Aunque el aluminio y sus aleaciones se han utilizado para soldar en muchos productos importantes, la producción de soldadura real no está exenta de dificultades. Los principales problemas son: poros en la soldadura, grietas calientes de soldadura y "igualdad de resistencia" de las juntas. Debido a la fuerte actividad química del aluminio y sus aleaciones, es fácil formar una película de óxido en la superficie, y la mayoría de ellos tienen propiedades refractarias (por ejemplo, el punto de fusión de Al2O3 es 2050 grados y el punto de fusión de MgO es 2500 grados). Además, el aluminio y sus aleaciones tienen una fuerte conductividad térmica. Es fácil provocar un fenómeno de no fusión durante la soldadura. Dado que la densidad de la película de óxido es muy cercana a la del aluminio, también es fácil que se convierta en inclusiones en el metal de soldadura. Al mismo tiempo, la película de óxido (especialmente la película de óxido con presencia de MgO, que no es muy densa) puede absorber más humedad y, a menudo, se convierte en una de las razones importantes de los poros de soldadura.
Además, el aluminio y sus aleaciones tienen un gran coeficiente de expansión lineal y una fuerte conductividad térmica, y son propensos a sufrir deformaciones por deformación durante la soldadura. Estos también son problemas bastante difíciles en la producción de soldadura. A continuación, se realiza un análisis en profundidad de las grietas relativamente graves generadas durante la prueba.
1. Grietas y sus características en uniones soldadas de aleaciones de aluminio
En el proceso de soldadura de aleaciones de aluminio, debido a los diferentes tipos, propiedades y estructuras de soldadura de los materiales, pueden aparecer diversas grietas en las juntas soldadas, y las características de forma y distribución de las grietas son muy complejas. Según las partes que las generan, se pueden dividir en los siguientes dos tipos de grietas:
(1) Grietas en el metal de soldadura: grietas longitudinales, grietas transversales, grietas de cráter, grietas capilares o de arco, grietas de raíz y microgrietas (especialmente en soldadura multicapa).
(2) Grietas en la zona afectada por el calor: grietas en la punta de la soldadura, grietas laminares y grietas térmicas microscópicas cerca de la línea de fusión. Según el rango de temperatura de generación de grietas, se dividen en grietas calientes y grietas frías. Las grietas calientes se generan a alta temperatura durante la soldadura, lo que se debe principalmente a la segregación de elementos de aleación en el límite de grano o la existencia de sustancias de bajo punto de fusión.
Dependiendo del material del metal a soldar, la forma, el rango de temperatura y las principales razones para la aparición de grietas calientes también son diferentes. Las grietas calientes se pueden dividir en tres categorías: grietas de cristalización, grietas de licuefacción y grietas poligonales. Las grietas de cristalización se producen principalmente en grietas calientes. Durante el proceso de cristalización de la soldadura, cerca de la línea de solidificación, debido a la contracción del metal solidificado, el metal líquido residual no se puede rellenar a tiempo.
El agrietamiento intergranular ocurre bajo la acción de la tensión de contracción de solidificación o fuerza externa, que ocurre principalmente en acero al carbono, soldaduras de acero de baja aleación y algunas aleaciones de aluminio con más impurezas; las grietas por licuefacción se calientan en la zona afectada por el calor para producirse bajo la acción de la tensión de contracción durante la solidificación del límite de grano a alta temperatura.
Durante la prueba, se encontró que cuando la superficie del material de relleno no estaba lo suficientemente limpia, todavía había muchas inclusiones y una pequeña cantidad de poros en la soldadura después de la soldadura. En los tres conjuntos de pruebas, dado que el material de relleno de soldadura es una estructura fundida y las inclusiones son sustancias con un alto punto de fusión, seguirán existiendo en la soldadura después de la soldadura;
Además, la estructura de la fundición es relativamente escasa y hay muchos agujeros, que son fáciles de absorber los componentes que contienen agua cristalina y aceite de calidad, que se convertirán en los factores que generarán poros durante el proceso de soldadura. Cuando la soldadura está bajo tensión de tracción, estas inclusiones y poros a menudo se convierten en los sitios clave para inducir microfisuras.
Una observación más detallada mediante microscopio reveló que existía una clara tendencia a que estas inclusiones y las microfisuras inducidas por poros se cruzaran entre sí. Sin embargo, todavía es difícil juzgar si el efecto nocivo de las inclusiones se manifiesta principalmente como una fuente de concentración de tensiones para inducir grietas, o se manifiesta principalmente como una fase frágil para inducir grietas.
Además, generalmente se cree que los poros en las soldaduras de aleaciones de aluminio y magnesio no tienen un impacto significativo en la resistencia a la tracción del metal de soldadura. fenómeno de grietas.
Queda por estudiar más a fondo si el fenómeno de las microfisuras inducidas por la porosidad es sólo un fenómeno secundario o uno de los principales factores que provocan una disminución sustancial de la resistencia a la tracción de las soldaduras.
2. El proceso de generación de grietas en caliente
En la actualidad, la teoría de Prokhorov se considera la más completa en el país y en el extranjero en lo que respecta a la teoría de las grietas en caliente en la soldadura. En términos generales, la teoría considera que la aparición de grietas cristalinas depende principalmente de los tres aspectos siguientes: el tamaño del rango de temperatura frágil; la ductilidad de la aleación en este rango de temperatura y la velocidad de deformación del metal en el rango de temperatura frágil.
Por lo general, la gente llama al tamaño del rango de temperatura frágil y al valor de ductilidad en este rango de temperatura como el factor metalúrgico que produce grietas de soldadura en caliente, y la tasa de deformación del metal en el rango de temperatura frágil se llama factor mecánico.
El proceso de soldadura es la síntesis de una serie de procesos desequilibrados. Esta característica está relacionada esencialmente con los factores metalúrgicos y mecánicos de la fractura del metal de la unión soldada. Por ejemplo, los productos del proceso de soldadura y del proceso metalúrgico son físicos y químicos. y la inhomogeneidad estructural, escorias e inclusiones, elementos gaseosos y vacantes en concentraciones sobresaturadas, etc.
Todos estos son factores metalúrgicos estrechamente relacionados con la iniciación y el desarrollo de grietas. Desde la perspectiva de los factores mecánicos, el gradiente de temperatura específico y la velocidad de enfriamiento del ciclo térmico de soldadura, bajo ciertas condiciones de restricción, harán que la unión soldada se encuentre en un estado complejo de tensión-deformación, proporcionando así las condiciones necesarias para la iniciación y el desarrollo de grietas.
En el proceso de soldadura, el efecto combinado de los factores metalúrgicos y mecánicos se atribuirá a dos aspectos, es decir, si se debe fortalecer o debilitar la conexión metálica. Si se establece una conexión de resistencia en el metal de la junta soldada durante el enfriamiento, se puede tensar de manera flexible bajo ciertas condiciones de restricción rígidas, y cuando la soldadura y el metal cercano a la soldadura pueden soportar la acción de la tensión de restricción aplicada y la tensión residual intrínseca, no es fácil que se produzcan grietas. , la susceptibilidad a las grietas del metal de las juntas soldadas es baja,Por el contrario, cuando no se puede tolerar la tensión, la conexión de resistencia en el metal se interrumpe fácilmente y se producirán grietas. En este caso, la susceptibilidad a las grietas del metal de la junta soldada es alta. El metal de la junta soldada comienza desde la temperatura de cristalización y solidificación, y se enfría a temperatura ambiente a una cierta velocidad, y su sensibilidad a las grietas se determina mediante la comparación de la capacidad de deformación y la deformación aplicada, y la comparación de la resistencia a la deformación y la tensión aplicada.
Sin embargo, durante el proceso de enfriamiento, en diferentes etapas de temperatura, debido al diferente crecimiento de la resistencia intergranular y de la resistencia del grano, la distribución de la deformación entre los granos y dentro de los granos, el comportamiento de difusión inducido por la deformación es diferente y la concentración de tensiones es diferente. Las condiciones y los factores que provocan la fragilización del metal son diferentes, los eslabones débiles específicos de la unión soldada y los factores y grados de su debilitamiento también son diferentes.
Los factores metalúrgicos y los factores mecánicos que provocan grietas en el metal de la junta soldada están estrechamente relacionados. El gradiente de tensión en los factores mecánicos está relacionado con el gradiente de temperatura determinado por las características del ciclo térmico, y este último está estrechamente relacionado con la conductividad térmica del metal, como el cambio termoplástico del metal. Los factores metalúrgicos como las características, la expansión térmica y la transformación de la microestructura desempeñan un papel importante en el estado de tensión-deformación del metal de la junta soldada en gran medida.
Además, a medida que la temperatura disminuye y cambia la velocidad de enfriamiento, los factores metalúrgicos y mecánicos también cambian, y la resistencia del metal de la junta soldada es diferente en diferentes rangos de temperatura. Por ejemplo, si el rango de temperatura de cristalización es grande, la temperatura de la línea de fase sólida es baja y es más probable que provoque una concentración de tensión en el metal líquido de bajo punto de fusión que queda entre los granos, lo que da como resultado grietas en el metal de la fase sólida;
De manera similar, a medida que la temperatura disminuye, si la cantidad de contracción es grande, especialmente bajo la condición de enfriamiento rápido, cuando la tasa de deformación de contracción es alta y el estado de tensión-deformación es más severo, es propenso a ocurrir grietas, etc.
En la etapa posterior de la solidificación y cristalización del metal de soldadura durante la soldadura de aleaciones de aluminio, el eutéctico de bajo punto de fusión se expulsa en el centro donde se encuentran los cristales, formando una denominada "película líquida". Cuando la contracción libre produce una gran tensión de tracción, la película líquida forma un enlace relativamente débil en este momento y, bajo la acción de la tensión de tracción, puede agrietarse en el área débil y formar una grieta.
3. El mecanismo de generación de grietas calientes
Para estudiar el momento más probable de aparición de grietas en caliente cuando se sueldan aleaciones de aluminio, la cristalización del baño de soldadura durante la soldadura de aleación de aluminio se divide en tres etapas.
La primera etapa es la etapa líquido-sólido. Cuando el baño de soldadura comienza a cristalizarse a partir del enfriamiento a alta temperatura, solo existe una pequeña cantidad de núcleos cristalinos. Con la disminución de la temperatura y la prolongación del tiempo de enfriamiento, el núcleo cristalino crece gradualmente y aparece un nuevo núcleo cristalino, pero en este proceso, la fase líquida siempre ocupa una gran cantidad y no hay contacto entre los granos cristalinos adyacentes. El flujo libre de la aleación de aluminio líquido no solidificado no constituye un obstáculo.
En este caso, incluso si hay tensión de tracción, el espacio abierto se puede llenar con el tiempo con el metal líquido de aleación de aluminio que fluye, por lo que la posibilidad de grietas en la etapa líquido-sólido es muy pequeña.
La segunda etapa es la etapa sólido-líquido. Cuando continúa la cristalización del baño de fusión de soldadura, la fase sólida en el baño de fusión continúa aumentando y los núcleos previamente cristalizados continúan creciendo. Cuando la temperatura desciende a un valor determinado, los cristales de metal de aleación de aluminio solidificado están en contacto entre sí y se enrollan continuamente. En este momento, el flujo de la aleación de aluminio líquida se ve obstaculizado, es decir, la cristalización del baño de fusión ha entrado en la etapa sólido-líquido.
En este caso, debido a la falta de metal de aleación de aluminio líquido, la deformación del propio cristal puede desarrollarse fuertemente, la fase líquida que queda entre los cristales no es fácil de fluir y los pequeños huecos generados bajo la acción de la tensión de tracción no se pueden llenar, siempre que haya una ligera La presencia de tensión de tracción tiene el potencial de generar grietas. Por lo tanto, esta etapa se llama "zona de temperatura frágil".
La tercera etapa es la de solidificación completa. La soldadura formada después de que el metal del baño de fusión se solidifique por completo mostrará buena resistencia y plasticidad cuando se la someta a tensión de tracción. La posibilidad de que se produzcan grietas en esta etapa es relativamente pequeña.
Por lo tanto, cuando la temperatura es mayor o menor que la zona de temperatura frágil entre ab, el metal de soldadura tiene una mayor capacidad para resistir grietas por cristalización y una menor tendencia a agrietarse. En general, para metales con menos impurezas (incluido el metal base y los materiales de soldadura), debido al estrecho rango de temperatura frágil, la tensión de tracción actúa en este rango durante un corto tiempo, de modo que la deformación total de la soldadura es relativamente pequeña.
Por lo tanto, la tendencia a que se formen grietas durante la soldadura es menor. Si hay más impurezas en la soldadura, el rango de temperatura de fragilidad es más amplio, la tensión de tracción en este rango es mayor y la tendencia a que se formen grietas es mayor.
4. Medidas de prevención de grietas en la soldadura de aleaciones de aluminio
De acuerdo con el mecanismo de las grietas en caliente durante la soldadura de aleaciones de aluminio, se pueden realizar mejoras desde dos aspectos de factores metalúrgicos y factores de proceso para reducir la probabilidad de grietas en caliente en la soldadura de aleaciones de aluminio.
En términos de factores metalúrgicos, para evitar grietas térmicas intergranulares durante la soldadura, se ajusta principalmente el sistema de metal de la costura de soldadura o se agrega un modificador al metal de relleno. El objetivo del ajuste del sistema de sutura de soldadura, desde la perspectiva de la resistencia a las grietas, es controlar una cantidad adecuada de eutéctico fusible y reducir el rango de temperatura de cristalización.
Dado que las aleaciones de aluminio son aleaciones eutécticas típicas, la máxima tendencia al agrietamiento corresponde al rango de temperatura de solidificación "máxima" de la aleación, y la presencia de una pequeña cantidad de eutéctico siempre aumenta la tendencia al agrietamiento por solidificación. El contenido del elemento excede la composición de la aleación donde la tendencia al agrietamiento es mayor, de modo que puede ocurrir un efecto de "curación".
Como modificadores, se agregaron elementos traza como Ti, Zr, V y B al metal de relleno en un intento de mejorar la plasticidad y la tenacidad refinando los granos y para evitar grietas en caliente por soldadura. y los resultados obtenidos. La Figura 3 muestra los resultados de la prueba de resistencia a las grietas del alambre de soldadura Al-4.5%Mg con modificador agregado bajo la condición de soldadura de filete de solape rígido.
El Zr añadido en la prueba fue de {{0}}.15%, y el Ti+B fue de 0.1%. Se puede ver que añadir Ti y B al mismo tiempo puede mejorar significativamente la resistencia al agrietamiento. La característica común de elementos como Ti, Zr, V, B y Ta es que pueden formar una serie de reacciones peritécticas con el aluminio para formar compuestos metálicos refractarios (Al3Ti, Al3Zr, Al7V, AlB2, Al3Ta, etc.). Estas pequeñas partículas refractarias pueden convertirse en núcleos de solidificación no espontánea cuando el metal líquido se solidifica, produciendo así el efecto de refinamiento del grano.
En cuanto a los factores de proceso, principalmente las especificaciones de soldadura, el precalentamiento, la forma de la junta y la secuencia de soldadura, todos estos métodos se basan en la tensión de soldadura para resolver las grietas de soldadura. Los parámetros del proceso de soldadura afectan el desequilibrio del proceso de solidificación y el estado de la microestructura del proceso de solidificación, y también afectan la tasa de crecimiento de la deformación durante el proceso de solidificación, lo que afecta la generación de grietas.
El método de soldadura con energía térmica concentrada favorece un proceso de soldadura rápido, lo que puede evitar la formación de cristales columnares gruesos con una fuerte direccionalidad, mejorando así la resistencia a las grietas. El uso de una corriente de soldadura pequeña y la reducción de la velocidad de soldadura pueden reducir el sobrecalentamiento del baño de fusión y mejorar la resistencia a las grietas.
El aumento de la velocidad de soldadura promueve el aumento de la tasa de deformación de la junta soldada, lo que aumenta la tendencia al agrietamiento en caliente. Se puede observar que el aumento de la velocidad de soldadura y la corriente de soldadura promueve el aumento de la tendencia al agrietamiento. Durante el ensamblaje y la soldadura de la estructura de aluminio, la costura de soldadura no está sujeta a una gran rigidez, y se pueden adoptar medidas como la soldadura segmentada, el precalentamiento o la reducción adecuada de la velocidad de soldadura en el proceso.
Mediante el precalentamiento, la expansión relativa de la pieza de prueba se puede hacer más pequeña, la tensión de soldadura se puede reducir en consecuencia y la tensión en el rango de temperatura frágil se puede reducir; trate de usar soldadura a tope con ranuras abiertas y pequeños espacios, y evite el uso de juntas cruciformes y posicionamiento y secuencia de soldadura inadecuados; cuando la soldadura finaliza o se interrumpe, el cráter del arco debe llenarse a tiempo y luego debe retirarse la fuente de calor, de lo contrario, provocará fácilmente grietas en el cráter del arco. Para las juntas soldadas de soldadura multicapa de aleación de la serie 5000, a menudo se generan microfisuras debido a la fusión local del intergranular, por lo que se debe controlar la entrada de calor de la siguiente capa de cordón de soldadura.
Según la prueba de este artículo, para la soldadura de aleación de aluminio, la limpieza de la superficie del metal base y del material de relleno también es muy importante. La inclusión de material en la soldadura se convertirá en la fuente de grietas y la principal razón de la disminución del rendimiento de la soldadura.
