Често срещани дефекти при лазерно заваряване на алуминиеви сплави

Често срещани дефекти вЛазерно заваряване на алуминиеви сплави

Независимо дали става въпрос за лазерно автогенно заваряване илилазерно-дъгово хибридно заваряванесе използва за алуминиеви сплави, има някои често срещани технически проблеми, т.е. могат да възникнат дефекти, ако параметрите на процеса и условията на заваряване са металургичнинеправилно.Всички дефекти в съединенията на алуминиеви сплави включват главно два вида: порьозност на заварката и горещи пукнатини при заваряване. В допълнение към порьозността и горещите пукнатини, при лазерното заваряване на алуминиеви сплави съществуват и дефекти като подрязване и лошо формиране на гърба. В сравнение с порьозността на заварката, вероятността от пукнатини при заваряване (видими с просто око или под ниско увеличение) не е висока. Тъй като обаче пукнатините са по-опасни, JIS Z 3105 постановява, че след като се открие пукнатина в заварката, тя се класифицира като клас IV. Подрязването, лошото формиране на гърба и други дефекти са предимно сериозни дефекти, причинени от неправилен контрол на скоростта или несъответстващи параметри на процеса. Такива дефекти обикновено се появяват на етапа на проучване и отстраняване на грешки в процеса и рядко се срещат при нормални реални производствени операции. Следователно, порьозността е вид дефект, който е по-опасен при лазерното заваряване на алуминиеви сплави и при експлоатацията на заварени конструкции и е трудно да се елиминира фундаментално.

1. Порьозност

Порьозността е най-често срещаният и основен обемен дефект влазерно заваряване на алуминиеви сплави, с размери, вариращи от стотици микрона до няколко милиметра. Механизмът му на образуване все още не е напълно изяснен. Порьозността не само отслабва ефективното работно сечение на заваръчния шев, но и причинява концентрация на напрежение, намалявайки динамичната якост и устойчивостта на умора на завареното съединение.

Когато алуминиевата сплав се топи в среда, съдържаща водород, вътрешното ѝ съдържание на водород може да достигне повече от 0,69 ml/100 g, но след втвърдяване на сплавта, равновесната ѝ разтворимост на водород е най-много 0,036 ml/100 g. Смята се, че по време на процеса на охлаждане при лазерно заваряване, разтворимостта на водорода рязко спада и утаяването на пренаситен водород ще образува водородна порьозност. Изпаряването на легиращи елементи с ниска точка на топене и високо налягане на парите също може да доведе до порьозност, която се нарича металургична порьозност. Освен това, смущенията на лазерния лъч и нестабилността на „ключовата дупка“ също могат да образуват порьозност, но такава порьозност има неправилна форма и може да се нарече технологично индуцирана порьозност. Поради високата химическа активност на алуминиевите сплави, върху повърхността лесно се образува оксиден филм. По време на заваряване, кристалната вода и комбинираната вода, разлагащи се от оксидния филм върху повърхността на алуминиевата сплав, заедно с влагата във въздуха и защитния газ, директно се разлагат, за да произведат водород във високотемпературната област под действието на лазера. Тези водородни газове могат или да се утаят по време на охлаждането и втвърдяването на разтопената вана, за да образуват мехурчета, или директно да генерират мехурчета върху непълно разтопения оксиден филм. Поради ниското специфично тегло на алуминиевите сплави, скоростта на покачване на мехурчетата в разтопената вана е бавна. Освен това, алуминиевите сплави имат силна топлопроводимост и скоростта на охлаждане и втвърдяване на разтопената вана е изключително бърза. Някои мехурчета не могат да излязат навреме и остават в заваръчния шев, като по този начин образуват металургична порьозност. Проучванията показват, че основният газ в порьозността на заваръчните шевове от алуминиеви сплави е водородът, така че порьозността в заваръчните шевове от алуминиеви сплави понякога се нарича водородна порьозност. При наблюдение на разрушаването на порьозността под сканиращ електронен микроскоп, порьозността най-често представлява сферична морфология с плътно разположени дендритни краища на дендритни кристали, а вътрешната стена е гладка, чиста и без следи от окисление. Наличието на порьозност не само намалява компактността на заваръчния шев и носещата способност на съединението, но също така намалява здравината и пластичността на съединението в различна степен.

2. Горещи пукнатини

Горещи пукнатини (включително пукнатини от втвърдяване и ликвационни пукнатини) се образуват по време на процеса на втвърдяване на разтопен метал в вана и са един от често срещаните видове дефекти при лазерно заваряване на алуминиеви сплави. Най-очевидната характеристика на морфологията на разрушаването на пукнатините от втвърдяване е, че повърхността на разрушаване е съставена от голяма площ от гладки, но неравни гранулирани калдъръмени или картофеноподобни структури, като повърхността често запазва междугранулирани евтектики с ниска точка на топене или гънки от течен филм, както и следи от крехко разрушаване на дендрити. Морфологията на разрушаването на ликвационните пукнатини е подобна на тази на пукнатините от втвърдяване, но има характеристиките на високотемпературно междугранулирано разрушаване или втвърдително разрушаване. При уморно разрушаване на заварени чрез стопяване съединения под натоварване от умора, източниците на уморни пукнатини, причинени от такива горещи пукнатини, също са често срещани. Причините за горещи пукнатини при лазерно заваряване на алуминиеви сплави са свързани главно с техните собствени характеристики и процеси на заваряване. Алуминиевите сплави имат голяма степен на свиване по време на втвърдяване (до 5%), което води до големи заваръчни напрежения и деформации; Освен това, по границите на зърната по време на втвърдяването на заваръчния метал се образуват евтектични структури с ниска точка на топене, което отслабва силата на свързване на границите на зърната, като по този начин се образуват горещи пукнатини под действието на опънно напрежение. В допълнение, морфологията на пукнатините при лазерно заваряване на алуминиеви сплави може да се обобщи в следните категории: пукнатини в центъра на заварката; пукнатини по линията на сливане на заварката; междугранулни пукнатини в заварките; ликвационни пукнатини в зоната, засегната от топлина; пукнатини, причинени от оксидни филми; и междугранулни микропукнатини.

Освен това, лошата защита по време на заваряване кара заваръчния метал да реагира с газовете във въздуха, а образуваните включвания също са потенциални източници на пукнатини. Видът и количеството на легиращите елементи оказват голямо влияние върху склонността към образуване на горещи пукнатини по време на заваряване на алуминиеви сплави. Като цяло, алуминиевите сплави от сериите Al-Si и Al-Mn имат добра заваряемост и не е лесно да се получат горещи пукнатини; докато алуминиевите сплави от сериите Al-Mg, Al-Cu и Al-Zn имат относително висока склонност към образуване на горещи пукнатини. Склонността към образуване на горещи пукнатини може да бъде намалена чрез регулиране на параметрите на заваръчния процес, за да се контролират скоростите на нагряване и охлаждане. Най-общо казано, склонността към образуване на горещи пукнатини при лазерно-дъговото хибридно заваряване е по-добра от тази при лазерното заваряване с тел за запълване, а склонността към образуване на горещи пукнатини при лазерното заваряване с тел за запълване е по-добра от тази при лазерното автогенно заваряване.

3. Подрязване и прегаряне

Алуминиевите сплави имат ниска йонизационна енергия, а фотоиндуцираната плазма е склонна към прегряване и разширяване по време на заваряване, което води до нестабилни заваръчни процеси. Освен това, течните алуминиеви сплави имат добра течливост и ниско повърхностно напрежение. За подобряване на проникването често се изисква по-голям дебит на защитен газ и по-голяма мощност на лазера, което влошава стабилността на заваръчния процес, карайки разтопената вана да се колебае силно под налягане и лесно води до дефекти като подрязване и прегаряне. Формообразуемостта на задната страна на лазерно заварените алуминиеви плочи може да бъде ефективно подобрена чрез монтиране на водноохлаждаема медна плоча на гърба на заваръчния шев.

4. Включване на шлака

Друг вид дефект, често срещан при заваряването на автомобилни каросерии, е включването на шлака в заваръчните шевове. Проучванията показват, че включването на шлака идва главно от оксиди по повърхността на заваръчните шевове и заваръчните телчета, както и от нестабилни процеси при локализацията на алуминиевите сплави. Следователно, производителите на алуминиеви сплави трябва да засилят технологичните иновации и да подобрят процесите на леене, за да сведат до минимум съдържанието на примеси и водород в суровините и да подобрят стабилността на качеството на продуктите.