅ (1,8 GPa) est la principale cause de la diminution des propriétés mécaniques due à la rupture du soudage. Cet article étudie le procédé de soudage laser à distance de l'acier IF et de l'aluminium 1050 à l'aide d'un laser à mode annulaire ajustable, et analyse en détail l'influence de la forme du faisceau laser sur la formation des composés intermétalliques et les propriétés mécaniques. En ajustant le rapport de puissance cœur/anneau, il a été constaté qu'en mode conduction, un rapport de 0,2 permet d'obtenir une meilleure surface de liaison à l'interface de soudure et de réduire significativement l'épaisseur de la phase IMC Fe₂Al₅, améliorant ainsi la résistance au cisaillement de l'assemblage.
Cet article présente l'influence du mode annulaire ajustable du laser sur la formation de composés intermétalliques et les propriétés mécaniques lors du soudage laser à distance de l'acier IF et de l'aluminium 1050. Les résultats indiquent qu'en mode conduction, un rapport puissance cœur/anneau de 0,2 permet d'obtenir une surface de liaison plus importante à l'interface de soudure, ce qui se traduit par une résistance au cisaillement maximale de 97,6 N/mm² (rendement de joint de 71 %). De plus, comparé aux faisceaux gaussiens avec un rapport de puissance supérieur à 1, ce mode réduit significativement l'épaisseur du composé intermétallique Fe₂Al₅ de 62 % et l'épaisseur totale des composés intermétalliques de 40 %. En mode perforation, des fissures et une résistance au cisaillement inférieure ont été observées par rapport au mode conduction. Il est à noter qu'un affinement significatif du grain a été observé dans le cordon de soudure lorsque le rapport puissance cœur/anneau était de 0,5.
Lorsque r=0, seule la puissance de boucle est générée, tandis que lorsque r=1, seule la puissance du noyau est générée.
Schéma du rapport de puissance r entre un faisceau gaussien et un faisceau annulaire
(a) Dispositif de soudage ; (b) Profondeur et largeur du profil de soudure ; (c) Schéma illustrant les paramètres de l’échantillon et du dispositif de fixation
Essai MC : Seul le faisceau gaussien présente initialement un mode de conduction superficielle (ID 1 et 2), puis une transition vers un mode de pénétration partielle (ID 3 à 5), avec apparition de fissures apparentes. Lorsque la puissance de l’anneau passe de 0 à 1 000 W, aucune fissure n’est visible à l’ID 7 et la profondeur de l’enrichissement en fer reste relativement faible. À 2 000 et 2 500 W (ID 9 et 10), la profondeur de la zone riche en fer augmente. Une fissuration excessive est observée à 2 500 W (ID 10).
Test MR : Lorsque la puissance du noyau est comprise entre 500 et 1 000 W (ID 11 et 12), le cordon de soudure est en mode de conduction. En comparant les ID 12 et 7, bien que la puissance totale soit identique (6 000 W), l’ID 7 présente un mode de verrouillage. Ceci est dû à la diminution significative de la densité de puissance à l’ID 12, causée par la caractéristique de boucle dominante (r = 0,2). Lorsque la puissance totale atteint 7 500 W (ID 15), le mode de pénétration complète est atteint et, comparé aux 6 000 W utilisés dans l’ID 7, la puissance en mode de pénétration complète est nettement supérieure.
Test de circuit intégré : le mode de conduction (ID 16 et 17) a été obtenu avec une puissance de noyau de 1 500 W et une puissance d’anneau de 3 000 W et 3 500 W. Lorsque la puissance de noyau est de 3 000 W et la puissance d’anneau comprise entre 1 500 W et 2 500 W (ID 19 et 20), des fissures importantes apparaissent à l’interface entre les zones riches en fer et en aluminium, formant un réseau de micro-perforations localisées. Lorsque la puissance d’anneau est de 3 000 W et 3 500 W (ID 21 et 22), le mode de perforation totale est atteint.
Images représentatives en coupe de chaque identification de soudure au microscope optique
Figure 4. (a) Relation entre la résistance à la traction (UTS) et le rapport de puissance lors des essais de soudage ; (b) Puissance totale de tous les essais de soudage
Figure 5. (a) Relation entre le rapport d'aspect et la résistance à la traction ; (b) Relation entre l'allongement, la profondeur de pénétration et la résistance à la traction ; (c) Densité de puissance pour tous les essais de soudage
Figure 6. (ac) Carte des contours d'indentation de microdureté Vickers ; (df) Spectres chimiques MEB-EDS correspondants pour un soudage en mode conduction représentatif ; (g) Schéma de l'interface entre l'acier et l'aluminium ; (h) Épaisseur de Fe₂Al₅ et épaisseur totale des composés intermétalliques des soudures en mode conduction.
Figure 7. (ac) Carte des contours de microdureté Vickers ; (df) Spectre chimique MEB-EDS correspondant pour un soudage par perforation à pénétration locale représentatif
Figure 8. (ac) Carte des contours de microdureté Vickers ; (df) Spectre chimique MEB-EDS correspondant pour un soudage par perforation à pleine pénétration représentatif
Figure 9. Le diagramme EBSD montre la taille des grains de la zone riche en fer (plaque supérieure) lors de l'essai de perforation en mode de pénétration complète et quantifie la distribution granulométrique.
Figure 10. Spectres MEB-EDS de l'interface entre le fer riche et l'aluminium riche
Cette étude a examiné les effets du laser ARM sur la formation, la microstructure et les propriétés mécaniques de la phase intermétallique (IMC) dans des joints soudés par recouvrement dissemblables acier IF-alliage d'aluminium 1050. Trois modes de soudage ont été considérés (conduction, pénétration locale et pénétration complète) et trois formes de faisceau laser (gaussien, annulaire et gaussien-annulaire). Les résultats indiquent que le choix du rapport de puissance approprié entre le faisceau gaussien et le faisceau annulaire est un paramètre clé pour contrôler la formation et la microstructure de la phase intermétallique, et ainsi optimiser les propriétés mécaniques de la soudure. En mode conduction, un faisceau circulaire avec un rapport de puissance de 0,2 offre la meilleure résistance de soudage (71 % d'efficacité). En mode perforation, le faisceau gaussien produit une plus grande profondeur de soudage et un rapport d'aspect plus élevé, mais l'intensité de soudage est considérablement réduite. Le faisceau annulaire avec un rapport de puissance de 0,5 a un impact significatif sur l'affinage du grain latéral de l'acier dans le cordon de soudure. Ceci est dû à la température maximale plus basse du faisceau annulaire, qui induit une vitesse de refroidissement plus rapide, et à l'effet de restriction de croissance induit par la migration du soluté d'aluminium vers la partie supérieure du cordon de soudure sur la structure granulaire. Il existe une forte corrélation entre la microdureté Vickers et la prédiction du pourcentage volumique de phase par Thermo Calc. Plus le pourcentage volumique de Fe₄Al₁₃ est élevé, plus la microdureté est importante.
Date de publication : 25 janvier 2024
