Συνηθισμένα ελαττώματα στη συγκόλληση με λέιζερ κραμάτων αλουμινίου

Συνηθισμένα ελαττώματα στοΣυγκόλληση με λέιζερ από κράμα αλουμινίου

Είτε αυτογενής συγκόλληση με λέιζερ είτευβριδική συγκόλληση με λέιζερ-τόξοχρησιμοποιείται για κράματα αλουμινίου, υπάρχουν ορισμένα κοινά τεχνικά ζητήματα, δηλαδή, μπορεί να προκύψουν ελαττώματα εάν οι παράμετροι της διεργασίας και οι συνθήκες συγκόλλησης είναι μεταλλουργικέςακατάλληλο. ΤοΤα γενικά ελαττώματα στις ενώσεις κραμάτων αλουμινίου περιλαμβάνουν κυρίως δύο τύπους: το πορώδες συγκόλλησης και τις θερμές ρωγμές συγκόλλησης. Εκτός από το πορώδες και τις θερμές ρωγμές, ελαττώματα όπως η υποσκαφή και ο κακός σχηματισμός της πίσω όψης υπάρχουν επίσης στη συγκόλληση με λέιζερ κραμάτων αλουμινίου. Σε σύγκριση με το πορώδες συγκόλλησης, η πιθανότητα ρωγμών συγκόλλησης (ορατές με γυμνό μάτι ή με χαμηλή μεγέθυνση) δεν είναι υψηλή. Ωστόσο, επειδή οι ρωγμές είναι πιο επικίνδυνες, το JIS Z 3105 ορίζει ότι μόλις ανιχνευθεί μια ρωγμή σε μια συγκόλληση, η συγκόλληση θα πρέπει να κρίνεται ως Κλάση IV. Η υποσκαφή, ο κακός σχηματισμός της πίσω όψης και άλλα ελαττώματα είναι ως επί το πλείστον σοβαρά ελαττώματα που προκαλούνται από ακατάλληλο έλεγχο ταχύτητας ή ασύμβατες παραμέτρους διεργασίας. Τέτοια ελαττώματα εμφανίζονται γενικά στο στάδιο της εξερεύνησης και της αποσφαλμάτωσης της διεργασίας και σπάνια εμφανίζονται σε κανονικές πραγματικές παραγωγικές εργασίες. Επομένως, το πορώδες είναι ένας τύπος ελαττώματος που είναι πιο επιβλαβής στη συγκόλληση με λέιζερ κραμάτων αλουμινίου και στην υπηρεσία συγκολλημένων κατασκευών και είναι δύσκολο να εξαλειφθεί ουσιαστικά.

1. Πορώδες

Το πορώδες είναι το πιο συνηθισμένο και σημαντικότερο ελάττωμα όγκου σεσυγκόλληση με λέιζερ κραμάτων αλουμινίου, με μεγέθη που κυμαίνονται από εκατοντάδες μικρά έως αρκετά χιλιοστά. Ο μηχανισμός σχηματισμού του δεν είναι ακόμη πλήρως σαφής. Το πορώδες όχι μόνο αποδυναμώνει το αποτελεσματικό λειτουργικό τμήμα της συγκόλλησης, αλλά προκαλεί και συγκέντρωση τάσεων, μειώνοντας την δυναμική αντοχή και την απόδοση κόπωσης της συγκολλημένης σύνδεσης.

Όταν ένα κράμα αλουμινίου λιώνει σε περιβάλλον που περιέχει υδρογόνο, η εσωτερική του περιεκτικότητα σε υδρογόνο μπορεί να φτάσει περισσότερο από 0,69 ml/100g, αλλά μετά τη στερεοποίηση του κράματος, η διαλυτότητά του σε υδρογόνο σε ισορροπία είναι το πολύ 0,036 ml/100g. Πιστεύεται γενικά ότι κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ψύξης της συγκόλλησης με λέιζερ, η διαλυτότητα του υδρογόνου μειώνεται απότομα και η καθίζηση υπερκορεσμένου υδρογόνου θα σχηματίσει πορώδες υδρογόνου. Η εξάτμιση στοιχείων κράματος χαμηλού σημείου τήξης και υψηλής πίεσης ατμών μπορεί επίσης να οδηγήσει σε πορώδες, το οποίο ονομάζεται μεταλλουργικό πορώδες. Επιπλέον, η διαταραχή της δέσμης λέιζερ και η αστάθεια της κλειδαρότρυπας μπορούν επίσης να σχηματίσουν πορώδες, αλλά αυτό το πορώδες έχει ακανόνιστο σχήμα και μπορεί να ονομαστεί πορώδες που προκαλείται από τη διαδικασία. Λόγω της υψηλής χημικής δραστικότητας των κραμάτων αλουμινίου, σχηματίζεται εύκολα μια μεμβράνη οξειδίου στην επιφάνεια. Κατά τη συγκόλληση, το κρυσταλλικό νερό και το συνδυασμένο νερό που αποσυντίθενται από την μεμβράνη οξειδίου στην επιφάνεια του κράματος αλουμινίου, μαζί με την υγρασία στον αέρα και το προστατευτικό αέριο, αποσυντίθενται άμεσα για να παράγουν υδρογόνο στην περιοχή υψηλής θερμοκρασίας υπό την επίδραση του λέιζερ. Αυτά τα αέρια υδρογόνου μπορούν είτε να καθιζάνουν κατά την ψύξη και τη στερεοποίηση της λιωμένης δεξαμενής για να σχηματίσουν φυσαλίδες είτε να δημιουργήσουν απευθείας φυσαλίδες στο ατελώς λιωμένο φιλμ οξειδίου. Λόγω του χαμηλού ειδικού βάρους των κραμάτων αλουμινίου, η ταχύτητα ανόδου των φυσαλίδων στη λιωμένη δεξαμενή είναι αργή. Επιπλέον, τα κράματα αλουμινίου έχουν ισχυρή θερμική αγωγιμότητα και η ταχύτητα ψύξης και στερεοποίησης της λιωμένης δεξαμενής είναι εξαιρετικά γρήγορη. Ορισμένες φυσαλίδες δεν μπορούν να διαφύγουν με την πάροδο του χρόνου και παραμένουν στη συγκόλληση, σχηματίζοντας έτσι μεταλλουργικό πορώδες. Μελέτες έχουν δείξει ότι το κύριο αέριο στο πορώδες των συγκολλήσεων κραμάτων αλουμινίου είναι το υδρογόνο, επομένως το πορώδες στις συγκολλήσεις κραμάτων αλουμινίου ονομάζεται μερικές φορές πορώδες υδρογόνου. Κατά την παρατήρηση της θραύσης του πορώδους με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης, το πορώδες παρουσιάζει ως επί το πλείστον σφαιρική μορφολογία με σφιχτά διατεταγμένα δενδριτικά άκρα δενδριτικών κρυστάλλων και το εσωτερικό τοίχωμα είναι λείο, καθαρό και απαλλαγμένο από ίχνη οξείδωσης. Η ύπαρξη πορώδους όχι μόνο μειώνει τη συμπαγή κατάσταση της συγκόλλησης και τη φέρουσα ικανότητα της σύνδεσης, αλλά μειώνει επίσης την αντοχή και την πλαστικότητα της σύνδεσης σε διάφορους βαθμούς.

2. Θερμές ρωγμές

Οι θερμές ρωγμές (συμπεριλαμβανομένων των ρωγμών στερεοποίησης και των ρωγμών ρευστοποίησης) σχηματίζονται κατά τη διαδικασία στερεοποίησης του τηγμένου μετάλλου και αποτελούν έναν από τους συνηθισμένους τύπους ελαττωμάτων στη συγκόλληση με λέιζερ κραμάτων αλουμινίου. Το πιο προφανές χαρακτηριστικό της μορφολογίας θραύσης των ρωγμών στερεοποίησης είναι ότι η επιφάνεια θραύσης αποτελείται από μια μεγάλη περιοχή λείων αλλά ανώμαλων κοκκωδών κυβόλιθων ή δομών που μοιάζουν με πατάτα, και η επιφάνεια συχνά διατηρεί ενδοκοκκώδεις ευτηκτικές ενώσεις χαμηλού σημείου τήξης ή πτυχές υγρής μεμβράνης, καθώς και ίχνη εύθραυστου θραύσματος δενδριτών. Η μορφολογία θραύσης των ρωγμών ρευστοποίησης είναι παρόμοια με αυτή των ρωγμών στερεοποίησης, αλλά έχει τα χαρακτηριστικά ενδοκοκκώδους θραύσης υψηλής θερμοκρασίας ή θραύσης στερεοποίησης. Στο κάταγμα κόπωσης των συγκολλημένων με σύντηξη αρμών υπό φορτίο κόπωσης, οι πηγές ρωγμών κόπωσης που προκαλούνται από τέτοιες θερμές ρωγμές είναι επίσης συχνές. Οι αιτίες των θερμών ρωγμών στη συγκόλληση με λέιζερ κραμάτων αλουμινίου σχετίζονται κυρίως με τα δικά τους χαρακτηριστικά και τις διαδικασίες συγκόλλησης. Τα κράματα αλουμινίου έχουν μεγάλο ρυθμό συρρίκνωσης κατά τη στερεοποίηση (έως 5%), με αποτέλεσμα μεγάλη τάση συγκόλλησης και παραμόρφωση. Επιπλέον, κατά τη στερεοποίηση του μετάλλου συγκόλλησης σχηματίζονται ευτηκτικές δομές χαμηλού σημείου τήξης κατά μήκος των ορίων των κόκκων, γεγονός που αποδυναμώνει τη δύναμη συγκόλλησης των ορίων των κόκκων, σχηματίζοντας έτσι θερμές ρωγμές υπό την επίδραση της εφελκυστικής τάσης. Επιπλέον, οι μορφολογίες ρωγμών στη συγκόλληση με λέιζερ κραμάτων αλουμινίου μπορούν να συνοψιστούν στις ακόλουθες κατηγορίες: ρωγμές στο κέντρο της συγκόλλησης, ρωγμές στη γραμμή σύντηξης της συγκόλλησης, διακρυσταλλικές ρωγμές στις συγκολλήσεις, ρωγμές ρευστοποίησης ζώνης που επηρεάζεται από τη θερμότητα, ρωγμές που προκαλούνται από μεμβράνες οξειδίου και διακρυσταλλικές μικρορωγμές.

Επιπλέον, η κακή προστασία κατά τη συγκόλληση προκαλεί την αντίδραση του μετάλλου συγκόλλησης με αέρια στον αέρα, και τα σχηματιζόμενα εγκλείσματα είναι επίσης πιθανές πηγές ρωγμών. Ο τύπος και η ποσότητα των στοιχείων κράματος έχουν μεγάλη επίδραση στην τάση για θερμή ρωγμάτωση κατά τη συγκόλληση κραμάτων αλουμινίου. Γενικά, τα κράματα αλουμινίου των σειρών Al-Si και Al-Mn έχουν καλή συγκολλησιμότητα και δεν είναι εύκολο να δημιουργηθούν θερμές ρωγμές, ενώ τα κράματα αλουμινίου των σειρών Al-Mg, Al-Cu και Al-Zn έχουν σχετικά υψηλές τάσεις θερμής ρωγμάτωσης. Η τάση θερμής ρωγμάτωσης μπορεί να μειωθεί ρυθμίζοντας τις παραμέτρους της διαδικασίας συγκόλλησης για τον έλεγχο των ρυθμών θέρμανσης και ψύξης. Γενικά, η τάση θερμής ρωγμάτωσης της υβριδικής συγκόλλησης με λέιζερ-τόξο είναι καλύτερη από αυτή της συγκόλλησης με σύρμα πλήρωσης λέιζερ, και η τάση θερμής ρωγμάτωσης της συγκόλλησης με σύρμα πλήρωσης λέιζερ είναι καλύτερη από αυτή της αυτογενούς συγκόλλησης με λέιζερ.

3. Υποκοπή και Κάψιμο

Τα κράματα αλουμινίου έχουν χαμηλή ενέργεια ιονισμού και το φωτοεπαγόμενο πλάσμα είναι επιρρεπές σε υπερθέρμανση και διαστολή κατά τη συγκόλληση, με αποτέλεσμα ασταθείς διαδικασίες συγκόλλησης. Επιπλέον, τα υγρά κράματα αλουμινίου έχουν καλή ρευστότητα και χαμηλή επιφανειακή τάση. Για τη βελτίωση της διείσδυσης, συχνά απαιτείται μεγαλύτερος ρυθμός ροής προστατευτικού αερίου και ισχύς εξόδου λέιζερ, γεγονός που υποβαθμίζει τη σταθερότητα της διαδικασίας συγκόλλησης, προκαλώντας έντονες διακυμάνσεις της λιωμένης δεξαμενής υπό πίεση και οδηγώντας εύκολα σε ελαττώματα όπως υποκοπή και καύση. Η δυνατότητα μορφοποίησης στην πίσω πλευρά των πλακών κράματος αλουμινίου που έχουν συγκολληθεί με λέιζερ μπορεί να βελτιωθεί αποτελεσματικά με την εγκατάσταση μιας υδρόψυκτης χάλκινης πλάκας στο πίσω μέρος της συγκόλλησης.

4. Συμπερίληψη σκωρίας

Ένας άλλος τύπος ελαττώματος που εμφανίζεται συχνά στη συγκόλληση αμαξώματος αυτοκινήτου είναι η ενσωμάτωση σκωρίας συγκόλλησης. Μελέτες έχουν δείξει ότι η ενσωμάτωση σκωρίας προέρχεται κυρίως από οξείδια στην επιφάνεια των συγκολλήσεων και των συρμάτων συγκόλλησης, καθώς και από ασταθείς διεργασίες στον εντοπισμό υλικών κράματος αλουμινίου. Συνεπώς, οι κατασκευαστές υλικών κράματος αλουμινίου θα πρέπει να ενισχύσουν την τεχνολογική καινοτομία και να βελτιώσουν τις διαδικασίες χύτευσης για να ελαχιστοποιήσουν την περιεκτικότητα σε ακαθαρσίες και υδρογόνο στις πρώτες ύλες και να ενισχύσουν τη σταθερότητα της ποιότητας των προϊόντων.