Selv om aluminium og dets legeringer har blitt brukt til å sveise inn i mange viktige produkter, er ikke selve sveiseproduksjonen uten vanskeligheter. Hovedproblemene er: porer i sveisen, sveising av varme sprekker og "lik styrke" av skjøter. På grunn av den sterke kjemiske aktiviteten til aluminium og dets legeringer, er det lett å danne en oksidfilm på overflaten, og de fleste av dem har ildfaste egenskaper (for eksempel er smeltepunktet til Al2O3 2050 grader, og smeltepunktet til MgO er 2500 grader). I tillegg har aluminium og dets legeringer sterk varmeledningsevne. Det er lett å forårsake ikke-fusjonsfenomen under sveising. Siden tettheten til oksidfilmen er veldig nær den til aluminium, er det også lett å bli inneslutninger i sveisemetallet. Samtidig kan oksidfilmen (spesielt oksidfilmen med tilstedeværelse av MgO, som ikke er veldig tett) absorbere mer fuktighet og ofte bli en av de viktige årsakene til sveiseporer.
I tillegg har aluminium og dets legeringer en stor lineær ekspansjonskoeffisient og sterk varmeledningsevne, og er utsatt for deformering under sveising. Dette er også ganske vanskelige problemer i sveiseproduksjonen. I det følgende gjennomføres en dybdeanalyse av de relativt alvorlige sprekkene som ble generert under testen.
1. Sprekker og deres egenskaper i sveisede skjøter av aluminiumslegering
I prosessen med aluminiumslegeringssveising, på grunn av de forskjellige typene, egenskapene og sveisestrukturene til materialer, kan det oppstå forskjellige sprekker i de sveisede skjøtene, og formen og distribusjonsegenskapene til sprekkene er svært komplekse. I henhold til deres genererte deler kan de deles inn i følgende to typer sprekker:
(1) Sprekker i sveisemetall: langsgående sprekker, tverrsprekker, kratersprekker, hår- eller buesprekker, rotsprekker og mikrosprekker (spesielt ved flerlagssveising).
(2) Sprekker i den varmepåvirkede sonen: sveisetåsprekker, laminære sprekker og mikroskopiske termiske sprekker nær fusjonslinjen. I henhold til temperaturområdet for sprekkgenerering er den delt inn i varm sprekk og kald sprekk. Varm sprekk genereres ved høy temperatur under sveising, som hovedsakelig er forårsaket av segregering av legeringselementer på korngrensen eller eksistensen av stoffer med lavt smeltepunkt.
Avhengig av materialet til metallet som skal sveises, er formen, temperaturområdet og hovedårsakene til forekomsten av varme sprekker også forskjellige. Varme sprekker kan deles inn i tre kategorier: krystalliseringssprekker, flytende sprekker og polygonale sprekker. Krystallisasjonssprekker produseres hovedsakelig i varme sprekker. Under krystalliseringsprosessen til sveisen, nær solidus-linjen, på grunn av krympingen av det størknede metallet, kan det gjenværende flytende metallet ikke fylles i tide.
Intergranulær sprekkdannelse oppstår under påvirkning av størkningskrympespenning eller ytre kraft, som hovedsakelig forekommer i karbonstål, lavlegerte stålsveiser og noen aluminiumslegeringer med flere urenheter; flytende sprekker varmes opp i den varmepåvirkede sonen til Produseres under påvirkning av krympestress under høytemperatur korngrensestørkning.
Under testen ble det funnet at når overflaten av fyllmaterialet ikke var tilstrekkelig rengjort, var det fortsatt mange inneslutninger og en liten mengde porer i sveisen etter sveising. I de tre settene med tester, siden sveisefyllmaterialet er en støpt struktur, og inneslutningene er stoffer med høyt smeltepunkt, vil det fortsatt eksistere i sveisen etter sveising;
I tillegg er støpestrukturen relativt sparsom, og det er mange hull, som er enkle å absorbere komponentene som inneholder krystallvann og oljekvalitet, som vil bli faktorene som genererer porer under sveiseprosessen. Når sveisen er under strekkspenning, blir disse inneslutningene og porene ofte nøkkelstedene for å indusere mikrosprekker.
Ytterligere observasjon ved mikroskopi avslørte at det var en klar tendens til at disse inneslutningene og pore-induserte mikrosprekkene krysset hverandre. Det er imidlertid fortsatt vanskelig å bedømme om den skadelige effekten av inneslutningene i hovedsak manifesterer seg som en spenningskonsentrasjonskilde for å indusere sprekker, eller den hovedsakelig manifesterer seg som en sprø fase for å indusere sprekker.
I tillegg er det generelt antatt at porene i sveiser av aluminium-magnesiumlegering ikke har en vesentlig innvirkning på sveisemetallets strekkfasthet. fenomen med sprekker.
Hvorvidt fenomenet med porøsitet-induserte mikrosprekker bare er et sekundært fenomen eller en av hovedfaktorene som forårsaker en betydelig reduksjon i strekkfastheten til sveiser, gjenstår å studere nærmere.
2. Prosessen med generering av varme sprekker
For tiden anses Prokhorovs teori for å være mer komplett i inn- og utland om teorien om sveising av varme sprekker. Generelt sett mener teorien at forekomsten av krystallinske sprekker hovedsakelig avhenger av følgende tre aspekter: størrelsen på det sprø temperaturområdet; duktiliteten til legeringen i dette temperaturområdet og deformasjonshastigheten til metallet i det sprø temperaturområdet.
Vanligvis kaller folk størrelsen på det sprø temperaturområdet og duktilitetsverdien i dette temperaturområdet som den metallurgiske faktoren som produserer varme sveisesprekker, og deformasjonshastigheten til metallet i det sprø temperaturområdet kalles den mekaniske faktoren.
Sveiseprosessen er syntesen av en rekke ubalanserte prosesser. Denne funksjonen er i hovedsak relatert til de metallurgiske og mekaniske faktorene til metallbruddet i sveiseskjøten. For eksempel er produktene fra sveiseprosessen og den metallurgiske prosessen fysiske og kjemiske. og strukturell inhomogenitet, slagg og inneslutninger, gasselementer og vakanser i overmettede konsentrasjoner, etc.
Alle disse er metallurgiske faktorer som er nært knyttet til initiering og utvikling av sprekker. Fra perspektivet til mekaniske faktorer vil den spesifikke temperaturgradienten og kjølehastigheten til den termiske sveisesyklusen, under visse tilbakeholdende forhold, gjøre sveiseskjøten i en kompleks spenningstøyningstilstand, og dermed gi nødvendige forhold for initiering og utvikling av sprekker.
I sveiseprosessen vil den kombinerte effekten av metallurgiske faktorer og mekaniske faktorer tilskrives to aspekter, det vil si om man skal styrke metallforbindelsen eller svekke metallforbindelsen. Hvis det etableres en styrkeforbindelse i metallet i sveiseskjøten under avkjøling, kan det belastes godt under visse stive fastholdingsforhold, og når sveisen og metallet nær sveisen tåler påvirkningen av den påførte fastspenningen og den iboende. restspenning er det ikke lett å oppstå sprekker. , er følsomheten for metallsprekker for sveisede skjøter lav,Motsatt, når spenningen ikke kan tolereres, blir styrkeforbindelsen i metallet lett avbrutt, og det vil oppstå sprekker. I dette tilfellet er sprekkmotstanden til det sveisede skjøtemetallet høy. Sveiseforbindelsesmetallet starter fra temperaturen for krystallisering og størkning, og avkjøles til romtemperatur med en viss hastighet, og sprekkfølsomheten bestemmes av sammenligningen av deformasjonskapasitet og påført belastning, og sammenligningen av deformasjonsmotstand og påført spenning.
Imidlertid, under kjøleprosessen, ved forskjellige temperaturstadier, på grunn av ulik vekst av intergranulær styrke og kornstyrke, fordelingen av deformasjon mellom korn og innenfor korn, er diffusjonsoppførselen indusert av tøyning forskjellig, og spenningskonsentrasjonen er forskjellig. Forholdene og faktorene som forårsaker metallsprøhet er forskjellige, de spesifikke svake leddene til sveiseskjøten og faktorene og gradene av svekkelsen er også forskjellige.
De metallurgiske faktorene og mekaniske faktorer som forårsaker sprekker i det sveisede skjøtemetallet er nært beslektet. Spenningsgradienten i de mekaniske faktorene er relatert til temperaturgradienten bestemt av de termiske sykluskarakteristikkene, og sistnevnte er nært knyttet til den termiske ledningsevnen til metallet, slik som den termoplastiske endringen av metallet. Metallurgiske faktorer som egenskaper, termisk ekspansjon og mikrostrukturtransformasjon spiller i stor grad en viktig rolle i spennings-tøyningstilstanden til det sveisede skjøtemetallet.
I tillegg, når temperaturen synker og kjølehastigheten endres, endres også de metallurgiske og mekaniske faktorene, og styrken til det sveisede skjøtemetallet er forskjellig i forskjellige temperaturområder. For eksempel, hvis krystalliseringstemperaturområdet er stort, er faststoff-faselinjetemperaturen lav, og det er mer sannsynlig å forårsake spenningskonsentrasjon ved det lavtsmeltende flytende metallet som er igjen mellom kornene, noe som resulterer i sprekker i fastfasemetallet;
Tilsvarende, når temperaturen synker, hvis krympingsmengden er stor, spesielt under betingelse av rask avkjøling, når krympingstøyningshastigheten er høy og spenningstøyningstilstanden er mer alvorlig, er det tilbøyelig til sprekker og så videre.
I det senere stadiet av størkning og krystallisering av sveisemetallet under sveising av aluminiumslegeringer, presses det lavtsmeltende eutektikaet ut i midten der krystallene møtes, og danner en såkalt "flytende film". Når den frie krympingen gir en stor strekkspenning, danner væskefilmen et relativt svakt ledd på dette tidspunktet, og under påvirkning av strekkspenningen kan det sprekke i det svake området for å danne en sprekk.
3. Mekanismen for generering av varme sprekker
For å studere det mest sannsynlige tidspunktet for varme sprekker å oppstå når aluminiumslegeringer sveises, er krystalliseringen av sveisebassenget under aluminiumslegeringssveising delt inn i tre trinn.
Det første trinnet er væske-faststoff-stadiet. Når sveisebassenget begynner å krystallisere fra høytemperaturkjøling, eksisterer bare et lite antall krystallkjerner. Med reduksjonen av temperaturen og forlengelsen av kjøletiden vokser krystallkjernen gradvis opp, og ny krystallkjerner vises, men i denne prosessen opptar væskefasen alltid en stor mengde, og det er ingen kontakt mellom tilstøtende krystallkorn. Den frie flyten av den ustørknede flytende aluminiumslegeringen utgjør ingen hindring.
I dette tilfellet, selv om det er strekkspenning, kan det åpnede gapet fylles i tide av det flytende flytende metallet av aluminiumslegering, så muligheten for sprekker i væske-faststoffstadiet er svært liten.
Det andre trinnet er fast-væske-stadiet. Når krystalliseringen av sveisesmeltebassenget fortsetter, fortsetter den faste fasen i smeltebassenget å øke, og de tidligere krystalliserte kjernene fortsetter å vokse. Når temperaturen synker til en viss verdi, blir det størknede aluminiumslegeringsmetallet Krystallene i kontakt med hverandre og rulles kontinuerlig sammen. På dette tidspunktet hindres strømmen av den flytende aluminiumslegeringen, det vil si at krystalliseringen av det smeltede bassenget har gått inn i fast-væske-stadiet.
I dette tilfellet, på grunn av mangelen på flytende aluminiumlegeringsmetall, kan deformasjonen av selve krystallen utvikles sterkt, væskefasen som er igjen mellom krystallene er ikke lett å flyte, og de små hullene som genereres under påvirkning av strekkspenning kan ikke fylles, så lenge det er en liten Tilstedeværelse av strekkspenning har potensial til å generere sprekker. Derfor kalles dette stadiet den "sprø temperatursonen".
Det tredje trinnet er det fullstendige størkningsstadiet. Sveisen som dannes etter at det smeltede bassengmetallet er fullstendig størknet vil vise god styrke og plastisitet når den utsettes for strekkspenning. Muligheten for sprekker i dette stadiet er relativt liten. .
Derfor, når temperaturen er høyere eller lavere enn den sprø temperatursonen mellom ab, har sveisemetallet en større evne til å motstå krystalliseringssprekker og en mindre sprekketendens. Generelt, for metaller med mindre urenheter (inkludert uedelt metall og sveisematerialer), på grunn av det smale sprø temperaturområdet, virker strekkspenningen i dette området i kort tid, slik at den totale belastningen av sveisen er relativt liten.
Derfor er tendensen til sprekker generert under sveising mindre. Hvis det er flere urenheter i sveisen, er det sprø temperaturområdet bredere, strekkspenningen i dette området er lengre, og tendensen til å sprekke er større.
4. Forebyggende tiltak for sveisesprekker av aluminiumslegering
I henhold til mekanismen for varme sprekker under sveising av aluminiumslegeringer, kan forbedringer gjøres fra to aspekter av metallurgiske faktorer og prosessfaktorer for å redusere sannsynligheten for varme sprekker ved sveising av aluminiumslegeringer.
Når det gjelder metallurgiske faktorer, for å forhindre intergranulære termiske sprekker under sveising, er det hovedsakelig ved å justere sveisesømmetallsystemet eller legge til en modifiseringsmiddel til fyllmetallet. Fokuset for å justere sveisesutursystemet, fra perspektivet til sprekkmotstand, er å kontrollere en passende mengde smeltbart eutektikk og begrense krystalliseringstemperaturområdet.
Siden aluminiumslegeringer er typiske eutektiske legeringer, tilsvarer den maksimale sprekketendensen det "maksimale" størkningstemperaturområdet til legeringen, og tilstedeværelsen av en liten mengde eutektikk øker alltid størkningssprekketendensen. Grunnstoffinnholdet overstiger legeringssammensetningen der sprekk-tendensen er størst, slik at det kan oppstå en "helbredende" effekt.
Som modifikatorer ble sporelementer som Ti, Zr, V og B tilsatt til fyllmetallet i et forsøk på å forbedre plastisiteten og seigheten ved å raffinere kornene, og for å forhindre varme sprekker ved sveising. , og oppnådde resultater. Figur 3 viser sprekkmotstandstestresultatene for Al-4.5%Mg sveisetråd med modifiseringsmiddel tilsatt under stiv overlappsveis.
Zr lagt til i testen var {{0}},15 %, og Ti+B var 0,1 %. Det kan sees at tilsetning av Ti og B samtidig kan forbedre sprekkmotstanden betydelig. Fellestrekket til grunnstoffer som Ti, Zr, V, B og Ta er at de kan danne en serie peritektiske reaksjoner med aluminium for å danne ildfaste metallforbindelser (Al3Ti, Al3Zr, Al7V, AlB2, Al3Ta, etc.). Slike små ildfaste partikler kan bli ikke-spontane størkningskjerner når det flytende metallet størkner, og derved produsere effekten av kornforfining.
Når det gjelder prosessfaktorer, hovedsakelig sveisespesifikasjoner, forvarming, fugeform og sveisesekvens, er disse metodene alle basert på sveisespenning for å løse sveisesprekker. Sveiseprosessparametrene påvirker ubalansen i størkningsprosessen og mikrostrukturtilstanden til størkningsprosessen, og påvirker også tøyningsveksthastigheten under størkningsprosessen, og påvirker dermed genereringen av sprekker.
Sveisemetoden med konsentrert varmeenergi bidrar til den raske sveiseprosessen, som kan forhindre dannelsen av grove søylekrystaller med sterk retning, og dermed forbedre motstanden mot sprekker. Å bruke en liten sveisestrøm og senke sveisehastigheten kan redusere overopphetingen av smeltebassenget og forbedre sprekkmotstanden.
Økningen av sveisehastigheten fremmer økningen av tøyningshastigheten til sveiseskjøten, noe som øker tendensen til varm sprekkdannelse. Det kan sees at økning av sveisehastigheten og sveisestrømmen fremmer økningen av sprekk-tendensen. Under montering og sveising av aluminiumsstrukturen utsettes ikke sveisesømmen for stor stivhet, og tiltak som segmentert sveising, forvarming eller passende reduksjon av sveisehastigheten kan tas i bruk i prosessen.
Gjennom forvarming kan den relative ekspansjonen av prøvestykket gjøres mindre, sveisespenningen kan reduseres tilsvarende, og spenningen i det sprø temperaturområdet kan reduseres; prøv å bruke stumpsveising med åpne riller og små mellomrom, og unngå bruk av korsformede skjøter og Feil plassering og sveisesekvens; når sveisingen avsluttes eller avbrytes, bør buekrateret fylles i tide, og deretter bør varmekilden fjernes, ellers vil det lett forårsake sprekker i buekrateret. For de sveisede skjøtene til 5000-seriens legeringsflerlagssveising genereres ofte mikrosprekker på grunn av lokal smelting av det intergranulære, så varmetilførselen til neste lag med sveisestreng må kontrolleres.
I henhold til testen i denne artikkelen, for sveising av aluminiumslegering, er overflaterengjøringen av basismetallet og fyllmaterialet også svært viktig. Inkludering av materiale i sveisen vil bli kilden til sprekker og hovedårsaken til nedgangen i sveiseytelsen.
