Трещины в сварных соединениях из алюминиевых сплавов: Характеристики и анализ механизмов

Несмотря на то, что алюминий и его сплавы широко используются для сварки важных изделий, они не лишены трудностей в реальном сварочном производстве. Среди основных проблем - пористость сварного шва, горячие трещины во время сварки и достижение одинаковой прочности соединения.

Одной из причин этих проблем является сильная химическая активность алюминия и его сплавов, из-за чего на их поверхности образуются оксидные пленки, которые зачастую являются тугоплавкими. Например, температура плавления Al2O3 составляет 2050 ℃, а температура плавления MgO - 2500 ℃. Кроме того, алюминий и его сплавы обладают высокой теплопроводностью, что делает их легко неплавкими во время сварки.

Оксидная пленка, плотность которой аналогична плотности алюминия, может стать причиной появления включений в металле шва. Кроме того, менее плотная оксидная пленка с MgO может поглощать больше воды и часто является значительной причиной пористость сварного шва. Кроме того, алюминий и его сплавы имеют большой коэффициент линейного расширения и высокую теплопроводность, что делает их склонными к деформации при сварке.

Наконец, в статье анализируются относительно серьезные трещины, возникающие во время тестирования.

1. Трещины в сварных соединениях из алюминиевых сплавов и их характеристики

В процессе сварки алюминиевых сплавов могут появляться различные трещины. сварные соединения из-за различий в типах, свойствах и сварочных структурах материалов.

Форма и распределение этих трещин могут быть весьма сложными.

По месту расположения эти трещины можно разделить на два типа:

(1) Трещины в металле сварного шва: продольные трещины, поперечные трещины, кратерные трещины, волосовидные или дуговые трещины, корневые трещины и микротрещины (особенно при многослойной сварке).

(2) Трещины в зона термического влияния: трещины в носке шва, пластинчатые трещины и микротермические трещины у линии сплавления.

Трещины, образующиеся во время сварки, можно разделить на горячие и холодные трещиныВ зависимости от диапазона температур, при которых они возникают.

Горячие трещины возникают при высоких температурах во время сварки и в основном вызваны расслоением элементы сплава на границе зерен или присутствие материалов с низкой температурой плавления.

Форма, температурный диапазон и основные причины горячие трещины зависит от материала свариваемого металла.

Горячие трещины можно разделить на три типа: кристаллизационные трещины, трещины разжижения и трещины полигонизации.

Кристаллизационные трещины возникают в основном во время процесс сварки при высоких температурах. Вблизи точки солидуса затвердевший металл сжимается, вызывая недостаточное количество остаточного жидкого металла, который не успевает заполниться, что приводит к образованию трещин.

Межкристаллитные трещины возникают под действием усадочных напряжений при затвердевании или внешних сил, в основном в сварных швах углеродистой стали, низколегированной стали и некоторых алюминиевые сплавы с большим количеством примесей.

Трещины разжижения возникают из-за усадочных напряжений при затвердевании границ зерен, нагретых до высоких температур в зоне термического влияния.

В ходе испытаний было обнаружено, что недостаточная очистка поверхности присадочного материала приводит к появлению включений и пор в сварном шве после сварки. В тесте с тремя группами номеров, поскольку присадочный материал представляет собой литую структуру, а включение является материалом с высокой температурой плавления, оно остается в сварном шве после сварки.

Структура отливки относительно разреженная, с большим количеством отверстий, что облегчает поглощение компонентов, содержащих кристаллическую воду и масло. Эти факторы могут вызвать пористость при сварке, а включения и поры становятся ключевыми элементами, вызывающими микротрещины, когда сварной шов находится под растягивающим напряжением.

Дальнейшее наблюдение с помощью микроскопа выявило взаимодействие между этими включениями и микротрещинами, вызванными порами. Однако сложно определить, действуют ли включения в основном как источник концентрации напряжений, вызывающий трещины, или как хрупкая фаза, вызывающая трещины.

Кроме того, широко распространено мнение, что пористость в сварных швах алюминиево-магниевых сплавов не оказывает существенного влияния на прочность шва при растяжении. Однако в данном исследовании микротрещины, вызванные включениями и пористостью, были обнаружены в образцах сварного шва при растяжении одновременно.

Являются ли микротрещины, вызванные порами, вторичным сопутствующим явлением или одним из основных факторов, вызывающих значительное снижение прочности сварных швов на растяжение, требует дальнейшего изучения.

2. Процесс образования горячих трещин

В настоящее время теория заварки горячих трещин, предложенная Прохоровым как в отечественной, так и в зарубежной практике, считается весьма совершенной.

Подводя итог, можно сказать, что теория предполагает, что образование кристаллических трещин в первую очередь зависит от следующих трех факторов:

1. Размер температурного диапазона хрупкости
2. Пластичность сплава в этом температурном диапазоне
3. Скорость деформации металла в хрупком температурном интервале

Размер диапазона хрупких температур и значение пластичности в этом диапазоне принято называть металлургическими факторами, которые могут привести к образованию горячих трещин при сварке, в то время как скорость деформации металла в диапазоне хрупких температур называется механическим фактором.

Процесс сварки включает в себя ряд несбалансированных технологических операций. Эта особенность тесно связана с металлургическими и механическими факторами разрушения металла в сварных соединениях, такими как физическая, химическая и организационная неоднородность, шлак и включения, газовые элементы и вакансии с пересыщенными концентрациями продуктов технологических и металлургических процессов сварки.

Все эти факторы тесно связаны с возникновением и развитием трещин в металлургии.

С точки зрения механических факторов, удельный температурный градиент и скорость охлаждения термический цикл сварки может привести к тому, что сварное соединение будет находиться в сложном напряженно-деформированном состоянии при определенных условиях, что создает необходимые условия для зарождения и развития трещин.

В процессе сварки совместное воздействие металлургических и механических факторов может либо усилить, либо ослабить металлическое соединение двумя способами.

Если в металле сварного шва во время охлаждения образуется прочное соединение, деформация может оставаться послушной при определенных жестких условиях ограничения. Если сварной шов и металл вблизи шва выдерживают внешнее напряжение и внутреннее напряжение остаточное напряжениеВероятность появления трещин снижается, а чувствительность металла к трещинам низкая.

С другой стороны, если напряжение не выдерживается, прочностная связь в металле с большой вероятностью будет прервана, что приведет к образованию трещин. В этом случае чувствительность металла сварного соединения к трещинам высока.

Металл сварного соединения охлаждается до комнатной температуры с определенной скоростью от температуры кристаллизации затвердевания. Его трещиностойкость зависит от сравнения деформационной способности и приложенной деформации, а также от сравнения сопротивления деформации и приложенного напряжения.

Однако в процессе охлаждения на разных температурных этапах могут возникать различные межзеренная прочность и рост прочности зерен, различное распределение деформации между зернами и внутри них, различное диффузионное поведение при деформации, различные условия концентрации напряжений и факторы, приводящие к охрупчиванию металла. Все это может вызвать различные специфические слабые звенья в сварных соединениях, и степень их ослабления также может быть различной.

Возникновение трещин в металле сварного соединения тесно связано как с металлургическими, так и с механическими факторами.

Градиент напряжений в механических факторах связан с градиентом температур, который определяется характеристиками термического цикла. Теплопроводность металла определяет характеристики термического цикла, которые рассматриваются как металлургические факторы. К ним относятся характеристики термопластического изменения металла, тепловое расширение и структурные превращения.

На напряженно-деформированное состояние металла сварного соединения большое влияние оказывают как металлургические, так и механические факторы. Кроме того, эти факторы претерпевают изменения при снижении температуры и изменении скорости охлаждения.

Различные температурные режимы влияют на прочность сварного соединения металл по-разному. Например, большой диапазон температур кристаллизации и низкая температура солидуса могут вызвать концентрацию напряжений в остаточном низкоплавком жидком металле между зернами, что приведет к образованию трещин в твердом металле. Аналогично, если усадка велика, особенно в условиях быстрого охлаждения, то при высокой скорости усадочной деформации и жестком напряженно-деформированном состоянии могут возникнуть трещины.

На поздней стадии затвердевания и кристаллизации металла шва во время алюминиевой сварка сплавомЭвтектика сжимается в центре пересечения кристаллов, образуя "жидкую пленку". В этот момент из-за большой усадки при охлаждении свободная усадка недоступна для создания большого растягивающего напряжения. В результате жидкая пленка образует слабое звено, которое может треснуть в слабой зоне под действием растягивающего напряжения.

3. Механизм образования горячих трещин

Для исследования возникновения горячих трещин при сварке алюминиевых сплавов процесс кристаллизации сварочной ванны классифицируется на три стадии.

Первая стадия - это стадия жидкость-твердое тело, во время которой существует небольшое количество кристаллических ядер, так как сварочный расплав начинает остывать от высокой температуры. По мере снижения температуры и увеличения времени охлаждения кристаллические ядра постепенно растут и появляются новые.

Однако жидкая фаза все еще преобладает, и между соседними зернами нет контакта, что позволяет свободно течь еще не затвердевшему жидкому алюминиевому сплаву. Таким образом, даже при растягивающем напряжении любые открывшиеся зазоры могут быть быстро заполнены текущим жидким металлом, что делает вероятность появления трещин на этой стадии очень малой.

Вторая стадия - твердо-жидкая. Здесь твердая фаза в расплавленном бассейне продолжает увеличиваться по мере кристаллизации, а ранее образовавшиеся кристаллические ядра продолжают расти.

Когда температура снижается до определенной точки, затвердевшие металлические кристаллы алюминиевого сплава вступают в контакт друг с другом и непрерывно сворачиваются. На этом этапе поток жидкого алюминиевого сплава блокируется, и кристаллизация расплава переходит в твердо-жидкую фазу.

Из-за небольшого количества жидкого металлического алюминиевого сплава деформация самого кристалла может быть сильно развита на этой стадии, а остаточная жидкая фаза между кристаллами нелегко вытекает.

Крошечные зазоры, образующиеся при растяжении, не могут быть заполнены, и даже небольшое растягивающее напряжение может привести к появлению трещин. Эта стадия известна как "хрупкая температурная зона".

Третья стадия - стадия полного затвердевания. Когда сварной шов, сформированный после полного затвердевания расплавленного металла, подвергается растягивающему напряжению, он демонстрирует хорошую прочность и пластичность, и вероятность образования трещин на этом этапе относительно низка.

Поэтому, когда температура выше или ниже хрупкой температурной зоны между a-b, металл шва обладает большей устойчивостью к образованию кристаллических трещин и меньшей склонностью к образованию трещин. В целом, для металлов с меньшим количеством примесей (включая основной металл и сварочные материалы), диапазон температур хрупкости узкий.

Растягивающее напряжение действует в этом диапазоне в течение короткого времени, поэтому общее напряжение в сварном шве относительно невелико, что приводит к снижению склонности к образованию трещин во время сварки.

Однако если в сварном шве много примесей, диапазон температур хрупкости относительно широк, а время действия растягивающего напряжения в этом диапазоне относительно велико, что приводит к большей склонности к образованию трещин.

4. Меры по предотвращению сварочных трещин в алюминиевых сплавах

Для снижения вероятности образования горячих трещин при сварке алюминиевых сплавов можно улучшить ситуацию за счет двух аспектов: металлургических и технологических факторов.

Что касается металлургических факторов, то предотвращение межкристаллитных горячих трещин при сварке заключается в корректировке системы сплавления шва или добавлении модификаторов в присадочный металл.

Чтобы контролировать соответствующее количество легкоплавкой эвтектики и сузить диапазон температур кристаллизации с точки зрения трещиностойкости, необходимо изменить направленность системы сварных сплавов.

Поскольку алюминиевый сплав является типичным эвтектическим сплавом, "максимальный" диапазон температур затвердевания сплава соответствует максимальной склонности к образованию трещин.

Присутствие небольшого количества легкоплавкой эвтектики всегда увеличивает склонность к образованию трещин при затвердевании. Чтобы противостоять этому, содержание основных элементов сплава обычно увеличивается по сравнению с компонентом сплава с максимальной склонностью к образованию трещин для получения эффекта "заживления".

Кроме того, в присадочный металл добавляют микроэлементы, такие как Ti, Zr, V и B, в качестве модификаторов в попытке улучшить пластичность и вязкость за счет измельчения зерен и предотвращения образования горячих трещин при сварке. Эти попытки продолжаются уже некоторое время и дали положительные результаты.

На рисунке 3 показаны результаты испытаний на трещиностойкость сварочной проволоки Al-4.5% Mg с модификатором при условии жесткого нахлеста. сварной шов. Испытание включало добавление 0,15% Zr и 0,1% Ti+B. Результаты показывают, что одновременное добавление Ti и B значительно повышает трещиностойкость.

Ti, Zr, V, B и Ta объединяет то, что они могут реагировать с алюминием, образуя ряд перитектических реакций, приводящих к образованию соединений тугоплавких металлов, таких как Al3Ti, Al3Zr, Al7V, AlB2, Al3Ta и др.

Эти мелкие тугоплавкие частицы могут выступать в качестве ядер кристаллов неспонтанного затвердевания в процессе затвердевания жидкого металла, способствуя тем самым измельчению зерна.

Такие технологические факторы, как технические условия сварки, предварительный подогрев, форма соединения и последовательность сварки, имеют решающее значение для устранения сварочных трещин, в основе которых лежат сварочные напряжения. Параметры процесса сварки влияют на неравновесность процесса затвердевания и состояние структуры затвердевания, а также на скорость роста деформации во время затвердевания, тем самым влияя на образование трещин.

Методы сварки Применяющие концентрированную тепловую энергию, способствуют быстрой сварке и могут предотвратить образование крупных столбчатых кристаллов с сильной направленностью, тем самым повышая трещиностойкость.

Сокращение скорость сварки и использование небольшого сварочного тока может уменьшить перегрев расплавленной ванны и повысить трещиностойкость. Увеличение скорости сварки, однако, увеличивает скорость деформации сварных соединений и склонность к образованию горячих трещин. Таким образом, очевидно, что увеличение скорости сварки и сварочного тока повышает склонность к образованию трещин.

Во время сборки и сварка алюминия В таких конструкциях сварной шов не обладает большой жесткостью. Поэтому могут быть приняты такие меры, как секционная сварка, предварительный подогрев или снижение скорости сварки.

Предварительный нагрев может уменьшить относительное расширение образца и, следовательно, снизить сварочное напряжение, что уменьшает напряжение в хрупком температурном диапазоне. Стыковая сварка следует по возможности использовать канавки и небольшие зазоры, а также избегать перекрестных соединений, неправильного расположения и последовательности сварки. После завершения или прерывания сварки кратер следует немедленно заделать, а источник тепла удалить, иначе могут легко образоваться трещины в кратере.

При сварке многослойных сварных соединений из сплавов серии 5000 часто возникают микротрещины из-за локального межкристаллитного проплавления, что требует контроля за сварочное тепло ввод следующего слоя сварочной шайбы.

Согласно выводам, сделанным в данной статье, очистка поверхности основного металла и присадочного материала имеет решающее значение для сварки алюминиевых сплавов. Включение материалов становится источником трещин в сварном шве и основной причиной снижения качества сварки.