Распространенные дефекты вЛазерная сварка алюминиевых сплавов
Будь то лазерная автогенная сварка илигибридная лазерно-дуговая сваркаПри использовании для алюминиевых сплавов возникают некоторые распространенные технические проблемы, например, могут появиться дефекты, если параметры процесса и условия сварки являются металлургическими.неправильный.К основным дефектам в соединениях из алюминиевых сплавов относятся два типа: пористость сварного шва и горячие трещины. Помимо пористости и горячих трещин, при лазерной сварке алюминиевых сплавов встречаются также такие дефекты, как подрез и плохое формирование обратной стороны сварного шва. По сравнению с пористостью сварного шва, вероятность образования трещин (видимых невооруженным глазом или при малом увеличении) невелика. Однако, поскольку трещины более опасны, стандарт JIS Z 3105 предусматривает, что при обнаружении трещины в сварном шве, шов должен быть отнесен к классу IV. Подрез, плохое формирование обратной стороны сварного шва и другие дефекты в основном являются серьезными дефектами, вызванными неправильным контролем скорости или несоответствием параметров процесса. Такие дефекты обычно появляются на этапе исследования и отладки процесса и редко встречаются в ходе обычной производственной деятельности. Поэтому пористость является наиболее опасным типом дефекта при лазерной сварке алюминиевых сплавов и в эксплуатации сварных конструкций, и ее трудно устранить принципиально.
1. Пористость
Пористость — наиболее распространенный и основной дефект объема влазерная сварка алюминиевых сплавовПористость имеет размеры от сотен микрон до нескольких миллиметров. Механизм ее образования до конца не ясен. Пористость не только ослабляет эффективную рабочую зону сварного шва, но и вызывает концентрацию напряжений, снижая динамическую прочность и усталостную прочность сварного соединения.
При плавлении алюминиевого сплава в водородсодержащей среде его внутреннее содержание водорода может достигать более 0,69 мл/100 г, но после затвердевания сплава его равновесная растворимость водорода составляет максимум 0,036 мл/100 г. Считается, что в процессе охлаждения при лазерной сварке растворимость водорода резко падает, и происходит осаждение пересыщенного водорода, образующего водородную пористость. Испарение легирующих элементов с низкой температурой плавления и высоким давлением пара также может приводить к образованию пор, которые называются металлургической пористостью. Кроме того, пористость может образовываться из-за воздействия лазерного луча и нестабильности сварочной ванны, но такая пористость имеет неправильную форму и может называться пористостью, вызванной процессом сварки. Из-за высокой химической активности алюминиевых сплавов на поверхности легко образуется оксидная пленка. В процессе сварки кристаллизационная вода и связанная с ней вода, разлагающиеся из оксидной пленки на поверхности алюминиевого сплава, вместе с влагой из воздуха и защитного газа, непосредственно разлагаются, образуя водород в высокотемпературной зоне под действием лазера. Эти водородные газы могут либо выпадать в осадок во время охлаждения и затвердевания расплавленной ванны, образуя пузырьки, либо непосредственно образовывать пузырьки на не полностью расплавленной оксидной пленке. Из-за низкой удельной плотности алюминиевых сплавов скорость подъема пузырьков в расплавленной ванне невелика. Кроме того, алюминиевые сплавы обладают высокой теплопроводностью, а скорость охлаждения и затвердевания расплавленной ванны чрезвычайно высока. Некоторые пузырьки не успевают выйти вовремя и остаются в сварном шве, образуя таким образом металлургическую пористость. Исследования показали, что основным газом в пористости сварных швов из алюминиевых сплавов является водород, поэтому пористость в сварных швах из алюминиевых сплавов иногда называют водородной пористостью. При наблюдении за разрушением пористости под сканирующим электронным микроскопом пористость в основном имеет сферическую форму с плотно расположенными концами дендритов, а внутренняя стенка гладкая, чистая и не содержит следов окисления. Наличие пористости не только снижает плотность сварного шва и несущую способность соединения, но и в различной степени снижает прочность и пластичность соединения.
2. Горячие трещины
Горячие трещины (включая трещины затвердевания и трещины разжижения) образуются в процессе затвердевания расплавленного металла и являются одним из распространенных типов дефектов при лазерной сварке алюминиевых сплавов. Наиболее очевидной особенностью морфологии разрушения трещин затвердевания является то, что поверхность излома состоит из большой площади гладких, но неровных зернистых структур, напоминающих булыжник или картофель, и часто сохраняет межзеренные эвтектики с низкой температурой плавления или складки жидкой пленки, а также следы хрупкого разрушения дендритов. Морфология разрушения трещин разжижения аналогична морфологии трещин затвердевания, но имеет характеристики высокотемпературного межзеренного разрушения или разрушения при затвердевании. При усталостном разрушении сварных соединений под усталостной нагрузкой также часто встречаются источники усталостных трещин, вызванные такими горячими трещинами. Причины образования горячих трещин при лазерной сварке алюминиевых сплавов в основном связаны с их собственными характеристиками и процессами сварки. Алюминиевые сплавы обладают высокой степенью усадки при затвердевании (до 5%), что приводит к большим сварочным напряжениям и деформациям; кроме того, при затвердевании сварочного металла вдоль границ зерен образуются эвтектические структуры с низкой температурой плавления, что ослабляет прочность сцепления границ зерен и, следовательно, приводит к образованию горячих трещин под действием растягивающего напряжения. Помимо этого, морфологию трещин при лазерной сварке алюминиевых сплавов можно разделить на следующие категории: трещины в центре сварного шва; трещины в линии сплавления сварного шва; межзеренные трещины в сварных швах; трещины, образовавшиеся в результате разжижения зоны термического воздействия; трещины, вызванные оксидными пленками; и межзеренные микротрещины.
Кроме того, недостаточная защита во время сварки приводит к реакции сварочного металла с газами в воздухе, а образующиеся включения также являются потенциальными источниками трещин. Тип и количество легирующих элементов оказывают большое влияние на склонность к образованию горячих трещин при сварке алюминиевых сплавов. Как правило, алюминиевые сплавы серий Al-Si и Al-Mn обладают хорошей свариваемостью и не склонны к образованию горячих трещин; в то время как алюминиевые сплавы серий Al-Mg, Al-Cu и Al-Zn имеют относительно высокую склонность к образованию горячих трещин. Склонность к образованию горячих трещин можно снизить, регулируя параметры процесса сварки и контролируя скорость нагрева и охлаждения. В целом, склонность к образованию горячих трещин при гибридной лазерно-дуговой сварке лучше, чем при лазерной сварке присадочной проволокой, а склонность к образованию горячих трещин при лазерной сварке присадочной проволокой лучше, чем при лазерной автогенной сварке.
3. Подрезка и прожигание
Алюминиевые сплавы обладают низкой энергией ионизации, а фотоиндуцированная плазма склонна к перегреву и расширению во время сварки, что приводит к нестабильности сварочного процесса. Кроме того, жидкие алюминиевые сплавы обладают хорошей текучестью и низким поверхностным натяжением. Для улучшения проплавления часто требуется больший расход защитного газа и мощность лазерного излучения, что ухудшает стабильность сварочного процесса, вызывает сильные колебания расплавленной ванны под давлением и легко приводит к дефектам, таким как подрез и прожог. Формуемость обратной стороны лазерно-сваренных алюминиевых сплавов может быть эффективно улучшена путем установки на обратную сторону сварного шва медной пластины с водяным охлаждением.
4. Включение шлака
Еще одним типом дефектов, часто встречающихся при сварке кузовов автомобилей, являются включения шлака в сварном шве. Исследования показали, что включения шлака в основном образуются из оксидов на поверхности сварных соединений и сварочной проволоки, а также из-за нестабильных процессов локализации в материалах из алюминиевых сплавов. Поэтому производителям материалов из алюминиевых сплавов следует усиливать технологические инновации и совершенствовать процессы литья, чтобы минимизировать содержание примесей и водорода в сырье и повысить стабильность качества продукции.
Дата публикации: 05.08.2025
