اگرچه از آلومینیوم و آلیاژهای آن برای جوشکاری در بسیاری از محصولات مهم استفاده شده است، اما تولید جوش واقعی بدون مشکل نیست. مشکلات اصلی عبارتند از: منافذ در جوش، جوشکاری ترک های داغ، و "استحکام برابر" اتصالات. به دلیل فعالیت شیمیایی قوی آلومینیوم و آلیاژهای آن، به راحتی می توان یک لایه اکسیدی روی سطح تشکیل داد و اکثر آنها خاصیت نسوز دارند (مثلا نقطه ذوب Al2O3 2050 درجه و نقطه ذوب MgO است. 2500 درجه است). علاوه بر این، آلومینیوم و آلیاژهای آن دارای رسانایی حرارتی قوی هستند. ایجاد پدیده عدم ذوب در حین جوشکاری آسان است. از آنجایی که چگالی لایه اکسید بسیار نزدیک به آلومینیوم است، به راحتی می توان در فلز جوش ایجاد کرد. در عین حال، فیلم اکسید (به ویژه فیلم اکسیدی با حضور MgO که خیلی متراکم نیست) می تواند رطوبت بیشتری را جذب کند و اغلب به یکی از دلایل مهم منافذ جوش تبدیل می شود.
علاوه بر این، آلومینیوم و آلیاژهای آن دارای ضریب انبساط خطی و هدایت حرارتی قوی هستند و در حین جوشکاری مستعد تغییر شکل تاب خوردگی هستند. اینها نیز مشکلات بسیار دشواری در تولید جوش هستند. در ادامه، تجزیه و تحلیل عمیقی از ترک های نسبتا جدی ایجاد شده در طول آزمایش انجام شده است.
1. ترک ها و مشخصات آنها در اتصالات جوشی آلیاژ آلومینیوم
در فرآیند جوشکاری آلیاژ آلومینیوم، به دلیل انواع مختلف، خواص و ساختارهای جوشی مواد، ترک های مختلفی در اتصالات جوش داده شده ایجاد می شود و شکل و مشخصات توزیع ترک ها بسیار پیچیده است. با توجه به قطعات تولید شده، می توان آنها را به دو نوع ترک تقسیم کرد:
(1) ترکهای فلز جوش: ترکهای طولی، ترکهای عرضی، ترکهای دهانه، ترکهای مو یا قوس، ترکهای ریشه و ریزترک (به ویژه در جوشکاری چند لایه).
(2) ترکها در ناحیه متاثر از حرارت: ترکهای انگشت جوش، ترکهای آرام و ترکهای حرارتی میکروسکوپی نزدیک خط همجوشی. با توجه به محدوده دمایی تولید ترک، به ترک گرم و ترک سرد تقسیم می شود. ترک داغ در دمای بالا در حین جوشکاری ایجاد می شود که عمدتاً به دلیل جدا شدن عناصر آلیاژی در مرز دانه یا وجود مواد با نقطه ذوب پایین ایجاد می شود.
بسته به جنس فلزی که باید جوش داده شود، شکل، محدوده دما و دلایل اصلی بروز ترک های داغ نیز متفاوت است. ترک های داغ را می توان به سه دسته تقسیم کرد: ترک های کریستالیزاسیون، ترک های روانگرایی و ترک های چند ضلعی. ترک های کریستالیزاسیون عمدتاً در ترک های داغ تولید می شوند. در طول فرآیند تبلور جوش، در نزدیکی خط جامد، به دلیل انقباض فلز جامد شده، فلز مایع باقیمانده را نمی توان به موقع پر کرد.
ترک بین دانه ای تحت تأثیر تنش انقباض انجماد یا نیروی خارجی رخ می دهد که عمدتاً در فولاد کربنی، جوش فولاد کم آلیاژ و برخی از آلیاژهای آلومینیوم با ناخالصی های بیشتر رخ می دهد. ترکهای روانگرایی در ناحیه متاثر از گرما گرم میشوند تا تحت اثر تنش انقباضی در طول انجماد مرز دانهای در دمای بالا تولید شوند.
در طول آزمایش، مشخص شد که وقتی سطح مواد پرکننده به اندازه کافی تمیز نشده است، پس از جوشکاری همچنان آخال های زیادی و مقدار کمی منافذ در جوش وجود دارد. در سه مجموعه آزمایش، از آنجایی که ماده پرکننده جوش یک ساختار ریختهگری است و اجزاء آن مواد با نقطه ذوب بالا هستند، پس از جوشکاری همچنان در جوش وجود خواهد داشت.
علاوه بر این، ساختار ریختهگری نسبتاً کم است و سوراخهای زیادی وجود دارد که به راحتی اجزای حاوی آب کریستال و کیفیت روغن را جذب میکنند که به عوامل ایجاد منافذ در طول فرآیند جوشکاری تبدیل میشوند. هنگامی که جوش تحت تنش کششی است، این آخال ها و منافذ اغلب به مکان های کلیدی برای ایجاد ریزترک تبدیل می شوند.
مشاهدات بیشتر توسط میکروسکوپ نشان داد که تمایل واضحی برای این آخالها و ریزترکهای ناشی از منافذ وجود دارد تا با یکدیگر تلاقی کنند. با این حال، هنوز دشوار است که قضاوت کنیم که آیا اثر مضر آخال ها عمدتاً به عنوان منبع تمرکز تنش برای ایجاد ترک ظاهر می شود یا اینکه عمدتاً به عنوان یک فاز شکننده برای ایجاد ترک ظاهر می شود.
علاوه بر این، عموماً اعتقاد بر این است که منافذ در جوشهای آلیاژ آلومینیوم-منیزیم تأثیر قابلتوجهی بر استحکام کششی فلز جوش ندارند. پدیده ترک
این که آیا پدیده ریزترکهای ناشی از تخلخل تنها یک پدیده ثانویه است یا یکی از عوامل اصلی کاهش قابلتوجه در استحکام کششی جوشها باید بیشتر مورد مطالعه قرار گیرد.
2. فرآیند تولید ترک داغ
در حال حاضر نظریه پروخوروف در داخل و خارج از کشور در مورد تئوری جوشکاری ترک های داغ کاملتر تلقی می شود. به طور کلی، این نظریه معتقد است که وقوع ترکهای کریستالی عمدتاً به سه جنبه زیر بستگی دارد: اندازه محدوده دمایی شکننده. شکل پذیری آلیاژ در این محدوده دما و نرخ تغییر شکل فلز در محدوده دمایی شکننده.
معمولاً افراد اندازه محدوده دمایی شکننده و مقدار شکلپذیری در این محدوده دما را عامل متالورژیکی میگویند که ترکهای جوشکاری داغ ایجاد میکند و نرخ تغییر شکل فلز در محدوده دمایی شکننده را عامل مکانیکی مینامند.
فرآیند جوشکاری سنتز یک سری فرآیندهای فرآیند نامتعادل است. این ویژگی اساساً به عوامل متالورژیکی و مکانیکی شکستگی فلزی اتصال جوش داده شده مربوط می شود. به عنوان مثال، محصولات حاصل از فرآیند جوشکاری و فرآیند متالورژی، فیزیکی و شیمیایی هستند. و ناهمگنی ساختاری، سرباره و آخال، عناصر گازی و جای خالی در غلظت های فوق اشباع و غیره.
همه اینها عوامل متالورژیکی هستند که ارتباط نزدیکی با شروع و توسعه ترک ها دارند. از منظر عوامل مکانیکی، گرادیان دمایی خاص و سرعت سرد شدن سیکل حرارتی جوشکاری، تحت شرایط مهاری خاص، اتصال جوش داده شده را در حالت تنش-کرنش پیچیده قرار میدهد و در نتیجه شرایط لازم برای شروع و ایجاد ترکها را فراهم میکند.
در فرآیند جوشکاری، اثر ترکیبی عوامل متالورژیکی و عوامل مکانیکی به دو جنبه نسبت داده خواهد شد، یعنی تقویت اتصال فلزی یا تضعیف اتصال فلزی. اگر در طول سرد شدن، اتصال استحکامی در فلز اتصال جوش داده شده ایجاد شود، میتوان آن را تحت شرایط مهار سفت و سخت خاصی کرنش کرد و زمانی که جوش و فلز نزدیک جوش میتوانند در مقابل اعمال تنش مهار اعمال شده و ذاتی مقاومت کنند. تنش پسماند، ترک به راحتی رخ نمی دهد. ، حساسیت ترک فلزی اتصالات جوش داده شده کم است،برعکس، زمانی که تنش قابل تحمل نباشد، اتصال استحکام در فلز به راحتی قطع می شود و ترک ایجاد می شود. در این حالت حساسیت ترک خوردگی فلز مفصل جوش داده شده زیاد است. فلز اتصال جوش از دمای تبلور و انجماد شروع می شود و با سرعت معینی تا دمای اتاق سرد می شود و حساسیت ترک آن با مقایسه ظرفیت تغییر شکل و کرنش اعمالی و مقایسه مقاومت تغییر شکل و تنش اعمالی تعیین می شود.
با این حال، در طول فرآیند خنک سازی، در مراحل مختلف دمایی، به دلیل رشد متفاوت استحکام بین دانه ای و استحکام دانه، توزیع تغییر شکل بین دانه ها و درون دانه ها، رفتار انتشار ناشی از کرنش متفاوت است و غلظت تنش متفاوت است. شرایط و عواملی که باعث شکنندگی فلز می شود متفاوت است، حلقه های ضعیف خاص اتصال جوشی و عوامل و درجات ضعیف شدن آن نیز متفاوت است.
عوامل متالورژیکی و عوامل مکانیکی که باعث ایجاد ترک در فلز اتصال جوش شده می شوند ارتباط نزدیکی با هم دارند. گرادیان تنش در فاکتورهای مکانیکی به گرادیان دما که توسط ویژگیهای چرخه حرارتی تعیین میشود، مرتبط است، و دومی ارتباط نزدیکی با هدایت حرارتی فلز، مانند تغییر ترموپلاستیک فلز دارد. عوامل متالورژیکی مانند ویژگی ها، انبساط حرارتی و تبدیل ریزساختار نقش مهمی در وضعیت تنش-کرنش فلز جوش داده شده ایفا می کنند.
علاوه بر این، با کاهش دما و تغییر سرعت خنکسازی، عوامل متالورژیکی و مکانیکی نیز تغییر میکنند و استحکام فلز جوش داده شده در محدودههای دمایی مختلف متفاوت است. به عنوان مثال، اگر محدوده دمای تبلور زیاد باشد، جامد دمای خط فاز پایین است، و به احتمال زیاد باعث تمرکز تنش در فلز مایع کم ذوب باقی مانده بین دانهها میشود، که در نتیجه آن ترکهایی در فلز فاز جامد ایجاد میشود.
به طور مشابه، با کاهش دما، اگر مقدار انقباض زیاد باشد، به ویژه در شرایط سرد شدن سریع، زمانی که نرخ کرنش انقباض زیاد است و حالت تنش-کرنش شدیدتر است، ترکها و غیره مستعد ایجاد میشوند.
در مرحله بعدی انجماد و تبلور فلز جوش در حین جوشکاری آلیاژهای آلومینیوم، یوتکتیک کم ذوب در مرکز محل برخورد کریستال ها فشرده می شود و به اصطلاح "فیلم مایع" را تشکیل می دهد. هنگامی که انقباض آزاد تنش کششی زیادی ایجاد می کند، فیلم مایع در این زمان یک پیوند نسبتا ضعیف را تشکیل می دهد و تحت تأثیر تنش کششی، ممکن است در ناحیه ضعیف ترک بخورد و ترک ایجاد کند.
3. مکانیسم تولید ترک داغ
به منظور مطالعه محتمل ترین زمان ایجاد ترک های داغ هنگام جوشکاری آلیاژهای آلومینیوم، تبلور حوضچه جوش در حین جوشکاری آلیاژ آلومینیوم به سه مرحله تقسیم می شود.
مرحله اول مرحله مایع-جامد است. هنگامی که حوضچه جوش از خنک شدن با دمای بالا شروع به کریستال شدن می کند، فقط تعداد کمی از هسته های کریستالی وجود دارد. با کاهش دما و طولانی شدن زمان سرد شدن، هسته کریستال به تدریج رشد می کند و هسته کریستالی جدید ظاهر می شود، اما در این فرآیند، فاز مایع همیشه مقدار زیادی را اشغال می کند و بین دانه های کریستالی مجاور تماسی وجود ندارد. جریان آزاد آلیاژ آلومینیوم مایع جامد نشده مانعی ایجاد نمی کند.
در این حالت حتی در صورت وجود تنش کششی، شکاف باز شده را می توان به موقع توسط فلز مایع آلیاژی آلومینیومی پر کرد، بنابراین احتمال ایجاد ترک در مرحله مایع-جامد بسیار کم است.
مرحله دوم مرحله جامد- مایع است. هنگامی که تبلور حوضچه مذاب جوش ادامه می یابد، فاز جامد در حوضچه مذاب همچنان افزایش می یابد و هسته های متبلور قبلی به رشد خود ادامه می دهند. هنگامی که دما به مقدار معینی کاهش می یابد، فلز آلیاژ آلومینیوم جامد شده کریستال ها با یکدیگر در تماس هستند و به طور پیوسته با هم نورد می شوند. در این زمان جریان آلیاژ آلومینیوم مایع با مشکل مواجه می شود، یعنی تبلور حوضچه مذاب وارد مرحله جامد - مایع شده است.
در این حالت، به دلیل عدم وجود فلز آلیاژ آلومینیوم مایع، تغییر شکل خود کریستال می تواند به شدت ایجاد شود، فاز مایع باقی مانده بین کریستال ها به راحتی جریان نمی یابد، و شکاف های کوچک ایجاد شده تحت اثر تنش کششی نمی توانند تا زمانی که اندکی وجود داشته باشد پر شود. وجود تنش کششی پتانسیل ایجاد ترک را دارد. بنابراین به این مرحله «منطقه دمای شکننده» می گویند.
مرحله سوم مرحله انجماد کامل است. جوشی که پس از انجماد کامل فلز حوضچه مذاب ایجاد می شود، هنگامی که تحت تنش کششی قرار می گیرد، استحکام و انعطاف پذیری خوبی از خود نشان می دهد. احتمال ایجاد ترک در این مرحله نسبتا کم است. .
بنابراین، هنگامی که دما بالاتر یا کمتر از ناحیه دمای شکننده بین ab باشد، فلز جوش توانایی بیشتری در مقاومت در برابر ترکهای تبلور و تمایل به ترک کمتری دارد. به طور کلی برای فلزات با ناخالصی کمتر (از جمله فلز پایه و مواد جوشکاری)، به دلیل باریک بودن محدوده دمایی شکننده، تنش کششی در این محدوده برای مدت کوتاهی عمل می کند، به طوری که کرنش کل جوش نسبتاً کم است.
بنابراین تمایل به ایجاد ترک در هنگام جوشکاری کمتر است. اگر ناخالصیهای بیشتری در جوش وجود داشته باشد، محدوده دمایی شکنندهتر وسیعتر، تنش کششی در این محدوده طولانیتر و تمایل به ترک بیشتر است.
4. اقدامات پیشگیرانه برای ترک های جوشکاری آلیاژ آلومینیوم
با توجه به مکانیسم ترکهای داغ در حین جوشکاری آلیاژهای آلومینیوم، میتوان از دو جنبه عوامل متالورژیکی و عوامل فرآیندی بهبودهایی انجام داد تا احتمال ترکهای داغ در جوشکاری آلیاژهای آلومینیوم کاهش یابد.
از نظر عوامل متالورژیکی، برای جلوگیری از ترک های حرارتی بین دانه ای در حین جوشکاری، عمدتاً با تنظیم سیستم فلزی درز جوشکاری یا افزودن یک اصلاح کننده به فلز پرکننده می باشد. تمرکز تنظیم سیستم بخیه جوشکاری، از منظر مقاومت در برابر ترک، کنترل مقدار مناسبی از یوتکتیک قابل ذوب و محدود کردن محدوده دمایی تبلور است.
از آنجایی که آلیاژهای آلومینیوم آلیاژهای یوتکتیک معمولی هستند، حداکثر تمایل به ترک مطابق با محدوده دمای "حداکثر" انجماد آلیاژ است و وجود مقدار کمی یوتکتیک همیشه تمایل به ترک انجماد را افزایش می دهد. محتوای عنصر بیشتر از ترکیب آلیاژی است که در آن تمایل به ترک بیشتر است، به طوری که یک اثر "درمان" می تواند رخ دهد.
به عنوان اصلاح کننده، عناصر کمیاب مانند Ti، Zr، V و B به فلز پرکننده اضافه شدند تا با پالایش دانه ها، انعطاف پذیری و چقرمگی را بهبود بخشند و از ترک های داغ جوش جلوگیری کنند. ، و به نتایجی دست یافت. شکل 3 نتایج تست مقاومت به ترک سیم جوش Al{1}}.5% Mg را با اصلاح کننده اضافه شده در شرایط جوش فیله لبه صلب نشان می دهد.
Zr اضافه شده در آزمون {{0}}.15% و Ti+B 0.1% بود. مشاهده می شود که افزودن همزمان Ti و B می تواند مقاومت ترک را به میزان قابل توجهی بهبود بخشد. ویژگی مشترک عناصری مانند Ti، Zr، V، B و Ta این است که می توانند یک سری واکنش های پریکتتیک با آلومینیوم تشکیل دهند تا ترکیبات فلزی نسوز (Al3Ti، Al3Zr، Al7V، AlB2، Al3Ta و غیره) را تشکیل دهند. چنین ذرات نسوز کوچکی می توانند به هسته های انجماد غیر خود به خودی تبدیل شوند که فلز مایع جامد می شود و در نتیجه اثر پالایش دانه را ایجاد می کند.
از نظر فاکتورهای فرآیند، عمدتاً مشخصات جوش، پیش گرم کردن، فرم اتصال و ترتیب جوشکاری، این روش ها همگی بر اساس تنش جوشکاری برای حل ترک های جوشکاری هستند. پارامترهای فرآیند جوشکاری بر عدم تعادل فرآیند انجماد و وضعیت ریزساختار فرآیند انجماد تأثیر میگذارد و همچنین بر نرخ رشد کرنش در طول فرآیند انجماد تأثیر میگذارد، بنابراین بر ایجاد ترک تأثیر میگذارد.
روش جوشکاری با انرژی گرمایی متمرکز برای فرآیند جوشکاری سریع است که می تواند از تشکیل بلورهای ستونی درشت با جهت گیری قوی جلوگیری کند و در نتیجه مقاومت در برابر ترک را بهبود بخشد. استفاده از جریان جوش کوچک و کاهش سرعت جوش می تواند گرمای بیش از حد حوضچه مذاب را کاهش داده و مقاومت در برابر ترک را بهبود بخشد.
افزایش سرعت جوشکاری باعث افزایش نرخ کرنش اتصال جوش شده می شود که تمایل به ترک داغ را افزایش می دهد. مشاهده می شود که افزایش سرعت جوشکاری و جریان جوشکاری باعث افزایش تمایل به ترک می شود. در حین مونتاژ و جوش سازه آلومینیومی، درز جوش در معرض استحکام زیادی قرار نمی گیرد و اقداماتی مانند جوشکاری قطعه قطعه، پیش گرم کردن یا کاهش مناسب سرعت جوشکاری را می توان در این فرآیند اتخاذ کرد.
از طریق پیش گرم کردن، انبساط نسبی قطعه آزمایش را می توان کوچکتر کرد، تنش جوش را می توان بر این اساس کاهش داد، و تنش در محدوده دمایی شکننده را کاهش داد. سعی کنید از جوش لب به لب با شیارهای باز و شکاف های کوچک استفاده کنید و از استفاده از اتصالات صلیبی و قرارگیری و توالی جوش نامناسب خودداری کنید. هنگامی که جوشکاری به پایان می رسد یا قطع می شود، دهانه قوس باید به موقع پر شود و سپس منبع گرما باید حذف شود، در غیر این صورت به راحتی باعث ایجاد ترک در دهانه قوس می شود. برای اتصالات جوشی جوشکاری چند لایه آلیاژی سری 5000، اغلب به دلیل ذوب موضعی بین دانه ای، ریزترک ایجاد می شود، بنابراین حرارت ورودی لایه بعدی مهره جوش باید کنترل شود.
با توجه به آزمایش در این مقاله، برای جوشکاری آلیاژ آلومینیوم، تمیز کردن سطح فلز پایه و ماده پرکننده نیز بسیار مهم است. گنجاندن مواد در جوش منبع ترک و دلیل اصلی کاهش عملکرد جوش خواهد بود.
