Typowe wady wSpawanie laserowe stopów aluminium
Niezależnie od tego, czy spawanie laserowe autogeniczne, czyhybrydowe spawanie laserowo-łukowejest stosowany do stopów aluminium, występują pewne typowe problemy techniczne, tj. mogą wystąpić wady, jeśli parametry procesu i warunki spawania są metalurgiczneniewłaściwy.Wady w połączeniach stopów aluminium obejmują głównie dwa rodzaje: porowatość spoiny i pęknięcia na gorąco. Oprócz porowatości i pęknięć na gorąco, w spawaniu laserowym stopów aluminium występują również wady takie jak podtopienia i nieprawidłowe uformowanie tylnej strony spoiny. W porównaniu z porowatością spoiny, prawdopodobieństwo wystąpienia pęknięć spawalniczych (widocznych gołym okiem lub przy małym powiększeniu) nie jest wysokie. Jednakże, ponieważ pęknięcia są bardziej niebezpieczne, norma JIS Z 3105 stanowi, że po wykryciu pęknięcia w spoinie, spoina powinna zostać zaliczona do klasy IV. Podtopienia, nieprawidłowe uformowanie tylnej strony spoiny i inne wady to najczęściej poważne wady spowodowane niewłaściwą kontrolą prędkości lub niedopasowaniem parametrów procesu. Takie wady pojawiają się zazwyczaj na etapie badania i usuwania usterek procesu i rzadko występują w normalnych, rzeczywistych procesach produkcyjnych. Dlatego porowatość jest rodzajem wady, która jest bardziej szkodliwa w spawaniu laserowym stopów aluminium i w eksploatacji konstrukcji spawanych, i jest trudna do całkowitego wyeliminowania.
1. Porowatość
Porowatość jest najczęstszą i największą wadą objętościowąspawanie laserowe stopów aluminium, o rozmiarach od setek mikronów do kilku milimetrów. Mechanizm jego powstawania nie jest jeszcze w pełni poznany. Porowatość nie tylko osłabia efektywny obszar roboczy spoiny, ale także powoduje koncentrację naprężeń, zmniejszając wytrzymałość dynamiczną i odporność zmęczeniową spoiny.
Gdy stop aluminium topi się w środowisku zawierającym wodór, jego wewnętrzna zawartość wodoru może osiągnąć ponad 0,69 ml/100 g, ale po zestaleniu stopu jego rozpuszczalność wodoru w stanie równowagi wynosi maksymalnie 0,036 ml/100 g. Powszechnie uważa się, że podczas procesu chłodzenia podczas spawania laserowego rozpuszczalność wodoru gwałtownie spada, a wytrącanie się przesyconego wodoru powoduje porowatość wodorową. Parowanie pierwiastków stopowych o niskiej temperaturze topnienia i wysokiej prężności par może również prowadzić do porowatości, zwanej porowatością metalurgiczną. Ponadto, zaburzenia wiązki laserowej i niestabilność otworu klucza również mogą powodować porowatość, ale taka porowatość ma nieregularny kształt i można ją nazwać porowatością indukowaną procesem. Ze względu na wysoką aktywność chemiczną stopów aluminium, na ich powierzchni łatwo tworzy się warstwa tlenku. Podczas spawania, woda krystaliczna i woda połączona rozkładają się z warstwy tlenku na powierzchni stopu aluminium, wraz z wilgocią zawartą w powietrzu i gazem ochronnym, bezpośrednio rozkładają się, wytwarzając wodór w obszarze wysokiej temperatury pod działaniem lasera. Te gazy wodorowe mogą albo wytrącać się podczas chłodzenia i krzepnięcia jeziorka stopowego, tworząc pęcherzyki, albo bezpośrednio generować pęcherzyki na niecałkowicie stopionej warstwie tlenku. Ze względu na niski ciężar właściwy stopów aluminium, prędkość narastania pęcherzyków w jeziorku stopowym jest niska. Ponadto stopy aluminium mają wysoką przewodność cieplną, a prędkość chłodzenia i krzepnięcia jeziorka stopowego jest niezwykle duża. Niektóre pęcherzyki nie mogą uciec na czas i pozostają w spoinie, tworząc w ten sposób porowatość metalurgiczną. Badania wykazały, że głównym gazem w porowatości spoin stopów aluminium jest wodór, dlatego porowatość w spoinach stopów aluminium jest czasami nazywana porowatością wodorową. Obserwacja pękania porowatości pod skaningowym mikroskopem elektronowym ujawnia, że porowatość ma przeważnie morfologię kulistą z ciasno ułożonymi dendrytami na końcach kryształów dendrytycznych, a wewnętrzna ściana jest gładka, czysta i pozbawiona śladów utleniania. Obecność porowatości nie tylko zmniejsza zwartość spoiny i nośność połączenia, ale także w różnym stopniu obniża wytrzymałość i plastyczność połączenia.
2. Gorące pęknięcia
Pęknięcia gorące (w tym pęknięcia krzepnięcia i pęknięcia likwidacyjne) powstają podczas procesu krzepnięcia roztopionego metalu jeziorka i są jednym z powszechnych rodzajów wad w spawaniu laserowym stopów aluminium. Najbardziej oczywistą cechą morfologii pęknięć krzepnięcia jest to, że powierzchnia pęknięcia składa się z dużej powierzchni gładkiej, ale nierównej, ziarnistej struktury przypominającej kostkę brukową lub ziemniak, a powierzchnia często zachowuje międzykrystaliczne eutektyki o niskiej temperaturze topnienia lub fałdy filmu ciekłego, a także ślady kruchego pękania dendrytów. Morfologia pęknięć likwidacyjnych jest podobna do morfologii pęknięć krzepnięcia, ale ma cechy wysokotemperaturowego pękania międzykrystalicznego lub pękania krzepnięcia. W pękaniu zmęczeniowym złączy spawanych pod obciążeniem zmęczeniowym, źródła pęknięć zmęczeniowych spowodowane takimi pęknięciami gorącymi są również powszechne. Przyczyny pęknięć gorących w spawaniu laserowym stopów aluminium są związane głównie z ich własnymi właściwościami i procesami spawania. Stopy aluminium charakteryzują się dużym skurczem podczas krzepnięcia (do 5%), co skutkuje dużymi naprężeniami i odkształceniami spawalniczymi. Ponadto, podczas krzepnięcia metalu spoiny, wzdłuż granic ziaren tworzą się struktury eutektyczne o niskiej temperaturze topnienia, co osłabia siłę wiązania między ziarnami, powodując powstawanie pęknięć na gorąco pod wpływem naprężeń rozciągających. Ponadto, morfologię pęknięć podczas spawania laserowego stopów aluminium można podzielić na następujące kategorie: pęknięcia w centrum spoiny; pęknięcia w linii wtopienia spoiny; pęknięcia międzykrystaliczne w spoinach; pęknięcia likwacyjne w strefie wpływu ciepła; pęknięcia spowodowane warstwami tlenków; oraz mikropęknięcia międzykrystaliczne.
Ponadto, słaba ochrona podczas spawania powoduje, że metal spoiny reaguje z gazami w powietrzu, a powstałe wtrącenia są również potencjalnymi źródłami pęknięć. Rodzaj i ilość pierwiastków stopowych mają duży wpływ na tendencję do pękania na gorąco podczas spawania stopów aluminium. Ogólnie rzecz biorąc, stopy aluminium serii Al-Si i Al-Mn charakteryzują się dobrą spawalnością i niełatwo w nich o pęknięcia na gorąco; podczas gdy stopy aluminium serii Al-Mg, Al-Cu i Al-Zn mają stosunkowo wysoką tendencję do pękania na gorąco. Tendencję do pękania na gorąco można zmniejszyć, dostosowując parametry procesu spawania w celu kontrolowania szybkości nagrzewania i chłodzenia. Ogólnie rzecz biorąc, tendencja do pękania na gorąco w przypadku hybrydowego spawania laserowo-łukowego jest lepsza niż w przypadku spawania drutem elektrodowym, a tendencja do pękania na gorąco w przypadku spawania drutem elektrodowym jest lepsza niż w przypadku autogenicznego spawania laserowego.
3. Podcięcie i przepalenie
Stopy aluminium charakteryzują się niską energią jonizacji, a fotoindukowana plazma jest podatna na przegrzanie i rozszerzanie podczas spawania, co prowadzi do niestabilności procesu spawania. Ponadto, ciekłe stopy aluminium charakteryzują się dobrą płynnością i niskim napięciem powierzchniowym. Aby poprawić penetrację, często wymagany jest większy przepływ gazu ochronnego i moc wyjściowa lasera, co pogarsza stabilność procesu spawania, powodując gwałtowne wahania jeziorka spawalniczego pod wpływem ciśnienia i łatwo prowadząc do defektów, takich jak podtopienia i przepalenia. Odkształcalność tylnej strony spawanych laserowo płyt ze stopów aluminium można skutecznie poprawić, instalując chłodzoną wodą płytę miedzianą na tylnej stronie spoiny.
4. Wtrącenia żużlowe
Innym rodzajem wady często występującej podczas spawania nadwozi samochodowych są wtrącenia żużla spawalniczego. Badania wykazały, że wtrącenia żużla pochodzą głównie z tlenków na powierzchni spoin i drutów spawalniczych, a także z niestabilnych procesów w procesie lokalizacji stopów aluminium. Dlatego producenci stopów aluminium powinni stymulować innowacje technologiczne i udoskonalać procesy odlewnicze, aby zminimalizować zawartość zanieczyszczeń i wodoru w surowcach oraz poprawić stabilność jakościową produktów.
Czas publikacji: 05.08.2025
