Chociaż aluminium i jego stopy były używane do spawania wielu ważnych produktów, sama produkcja spawalnicza nie jest pozbawiona trudności. Główne problemy to: pory w spoinie, gorące pęknięcia spawalnicze i „równa wytrzymałość” połączeń. Ze względu na silną aktywność chemiczną aluminium i jego stopów, łatwo jest utworzyć warstwę tlenku na powierzchni, a większość z nich ma właściwości ogniotrwałe (na przykład temperatura topnienia Al2O3 wynosi 2050 stopni, a temperatura topnienia MgO wynosi 2500 stopni). Ponadto aluminium i jego stopy mają silne przewodnictwo cieplne. Łatwo jest spowodować zjawisko nietopienia się podczas spawania. Ponieważ gęstość warstwy tlenku jest bardzo zbliżona do gęstości aluminium, łatwo jest również stać się wtrąceniami w metalu spoiny. Jednocześnie warstwa tlenku (zwłaszcza warstwa tlenku z obecnością MgO, która nie jest bardzo gęsta) może wchłonąć więcej wilgoci i często staje się jedną z ważnych przyczyn porów spawalniczych.
Ponadto aluminium i jego stopy mają duży współczynnik rozszerzalności liniowej i silne przewodnictwo cieplne, a także są podatne na odkształcenia odkształcające podczas spawania. Są to również dość trudne problemy w produkcji spawalniczej. Poniżej przeprowadzono dogłębną analizę stosunkowo poważnych pęknięć generowanych podczas testu.
1. Pęknięcia i ich charakterystyka w spawanych połączeniach stopów aluminium
W procesie spawania stopów aluminium, ze względu na różne rodzaje, właściwości i struktury spawalnicze materiałów, w spawanych połączeniach mogą pojawić się różne pęknięcia, a kształt i charakterystyka rozmieszczenia pęknięć są bardzo złożone. W zależności od generowanych części można je podzielić na następujące dwa rodzaje pęknięć:
(1) Pęknięcia w metalu spoiny: pęknięcia podłużne, pęknięcia poprzeczne, pęknięcia kraterowe, pęknięcia włoskowate lub łukowe, pęknięcia korzeniowe i mikropęknięcia (szczególnie przy spawaniu wielowarstwowym).
(2) Pęknięcia w strefie wpływu ciepła: pęknięcia w miejscu spoiny, pęknięcia laminarne i mikroskopijne pęknięcia termiczne w pobliżu linii wtopienia. W zależności od zakresu temperatur powstawania pęknięć dzieli się je na pęknięcia gorące i pęknięcia zimne. Pęknięcia gorące powstają w wysokiej temperaturze podczas spawania, co jest spowodowane głównie segregacją pierwiastków stopowych na granicy ziaren lub obecnością substancji o niskiej temperaturze topnienia.
W zależności od materiału spawanego metalu, kształt, zakres temperatur i główne przyczyny występowania pęknięć na gorąco są również różne. Pęknięcia na gorąco można podzielić na trzy kategorie: pęknięcia krystalizacyjne, pęknięcia upłynniające i pęknięcia wielokątne. Pęknięcia krystalizacyjne powstają głównie w pęknięciach na gorąco. Podczas procesu krystalizacji spoiny, w pobliżu linii solidusu, z powodu kurczenia się zestalonego metalu, resztkowy ciekły metal nie może zostać wypełniony na czas.
Pęknięcia międzykrystaliczne powstają pod wpływem skurczu krzepnięcia lub siły zewnętrznej. Występują głównie w stalach węglowych, spoinach stali niskostopowych i niektórych stopach aluminium z większą ilością zanieczyszczeń. Pęknięcia spowodowane upłynnieniem powstają w strefie wpływu ciepła pod wpływem ciepła. Powstają pod wpływem skurczu podczas krzepnięcia granicy ziaren w wysokiej temperaturze.
Podczas testu stwierdzono, że gdy powierzchnia materiału wypełniającego nie została wystarczająco oczyszczona, w spoinie po spawaniu nadal znajdowało się wiele wtrąceń i niewielka ilość porów. W trzech zestawach testów, ponieważ materiał wypełniający spawanie jest strukturą odlewaną, a wtrącenia są substancjami o wysokiej temperaturze topnienia, nadal będą one występować w spoinie po spawaniu;
Ponadto struktura odlewu jest stosunkowo rzadka i zawiera wiele otworów, które łatwo wchłaniają składniki zawierające krystaliczną wodę i jakość oleju, które staną się czynnikami generującymi pory podczas procesu spawania. Gdy spoina jest poddawana naprężeniom rozciągającym, te wtrącenia i pory często stają się kluczowymi miejscami indukowania mikropęknięć.
Dalsze obserwacje mikroskopowe ujawniły, że istnieje wyraźna tendencja do przecinania się tych inkluzji i mikropęknięć wywołanych porami. Nadal jednak trudno jest ocenić, czy szkodliwy wpływ inkluzji objawia się głównie jako źródło koncentracji naprężeń wywołujące pęknięcia, czy też objawia się głównie jako faza krucha wywołująca pęknięcia.
Ponadto uważa się powszechnie, że pory w spoinach stopów aluminium i magnezu nie mają istotnego wpływu na wytrzymałość na rozciąganie metalu spoiny. Zapobiega to zjawisku pęknięć.
Pozostaje kwestią do dalszych badań, czy zjawisko mikropęknięć wywołanych porowatością jest jedynie zjawiskiem wtórnym, czy też jednym z głównych czynników powodujących znaczne obniżenie wytrzymałości spoin na rozciąganie.
2. Proces powstawania pęknięć na gorąco
Obecnie teoria Prochorowa jest uważana za bardziej kompletną w kraju i za granicą w zakresie teorii pęknięć na gorąco przy spawaniu. Ogólnie rzecz biorąc, teoria ta zakłada, że występowanie pęknięć krystalicznych zależy głównie od następujących trzech aspektów: rozmiaru kruchego zakresu temperatur; ciągliwości stopu w tym zakresie temperatur i szybkości odkształcania metalu w kruchym zakresie temperatur.
Zwykle wielkość zakresu temperatur kruchości i wartość ciągliwości w tym zakresie temperatur nazywa się współczynnikiem metalurgicznym powodującym pęknięcia spawalnicze na gorąco, a szybkość odkształcania metalu w zakresie temperatur kruchości nazywa się współczynnikiem mechanicznym.
Proces spawania jest syntezą szeregu niezrównoważonych procesów procesowych. Ta cecha jest zasadniczo związana z czynnikami metalurgicznymi i mechanicznymi pękania metalu spoiny. Na przykład produkty procesu spawania i procesu metalurgicznego są fizyczne i chemiczne. i strukturalna niejednorodność, żużel i wtrącenia, elementy gazowe i wakaty w stężeniach przesyconych itp.
Wszystkie te czynniki metalurgiczne są ściśle związane z inicjacją i rozwojem pęknięć. Z perspektywy czynników mechanicznych, określony gradient temperatury i szybkość chłodzenia cyklu termicznego spawania, w określonych warunkach ograniczeń, spoina będzie w stanie złożonego naprężenia i odkształcenia, zapewniając w ten sposób niezbędne warunki do inicjacji i rozwoju pęknięć.
W procesie spawania połączony wpływ czynników metalurgicznych i mechanicznych będzie przypisywany dwóm aspektom, tj. czy wzmocnić połączenie metalowe, czy osłabić połączenie metalowe. Jeśli połączenie wytrzymałościowe jest ustanawiane w metalu spoiny podczas chłodzenia, może być ono podatnie naprężone w pewnych sztywnych warunkach ograniczenia, a gdy spoina i metal w pobliżu spoiny mogą wytrzymać działanie zastosowanego naprężenia ograniczającego i wewnętrznego naprężenia szczątkowego, pęknięcia nie są łatwe do wystąpienia. , podatność na pękanie metalu spoin jest niska,Odwrotnie, gdy naprężenie nie może być tolerowane, połączenie wytrzymałościowe w metalu jest łatwo przerywane i pojawiają się pęknięcia. W tym przypadku podatność na pęknięcia spawanego metalu jest wysoka. Spawany metal zaczyna się od temperatury krystalizacji i krzepnięcia, a następnie schładza się do temperatury pokojowej z określoną szybkością, a jego wrażliwość na pęknięcia jest określana przez porównanie zdolności odkształcania i przyłożonego odkształcenia oraz porównanie odporności na odkształcenia i przyłożonego naprężenia.
Jednakże podczas procesu chłodzenia, na różnych etapach temperaturowych, ze względu na różny wzrost wytrzymałości międzyziarnowej i wytrzymałości ziarna, rozkład odkształceń między ziarnami i wewnątrz ziaren, zachowanie dyfuzji wywołane odkształceniem jest inne, a koncentracja naprężeń jest inna. Warunki i czynniki powodujące kruchość metalu są różne, specyficzne słabe ogniwa spoiny oraz czynniki i stopnie jej osłabienia są również różne.
Czynniki metalurgiczne i czynniki mechaniczne, które powodują pęknięcia w metalu spoiny, są ściśle powiązane. Gradient naprężeń w czynnikach mechanicznych jest związany z gradientem temperatury określonym przez charakterystykę cyklu cieplnego, a ten ostatni jest ściśle związany z przewodnością cieplną metalu, taką jak termoplastyczna zmiana metalu. Czynniki metalurgiczne, takie jak charakterystyka, rozszerzalność cieplna i transformacja mikrostruktury, odgrywają ważną rolę w stanie naprężenia-odkształcenia metalu spoiny w dużym stopniu.
Ponadto, gdy temperatura spada, a szybkość chłodzenia ulega zmianie, zmieniają się również czynniki metalurgiczne i mechaniczne, a wytrzymałość spawanego metalu jest różna w różnych zakresach temperatur. Na przykład, jeśli zakres temperatur krystalizacji jest duży, temperatura linii fazowej ciała stałego jest niska i bardziej prawdopodobne jest, że spowoduje to koncentrację naprężeń w niskotopliwym metalu ciekłym pozostającym między ziarnami, co spowoduje pęknięcia w metalu fazy stałej;
Podobnie, gdy temperatura spada, a wielkość skurczu jest duża, zwłaszcza w warunkach szybkiego chłodzenia, gdy szybkość odkształcenia skurczowego jest wysoka, a stan naprężenia i odkształcenia jest większy, istnieje ryzyko wystąpienia pęknięć itp.
W późniejszym etapie krzepnięcia i krystalizacji metalu spoiny podczas spawania stopów aluminium, niskotopliwa eutektyka jest wyciskana w centrum, gdzie spotykają się kryształy, tworząc tzw. „film ciekły”. Gdy swobodny skurcz powoduje duże naprężenie rozciągające, film ciekły tworzy w tym momencie stosunkowo słabe ogniwo, a pod wpływem naprężenia rozciągającego może pęknąć w słabym obszarze, tworząc pęknięcie.
3. Mechanizm powstawania pęknięć gorących
Aby zbadać najbardziej prawdopodobny czas wystąpienia pęknięć na gorąco podczas spawania stopów aluminium, krystalizację jeziorka spawalniczego podczas spawania stopów aluminium podzielono na trzy etapy.
Pierwszy etap to etap ciecz-ciało stałe. Kiedy jeziorko spawalnicze zaczyna krystalizować od chłodzenia w wysokiej temperaturze, istnieje tylko niewielka liczba zarodków krystalicznych. Wraz ze spadkiem temperatury i wydłużeniem czasu chłodzenia zarodek krystaliczny stopniowo rośnie i pojawiają się nowe zarodki krystaliczne, ale w tym procesie faza ciekła zawsze zajmuje dużą ilość i nie ma kontaktu między sąsiednimi ziarnami krystalicznymi. Swobodny przepływ nieskrzepniętego ciekłego stopu aluminium nie stanowi przeszkody.
W tym przypadku, nawet jeśli występują naprężenia rozciągające, otwarta szczelina może zostać z czasem wypełniona przez przepływający stop aluminium w stanie ciekłym, więc prawdopodobieństwo powstania pęknięć w fazie ciecz-ciało stałe jest znikome.
Drugim etapem jest etap ciało stałe-ciecz. Gdy krystalizacja stopionego jeziorka spawalniczego trwa, faza stała w jeziorku stopionym nadal wzrasta, a wcześniej skrystalizowane zarodki nadal rosną. Gdy temperatura spada do pewnej wartości, zestalony metal stopu aluminium Kryształy stykają się ze sobą i są ciągle zwijane razem. W tym momencie przepływ ciekłego stopu aluminium jest utrudniony, to znaczy, że krystalizacja stopionego jeziorka weszła w etap ciało stałe-ciecz.
W tym przypadku, ze względu na brak ciekłego stopu aluminium, odkształcenie samego kryształu może być silnie rozwinięte, faza ciekła pozostająca między kryształami nie jest łatwa do przepływu, a drobne szczeliny powstałe pod wpływem naprężenia rozciągającego nie mogą zostać wypełnione, dopóki występuje niewielkie Obecność naprężenia rozciągającego ma potencjał do generowania pęknięć. Dlatego ten etap nazywany jest „strefą kruchej temperatury”.
Trzeci etap to etap całkowitego krzepnięcia. Spoina utworzona po całkowitym krzepnięciu stopionego metalu jeziorka będzie wykazywać dobrą wytrzymałość i plastyczność, gdy zostanie poddana naprężeniom rozciągającym. Prawdopodobieństwo pęknięć na tym etapie jest stosunkowo niewielkie. .
Dlatego gdy temperatura jest wyższa lub niższa od strefy kruchości pomiędzy ab, metal spoiny ma większą zdolność do przeciwstawiania się pęknięciom krystalizacyjnym i mniejszą tendencję do pękania. Ogólnie rzecz biorąc, w przypadku metali z mniejszą ilością zanieczyszczeń (w tym metalu bazowego i materiałów spawalniczych), ze względu na wąski zakres kruchości, naprężenie rozciągające działa w tym zakresie przez krótki czas, tak że całkowite odkształcenie spoiny jest stosunkowo małe.
Dlatego tendencja do pęknięć powstających podczas spawania jest mniejsza. Jeśli w spoinie jest więcej zanieczyszczeń, zakres kruchych temperatur jest szerszy, naprężenie rozciągające w tym zakresie jest dłuższe, a tendencja do pękania jest większa.
4. Środki zapobiegawcze w przypadku pęknięć spawalniczych stopów aluminium
Biorąc pod uwagę mechanizm pęknięć na gorąco powstających podczas spawania stopów aluminium, można dokonać ulepszeń w dwóch aspektach: czynnikach metalurgicznych i czynnikach procesowych, aby zmniejszyć prawdopodobieństwo występowania pęknięć na gorąco podczas spawania stopów aluminium.
W odniesieniu do czynników metalurgicznych, aby zapobiec międzykrystalicznym pęknięciom termicznym podczas spawania, należy głównie dostosować system metalu spoiny spawalniczej lub dodać modyfikator do metalu wypełniającego. Celem dostosowania systemu szwu spawalniczego, z perspektywy odporności na pęknięcia, jest kontrolowanie odpowiedniej ilości topliwego eutektyku i zawężenie zakresu temperatur krystalizacji.
Ponieważ stopy aluminium są typowymi stopami eutektycznymi, maksymalna tendencja do pękania odpowiada „maksymalnemu” zakresowi temperatur krzepnięcia stopu, a obecność niewielkiej ilości eutektyku zawsze zwiększa tendencję do pękania podczas krzepnięcia. Zawartość pierwiastków przekracza skład stopu, w którym tendencja do pękania jest największa, tak że może wystąpić efekt „leczenia”.
Jako modyfikatory do spoiwa dodano pierwiastki śladowe, takie jak Ti, Zr, V i B, aby poprawić plastyczność i wytrzymałość poprzez rafinację ziaren i zapobiec pęknięciom na gorąco podczas spawania. , i uzyskano wyniki. Rysunek 3 przedstawia wyniki testu odporności na pękanie drutu spawalniczego Al-4.5%Mg z dodanym modyfikatorem w warunkach sztywnego spoiny pachwinowej.
Dodany w teście Zr wynosił {{0}}.15%, a Ti+B 0,1%. Można zauważyć, że dodanie Ti i B w tym samym czasie może znacznie poprawić odporność na pękanie. Wspólną cechą pierwiastków takich jak Ti, Zr, V, B i Ta jest to, że mogą tworzyć szereg reakcji perytektycznych z aluminium, tworząc ogniotrwałe związki metali (Al3Ti, Al3Zr, Al7V, AlB2, Al3Ta itd.). Takie małe ogniotrwałe cząstki mogą stać się niespontanicznymi zarodkami krzepnięcia, gdy ciekły metal krzepnie, powodując w ten sposób efekt rozdrobnienia ziarna.
Jeśli chodzi o czynniki procesu, głównie specyfikacje spawania, podgrzewanie wstępne, kształt połączenia i kolejność spawania, wszystkie te metody opierają się na naprężeniu spawalniczym w celu rozwiązania pęknięć spawalniczych. Parametry procesu spawania wpływają na brak równowagi procesu krzepnięcia i stan mikrostruktury procesu krzepnięcia, a także wpływają na szybkość wzrostu odkształceń podczas procesu krzepnięcia, wpływając w ten sposób na powstawanie pęknięć.
Metoda spawania z wykorzystaniem skoncentrowanej energii cieplnej sprzyja szybkiemu procesowi spawania, co może zapobiec tworzeniu się grubych kryształów kolumnowych o silnym ukierunkowaniu, poprawiając w ten sposób odporność na pęknięcia. Użycie małego prądu spawania i spowolnienie prędkości spawania może zmniejszyć przegrzanie jeziorka stopionego metalu i poprawić odporność na pęknięcia.
Wzrost prędkości spawania sprzyja wzrostowi szybkości odkształcenia spoiny, co zwiększa tendencję do pękania na gorąco. Można zauważyć, że wzrost prędkości spawania i prądu spawania sprzyja wzrostowi tendencji do pękania. Podczas montażu i spawania konstrukcji aluminiowej spoina nie jest poddawana dużej sztywności, a w procesie można zastosować takie środki, jak spawanie segmentowe, podgrzewanie wstępne lub odpowiednie zmniejszenie prędkości spawania.
Poprzez podgrzewanie wstępne, względne rozszerzenie badanego elementu może być mniejsze, naprężenie spawalnicze może być odpowiednio zmniejszone, a naprężenie w zakresie kruchych temperatur może być zmniejszone; spróbuj użyć spawania doczołowego z otwartymi rowkami i małymi szczelinami oraz unikaj stosowania połączeń krzyżowych i nieprawidłowego pozycjonowania i kolejności spawania; gdy spawanie się kończy lub jest przerywane, krater łuku powinien zostać wypełniony na czas, a następnie należy usunąć źródło ciepła, w przeciwnym razie łatwo spowoduje pęknięcia krateru łuku. W przypadku połączeń spawanych stopu serii 5000 wielowarstwowego spawania, mikropęknięcia są często generowane z powodu lokalnego topienia się międzykrystalicznego, więc dopływ ciepła kolejnej warstwy ściegu spoiny musi być kontrolowany.
Zgodnie z testem w tym artykule, w przypadku spawania stopu aluminium, czyszczenie powierzchni metalu bazowego i materiału wypełniającego jest również bardzo ważne. Włączenie materiału do spoiny stanie się źródłem pęknięć i główną przyczyną spadku wydajności spoiny.
