Поширені дефекти лазерного зварювання алюмінієвих сплавів

Поширені дефекти вЛазерне зварювання алюмінієвих сплавів

Чи то лазерне автогенне зварювання, чилазерно-дугове гібридне зварюваннявикористовується для алюмінієвих сплавів, існують деякі поширені технічні проблеми, тобто дефекти можуть виникати, якщо параметри процесу та умови зварювання є металургійниминеналежне.Всі дефекти в з'єднаннях алюмінієвих сплавів переважно включають два типи: пористість шва та гарячі тріщини зварювання. Окрім пористості та гарячих тріщин, при лазерному зварюванні алюмінієвих сплавів також існують такі дефекти, як підрізання та погане формування тильної сторони. Порівняно з пористістю шва, ймовірність появи тріщин зварювання (видимих ​​неозброєним оком або під малим збільшенням) невисока. Однак, оскільки тріщини є більш небезпечними, JIS Z 3105 передбачає, що після виявлення тріщини у зварному шві, зварний шов слід оцінювати як такий, що має IV клас. Підрізання, погане формування тильної сторони та інші дефекти здебільшого є серйозними дефектами, спричиненими неправильним контролем швидкості або невідповідними параметрами процесу. Такі дефекти зазвичай з'являються на стадії дослідження та налагодження процесу та рідко трапляються під час звичайних фактичних виробничих операцій. Тому пористість є типом дефекту, який є більш шкідливим при лазерному зварюванні алюмінієвих сплавів та під час експлуатації зварних конструкцій, і його важко принципово усунути.

1. Пористість

Пористість є найпоширенішим і основним дефектом об'єму влазерне зварювання алюмінієвих сплавів, розміри яких коливаються від сотень мікронів до кількох міліметрів. Механізм його утворення ще не повністю з'ясований. Пористість не тільки послаблює ефективну робочу ділянку зварного шва, але й викликає концентрацію напружень, знижуючи динамічну міцність та втомні характеристики зварного з'єднання.

Коли алюмінієвий сплав плавиться у середовищі, що містить водень, його внутрішній вміст водню може сягати понад 0,69 мл/100 г, але після затвердіння сплаву його розчинність водню в рівноважному стані становить максимум 0,036 мл/100 г. Загальновизнано, що під час процесу охолодження лазерного зварювання розчинність водню різко падає, а осадження перенасиченого водню утворює водневу пористість. Випаровування легуючих елементів з низькою температурою плавлення та високим тиском пари також може призвести до пористості, яка називається металургійною пористістю. Крім того, порушення лазерного променя та нестабільність замкової щілини також можуть утворювати пористість, але така пористість має неправильну форму і може називатися пористістю, викликаною процесом. Через високу хімічну активність алюмінієвих сплавів на поверхні легко утворюється оксидна плівка. Під час зварювання кристалічна вода та зв'язана вода, що розкладаються з оксидної плівки на поверхні алюмінієвого сплаву, разом з вологою повітря та захисного газу безпосередньо розкладаються з утворенням водню у високотемпературній зоні під дією лазера. Ці газоподібні водні можуть або осідати під час охолодження та затвердіння розплавленої ванни, утворюючи бульбашки, або безпосередньо генерувати бульбашки на неповністю розплавленій оксидній плівці. Через низьку питому вагу алюмінієвих сплавів швидкість підйому бульбашок у розплавленій ванні повільна. Крім того, алюмінієві сплави мають сильну теплопровідність, а швидкість охолодження та затвердіння розплавленої ванни надзвичайно висока. Деякі бульбашки не можуть вчасно вийти та залишаються у зварному шві, утворюючи таким чином металургійну пористість. Дослідження показали, що основним газом у пористості зварних швів алюмінієвих сплавів є водень, тому пористість у зварних швах алюмінієвих сплавів іноді називають водневою пористістю. При спостереженні за руйнуванням пористості під скануючим електронним мікроскопом пористість здебільшого має сферичну морфологію з щільно розташованими дендритними кінцями дендритних кристалів, а внутрішня стінка гладка, чиста та без слідів окислення. Існування пористості не тільки знижує компактність зварного шва та несучу здатність з'єднання, але й різною мірою знижує міцність та пластичність з'єднання.

2. Гарячі тріщини

Гарячі тріщини (включаючи тріщини затвердіння та лікваційні тріщини) утворюються під час процесу затвердіння розплавленого металу ванни та є одним із поширених типів дефектів при лазерному зварюванні алюмінієвих сплавів. Найбільш очевидною рисою морфології руйнування тріщин затвердіння є те, що поверхня руйнування складається з великої площі гладких, але нерівних зернистих структур, подібних до бруківки або картоплі, і поверхня часто зберігає міжзернисті евтектики з низькою температурою плавлення або складки рідкої плівки, а також сліди крихкого руйнування дендритів. Морфологія руйнування лікваційних тріщин подібна до тріщин затвердіння, але має характеристики високотемпературного міжзеренного руйнування або руйнування затвердіння. При втомному руйнуванні зварних плавленням з'єднань під навантаженням від втоми також поширені джерела втомних тріщин, спричинені такими гарячими тріщинами. Причини гарячих тріщин при лазерному зварюванні алюмінієвих сплавів головним чином пов'язані з їхніми власними характеристиками та процесами зварювання. Алюмінієві сплави мають великий коефіцієнт усадки під час затвердіння (до 5%), що призводить до великих зварювальних напружень та деформацій; Крім того, під час затвердіння зварного металу вздовж меж зерен утворюються евтектичні структури з низькою температурою плавлення, що послаблює силу зчеплення між межами зерен, утворюючи таким чином гарячі тріщини під дією розтягувальних напружень. Крім того, морфологію тріщин при лазерному зварюванні алюмінієвих сплавів можна узагальнити в такі категорії: тріщини в центрі зварного шва; тріщини на лінії сплавлення зварного шва; міжзернисті тріщини у зварних швах; лікваційні тріщини в зоні термічного впливу; тріщини, спричинені оксидними плівками; та міжзернисті мікротріщини.

Крім того, поганий захист під час зварювання призводить до реакції металу шва з газами в повітрі, а утворені включення також є потенційними джерелами тріщин. Тип і кількість легуючих елементів мають великий вплив на схильність до гарячих тріщин під час зварювання алюмінієвих сплавів. Як правило, алюмінієві сплави серії Al-Si та Al-Mn мають добру зварюваність і нелегко утворюють гарячі тріщини; тоді як алюмінієві сплави серії Al-Mg, Al-Cu та Al-Zn мають відносно високу схильність до гарячих тріщин. Схильність до гарячих тріщин можна зменшити, регулюючи параметри процесу зварювання для контролю швидкості нагрівання та охолодження. Загалом кажучи, схильність до гарячих тріщин при лазерно-дуговому гібридному зварюванні краща, ніж при лазерному зварюванні присадним дротом, а схильність до гарячих тріщин при лазерному зварюванні присадним дротом краща, ніж при лазерному автогенному зварюванні.

3. Підрізання та пропалювання

Алюмінієві сплави мають низьку енергію іонізації, а фотоіндукована плазма схильна до перегріву та розширення під час зварювання, що призводить до нестабільних процесів зварювання. Крім того, рідкі алюмінієві сплави мають добру текучість та низький поверхневий натяг. Для покращення проникнення часто потрібна більша швидкість потоку захисного газу та вихідна потужність лазера, що погіршує стабільність процесу зварювання, змушуючи розплавлену ванну сильно коливатися під тиском та легко призводячи до дефектів, таких як підрізи та прогари. Формовуваність зворотного боку лазерно зварених пластин з алюмінієвого сплаву можна ефективно покращити, встановивши на зворотний бік зварного шва мідну пластину з водяним охолодженням.

4. Включення шлаку

Ще одним типом дефекту, який часто виникає під час зварювання кузовів автомобілів, є включення шлаку зварювання. Дослідження показали, що включення шлаку переважно походять від оксидів на поверхні зварних деталей та зварювальних дротів, а також від нестабільних процесів локалізації матеріалів з алюмінієвих сплавів. Тому виробники матеріалів з алюмінієвих сплавів повинні посилювати технологічні інновації та вдосконалювати процеси лиття, щоб мінімізувати вміст домішок та водню в сировині та підвищити стабільність якості продукції.