Laser joining of aluminum to steel aiming at eco-efficient applications

Abstract

The great global concern about issues related to climate change is undeniable, one of the main causes of global warming being the emission of greenhouse gases. In the scenario of the transport industry sector, weight reduction is considered an efficient way to reduce the energy demand of vehicles and, consequently, to reduce greenhouse gas emissions. Therefore, interest arises in the use of structural components made of alloys that have high specific strength. The interest in optimizing the use of these materials in manufacturing processes brings with it the need to join dissimilar materials, guaranteeing their structural integrity. Laser welding stands out among welding processes for providing high energy density and moderate heat input, generating joints with reduced thermally affected areas and low levels of distortion, as well as high processing speeds, resulting in high productivity when compared to processes. conventional welding. The high energy concentration of a laser beam provides sufficient heat to perform welding, while providing control of the growth of intermetallic compounds at the interface of the junction of dissimilar materials. The present doctoral thesis aims to obtain dissimilar laser welds with good metallurgical and mechanical properties, aiming to reduce the weight of metallic structures used in the transport industry. To achieve this objective, the optimization of the experimental conditions was sought The evaluation of the welded joints was carried out through microstructural characterization and mechanical tests. For the materials used, ranges of combined parameter values were defined, obtaining satisfactory joints and avoiding excessive welding imperfections, with a homogeneous intermetallic layer 3 ± 1 µm thick. Tensile tests revealed that the dissimilar joints showed maximum tensile strength values as high as 169 MPa. The hardness and modulus of elasticity of the intermetallic layer evaluated by nanoindentation hardness tests were 11.2 ± 0.7 GPa and 257 ± 24 GPa, respectively. The intermetallic layer was composed of Fe2Al5, Fe4Al13 and Fe4Al17.5Si1.5. These phases were detected using a multi-technique approach, based on electron diffraction-based microscopy techniques.

A gran preocupación mundial por cuestións relacionadas co cambio climático é innegable, unha das principais causas do quecemento global é a emisión de gases de efecto invernadoiro. No escenario do sector da industria do transporte, a redución de peso considérase un xeito eficiente de reducir a demanda de enerxía dos vehículos e, en consecuencia, de reducir as emisións de gases de efecto invernadoiro. Polo tanto, xorde o interese no uso de compoñentes estruturais feitos de aliaxes que teñen unha elevada resistencia específica. O interese por optimizar o uso destes materiais nos procesos de fabricación trae consigo a necesidade de unir materiais diferentes, garantindo a súa integridade estrutural. A soldadura por láser destaca entre os procesos de soldadura por proporcionar alta densidade de enerxía e entrada de calor moderada, xerando xuntas con áreas afectadas térmicamente reducidas e baixos niveis de distorsión, así como altas velocidades de procesamento, o que resulta nunha alta produtividade en comparación cos procesos. A alta concentración de enerxía dun raio láser proporciona calor suficiente para realizar soldaduras, ao mesmo tempo que proporciona o control do crecemento de compostos intermetálicos na interface da unión de materiais diferentes. A presente tese doutoral ten como obxectivo obter soldaduras láser diferentes con boas propiedades metalúrxicas e mecánicas, co obxectivo de reducir o peso das estruturas metálicas empregadas na industria do transporte. Para acadar este obxectivo buscouse a optimización das condicións experimentais A avaliación das unións soldadas realizouse mediante caracterización microestrutural e probas mecánicas. Para os materiais empregados, definíronse os rangos de valores de parámetros combinados, obtendo xuntas satisfactorias e evitando imperfeccións de soldadura excesivas, cunha capa intermetálica homoxénea de 3 ± 1 µm de espesor. As probas de tracción revelaron que as xuntas diferentes mostraron valores máximos de resistencia á tracción de ata 169 MPa. A dureza e o módulo de elasticidade da capa intermetálica avaliados por probas de dureza de nanoindentación foron 11,2 ± 0,7 GPa e 257 ± 24 GPa, respectivamente. A capa intermetálica estaba composta por Fe2Al5, Fe4Al13 e Fe4Al17.5Si1.5. Estas fases detectáronse mediante un enfoque multi-técnica, baseado en técnicas de microscopía baseada na difracción electrónica.

Es innegable la gran preocupación mundial acerca de temas relacionados al cambio climático, siendo una de las principales causas del calentamiento global la emisión de gases de efecto invernadero. En el escenario del sector de la industria de transporte, la disminución de peso es considerada una forma eficiente de reducir la demanda energética de los vehículos y, consecuentemente, de atenuar las emisiones de gases de efecto invernadero. Por lo tanto, surge el interés en la utilización de componentes estructurales fabricados con aleaciones que presenten alta resistencia específica. El interés de optimizar la utilización de dichos materiales en los procesos de manufactura trae consigo la necesidad de unir materiales disimilares garantizando su integridad estructural. La soldadura láser se destaca entre los procesos de soldadura por proporcionar alta densidad de energía y moderado aporte térmico, generando uniones con reducidas zonas térmicamente afectadas y bajos niveles de distorsión, además de elevadas velocidades de procesamiento, resultando en alta productividad cuándo comparada con los procesos de soldadura convencionales. La alta concentración de energía de un haz láser provee calor suficiente para realizar la soldadura, mientras proporciona el control del crecimiento de los compuestos intermetálicos en la interfaz de la unión de materiales disimilares. La presente tesis doctoral tiene como objetivo obtener soldaduras disimilares mediante láser con buenas propiedades metalúrgicas y mecánicas, aspirando a la disminución del peso de estructuras metálicas utilizadas en la industria de transporte. Para alcanzar este objetivo, se buscó la optimización de las condiciones experimentales La evaluación de las juntas soldadas se realizó a través de caracterización microestructural y de ensayos mecánicos. Para los materiales utilizados, rangos de valores de parámetros combinados fueron definidos, obteniéndose juntas satisfactorias y se evitándose excesivas imperfecciones de soldadura, con una capa de intermetálicos homogénea de 3 ± 1 µm de espesor. Los ensayos de tracción revelaron que las juntas disimilares mostraron valores de resistencia máxima a la tracción tan altos como 169 MPa. La dureza y el módulo de elasticidad de la capa de intermetálicos evaluados mediante ensayos de dureza por nanoindentación fueron 11,2 ± 0,7 GPa y 257 ± 24 GPa, respectivamente. La capa de intermetálicos estaba compuesta por Fe2Al5, Fe4Al13 y Fe4Al17.5Si1.5. Estas fases se detectaron mediante un enfoque de múltiples técnicas, basado en técnicas de microscopía basadas en difracción de electrones.