Defecte comune în sudarea cu laser a aliajelor de aluminiu

Defecte comune înSudură cu laser din aliaj de aluminiu

Indiferent dacă sudarea autogenă cu laser sausudură hibridă cu arc lasereste utilizat pentru aliajele de aluminiu, există unele probleme tehnice comune, de exemplu, pot apărea defecte dacă parametrii procesului și condițiile de sudare sunt metalurgiceimpropriu. Cel/Cea/Cei/CeleDefectele la îmbinările din aliajele de aluminiu includ în principal două tipuri: porozitatea sudurii și fisurile fierbinți prin sudură. Pe lângă porozitate și fisuri fierbinți, în sudarea cu laser a aliajelor de aluminiu există defecte precum subtăierea și formarea slabă a feței posterioare. Comparativ cu porozitatea sudurii, probabilitatea apariției fisurilor prin sudură (vizibile cu ochiul liber sau la mărire mică) nu este mare. Cu toate acestea, deoarece fisurile sunt mai periculoase, JIS Z 3105 stipulează că, odată ce o fisură este detectată într-o sudură, aceasta trebuie clasificată în Clasa IV. Subtăierea, formarea slabă a feței posterioare și alte defecte sunt în mare parte defecte grave cauzate de controlul necorespunzător al vitezei sau de parametrii de proces nepotriviți. Astfel de defecte apar, în general, în etapa de explorare și depanare a procesului și rareori în operațiunile normale de producție. Prin urmare, porozitatea este un tip de defect mai dăunător în sudarea cu laser a aliajelor de aluminiu și în utilizarea structurilor sudate și este dificil de eliminat fundamental.

1. Porozitate

Porozitatea este cel mai frecvent și major defect de volum însudarea cu laser a aliajelor de aluminiu, cu dimensiuni variind de la sute de microni până la câțiva milimetri. Mecanismul său de formare nu este încă pe deplin clarificat. Porozitatea nu numai că slăbește secțiunea de lucru efectivă a sudurii, dar provoacă și concentrarea tensiunilor, reducând rezistența dinamică și performanța la oboseală a îmbinării sudate.

Când aliajul de aluminiu se topește într-un mediu care conține hidrogen, conținutul său intern de hidrogen poate ajunge la mai mult de 0,69 ml/100g, dar după solidificarea aliajului, solubilitatea hidrogenului în echilibru este de cel mult 0,036 ml/100g. În general, se consideră că în timpul procesului de răcire al sudării cu laser, solubilitatea hidrogenului scade brusc, iar precipitarea hidrogenului suprasaturat va forma porozitate prin hidrogen. Evaporarea elementelor de aliere cu punct de topire scăzut și presiune de vapori ridicată poate duce, de asemenea, la porozitate, numită porozitate metalurgică. În plus, perturbarea fasciculului laser și instabilitatea orificiului de fixare pot forma, de asemenea, porozitate, dar o astfel de porozitate are o formă neregulată și poate fi numită porozitate indusă de proces. Datorită activității chimice ridicate a aliajelor de aluminiu, se formează ușor o peliculă de oxid la suprafață. În timpul sudării, apa cristalină și apa combinată descompusă din pelicula de oxid de pe suprafața aliajului de aluminiu, împreună cu umiditatea din aer și gazul protector, se descompun direct pentru a produce hidrogen în zona de temperatură ridicată sub acțiunea laserului. Aceste gaze de hidrogen pot fie precipita în timpul răcirii și solidificării băii topite pentru a forma bule, fie pot genera direct bule pe pelicula de oxid incomplet topită. Datorită greutății specifice scăzute a aliajelor de aluminiu, viteza de creștere a bulelor în baia topită este lentă. În plus, aliajele de aluminiu au o conductivitate termică puternică, iar viteza de răcire și solidificare a băii topite este extrem de rapidă. Unele bule nu pot scăpa în timp și rămân în sudură, formând astfel porozitate metalurgică. Studiile au arătat că principalul gaz din porozitatea sudurilor din aliaje de aluminiu este hidrogenul, astfel încât porozitatea din sudurile din aliaje de aluminiu este uneori numită porozitate de hidrogen. Când se observă fractura porozității la microscopul electronic cu scanare, porozitatea prezintă în mare parte o morfologie sferică cu capete dendritice strâns aranjate ale cristalelor dendritice, iar peretele interior este neted, curat și fără urme de oxidare. Existența porozității nu numai că reduce compactitatea sudurii și capacitatea portantă a îmbinării, dar reduce și rezistența și plasticitatea îmbinării în grade diferite.

2. Fisuri fierbinți

Fisurile fierbinți (inclusiv fisurile de solidificare și fisurile de lichefiere) se formează în timpul procesului de solidificare a metalului topit și reprezintă unul dintre tipurile comune de defecte în sudarea cu laser a aliajelor de aluminiu. Cea mai evidentă caracteristică a morfologiei fracturii fisurilor de solidificare este aceea că suprafața de fractură este compusă dintr-o zonă mare de structuri granulare netede, dar neuniforme, de piatră cubică sau asemănătoare cartofului, iar suprafața păstrează adesea eutectice intergranulare cu punct de topire scăzut sau pliuri de peliculă lichidă, precum și urme de fractură fragilă a dendritelor. Morfologia fracturii fisurilor de lichefiere este similară cu cea a fisurilor de solidificare, dar are caracteristicile fracturii intergranulare la temperatură înaltă sau ale fracturii de solidificare. În fractura de oboseală a îmbinărilor sudate prin fuziune sub sarcină de oboseală, sursele de fisuri de oboseală cauzate de astfel de fisuri fierbinți sunt, de asemenea, frecvente. Cauzele fisurilor fierbinți în sudarea cu laser a aliajelor de aluminiu sunt legate în principal de propriile caracteristici și procese de sudare. Aliajele de aluminiu au o rată mare de contracție în timpul solidificării (până la 5%), rezultând solicitări și deformări mari de sudare; În plus, de-a lungul limitelor granulelor se formează structuri eutectice cu punct de topire scăzut în timpul solidificării metalului de sudură, ceea ce slăbește forța de legătură a limitelor granulelor, formând astfel fisuri fierbinți sub acțiunea tensiunii de tracțiune. În plus, morfologiile fisurilor în sudarea cu laser a aliajelor de aluminiu pot fi rezumate în următoarele categorii: fisuri în centrul sudurii; fisuri pe linia de fuziune a sudurii; fisuri intergranulare în suduri; fisuri de lichefiere în zona afectată termic; fisuri cauzate de pelicule de oxid; și microfisuri intergranulare.

În plus, protecția slabă în timpul sudării face ca metalul de sudură să reacționeze cu gazele din aer, iar incluziunile formate sunt, de asemenea, potențiale surse de fisuri. Tipul și cantitatea elementelor de aliere au o influență mare asupra tendinței de fisurare la cald în timpul sudării aliajelor de aluminiu. În general, aliajele de aluminiu din seriile Al-Si și Al-Mn au o sudabilitate bună și nu produc ușor fisuri la cald; în timp ce aliajele de aluminiu din seriile Al-Mg, Al-Cu și Al-Zn au tendințe de fisurare la cald relativ ridicate. Tendința de fisurare la cald poate fi redusă prin ajustarea parametrilor procesului de sudare pentru a controla ratele de încălzire și răcire. În general, tendința de fisurare la cald a sudării hibride cu arc laser este mai bună decât cea a sudării cu sârmă de adaos cu laser, iar tendința de fisurare la cald a sudării cu sârmă de adaos cu laser este mai bună decât cea a sudării autogene cu laser.

3. Subtunecare și Ardere

Aliajele de aluminiu au o energie de ionizare scăzută, iar plasma indusă foto este predispusă la supraîncălzire și expansiune în timpul sudării, rezultând procese de sudare instabile. În plus, aliajele de aluminiu lichide au o fluiditate bună și o tensiune superficială scăzută. Pentru a îmbunătăți penetrarea, este adesea necesar un debit de gaz protector și o putere de ieșire a laserului mai mari, ceea ce deteriorează stabilitatea procesului de sudare, provocând fluctuații violente ale băii topite sub presiune și ducând cu ușurință la defecte precum tăierea sub formă de subțire și arderea. Formabilitatea părții posterioare a plăcilor din aliaj de aluminiu sudate cu laser poate fi îmbunătățită eficient prin instalarea unei plăci de cupru răcite cu apă pe spatele sudurii.

4. Incluziunea zgurii

Un alt tip de defect care apare adesea la sudarea caroseriilor auto este incluziunea zgurii de sudură. Studiile au arătat că includerea zgurii provine în principal din oxizii de pe suprafața sudurilor și a firelor de sudură, precum și din procesele instabile în localizarea materialelor din aliaje de aluminiu. Prin urmare, producătorii de materiale din aliaje de aluminiu ar trebui să consolideze inovația tehnologică și să îmbunătățească procesele de turnare pentru a minimiza conținutul de impurități și hidrogen din materiile prime și a spori stabilitatea calității produselor.