1 preàmbul
Els aliatges de magnesi no només són lleugers, d'alta resistència i de baix preu, sinó que també tenen un bon amortiment de vibracions, colabilitat, conductivitat elèctrica, blindatge electromagnètic i dissipació de calor, i s'han convertit en els materials metàl·lics preferits per a molts productes industrials. Actualment, els aliatges de magnesi s'utilitzen àmpliament en components amb una petita capacitat de càrrega, com ara marcs de cabina, suports d'equips i cubs de rodes a la indústria de l'aviació [1].
Amb la transformació i l'actualització dels equips moderns de fabricació a gran escala, la demanda de peces estructurals d'aliatge de magnesi lleuger s'ha tornat molt urgent. Tanmateix, hi ha molts defectes en la soldadura d'aliatges de magnesi, i és difícil obtenir juntes soldades amb una alta qualitat de conformació i un alt rendiment integral. Aquest article analitza les causes dels defectes de soldadura d'aliatge de magnesi i proposa mesures preventives, que poden ajudar a la popularització i aplicació dels materials d'aliatge de magnesi, i tenen una importància pràctica per al camp de la fabricació d'equips.
2 Procés de soldadura d'aliatge de magnesi
Els processos de soldadura habituals per als aliatges de magnesi inclouen la soldadura per fusió i la soldadura en fase sòlida. La soldadura per fusió inclou principalment soldadura per arc d'argó de tungstè, soldadura per arc d'argó metàl·lic, soldadura per feix d'electrons, soldadura per làser i altres mètodes, i la soldadura en fase sòlida és principalment soldadura per fricció. Entre ells, la soldadura per fricció s'ha convertit en un mètode de soldadura preferit a causa dels seus avantatges de menys treball de preparació prèvia a la soldadura, sense necessitat de gas de protecció i materials de soldadura, soldadura en totes les posicions, bones propietats mecàniques de les soldadures i una petita tensió posterior a la soldadura. deformació. Tanmateix, la soldadura amb agitació per fricció té els inconvenients que la soldadura s'ha de fixar rígidament, la velocitat de soldadura és baixa, el capçal d'agitació es desgasta ràpidament i el forat de la clau és fàcil de formar al final de la soldadura, cosa que fa que la soldadura per fusió sigui un mètode de soldadura comú. .
3 Anàlisi de defectes de soldadura d'aliatge de magnesi
Els aliatges de magnesi tenen desavantatges com ara una fàcil evaporació, una oxidació fàcil, una nitruració fàcil i un gran estrès tèrmic, i sovint mostren una varietat de defectes de soldadura durant la soldadura. Es resolen les causes i mesures preventives dels defectes comuns com ara porus, esquerdes tèrmiques i deformacions.
3.1 Estomes
(1) Causes de formació Sovint apareixen porus a la soldadura de la junta de soldadura per fusió. Per exemple, la figura 1 mostra la morfologia dels porus de la soldadura d'una junta de soldadura d'arc de tungstè d'argó d'aliatge de magnesi AZ91D de fosa a pressió ordinària. Hi ha dos tipus de porus microscòpics dominats pel gas hidrogen i els porus macroscòpics entrellaçats dominats pel nitrogen [2].
La formació de porus s'atribueix principalment a dues raons: una és que el gas insoluble generat per la reacció metal·lúrgica a la piscina de soldadura s'agrupa entre els cristalls de dendrita solidificats i no és fàcil de descarregar per formar porus; l'altra és perquè la piscina de soldadura absorbeix i dissol algunes. En l'etapa de solidificació, la solubilitat del gas disminueix ràpidament amb la forta caiguda de la temperatura de la piscina fosa, i el gas és fàcil de reunir a la part davantera de les dendrites en creixement, formant porus al llarg del capa de cristall.
Durant la soldadura per fusió d'aliatges de magnesi, els porus provenen principalment d'hidrogen dissolt, mentre que l'hidrogen de la piscina fosa prové principalment de la humitat al voltant del metall base, el filferro de soldadura o l'atmosfera de la columna d'arc. Els aliatges de magnesi tenen una forta conductivitat tèrmica i la velocitat de solidificació de la piscina fosa és molt ràpida, fent que l'hidrogen s'escapi i formi porus. Al mateix temps, la pel·lícula de MgO és fàcil de formar a la superfície de l'aliatge de magnesi. Com més contingut de Mg condueix a més MgO, el MgO és més fluix que l'Al2O3 i altres òxids, i és més fàcil absorbir aigua i formar porus.
Actualment, la porositat de les soldadures de soldadura amb gas inert fos (MIG) és la més alta. Això es deu al fet que la soldadura MIG es basa en la fusió contínua del filferro de soldadura i la pel·lícula d'òxid del cable de soldadura dissolrà fortament l'aigua adjunta a la gota, donant lloc a la hidrogenació de la piscina fosa. . La soldadura per feix d'electrons i la soldadura per làser també tenen més porositat a la soldadura, que es deu a la menor entrada de calor de soldadura d'aquests dos mètodes, la velocitat de refrigeració més ràpida de la piscina fosa i l'hidrogen de la piscina fosa no té temps per escapar.
(2) Mesures preventives Tractament previ a la soldadura: combina la neteja mecànica i la neteja química per eliminar la pel·lícula d'òxid i les taques d'oli a la superfície del metall base i el filferro de soldadura tant com sigui possible; utilitzar mètodes d'assecat per eliminar la humitat de la superfície del metall base i el cable de soldadura tant com sigui possible; intentar evitar la soldadura en l'entorn.
Optimització dels paràmetres de soldadura: els paràmetres de soldadura poden afectar les condicions d'escapament i fusió del gas a la piscina fosa. Quan les condicions d'escapament són més favorables que les condicions de fusió, és possible reduir la porositat. La figura 2 mostra la relació entre la tendència a la porositat de l'aliatge d'alumini i magnesi LF6 i els paràmetres de soldadura [3]. El corrent de soldadura més gran i la velocitat de soldadura afavoreixen la reducció de la porositat.
L'atmosfera protectora té propietats oxidatives adequades: des de la perspectiva d'evitar la dissolució de l'hidrogen, afegir una petita quantitat de CO2 o O2 al gas inert utilitzat per a la protecció de la soldadura com Ar i He pot ajudar a reduir la porositat.
3.2 Esquerdes tèrmiques
(1) Causes de formació Les esquerdes tèrmiques més habituals són les esquerdes de solidificació i les esquerdes de liqüefacció. Les esquerdes de solidificació són esquerdes causades per la separació de la pel·lícula líquida restant entre el metall de soldadura quan la temperatura de solidificació cau a prop de la línia de sòlid. L'esquerda de liqüefacció és que la fase intercristal·lina es fon a la fase líquida quan la zona propera a l'escletxa es sobreescalfa i la pel·lícula líquida es separa i es trenca. Per exemple, la figura 3 mostra l'estat de les esquerdes de solidificació a la soldadura corresponents a diferents velocitats de soldadura durant la soldadura làser de l'aliatge de magnesi ZK60 [4].
Durant el procés de soldadura, l'element d'aliatge principal de magnesi reacciona fàcilment amb oligoelements com alumini, coure, níquel, etc. per formar un compost eutèctic de baix punt de fusió. Durant la solidificació, en el rang de temperatures fràgils, aquests eutèctics no solidificats es distribuiran entre els grans en forma de pel·lícula líquida, la qual cosa redueix seriosament la força d'enllaç intergranular. L'aliatge de magnesi té un gran coeficient d'expansió tèrmica, que provoca una gran deformació tèrmica durant la soldadura, i estarà subjecte a una gran tensió de contracció durant la solidificació. La pel·lícula líquida intergranular és difícil de resistir a aquesta tensió de contracció, i és fàcil de trencar i formar esquerdes de solidificació. De la mateixa manera, la conductivitat tèrmica i la velocitat de tensió de l'aliatge de magnesi són relativament grans, i el cicle de calor de soldadura fondrà ràpidament la fase intergranular prop de la costura, i les propietats mecàniques del límit del gra disminuiran, cosa que és fàcil de trencar sota. estrès.
(2) Mesures preventives Ajusteu el contingut d'elements en el metall base i filferro de soldadura: limiteu el contingut d'elements fàcilment segregats i impureses nocives en el metall base i filferro de soldadura, i minimitzeu la macro-segregació i les segones fases de baixa fusió que es produeixen a la soldadura.
Optimització dels paràmetres de soldadura: mitjançant la selecció d'una velocitat de soldadura raonable, la figura 4 mostra la relació entre la forma de la piscina fosa i la velocitat de soldadura [3]. Quan es solda a baixa velocitat, la piscina fosa és el·líptica i els cristalls columnars creixen al centre de la soldadura en un patró d'espina de peix, que no és fàcil de formar superfícies febles segregades i la tendència a les esquerdes tèrmiques és petita; però quan es solda a gran velocitat, la piscina fosa té forma de llàgrima i els cristalls columnars són similars a Creix verticalment a l'eix de la soldadura, i és fàcil formar una superfície feble de segregació a la superfície de reunió i la tendència. de fissuració tèrmica és gran. També és possible refinar la mida del gra i reduir la mida de la fase intergranular reduint adequadament l'entrada de calor de soldadura i alentir la tensió de la solidificació i la contracció de la soldadura reduint la velocitat de refredament, tot això pot reduir l'aparició de esquerdes tèrmiques.
Control raonable de la contenció: mitjançant el control de la contenció, la tensió a l'articulació es redueix al màxim. Per exemple, escollir una seqüència de soldadura adequada. Quan la seqüència de soldadura és inadequada, les últimes soldadures poden estar en un estat de gran restricció, és difícil reduir-se lliurement, la quantitat de tensió augmenta significativament i les esquerdes són propenses a produir-se.
3.3 Deformació
(1) Causes de formació Els aliatges de magnesi tenen una alta conductivitat tèrmica i un gran coeficient d'expansió tèrmica, de manera que la velocitat de refredament de la costura de soldadura és ràpida, i la zona propera de la costura i el metall base es deformen fàcilment per l'estrès de contracció i la forma final i canvi de mida. Per exemple, la figura 5 mostra que un aliatge d'alumini i magnesi té una deformació còncava perquè la soldadura de filet del broquet està massa a prop de la soldadura de la circumferència del cilindre [5].
(2) Mesures preventives Optimitzar l'estructura de la soldadura: organitzar racionalment la posició de les soldadures, assegurar-se que cada soldadura tingui un espai suficient de dissipació de calor i evitar una concentració excessiva de soldadures a la zona; seleccionar la forma i la mida adequada de les soldadures [6].
Augmentar la rigidesa i la fixació: quan soldeu plaques d'aliatge de magnesi, utilitzeu accessoris especials, barres de suport i altres dispositius per fixar les plaques d'aliatge de magnesi al banc de treball. Després de refredar-se a temperatura ambient després de la soldadura, s'utilitza el mètode de martell per alliberar part de l'estrès de soldadura i, a continuació, s'elimina la fixació rígida.
Preescalfament abans de la soldadura: el preescalfament abans de la soldadura augmenta la temperatura del metall base per garantir que es redueix la diferència de temperatura entre el metall de soldadura i el metall base circumdant durant la soldadura, reduint així l'estrès intern de la contracció de la soldadura.
Trieu una seqüència de soldadura raonable: divideu el component en diverses unitats petites de manera adequada, soldeu cada unitat petita per separat i, a continuació, soldeu les unitats petites en conjunt, de manera que les soldadures asimètriques o amb una gran contracció es puguin encongir més lliurement sense contracció. afecta tota l'estructura [7].
Control antideformació: Estimar la mida i la direcció de la deformació de la soldadura i, a continuació, establir deformacions artificials amb direccions oposades i mides iguals durant el muntatge de la soldadura, de manera que la deformació generada per la soldadura es pugui compensar amb l'antideformació predeterminada.
3.4 Altres defectes
(1) Forats Els forats apareixen sovint a la soldadura de les juntes soldades per fricció. Per exemple, la figura 6 mostra el defecte buit en la costura de soldadura per fricció de l'aliatge de magnesi AZ31 [8]. Quan es solden aliatges de magnesi, quan l'entrada de calor de soldadura és insuficient, la deformació plàstica del metall dipositat serà insuficient, la fluïdesa del material serà deficient i l'interior de la soldadura no es tancarà completament, formant forats; quan l'entrada de calor de soldadura és massa gran, el capçal d'agitació es produirà. El material de soldadura a la part davantera s'expandeix i es desborda, i el farciment és insuficient, formant forats; quan s'utilitza un capçal d'agitació columnar o cònic sense fil, la deformació plàstica del material a la zona de soldadura és insuficient i es formen forats fàcilment. L'aparició de defectes del forat es pot evitar controlant raonablement la velocitat de soldadura i la velocitat de rotació del capçal agitador per ajustar l'entrada de calor de soldadura, o escollint la geometria adequada del capçal agitador.
imatge
Fig.6 Defecte de porus de la junta soldada per fricció de l'aliatge de magnesi AZ31 (AS és el costat endavant, RS és el costat enrere)[8]
(2) Burn-through La burn-through sovint es produeix a la costura de soldadura de la junta de soldadura per fusió. A causa de l'alt punt de fusió de l'òxid de magnesi i el baix punt de fusió de l'aliatge de magnesi, és difícil fusionar els dos quan estan units. Quan la làmina d'aliatge de magnesi està soldada, és difícil observar la fusió de la soldadura. Una vegada que l'entrada de calor augmenta fins a un rang no raonable, el color de la piscina fosa no canvia significativament, però el metall no fos per sota de la piscina fosa no pot resistir l'estrès que rep i es produeix la cremada en aquest moment. Feu un bon treball de neteja de la superfície de l'aliatge de magnesi abans de soldar i soldeu el més aviat possible després de la neteja per evitar que es produeixin defectes de cremada. A més, optimitzant els paràmetres de soldadura per limitar la profunditat de penetració, també es pot evitar la cremada.
4 Anàlisi de casos típics de defectes de soldadura en aliatges de magnesi
L'aliatge de magnesi GW63K de 6 mm de gruix es va soldar mitjançant soldadura làser i soldadura per feix d'electrons respectivament, i l'aspecte macroscòpic de la costura de soldadura es mostra a les figures 7 i 8, respectivament. Els dos tipus de costures de soldadura per fusió tenen defectes evidents, com ara esquitxades i retallades, que són causades pel baix punt de fusió de l'aliatge de magnesi, un gran coeficient d'expansió tèrmica i una gran entrada de calor de soldadura. Es poden utilitzar mètodes posteriors per reduir l'entrada de calor de soldadura. Optimització de processos.
imatge
Fig.7 Morfologia macroscòpica de la costura de soldadura làser d'aliatge de magnesi GW63K
imatge
Fig.8 Morfologia macroscòpica de la costura de soldadura per feix d'electrons d'aliatge de magnesi GW63K
