1 ingress
Magnesiumlegeringar är inte bara lätta, höghållfasta och låga i pris, utan har också god vibrationsdämpning, gjutbarhet, elektrisk ledningsförmåga, elektromagnetisk skärmning och värmeavledning, och har blivit det föredragna metallmaterialet för många industriprodukter. För närvarande används magnesiumlegeringar i stor utsträckning i komponenter med liten bärighet såsom cockpitramar, utrustningsfästen och hjulnav inom flygindustrin [1].
Med omvandlingen och uppgraderingen av modern storskalig tillverkningsutrustning har efterfrågan på lättviktskonstruktionsdelar av magnesiumlegering blivit mycket akut. Det finns dock många defekter vid svetsning av magnesiumlegeringar, och det är svårt att få svetsfogar med hög formningskvalitet och hög heltäckande prestanda. Detta dokument analyserar orsakerna till svetsdefekter i magnesiumlegeringar och föreslår förebyggande åtgärder, som kan hjälpa populariseringen och tillämpningen av magnesiumlegeringsmaterial, och har praktisk betydelse för tillverkningsutrustning.
2 Svetsprocess av magnesiumlegering
Vanliga svetsprocesser för magnesiumlegeringar inkluderar smältsvetsning och fastfassvetsning. Fusionssvetsning inkluderar huvudsakligen volframargonbågsvetsning, metallargonbågsvetsning, elektronstrålesvetsning, lasersvetsning och andra metoder, och fastfassvetsning är huvudsakligen friktionssvetsning. Bland dem har friction stir-svetsning blivit en föredragen svetsmetod på grund av dess fördelar med mindre försvetsförberedande arbete, inget behov av skyddsgas och svetsmaterial, svetsning i alla lägen, goda mekaniska egenskaper hos svetsar och liten eftersvetspåkänning. deformation. Friktionssvetsning har dock nackdelarna att svetsen måste vara styvt fixerad, svetshastigheten är låg, omrörarhuvudet slits snabbt och nyckelhålet är lätt att forma i slutet av svetsen, vilket gör smältsvetsning till en vanlig svetsmetod .
3 Analys av svetsdefekter av magnesiumlegering
Magnesiumlegeringar har nackdelar som lätt avdunstning, lätt oxidation, lätt nitrering och stor termisk spänning och uppvisar ofta en mängd olika svetsfel under svetsning. Orsaker och förebyggande åtgärder för vanliga defekter som porer, termiska sprickor och deformation reds ut.
3.1 Stomata
(1) Orsaker till bildning Porer uppträder ofta i svetsen av smältsvetsfogen. Till exempel visar figur 1 pormorfologin hos svetssömmen i en vanlig pressgjutning AZ91D magnesiumlegering argon volfram bågsvetsfog. Det finns två typer av mikroskopiska porer som domineras av vätgas och intrasslade makroskopiska porer som domineras av kväve [2].
Bildandet av porer tillskrivs huvudsakligen två orsaker: den ena är att den olösliga gasen som genereras av den metallurgiska reaktionen i svetsbadet samlas mellan de stelnade dendritkristallerna och är inte lätt att släppa ut för att bilda porer; den andra beror på att svetsbassängen absorberar och löser upp en del. I stelningsstadiet minskar gaslösligheten snabbt med den kraftiga sänkningen av temperaturen i den smälta poolen, och gasen är lätt att samla på framsidan av de växande dendriterna och bildar porer längs med kristallskikt.
Vid smältsvetsning av magnesiumlegeringar kommer porerna huvudsakligen från löst väte, medan vätet i den smälta poolen huvudsakligen kommer från fukten runt basmetallen, svetstråden eller bågkolonnatmosfären. Magnesiumlegeringar har stark värmeledningsförmåga, och den smälta poolens stelningshastighet är mycket snabb, vilket gör att väte flyr ut och bildar porer. Samtidigt är MgO-film lätt att bilda på ytan av magnesiumlegering. Ju mer Mg-innehåll leder till mer MgO, MgO är lösare än Al2O3 och andra oxider, och det är lättare att absorbera vatten och bilda porer.
För närvarande är porositeten hos svetsar med skärmad inert gas (MIG) högst. Detta beror på att MIG-svetsning är beroende av den kontinuerliga smältningen av svetstråden, och oxidfilmen i svetstråden kommer att kraftigt lösa upp det vidhäftade vattnet i droppen, vilket resulterar i hydrering av den smälta poolen. . Elektronstrålesvetsning och lasersvetsning har också mer porositet i svetsen, vilket beror på den mindre svetsvärmetillförseln från dessa två metoder, den snabbare kylningshastigheten för den smälta poolen och vätet i den smälta poolen har ingen tid att fly.
(2) Förebyggande åtgärder Försvetsbehandling: kombinera mekanisk rengöring och kemisk rengöring för att ta bort oxidfilmen och oljefläckar på ytan av basmetallen och svetstråden så mycket som möjligt; använd torkningsmetoder för att ta bort fukten på ytan av basmetallen och svetstråden så mycket som möjligt; försök att undvika svetsning i miljön.
Optimera svetsparametrar: Svetsparametrar kan påverka förhållandena för gas som läcker ut och smälter i den smälta poolen. När utsläppsförhållandena är gynnsammare än smältbetingelserna är det möjligt att minska porositeten. Figur 2 visar förhållandet mellan LF6 aluminium-magnesiumlegering porositetstendens och svetsparametrar [3]. Större svetsström och svetshastighet bidrar till att minska porositeten.
Den skyddande atmosfären har lämpliga oxidativa egenskaper: Ur perspektivet att förhindra väteupplösning kan tillsats av en liten mängd CO2 eller O2 till den inerta gasen som används för svetsskydd såsom Ar och He bidra till att minska porositeten.
3.2 Termiska sprickor
(1) Orsaker till bildning De vanligaste termiska sprickorna är stelningssprickor och kondensationssprickor. Stelningssprickor är sprickor som orsakas av separationen av den kvarvarande vätskefilmen mellan svetsmetallen när stelningstemperaturen sjunker till nära soliduslinjen. Förvätskningssprickan är att den interkristallina fasen smälter in i vätskefasen när det nästan slitna området överhettas och vätskefilmen separeras och spricker. Till exempel visar figur 3 tillståndet för stelningssprickor i svetsen motsvarande olika svetshastigheter under lasersvetsning av ZK60 magnesiumlegering [4].
Under svetsprocessen reagerar huvudlegeringselementet magnesium lätt med spårämnen som aluminium, koppar, nickel etc. för att bilda en eutektisk förening med låg smältpunkt. Under stelning, i det spröda temperaturområdet, kommer dessa icke stelnade eutektika att fördelas mellan kornen i form av en flytande film, vilket allvarligt minskar den intergranulära bindningskraften. Magnesiumlegering har en stor termisk expansionskoefficient, vilket orsakar stor termisk deformation under svetsning och kommer att utsättas för stora krympspänningar under stelning. Den intergranulära vätskefilmen är svår att motstå denna krympspänning, och den är lätt att spricka och bilda stelningssprickor. På samma sätt är den termiska ledningsförmågan och töjningshastigheten för magnesiumlegering relativt stor, och svetsvärmecykeln kommer snabbt att smälta den intergranulära fasen nära sömmen, och de mekaniska egenskaperna hos korngränsen kommer att minska, vilket är lätt att spricka under påfrestning.
(2) Förebyggande åtgärder Justera innehållet av element i basmetallen och svetstråden: begränsa innehållet av lätt segregerade element och skadliga föroreningar i basmetallen och svetstråden, och minimera makrosegregeringen och lågsmältande andra faser som uppstår i svetsen.
Optimera svetsparametrar: genom att välja en rimlig svetshastighet visar figur 4 förhållandet mellan formen på den smälta poolen och svetshastigheten [3]. Vid svetsning med låg hastighet är den smälta poolen elliptisk, och de kolumnformade kristallerna växer till mitten av svetsen i ett fiskbensmönster, vilket inte är lätt att bilda segregerade svaga ytor, och tendensen till termiska sprickor är liten; men när man svetsar med hög hastighet är den smälta poolen droppformad, och de kolumnformade kristallerna liknar Den växer vertikalt mot svetsaxeln, och det är lätt att bilda en segregationssvag yta vid mötesytan, och tendensen termisk sprickbildning är stor. Det är också möjligt att förfina kornstorleken och minska den intergranulära fasstorleken genom att på lämpligt sätt minska svetsvärmetillförseln, och bromsa töjningen av stelningen och krympningen av svetsen genom att minska kylningshastigheten, vilket allt kan minska förekomsten av termiska sprickor.
Rimlig kontroll av fasthållning: Genom att kontrollera fasthållningen minskar belastningen på leden så mycket som möjligt. Till exempel att välja en lämplig svetssekvens. När svetssekvensen är felaktig kan de sista svetsarna vara i ett tillstånd av stor återhållsamhet, det är svårt att krympa fritt, mängden påkänning ökar avsevärt och sprickor är benägna att uppstå.
3.3 Deformation
(1) Orsaker till bildning Magnesiumlegeringar har hög värmeledningsförmåga och stor värmeutvidgningskoefficient, så svetssömmens kylningshastighet är snabb, och närsömsområdet och basmetallen deformeras lätt av krympspänning, och den slutliga formen och storleksförändring. Till exempel visar figur 5 att en aluminium-magnesiumlegering har konkav deformation eftersom munstyckets kälsvets är för nära cylinderns omkretssvets [5].
(2) Förebyggande åtgärder Optimera svetsstrukturen: ordna rationellt svetsarnas position, se till att varje svets har tillräckligt med värmeavledningsutrymme och undvik överdriven koncentration av svetsar i området; välj lämplig form och storlek på svetsarna [6].
Öka styvheten och fixeringen: Vid svetsning av magnesiumlegeringsplattor, använd speciella fixturer, stödstänger och andra enheter för att fixera magnesiumlegeringsplattorna på arbetsbänken. Efter nedkylning till rumstemperatur efter svetsning används hammarmetoden för att släppa en del av svetsspänningen och sedan tas den stela fixeringen bort.
Förvärmning före svetsning: Förvärmning före svetsning ökar temperaturen på basmetallen för att säkerställa att temperaturskillnaden mellan svetsmetallen och den omgivande basmetallen under svetsning minskas, vilket minskar den inre spänningen vid svetskrympning.
Välj en rimlig svetssekvens: Dela upp komponenten i flera små enheter på lämpligt sätt, svetsa varje liten enhet separat och svetsa sedan de små enheterna som en helhet, så att asymmetriska svetsar eller svetsar med stor krympning kan krympa mer fritt utan att krympa. påverka hela strukturen [7].
Antideformationskontroll: Uppskatta storleken och riktningen för svetsdeformationen och ställ sedan in konstgjorda deformationer med motsatta riktningar och lika stora under svetsmonteringen, så att deformationen som genereras av svetsning kan kompenseras av den förinställda antideformationen.
3.4 Andra defekter
(1) Hål Hål uppstår ofta i svetsen av friktionssvetsade fogar. Till exempel, Fig. 6 visar tomrumsdefekten i friktionsomröringssvetssömmen av magnesiumlegering AZ31 [8]. Vid svetsning av magnesiumlegeringar, när svetsvärmetillförseln är otillräcklig, kommer den plastiska deformationen av den avsatta metallen att vara otillräcklig, materialets flytbarhet kommer att vara dålig och insidan av svetsen kommer inte att vara helt stängd, vilket bildar hål; när svetsvärmetillförseln är för stor, kommer omrörningshuvudet att orsakas. Svetsmaterialet på den främre sidan expanderar och svämmar över, och återfyllningen är otillräcklig och bildar hål; när ett pelarformigt eller koniskt omrörarhuvud utan tråd används, är den plastiska deformationen av materialet i svetsområdet otillräcklig och hål bildas lätt. Uppkomsten av håldefekter kan undvikas genom att rimligt kontrollera svetshastigheten och omrörarhuvudets rotationshastighet för att justera svetsvärmetillförseln, eller genom att välja lämplig geometri för omrörarhuvudet.
bild
Fig.6 Pordefekt av friktionssvetsad fog av AZ31 magnesiumlegering (AS är den främre sidan, RS är den bakre sidan)[8]
(2) Genombränning Genombränning uppstår ofta i svetsfogen i svetsfogen. På grund av magnesiumoxidens höga smältpunkt och magnesiumlegeringens låga smältpunkt är det svårt att smälta samman de två när de är sammanfogade. När magnesiumlegeringsplåten svetsas är det svårt att observera svetssmältningen. När väl värmetillförseln ökar till ett orimligt intervall, ändras inte färgen på den smälta poolen nämnvärt, men den osmälta metallen under den smälta poolen kan inte motstå den påkänning som den tar emot, och genombränning inträffar vid denna tidpunkt. Gör ett bra jobb med att rengöra magnesiumlegeringens yta före svetsning och svetsa så snart som möjligt efter rengöring för att undvika uppkomsten av genombränningsdefekter. Genom att optimera svetsparametrarna för att begränsa penetrationsdjupet kan dessutom genombränning undvikas.
4 Typisk fallanalys av svetsdefekter i magnesiumlegeringar
Den 6 mm tjocka magnesiumlegeringen GW63K svetsades med lasersvetsning respektive elektronstrålesvetsning, och svetsfogens makroskopiska utseende visas i Fig. 7 respektive Fig. 8. De två typerna av smältsvetssömmar har uppenbara defekter som stänk och underskärning, som orsakas av magnesiumlegeringens låga smältpunkt, stor värmeutvidgningskoefficient och stor svetsvärmetillförsel. Efterföljande metoder kan användas för att minska svetsvärmetillförseln. Processoptimering.
bild
Fig. 7 Makroskopisk morfologi av lasersvetsad söm av GW63K magnesiumlegering
bild
Fig. 8 Makroskopisk morfologi för elektronstrålesvetsad söm av magnesiumlegering GW63K
