Pogoste napake pri laserskem varjenju aluminijevih zlitin

Pogoste napake vLasersko varjenje aluminijevih zlitin

Ne glede na to, ali gre za lasersko avtogeno varjenje alihibridno varjenje z laserskim oblokomse uporablja za aluminijeve zlitine, obstajajo nekatere pogoste tehnične težave, tj. napake se lahko pojavijo, če so procesni parametri in pogoji varjenja metalurškineprimerno.Vse napake v spojih aluminijevih zlitin vključujejo predvsem dve vrsti: poroznost zvara in vroče razpoke pri varjenju. Poleg poroznosti in vročih razpok pri laserskem varjenju aluminijevih zlitin obstajajo tudi napake, kot so spodrez in slabo oblikovanje hrbtne strani. V primerjavi s poroznostjo zvara verjetnost razpok pri varjenju (vidnih s prostim očesom ali pod majhno povečavo) ni visoka. Ker pa so razpoke bolj nevarne, JIS Z 3105 določa, da se po odkritju razpoke v zvaru zvar uvrsti v razred IV. Podrez, slabo oblikovanje hrbtne strani in druge napake so večinoma resne napake, ki jih povzroči neustrezen nadzor hitrosti ali neusklajeni procesni parametri. Takšne napake se običajno pojavijo v fazi raziskovanja in odpravljanja napak pri procesu, redko pa se pojavljajo v običajnih dejanskih proizvodnih operacijah. Zato je poroznost vrsta napake, ki je bolj škodljiva pri laserskem varjenju aluminijevih zlitin in pri uporabi varjenih konstrukcij ter jo je težko temeljito odpraviti.

1. Poroznost

Poroznost je najpogostejša in največja volumska napaka vlasersko varjenje aluminijevih zlitin, z velikostmi od stotin mikronov do nekaj milimetrov. Njegov mehanizem nastanka še ni povsem jasen. Poroznost ne le oslabi efektivni delovni del zvara, temveč povzroča tudi koncentracijo napetosti, kar zmanjšuje dinamično trdnost in utrujenost varjenega spoja.

Ko se aluminijeva zlitina tali v okolju, ki vsebuje vodik, lahko njena notranja vsebnost vodika doseže več kot 0,69 ml/100 g, vendar je po strjevanju zlitine njena topnost vodika v ravnovesju največ 0,036 ml/100 g. Na splošno velja, da se med procesom hlajenja pri laserskem varjenju topnost vodika močno zmanjša, zaradi česar se zaradi izločanja prenasičenega vodika tvori vodikova poroznost. Izhlapevanje legirnih elementov z nizkim tališčem in visokim parnim tlakom lahko prav tako povzroči poroznost, ki se imenuje metalurška poroznost. Poleg tega lahko poroznost tvorijo tudi motnje laserskega žarka in nestabilnost ključavnice, vendar ima taka poroznost nepravilno obliko in jo lahko imenujemo procesno povzročena poroznost. Zaradi visoke kemične aktivnosti aluminijevih zlitin se na površini zlahka tvori oksidni film. Med varjenjem se kristalna voda in vezana voda, ki se razgradi iz oksidnega filma na površini aluminijeve zlitine, skupaj z vlago v zraku in zaščitnem plinu neposredno razgradijo in na visokotemperaturnem območju pod delovanjem laserja tvorijo vodik. Ti vodikovi plini se lahko med ohlajanjem in strjevanjem staljene talilne mase izločijo in tvorijo mehurčke ali pa neposredno ustvarijo mehurčke na nepopolno staljenem oksidnem filmu. Zaradi nizke specifične teže aluminijevih zlitin je hitrost naraščanja mehurčkov v staljeni talini počasna. Poleg tega imajo aluminijeve zlitine močno toplotno prevodnost, hitrost ohlajanja in strjevanja staljene talilne mase pa je izjemno hitra. Nekateri mehurčki ne morejo pravočasno uiti in ostanejo v zvaru, kar tvori metalurško poroznost. Študije so pokazale, da je glavni plin v poroznosti zvarov aluminijevih zlitin vodik, zato se poroznost v zvarih aluminijevih zlitin včasih imenuje vodikova poroznost. Pri opazovanju loma poroznosti pod vrstičnim elektronskim mikroskopom ima poroznost večinoma sferično morfologijo s tesno razporejenimi dendritnimi konci dendritičnih kristalov, notranja stena pa je gladka, čista in brez sledi oksidacije. Prisotnost poroznosti ne le zmanjša kompaktnost zvara in nosilnost spoja, temveč tudi v različni meri zmanjša trdnost in plastičnost spoja.

2. Vroče razpoke

Vroče razpoke (vključno s strjevalnimi in likvizacijskimi razpokami) nastanejo med procesom strjevanja staljene kovine v bazenu in so ena najpogostejših vrst napak pri laserskem varjenju aluminijevih zlitin. Najbolj očitna značilnost morfologije loma strjevalnih razpok je, da je površina loma sestavljena iz velikega območja gladkih, a neenakomernih zrnatih tlakovcev ali krompirjevih struktur, površina pa pogosto ohranja medzrnate evtektike z nizkim tališčem ali gube tekočega filma, pa tudi sledi krhkega loma dendritov. Morfologija loma likvidacijskih razpok je podobna morfologiji strjevalnih razpok, vendar ima značilnosti visokotemperaturnega medzrnatega loma ali strjevalne loma. Pri utrujenostnem lomu talilno zvarjenih spojev pod utrujenostno obremenitvijo so pogosti tudi viri utrujenostnih razpok, ki jih povzročajo takšne vroče razpoke. Vzroki za vroče razpoke pri laserskem varjenju aluminijevih zlitin so predvsem povezani z njihovimi lastnostmi in varilnimi postopki. Aluminijeve zlitine imajo med strjevanjem veliko stopnjo krčenja (do 5 %), kar povzroči velike varilne napetosti in deformacije; Poleg tega se med strjevanjem zvarne kovine vzdolž meja zrn tvorijo evtektične strukture z nizkim tališčem, kar oslabi vezno silo meja zrn in s tem pod delovanjem natezne napetosti nastanejo vroče razpoke. Poleg tega lahko morfologijo razpok pri laserskem varjenju aluminijevih zlitin povzamemo v naslednje kategorije: razpoke v središču zvara; razpoke na liniji taljenja zvara; medkristalne razpoke v zvarih; likvacijske razpoke v toplotno prizadetem območju; razpoke, ki jih povzročajo oksidni filmi; in medkristalne mikrorazpoke.

Poleg tega slaba zaščita med varjenjem povzroči reakcijo zvara s plini v zraku, nastali vključki pa so prav tako potencialni viri razpok. Vrsta in količina legirnih elementov močno vplivata na nagnjenost k vročim razpokam med varjenjem aluminijevih zlitin. Na splošno imajo aluminijeve zlitine serije Al-Si in Al-Mn dobro varivost in jih ni enostavno ustvariti pri vročih razpokah; medtem ko imajo aluminijeve zlitine serije Al-Mg, Al-Cu in Al-Zn relativno visoko nagnjenost k vročim razpokam. Nagnjenost k vročim razpokam je mogoče zmanjšati s prilagajanjem parametrov varilnega procesa za nadzor hitrosti segrevanja in hlajenja. Na splošno je nagnjenost k vročim razpokam pri hibridnem varjenju z laserskim oblokom boljša kot pri varjenju z lasersko polnilno žico, nagnjenost k vročim razpokam pri varjenju z lasersko polnilno žico pa je boljša kot pri laserskem avtogenem varjenju.

3. Podrez in pregorevanje

Aluminijeve zlitine imajo nizko ionizacijsko energijo, fotoinducirana plazma pa je med varjenjem nagnjena k pregrevanju in širjenju, kar povzroča nestabilne varilne procese. Poleg tega imajo tekoče aluminijeve zlitine dobro fluidnost in nizko površinsko napetost. Za izboljšanje penetracije sta pogosto potrebna večji pretok zaščitnega plina in izhodna moč laserja, kar poslabša stabilnost varilnega procesa, povzroči, da staljena talina pod pritiskom močno niha in zlahka povzroči napake, kot so spodrez in pregorevanje. Oblikovalnost zadnje strani lasersko varjenih plošč iz aluminijevih zlitin je mogoče učinkovito izboljšati z namestitvijo vodno hlajene bakrene plošče na hrbtno stran zvara.

4. Vključitev žlindre

Druga vrsta napake, ki se pogosto pojavlja pri varjenju karoserij avtomobilov, je vključevanje žlindre v varjenju. Študije so pokazale, da vključevanje žlindre izvira predvsem iz oksidov na površini varjenih spojev in varilnih žic, pa tudi iz nestabilnih procesov pri lokalizaciji materialov iz aluminijevih zlitin. Zato bi morali proizvajalci materialov iz aluminijevih zlitin okrepiti tehnološke inovacije in izboljšati postopke litja, da bi zmanjšali vsebnost nečistoč in vodika v surovinah ter povečali stabilnost kakovosti izdelkov.