Även om aluminium och dess legeringar har använts för att svetsa till många viktiga produkter, är själva svetsproduktionen inte utan svårigheter. Huvudproblemen är: porer i svetsen, svetsning av heta sprickor och "lika styrka" av fogar. På grund av den starka kemiska aktiviteten hos aluminium och dess legeringar är det lätt att bilda en oxidfilm på ytan, och de flesta av dem har eldfasta egenskaper (till exempel är smältpunkten för Al2O3 2050 grader och smältpunkten för MgO är 2500 grader). Dessutom har aluminium och dess legeringar stark värmeledningsförmåga. Det är lätt att orsaka icke-smältningsfenomen under svetsning. Eftersom densiteten hos oxidfilmen är mycket nära den för aluminium är det också lätt att bli inneslutningar i svetsmetallen. Samtidigt kan oxidfilmen (särskilt oxidfilmen med närvaro av MgO, som inte är särskilt tät) absorbera mer fukt och ofta bli en av de viktiga orsakerna till svetsporer.
Dessutom har aluminium och dess legeringar en stor linjär expansionskoefficient och stark värmeledningsförmåga och är benägna att deformeras under svetsning. Det är också ganska svåra problem vid svetsproduktion. I det följande utförs en djupgående analys av de relativt allvarliga sprickor som uppstår under testet.
1. Sprickor och deras egenskaper i svetsfogar av aluminiumlegering
I processen med aluminiumlegeringssvetsning, på grund av de olika typerna, egenskaperna och svetsstrukturerna hos material, kan olika sprickor uppstå i svetsfogarna, och sprickornas form och fördelningsegenskaper är mycket komplexa. Beroende på deras genererade delar kan de delas in i följande två typer av sprickor:
(1) Sprickor i svetsmetall: längsgående sprickor, tvärgående sprickor, kratersprickor, hår- eller bågsprickor, rotsprickor och mikrosprickor (särskilt vid flerskiktssvetsning).
(2) Sprickor i den värmepåverkade zonen: svetståsprickor, laminära sprickor och mikroskopiska termiska sprickor nära smältlinjen. Beroende på temperaturintervallet för sprickbildning är den uppdelad i varm spricka och kall spricka. Varmsprickor genereras vid hög temperatur under svetsning, vilket främst orsakas av segregeringen av legeringselement på korngränsen eller förekomsten av ämnen med låg smältpunkt.
Beroende på materialet i metallen som ska svetsas är formen, temperaturområdet och huvudorsakerna till uppkomsten av heta sprickor också olika. Heta sprickor kan delas in i tre kategorier: kristallisationssprickor, flytande sprickor och polygonala sprickor. Kristallisationssprickor produceras huvudsakligen i heta sprickor. Under kristallisationsprocessen av svetsen, nära soliduslinjen, på grund av krympningen av den stelnade metallen, kan den kvarvarande flytande metallen inte fyllas i tid.
Intergranulär sprickbildning uppstår under inverkan av stelningskrympspänning eller yttre kraft, som huvudsakligen förekommer i kolstål, låglegerade stålsvetsar och vissa aluminiumlegeringar med fler föroreningar; vätskesprickor värms upp i den värmepåverkade zonen till Produceras under inverkan av krympspänning under högtemperaturkorngränsens stelning.
Under testet visade det sig att när ytan på tillsatsmaterialet inte var tillräckligt rengjord fanns det fortfarande många inneslutningar och en liten mängd porer i svetsen efter svetsningen. I de tre uppsättningarna av tester, eftersom svetsfyllnadsmaterialet är en gjuten struktur, och inneslutningarna är ämnen med hög smältpunkt, kommer det fortfarande att finnas i svetsen efter svetsning;
Dessutom är gjutstrukturen relativt sparsam, och det finns många hål som är lätta att absorbera komponenterna som innehåller kristallvatten och oljekvalitet, vilket kommer att bli de faktorer som genererar porer under svetsprocessen. När svetsen är under dragpåkänning blir dessa inneslutningar och porer ofta nyckelplatserna för att framkalla mikrosprickor.
Ytterligare observation med mikroskopi visade att det fanns en tydlig tendens för dessa inneslutningar och porinducerade mikrosprickor att skära varandra. Det är dock fortfarande svårt att bedöma om den skadliga effekten av inneslutningarna huvudsakligen manifesteras som en spänningskoncentrationskälla för att inducera sprickor, eller om den huvudsakligen manifesteras som en spröd fas för att framkalla sprickor.
Dessutom antas det allmänt att porer i aluminium-magnesiumlegeringssvetsar inte har någon betydande inverkan på svetsmetallens draghållfasthet. fenomen med sprickor.
Huruvida fenomenet med porositetsinducerade mikrosprickor bara är ett sekundärt fenomen eller en av huvudfaktorerna som orsakar en avsevärd minskning av draghållfastheten hos svetsar återstår att studera ytterligare.
2. Processen för generering av heta sprickor
För närvarande anses Prokhorovs teori vara mer komplett hemma och utomlands om teorin om svetsning av heta sprickor. Generellt sett anser teorin att förekomsten av kristallina sprickor huvudsakligen beror på följande tre aspekter: storleken på det spröda temperaturområdet; duktiliteten hos legeringen i detta temperaturområde och metallens deformationshastighet i det spröda temperaturområdet.
Vanligtvis kallar människor storleken på det spröda temperaturområdet och duktilitetsvärdet i detta temperaturområde som den metallurgiska faktorn som producerar heta svetssprickor, och deformationshastigheten för metallen i det spröda temperaturområdet kallas den mekaniska faktorn.
Svetsprocessen är syntesen av en serie obalanserade processprocesser. Denna egenskap är väsentligen relaterad till de metallurgiska och mekaniska faktorerna för metallbrottet i svetsfogen. Till exempel är produkterna från svetsprocessen och den metallurgiska processen fysikaliska och kemiska. och strukturell inhomogenitet, slagg och inneslutningar, gaselement och vakanser i övermättade koncentrationer etc.
Alla dessa är metallurgiska faktorer som är nära relaterade till initiering och utveckling av sprickor. Ur mekaniska faktorers perspektiv kommer den specifika temperaturgradienten och kylningshastigheten för den termiska svetscykeln, under vissa begränsningsförhållanden, att göra den svetsade fogen i ett komplext spännings-töjningstillstånd, vilket ger nödvändiga förutsättningar för initiering och utveckling av sprickor.
I svetsprocessen kommer den kombinerade effekten av metallurgiska faktorer och mekaniska faktorer att tillskrivas två aspekter, det vill säga om man ska stärka metallanslutningen eller försvaga metallförbindelsen. Om en hållfasthetsförbindelse upprättas i metallen i svetsfogen under kylning, kan den belastas eftergivligt under vissa stela fasthållningsförhållanden, och när svetsen och metallen nära svetsen kan motstå verkan av den applicerade begränsningsspänningen och den inneboende kvarvarande spänningar är det inte lätt att uppstå sprickor. , är känsligheten för metallsprickor hos svetsfogar låg,Omvänt, när spänningen inte kan tolereras, bryts hållfasthetsförbindelsen i metallen lätt och sprickor kommer att uppstå. I detta fall är sprickkänsligheten hos den svetsade metallen hög. Svetsfogmetallen börjar från temperaturen för kristallisation och stelning och kyls till rumstemperatur med en viss hastighet, och dess sprickkänslighet bestäms av jämförelsen av deformationskapacitet och applicerad töjning, och jämförelsen av deformationsmotstånd och applicerad spänning.
Men under kylningsprocessen, vid olika temperatursteg, på grund av den olika tillväxten av intergranulär styrka och kornstyrka, fördelningen av deformation mellan korn och inom korn, är diffusionsbeteendet som induceras av töjning olika, och spänningskoncentrationen är annorlunda. Förhållandena och faktorerna som orsakar metallförsprödning är olika, de specifika svaga länkarna i svetsfogen och faktorerna och graderna av dess försvagning är också olika.
De metallurgiska faktorer och mekaniska faktorer som orsakar sprickor i den svetsade metallen är nära besläktade. Spänningsgradienten i de mekaniska faktorerna är relaterad till temperaturgradienten som bestäms av de termiska cykelegenskaperna, och den senare är nära relaterad till metallens värmeledningsförmåga, såsom den termoplastiska förändringen av metallen. Metallurgiska faktorer såsom egenskaper, termisk expansion och mikrostrukturomvandling spelar i stor utsträckning en viktig roll i spännings-töjningstillståndet hos den svetsade fogmetallen.
Dessutom, när temperaturen sjunker och kylhastigheten ändras, förändras också de metallurgiska och mekaniska faktorerna, och styrkan hos den svetsade metallen är olika i olika temperaturområden. Till exempel, om kristallisationstemperaturområdet är stort, är fast faslinjetemperaturen låg, och det är mer sannolikt att orsaka spänningskoncentration vid den lågsmältande flytande metallen som finns kvar mellan kornen, vilket resulterar i sprickor i fastfasmetallen;
På liknande sätt, när temperaturen sjunker, om krympningsmängden är stor, speciellt under villkoren av snabb kylning, när krymptöjningshastigheten är hög och spännings-töjningstillståndet är allvarligare, är sprickor och så vidare benägna att uppstå.
I det senare skedet av stelningen och kristalliseringen av svetsmetallen under svetsning av aluminiumlegeringar, pressas det lågsmältande eutektiken ut i mitten där kristallerna möts och bildar en så kallad "vätskefilm". När den fria krympningen ger en stor dragspänning, bildar vätskefilmen en relativt svag länk vid denna tidpunkt, och under inverkan av dragpåkänningen kan den spricka i det svaga området för att bilda en spricka.
3. Mekanismen för generering av heta sprickor
För att studera den mest sannolika tiden för heta sprickor att uppstå när aluminiumlegeringar svetsas, delas kristalliseringen av svetsbadet under aluminiumlegeringssvetsning in i tre steg.
Det första steget är vätske-faststadiet. När svetsbadet börjar kristallisera från högtemperaturkylning finns endast ett litet antal kristallkärnor. Med minskningen av temperaturen och förlängningen av kylningstiden växer kristallkärnan gradvis upp och ny kristallkärna uppstår, men i denna process upptar vätskefasen alltid en stor mängd, och det finns ingen kontakt mellan intilliggande kristallkorn. Det fria flödet av den icke stelnade flytande aluminiumlegeringen utgör inget hinder.
I det här fallet, även om det finns dragspänning, kan det öppnade gapet fyllas i tid av den flytande aluminiumlegeringens flytande metall, så risken för sprickor i vätske-faststadiet är mycket liten.
Det andra steget är fast-vätskestadiet. När kristalliseringen av den smälta svetspoolen fortsätter, fortsätter den fasta fasen i den smälta poolen att öka, och de tidigare kristalliserade kärnorna fortsätter att växa. När temperaturen sjunker till ett visst värde kommer den stelnade aluminiumlegeringsmetallen Kristallerna i kontakt med varandra och rullas kontinuerligt ihop. Vid denna tidpunkt hindras flödet av den flytande aluminiumlegeringen, det vill säga att kristalliseringen av den smälta poolen har gått in i fast-vätskestadiet.
I det här fallet, på grund av bristen på flytande aluminiumlegeringsmetall, kan deformationen av själva kristallen utvecklas starkt, den flytande fasen som finns kvar mellan kristallerna är inte lätt att flyta och de små luckorna som genereras under inverkan av dragpåkänning kan inte fyllas, så länge det finns en liten. Förekomsten av dragspänning har potential att generera sprickor. Därför kallas detta steg för den "spröda temperaturzonen".
Det tredje steget är det fullständiga stelningssteget. Svetsen som bildas efter att den smälta metallen stelnat kommer att visa god hållfasthet och plasticitet när den utsätts för dragpåkänning. Risken för sprickor i detta skede är relativt liten. .
Därför, när temperaturen är högre eller lägre än den spröda temperaturzonen mellan ab, har svetsmetallen en större förmåga att motstå kristallisationssprickor och en mindre spricktendens. I allmänhet, för metaller med mindre föroreningar (inklusive basmetall och svetsmaterial), på grund av det smala spröda temperaturområdet, verkar dragspänningen i detta område under en kort tid, så att den totala töjningen av svetsen är relativt liten.
Därför är tendensen till sprickor som genereras under svetsning mindre. Om det finns fler föroreningar i svetsen är det spröda temperaturområdet bredare, dragspänningen i detta område är längre och benägenheten att spricka är större.
4. Förebyggande åtgärder för svetssprickor i aluminiumlegeringar
Enligt mekanismen för heta sprickor under svetsning av aluminiumlegeringar kan förbättringar göras från två aspekter av metallurgiska faktorer och processfaktorer för att minska sannolikheten för heta sprickor i aluminiumlegeringssvetsning.
När det gäller metallurgiska faktorer, för att förhindra intergranulära termiska sprickor under svetsning, är det huvudsakligen genom att justera svetssömsmetallsystemet eller lägga till en modifierare till tillsatsmetallen. Fokus för justering av svetssutursystemet, ur ett sprickmotståndsperspektiv, är att kontrollera en lämplig mängd smältbart eutektikum och begränsa kristallisationstemperaturområdet.
Eftersom aluminiumlegeringar är typiska eutektiska legeringar, motsvarar den maximala spricktendensen det "maximala" stelningstemperaturintervallet för legeringen, och närvaron av en liten mängd eutektikum ökar alltid spricktendensen för stelning. Elementhalten överstiger legeringssammansättningen där spricktendensen är störst, så att en "läkande" effekt kan uppstå.
Som modifierare tillsattes spårelement som Ti, Zr, V och B till tillsatsmetallen i ett försök att förbättra plasticiteten och segheten genom att förädla kornen och för att förhindra svetsade heta sprickor. och uppnådde resultat. Figur 3 visar sprickbeständighetstestresultaten för Al-4.5%Mg-svetstråd med modifierare tillsatt under tillståndet med styv kälsvets.
Zr som lades till i testet var {{0}},15 % och Ti+B var 0,1 %. Det kan ses att tillsats av Ti och B samtidigt kan förbättra sprickmotståndet avsevärt. Det gemensamma för element som Ti, Zr, V, B och Ta är att de kan bilda en serie peritetiska reaktioner med aluminium för att bilda eldfasta metallföreningar (Al3Ti, Al3Zr, Al7V, AlB2, Al3Ta, etc.). Sådana små eldfasta partiklar kan bli icke-spontana stelningskärnor när den flytande metallen stelnar, vilket ger effekten av kornförfining.
När det gäller processfaktorer, främst svetsspecifikationer, förvärmning, fogform och svetssekvens, är dessa metoder alla baserade på svetsspänning för att lösa svetssprickor. Svetsprocessparametrarna påverkar stelningsprocessens obalans och stelningsprocessens mikrostrukturtillstånd, och påverkar även spänningstillväxthastigheten under stelningsprocessen, vilket påverkar genereringen av sprickor.
Svetsmetoden med koncentrerad värmeenergi bidrar till den snabba svetsprocessen, vilket kan förhindra bildningen av grova kolumnformade kristaller med stark riktning, och därigenom förbättra sprickmotståndet. Att använda en liten svetsström och sakta ner svetshastigheten kan minska överhettningen av den smälta poolen och förbättra sprickmotståndet.
Ökningen av svetshastigheten främjar ökningen av töjningshastigheten för den svetsade fogen, vilket ökar tendensen till hetsprickbildning. Det kan ses att ökning av svetshastigheten och svetsströmmen främjar ökningen av spricktendensen. Under montering och svetsning av aluminiumstrukturen utsätts svetssömmen inte för stor styvhet, och åtgärder som segmenterad svetsning, förvärmning eller lämplig minskning av svetshastigheten kan vidtas i processen.
Genom förvärmning kan den relativa expansionen av provstycket göras mindre, svetsspänningen kan reduceras i enlighet därmed och spänningen i det spröda temperaturområdet kan minskas; försök att använda stumsvetsning med öppna spår och små mellanrum, och undvik användningen av korsformade fogar och Felaktig placering och svetssekvens; när svetsningen avslutas eller avbryts, bör bågkratern fyllas i tid, och sedan bör värmekällan tas bort, annars orsakar det lätt bågkratersprickor. För svetsfogarna i 5000-seriens legeringssvetsning, genereras ofta mikrosprickor på grund av lokal smältning av det intergranulära, så värmetillförseln från nästa lager av svetssträng måste kontrolleras.
Enligt testet i detta dokument, för svetsning av aluminiumlegering, är ytrengöringen av basmetallen och fyllnadsmaterialet också mycket viktig. Införandet av material i svetsen kommer att bli källan till sprickor och den främsta orsaken till nedgången i svetsprestanda.
