Přestože se hliník a jeho slitiny používají ke svařování do mnoha důležitých výrobků, samotná svařovací výroba není bez potíží. Hlavní problémy jsou: póry ve svaru, trhliny při svařování za tepla a "stejná pevnost" spojů. Díky silné chemické aktivitě hliníku a jeho slitin je snadné vytvořit na povrchu oxidový film a většina z nich má žáruvzdorné vlastnosti (například bod tání Al2O3 je 2050 stupňů a bod tání MgO je 2500 stupňů). Kromě toho mají hliník a jeho slitiny silnou tepelnou vodivost. Během svařování je snadné způsobit nestavný jev. Protože hustota oxidového filmu je velmi blízká hustotě hliníku, je také snadné stát se vměstky ve svarovém kovu. Zároveň oxidový film (zejména oxidový film s přítomností MgO, který není příliš hustý) může absorbovat více vlhkosti a často se stává jedním z důležitých důvodů vzniku pórů svaru.
Kromě toho mají hliník a jeho slitiny velký koeficient lineární roztažnosti a silnou tepelnou vodivost a jsou náchylné k deformaci deformací během svařování. To jsou také docela obtížné problémy ve výrobě svařování. V následujícím textu je provedena hloubková analýza relativně závažných trhlin vzniklých během testu.
1. Trhliny a jejich charakteristiky ve svarových spojích z hliníkové slitiny
V procesu svařování hliníkových slitin se díky různým typům, vlastnostem a svařovacím strukturám materiálů mohou ve svarových spojích objevit různé trhliny a tvar a rozložení trhlin jsou velmi složité. Podle jejich vytvořených částí je lze rozdělit na následující dva typy forem trhlin:
(1) Trhliny ve svarovém kovu: podélné trhliny, příčné trhliny, kráterové trhliny, vlasové nebo obloukové trhliny, kořenové trhliny a mikrotrhliny (zejména při vícevrstvém svařování).
(2) Trhliny v tepelně ovlivněné zóně: praskliny svarové špičky, laminární trhliny a mikroskopické tepelné trhliny v blízkosti tavné linie. Podle teplotního rozsahu vzniku trhliny se dělí na trhlinu za tepla a trhlinu za studena. Horká trhlina vzniká při vysoké teplotě při svařování, což je způsobeno především segregací slitinových prvků na hranici zrn nebo existencí látek s nízkou teplotou tání.
V závislosti na materiálu svařovaného kovu se také liší tvar, teplotní rozsah a hlavní důvody vzniku trhlin za tepla. Horké trhliny lze rozdělit do tří kategorií: krystalizační trhliny, ztekucovací trhliny a polygonální trhliny. Krystalizační trhliny vznikají především v horkých trhlinách. Během procesu krystalizace svaru, v blízkosti čáry solidu, v důsledku smršťování ztuhlého kovu nemůže být zbytkový tekutý kov včas naplněn.
K mezikrystalovému praskání dochází působením tuhnoucího smršťovacího napětí nebo vnější síly, ke kterému dochází především u uhlíkové oceli, svarů nízkolegované oceli a některých slitin hliníku s větším množstvím nečistot; ztekucovací trhliny se v tepelně ovlivněné zóně zahřívají na Vznikají působením smršťovacího napětí při vysokoteplotním tuhnutí hranic zrn.
Během testu bylo zjištěno, že když nebyl povrch přídavného materiálu dostatečně očištěn, bylo ve svaru po svařování stále mnoho vměstků a malé množství pórů. Ve třech sadách testů, protože svařovací přídavný materiál je litá struktura a vměstky jsou látky s vysokým bodem tání, bude stále existovat ve svaru po svařování;
Kromě toho je struktura odlitku poměrně řídká a je zde mnoho otvorů, které snadno absorbují komponenty obsahující krystalickou vodu a kvalitu oleje, které se stanou faktory, které vytvářejí póry během procesu svařování. Když je svar pod napětím v tahu, tyto vměstky a póry se často stávají klíčovými místy pro vyvolání mikrotrhlin.
Další pozorování mikroskopem odhalilo, že existuje jasná tendence těchto inkluzí a mikrotrhlin vyvolaných póry se vzájemně protínat. Je však stále obtížné posoudit, zda se škodlivý účinek vměstků projevuje hlavně jako zdroj koncentrace napětí k vyvolání trhlin, nebo se projevuje především jako křehká fáze k vyvolání trhlin.
Kromě toho se obecně má za to, že póry ve svarech slitiny hliníku a hořčíku nemají významný vliv na pevnost svarového kovu v tahu. fenomén trhlin.
Zda je jev mikrotrhlin vyvolaných pórovitostí pouze sekundárním jevem nebo jedním z hlavních faktorů způsobujících podstatné snížení pevnosti svarů v tahu, je třeba dále studovat.
2. Proces tvorby trhlin za tepla
V současnosti je Prochorovova teorie doma i v zahraničí považována za ucelenější o teorii svařování horkých trhlin. Obecně řečeno, teorie věří, že výskyt krystalických trhlin závisí hlavně na následujících třech aspektech: velikosti rozmezí křehkých teplot; tažnost slitiny v tomto teplotním rozsahu a rychlost deformace kovu v křehkém teplotním rozsahu.
Obvykle lidé nazývají velikost křehkého teplotního rozsahu a hodnotu tažnosti v tomto teplotním rozsahu jako metalurgický faktor, který vytváří trhliny při svařování za horka, a rychlost deformace kovu v křehkém teplotním rozsahu se nazývá mechanický faktor.
Svařovací proces je syntézou řady nevyvážených procesních procesů. Tato vlastnost v podstatě souvisí s metalurgickými a mechanickými faktory lomu kovu svarového spoje. Například produkty procesu svařování a metalurgického procesu jsou fyzikální a chemické. a strukturální nehomogenita, struska a vměstky, plynové prvky a vakancie v přesycených koncentracích atd.
To vše jsou metalurgické faktory úzce související se vznikem a rozvojem trhlin. Z hlediska mechanických faktorů uvede specifický teplotní gradient a rychlost ochlazování tepelného cyklu svařování za určitých podmínek omezení svarový spoj do komplexního napěťově-deformačního stavu, čímž se vytvoří nezbytné podmínky pro vznik a rozvoj trhlin.
V procesu svařování bude kombinovaný účinek metalurgických faktorů a mechanických faktorů přičítán dvěma aspektům, to znamená, zda zpevnit kovový spoj nebo zeslabit kovový spoj. Pokud se v kovu svarového spoje během ochlazování vytváří pevnostní spojení, může být za určitých podmínek tuhého omezení poddajně namáháno, a když svar a kov v blízkosti svaru mohou odolat působení aplikovaného zadržovacího napětí a vnitřního zbytkové napětí, trhliny nevznikají snadno. náchylnost svarových spojů k prasklinám kovu je nízká,Naopak, když napětí nelze tolerovat, pevnostní spojení v kovu se snadno přeruší a dojde k prasklinám. V tomto případě je náchylnost kovu svarového spoje k trhlinám vysoká. Kov svarového spoje začíná od teploty krystalizace a tuhnutí a ochlazuje se určitou rychlostí na pokojovou teplotu a jeho citlivost na trhliny je určena porovnáním deformační kapacity a aplikovaného přetvoření a srovnáním deformačního odporu a aplikovaného napětí.
Avšak během procesu ochlazování, v různých teplotních fázích, v důsledku různého růstu mezikrystalové pevnosti a pevnosti zrn, distribuce deformace mezi zrny a uvnitř zrn, je difúzní chování vyvolané deformací odlišné a koncentrace napětí je různá. Různé jsou podmínky a faktory, které způsobují křehnutí kovu, různé jsou i konkrétní slabé články svarového spoje a faktory a stupně jeho zeslabení.
Metalurgické faktory a mechanické faktory, které způsobují trhliny v kovu svarového spoje, spolu úzce souvisí. Gradient napětí v mechanických faktorech souvisí s teplotním gradientem určeným charakteristikami tepelného cyklu, a ten úzce souvisí s tepelnou vodivostí kovu, jako je termoplastická změna kovu. Metalurgické faktory, jako jsou charakteristiky, tepelná roztažnost a transformace mikrostruktury, hrají do značné míry důležitou roli ve stavu napětí-deformace kovu svarového spoje.
Navíc s klesající teplotou a změnou rychlosti ochlazování se mění i metalurgické a mechanické faktory a pevnost svarového spojového kovu je v různých teplotních rozsazích různá. Například, pokud je rozsah krystalizační teploty velký, teplota pevné fáze je nízká a je pravděpodobnější, že způsobí koncentraci napětí v nízkotavném tekutém kovu, který zůstává mezi zrny, což má za následek praskliny v kovu v pevné fázi;
Podobně, když teplota klesá, je-li množství smrštění velké, zejména za podmínek rychlého ochlazení, když je rychlost smršťování vysoká a stav napětí-deformace je závažnější, jsou náchylné ke vzniku trhlin a tak dále.
V pozdější fázi tuhnutí a krystalizace svarového kovu při svařování hliníkových slitin je nízkotavné eutektikum vytlačeno ve středu, kde se krystaly setkávají, a vytváří tzv. "tekutý film". Když volné smrštění vytváří velké tahové napětí, tvoří tekutý film v tomto okamžiku relativně slabý článek a působením tahového napětí může prasknout ve slabé oblasti a vytvořit trhlinu.
3. Mechanismus vzniku horkých trhlin
Aby bylo možné studovat nejpravděpodobnější dobu vzniku trhlin za tepla při svařování hliníkových slitin, je krystalizace svarové lázně během svařování hliníkové slitiny rozdělena do tří fází.
První fází je fáze kapalina-pevná látka. Když svarová lázeň začne krystalizovat z vysokoteplotního chlazení, existuje pouze malý počet krystalových zárodků. S poklesem teploty a prodlužováním doby chladnutí krystalové jádro postupně dorůstá a vzniká nové krystalové jádro, ale při tomto procesu vždy zabírá velké množství kapalná fáze a nedochází ke kontaktu mezi sousedními krystalovými zrny. Volný tok neztuhlé tekuté hliníkové slitiny nepředstavuje překážku.
V tomto případě, i když dojde k tahovému napětí, může být otevřená mezera včas vyplněna proudícím tekutým kovem hliníkové slitiny, takže možnost prasklin ve fázi kapalina-pevná látka je velmi malá.
Druhým stupněm je stupeň pevná látka-kapalina. Když krystalizace svařovací tavné lázně pokračuje, pevná fáze v tavné lázni dále narůstá a dříve krystalizovaná jádra dále rostou. Když teplota klesne na určitou hodnotu, ztuhlý kov z hliníkové slitiny Krystaly jsou ve vzájemném kontaktu a jsou nepřetržitě válcovány dohromady. V tomto okamžiku je proudění kapalné hliníkové slitiny bráněno, to znamená, že krystalizace roztavené lázně vstoupila do fáze pevná látka-kapalina.
V tomto případě kvůli nedostatku tekutého kovu z hliníkové slitiny může být silně vyvinuta deformace samotného krystalu, kapalná fáze zbývající mezi krystaly nemůže snadno proudit a drobné mezery vzniklé působením tahového napětí nemohou být vyplněn, pokud je mírný. Přítomnost tahového napětí má potenciál vytvářet trhliny. Proto se tato fáze nazývá „zóna křehké teploty“.
Třetí fáze je fáze úplného tuhnutí. Svar vytvořený po úplném ztuhnutí roztaveného kovu bude vykazovat dobrou pevnost a plasticitu, když je vystaven tahovému namáhání. Možnost vzniku trhlin v této fázi je relativně malá. .
Proto, když je teplota vyšší nebo nižší než křehká teplotní zóna mezi ab, má svarový kov větší schopnost odolávat krystalizačním trhlinám a menší tendenci k praskání. Obecně platí, že u kovů s menším množstvím nečistot (včetně obecných kovů a svařovacích materiálů) působí v důsledku úzkého rozmezí křehkých teplot tahové napětí v tomto rozmezí krátkodobě, takže celkové namáhání svaru je relativně malé.
Proto je sklon ke vzniku trhlin při svařování menší. Pokud je ve svaru více nečistot, je rozsah křehkých teplot širší, tahové napětí v tomto rozsahu je delší a tendence k praskání je větší.
4. Preventivní opatření proti prasklinám při svařování hliníkové slitiny
Podle mechanismu vzniku trhlin za tepla při svařování hliníkových slitin lze zlepšit dva aspekty metalurgických faktorů a procesních faktorů, aby se snížila pravděpodobnost vzniku trhlin za tepla při svařování hliníkových slitin.
Z hlediska metalurgických faktorů, aby se předešlo mezikrystalovým tepelným trhlinám při svařování, jde především o úpravu kovového systému svaru nebo přidání modifikátoru do přídavného kovu. Ústředním bodem úpravy svařovacího šicího systému z hlediska odolnosti proti prasklinám je kontrola vhodného množství tavitelného eutektika a zúžení rozsahu krystalizačních teplot.
Protože hliníkové slitiny jsou typické eutektické slitiny, maximální tendence k praskání odpovídá "maximálnímu" teplotnímu rozmezí tuhnutí slitiny a přítomnost malého množství eutektika vždy zvyšuje tendenci k praskání tuhnutím. Obsah prvku převyšuje složení slitiny, kde je tendence k praskání největší, takže může dojít k "hojivému" efektu.
Jako modifikátory byly do přídavného kovu přidány stopové prvky jako Ti, Zr, V a B ve snaze zlepšit plasticitu a houževnatost zjemněním zrn a zabránit vzniku trhlin při svařování za tepla. a dosažené výsledky. Obrázek 3 ukazuje výsledky testu odolnosti proti trhlinám svařovacího drátu Al-4.5%Mg s přidaným modifikátorem za podmínek tuhého koutového svaru.
Zr přidaný v testu byl {{0}},15 % a Ti+B byl 0,1 %. Je vidět, že přidání Ti a B současně může výrazně zlepšit odolnost proti trhlinám. Společným znakem prvků jako Ti, Zr, V, B a Ta je, že mohou vytvářet řadu peritektických reakcí s hliníkem za vzniku žáruvzdorných kovových sloučenin (Al3Ti, Al3Zr, Al7V, AlB2, Al3Ta atd.). Takové malé žáruvzdorné částice se mohou stát nespontánními zárodky tuhnutí, když kapalný kov tuhne, čímž vzniká efekt zjemnění zrna.
Pokud jde o faktory procesu, zejména specifikace svařování, předehřev, tvar spoje a sekvence svařování, všechny tyto metody jsou založeny na svařovacím namáhání k řešení trhlin při svařování. Parametry svařovacího procesu ovlivňují nevyváženost procesu tuhnutí a stav mikrostruktury procesu tuhnutí a také ovlivňují rychlost růstu deformace během procesu tuhnutí, čímž ovlivňují vznik trhlin.
Metoda svařování s koncentrovanou tepelnou energií přispívá k rychlému procesu svařování, který může zabránit tvorbě hrubých sloupcových krystalů se silnou směrovostí, čímž se zlepší odolnost proti praskání. Použití malého svařovacího proudu a zpomalení rychlosti svařování může snížit přehřívání tavné lázně a zlepšit odolnost proti praskání.
Zvýšení rychlosti svařování podporuje zvýšení rychlosti deformace svarového spoje, což zvyšuje tendenci k tvorbě trhlin za tepla. Je vidět, že zvýšení rychlosti svařování a svařovacího proudu podporuje zvýšení sklonu k tvorbě trhlin. Během montáže a svařování hliníkové konstrukce není svarový šev vystaven velké tuhosti a v procesu mohou být přijata opatření jako segmentové svařování, předehřívání nebo vhodné snížení rychlosti svařování.
Předehřevem lze zmenšit relativní roztažnost testovaného kusu, odpovídajícím způsobem snížit napětí při svařování a snížit napětí v rozsahu křehkých teplot; zkuste použít svařování na tupo s otevřenými drážkami a malými mezerami a vyvarujte se použití křížových spojů a nesprávného umístění a sekvence svařování; když svařování skončí nebo je přerušeno, obloukový kráter by měl být vyplněn včas a poté by měl být odstraněn zdroj tepla, jinak snadno způsobí trhliny v obloukovém kráteru. U svarových spojů vícevrstvého svařování slitiny řady 5000 často vznikají mikrotrhliny v důsledku lokálního natavení mezikrystalu, takže je nutné kontrolovat tepelný příkon další vrstvy svarové housenky.
Podle testu v tomto článku je pro svařování hliníkové slitiny velmi důležité také čištění povrchu základního kovu a přídavného materiálu. Zahrnutí materiálu do svaru se stane zdrojem trhlin a hlavním důvodem poklesu výkonu svaru.
