Obwohl Aluminium und seine Legierungen zum Schweißen vieler wichtiger Produkte verwendet werden, ist die eigentliche Schweißproduktion nicht ohne Schwierigkeiten. Die Hauptprobleme sind: Poren in der Schweißnaht, heiße Risse beim Schweißen und „gleiche Festigkeit“ der Verbindungen. Aufgrund der starken chemischen Aktivität von Aluminium und seinen Legierungen bildet sich leicht ein Oxidfilm auf der Oberfläche, und die meisten von ihnen haben feuerfeste Eigenschaften (z. B. beträgt der Schmelzpunkt von Al2O3 2050 Grad und der Schmelzpunkt von MgO 2500 Grad). Darüber hinaus haben Aluminium und seine Legierungen eine starke Wärmeleitfähigkeit. Beim Schweißen kann es leicht zu einem Nichtschmelzphänomen kommen. Da die Dichte des Oxidfilms der von Aluminium sehr nahe kommt, können auch leicht Einschlüsse im Schweißmetall entstehen. Gleichzeitig kann der Oxidfilm (insbesondere der Oxidfilm mit MgO, der nicht sehr dicht ist) mehr Feuchtigkeit aufnehmen und wird häufig zu einem der wichtigen Gründe für Schweißporen.
Darüber hinaus haben Aluminium und seine Legierungen einen großen linearen Ausdehnungskoeffizienten und eine starke Wärmeleitfähigkeit und neigen beim Schweißen zu Verformungen. Dies sind auch ziemlich schwierige Probleme bei der Schweißproduktion. Im Folgenden wird eine eingehende Analyse der relativ schwerwiegenden Risse durchgeführt, die während des Tests entstanden sind.
1. Risse und ihre Eigenschaften in Schweißverbindungen aus Aluminiumlegierungen
Beim Schweißen von Aluminiumlegierungen können aufgrund der unterschiedlichen Arten, Eigenschaften und Schweißstrukturen der Materialien verschiedene Risse in den Schweißverbindungen auftreten, und die Form und Verteilungseigenschaften der Risse sind sehr komplex. Je nach den erzeugten Teilen können sie in die folgenden zwei Arten von Rissformen unterteilt werden:
(1) Risse im Schweißgut: Längsrisse, Querrisse, Kraterrisse, Haar- oder Lichtbogenrisse, Wurzelrisse und Mikrorisse (insbesondere beim Mehrlagenschweißen).
(2) Risse in der Wärmeeinflusszone: Schweißnahtrisse, laminare Risse und mikroskopische thermische Risse in der Nähe der Schmelzlinie. Je nach Temperaturbereich der Rissbildung wird in Heißrisse und Kaltrisse unterteilt. Heißrisse entstehen beim Schweißen bei hohen Temperaturen, was hauptsächlich auf die Entmischung von Legierungselementen an der Korngrenze oder das Vorhandensein von Substanzen mit niedrigem Schmelzpunkt zurückzuführen ist.
Je nach Material des zu schweißenden Metalls unterscheiden sich auch Form, Temperaturbereich und Hauptgründe für das Auftreten von Heißrissen. Heißrisse können in drei Kategorien unterteilt werden: Kristallisationsrisse, Verflüssigungsrisse und polygonale Risse. Kristallisationsrisse entstehen hauptsächlich in Heißrissen. Während des Kristallisationsprozesses der Schweißnaht in der Nähe der Soliduslinie kann das restliche flüssige Metall aufgrund der Schrumpfung des erstarrten Metalls nicht rechtzeitig aufgefüllt werden.
Intergranulare Risse entstehen unter der Einwirkung von Erstarrungsschrumpfspannungen oder äußeren Kräften und treten hauptsächlich bei Kohlenstoffstahl, Schweißnähten aus niedriglegiertem Stahl und einigen Aluminiumlegierungen mit mehr Verunreinigungen auf; Verflüssigungsrisse entstehen in der Wärmeeinflusszone unter der Einwirkung von Schrumpfspannungen während der Korngrenzenerstarrung bei hohen Temperaturen.
Während des Tests wurde festgestellt, dass, wenn die Oberfläche des Füllmaterials nicht ausreichend gereinigt wurde, nach dem Schweißen immer noch viele Einschlüsse und eine kleine Menge Poren in der Schweißnaht vorhanden waren. In den drei Testreihen ist das Schweißfüllmaterial eine Gussstruktur und die Einschlüsse sind Substanzen mit hohem Schmelzpunkt, daher sind sie nach dem Schweißen immer noch in der Schweißnaht vorhanden.
Darüber hinaus ist die Gussstruktur relativ dünn und weist viele Löcher auf, die leicht kristallwasser- und ölhaltige Komponenten aufnehmen können, was beim Schweißvorgang zu Porenbildung führt. Wenn die Schweißnaht unter Zugspannung steht, werden diese Einschlüsse und Poren häufig zu den Hauptursachen für Mikrorisse.
Weitere mikroskopische Untersuchungen ergaben, dass diese Einschlüsse und durch Poren verursachten Mikrorisse eindeutig dazu tendieren, sich zu kreuzen. Es ist jedoch immer noch schwierig zu beurteilen, ob sich die schädliche Wirkung der Einschlüsse hauptsächlich als Spannungskonzentrationsquelle manifestiert, die Risse verursacht, oder ob sie sich hauptsächlich als spröde Phase manifestiert, die Risse verursacht.
Darüber hinaus wird allgemein angenommen, dass Poren in Schweißnähten aus Aluminium-Magnesium-Legierungen keinen wesentlichen Einfluss auf die Zugfestigkeit des Schweißguts haben. Phänomen der Risse.
Ob das Phänomen der durch Porosität verursachten Mikrorisse lediglich ein sekundäres Phänomen ist oder einer der Hauptfaktoren für eine erhebliche Abnahme der Zugfestigkeit von Schweißnähten ist, muss noch weiter untersucht werden.
2. Der Prozess der Heißrissbildung
Derzeit gilt Prochorows Theorie im In- und Ausland als umfassender in Bezug auf die Theorie der Schweißrisse. Im Allgemeinen geht die Theorie davon aus, dass das Auftreten kristalliner Risse hauptsächlich von den folgenden drei Aspekten abhängt: der Größe des spröden Temperaturbereichs, der Duktilität der Legierung in diesem Temperaturbereich und der Verformungsrate des Metalls im spröden Temperaturbereich.
Normalerweise bezeichnet man die Größe des Sprödtemperaturbereichs und den Duktilitätswert in diesem Temperaturbereich als metallurgischen Faktor, der Heißschweißrisse erzeugt, und die Verformungsrate des Metalls im Sprödtemperaturbereich wird als mechanischer Faktor bezeichnet.
Der Schweißprozess ist die Synthese einer Reihe unausgeglichener Prozessabläufe. Diese Eigenschaft hängt im Wesentlichen mit den metallurgischen und mechanischen Faktoren des Metallbruchs der Schweißverbindung zusammen. Beispielsweise sind die Produkte des Schweißprozesses und des metallurgischen Prozesses physikalische und chemische. und strukturelle Inhomogenität, Schlacke und Einschlüsse, Gaselemente und Leerstellen in übersättigten Konzentrationen usw.
Dies alles sind metallurgische Faktoren, die eng mit der Entstehung und Entwicklung von Rissen zusammenhängen. Aus mechanischer Sicht führen der spezifische Temperaturgradient und die Abkühlungsrate des Schweißwärmezyklus unter bestimmten Bedingungen dazu, dass die Schweißverbindung in einen komplexen Spannungs-Dehnungs-Zustand gerät und so die notwendigen Bedingungen für die Entstehung und Entwicklung von Rissen schafft.
Beim Schweißprozess wird die kombinierte Wirkung metallurgischer und mechanischer Faktoren auf zwei Aspekte zurückgeführt, nämlich ob die Metallverbindung gestärkt oder geschwächt werden soll. Wenn während des Abkühlens eine Festigkeitsverbindung im Metall der Schweißverbindung hergestellt wird, kann diese unter bestimmten starren Rückhaltebedingungen nachgiebig beansprucht werden, und wenn die Schweißnaht und das Metall in der Nähe der Schweißnaht der Wirkung der aufgebrachten Rückhaltespannung und der intrinsischen Restspannung standhalten können, treten nicht so leicht Risse auf. Die Anfälligkeit von Schweißverbindungen für Metallrisse ist gering.Wenn die Spannung hingegen nicht toleriert werden kann, wird die Festigkeitsverbindung im Metall leicht unterbrochen und es entstehen Risse. In diesem Fall ist die Rissanfälligkeit des Schweißverbindungsmetalls hoch. Das Schweißverbindungsmetall beginnt bei der Kristallisations- und Erstarrungstemperatur und kühlt mit einer bestimmten Geschwindigkeit auf Raumtemperatur ab. Seine Rissempfindlichkeit wird durch den Vergleich der Verformungskapazität und der angewandten Dehnung sowie den Vergleich des Verformungswiderstands und der angewandten Spannung bestimmt.
Während des Abkühlungsprozesses treten jedoch bei unterschiedlichen Temperaturen aufgrund des unterschiedlichen Wachstums der intergranularen Festigkeit und der Kornfestigkeit die Verformungsverteilung zwischen den Körnern und innerhalb der Körner sowie das durch die Dehnung verursachte Diffusionsverhalten und die Spannungskonzentration unterschiedlich auf. Die Bedingungen und Faktoren, die zur Metallversprödung führen, sind unterschiedlich. Die spezifischen Schwachstellen der Schweißverbindung sowie die Faktoren und Grade ihrer Schwächung sind ebenfalls unterschiedlich.
Die metallurgischen und mechanischen Faktoren, die Risse im Schweißverbindungsmetall verursachen, sind eng miteinander verbunden. Der Spannungsgradient bei den mechanischen Faktoren hängt mit dem Temperaturgradienten zusammen, der durch die thermischen Zykluseigenschaften bestimmt wird, und letzterer hängt eng mit der Wärmeleitfähigkeit des Metalls zusammen, beispielsweise mit der thermoplastischen Veränderung des Metalls. Metallurgische Faktoren wie Eigenschaften, Wärmeausdehnung und Mikrostrukturumwandlung spielen in hohem Maße eine wichtige Rolle im Spannungs-Dehnungs-Zustand des Schweißverbindungsmetalls.
Darüber hinaus ändern sich mit sinkender Temperatur und veränderter Abkühlungsrate auch die metallurgischen und mechanischen Faktoren, und die Festigkeit des Schweißverbindungsmetalls ist in unterschiedlichen Temperaturbereichen unterschiedlich. Wenn beispielsweise der Kristallisationstemperaturbereich groß ist und die Temperatur der festen Phasenlinie niedrig ist, ist es wahrscheinlicher, dass sich im niedrigschmelzenden flüssigen Metall, das zwischen den Körnern verbleibt, Spannungskonzentrationen bilden, was zu Rissen im festen Phasenmetall führt.
Wenn bei sinkenden Temperaturen die Schrumpfung stark ist, insbesondere bei schneller Abkühlung, wenn die Schrumpfungsdehnungsrate hoch und der Spannungs-Dehnungs-Zustand stärker ausgeprägt ist, besteht die Gefahr der Entstehung von Rissen usw.
Im späteren Stadium der Erstarrung und Kristallisation des Schweißmetalls beim Schweißen von Aluminiumlegierungen wird das niedrigschmelzende Eutektikum in der Mitte, wo sich die Kristalle treffen, herausgedrückt und bildet einen sogenannten „Flüssigkeitsfilm“. Wenn durch die freie Schrumpfung eine große Zugspannung entsteht, bildet der Flüssigkeitsfilm zu diesem Zeitpunkt eine relativ schwache Verbindung und kann unter Einwirkung der Zugspannung im schwachen Bereich reißen und einen Riss bilden.
3. Der Mechanismus der Heißrissbildung
Um den wahrscheinlichsten Zeitpunkt für die Entstehung von Heißrissen beim Schweißen von Aluminiumlegierungen zu untersuchen, wird die Kristallisation des Schweißbades beim Schweißen von Aluminiumlegierungen in drei Phasen unterteilt.
Die erste Phase ist die Flüssig-Fest-Phase. Wenn das Schweißbad durch Abkühlung bei hohen Temperaturen zu kristallisieren beginnt, sind nur wenige Kristallkerne vorhanden. Mit sinkender Temperatur und längerer Abkühlzeit wächst der Kristallkern allmählich und es entstehen neue Kristallkerne. Dabei nimmt die flüssige Phase jedoch immer einen großen Anteil ein und es besteht kein Kontakt zwischen benachbarten Kristallkörnern. Der freie Fluss der nicht verfestigten flüssigen Aluminiumlegierung stellt kein Hindernis dar.
In diesem Fall kann der geöffnete Spalt selbst bei Zugspannung rechtzeitig durch das fließende flüssige Metall der Aluminiumlegierung gefüllt werden, sodass die Möglichkeit von Rissen im flüssig-festen Zustand sehr gering ist.
Die zweite Phase ist die Fest-Flüssig-Phase. Wenn die Kristallisation des Schweißschmelzbades weitergeht, nimmt die feste Phase im Schmelzbad weiter zu und die zuvor kristallisierten Kerne wachsen weiter. Wenn die Temperatur auf einen bestimmten Wert fällt, berühren sich die Kristalle des erstarrten Aluminiumlegierungsmetalls und werden kontinuierlich zusammengerollt. Zu diesem Zeitpunkt wird der Fluss der flüssigen Aluminiumlegierung behindert, das heißt, die Kristallisation des Schmelzbades ist in die Fest-Flüssig-Phase eingetreten.
In diesem Fall kann sich aufgrund des Mangels an flüssigem Aluminiumlegierungsmetall die Verformung des Kristalls selbst stark entwickeln, die zwischen den Kristallen verbleibende flüssige Phase kann nicht leicht fließen und die winzigen Lücken, die unter der Einwirkung von Zugspannung entstehen, können nicht gefüllt werden, solange nur eine geringe Zugspannung vorhanden ist, besteht das Potenzial, Risse zu erzeugen. Daher wird diese Phase als „Sprödtemperaturzone“ bezeichnet.
Die dritte Phase ist die Phase der vollständigen Erstarrung. Die Schweißnaht, die entsteht, nachdem das geschmolzene Metall vollständig erstarrt ist, weist bei Zugspannung eine gute Festigkeit und Plastizität auf. Die Möglichkeit von Rissen ist in dieser Phase relativ gering.
Wenn die Temperatur höher oder niedriger als die Sprödtemperaturzone zwischen ab ist, ist das Schweißmetall daher widerstandsfähiger gegen Kristallisationsrisse und neigt weniger zu Rissen. Im Allgemeinen gilt für Metalle mit weniger Verunreinigungen (einschließlich unedler Metalle und Schweißmaterialien), dass die Zugspannung aufgrund des engen Sprödtemperaturbereichs in diesem Bereich nur kurzzeitig wirkt, sodass die Gesamtspannung der Schweißnaht relativ gering ist.
Daher ist die Neigung zur Rissbildung beim Schweißen geringer. Wenn die Schweißnaht mehr Verunreinigungen enthält, ist der Sprödtemperaturbereich breiter, die Zugspannung in diesem Bereich ist länger und die Neigung zur Rissbildung größer.
4. Präventionsmaßnahmen für Schweißrisse in Aluminiumlegierungen
Je nach Mechanismus der Entstehung von Heißrissen beim Schweißen von Aluminiumlegierungen können unter zwei Gesichtspunkten, nämlich metallurgischen Faktoren und Prozessfaktoren, Verbesserungen erzielt werden, um die Wahrscheinlichkeit von Heißrissen beim Schweißen von Aluminiumlegierungen zu verringern.
Um intergranulare thermische Risse während des Schweißens zu verhindern, müssen aus metallurgischer Sicht hauptsächlich das Schweißnahtmetallsystem angepasst oder dem Füllmetall ein Modifikator hinzugefügt werden. Der Schwerpunkt bei der Anpassung des Schweißnahtsystems liegt aus Sicht der Rissbeständigkeit auf der Kontrolle einer geeigneten Menge an schmelzbarem Eutektikum und der Eingrenzung des Kristallisationstemperaturbereichs.
Da Aluminiumlegierungen typische eutektische Legierungen sind, entspricht die maximale Rissneigung dem „maximalen“ Erstarrungstemperaturbereich der Legierung, und das Vorhandensein einer kleinen Menge Eutektikum erhöht immer die Erstarrungsrissneigung. Der Elementgehalt übersteigt die Legierungszusammensetzung, in der die Rissneigung am größten ist, so dass ein „Heilungseffekt“ auftreten kann.
Als Modifikatoren wurden dem Füllmetall Spurenelemente wie Ti, Zr, V und B zugesetzt, um durch Verfeinerung der Körner die Plastizität und Zähigkeit zu verbessern und heiße Schweißrisse zu verhindern. Mit diesen Ergebnissen wurden Ergebnisse erzielt. Abbildung 3 zeigt die Ergebnisse des Rissbeständigkeitstests von Al-4,5 %Mg-Schweißdraht mit zugesetztem Modifikator unter den Bedingungen einer starren Überlappkehlnaht.
Der im Test zugesetzte Zr-Gehalt betrug {{0}},15 %, und der Ti+B-Gehalt betrug 0,1 %. Es ist ersichtlich, dass die gleichzeitige Zugabe von Ti und B die Rissbeständigkeit deutlich verbessern kann. Elemente wie Ti, Zr, V, B und Ta haben gemeinsam, dass sie eine Reihe peritektischer Reaktionen mit Aluminium eingehen können, um feuerfeste Metallverbindungen (Al3Ti, Al3Zr, Al7V, AlB2, Al3Ta usw.) zu bilden. Solche kleinen feuerfesten Partikel können zu nicht spontanen Erstarrungskeimen werden, wenn das flüssige Metall erstarrt, wodurch der Effekt der Kornverfeinerung entsteht.
In Bezug auf Prozessfaktoren, hauptsächlich Schweißspezifikationen, Vorwärmen, Fugenform und Schweißreihenfolge, basieren diese Methoden alle auf der Schweißspannung, um Schweißrisse zu lösen. Die Schweißprozessparameter beeinflussen das Ungleichgewicht des Erstarrungsprozesses und den Mikrostrukturzustand des Erstarrungsprozesses und beeinflussen auch die Dehnungswachstumsrate während des Erstarrungsprozesses und somit die Entstehung von Rissen.
Das Schweißverfahren mit konzentrierter Wärmeenergie fördert den schnellen Schweißprozess, wodurch die Bildung grober säulenförmiger Kristalle mit starker Richtungsabhängigkeit verhindert und dadurch die Rissbeständigkeit verbessert werden kann. Die Verwendung eines geringen Schweißstroms und eine Verlangsamung der Schweißgeschwindigkeit können die Überhitzung des Schmelzbades verringern und die Rissbeständigkeit verbessern.
Eine Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit fördert eine Erhöhung der Dehnungsrate der Schweißverbindung, was wiederum die Neigung zu Heißrissen erhöht. Es ist ersichtlich, dass eine Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit und des Schweißstroms eine Erhöhung der Rissneigung fördert. Während der Montage und des Schweißens der Aluminiumstruktur wird die Schweißnaht keiner großen Steifigkeit ausgesetzt, und im Prozess können Maßnahmen wie segmentiertes Schweißen, Vorwärmen oder eine entsprechende Reduzierung der Schweißgeschwindigkeit ergriffen werden.
Durch Vorwärmen kann die relative Ausdehnung des Prüfstücks verringert werden, die Schweißspannung kann entsprechend reduziert werden und die Spannung im spröden Temperaturbereich kann reduziert werden; versuchen Sie, Stumpfschweißen mit offenen Rillen und kleinen Lücken zu verwenden, und vermeiden Sie die Verwendung von Kreuzverbindungen sowie falsche Positionierung und Schweißreihenfolge; wenn das Schweißen endet oder unterbrochen wird, sollte der Lichtbogenkrater rechtzeitig gefüllt und dann die Wärmequelle entfernt werden, da sonst leicht Lichtbogenkraterrisse entstehen. Bei den Schweißverbindungen von Mehrschichtschweißen aus Legierungen der 5000er-Serie entstehen häufig Mikrorisse aufgrund des lokalen Schmelzens der Zwischengranulare, daher muss die Wärmezufuhr der nächsten Schweißraupenschicht kontrolliert werden.
Gemäß dem Test in diesem Dokument ist beim Schweißen von Aluminiumlegierungen auch die Oberflächenreinigung des Grundmetalls und des Füllmaterials sehr wichtig. Eingeschlossenes Material in der Schweißnaht wird zur Ursache von Rissen und zum Hauptgrund für die Verschlechterung der Schweißleistung.
