Hoci sa hliník a jeho zliatiny používajú na zváranie do mnohých dôležitých produktov, samotná výroba zvárania nie je bezproblémová. Hlavnými problémami sú: póry vo zvare, zváranie horúcich trhlín a „rovnaká pevnosť“ spojov. Vďaka silnej chemickej aktivite hliníka a jeho zliatin je ľahké vytvoriť na povrchu oxidový film a väčšina z nich má žiaruvzdorné vlastnosti (napríklad teplota topenia Al2O3 je 2050 stupňov a teplota topenia MgO je 2500 stupňov). Okrem toho má hliník a jeho zliatiny silnú tepelnú vodivosť. Počas zvárania je ľahké spôsobiť jav netavenia. Pretože hustota oxidového filmu je veľmi blízka hustote hliníka, je tiež ľahké stať sa inklúziami vo zvarovom kove. Zároveň oxidový film (najmä oxidový film s prítomnosťou MgO, ktorý nie je veľmi hustý) môže absorbovať viac vlhkosti a často sa stáva jedným z dôležitých dôvodov vzniku pórov zvaru.
Okrem toho majú hliník a jeho zliatiny veľký koeficient lineárnej rozťažnosti a silnú tepelnú vodivosť a sú náchylné na deformáciu pri zváraní. To sú tiež dosť ťažké problémy vo výrobe zvárania. Ďalej je vykonaná hĺbková analýza relatívne závažných trhlín vytvorených počas testu.
1. Trhliny a ich charakteristiky v zvarových spojoch z hliníkovej zliatiny
V procese zvárania hliníkovej zliatiny sa v dôsledku rôznych typov, vlastností a zváracích štruktúr materiálov môžu v zvarových spojoch objaviť rôzne trhliny a tvarové a distribučné charakteristiky trhlín sú veľmi zložité. Podľa ich vytvorených častí ich možno rozdeliť na nasledujúce dva typy prasklín:
(1) Trhliny vo zvarovom kove: pozdĺžne trhliny, priečne trhliny, kráterové trhliny, vlasové alebo oblúkové trhliny, koreňové trhliny a mikrotrhliny (najmä pri viacvrstvovom zváraní).
(2) Trhliny v tepelne ovplyvnenej zóne: praskliny zvarovej špičky, laminárne trhliny a mikroskopické tepelné trhliny v blízkosti tavnej línie. Podľa teplotného rozsahu vzniku trhliny sa delí na trhlinu za tepla a trhlinu za studena. Horúca trhlina vzniká pri vysokej teplote pri zváraní, čo je spôsobené najmä segregáciou zliatinových prvkov na hranici zŕn alebo existenciou látok s nízkou teplotou topenia.
V závislosti od materiálu kovu, ktorý sa má zvárať, sa líši aj tvar, teplotný rozsah a hlavné príčiny vzniku trhlín za tepla. Horúce trhliny možno rozdeliť do troch kategórií: kryštalizačné trhliny, skvapalňovacie trhliny a polygonálne trhliny. Kryštalizačné trhliny vznikajú hlavne v horúcich trhlinách. Počas procesu kryštalizácie zvaru, v blízkosti čiary solidus, v dôsledku zmrštenia stuhnutého kovu sa zvyškový tekutý kov nemôže včas vyplniť.
K medzikryštalickému praskaniu dochádza pri pôsobení napätia z tuhnutia pri zmrašťovaní alebo vonkajšej sily, ktoré sa vyskytuje hlavne v uhlíkovej oceli, zvaroch z nízkolegovanej ocele a niektorých zliatinách hliníka s väčším množstvom nečistôt; skvapalňovacie trhliny sa zahrievajú v tepelne ovplyvnenej zóne na Vyrábajú sa pôsobením namáhania zmrašťovaním pri vysokoteplotnom tuhnutí hraníc zŕn.
Počas testu sa zistilo, že keď povrch prídavného materiálu nebol dostatočne vyčistený, vo zvare bolo po zváraní stále veľa inklúzií a malé množstvo pórov. V troch súboroch testov, keďže zvárací prídavný materiál je liata štruktúra a inklúzie sú látky s vysokou teplotou topenia, bude stále existovať vo zvare po zváraní;
Okrem toho je štruktúra odliatku relatívne riedka a existuje veľa otvorov, ktoré ľahko absorbujú komponenty obsahujúce kryštálovú vodu a kvalitu oleja, čo sa stane faktorom, ktorý vytvára póry počas procesu zvárania. Keď je zvar namáhaný ťahom, tieto inklúzie a póry sa často stávajú kľúčovými miestami pre vyvolanie mikrotrhlín.
Ďalšie pozorovanie mikroskopom odhalilo, že existuje jasná tendencia týchto inklúzií a mikrotrhliniek vyvolaných pórmi vzájomne sa pretínať. Je však stále ťažké posúdiť, či sa škodlivý účinok inklúzií prejavuje hlavne ako zdroj koncentrácie napätia na vyvolanie trhlín, alebo sa prejavuje najmä ako krehká fáza na vyvolanie trhlín.
Okrem toho sa všeobecne verí, že póry vo zvaroch zliatiny hliníka a horčíka nemajú významný vplyv na pevnosť zvarového kovu v ťahu. fenomén trhlín.
Či je jav mikrotrhlín spôsobených pórovitosťou iba sekundárnym javom alebo jedným z hlavných faktorov spôsobujúcich podstatné zníženie pevnosti zvarov v ťahu, je potrebné ďalej študovať.
2. Proces tvorby trhlín za tepla
V súčasnosti sa Prochorovova teória doma aj v zahraničí považuje za kompletnejšiu o teórii zvárania horúcich trhlín. Všeobecne povedané, teória sa domnieva, že výskyt kryštalických trhlín závisí hlavne od nasledujúcich troch aspektov: veľkosť teplotného rozsahu krehkosti; ťažnosť zliatiny v tomto teplotnom rozsahu a rýchlosť deformácie kovu v krehkom teplotnom rozsahu.
Zvyčajne ľudia nazývajú veľkosť krehkého teplotného rozsahu a hodnotu ťažnosti v tomto teplotnom rozsahu ako metalurgický faktor, ktorý vytvára trhliny pri zváraní za tepla, a rýchlosť deformácie kovu v krehkom teplotnom rozsahu sa nazýva mechanický faktor.
Proces zvárania je syntézou série nevyvážených procesov procesu. Táto vlastnosť v podstate súvisí s metalurgickými a mechanickými faktormi lomu kovu zvarového spoja. Napríklad produkty procesu zvárania a metalurgického procesu sú fyzikálne a chemické. a štrukturálna nehomogenita, troska a inklúzie, plynové prvky a vakancie v presýtených koncentráciách atď.
Toto všetko sú metalurgické faktory úzko súvisiace so vznikom a rozvojom trhlín. Z hľadiska mechanických faktorov, špecifický teplotný gradient a rýchlosť ochladzovania tepelného cyklu zvárania za určitých podmienok upevnenia uvedú zvarový spoj do komplexného napäťovo-deformačného stavu, čím sa vytvoria nevyhnutné podmienky pre vznik a rozvoj trhlín.
V procese zvárania sa kombinovaný účinok metalurgických faktorov a mechanických faktorov bude pripisovať dvom aspektom, to znamená, či zosilniť kovové spojenie alebo oslabiť kovové spojenie. Ak sa v kove zvarového spoja počas ochladzovania vytvára pevnostné spojenie, môže sa poddajne namáhať za určitých podmienok tuhého zadržania, a keď zvar a kov v blízkosti zvaru môžu odolať pôsobeniu aplikovaného zadržiavacieho napätia a vlastnej zvyškové napätie, trhliny nevznikajú ľahko. náchylnosť zváraných spojov na praskliny v kovu je nízka,Naopak, keď napätie nemožno tolerovať, spojenie pevnosti v kove sa ľahko preruší a vzniknú trhliny. V tomto prípade je náchylnosť zváraného spoja na trhliny vysoká. Kov zváraného spoja začína od teploty kryštalizácie a tuhnutia a ochladzuje sa určitou rýchlosťou na izbovú teplotu a jeho citlivosť na trhliny je určená porovnaním deformačnej kapacity a aplikovaného napätia a porovnaním deformačného odporu a aplikovaného napätia.
Avšak počas chladiaceho procesu, v rôznych teplotných štádiách, v dôsledku rôzneho rastu medzikryštalickej pevnosti a pevnosti zŕn, distribúcie deformácie medzi zrnami a vo vnútri zŕn, je difúzne správanie vyvolané deformáciou odlišné a koncentrácia napätia je odlišná. Rozdielne sú podmienky a faktory spôsobujúce krehnutie kovu, rôzne sú aj špecifické slabé články zvarového spoja a faktory a stupne jeho zoslabenia.
Metalurgické faktory a mechanické faktory, ktoré spôsobujú trhliny v kove zvarového spoja, spolu úzko súvisia. Gradient napätia v mechanických faktoroch súvisí s teplotným gradientom určeným charakteristikami tepelného cyklu a ten úzko súvisí s tepelnou vodivosťou kovu, ako je napríklad termoplastická zmena kovu. Metalurgické faktory, ako sú charakteristiky, tepelná rozťažnosť a transformácia mikroštruktúry, hrajú vo veľkej miere dôležitú úlohu v stave napätia a deformácie zváraného spoja.
Navyše, s klesajúcou teplotou a zmenou rýchlosti ochladzovania sa menia aj metalurgické a mechanické faktory a pevnosť zvarového spoja je v rôznych teplotných rozsahoch rôzna. Napríklad, ak je rozsah kryštalizačných teplôt veľký, tuhá látka Teplota fázovej čiary je nízka a je pravdepodobnejšie, že spôsobí koncentráciu napätia v tekutom kove s nízkou teplotou topenia, ktorý zostáva medzi zrnami, čo má za následok praskliny v kove v pevnej fáze;
Podobne, keď teplota klesá, ak je množstvo zmrštenia veľké, najmä v podmienkach rýchleho ochladzovania, keď je rýchlosť deformácie zmršťovaním vysoká a stav napätia-deformácie je vážnejší, sú náchylné na vznik trhlín a tak ďalej.
V neskoršom štádiu tuhnutia a kryštalizácie zvarového kovu pri zváraní hliníkových zliatin sa eutektikum s nízkou teplotou topenia vytlačí v strede, kde sa kryštály stretávajú, čím sa vytvorí takzvaný "kvapalný film". Keď voľné zmrštenie vytvára veľké ťahové napätie, tekutý film tvorí v tomto čase relatívne slabé spojenie a pri pôsobení ťahového napätia môže v slabej oblasti prasknúť a vytvoriť trhlinu.
3. Mechanizmus tvorby trhlín za tepla
Aby bolo možné študovať najpravdepodobnejší čas vzniku trhlín za tepla pri zváraní hliníkových zliatin, kryštalizácia zvarového kúpeľa počas zvárania hliníkovej zliatiny je rozdelená do troch stupňov.
Prvým stupňom je fáza kvapalina-pevná látka. Keď zvarový kúpeľ začne kryštalizovať z vysokoteplotného chladenia, existuje len malý počet kryštálových jadier. S klesajúcou teplotou a predlžovaním doby chladenia kryštálové jadro postupne dorastá a vzniká nové kryštálové jadro, avšak pri tomto procese vždy zaberá veľké množstvo kvapalná fáza a nedochádza ku kontaktu medzi susednými kryštálovými zrnami. Voľný tok nestuhnutej tekutej hliníkovej zliatiny netvorí prekážku.
V tomto prípade, aj keď dôjde k napätiu v ťahu, môže byť otvorená medzera včas vyplnená prúdiacim tekutým kovom z hliníkovej zliatiny, takže možnosť prasklín v štádiu kvapalina-pevná látka je veľmi malá.
Druhým stupňom je stupeň tuhá látka-kvapalina. Keď kryštalizácia zváracej taveniny pokračuje, tuhá fáza v tavenine sa naďalej zvyšuje a predtým vykryštalizované zárodky pokračujú v raste. Keď teplota klesne na určitú hodnotu, stuhnutá kovová zliatina hliníka Kryštály sú vo vzájomnom kontakte a sú nepretržite zvinuté. V tomto čase je prietok tekutej hliníkovej zliatiny bránený, to znamená, že kryštalizácia roztaveného kúpeľa vstúpila do fázy tuhá látka-kvapalina.
V tomto prípade sa v dôsledku nedostatku tekutého kovu z hliníkovej zliatiny môže silne rozvinúť deformácia samotného kryštálu, tekutá fáza zostávajúca medzi kryštálmi nemôže ľahko prúdiť a malé medzery vytvorené pôsobením ťahového napätia nemôžu. vyplňte, pokiaľ je mierny. Prítomnosť ťahového napätia má potenciál vytvárať trhliny. Preto sa tento stupeň nazýva „krehká teplotná zóna“.
Tretia etapa je etapa úplného stuhnutia. Zvar vytvorený po úplnom stuhnutí roztaveného kovu v bazéne bude vykazovať dobrú pevnosť a plasticitu, keď je vystavený ťahovému namáhaniu. Možnosť vzniku trhlín v tomto štádiu je pomerne malá. .
Preto, keď je teplota vyššia alebo nižšia ako krehká teplotná zóna medzi ab, zvarový kov má väčšiu schopnosť odolávať kryštalizačným trhlinám a menšiu tendenciu praskať. Vo všeobecnosti platí, že pre kovy s menším množstvom nečistôt (vrátane základného kovu a zváracích materiálov) v dôsledku úzkeho krehkého teplotného rozsahu pôsobí ťahové napätie v tomto rozsahu krátkodobo, takže celkové pretvorenie zvaru je relatívne malé.
Preto je tendencia vzniku trhlín počas zvárania menšia. Ak je vo zvare viac nečistôt, je rozsah krehkých teplôt širší, ťahové napätie v tomto rozsahu je dlhšie a sklon k praskaniu je väčší.
4. Opatrenia na prevenciu trhlín pri zváraní hliníkových zliatin
Podľa mechanizmu horúcich trhlín pri zváraní hliníkových zliatin je možné dosiahnuť zlepšenie z dvoch aspektov metalurgických faktorov a procesných faktorov na zníženie pravdepodobnosti horúcich trhlín pri zváraní hliníkových zliatin.
Z hľadiska metalurgických faktorov, aby sa predišlo medzikryštálovým tepelným trhlinám pri zváraní, ide najmä o úpravu kovového systému zvarových švov alebo pridanie modifikátora do prídavného kovu. Cieľom úpravy systému zváracích stehov z hľadiska odolnosti voči prasklinám je kontrola vhodného množstva taviteľného eutektika a zúženie rozsahu kryštalizačných teplôt.
Pretože hliníkové zliatiny sú typické eutektické zliatiny, maximálna tendencia k praskaniu zodpovedá "maximálnemu" teplotnému rozsahu tuhnutia zliatiny a prítomnosť malého množstva eutektika vždy zvyšuje tendenciu k praskaniu tuhnutia. Obsah prvku presahuje zloženie zliatiny, kde je tendencia k praskaniu najväčšia, takže môže dôjsť k "hojivému" efektu.
Ako modifikátory boli do prídavného kovu pridané stopové prvky ako Ti, Zr, V a B v snahe zlepšiť plasticitu a húževnatosť rafináciou zŕn a zabrániť vzniku trhlín pri zváraní. a dosiahnuté výsledky. Obrázok 3 ukazuje výsledky testu odolnosti proti trhlinám zváracieho drôtu Al-4.5%Mg s pridaným modifikátorom za podmienok tuhého preplátovaného kútového zvaru.
Pridaný Zr v teste bol {{0}},15 % a Ti+B bol 0,1 %. Je zrejmé, že pridanie Ti a B súčasne môže výrazne zlepšiť odolnosť proti praskaniu. Spoločným znakom prvkov ako Ti, Zr, V, B a Ta je, že môžu vytvárať sériu peritektických reakcií s hliníkom za vzniku žiaruvzdorných kovových zlúčenín (Al3Ti, Al3Zr, Al7V, AlB2, Al3Ta atď.). Takéto malé žiaruvzdorné častice sa môžu stať nespontánnymi zárodkami tuhnutia, keď tekutý kov stuhne, čím sa vytvorí efekt zjemnenia zrna.
Pokiaľ ide o faktory procesu, najmä špecifikácie zvárania, predhrievanie, tvar spoja a postupnosť zvárania, všetky tieto metódy sú založené na namáhaní pri zváraní na riešenie trhlín pri zváraní. Parametre procesu zvárania ovplyvňujú nevyváženosť procesu tuhnutia a stav mikroštruktúry procesu tuhnutia a tiež ovplyvňujú rýchlosť rastu deformácie počas procesu tuhnutia, čím ovplyvňujú tvorbu trhlín.
Spôsob zvárania s koncentrovanou tepelnou energiou prispieva k rýchlemu procesu zvárania, ktorý môže zabrániť tvorbe hrubých stĺpcových kryštálov so silnou smerovosťou, čím sa zlepší odolnosť proti praskaniu. Použitie malého zváracieho prúdu a spomalenie rýchlosti zvárania môže znížiť prehrievanie roztaveného kúpeľa a zlepšiť odolnosť proti praskaniu.
Zvýšenie rýchlosti zvárania podporuje zvýšenie rýchlosti deformácie zvarového spoja, čo zvyšuje tendenciu vzniku trhlín za tepla. Je zrejmé, že zvýšenie rýchlosti zvárania a zváracieho prúdu podporuje zvýšenie tendencie k tvorbe trhlín. Počas montáže a zvárania hliníkovej konštrukcie nie je zvarový šev vystavený veľkej tuhosti a v procese môžu byť prijaté opatrenia ako segmentové zváranie, predhrievanie alebo vhodné zníženie rýchlosti zvárania.
Predhrievaním sa môže zmenšiť relatívna expanzia testovaného kusu, zodpovedajúcim spôsobom sa môže znížiť napätie pri zváraní a môže sa znížiť napätie v krehkom teplotnom rozsahu; skúste použiť zváranie na tupo s otvorenými drážkami a malými medzerami a vyhnite sa použitiu krížových spojov a nesprávnemu umiestneniu a postupnosti zvárania; keď zváranie skončí alebo sa preruší, oblúkový kráter by sa mal včas vyplniť a potom by sa mal odstrániť zdroj tepla, inak ľahko spôsobí praskliny oblúkového krátera. Pre zvarové spoje viacvrstvového zvárania zliatiny série 5000 sa často vytvárajú mikrotrhliny v dôsledku lokálneho tavenia medzikryštálov, takže je potrebné kontrolovať prívod tepla ďalšej vrstvy zvaru.
Podľa testu v tomto článku je pre zváranie hliníkovej zliatiny veľmi dôležité aj čistenie povrchu základného kovu a prídavného materiálu. Zahrnutie materiálu do zvaru sa stane zdrojom trhlín a hlavným dôvodom poklesu výkonu zvaru.
