Незважаючи на те, що алюміній і його сплави використовувалися для зварювання багатьох важливих виробів, фактичне зварювальне виробництво не позбавлене труднощів. Основні проблеми: пори в шві, заварювання гарячих тріщин, «рівноміцність» з'єднань. Завдяки сильній хімічній активності алюмінію та його сплавів на поверхні легко утворюється оксидна плівка, і більшість із них мають вогнетривкі властивості (наприклад, температура плавлення Al2O3 становить 2050 градусів, а температура плавлення MgO становить 2500 градусів). Крім того, алюміній і його сплави мають сильну теплопровідність. Під час зварювання легко викликати явище неплавлення. Оскільки щільність оксидної плівки дуже близька до щільності алюмінію, вона також легко перетворюється на включення в металі шва. У той же час оксидна плівка (особливо оксидна плівка з присутністю MgO, яка не дуже щільна) може поглинати більше вологи і часто стає однією з важливих причин утворення пор зварювання.
Крім того, алюміній і його сплави мають великий коефіцієнт лінійного розширення і сильну теплопровідність, а також схильні до викривлення під час зварювання. Це теж досить складні проблеми у зварювальному виробництві. Далі проводиться поглиблений аналіз відносно серйозних тріщин, утворених під час випробування.
1. Тріщини та їх характеристика в зварних з’єднаннях алюмінієвих сплавів
У процесі зварювання алюмінієвих сплавів через різні типи, властивості та структуру зварювання матеріалів у зварних з’єднаннях можуть з’являтися різні тріщини, форма та характеристики розподілу тріщин дуже складні. Залежно від утворених частин їх можна розділити на два типи тріщин:
(1) Тріщини в металі зварного шва: поздовжні тріщини, поперечні тріщини, кратерні тріщини, волосяні або дугові тріщини, корінні тріщини та мікротріщини (особливо при багатошаровому зварюванні).
(2) Тріщини в зоні термічного впливу: тріщини зварного шва, ламінарні тріщини та мікроскопічні термічні тріщини поблизу лінії плавлення. За температурним діапазоном утворення тріщини її поділяють на гарячу та холодну. Гаряча тріщина утворюється при високій температурі під час зварювання, що в основному спричинено сегрегацією елементів сплаву на межі зерен або наявністю речовин з низькою температурою плавлення.
Залежно від матеріалу металу, що зварюється, форма, діапазон температур і основні причини виникнення гарячих тріщин також різні. Гарячі тріщини можна розділити на три категорії: тріщини кристалізації, тріщини розрідження та полігональні тріщини. Кристалізаційні тріщини в основному утворюються в гарячих тріщинах. Під час процесу кристалізації зварного шва, поблизу лінії солідусу, через усадку затверділого металу залишковий рідкий метал не може бути заповнений вчасно.
Міжкристалічний розтріскування відбувається під дією напруги усадки при затвердінні або зовнішньої сили, що в основному відбувається в вуглецевій сталі, зварних швах з низьколегованої сталі та деяких алюмінієвих сплавах з більшою кількістю домішок; тріщини розрідження нагріваються в зоні термічного впливу до Утворюється під дією усадочних напруг при високотемпературному затвердінні меж зерен.
Під час випробування було виявлено, що коли поверхня наповнювача не була достатньо очищена, після зварювання в зварювальному шві залишалося багато включень і невелика кількість пор. У трьох наборах випробувань, оскільки зварювальний наповнювач є литою структурою, а включення є речовинами з високою температурою плавлення, він все ще буде існувати в зварному шві після зварювання;
Крім того, структура лиття є відносно рідкою, і є багато отворів, які легко поглинають компоненти, що містять кристалічну воду та якість олії, які стануть факторами, що утворюють пори під час процесу зварювання. Коли зварний шов відчуває напругу розтягування, ці включення та пори часто стають ключовими місцями для індукції мікротріщин.
Подальші спостереження за допомогою мікроскопії показали, що існує чітка тенденція до перетинання цих включень і індукованих порами мікротріщин. Однак все ще важко судити про те, чи проявляється шкідливий вплив включень головним чином як джерело концентрації напруги, що викликає утворення тріщин, чи воно в основному проявляється як крихка фаза, що викликає тріщини.
Крім того, прийнято вважати, що пори в зварних швах алюмінієво-магнієвого сплаву не мають значного впливу на міцність на розрив металу шва. явище тріщин.
Чи є явище мікротріщин, спричинених пористістю, лише вторинним явищем чи одним із основних факторів, що спричиняє значне зниження міцності на розрив зварних швів, ще належить дослідити далі.
2. Процес утворення гарячої тріщини
В даний час теорія Прохорова вважається більш повною в країні і за кордоном щодо теорії зварювання гарячих тріщин. Загалом кажучи, теорія вважає, що виникнення кристалічних тріщин в основному залежить від наступних трьох аспектів: розмір діапазону температур крихкості; пластичність сплаву в цьому діапазоні температур і швидкість деформації металу в області крихких температур.
Зазвичай люди називають розмір температурного діапазону крихкості та значення пластичності в цьому температурному діапазоні металургійним фактором, який утворює тріщини гарячого зварювання, а швидкість деформації металу в діапазоні температур крихкості називають механічним фактором.
Процес зварювання є синтезом серії незбалансованих технологічних процесів. Ця особливість істотно пов'язана з металургійними і механічними факторами руйнування металу зварного з'єднання. Наприклад, продукти процесу зварювання і металургійного процесу бувають фізико-хімічними. і структурна неоднорідність, шлаки і включення, газові елементи і вакансії в перенасичених концентраціях і т.д.
Усе це металургійні фактори, тісно пов’язані з виникненням і розвитком тріщин. З точки зору механічних факторів, специфічний температурний градієнт і швидкість охолодження термічного циклу зварювання, за певних обмежень, переведуть зварне з’єднання у складний напружено-деформований стан, таким чином забезпечуючи необхідні умови для виникнення та розвитку тріщин.
У процесі зварювання комбінована дія металургійних факторів і механічних факторів буде пов’язана з двома аспектами, тобто зміцнювати або послаблювати металеве з’єднання. Якщо під час охолодження в металі зварного з’єднання встановлюється міцне з’єднання, його можна податливо деформувати за певних жорстких умов обмеження, і коли зварний шов і метал поблизу зварного шва можуть витримувати дію прикладеної напруги обмеження та внутрішньої залишкова напруга, тріщини не легко виникнути. схильність металу до розтріскування зварних з'єднань низька,І навпаки, коли напруга не витримується, міцне з’єднання в металі легко порушується, і виникають тріщини. У цьому випадку схильність металу зварного з'єднання до утворення тріщин висока. Метал зварювального з’єднання починається з температури кристалізації та затвердіння та охолоджується до кімнатної температури з певною швидкістю, і його чутливість до розтріскування визначається порівнянням деформаційної здатності та прикладеної деформації, а також порівнянням опору деформації та прикладеної напруги.
Однак під час процесу охолодження, на різних температурних стадіях, через різне зростання міжзеренної міцності та міцності зерна, розподіл деформації між зернами та всередині зерен, дифузійна поведінка, спричинена деформацією, є різною, а концентрація напруги різна. Різними є умови і фактори, що викликають окрихчення металу, різні слабкі ланки зварного з'єднання, фактори і ступінь його ослаблення.
Металургійні фактори і механічні фактори, що викликають тріщини в металі зварного з'єднання, тісно пов'язані між собою. Градієнт напруги в механічних факторах пов’язаний з градієнтом температури, що визначається характеристиками теплового циклу, а останній тісно пов’язаний з теплопровідністю металу, наприклад, термопластична зміна металу. У напружено-деформованому стані металу зварного з’єднання значною мірою важливу роль відіграють такі металургійні фактори, як характеристики, теплове розширення та перетворення мікроструктури.
Крім того, зі зниженням температури та зміною швидкості охолодження металургійні та механічні фактори також змінюються, а міцність металу зварного з’єднання різна в різних діапазонах температур. Наприклад, якщо діапазон температур кристалізації великий, температура лінії твердої фази низька, і це, швидше за все, спричинить концентрацію напруги в легкоплавкому рідкому металі, що залишився між зернами, що призведе до тріщин у металі твердої фази;
Подібним чином, коли температура знижується, якщо величина усадки є великою, особливо за умови швидкого охолодження, коли швидкість усадкової деформації є високою, а стан напруги-деформації є більш серйозним, схильні до появи тріщин тощо.
На пізній стадії затвердіння і кристалізації металу шва під час зварювання алюмінієвих сплавів легкоплавка евтектика видавлюється в центрі, де кристали зустрічаються, утворюючи так звану «рідку плівку». Коли вільна усадка створює велике напруження розтягування, рідка плівка утворює відносно слабку ланку в цей час, і під дією напруги розтягування вона може тріснути в слабкій зоні з утворенням тріщини.
3. Механізм утворення гарячої тріщини
Для вивчення найбільш ймовірного часу виникнення гарячих тріщин при зварюванні алюмінієвих сплавів кристалізацію зварювальної ванни під час зварювання алюмінієвих сплавів поділяють на три етапи.
Перший етап - стадія рідина-тверде. Коли зварювальна ванна починає кристалізуватися від високотемпературного охолодження, існує лише невелика кількість кристалічних зародків. При зниженні температури і подовженні часу охолодження зародок кристала поступово розростається і з'являється новий зародок кристала, але при цьому рідка фаза завжди займає велику кількість, і немає контакту між сусідніми кристалічними зернами. Вільне течія незатверділого рідкого алюмінієвого сплаву не є перешкодою.
У цьому випадку, навіть якщо існує напруга розтягування, відкритий зазор може бути заповнений з часом рідким металом алюмінієвого сплаву, тому ймовірність тріщин на стадії рідина-тверде тіло дуже мала.
Друга стадія - стадія тверда рідина. Коли кристалізація ванни зварювального розплаву продовжується, тверда фаза в ванні розплаву продовжує збільшуватися, а раніше кристалізовані зародки продовжують рости. Коли температура падає до певного значення, затверділі металеві кристали алюмінієвого сплаву контактують один з одним і безперервно згортаються разом. У цей час потік рідкого алюмінієвого сплаву перешкоджає, тобто кристалізація розплавленої ванни увійшла в стадію твердої рідини.
У цьому випадку, через відсутність рідкого алюмінієвого сплаву, деформація самого кристала може сильно розвинутися, рідка фаза, що залишається між кристалами, не легко протікає, а крихітні зазори, що утворюються під дією напруги розтягування, не можуть Наявність напруги розтягування може спричинити утворення тріщин. Тому цю стадію називають «зоною крихких температур».
Третя стадія - стадія повного застигання. Зварний шов, утворений після повного затвердіння розплавленого металу, демонструватиме хорошу міцність і пластичність при навантаженні на розтяг. Імовірність тріщин на цій стадії відносно невелика. .
Тому, коли температура вища або нижча, ніж температурна зона крихкості між ab, метал шва має більшу здатність протистояти кристалізаційним тріщинам і меншу тенденцію до утворення тріщин. Загалом, для металів з меншою кількістю домішок (включаючи основний метал і зварювальні матеріали) через вузький діапазон температур крихкості розтягуюча напруга діє в цьому діапазоні протягом короткого часу, так що загальна деформація зварного шва є відносно невеликою.
Таким чином, тенденція до тріщин, що утворюються під час зварювання, менша. Якщо в зварному шві більше домішок, діапазон температур крихкості ширший, напруга розтягування в цьому діапазоні довша, а тенденція до розтріскування більша.
4. Заходи профілактики зварювальних тріщин алюмінієвих сплавів
Відповідно до механізму утворення гарячих тріщин під час зварювання алюмінієвих сплавів можна покращити два аспекти металургійних факторів і факторів процесу, щоб зменшити ймовірність гарячих тріщин при зварюванні алюмінієвих сплавів.
З точки зору металургійних факторів, щоб запобігти міжкристалічним термічним тріщинам під час зварювання, це головним чином шляхом регулювання системи металу зварювального шва або додавання модифікатора до присадного металу. Основною метою налаштування системи зварювального шва з точки зору стійкості до тріщин є контроль відповідної кількості легкоплавкої евтектики та звуження діапазону температур кристалізації.
Оскільки алюмінієві сплави є типовими евтектичними сплавами, максимальна схильність до розтріскування відповідає «максимальному» діапазону температур затвердіння сплаву, а присутність невеликої кількості евтектики завжди збільшує схильність до розтріскування при затвердінні. Вміст елементів перевищує склад сплаву, де схильність до розтріскування найбільша, так що може виникнути ефект «зцілення».
В якості модифікаторів мікроелементи, такі як Ti, Zr, V і B, були додані до присадного металу в спробі поліпшити пластичність і в'язкість шляхом подрібнення зерен і для запобігання гарячих тріщин під час зварювання. , та досягнуті результати. На малюнку 3 показано результати випробувань на стійкість до розтріскування зварювального дроту Al-4.5%Mg із додаванням модифікатора за умов жорсткого кутового шва внапуск.
Zr, доданий у тесті, становив {{0}}.15%, а Ti+B становив 0,1%. Можна побачити, що одночасне додавання Ti і B може значно підвищити стійкість до розтріскування. Спільною рисою таких елементів, як Ti, Zr, V, B і Ta, є те, що вони можуть утворювати низку перитектичних реакцій з алюмінієм з утворенням сполук тугоплавких металів (Al3Ti, Al3Zr, Al7V, AlB2, Al3Ta тощо). Такі дрібні вогнетривкі частинки можуть стати неспонтанними зародками затвердіння, коли рідкий метал затвердіє, тим самим створюючи ефект подрібнення зерна.
З точки зору факторів процесу, головним чином специфікацій зварювання, попереднього нагріву, форми з’єднання та послідовності зварювання, усі ці методи базуються на зварювальному напруженні для усунення зварювальних тріщин. Параметри процесу зварювання впливають на дисбаланс процесу затвердіння та стан мікроструктури процесу затвердіння, а також впливають на швидкість зростання деформації під час процесу затвердіння, таким чином впливаючи на утворення тріщин.
Метод зварювання з концентрованою тепловою енергією сприяє швидкому процесу зварювання, що може запобігти утворенню грубих стовпчастих кристалів із сильною спрямованістю, тим самим підвищуючи стійкість до тріщин. Використання невеликого зварювального струму та уповільнення швидкості зварювання може зменшити перегрів ванни розплаву та підвищити стійкість до розтріскування.
Підвищення швидкості зварювання сприяє збільшенню швидкості деформації зварного з'єднання, що підвищує схильність до утворення гарячих тріщин. Можна побачити, що збільшення швидкості зварювання та зварювального струму сприяє збільшенню схильності до утворення тріщин. Під час складання та зварювання алюмінієвої конструкції зварювальний шов не піддається великій жорсткості, і в процесі можна застосовувати такі заходи, як сегментоване зварювання, попередній нагрів або відповідне зниження швидкості зварювання.
Завдяки попередньому нагріванню можна зменшити відносне розширення випробного зразка, відповідно зменшити напругу зварювання та напругу в діапазоні температур крихкості; намагайтеся використовувати стикове зварювання з відкритими канавками та невеликими зазорами, уникайте використання хрестоподібних з’єднань і неправильного розташування та послідовності зварювання; коли зварювання закінчується або переривається, дуговий кратер слід вчасно заповнити, а потім видалити джерело тепла, інакше це легко спричинить тріщини дугового кратера. У зварних з’єднаннях багатошарового зварювання сплавів серії 5000 мікротріщини часто утворюються внаслідок локального плавлення міжзерен, тому потрібно контролювати підведення тепла наступного шару зварного шва.
Відповідно до тесту в цій статті, для зварювання алюмінієвого сплаву очищення поверхні основного металу та наповнювача також є дуже важливим. Включення матеріалу в зварний шов стане джерелом тріщин і основною причиною зниження продуктивності зварного шва.
