1 preambula
Zliatiny horčíka sú nielen ľahké, vysoko pevné a majú nízku cenu, ale majú aj dobré tlmenie vibrácií, zlievateľnosť, elektrickú vodivosť, elektromagnetické tienenie a odvod tepla a stali sa preferovanými kovovými materiálmi pre mnohé priemyselné výrobky. V súčasnosti sú horčíkové zliatiny široko používané v komponentoch s malou nosnosťou, ako sú rámy kokpitu, držiaky zariadení a náboje kolies v leteckom priemysle [1].
S transformáciou a modernizáciou moderných veľkých výrobných zariadení sa dopyt po konštrukčných dieloch z ľahkých zliatin horčíka stal veľmi naliehavým. Pri zváraní horčíkových zliatin je však veľa chýb a je ťažké získať zvarové spoje s vysokou kvalitou tvárnenia a vysokým komplexným výkonom. Tento príspevok analyzuje príčiny defektov zvárania horčíkovej zliatiny a navrhuje preventívne opatrenia, ktoré môžu napomôcť popularizácii a aplikácii materiálov z horčíkových zliatin a majú praktický význam pre oblasť výrobných zariadení.
2 Proces zvárania horčíkovej zliatiny
Bežné procesy zvárania horčíkových zliatin zahŕňajú tavné zváranie a zváranie v pevnej fáze. Tavné zváranie zahŕňa hlavne oblúkové zváranie volfrámu a argónu, zváranie kovovým argónom, zváranie elektrónovým lúčom, laserové zváranie a iné metódy a zváranie v pevnej fáze je hlavne zváranie trením. Spomedzi nich sa frikčné zváranie s premiešavaním stalo preferovanou metódou zvárania vďaka svojim výhodám, ktoré spočívajú v menšom množstve prípravných prác pred zvarom, potrebe ochranného plynu a zváracích materiálov, zváraniu vo všetkých polohách, dobrým mechanickým vlastnostiam zvarencov a malému namáhaniu po zváraní. deformácia. Zváranie trením s miešaním má však nevýhody, že zvar musí byť pevne pripevnený, rýchlosť zvárania je nízka, miešacia hlava sa rýchlo opotrebováva a na konci zvaru sa ľahko vytvorí kľúčová dierka, čo robí tavné zváranie bežnou metódou zvárania. .
3 Analýza zvarových defektov horčíkovej zliatiny
Zliatiny horčíka majú nevýhody, ako je ľahké odparovanie, ľahká oxidácia, ľahká nitridácia a veľké tepelné namáhanie a často vykazujú rôzne chyby zvárania počas zvárania. Riešia sa príčiny a preventívne opatrenia bežných defektov ako sú póry, tepelné trhliny a deformácie.
3.1 Prieduchy
(1) Príčiny tvorby Vo zvare tavného zvaru sa často objavujú póry. Napríklad obrázok 1 znázorňuje morfológiu pórov zvarového švu bežného zvarového spoja AZ91D z horčíkovej zliatiny AZ91D a argónu volfrámu. Existujú dva typy mikroskopických pórov, ktorým dominuje plynný vodík, a zapletených makroskopických pórov, ktorým dominuje dusík [2••].
Tvorba pórov sa pripisuje hlavne dvom dôvodom: jedným je to, že nerozpustný plyn generovaný metalurgickou reakciou vo zvarovom kúpeli sa zhromažďuje medzi stuhnutými kryštálmi dendritu a nie je ľahké ho vypustiť za vzniku pórov; Druhým dôvodom je, že zvarový kúpeľ absorbuje a rozpúšťa určité množstvo. Vo fáze tuhnutia sa rozpustnosť plynu rýchlo znižuje s prudkým poklesom teploty roztaveného kúpeľa a plyn sa ľahko hromadí v prednej časti rastúcich dendritov a vytvára póry pozdĺž kryštálovú vrstvu.
Počas tavného zvárania horčíkových zliatin pochádzajú póry hlavne z rozpusteného vodíka, zatiaľ čo vodík v roztavenom kúpeli pochádza hlavne z vlhkosti okolo základného kovu, zváracieho drôtu alebo atmosféry oblúkového stĺpca. Zliatiny horčíka majú silnú tepelnú vodivosť a rýchlosť tuhnutia roztaveného kúpeľa je veľmi rýchla, čo spôsobuje únik vodíka a vytváranie pórov. Zároveň sa na povrchu horčíkovej zliatiny ľahko vytvára MgO film. Čím vyšší obsah Mg, tým viac MgO, MgO je voľnejší ako Al2O3 a iné oxidy a ľahšie absorbuje vodu a vytvára póry.
V súčasnosti je pórovitosť zvarov zvárania v ochrannej atmosfére roztaveného inertného plynu (MIG) najvyššia. Je to preto, že zváranie MIG sa spolieha na nepretržité tavenie zváracieho drôtu a oxidový film vo zváracom drôte silne rozpúšťa pripojenú vodu do kvapôčky, čo vedie k hydrogenácii roztaveného kúpeľa. . Zváranie elektrónovým lúčom a laserové zváranie majú tiež väčšiu pórovitosť vo zvare, čo je spôsobené menším príkonom zváracieho tepla týchto dvoch metód, rýchlejšou rýchlosťou ochladzovania roztaveného kúpeľa a vodík v roztavenom bazéne nemá čas uniknúť.
(2) Preventívne opatrenia Ošetrenie pred zváraním: kombinujte mechanické čistenie a chemické čistenie, aby ste čo najviac odstránili oxidový film a olejové škvrny na povrchu základného kovu a zváracieho drôtu; použite metódy sušenia na čo najväčšie odstránenie vlhkosti z povrchu základného kovu a zváracieho drôtu; snažte sa vyhnúť zváraniu v prostredí.
Optimalizácia parametrov zvárania: Parametre zvárania môžu ovplyvniť podmienky úniku a tavenia plynu v roztavenom kúpeli. Keď sú podmienky úniku priaznivejšie ako podmienky tavenia, je možné znížiť pórovitosť. Obrázok 2 ukazuje vzťah medzi tendenciou pórovitosti zliatiny hliníka a horčíka LF6 a parametrami zvárania [3]. Väčší zvárací prúd a rýchlosť zvárania prispievajú k zníženiu pórovitosti.
Ochranná atmosféra má vhodné oxidačné vlastnosti: Z hľadiska zabránenia rozpúšťaniu vodíka môže pridanie malého množstva CO2 alebo O2 do inertného plynu používaného na ochranu pri zváraní, ako je Ar a He, pomôcť znížiť pórovitosť.
3.2 Tepelné trhliny
(1) Príčiny vzniku Najčastejšími tepelnými trhlinami sú trhliny tuhnutia a skvapalňovacie trhliny. Praskliny tuhnutia sú praskliny spôsobené oddelením zvyšného tekutého filmu medzi zvarovým kovom, keď teplota tuhnutia klesne blízko čiary solidu. Skvapalňovacia trhlina spočíva v tom, že medzikryštalická fáza sa pri prehriatí oblasti blízko štrbiny roztaví na kvapalnú fázu a kvapalný film sa oddelí a praskne. Napríklad na obr. 3 je znázornený stav prasklín tuhnutia vo zvare zodpovedajúci rôznym rýchlostiam zvárania pri laserovom zváraní horčíkovej zliatiny ZK60 [4].
Počas procesu zvárania hlavný legujúci prvok horčík ľahko reaguje so stopovými prvkami, ako je hliník, meď, nikel atď., čím vzniká eutektická zlúčenina s nízkou teplotou topenia. Počas tuhnutia, v oblasti krehkých teplôt, sa tieto nestuhnuté eutektiká rozdelia medzi zrná vo forme tekutého filmu, čo vážne znižuje silu medzikryštalického spojenia. Zliatina horčíka má veľký koeficient tepelnej rozťažnosti, ktorý spôsobuje veľkú tepelnú deformáciu počas zvárania a počas tuhnutia bude vystavený veľkému namáhaniu zmršťovaním. Intergranulárny tekutý film ťažko odoláva tomuto namáhaniu zmršťovaním a ľahko praská a vytvára trhliny pri tuhnutí. Rovnakým spôsobom je tepelná vodivosť a rýchlosť deformácie horčíkovej zliatiny relatívne veľká a tepelný cyklus zvárania rýchlo roztaví medzikryštalickú fázu v blízkosti švu a mechanické vlastnosti hranice zŕn sa znížia, čo sa dá ľahko prasknúť. stres.
(2) Preventívne opatrenia Upravte obsah prvkov v základnom kove a zváracom drôte: obmedzte obsah ľahko segregovateľných prvkov a škodlivých nečistôt v základnom kove a zváracom drôte a minimalizujte makrosegregáciu a druhú fázu s nízkou teplotou topenia, ku ktorej dochádza. vo zvare.
Optimalizácia parametrov zvárania: výberom primeranej rýchlosti zvárania ukazuje obrázok 4 vzťah medzi tvarom roztaveného kúpeľa a rýchlosťou zvárania [3]. Pri zváraní pri nízkej rýchlosti je roztavený kúpeľ eliptický a stĺpcové kryštály rastú do stredu zvaru v tvare rybej kosti, čo nie je jednoduché na vytvorenie segregovaných slabých povrchov a tendencia k tepelným trhlinám je malá; ale pri zváraní vysokou rýchlosťou má roztavený kúpeľ tvar slzy a stĺpcové kryštály sú podobné ako Rastú vertikálne k osi zvaru a je ľahké vytvoriť segregačný slabý povrch na povrchu stretnutia a tendencia tepelného praskania je veľký. Je tiež možné spresniť veľkosť zŕn a znížiť veľkosť medzikryštalickej fázy vhodným znížením tepelného príkonu zvárania a spomaliť namáhanie tuhnutia a zmršťovania zvaru znížením rýchlosti chladenia, čo všetko môže znížiť výskyt tepelné trhliny.
Primeraná kontrola zdržanlivosti: Kontrolou zdržanlivosti sa čo najviac zníži zaťaženie kĺbu. Napríklad výber vhodnej sekvencie zvárania. Keď je postupnosť zvárania nesprávna, niekoľko posledných zvarov môže byť v stave veľkého obmedzenia, je ťažké ich voľne zmršťovať, značne sa zvyšuje napätie a je náchylný na vznik trhlín.
3.3 Deformácia
(1) Príčiny tvorby Zliatiny horčíka majú vysokú tepelnú vodivosť a veľký koeficient tepelnej rozťažnosti, takže rýchlosť ochladzovania zvarového švu je rýchla a blízka oblasť švu a základný kov sa ľahko deformujú namáhaním zmršťovania a konečný tvar a zmena veľkosti. Napríklad obrázok 5 ukazuje, že zliatina hliníka a horčíka má konkávnu deformáciu, pretože kútový zvar dýzy je príliš blízko k obvodovému zvaru valca [5].
(2) Preventívne opatrenia Optimalizujte štruktúru zvaru: racionálne usporiadajte polohu zvarov, zabezpečte, aby mal každý zvar dostatočný priestor na odvod tepla a zabráňte nadmernej koncentrácii zvarov v oblasti; vyberte vhodný tvar a veľkosť zvarov [6].
Zvýšte tuhosť a fixáciu: Pri zváraní dosiek z horčíkovej zliatiny použite špeciálne prípravky, nosné tyče a iné zariadenia na upevnenie dosiek z horčíkovej zliatiny na pracovnom stole. Po ochladení na izbovú teplotu po zváraní sa používa metóda príklepu na uvoľnenie časti napätia pri zváraní a potom sa odstráni tuhá fixácia.
Predhrievanie pred zváraním: Predhrievanie pred zváraním zvyšuje teplotu základného kovu, aby sa zabezpečilo zníženie teplotného rozdielu medzi zvarovým kovom a okolitým základným kovom počas zvárania, čím sa zníži vnútorné napätie spôsobené zmršťovaním pri zváraní.
Zvoľte primeranú postupnosť zvárania: Komponent vhodne rozdeľte na niekoľko malých jednotiek, každú malú jednotku zvarte samostatne a potom zvarte malé jednotky ako celok, aby sa asymetrické zvary alebo zvary s veľkým zmrštením mohli voľnejšie zmršťovať bez zmršťovania. ovplyvňujú celú štruktúru [7].
Kontrola proti deformácii: Odhadnite veľkosť a smer deformácie zvárania a potom nastavte umelé deformácie s opačnými smermi a rovnakými veľkosťami počas montáže zvárania, aby sa deformácia generovaná zváraním mohla kompenzovať prednastavenou antideformáciou.
3.4 Iné vady
(1) Diery Diery sa často objavujú vo zvaroch zvarových spojov s trením. Napríklad obr. 6 zobrazuje defekt dutosti vo šve trecieho zvárania premiešavaním horčíkovej zliatiny AZ31 [8]. Pri zváraní horčíkových zliatin, keď je vstup zváracieho tepla nedostatočný, plastická deformácia naneseného kovu bude nedostatočná, tekutosť materiálu bude zlá a vnútro zvaru nebude úplne uzavreté, čím sa vytvoria otvory; keď je príkon zváracieho tepla príliš veľký, spôsobí sa miešacia hlava Zvarový materiál na prednej strane sa rozťahuje a preteká a zásyp je nedostatočný a vytvára otvory; pri použití stĺpcovej alebo kužeľovej miešacej hlavy bez závitu je plastická deformácia materiálu v oblasti zvaru nedostatočná a ľahko sa vytvárajú otvory. Výskytu defektov otvorov je možné predísť primeraným riadením rýchlosti zvárania a rýchlosti otáčania miešacej hlavy, aby sa nastavil prívod tepla pri zváraní, alebo výberom vhodnej geometrie miešacej hlavy.
obrázok
Obr.6 Porucha pórov frikčného zvarového spoja horčíkovej zliatiny AZ31 (AS je predná strana, RS je zadná strana)[8]
(2) Prepálenie Prepálenie sa často vyskytuje vo zvarovom šve spoja tavného zvárania. Kvôli vysokej teplote topenia oxidu horečnatého a nízkej teplote topenia horčíkovej zliatiny je ťažké tieto dva spojiť, keď sú navzájom spojené. Keď je plech z horčíkovej zliatiny zváraný, je ťažké pozorovať tavenie zvaru. Akonáhle sa príkon tepla zvýši na neprimeraný rozsah, farba roztaveného kúpeľa sa výrazne nezmení, ale neroztopený kov pod roztaveným kúpeľom nemôže odolávať namáhaniu, ktoré dostáva, a v tomto čase dochádza k prepáleniu. Pred zváraním dobre vyčistite povrch horčíkovej zliatiny a zvarte čo najskôr po čistení, aby ste predišli vzniku defektov prepálenia. Okrem toho optimalizáciou parametrov zvárania na obmedzenie hĺbky prieniku sa dá vyhnúť aj prepáleniu.
4 Analýza typických prípadov defektov zvárania v zliatinách horčíka
6 mm hrubá horčíková zliatina GW63K bola zváraná laserovým zváraním a zváraním elektrónovým lúčom a makroskopický vzhľad zvarového švu je znázornený na obr. 7 a obr. Dva druhy tavných zvarov majú zjavné chyby, ako je rozstrek a podrezanie, ktoré sú spôsobené nízkou teplotou topenia horčíkovej zliatiny, veľkým koeficientom tepelnej rozťažnosti a veľkým príkonom zváracieho tepla. Na zníženie príkonu zváracieho tepla možno použiť nasledujúce metódy. Optimalizácia procesov.
obrázok
Obr.7 Makroskopická morfológia laserom zvareného švu horčíkovej zliatiny GW63K
obrázok
Obr.8 Makroskopická morfológia zvaru elektrónovým lúčom z horčíkovej zliatiny GW63K
