Uobičajeni nedostaci kod laserskog zavarivanja aluminijskih legura

Uobičajeni nedostaci uLasersko zavarivanje aluminijskih legura

Bilo da se radi o laserskom autogenom zavarivanju ilihibridno lasersko zavarivanjekoristi se za aluminijske legure, postoje neki uobičajeni tehnički problemi, tj. mogu se pojaviti nedostaci ako su parametri procesa i uvjeti zavarivanja metalurškineprimjereno.Svi nedostaci u spojevima aluminijskih legura uglavnom uključuju dvije vrste: poroznost zavara i vruće pukotine pri zavarivanju. Pored poroznosti i vrućih pukotina, kod laserskog zavarivanja aluminijskih legura postoje i defekti poput podrezanja i lošeg formiranja stražnje strane. U poređenju sa poroznošću zavara, vjerovatnoća pukotina pri zavarivanju (vidljivih golim okom ili pod malim uvećanjem) nije visoka. Međutim, budući da su pukotine opasnije, JIS Z 3105 propisuje da se, kada se otkrije pukotina u zavaru, zavar smatra klasom IV. Podrezanje, loše formiranje stražnje strane i drugi defekti uglavnom su ozbiljni defekti uzrokovani nepravilnom kontrolom brzine ili neusklađenim parametrima procesa. Takvi defekti se uglavnom pojavljuju u fazi istraživanja i otklanjanja grešaka u procesu, a rijetko se javljaju u normalnim stvarnim proizvodnim operacijama. Stoga je poroznost vrsta defekta koja je štetnija kod laserskog zavarivanja aluminijskih legura i u eksploataciji zavarenih konstrukcija, te ju je teško fundamentalno eliminirati.

1. Poroznost

Poroznost je najčešći i glavni defekt volumena ulasersko zavarivanje aluminijskih legura, s veličinama u rasponu od stotina mikrona do nekoliko milimetara. Njegov mehanizam formiranja još nije u potpunosti jasan. Poroznost ne samo da slabi efektivni radni presjek zavara, već uzrokuje i koncentraciju napona, smanjujući dinamičku čvrstoću i performanse zamora zavarenog spoja.

Kada se legura aluminija topi u okruženju koje sadrži vodik, njen unutrašnji sadržaj vodika može doseći više od 0,69 ml/100 g, ali nakon što se legura stvrdne, njena rastvorljivost vodika u ravnoteži je najviše 0,036 ml/100 g. Općenito se vjeruje da tokom procesa hlađenja laserskog zavarivanja, rastvorljivost vodika naglo opada, a taloženje prezasićenog vodika formira poroznost vodika. Isparavanje legirajućih elemenata niske tačke topljenja i visokog pritiska pare također može dovesti do poroznosti, koja se naziva metalurška poroznost. Pored toga, poremećaj laserskog snopa i nestabilnost ključaonice također mogu formirati poroznost, ali takva poroznost ima nepravilan oblik i može se nazvati procesno indukovanom poroznošću. Zbog visoke hemijske aktivnosti aluminijumskih legura, na površini se lako formira oksidni film. Tokom zavarivanja, kristalna voda i kombinovana voda razložena iz oksidnog filma na površini aluminijumske legure, zajedno sa vlagom iz zraka i zaštitnog gasa, direktno se razlažu i proizvode vodik u području visoke temperature pod djelovanjem lasera. Ovi vodikovi plinovi mogu se ili taložiti tokom hlađenja i skrućivanja rastopljenog spoja formirajući mjehuriće ili direktno generirati mjehuriće na nepotpuno rastopljenom oksidnom filmu. Zbog niske specifične težine aluminijskih legura, brzina porasta mjehurića u rastopljenom spoju je spora. Osim toga, aluminijske legure imaju jaku toplinsku provodljivost, a brzina hlađenja i skrućivanja rastopljenog spoja je izuzetno brza. Neki mjehurići ne mogu se na vrijeme osloboditi i ostaju u zavaru, formirajući tako metaluršku poroznost. Studije su pokazale da je glavni plin u poroznosti zavarenih spojeva aluminijskih legura vodik, pa se poroznost u zavarenim spojevima aluminijskih legura ponekad naziva vodikovom poroznošću. Kada se posmatra lom poroznosti pod skenirajućim elektronskim mikroskopom, poroznost uglavnom ima sfernu morfologiju sa gusto raspoređenim dendritnim krajevima dendritnih kristala, a unutrašnji zid je gladak, čist i bez tragova oksidacije. Postojanje poroznosti ne samo da smanjuje kompaktnost zavara i nosivost spoja, već i smanjuje čvrstoću i plastičnost spoja u različitom stepenu.

2. Vruće pukotine

Vruće pukotine (uključujući pukotine skrućivanja i likvacijske pukotine) nastaju tokom procesa skrućivanja rastopljenog metala u bazenu i jedan su od uobičajenih tipova defekata kod laserskog zavarivanja aluminijskih legura. Najočitija karakteristika morfologije loma pukotina skrućivanja je da je površina loma sastavljena od velikog područja glatkih, ali neravnih granularnih kaldrmisanih ili krompirastih struktura, a površina često zadržava intergranularne eutektike niske tačke topljenja ili nabore tečnog filma, kao i tragove krhkog loma dendrita. Morfologija loma likvacijskih pukotina slična je pukotinama skrućivanja, ali ima karakteristike intergranularnog loma na visokim temperaturama ili loma skrućivanja. Kod zamornog loma spojeva zavarenih topljenjem pod opterećenjem zamora, izvori zamornih pukotina uzrokovani takvim vrućim pukotinama su također česti. Uzroci vrućih pukotina kod laserskog zavarivanja aluminijskih legura uglavnom su povezani s njihovim vlastitim karakteristikama i procesima zavarivanja. Aluminijske legure imaju veliku stopu skupljanja tokom skrućivanja (do 5%), što rezultira velikim naponom i deformacijama zavarivanja; Osim toga, eutektičke strukture s niskom tačkom topljenja formiraju se duž granica zrna tokom skrućivanja metala zavara, što slabi silu vezivanja granica zrna, te na taj način formira vruće pukotine pod djelovanjem zateznog napona. Osim toga, morfologije pukotina kod laserskog zavarivanja aluminijskih legura mogu se sažeti u sljedeće kategorije: pukotine u središtu zavara; pukotine na liniji zavarivanja; intergranularne pukotine u zavarima; pukotine uzrokovane likvacijom u zoni utjecaja topline; pukotine uzrokovane oksidnim filmovima; i intergranularne mikropukotine.

Osim toga, loša zaštita tokom zavarivanja uzrokuje reakciju metala zavara s plinovima u zraku, a formirane inkluzije također su potencijalni izvori pukotina. Vrsta i količina legirajućih elemenata imaju veliki utjecaj na sklonost vrućim pukotinama tokom zavarivanja aluminijskih legura. Općenito, aluminijske legure serije Al-Si i Al-Mn imaju dobru zavarljivost i nije ih lako proizvesti kod vrućih pukotina; dok aluminijske legure serije Al-Mg, Al-Cu i Al-Zn imaju relativno visoku sklonost vrućim pukotinama. Sklonost vrućim pukotinama može se smanjiti podešavanjem parametara procesa zavarivanja radi kontrole brzine zagrijavanja i hlađenja. Općenito govoreći, sklonost vrućim pukotinama kod lasersko-lučnog hibridnog zavarivanja je bolja od sklonosti kod laserskog zavarivanja žicom za dopunu, a sklonost vrućim pukotinama kod laserskog zavarivanja žicom za dopunu je bolja od sklonosti kod laserskog autogenog zavarivanja.

3. Podrezivanje i probijanje

Aluminijske legure imaju nisku energiju jonizacije, a fotoinducirana plazma sklona je pregrijavanju i širenju tokom zavarivanja, što rezultira nestabilnim procesima zavarivanja. Osim toga, tekuće aluminijske legure imaju dobru fluidnost i nisku površinsku napetost. Za poboljšanje prodiranja često je potreban veći protok zaštitnog plina i izlazna snaga lasera, što narušava stabilnost procesa zavarivanja, uzrokujući da rastopljeni bazen snažno fluktuira pod pritiskom i lako dovodi do defekata poput podrezivanja i progorijevanja. Oblikovanje stražnje strane laserski zavarenih ploča od aluminijskih legura može se efikasno poboljšati postavljanjem vodom hlađene bakrene ploče na stražnju stranu zavara.

4. Uključivanje troske

Druga vrsta defekta koja se često javlja pri zavarivanju karoserije automobila je uključivanje troske zavara. Studije su pokazale da uključivanje troske uglavnom potiče od oksida na površini zavarenih spojeva i žica za zavarivanje, kao i od nestabilnih procesa u lokalizaciji materijala od aluminijskih legura. Stoga bi proizvođači materijala od aluminijskih legura trebali pojačati tehnološke inovacije i poboljšati procese lijevanja kako bi smanjili sadržaj nečistoća i vodika u sirovinama i povećali stabilnost kvalitete proizvoda.