Bežné chyby pri laserovom zváraní hliníkových zliatin

Bežné chyby vLaserové zváranie hliníkových zliatin

Či už ide o laserové autogénne zváranie alebohybridné zváranie laserovým oblúkompoužíva sa pre hliníkové zliatiny, existujú určité bežné technické problémy, t. j. môžu sa vyskytnúť chyby, ak sú procesné parametre a podmienky zvárania metalurgickénesprávne. Ten/tá/toVšetky chyby v spojoch hliníkových zliatin zahŕňajú hlavne dva typy: pórovitosť zvaru a horúce trhliny pri zváraní. Okrem pórovitosti a horúcich trhlín existujú pri laserovom zváraní hliníkových zliatin aj chyby, ako je podrezanie a zlé vytvorenie zadnej strany. V porovnaní s pórovitosťou zvaru nie je pravdepodobnosť vzniku trhlín pri zváraní (viditeľných voľným okom alebo pri malom zväčšení) vysoká. Keďže sú však trhliny nebezpečnejšie, norma JIS Z 3105 stanovuje, že akonáhle sa vo zvare zistí trhlina, zvar sa má posúdiť ako trieda IV. Podrezanie, zlé vytvorenie zadnej strany a iné chyby sú väčšinou vážne chyby spôsobené nesprávnou reguláciou rýchlosti alebo nesprávnymi parametrami procesu. Takéto chyby sa zvyčajne objavujú vo fáze prieskumu a ladenia procesu a zriedkavo sa vyskytujú pri bežných skutočných výrobných operáciách. Preto je pórovitosť typom chyby, ktorá je škodlivejšia pri laserovom zváraní hliníkových zliatin a pri prevádzke zváraných konštrukcií a je ťažké ju zásadne odstrániť.

1. Pórovitosť

Pórovitosť je najčastejšou a najväčšou objemovou chybou vlaserové zváranie hliníkových zliatin, s veľkosťami od stoviek mikrónov do niekoľkých milimetrov. Mechanizmus jeho vzniku ešte nie je úplne objasnený. Pórovitosť nielen oslabuje efektívnu pracovnú časť zvaru, ale spôsobuje aj koncentráciu napätia, čím sa znižuje dynamická pevnosť a únavové vlastnosti zvarového spoja.

Keď sa hliníková zliatina taví v prostredí obsahujúcom vodík, jej vnútorný obsah vodíka môže dosiahnuť viac ako 0,69 ml/100 g, ale po stuhnutí zliatiny je jej rozpustnosť vodíka v rovnovážnom stave maximálne 0,036 ml/100 g. Všeobecne sa predpokladá, že počas procesu chladenia pri laserovom zváraní rozpustnosť vodíka prudko klesá a vyzrážanie presýteného vodíka vytvára vodíkovú pórovitosť. Odparovanie legujúcich prvkov s nízkou teplotou topenia a vysokým tlakom pár môže tiež viesť k pórovitosti, ktorá sa nazýva metalurgická pórovitosť. Okrem toho môže pórovitosť vznikať aj v dôsledku rušenia laserového lúča a nestability kľúčovej dierky, ale takáto pórovitosť má nepravidelný tvar a možno ju nazvať procesom indukovanou pórovitosťou. V dôsledku vysokej chemickej aktivity hliníkových zliatin sa na povrchu ľahko vytvára oxidový film. Počas zvárania sa kryštalická voda a kombinovaná voda rozkladajúca sa z oxidového filmu na povrchu hliníkovej zliatiny spolu s vlhkosťou vo vzduchu a ochrannom plyne priamo rozkladajú za vzniku vodíka vo vysokoteplotnej oblasti pôsobením laseru. Tieto vodíkové plyny sa môžu buď zrážať počas chladnutia a tuhnutia roztaveného kúpeľa a tvoriť bubliny, alebo priamo vytvárať bubliny na neúplne roztavenom oxidovom filme. Vzhľadom na nízku špecifickú hmotnosť hliníkových zliatin je rýchlosť stúpania bublín v roztavenom kúpeľe pomalá. Okrem toho majú hliníkové zliatiny silnú tepelnú vodivosť a rýchlosť chladenia a tuhnutia roztaveného kúpeľa je extrémne rýchla. Niektoré bubliny nedokážu včas uniknúť a zostávajú vo zvare, čím vytvárajú metalurgickú pórovitosť. Štúdie ukázali, že hlavným plynom v pórovitosti zvarov hliníkových zliatin je vodík, takže pórovitosť vo zvaroch hliníkových zliatin sa niekedy nazýva vodíková pórovitosť. Pri pozorovaní lomu pórovitosti pod skenovacím elektrónovým mikroskopom má pórovitosť väčšinou guľovitú morfológiu s tesne usporiadanými dendritickými koncami dendritických kryštálov a vnútorná stena je hladká, čistá a bez stôp oxidácie. Existencia pórovitosti nielen znižuje kompaktnosť zvaru a únosnosť spoja, ale v rôznej miere znižuje aj pevnosť a plasticitu spoja.

2. Horúce trhliny

Horúce trhliny (vrátane tuhnúcich trhlín a likvačných trhlín) vznikajú počas procesu tuhnutia roztaveného kovu v kúpeľoch a sú jedným z bežných typov defektov pri laserovom zváraní hliníkových zliatin. Najzreteľnejším znakom morfológie lomu tuhnúcich trhlín je, že povrch lomu sa skladá z veľkej plochy hladkých, ale nerovných zrnitých dlažobných kociek alebo zemiakovitých štruktúr a povrch si často zachováva medzikryštalické eutektiká s nízkou teplotou topenia alebo záhyby tekutého filmu, ako aj stopy krehkého lomu dendritov. Morfológia lomu likvačných trhlín je podobná morfológii tuhnúcich trhlín, ale má charakteristiky vysokoteplotného medzikryštalického lomu alebo tuhnúceho lomu. Pri únavovom lome spojov zvarených tavením pri únavovom zaťažení sú bežné aj zdroje únavových trhlín spôsobené takýmito horúcimi trhlinami. Príčiny horúcich trhlín pri laserovom zváraní hliníkových zliatin súvisia najmä s ich vlastnými vlastnosťami a zváracími procesmi. Hliníkové zliatiny majú počas tuhnutia vysokú mieru zmršťovania (až do 5 %), čo vedie k veľkému zváraciemu napätiu a deformácii; Okrem toho sa počas tuhnutia zvarového kovu pozdĺž hraníc zŕn tvoria eutektické štruktúry s nízkou teplotou topenia, čo oslabuje spojovaciu silu hraníc zŕn, a tým pôsobením ťahového napätia vytvára horúce trhliny. Okrem toho možno morfológiu trhlín pri laserovom zváraní hliníkových zliatin zhrnúť do nasledujúcich kategórií: trhliny v strede zvaru; trhliny v línii zvarového tavenia; medzikryštalické trhliny vo zvaroch; likvačné trhliny v tepelne ovplyvnených zónach; trhliny spôsobené oxidovými filmami; a medzikryštalické mikrotrhliny.

Okrem toho, nedostatočná ochrana počas zvárania spôsobuje reakciu zvarového kovu s plynmi vo vzduchu a vytvorené inklúzie sú tiež potenciálnymi zdrojmi trhlín. Typ a množstvo legujúcich prvkov má veľký vplyv na tendenciu k tvorbe horúcich trhlín počas zvárania hliníkových zliatin. Vo všeobecnosti majú hliníkové zliatiny radu Al-Si a Al-Mn dobrú zvariteľnosť a nie je ľahké vytvárať horúce trhliny; zatiaľ čo hliníkové zliatiny radu Al-Mg, Al-Cu a Al-Zn majú relatívne vysokú tendenciu k tvorbe horúcich trhlín. Tendenciu k tvorbe horúcich trhlín možno znížiť úpravou parametrov zváracieho procesu na riadenie rýchlosti ohrevu a chladenia. Vo všeobecnosti je tendencia k tvorbe horúcich trhlín pri laserovom hybridnom zváraní lepšia ako pri zváraní laserovým prídavným drôtom a tendencia k tvorbe horúcich trhlín pri zváraní laserovým prídavným drôtom je lepšia ako pri autogénnom zváraní laserom.

3. Podrezanie a prepálenie

Hliníkové zliatiny majú nízku ionizačnú energiu a fotoindukovaná plazma je náchylná na prehrievanie a rozpínanie počas zvárania, čo vedie k nestabilným zváracím procesom. Okrem toho majú tekuté hliníkové zliatiny dobrú tekutosť a nízke povrchové napätie. Na zlepšenie penetrácie je často potrebný väčší prietok ochranného plynu a výstupný výkon laseru, čo zhoršuje stabilitu zváracieho procesu, spôsobuje prudké kolísanie roztaveného kúpeľa pod tlakom a ľahko vedie k chybám, ako sú podrezanie a prepálenie. Tvarovateľnosť zadnej strany laserom zváraných plechov zo zliatin hliníka sa dá účinne zlepšiť inštaláciou vodou chladeného medeného plechu na zadnú stranu zvaru.

4. Začlenenie trosky

Ďalším typom defektu, ktorý sa často vyskytuje pri zváraní karosérií automobilov, je inklúzia zvarovej trosky. Štúdie ukázali, že inklúzia trosky pochádza najmä z oxidov na povrchu zvarov a zváracích drôtov, ako aj z nestabilných procesov pri lokalizácii materiálov zo zliatin hliníka. Preto by výrobcovia materiálov zo zliatin hliníka mali posilniť technologické inovácie a zlepšiť procesy odlievania, aby minimalizovali obsah nečistôt a vodíka v surovinách a zvýšili stabilitu kvality výrobkov.