Bien que l'aluminium et ses alliages soient largement utilisés pour le soudage de produits importants, ils ne sont pas exempts de difficultés dans la production réelle de soudure. Parmi les principaux problèmes, citons la porosité de la soudure, les fissures à chaud pendant le soudage et l'obtention d'une résistance égale du joint. L'une des raisons de ces problèmes est la forte activité chimique de l'aluminium et [...]
Bien que l'aluminium et ses alliages soient largement utilisés pour le soudage de produits importants, ils ne sont pas exempts de difficultés dans la production réelle de soudure. Parmi les principaux problèmes, citons la porosité de la soudure, les fissures à chaud pendant le soudage et l'obtention d'une résistance égale des joints.
L'une des raisons de ces problèmes est la forte activité chimique de l'aluminium et de ses alliages, qui rend la surface très sujette à la formation de films d'oxyde souvent réfractaires. Par exemple, le point de fusion de l'Al2O3 est de 2050 ℃, et celui du MgO de 2500 ℃. En outre, l'aluminium et ses alliages ont une conductivité thermique élevée, ce qui facilite la non-fusion lors du soudage.
Le film d'oxyde, qui a une densité similaire à celle de l'aluminium, peut se transformer en inclusions dans le métal soudé. En outre, le film d'oxyde moins dense contenant du MgO peut absorber plus d'eau et est souvent une cause importante de l'apparition d'inclusions dans le métal soudé. porosité de la soudure. En outre, l'aluminium et ses alliages ont un coefficient de dilatation linéaire important et une conductivité thermique élevée, ce qui les rend susceptibles de se déformer pendant le soudage.
Enfin, l'article analyse les fissures relativement graves qui se produisent pendant les essais.
Au cours du processus de soudage des alliages d'aluminium, diverses fissures peuvent apparaître dans la pièce. joints soudés en raison des différences dans les types, les propriétés et les structures de soudage des matériaux.
La forme et la distribution de ces fissures peuvent être très complexes.
En fonction de leur localisation, ces fissures peuvent être divisées en deux types :
(1) Fissures dans le métal soudé : fissures longitudinales, fissures transversales, fissures en cratère, fissures capillaires ou en arc, fissures radiculaires et microfissures (en particulier dans le cas du soudage multicouche).
(2) Fissures dans le zone affectée thermiquement: fissures du bord de la soudure, fissures lamellaires et microfissures thermiques près de la ligne de fusion.
Les fissures générées pendant le soudage peuvent être classées en deux catégories : les fissures à chaud et les fissures à froid. fissures froidesLe nombre d'heures de travail est déterminé en fonction de la plage de température à laquelle elles se produisent.
Les fissures à chaud se produisent à des températures élevées pendant le soudage et sont principalement causées par la ségrégation de l'oxygène. éléments d'alliage sur le joint de grain ou la présence de matériaux à bas point de fusion.
La forme, la plage de température et les causes principales de l'apparition d'un cancer du sein. fissures chaudes varient en fonction des matériaux du métal soudé.
Les fissures à chaud peuvent être divisées en trois types : fissures de cristallisation, fissures de liquéfaction et fissures de polygonisation.
Les fissures de cristallisation se produisent principalement pendant la processus de soudage à des températures élevées. À proximité du solidus, le métal solidifié se rétracte, ce qui entraîne une insuffisance de métal liquide résiduel qui ne peut se remplir à temps, d'où l'apparition de fissures.
La fissuration intergranulaire se produit sous l'effet d'une contrainte de retrait de solidification ou d'une force extérieure, principalement dans les aciers au carbone, les soudures d'aciers faiblement alliés et certains aciers à haute teneur en carbone. alliages d'aluminium avec plus d'impuretés.
Les fissures de liquéfaction se produisent en raison de la contrainte de retrait pendant la solidification des joints de grains chauffés à haute température dans la zone affectée thermiquement.
Lors des essais, il a été découvert qu'un nettoyage insuffisant de la surface du matériau d'apport entraînait la présence d'inclusions et de pores dans la soudure après le soudage. Dans le test des trois groupes, comme le matériau d'apport est une structure moulée et que l'inclusion est un matériau à point de fusion élevé, elle reste dans la soudure après le soudage.
La structure de la fonte est relativement peu dense, avec de nombreux trous, ce qui facilite l'absorption de composants contenant de l'eau cristalline et de l'huile. Ces facteurs peuvent entraîner une porosité pendant le soudage, et les inclusions et les pores deviennent des éléments clés qui induisent des microfissures lorsque la soudure est soumise à une contrainte de traction.
Une observation plus poussée au microscope a révélé une interaction entre ces inclusions et les microfissures induites par les pores. Cependant, il est difficile de déterminer si les inclusions agissent principalement comme une source de concentration de contraintes pour induire des fissures ou comme une phase fragile pour induire des fissures.
En outre, on pense généralement que la porosité dans les soudures d'alliages d'aluminium-magnésium n'affecte pas de manière significative la résistance à la traction de la soudure. Cependant, cette étude a révélé la présence simultanée de microfissures induites par les inclusions et la porosité dans les échantillons de soudure à la traction.
La question de savoir si les microfissures induites par les pores sont un phénomène secondaire associé ou l'un des principaux facteurs à l'origine d'une baisse significative de la résistance à la traction des soudures doit faire l'objet d'une étude plus approfondie.
Actuellement, la théorie du soudage des fissures à chaud, telle que proposée par Prokhorov au niveau national et international, est considérée comme très raffinée.
En résumé, la théorie suggère que la génération de fissures cristallines dépend principalement des trois facteurs suivants :
L'étendue de la plage de température de fragilité et la valeur de ductilité dans cette plage sont communément appelées facteurs métallurgiques susceptibles de produire des fissures de soudage à chaud, tandis que la vitesse de déformation du métal dans la plage de température de fragilité est connue comme un facteur mécanique.
Le processus de soudage implique une série de procédures technologiques déséquilibrées. Cette caractéristique est étroitement liée aux facteurs métallurgiques et mécaniques de la rupture du métal dans les joints soudés, tels que l'hétérogénéité physique, chimique et organisationnelle, les scories et les inclusions, les éléments gazeux et les vides avec des concentrations sursaturées des produits des processus technologiques et métallurgiques de soudage.
Tous ces facteurs sont étroitement liés à l'apparition et au développement de fissures dans la métallurgie.
En ce qui concerne les facteurs mécaniques, le gradient de température spécifique et la vitesse de refroidissement du cycle thermique de soudage peut placer le joint soudé dans un état de contrainte et de déformation complexe sous certaines conditions de contrainte, ce qui crée les conditions nécessaires à l'apparition et au développement de fissures.
Au cours du processus de soudage, l'effet combiné des facteurs métallurgiques et mécaniques peut renforcer ou affaiblir l'assemblage métallique de deux manières.
Si une liaison solide est établie dans le métal du joint soudé pendant le refroidissement, la déformation peut rester obéissante dans certaines conditions de contraintes rigides. Lorsque la soudure et le métal à proximité du joint peuvent résister à des contraintes externes et à des contraintes internes, la déformation peut rester obéissante sous certaines conditions rigides. contrainte résiduelleLes fissures sont moins susceptibles de se produire et la sensibilité du métal aux fissures est faible.
En revanche, si la contrainte ne peut être supportée, le lien de résistance dans le métal est plus susceptible d'être interrompu, ce qui entraîne l'apparition de fissures. Dans ce cas, la sensibilité à la fissuration du métal du joint de soudure est élevée.
Le métal du joint soudé est refroidi à la température ambiante à une certaine vitesse à partir de la température de solidification de la cristallisation. Sa sensibilité aux fissures dépend de la comparaison entre la capacité de déformation et la déformation appliquée, ainsi que de la comparaison entre la résistance à la déformation et la contrainte appliquée.
Toutefois, au cours du processus de refroidissement, les différents paliers de température peuvent entraîner une résistance intergranulaire et une croissance de la résistance des grains différentes, une répartition différente de la déformation entre et dans les grains, un comportement de diffusion différent induit par la déformation, des conditions de concentration de contraintes différentes et des facteurs conduisant à la fragilisation du métal. Ces facteurs peuvent être à l'origine de différents maillons faibles spécifiques dans les joints soudés, et le degré d'affaiblissement de ces maillons peut également varier.
L'apparition de fissures dans le métal du joint de soudure est étroitement liée à des facteurs métallurgiques et mécaniques.
Le gradient de contrainte dans les facteurs mécaniques est lié au gradient de température, qui est déterminé par les caractéristiques du cycle thermique. La conductivité thermique du métal détermine les caractéristiques du cycle thermique, qui sont considérées comme des facteurs métallurgiques. Ceux-ci comprennent les caractéristiques de changement thermoplastique du métal, la dilatation thermique et la transformation structurelle.
L'état de contrainte et de déformation du métal du joint soudé est fortement influencé par des facteurs métallurgiques et mécaniques. En outre, ces facteurs subissent des changements lorsque la température diminue et que la vitesse de refroidissement change.
Les différentes plages de température ont une incidence sur la résistance du joint soudé Le métal liquide à bas point de fusion se transforme différemment. Par exemple, la large plage de température de cristallisation et la faible température de solidus sont susceptibles de provoquer une concentration de contraintes au niveau du métal liquide résiduel à faible fusion entre les grains, ce qui entraîne des fissures dans le métal solide. De même, si le retrait est important, en particulier en cas de refroidissement rapide, des fissures sont susceptibles de se produire lorsque le taux de déformation de retrait est élevé et que l'état de contrainte-déformation est difficile.
Au cours de la dernière phase de solidification et de cristallisation du métal soudé pendant le processus de fabrication de l'aluminium, le métal est soumis à des contraintes de température et d'humidité. soudage d'alliagesL'eutectique est comprimé au centre de l'intersection des cristaux pour former un "film liquide". À ce stade, en raison de la contraction importante pendant le refroidissement, la contraction libre n'est pas disponible pour générer une contrainte de traction importante. Par conséquent, le film liquide forme un lien faible, qui peut se fissurer dans la zone faible sous l'effet de la contrainte de traction.
Pour étudier l'apparition de fissures à chaud dans le soudage des alliages d'aluminium, le processus de cristallisation du bain de soudure est classé en trois étapes.
La première étape est l'étape liquide-solide, au cours de laquelle un petit nombre de noyaux de cristaux existent lorsque le bain de fusion commence à se refroidir à partir d'une température élevée. Au fur et à mesure que la température baisse et que le temps de refroidissement s'allonge, les noyaux de cristaux grossissent progressivement et de nouveaux émergent.
Cependant, la phase liquide prédomine encore et il n'y a pas de contact entre les grains adjacents, ce qui permet la libre circulation de l'alliage d'aluminium liquide qui ne s'est pas encore solidifié. Par conséquent, même sous une contrainte de traction, tout espace ouvert peut être rapidement comblé par le métal liquide qui s'écoule, ce qui rend la probabilité de fissures très faible à ce stade.
La deuxième étape est l'étape solide-liquide. Ici, la phase solide dans le bain de fusion continue à augmenter au fur et à mesure que la cristallisation progresse, et les noyaux de cristaux précédemment formés continuent à croître.
Lorsque la température baisse jusqu'à un certain point, les cristaux d'alliage d'aluminium solidifiés entrent en contact les uns avec les autres et s'enroulent continuellement les uns sur les autres. À ce stade, l'écoulement de l'alliage d'aluminium liquide est bloqué et la cristallisation du bain de fusion entre dans la phase solide-liquide.
En raison de la faible quantité d'alliage d'aluminium liquide, la déformation du cristal lui-même peut être fortement développée à ce stade, et la phase liquide résiduelle entre les cristaux n'est pas facile à écouler.
Les minuscules lacunes générées par les contraintes de traction ne peuvent pas être comblées, et même une petite contrainte de traction peut entraîner l'apparition de fissures. Ce stade est connu sous le nom de "zone de température fragile".
La troisième étape est celle de la solidification complète. Lorsque la soudure formée après la solidification complète du métal en fusion est soumise à une contrainte de traction, elle présente une bonne résistance et une bonne plasticité, et la probabilité de fissuration à ce stade est relativement faible.
Par conséquent, lorsque la température est supérieure ou inférieure à la zone de température fragile entre a et b, le métal soudé présente une plus grande résistance aux fissures cristallines et une tendance à la fissuration plus faible. En général, pour les métaux contenant moins d'impuretés (y compris le métal de base et les métaux de base), la résistance aux fissures est plus élevée. matériaux de soudage), la plage de température de fragilité est étroite.
La contrainte de traction agit dans cette plage pendant une courte durée, de sorte que la contrainte totale de la soudure est relativement faible, ce qui réduit la tendance à l'apparition de fissures pendant le soudage.
Cependant, s'il y a beaucoup d'impuretés dans la soudure, la plage de température de fragilité est relativement large, et le temps d'action de la contrainte de traction dans cette plage est relativement long, ce qui entraîne une plus grande tendance à produire des fissures.
Pour réduire la probabilité de fissures à chaud dans le soudage des alliages d'aluminium, des améliorations peuvent être apportées sur deux plans : les facteurs métallurgiques et les facteurs technologiques.
En ce qui concerne les facteurs métallurgiques, la prévention des fissures intergranulaires à chaud pendant le soudage implique l'ajustement du système d'alliage de soudure ou l'ajout de modificateurs au métal d'apport.
Pour contrôler une quantité appropriée d'eutectique fusible et réduire la plage de température de cristallisation du point de vue de la résistance à la fissuration, le système d'alliage de soudure doit être ajusté.
L'alliage d'aluminium étant un alliage eutectique typique, la plage de température de solidification "maximale" de l'alliage correspond à la tendance maximale à la fissuration.
La présence d'une petite quantité d'eutectique fusible augmente toujours la tendance aux fissures de solidification. Pour contrer ce phénomène, la teneur en éléments principaux de l'alliage est généralement augmentée au-delà du composant de l'alliage présentant la tendance maximale à la fissuration afin de produire un effet de "cicatrisation".
En outre, des oligo-éléments tels que Ti, Zr, V et B sont ajoutés au métal d'apport en tant que modificateurs dans le but d'améliorer la plasticité et la ténacité en affinant les grains et en empêchant les fissures à chaud lors du soudage. Cette tentative est en cours depuis un certain temps et a donné des résultats positifs.
La figure 3 illustre les résultats du test de résistance à la fissuration du fil de soudure Al-4.5% Mg avec un modificateur dans les conditions d'un recouvrement rigide. soudure d'angle. Le test comprenait l'ajout de 0,15% Zr et de 0,1% Ti+B. Les résultats indiquent que l'ajout simultané de Ti et de B améliore considérablement la résistance aux fissures.
Ti, Zr, V, B et Ta ont en commun de pouvoir réagir avec l'aluminium pour former une série de réactions péritectiques, aboutissant à la formation de composés métalliques réfractaires tels que Al3Ti, Al3Zr, Al7V, AlB2, Al3Ta, etc.
Ces petites particules réfractaires peuvent agir comme des noyaux de cristaux de solidification non spontanée au cours du processus de solidification du métal liquide, facilitant ainsi l'affinement des grains.
Les facteurs de processus tels que les spécifications de soudage, le préchauffage, la forme du joint et la séquence de soudage sont cruciaux pour résoudre les fissures de soudage, qui sont basées sur la contrainte de soudage. Les paramètres du processus de soudage ont un impact sur le non-équilibre du processus de solidification et de l'état de la structure de solidification, ainsi que sur le taux de croissance de la déformation pendant la solidification, influençant ainsi la formation de fissures.
Méthodes de soudage qui utilisent une énergie thermique concentrée facilitent un soudage rapide et peuvent empêcher la formation de gros cristaux en colonnes avec une forte directivité, améliorant ainsi la résistance aux fissures.
Réduire la vitesse de soudage et l'utilisation d'un faible courant de soudage peuvent réduire la surchauffe du bain de fusion et améliorer la résistance aux fissures. L'augmentation de la vitesse de soudage accroît toutefois le taux de déformation des joints soudés et la tendance à la fissuration à chaud. Il est donc évident que l'augmentation de la vitesse de soudage et du courant de soudage augmente la tendance à la fissuration.
Lors de l'assemblage et de la soudage de l'aluminium Dans le cas des structures en acier inoxydable, la soudure n'est pas très rigide. Il est donc possible de prendre des mesures telles que le soudage en sections, le préchauffage ou la réduction de la vitesse de soudage.
Le préchauffage peut réduire l'expansion relative de l'échantillon et, par conséquent, diminuer la contrainte de soudage, ce qui réduit la contrainte dans la plage de température de fragilité. Soudure bout à bout Il convient d'utiliser autant que possible des joints avec rainure et de petits espaces, et d'éviter les joints croisés, les positionnements et les séquences de soudage incorrects. Lorsque le soudage est terminé ou interrompu, le cratère doit être immédiatement comblé et la source de chaleur retirée, faute de quoi des fissures peuvent facilement apparaître dans le cratère.
Lors du soudage de joints soudés multicouches en alliages de la série 5000, des microfissures apparaissent fréquemment en raison de la fusion intergranulaire locale, ce qui nécessite le contrôle de la température de soudage. chaleur de soudage entrée de la couche suivante de cordon de soudure.
D'après les conclusions de cet article, le nettoyage de la surface du métal de base et du matériau d'apport est crucial pour le soudage des alliages d'aluminium. L'inclusion de matériaux devient la source de fissures dans la soudure et la principale raison de la baisse des performances de la soudure.
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
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