1 преамбула
Магниевые сплавы не только легкие, высокопрочные и недорогие, но также обладают хорошим гашением вибрации, литейными свойствами, электропроводностью, электромагнитным экранированием и рассеиванием тепла, и стали предпочтительными металлическими материалами для многих промышленных изделий. В настоящее время магниевые сплавы широко используются в компонентах с небольшой несущей способностью, таких как каркасы кабин, кронштейны оборудования и ступицы колес в авиационной промышленности [1].
С преобразованием и модернизацией современного крупномасштабного производственного оборудования потребность в легких конструкционных деталях из магниевого сплава стала очень острой. Однако при сварке магниевых сплавов имеется много дефектов, и трудно получить сварные соединения с высоким качеством формообразования и высокими комплексными характеристиками. В данной статье анализируются причины дефектов сварки магниевых сплавов и предлагаются превентивные меры, которые могут способствовать популяризации и применению материалов из магниевых сплавов и имеют практическое значение в области производственного оборудования.
2 Процесс сварки магниевого сплава
Общие процессы сварки магниевых сплавов включают сварку плавлением и сварку в твердой фазе. Сварка плавлением в основном включает вольфрамовую аргонодуговую сварку, металлическую аргонодуговую сварку, электронно-лучевую сварку, лазерную сварку и другие методы, а сварка в твердой фазе - это в основном сварка трением с перемешиванием. Среди них сварка трением с перемешиванием стала предпочтительным методом сварки из-за его преимуществ, заключающихся в меньшей подготовительной работе перед сваркой, отсутствии необходимости в защитном газе и сварочных материалах, сварке во всех положениях, хороших механических свойствах сварных соединений и небольшом послесварочном напряжении. деформация. Однако сварка трением с перемешиванием имеет недостатки, заключающиеся в том, что сварное соединение должно быть жестко закреплено, скорость сварки низкая, перемешивающая головка быстро изнашивается, а в конце сварного шва легко образуется замочная скважина, что делает сварку плавлением распространенным методом сварки. .
3 Анализ дефектов сварки магниевого сплава
Магниевые сплавы имеют такие недостатки, как легкое испарение, легкое окисление, легкое азотирование и большие термические напряжения, и во время сварки часто проявляются различные дефекты сварки. Выяснены причины и меры профилактики таких распространенных дефектов, как поры, термические трещины, деформации.
3.1 Устьица
(1) Причины образования Поры часто появляются в шве сварного соединения плавлением. Например, на рис. 1 показана морфология пор сварного шва обычного литого под давлением магниевого сплава AZ91D, свариваемого аргоном и вольфрамовой дугой. Существует два типа микроскопических пор, в которых преобладает газообразный водород, и запутанные макроскопические поры, в которых преобладает азот [2].
Образование пор в основном объясняется двумя причинами: первая заключается в том, что нерастворимый газ, образующийся в результате металлургической реакции в сварочной ванне, собирается между затвердевшими кристаллами дендритов, и его нелегко вывести с образованием пор; во-вторых, сварочная ванна поглощает и растворяет некоторые из них. На стадии затвердевания растворимость газа быстро снижается при резком падении температуры расплавленной ванны, и газ легко собирается на передней части растущих дендритов, образуя поры вдоль кристаллический слой.
Во время сварки плавлением магниевых сплавов поры в основном образуются из растворенного водорода, в то время как водород в расплавленной ванне в основном поступает из влаги вокруг основного металла, сварочной проволоки или атмосферы столба дуги. Магниевые сплавы обладают высокой теплопроводностью, а скорость затвердевания ванны расплава очень высока, что приводит к выделению водорода и образованию пор. В то же время пленка MgO легко образуется на поверхности магниевого сплава. Большее содержание Mg приводит к большему количеству MgO, MgO более рыхлый, чем Al2O3 и другие оксиды, и легче поглощает воду и образует поры.
В настоящее время пористость сварных швов в среде инертного газа (MIG) является самой высокой. Это связано с тем, что сварка MIG основана на непрерывном плавлении сварочной проволоки, а оксидная пленка в сварочной проволоке сильно растворяет прикрепленную воду в капле, что приводит к гидрированию расплавленной ванны. . Электронно-лучевая сварка и лазерная сварка также имеют большую пористость в сварном шве, что связано с меньшим подводом тепла при сварке этими двумя методами, более высокой скоростью охлаждения ванны расплава и водородом в ванне расплава. не успевает выйти.
(2) Профилактические меры Предсварочная обработка: сочетать механическую и химическую очистку, чтобы максимально удалить оксидную пленку и масляные пятна с поверхности основного металла и сварочной проволоки; использовать методы сушки, чтобы максимально удалить влагу с поверхности основного металла и сварочной проволоки; старайтесь избегать сварки в окружающей среде.
Оптимизация параметров сварки: параметры сварки могут влиять на условия выхода газа и плавления в расплавленной ванне. Когда условия выхода более благоприятны, чем условия плавления, можно уменьшить пористость. На рис. 2 представлена зависимость склонности алюминиево-магниевого сплава ЛФ6 к пористости от параметров сварки [3]. Большие сварочный ток и скорость сварки способствуют уменьшению пористости.
Защитная атмосфера обладает соответствующими окислительными свойствами: с точки зрения предотвращения растворения водорода добавление небольшого количества CO2 или O2 в инертный газ, используемый для защиты при сварке, такой как Ar и He, может помочь уменьшить пористость.
3.2 Термические трещины
(1) Причины образования Наиболее распространенными термическими трещинами являются трещины затвердевания и трещины разжижения. Трещины затвердевания - это трещины, вызванные отделением оставшейся жидкой пленки между металлом шва, когда температура затвердевания падает почти до линии солидуса. Трещина разжижения заключается в том, что межкристаллитная фаза переплавляется в жидкую фазу при перегреве околощелевой области, а жидкая пленка отрывается и трескается. Например, на рис. 3 показано состояние трещин затвердевания в шве, соответствующее разным скоростям сварки, при лазерной сварке магниевого сплава ЗК60 [4].
В процессе сварки основной легирующий элемент магний легко вступает в реакцию с микроэлементами, такими как алюминий, медь, никель и т. д., с образованием эвтектического соединения с низкой температурой плавления. При затвердевании в хрупком интервале температур эти незатвердевшие эвтектики будут распределяться между зернами в виде жидкой пленки, что серьезно снижает силу межкристаллитной связи. Магниевый сплав имеет большой коэффициент теплового расширения, что вызывает большую тепловую деформацию во время сварки и будет подвергаться большому усадочному напряжению во время затвердевания. Межкристаллитная жидкая пленка с трудом сопротивляется этому усадочному напряжению, легко растрескивается и образует трещины затвердевания. Точно так же теплопроводность и скорость деформации магниевого сплава относительно велики, и тепловой цикл сварки быстро расплавит межкристаллитную фазу вблизи шва, а механические свойства границы зерна снизятся, что легко растрескивается под стресс.
(2) Профилактические меры Отрегулировать содержание элементов в основном металле и сварочной проволоке: ограничить содержание легко сегрегационных элементов и вредных примесей в основном металле и сварочной проволоке, свести к минимуму возникающие макросегрегационные и легкоплавкие вторые фазы. в сварке.
Оптимизация параметров сварки: путем выбора разумной скорости сварки на рис. 4 показана взаимосвязь между формой ванны расплава и скоростью сварки [3]. При сварке на низкой скорости расплавленная ванна имеет эллиптическую форму, а столбчатые кристаллы растут к середине сварного шва в виде елочки, что затрудняет образование сегрегированных слабых поверхностей, а склонность к термическим трещинам невелика; но при сварке на высокой скорости расплавленная ванна имеет каплевидную форму, а столбчатые кристаллы похожи на то, что она растет вертикально к оси сварного шва, и на поверхности встречи легко образуется слабая поверхность сегрегации, и тенденция термическое растрескивание велико. Также возможно уменьшить размер зерна и уменьшить размер межкристаллитной фазы, соответствующим образом уменьшив погонную энергию сварки, и замедлить деформацию затвердевания и усадку сварного шва, уменьшив скорость охлаждения, что может уменьшить возникновение термические трещины.
Разумный контроль ограничения: контролируя ограничение, нагрузка на сустав снижается в максимально возможной степени. Например, выбор подходящей последовательности сварки. Когда последовательность сварки неправильная, последние несколько сварных швов могут находиться в состоянии сильного сжатия, свободная усадка затруднена, величина деформации значительно возрастает, и может возникнуть трещина.
3.3 Деформация
(1) Причины образования Магниевые сплавы обладают высокой теплопроводностью и большим коэффициентом теплового расширения, поэтому скорость охлаждения сварного шва высокая, а область шва и основной металл легко деформируются под действием усадочного напряжения, а окончательная форма и изменение размера. Например, на рис. 5 показано, что алюминиево-магниевый сплав имеет вогнутую деформацию из-за слишком близкого расположения углового шва сопла к кольцевому шву цилиндра [5].
(2) Превентивные меры Оптимизация структуры сварного шва: рациональное расположение сварных швов, обеспечение достаточного пространства для рассеивания тепла каждым швом и избегание чрезмерной концентрации сварных швов в зоне; выбрать соответствующую форму и размер сварных швов [6].
Повышение жесткости и фиксации: При сварке пластин из магниевого сплава используйте специальные приспособления, опорные стержни и другие приспособления для фиксации пластин из магниевого сплава на верстаке. После охлаждения до комнатной температуры после сварки ковочным методом снимают часть сварочных напряжений, а затем жесткую фиксацию снимают.
Предварительный нагрев перед сваркой: Предварительный нагрев перед сваркой увеличивает температуру основного металла, чтобы гарантировать, что разница температур между металлом сварного шва и окружающим основным металлом во время сварки уменьшается, тем самым уменьшая внутреннее напряжение сварочной усадки.
Выберите разумную последовательность сварки: разделите компонент на несколько небольших блоков соответствующим образом, сварите каждый небольшой блок отдельно, а затем сварите небольшие блоки целиком, чтобы асимметричные сварные швы или сварные швы с большой усадкой могли усаживаться более свободно без усадки. влияют на всю конструкцию [7].
Противодеформационный контроль: оцените размер и направление сварочной деформации, а затем задайте искусственные деформации с противоположными направлениями и одинаковыми размерами во время сварки, чтобы деформация, вызванная сваркой, могла быть компенсирована заданной антидеформацией.
3.4 Другие дефекты
(1) Отверстия Отверстия часто появляются в шве сварных соединений трением с перемешиванием. Например, на рис. 6 показан пустотный дефект в шве сварки трением с перемешиванием магниевого сплава АЗ31 [8]. При сварке магниевых сплавов, когда погонная энергия сварки недостаточна, пластическая деформация наплавленного металла будет недостаточной, текучесть материала будет плохой, а внутренняя часть сварного шва не будет полностью закрыта, образуя отверстия; когда подводимая теплота сварки слишком велика, будет вызвана перемешивающая головка. Материал сварки на передней стороне расширяется и переливается, а засыпка недостаточна, образуя отверстия; при использовании столбчатой или конической мешалки без резьбы пластическая деформация материала в зоне сварки недостаточна и легко образуются отверстия. Возникновения дефектов отверстия можно избежать, разумно контролируя скорость сварки и скорость вращения перемешивающей головки для регулировки подводимого тепла при сварке или выбирая соответствующую геометрию перемешивающей головки.
картина
Рис.6. Пористый дефект сварного соединения трением с перемешиванием магниевого сплава АЗ31 (АС – передняя сторона, ПС – обратная сторона)[8]
(2) Прожоги Прожоги часто возникают в сварном шве сварки плавлением. Из-за высокой температуры плавления оксида магния и низкой температуры плавления магниевого сплава их трудно сплавить, когда они соединены вместе. При сварке листа из магниевого сплава трудно наблюдать плавление сварного шва. Как только подводимая теплота увеличивается до неразумных пределов, цвет расплавленной ванны существенно не меняется, но нерасплавленный металл под расплавленной ванной не может сопротивляться воспринимаемому напряжению, и в это время происходит прожог. Хорошо поработайте над очисткой поверхности магниевого сплава перед сваркой и как можно скорее сварите после очистки, чтобы избежать возникновения дефектов прожога. Кроме того, за счет оптимизации параметров сварки для ограничения глубины проплавления также можно избежать прожога.
4 Типовой анализ дефектов сварки магниевых сплавов
Магниевый сплав GW63K толщиной 6 мм был сварен с помощью лазерной сварки и электронно-лучевой сварки соответственно, а макроскопический вид сварного шва показан на рис. 7 и рис. 8 соответственно. Два типа сварных швов плавлением имеют очевидные дефекты, такие как брызги и подрезы, которые вызваны низкой температурой плавления магниевого сплава, большим коэффициентом теплового расширения и большим подводом тепла при сварке. Последующие методы могут быть использованы для снижения тепловложения при сварке. Оптимизация процессов.
картина
Рис.7 Макроскопическая морфология лазерного сварного шва магниевого сплава ГВ63К
картина
Рис.8 Макроскопическая морфология электронно-лучевого сварного шва магниевого сплава ГВ63К
