1 preambolo
Le leghe di magnesio non sono solo leggere, ad alta resistenza e a basso prezzo, ma hanno anche un buon smorzamento delle vibrazioni, colabilità, conduttività elettrica, schermatura elettromagnetica e dissipazione del calore e sono diventate i materiali metallici preferiti per molti prodotti industriali. Allo stato attuale, le leghe di magnesio sono ampiamente utilizzate in componenti con capacità portante ridotta come i telai della cabina di pilotaggio, le staffe delle apparecchiature e i mozzi delle ruote nell'industria aeronautica [1].
Con la trasformazione e l'aggiornamento delle moderne apparecchiature di produzione su larga scala, la domanda di parti strutturali in lega di magnesio leggero è diventata molto urgente. Tuttavia, ci sono molti difetti nella saldatura delle leghe di magnesio ed è difficile ottenere giunti saldati con un'elevata qualità di formatura e prestazioni complete elevate. Questo documento analizza le cause dei difetti di saldatura della lega di magnesio e propone misure preventive, che possono aiutare la divulgazione e l'applicazione dei materiali in lega di magnesio e ha un significato pratico per il campo delle apparecchiature di produzione.
2 Processo di saldatura della lega di magnesio
I processi di saldatura comuni per le leghe di magnesio includono la saldatura per fusione e la saldatura in fase solida. La saldatura per fusione comprende principalmente la saldatura ad arco di argon al tungsteno, la saldatura ad arco di argon in metallo, la saldatura a fascio di elettroni, la saldatura laser e altri metodi e la saldatura in fase solida è principalmente la saldatura ad attrito. Tra questi, la saldatura ad agitazione per attrito è diventata un metodo di saldatura preferito grazie ai suoi vantaggi di un minor lavoro di preparazione pre-saldatura, nessuna necessità di gas di protezione e materiali di saldatura, saldatura in tutte le posizioni, buone proprietà meccaniche delle saldature e piccolo stress post-saldatura deformazione. Tuttavia, la saldatura ad agitazione per attrito presenta gli svantaggi che la saldatura deve essere fissata rigidamente, la velocità di saldatura è bassa, la testa di agitazione si consuma rapidamente e il buco della serratura è facile da formare alla fine della saldatura, il che rende la saldatura per fusione un metodo di saldatura comune .
3 Analisi dei difetti di saldatura della lega di magnesio
Le leghe di magnesio presentano svantaggi come facile evaporazione, facile ossidazione, facile nitrurazione e grande stress termico e spesso mostrano una varietà di difetti di saldatura durante la saldatura. Vengono risolte le cause e le misure preventive di difetti comuni come pori, crepe termiche e deformazioni.
3.1 Stomi
(1) Cause di formazione I pori compaiono spesso nella saldatura del giunto di saldatura per fusione. Ad esempio, la Figura 1 mostra la morfologia dei pori del cordone di saldatura di un comune giunto di saldatura ad arco di tungsteno argon pressofuso in lega di magnesio AZ91D. Esistono due tipi di pori microscopici dominati dall'idrogeno gassoso e pori macroscopici aggrovigliati dominati dall'azoto [2].
La formazione di pori è principalmente attribuita a due motivi: uno è che il gas insolubile generato dalla reazione metallurgica nel bagno di saldatura si raccoglie tra i cristalli dendritici solidificati e non è facile da scaricare per formare pori; l'altro è dovuto al fatto che il bagno di saldatura ne assorbe e ne dissolve alcuni Nella fase di solidificazione, la solubilità del gas diminuisce rapidamente con il brusco calo della temperatura del bagno fuso e il gas è facile da raccogliere nella parte anteriore dei dendriti in crescita, formando pori lungo il strato di cristallo.
Durante la saldatura per fusione delle leghe di magnesio, i pori provengono principalmente dall'idrogeno disciolto, mentre l'idrogeno nel bagno fuso proviene principalmente dall'umidità attorno al metallo di base, al filo di saldatura o all'atmosfera della colonna d'arco. Le leghe di magnesio hanno una forte conduttività termica e la velocità di solidificazione del pool fuso è molto elevata, causando la fuoriuscita di idrogeno e la formazione di pori. Allo stesso tempo, il film MgO è facile da formare sulla superficie della lega di magnesio. Più contenuto di Mg porta a più MgO, MgO è più sciolto di Al2O3 e altri ossidi ed è più facile assorbire acqua e formare pori.
Allo stato attuale, la porosità delle saldature con saldatura a gas inerte fuso (MIG) è la più alta. Questo perché la saldatura MIG si basa sulla fusione continua del filo di saldatura e il film di ossido nel filo di saldatura dissolverà fortemente l'acqua attaccata nella gocciolina, con conseguente idrogenazione del bagno fuso. . La saldatura a fascio di elettroni e la saldatura laser hanno anche una maggiore porosità nella saldatura, dovuta al minore apporto di calore di saldatura di questi due metodi, alla velocità di raffreddamento più rapida del bagno fuso e all'idrogeno nel bagno fuso che non ha tempo di fuoriuscire.
(2) Misure preventive Trattamento pre-saldatura: combinare la pulizia meccanica e la pulizia chimica per rimuovere il più possibile la pellicola di ossido e le macchie di olio sulla superficie del metallo di base e del filo di saldatura; utilizzare metodi di essiccazione per rimuovere il più possibile l'umidità dalla superficie del metallo di base e del filo di saldatura; cercare di evitare la saldatura in ambiente.
Ottimizzazione dei parametri di saldatura: i parametri di saldatura possono influenzare le condizioni di fuoriuscita e fusione del gas nel bagno di fusione. Quando le condizioni di fuga sono più favorevoli delle condizioni di fusione, è possibile ridurre la porosità. La figura 2 mostra la relazione tra la tendenza alla porosità della lega di alluminio-magnesio LF6 e i parametri di saldatura [3]. Una maggiore corrente di saldatura e velocità di saldatura favoriscono la riduzione della porosità.
L'atmosfera protettiva ha proprietà ossidative appropriate: Dal punto di vista della prevenzione della dissoluzione dell'idrogeno, l'aggiunta di una piccola quantità di CO2 o O2 al gas inerte utilizzato per la protezione della saldatura come Ar e He può aiutare a ridurre la porosità.
3.2 Fessure termiche
(1) Cause di formazione Le cricche termiche più comuni sono le cricche di solidificazione e le cricche di liquefazione. Le crepe di solidificazione sono crepe causate dalla separazione del film liquido rimanente tra il metallo di saldatura quando la temperatura di solidificazione scende vicino alla linea di solidus. La fessura di liquefazione è che la fase intercristallina si scioglie nella fase liquida quando l'area vicino alla fenditura si surriscalda e il film liquido si separa e si incrina. Ad esempio, la Fig. 3 mostra lo stato delle cricche di solidificazione nella saldatura corrispondenti a diverse velocità di saldatura durante la saldatura laser della lega di magnesio ZK60 [4].
Durante il processo di saldatura, il principale elemento di lega, il magnesio, reagisce facilmente con oligoelementi come alluminio, rame, nichel, ecc. per formare un composto eutettico a basso punto di fusione. Durante la solidificazione, nell'intervallo di temperatura fragile, questi eutettici non solidificati saranno distribuiti tra i grani sotto forma di una pellicola liquida, che riduce notevolmente la forza di legame intergranulare. La lega di magnesio ha un elevato coefficiente di dilatazione termica, che provoca una grande deformazione termica durante la saldatura e sarà soggetta a forti sollecitazioni da ritiro durante la solidificazione. Il film liquido intergranulare è difficile da resistere a questo stress da ritiro, ed è facile rompersi e formare fessure di solidificazione. Allo stesso modo, la conduttività termica e la velocità di deformazione della lega di magnesio sono relativamente grandi e il ciclo termico di saldatura scioglierà rapidamente la fase intergranulare vicino alla giunzione e le proprietà meccaniche del bordo del grano diminuiranno, il che è facile da rompere sotto fatica.
(2) Misure preventive Regolare il contenuto di elementi nel metallo di base e nel filo di saldatura: limitare il contenuto di elementi facilmente segregabili e impurità nocive nel metallo di base e nel filo di saldatura e ridurre al minimo la macrosegregazione e le seconde fasi a basso punto di fusione che si verificano nella saldatura.
Ottimizzazione dei parametri di saldatura: selezionando una velocità di saldatura ragionevole, la Figura 4 mostra la relazione tra la forma del bagno fuso e la velocità di saldatura [3]. Quando si salda a bassa velocità, il bagno fuso è ellittico e i cristalli colonnari crescono fino al centro della saldatura a spina di pesce, che non è facile formare superfici deboli segregate e la tendenza alle crepe termiche è piccola; ma quando si salda ad alta velocità, il bagno fuso è a forma di lacrima e i cristalli colonnari sono simili a Cresce verticalmente rispetto all'asse della saldatura ed è facile formare una superficie debole di segregazione sulla superficie di incontro e la tendenza di cracking termico è grande. È anche possibile affinare la dimensione del grano e ridurre la dimensione della fase intergranulare riducendo opportunamente l'apporto di calore di saldatura e rallentare la deformazione della solidificazione e del ritiro della saldatura riducendo la velocità di raffreddamento, il che può ridurre il verificarsi di fessure termiche.
Controllo ragionevole della contenzione: controllando la contenzione, la tensione sull'articolazione viene ridotta il più possibile. Ad esempio, scegliendo una sequenza di saldatura appropriata. Quando la sequenza di saldatura non è corretta, le ultime saldature possono trovarsi in uno stato di grande vincolo, è difficile restringersi liberamente, la quantità di deformazione aumenta in modo significativo e possono verificarsi crepe.
3.3 Deformazione
(1) Cause di formazione Le leghe di magnesio hanno un'elevata conducibilità termica e un elevato coefficiente di dilatazione termica, quindi la velocità di raffreddamento del cordone di saldatura è rapida e l'area vicino al cordone e il metallo di base si deformano facilmente a causa dello stress da ritiro e la forma finale e cambio taglia. Ad esempio, la Figura 5 mostra che una lega di alluminio-magnesio ha una deformazione concava perché la saldatura d'angolo dell'ugello è troppo vicina alla saldatura circonferenziale del cilindro [5].
(2) Misure preventive Ottimizzare la struttura della saldatura: organizzare razionalmente la posizione delle saldature, assicurarsi che ciascuna saldatura abbia uno spazio sufficiente per la dissipazione del calore ed evitare un'eccessiva concentrazione di saldature nell'area; selezionare la forma e la dimensione appropriate delle saldature [6].
Aumentare la rigidità e il fissaggio: durante la saldatura di piastre in lega di magnesio, utilizzare dispositivi speciali, aste di supporto e altri dispositivi per fissare le piastre in lega di magnesio sul banco da lavoro. Dopo il raffreddamento a temperatura ambiente dopo la saldatura, viene utilizzato il metodo del martellamento per rilasciare parte dello stress di saldatura, quindi viene rimosso il fissaggio rigido.
Preriscaldamento prima della saldatura: il preriscaldamento prima della saldatura aumenta la temperatura del metallo di base per garantire che la differenza di temperatura tra il metallo di saldatura e il metallo di base circostante durante la saldatura sia ridotta, riducendo così lo stress interno del ritiro della saldatura.
Scegli una sequenza di saldatura ragionevole: dividi il componente in diverse piccole unità in modo appropriato, salda ogni piccola unità separatamente, quindi salda le piccole unità nel loro insieme, in modo che le saldature asimmetriche o le saldature con grande restringimento possano restringersi più liberamente senza restringimento. influenzare l'intera struttura [7].
Controllo anti-deformazione: stimare la dimensione e la direzione della deformazione della saldatura, quindi impostare deformazioni artificiali con direzioni opposte e dimensioni uguali durante l'assemblaggio della saldatura, in modo che la deformazione generata dalla saldatura possa essere compensata dall'anti-deformazione preimpostata.
3.4 Altri difetti
(1) Fori I fori compaiono spesso nella saldatura dei giunti saldati ad attrito. Ad esempio, la Fig. 6 mostra il difetto di vuoto nel cordone di saldatura ad attrito della lega di magnesio AZ31 [8]. Quando si saldano leghe di magnesio, quando l'apporto termico di saldatura è insufficiente, la deformazione plastica del metallo depositato sarà insufficiente, la fluidità del materiale sarà scarsa e l'interno della saldatura non sarà completamente chiuso, formando fori; quando l'apporto di calore di saldatura è troppo elevato, si verificherà la testa di agitazione Il materiale di saldatura sul lato anteriore si espande e trabocca e il riempimento è insufficiente, formando fori; quando si utilizza una testa di agitazione colonnare o conica senza filettatura, la deformazione plastica del materiale nella zona di saldatura è insufficiente e si formano facilmente fori. Il verificarsi di difetti del foro può essere evitato controllando ragionevolmente la velocità di saldatura e la velocità di rotazione della testa di agitazione per regolare l'apporto termico di saldatura, oppure scegliendo la geometria appropriata della testa di agitazione.
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Fig.6 Difetto dei pori del giunto saldato ad agitazione per attrito della lega di magnesio AZ31 (AS è il lato anteriore, RS è il lato posteriore)[8]
(2) Burn-through Il burn-through si verifica spesso nel cordone di saldatura del giunto di saldatura per fusione. A causa dell'alto punto di fusione dell'ossido di magnesio e del basso punto di fusione della lega di magnesio, è difficile fondere i due quando sono attaccati insieme. Quando il foglio di lega di magnesio viene saldato, è difficile osservare la fusione della saldatura. Una volta che l'apporto di calore aumenta a un intervallo irragionevole, il colore della pozza fusa non cambia in modo significativo, ma il metallo non fuso al di sotto della pozza fusa non può resistere allo stress che riceve e in questo momento si verifica la bruciatura. Eseguire un buon lavoro di pulizia della superficie della lega di magnesio prima della saldatura e saldare il prima possibile dopo la pulizia per evitare il verificarsi di difetti di bruciatura. Inoltre, ottimizzando i parametri di saldatura per limitare la profondità di penetrazione, è anche possibile evitare il burn-through.
4 Caso tipico di analisi dei difetti di saldatura nelle leghe di magnesio
La lega di magnesio GW63K di 6 mm di spessore è stata saldata rispettivamente mediante saldatura laser e saldatura a fascio di elettroni e l'aspetto macroscopico del cordone di saldatura è mostrato rispettivamente in Fig. 7 e Fig. 8. I due tipi di cordoni di saldatura per fusione presentano evidenti difetti come spruzzi e sottosquadri, causati dal basso punto di fusione della lega di magnesio, dall'elevato coefficiente di dilatazione termica e dall'elevato apporto di calore di saldatura. I metodi successivi possono essere utilizzati per ridurre l'apporto di calore di saldatura. Ottimizzazione dei processi.
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Fig.7 Morfologia macroscopica del cordone di saldatura laser della lega di magnesio GW63K
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Fig.8 Morfologia macroscopica del cordone di saldatura a fascio di elettroni della lega di magnesio GW63K
