Heb je je ooit afgevraagd waarom lasnaden van aluminiumlegeringen ondanks voorzichtig lassen toch barsten? Dit artikel gaat in op de belangrijkste problemen zoals poreusheid, warmscheuren en ongelijke verbindingssterkte bij het lassen van aluminiumlegeringen. Het verklaart de soorten scheuren, hun oorzaken en hoe hoge thermische geleidbaarheid en chemische activiteit bijdragen aan deze problemen. Al lezend krijg je inzicht in de mechanismen achter deze scheuren en ontdek je praktische preventiestrategieën om je lasresultaten te verbeteren.
Hoewel aluminium en aluminiumlegeringen veel gebruikt worden bij het lassen van belangrijke producten, zijn ze niet zonder problemen bij de eigenlijke lasproductie. Enkele van de belangrijkste problemen zijn porositeit in de las, warmscheuren tijdens het lassen en het bereiken van een gelijke sterkte van de verbinding.
Een van de redenen voor deze problemen is de sterke chemische activiteit van aluminium en aluminiumlegeringen, waardoor het oppervlak zeer gevoelig is voor de vorming van oxidelagen die vaak vuurvast zijn. Het smeltpunt van Al2O3 is bijvoorbeeld 2050 ℃ en het smeltpunt van MgO is 2500 ℃. Bovendien hebben aluminium en aluminiumlegeringen een hoog warmtegeleidingsvermogen, waardoor het gemakkelijk niet smelt tijdens het lassen.
De oxidelaag, die een dichtheid heeft die vergelijkbaar is met die van aluminium, kan insluitingen worden in het lasmetaal. Bovendien kan de minder dichte oxidelaag met MgO meer water absorberen en is vaak een belangrijke oorzaak van lasporositeit. Bovendien hebben aluminium en aluminiumlegeringen een grote lineaire uitzettingscoëfficiënt en een hoge thermische geleidbaarheid, waardoor ze gevoelig zijn voor vervorming tijdens het lassen.
Tot slot analyseert het artikel de relatief ernstige scheuren die optreden tijdens het testen.
Tijdens het lasproces van aluminiumlegeringen kunnen er verschillende scheuren ontstaan in de gelaste verbindingen door verschillen in de soorten, eigenschappen en lasstructuren van materialen.
De vorm en verdeling van deze scheuren kan behoorlijk complex zijn.
Op basis van hun locatie kunnen deze scheuren worden onderverdeeld in twee types:
(1) Scheuren in lasmetaal: lengtescheuren, dwarsscheuren, kraterscheuren, haar- of boogscheuren, wortelscheuren en microscheuren (vooral bij meerlaags lassen).
(2) Scheuren in de warmte beïnvloede zone: lasscheurtjes, lamellaire scheurtjes en thermische microscheurtjes in de buurt van de smeltlijn.
Scheuren die ontstaan tijdens het lassen kunnen worden gecategoriseerd in warme scheuren en koude scheurengebaseerd op het temperatuurbereik waarin ze voorkomen.
Warmscheuren ontstaan bij hoge temperaturen tijdens het lassen en worden voornamelijk veroorzaakt door de ontmenging van legeringselementen op de korrelgrens of de aanwezigheid van materialen met een laag smeltpunt.
De vorm, het temperatuurbereik en de primaire oorzaken van hete scheuren variëren afhankelijk van de materialen van het gelaste metaal.
De hete scheuren kunnen worden onderverdeeld in drie types: kristallisatiescheuren, liquefactiescheuren en polygonisatiescheuren.
Kristallisatiescheuren komen voornamelijk voor tijdens de lasproces bij hoge temperaturen. In de buurt van de solidus krimpt het gestolde metaal, waardoor er onvoldoende vloeibaar restmetaal overblijft dat zich niet op tijd kan vullen, wat leidt tot het ontstaan van scheuren.
Interkristallijne scheurvorming treedt op door stollingskrimpspanning of externe kracht, voornamelijk in koolstofstaal, lasnaden van laaggelegeerd staal en sommige lasnaden van koolstofstaal. aluminiumlegeringen met meer onzuiverheden.
Vloeibaarheidsscheuren ontstaan door de krimpspanning tijdens het stollen van tot hoge temperaturen verhitte korrelgrenzen in de warmte-beïnvloede zone.
Bij het testen werd ontdekt dat onvoldoende reiniging van het oppervlak van het toevoegmateriaal resulteerde in de aanwezigheid van insluitingen en poriën in de lasnaad na het lassen. Aangezien het lasvulmateriaal een gegoten structuur heeft en de insluitsels een materiaal met een hoog smeltpunt zijn, blijven ze na het lassen achter in de las.
De gietstructuur is relatief dun, met veel gaten, waardoor het gemakkelijk componenten kan absorberen die kristalwater en oliekwaliteit bevatten. Deze factoren kunnen poreusheid veroorzaken tijdens het lassen en insluitingen en poriën worden belangrijke onderdelen die microscheurtjes veroorzaken wanneer de las onder trekspanning staat.
Verdere observatie met een microscoop onthulde een interactie tussen deze insluitsels en microscheurtjes geïnduceerd door poriën. Het is echter een uitdaging om te bepalen of insluitsels voornamelijk fungeren als een spanningsconcentratiebron om scheuren te induceren of als een brosse fase om scheuren te induceren.
Bovendien wordt algemeen aangenomen dat porositeit in lassen van aluminium-magnesiumlegeringen de treksterkte van de las niet significant beïnvloedt. In dit onderzoek werden echter tegelijkertijd microscheurtjes door insluitsels en porositeit gevonden in de trekmonsters van de las.
Of microscheurtjes door poriën een secundair geassocieerd fenomeen zijn of een van de primaire factoren die een aanzienlijke afname in de treksterkte van lassen veroorzaken, moet verder worden onderzocht.
Op dit moment wordt de theorie van het lassen van hete scheuren, zoals voorgesteld door Prokhorov in binnen- en buitenland, beschouwd als zeer verfijnd.
Samengevat suggereert de theorie dat het ontstaan van kristalscheuren voornamelijk afhangt van de volgende drie factoren:
De grootte van het brosse temperatuurbereik en de vervormbaarheidswaarde binnen dit bereik worden gewoonlijk metallurgische factoren genoemd die lasscheuren kunnen veroorzaken, terwijl de vervormingssnelheid van het metaal binnen het brosse temperatuurbereik een mechanische factor wordt genoemd.
Het lasproces omvat een reeks onevenwichtige technologische procedures. Dit kenmerk is nauw verbonden met de metallurgische en mechanische factoren van metaalbreuk in lasverbindingen, zoals fysische, chemische en organisatorische heterogeniteit, slak en insluitsels, gaselementen en vacatures met oververzadigde concentraties van de producten van de lastechnologische en metallurgische processen.
Al deze factoren zijn nauw verbonden met het ontstaan en de ontwikkeling van scheuren in de metallurgie.
In termen van mechanische factoren zijn de specifieke temperatuurgradiënt en koelsnelheid van de thermische lascyclus kan de lasverbinding in een complexe spanning-rek toestand brengen onder bepaalde randvoorwaarden, wat de noodzakelijke voorwaarden biedt voor het ontstaan en de ontwikkeling van scheuren.
Tijdens het lasproces kan het gecombineerde effect van metallurgische en mechanische factoren de metaalverbinding op twee manieren versterken of verzwakken.
Als er tijdens het afkoelen een sterke verbinding tot stand komt in het lasmetaal, kan de spanning gehoorzaam blijven onder bepaalde stijve randvoorwaarden. Als de las en het metaal in de buurt van de naad bestand zijn tegen uitwendige dwangspanning en inwendige restspanningDe kans op scheuren is kleiner en de scheurgevoeligheid van het metaal is laag.
Aan de andere kant, als de spanning niet kan worden weerstaan, is de kans groter dat de sterkteverbinding in het metaal wordt onderbroken, wat resulteert in scheuren. In dit geval is de scheurgevoeligheid van het lasmetaal hoog.
Het lasmetaal wordt afgekoeld tot kamertemperatuur met een bepaalde snelheid vanaf de temperatuur van kristallisatiestolling. De scheurgevoeligheid hangt af van de vergelijking van vervormingscapaciteit en toegepaste spanning, evenals de vergelijking van vervormingsweerstand en toegepaste spanning.
Tijdens het afkoelingsproces kunnen verschillende temperatuurfasen echter resulteren in verschillende interkristallijne sterkte en korrelsterktegroei, verschillende vervormingsverdeling tussen en binnen korrels, verschillend diffusiegedrag veroorzaakt door rek, verschillende spanningsconcentratievoorwaarden en factoren die leiden tot metaalverbrossing. Deze kunnen verschillende specifieke zwakke schakels veroorzaken in lasverbindingen en de mate waarin ze verzwakken kan ook variëren.
Het ontstaan van scheuren in het lasmetaal is nauw verbonden met zowel metallurgische als mechanische factoren.
De spanningsgradiënt in mechanische factoren is gerelateerd aan de temperatuurgradiënt, die wordt bepaald door de thermische cycluskenmerken. De thermische geleidbaarheid van het metaal bepaalt de thermische cycluskarakteristieken, die worden beschouwd als metallurgische factoren. Deze omvatten de thermoplastische veranderingseigenschappen van het metaal, thermische uitzetting en structurele transformatie.
De spanning-rek toestand van het lasmetaal wordt sterk beïnvloed door zowel metallurgische als mechanische factoren. Bovendien ondergaan deze factoren veranderingen als de temperatuur daalt en de koelsnelheid verandert.
Verschillende temperatuurbereiken beïnvloeden de sterkte van gelaste verbinding metaal anders. Het grote bereik van de kristallisatietemperatuur en de lage solidustemperatuur zullen bijvoorbeeld waarschijnlijk spanningsconcentratie veroorzaken bij het vloeibare restmetaal met een laag smeltpunt tussen de korrels, wat leidt tot scheuren in het vaste metaal. Evenzo, als de krimp groot is, vooral onder de voorwaarde van snel afkoelen, zullen er waarschijnlijk scheuren ontstaan als de krimpreksnelheid hoog is en de spanning-rek toestand ruw.
Tijdens de latere fase van stolling en kristallisatie van lasmetaal tijdens aluminium lassen van legeringenwordt eutectisch samengeperst in het centrum van de kristalovergang om een "vloeibare film" te vormen. Op dit punt, als gevolg van de grote krimp tijdens het koelen, is vrije krimp niet beschikbaar om grote trekspanning te genereren. Als gevolg hiervan vormt de vloeibare film een zwakke schakel, die kan barsten in de zwakke zone onder invloed van trekspanning.
Om het optreden van warmscheuren bij het lassen van aluminiumlegeringen te onderzoeken, wordt het kristallisatieproces van het lasbad in drie fasen ingedeeld.
De eerste fase is de vloeistof-vaste fase, waarin een klein aantal kristalkernen bestaat wanneer het lasbad begint af te koelen van hoge temperatuur. Naarmate de temperatuur daalt en de koeltijd langer wordt, groeien de kristalkernen geleidelijk en ontstaan er nieuwe.
De vloeibare fase overheerst echter nog steeds en er is geen contact tussen aangrenzende korrels, waardoor de vloeibare aluminiumlegering die nog niet gestold is vrij kan stromen. Dus zelfs onder trekspanning kunnen openingen snel worden opgevuld door het stromende vloeibare metaal, waardoor de kans op scheuren in dit stadium erg klein is.
De tweede fase is de vast-vloeistof fase. Hier blijft de vaste fase in het smeltbad toenemen naarmate de kristallisatie vordert, en de eerder gevormde kristalkernen blijven groeien.
Wanneer de temperatuur tot een bepaald punt daalt, komen de gestolde metaalkristallen van de aluminiumlegering met elkaar in contact en rollen ze voortdurend in elkaar. In dit stadium wordt de stroming van de vloeibare aluminiumlegering geblokkeerd en komt de gesmolten poolkristallisatie in de vast-vloeibare fase terecht.
Door de kleine hoeveelheid vloeibaar metaal van de aluminiumlegering kan de vervorming van het kristal zelf in dit stadium sterk ontwikkeld worden en is de resterende vloeibare fase tussen de kristallen niet gemakkelijk te stromen.
De kleine openingen die ontstaan onder trekspanning kunnen niet worden opgevuld en zelfs een beetje trekspanning kan leiden tot de mogelijkheid van scheuren. Dit stadium staat bekend als de "brosse temperatuurzone".
Het derde stadium is het stadium van volledig stollen. Wanneer de las die wordt gevormd nadat het gesmolten poolmetaal volledig is gestold, wordt blootgesteld aan trekspanning, vertoont deze goede sterkte en plasticiteit en is de kans op scheuren in dit stadium relatief klein.
Daarom heeft het lasmetaal, wanneer de temperatuur hoger of lager is dan de brosse temperatuurzone tussen a-b, een grotere weerstand tegen kristalscheuren en een kleinere scheurneiging. In het algemeen geldt voor metalen met minder onzuiverheden (waaronder basismetaal en lasmaterialen) is het brosse temperatuurbereik smal.
De trekspanning werkt in dit bereik voor een korte tijd, zodat de totale spanning van de las relatief klein is, wat resulteert in een kleinere neiging tot scheurvorming tijdens het lassen.
Als er echter veel onzuiverheden in de las zitten, is het brosse temperatuurbereik relatief groot en is de actietijd van trekspanning in dit bereik relatief lang, wat leidt tot een grotere neiging om scheuren te produceren.
Om de kans op warmscheuren bij het lassen van aluminiumlegeringen te verkleinen, kunnen verbeteringen worden aangebracht via twee aspecten: metallurgische factoren en technologische factoren.
Wat betreft metallurgische factoren, het voorkomen van interkristallijne warmscheuren tijdens het lassen omvat het aanpassen van het laslegeringsysteem of het toevoegen van modificatoren aan het toevoegmetaal.
Om de juiste hoeveelheid smeltbaar eutectisch te beheersen en het kristallisatietemperatuurbereik te verkleinen vanuit het oogpunt van scheurvastheid, moet de focus van het laslegeringsysteem worden aangepast.
Aangezien aluminiumlegering een typische eutectische legering is, komt het "maximale" stollingstemperatuurbereik van de legering overeen met de maximale scheurneiging.
De aanwezigheid van een kleine hoeveelheid smeltbaar eutecticum verhoogt altijd de neiging tot stollingsscheuren. Om dit tegen te gaan, wordt de inhoud van de belangrijkste legeringselementen gewoonlijk verhoogd tot boven de legeringscomponent met de maximale scheurneiging om een "genezend" effect te produceren.
Daarnaast worden sporenelementen zoals Ti, Zr, V en B toegevoegd aan het toevoegmetaal als modificatoren in een poging de plasticiteit en taaiheid te verbeteren door de korrels te verfijnen en warmscheuren bij het lassen te voorkomen. Deze poging is al enige tijd aan de gang en heeft positieve resultaten opgeleverd.
Figuur 3 toont de resultaten van de scheurvastheidstest van Al-4,5% Mg lasdraad met een modificator onder de voorwaarde van een starre overlap. hoeklas. De test omvatte de toevoeging van 0,15% Zr en 0,1% Ti+B. De resultaten geven aan dat de gelijktijdige toevoeging van Ti en B de scheurvastheid aanzienlijk verbeterde.
Ti, Zr, V, B en Ta hebben gemeen dat ze met aluminium kunnen reageren tot een reeks peritectische reacties, wat resulteert in de vorming van vuurvaste metaalverbindingen zoals Al3Ti, Al3Zr, Al7V, AlB2, Al3Ta, enz.
Deze kleine vuurvaste deeltjes kunnen fungeren als niet-spontane kristalkernen tijdens het stolproces van vloeibaar metaal, waardoor korrelverfijning wordt vergemakkelijkt.
Procesfactoren zoals lasspecificaties, voorverwarmen, lasvorm en lasvolgorde zijn cruciaal voor het oplossen van lasscheuren, die gebaseerd zijn op lasspanning. De lasprocesparameters hebben invloed op het niet-evenwicht van het stolproces en de toestand van de stolstructuur, evenals op de deformatiesnelheid tijdens het stollen, waardoor de vorming van scheuren wordt beïnvloed.
Lasmethoden die gebruikmaken van geconcentreerde warmte-energie vergemakkelijken snel lassen en kunnen de vorming van grove zuilvormige kristallen met een sterke richtingsgevoeligheid voorkomen, waardoor de scheurvastheid verbetert.
De lassnelheid en het gebruik van een kleine lasstroom kan de oververhitting van het smeltbad verminderen en de scheurvastheid verbeteren. Het verhogen van de lassnelheid verhoogt echter de reksnelheid van lasverbindingen en de neiging tot warmscheuren. Daarom is het duidelijk dat het verhogen van de lassnelheid en de lasstroom de scheurneiging verhoogt.
Tijdens de assemblage en lassen van aluminium structuren heeft de las niet veel stijfheid. Daarom kunnen maatregelen worden genomen zoals sectioneel lassen, voorverwarmen of het verlagen van de lassnelheid.
Voorverwarmen kan de relatieve uitzetting van het proefstuk verminderen en daardoor de lasspanning verlagen, wat de spanning in het brosse temperatuurbereik vermindert. Stuiklassen met groef en kleine spleten moeten zoveel mogelijk worden gebruikt, terwijl kruisverbindingen en onjuiste positionering en lasvolgorde moeten worden vermeden. Wanneer het lassen is voltooid of onderbroken, moet de krater onmiddellijk worden opgevuld en moet de hittebron worden verwijderd, anders kunnen er gemakkelijk kraterscheuren ontstaan.
Tijdens het lassen van meerlaagse lasverbindingen van legeringen uit de 5000-serie ontstaan vaak microscheurtjes als gevolg van lokale interkristallijne smelt, waardoor de controle over de laswarmte invoer van de volgende laag lasparel.
Gebaseerd op de bevindingen van dit artikel is oppervlaktereiniging van het basismetaal en het toevoegmateriaal cruciaal voor het lassen van aluminiumlegeringen. Materiaalinsluiting wordt de bron van scheuren in de las en de belangrijkste reden voor de afname van de lasprestaties.
Als oprichter van MachineMFG heb ik meer dan tien jaar van mijn carrière gewijd aan de metaalbewerkingsindustrie. Door mijn uitgebreide ervaring ben ik een expert geworden op het gebied van plaatbewerking, verspaning, werktuigbouwkunde en gereedschapsmachines voor metalen. Ik denk, lees en schrijf voortdurend over deze onderwerpen en streef er voortdurend naar om voorop te blijven lopen in mijn vakgebied. Laat mijn kennis en expertise een aanwinst zijn voor uw bedrijf.
NL 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
PT 
PT_BR 
RU 
KO