Você já se perguntou por que as soldas de liga de alumínio racham apesar de uma soldagem cuidadosa? Este artigo aborda os principais problemas, como porosidade, trincas a quente e resistência desigual da junta na soldagem de ligas de alumínio. Ele explica os tipos de rachaduras, suas causas e como a alta condutividade térmica e a atividade química contribuem para esses problemas. Com a leitura, você obterá insights sobre os mecanismos por trás dessas trincas e descobrirá estratégias práticas de prevenção para melhorar seus resultados de soldagem.
Embora o alumínio e suas ligas sejam amplamente utilizados na soldagem de produtos importantes, eles não estão isentos de dificuldades na produção real de soldagem. Alguns dos principais problemas incluem a porosidade na solda, trincas a quente durante a soldagem e a obtenção de resistência igual na junta.
Um dos motivos para esses problemas é a forte atividade química do alumínio e de suas ligas, o que torna a superfície muito propensa à formação de filmes de óxido que geralmente são refratários. Por exemplo, o ponto de fusão do Al2O3 é 2050 ℃, e o ponto de fusão do MgO é 2500 ℃. Além disso, o alumínio e suas ligas têm alta condutividade térmica, o que facilita a não fusão durante a soldagem.
A película de óxido, que tem uma densidade semelhante à do alumínio, pode se tornar inclusões no metal de solda. Além disso, a película de óxido menos densa com MgO pode absorver mais água e, com frequência, é uma causa significativa de porosidade da solda. Além disso, o alumínio e suas ligas têm um grande coeficiente de expansão linear e alta condutividade térmica, o que os torna propensos à deformação por empenamento durante a soldagem.
Por fim, o artigo analisa as rachaduras relativamente graves que ocorrem durante os testes.
Durante o processo de soldagem de ligas de alumínio, várias rachaduras podem aparecer na juntas soldadas devido a diferenças nos tipos, propriedades e estruturas de soldagem dos materiais.
A forma e a distribuição dessas rachaduras podem ser bastante complexas.
Com base em sua localização, essas rachaduras podem ser divididas em dois tipos:
(1) Rachaduras no metal de solda: trincas longitudinais, trincas transversais, trincas em cratera, trincas em forma de cabelo ou arco, trincas de raiz e microtrincas (especialmente em soldagem de várias camadas).
(2) Rachaduras na zona afetada pelo calor: trincas na ponta da solda, trincas lamelares e microtrincas térmicas próximas à linha de fusão.
As trincas geradas durante a soldagem podem ser categorizadas em trincas a quente e rachaduras friascom base na faixa de temperatura em que ocorrem.
As trincas a quente ocorrem em altas temperaturas durante a soldagem e são causadas principalmente pela segregação de elementos de liga no limite do grão ou a presença de materiais com baixo ponto de fusão.
A forma, a faixa de temperatura e as principais causas de rachaduras quentes variam de acordo com os materiais do metal soldado.
As trincas a quente podem ser divididas em três tipos: rachaduras de cristalização, rachaduras de liquefação e rachaduras de poligonização.
As rachaduras de cristalização ocorrem principalmente durante a processo de soldagem em altas temperaturas. Perto do solidus, o metal solidificado encolhe, causando um metal líquido residual insuficiente que não pode ser preenchido a tempo, levando à geração de rachaduras.
A rachadura intergranular ocorre devido à tensão de contração de solidificação ou força externa, principalmente em aço carbono, soldas de aço de baixa liga e alguns ligas de alumínio com mais impurezas.
As trincas de liquefação ocorrem devido à tensão de contração durante a solidificação dos limites de grãos aquecidos a altas temperaturas na zona afetada pelo calor.
Nos testes, descobriu-se que a limpeza insuficiente da superfície do material de enchimento resultava na presença de inclusões e poros na solda após a soldagem. No teste de número de três grupos, como o material de enchimento de solda é uma estrutura fundida e a inclusão é um material de alto ponto de fusão, ela permanece na solda após a soldagem.
A estrutura de fundição é relativamente esparsa, com muitos orifícios, o que facilita a absorção de componentes que contêm água cristalina e qualidade de óleo. Esses fatores podem causar porosidade durante a soldagem, e as inclusões e os poros tornam-se peças-chave que induzem microfissuras quando a solda está sob tensão de tração.
Uma observação mais detalhada por meio de um microscópio revelou uma interação entre essas inclusões e as microfissuras induzidas pelos poros. No entanto, é um desafio determinar se as inclusões atuam principalmente como uma fonte de concentração de tensão para induzir rachaduras ou como uma fase frágil para induzir rachaduras.
Além disso, acredita-se que a porosidade nas soldas de ligas de alumínio e magnésio não afeta significativamente a resistência à tração da solda. No entanto, este estudo encontrou microfissuras induzidas por inclusões e porosidade nas amostras de tração da solda simultaneamente.
É preciso estudar mais a fundo se as microfissuras induzidas por poros são um fenômeno secundário associado ou um dos principais fatores que causam um declínio significativo na resistência à tração das soldas.
Atualmente, a teoria de soldagem de trincas a quente, proposta por Prokhorov, tanto em nível nacional quanto internacional, é considerada altamente refinada.
Em resumo, a teoria sugere que a geração de rachaduras em cristais depende principalmente dos três fatores a seguir:
O tamanho da faixa de temperatura frágil e o valor da ductilidade dentro dessa faixa são comumente chamados de fatores metalúrgicos que podem produzir trincas a quente na soldagem, enquanto a taxa de deformação do metal dentro da faixa de temperatura frágil é conhecida como um fator mecânico.
O processo de soldagem envolve uma série de procedimentos tecnológicos desequilibrados. Essa característica está intimamente ligada aos fatores metalúrgicos e mecânicos da fratura do metal em juntas soldadas, como heterogeneidade física, química e organizacional, escória e inclusões, elementos gasosos e vazios com concentrações supersaturadas dos produtos dos processos tecnológicos e metalúrgicos de soldagem.
Todos esses fatores estão intimamente relacionados ao início e ao desenvolvimento de trincas na metalurgia.
Em termos de fatores mecânicos, o gradiente de temperatura específico e a taxa de resfriamento do ciclo térmico de soldagem pode fazer com que a junta soldada fique em um estado complexo de tensão-deformação sob determinadas condições de restrição, o que fornece as condições necessárias para o início e o desenvolvimento de trincas.
Durante o processo de soldagem, o efeito combinado de fatores metalúrgicos e mecânicos pode fortalecer ou enfraquecer a conexão metálica de duas maneiras.
Se uma forte conexão for estabelecida no metal da junta soldada durante o resfriamento, a deformação pode permanecer obediente sob certas condições de restrição rígida. Quando a solda e o metal próximo à junta puderem suportar a tensão de restrição externa e a tensão interna tensão residualSe o metal for mais resistente a rachaduras, é menos provável que ocorram rachaduras, e a sensibilidade do metal a rachaduras é baixa.
Por outro lado, se a tensão não puder ser suportada, é mais provável que a conexão de resistência no metal seja interrompida, resultando em rachaduras. Nesse caso, a sensibilidade do metal da junta de solda a rachaduras é alta.
O metal da junta de solda é resfriado à temperatura ambiente a uma determinada taxa a partir da temperatura de solidificação da cristalização. Sua sensibilidade à trinca depende da comparação da capacidade de deformação e da tensão aplicada, bem como da comparação da resistência à deformação e da tensão aplicada.
No entanto, durante o processo de resfriamento, diferentes estágios de temperatura podem resultar em diferentes resistências intergranulares e crescimento da resistência dos grãos, diferentes distribuições de deformação entre e dentro dos grãos, diferentes comportamentos de difusão induzidos pela deformação, diferentes condições de concentração de tensão e fatores que levam à fragilização do metal. Isso pode causar diferentes elos fracos específicos em juntas soldadas, e o grau de enfraquecimento também pode variar.
A ocorrência de trincas no metal da junta de solda está intimamente relacionada a fatores metalúrgicos e mecânicos.
O gradiente de tensão nos fatores mecânicos está relacionado ao gradiente de temperatura, que é determinado pelas características do ciclo térmico. A condutividade térmica do metal determina as características do ciclo térmico, que são consideradas como fatores metalúrgicos. Esses fatores incluem as características de mudança termoplástica do metal, a expansão térmica e a transformação estrutural.
O estado de tensão-deformação do metal da junta soldada é muito influenciado por fatores metalúrgicos e mecânicos. Além disso, esses fatores sofrem alterações à medida que a temperatura diminui e a velocidade de resfriamento muda.
Diferentes faixas de temperatura afetam a resistência da junta soldada metal de forma diferente. Por exemplo, a grande faixa de temperatura de cristalização e a baixa temperatura de solidus provavelmente causarão concentração de tensão no metal líquido residual de baixa fusão entre os grãos, levando a rachaduras no metal sólido. Da mesma forma, se o encolhimento for grande, especialmente sob a condição de resfriamento rápido, é provável que ocorram rachaduras quando a taxa de deformação de encolhimento for alta e o estado de tensão-deformação for severo.
Durante o estágio posterior de solidificação e cristalização do metal de solda durante o processo de fabricação do alumínio soldagem de ligasO eutético é espremido no centro da interseção do cristal para formar um "filme líquido". Nesse ponto, devido ao grande encolhimento durante o resfriamento, o encolhimento livre não está disponível para gerar uma grande tensão de tração. Como resultado, o filme líquido forma um elo fraco, que pode rachar na zona fraca sob o efeito da tensão de tração.
Para investigar a ocorrência de trincas a quente na soldagem de ligas de alumínio, o processo de cristalização do banho de solda é classificado em três estágios.
O primeiro estágio é o estágio líquido-sólido, durante o qual existe um pequeno número de núcleos de cristais à medida que a poça de fusão da solda começa a esfriar a partir da alta temperatura. À medida que a temperatura cai e o tempo de resfriamento se estende, os núcleos de cristal crescem gradualmente e surgem novos núcleos.
Entretanto, a fase líquida ainda predomina e não há contato entre os grãos adjacentes, o que permite o livre fluxo da liga de alumínio líquido que ainda não se solidificou. Portanto, mesmo sob tensão de tração, quaisquer lacunas abertas podem ser prontamente preenchidas pelo metal líquido em fluxo, tornando a probabilidade de rachaduras nesse estágio muito pequena.
O segundo estágio é o estágio sólido-líquido. Aqui, a fase sólida na poça fundida continua a aumentar à medida que a cristalização progride, e os núcleos de cristal formados anteriormente continuam a crescer.
Quando a temperatura cai até um determinado ponto, os cristais metálicos da liga de alumínio solidificada entram em contato uns com os outros e rolam continuamente. Nesse estágio, o fluxo da liga de alumínio líquido é bloqueado, e a cristalização da piscina fundida entra na fase sólido-líquido.
Devido à pequena quantidade de metal de liga de alumínio líquido, a deformação do próprio cristal pode ser fortemente desenvolvida nesse estágio, e a fase líquida residual entre os cristais não é fácil de fluir.
As pequenas lacunas geradas sob tensão de tração não podem ser preenchidas, e mesmo uma pequena tensão de tração pode levar à possibilidade de rachaduras. Esse estágio é conhecido como "zona de temperatura frágil".
O terceiro estágio é o estágio de solidificação completa. Quando a solda formada após a solidificação completa do metal fundido é submetida a tensão de tração, ela apresenta boa resistência e plasticidade, e a probabilidade de rachaduras nesse estágio é relativamente baixa.
Portanto, quando a temperatura é maior ou menor do que a zona de temperatura frágil entre a-b, o metal de solda tem maior resistência a trincas cristalinas e menor tendência a trincas. Em geral, para metais com menos impurezas (incluindo metal de base e materiais de soldagem), a faixa de temperatura frágil é estreita.
A tensão de tração atua nessa faixa por um curto período, de modo que a tensão total da solda é relativamente pequena, resultando em uma tendência menor de desenvolvimento de trincas durante a soldagem.
No entanto, se houver muitas impurezas na solda, a faixa de temperatura frágil será relativamente ampla, e o tempo de ação da tensão de tração nessa faixa será relativamente longo, levando a uma tendência maior de produzir trincas.
Para reduzir a probabilidade de trincas a quente na soldagem de ligas de alumínio, a melhoria pode ser feita por meio de dois aspectos: fatores metalúrgicos e fatores tecnológicos.
Com relação aos fatores metalúrgicos, a prevenção de trincas intergranulares a quente durante a soldagem envolve o ajuste do sistema de liga de solda ou a adição de modificadores ao metal de adição.
Para controlar uma quantidade adequada de eutético fusível e estreitar a faixa de temperatura de cristalização do ponto de vista da resistência a trincas, o foco do sistema de liga de solda precisa ser ajustado.
Como a liga de alumínio é uma liga eutética típica, a faixa de temperatura "máxima" de solidificação da liga corresponde à tendência máxima de trincas.
A presença de uma pequena quantidade de eutético fusível sempre aumenta a tendência de trincas de solidificação. Para combater isso, o conteúdo dos principais elementos de liga é normalmente aumentado além do componente de liga com a tendência máxima de trinca para produzir um efeito de "cura".
Além disso, oligoelementos como Ti, Zr, V e B são adicionados ao metal de adição como modificadores, em uma tentativa de melhorar a plasticidade e a resistência por meio do refinamento dos grãos e da prevenção de trincas a quente na soldagem. Essa tentativa está em andamento há algum tempo e produziu resultados positivos.
A Figura 3 mostra os resultados do teste de resistência a trincas do fio de solda Al-4.5% Mg com um modificador sob a condição de uma volta rígida solda de filete. O teste incluiu a adição de 0,15% Zr e 0,1% Ti+B. Os resultados indicam que a adição simultânea de Ti e B melhorou significativamente a resistência a trincas.
Ti, Zr, V, B e Ta têm como característica comum o fato de poderem reagir com o alumínio para formar uma série de reações peritéticas, resultando na formação de compostos metálicos refratários, como Al3Ti, Al3Zr, Al7V, AlB2, Al3Ta etc.
Essas pequenas partículas refratárias podem atuar como núcleos de cristal de solidificação não espontânea durante o processo de solidificação do metal líquido, facilitando assim o refinamento dos grãos.
Os fatores do processo, como especificações de soldagem, pré-aquecimento, forma da junta e sequência de soldagem, são cruciais para solucionar as trincas de soldagem, que são baseadas na tensão de soldagem. Os parâmetros do processo de soldagem afetam o não-equilíbrio do processo de solidificação e o estado da estrutura de solidificação, bem como a taxa de crescimento da deformação durante a solidificação, influenciando, assim, a formação de trincas.
Métodos de soldagem que empregam energia térmica concentrada facilitam a soldagem rápida e podem evitar a formação de cristais colunares grosseiros com forte diretividade, melhorando assim a resistência a trincas.
Reduzindo a velocidade de soldagem e o emprego de uma pequena corrente de soldagem pode diminuir o superaquecimento da poça de fusão e melhorar a resistência a trincas. O aumento da velocidade de soldagem, no entanto, aumenta a taxa de deformação das juntas soldadas e a tendência de trincas a quente. Portanto, é evidente que o aumento da velocidade de soldagem e da corrente de soldagem aumenta a tendência de rachaduras.
Durante a montagem e soldagem de alumínio a solda não apresenta muita rigidez. Dessa forma, podem ser tomadas medidas como soldagem seccional, pré-aquecimento ou redução da velocidade de soldagem.
O pré-aquecimento pode reduzir a expansão relativa do corpo de prova e, consequentemente, diminuir a tensão de soldagem, o que reduz a tensão na faixa de temperatura frágil. Solda de topo Deve-se empregar, na medida do possível, uma junta com ranhura e pequenas folgas, enquanto se deve evitar a junta cruzada e o posicionamento e as sequências de soldagem inadequados. Quando a soldagem for concluída ou interrompida, a cratera deve ser preenchida imediatamente e a fonte de calor deve ser removida, caso contrário, poderão ocorrer facilmente rachaduras na cratera.
Durante a soldagem de juntas soldadas com várias camadas de ligas da série 5000, frequentemente ocorrem microfissuras devido à fusão intergranular local, o que exige o controle da calor de soldagem entrada da próxima camada de cordão de solda.
Com base nos resultados deste artigo, a limpeza da superfície do metal de base e do material de enchimento é fundamental para a soldagem de ligas de alumínio. A inclusão de materiais torna-se a fonte de rachaduras na solda e o principal motivo para o declínio do desempenho da solda.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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