1 preámbulo
Las aleaciones de magnesio no solo son livianas, de alta resistencia y de bajo precio, sino que también tienen buena amortiguación de vibraciones, moldeabilidad, conductividad eléctrica, protección electromagnética y disipación de calor, y se han convertido en los materiales metálicos preferidos para muchos productos industriales. En la actualidad, las aleaciones de magnesio se utilizan ampliamente en componentes con poca capacidad de carga, como marcos de cabina, soportes de equipos y cubos de ruedas en la industria de la aviación [1].
Con la transformación y mejora de los modernos equipos de fabricación a gran escala, la demanda de piezas estructurales ligeras de aleación de magnesio se ha vuelto muy urgente. Sin embargo, existen muchos defectos en la soldadura de aleaciones de magnesio y es difícil obtener uniones soldadas con alta calidad de formación y alto rendimiento integral. Este documento analiza las causas de los defectos de soldadura de aleaciones de magnesio y propone medidas preventivas que pueden ayudar a la popularización y aplicación de los materiales de aleación de magnesio, y tiene un significado práctico para el campo de los equipos de fabricación.
2 Proceso de soldadura de aleación de magnesio
Los procesos de soldadura comunes para las aleaciones de magnesio incluyen la soldadura por fusión y la soldadura en fase sólida. La soldadura por fusión incluye principalmente la soldadura por arco de argón y tungsteno, la soldadura por arco de argón metálico, la soldadura por haz de electrones, la soldadura por láser y otros métodos, y la soldadura en fase sólida es principalmente soldadura por fricción y agitación. Entre ellos, la soldadura por fricción y agitación se ha convertido en un método de soldadura preferido debido a sus ventajas de menor trabajo de preparación previa a la soldadura, sin necesidad de gas protector ni materiales de soldadura, soldadura en todas las posiciones, buenas propiedades mecánicas de las soldaduras y pequeña tensión posterior a la soldadura. deformación. Sin embargo, la soldadura por fricción y agitación tiene las desventajas de que la soldadura debe fijarse rígidamente, la velocidad de soldadura es baja, el cabezal de agitación se desgasta rápidamente y el ojo de cerradura es fácil de formar al final de la soldadura, lo que hace que la soldadura por fusión sea un método de soldadura común. .
3 Análisis de defectos de soldadura de aleación de magnesio
Las aleaciones de magnesio tienen desventajas tales como una fácil evaporación, fácil oxidación, fácil nitruración y gran tensión térmica y, a menudo, muestran una variedad de defectos de soldadura durante la soldadura. Se resuelven las causas y las medidas preventivas de defectos comunes como poros, fisuras térmicas y deformaciones.
3.1 Estomas
(1) Causas de la formación Los poros a menudo aparecen en la soldadura de la junta de soldadura por fusión. Por ejemplo, la Figura 1 muestra la morfología de los poros de la costura de soldadura de una junta de soldadura por arco de tungsteno de argón de aleación de magnesio AZ91D de fundición a presión ordinaria. Hay dos tipos de poros microscópicos dominados por gas hidrógeno y poros macroscópicos entrelazados dominados por nitrógeno [2].
La formación de poros se atribuye principalmente a dos razones: una es que el gas insoluble generado por la reacción metalúrgica en el baño de soldadura se acumula entre los cristales de dendrita solidificados y no es fácil de descargar para formar poros; la otra es porque el baño de soldadura absorbe y disuelve algo de En la etapa de solidificación, la solubilidad del gas disminuye rápidamente con la fuerte caída de la temperatura del baño fundido, y el gas es fácil de acumular en la parte delantera de las dendritas en crecimiento, formando poros a lo largo del capa de cristal
Durante la soldadura por fusión de aleaciones de magnesio, los poros provienen principalmente del hidrógeno disuelto, mientras que el hidrógeno en el baño fundido proviene principalmente de la humedad alrededor del metal base, el alambre de soldadura o la atmósfera de la columna de arco. Las aleaciones de magnesio tienen una fuerte conductividad térmica y la velocidad de solidificación del baño fundido es muy rápida, lo que hace que el hidrógeno se escape y forme poros. Al mismo tiempo, la película de MgO se forma fácilmente en la superficie de la aleación de magnesio. Cuanto más contenido de Mg lleva a más MgO, el MgO es más suelto que el Al2O3 y otros óxidos, y es más fácil absorber agua y formar poros.
En la actualidad, la porosidad de las soldaduras de soldadura con protección de gas inerte fundido (MIG) es la más alta. Esto se debe a que la soldadura MIG se basa en la fusión continua del alambre de soldadura, y la película de óxido en el alambre de soldadura disolverá fuertemente el agua adherida a la gota, lo que resultará en la hidrogenación del baño fundido. . La soldadura por haz de electrones y la soldadura por láser también tienen más porosidad en la soldadura, lo que se debe a la menor entrada de calor de soldadura de estos dos métodos, la velocidad de enfriamiento más rápida del baño fundido y el hidrógeno en el baño fundido no tiene tiempo para escapar.
(2) Medidas preventivas Tratamiento previo a la soldadura: combine la limpieza mecánica y la limpieza química para eliminar la película de óxido y las manchas de aceite en la superficie del metal base y el alambre de soldadura tanto como sea posible; use métodos de secado para eliminar la humedad en la superficie del metal base y el alambre de soldadura tanto como sea posible; trate de evitar la soldadura en el medio ambiente.
Optimización de los parámetros de soldadura: Los parámetros de soldadura pueden afectar las condiciones de escape y fusión del gas en el baño de fusión. Cuando las condiciones de escape son más favorables que las condiciones de fusión, es posible reducir la porosidad. La figura 2 muestra la relación entre la tendencia de porosidad de la aleación de aluminio y magnesio LF6 y los parámetros de soldadura [3]. Una mayor corriente de soldadura y una mayor velocidad de soldadura conducen a la reducción de la porosidad.
La atmósfera protectora tiene propiedades oxidantes apropiadas: desde la perspectiva de evitar la disolución del hidrógeno, agregar una pequeña cantidad de CO2 u O2 al gas inerte utilizado para la protección de la soldadura, como Ar y He, puede ayudar a reducir la porosidad.
3.2 Grietas térmicas
(1) Causas de formación Las grietas térmicas más comunes son las grietas de solidificación y las grietas de licuefacción. Las grietas de solidificación son grietas causadas por la separación de la película líquida restante entre el metal de soldadura cuando la temperatura de solidificación cae cerca de la línea solidus. La grieta de licuefacción es que la fase intercristalina se funde en la fase líquida cuando el área cercana a la rendija se sobrecalienta, y la película líquida se separa y se agrieta. Por ejemplo, la Fig. 3 muestra el estado de las grietas de solidificación en la soldadura correspondiente a diferentes velocidades de soldadura durante la soldadura láser de aleación de magnesio ZK60 [4].
Durante el proceso de soldadura, el principal elemento de aleación, el magnesio, reacciona fácilmente con oligoelementos como el aluminio, el cobre, el níquel, etc. para formar un compuesto eutéctico de bajo punto de fusión. Durante la solidificación, en el rango de temperatura frágil, estos eutécticos no solidificados se distribuirán entre los granos en forma de película líquida, lo que reduce seriamente la fuerza de unión intergranular. La aleación de magnesio tiene un gran coeficiente de expansión térmica, lo que provoca una gran deformación térmica durante la soldadura y estará sujeta a una gran tensión de contracción durante la solidificación. La película de líquido intergranular es difícil de resistir esta tensión de contracción, y es fácil de agrietarse y formar grietas de solidificación. De la misma manera, la conductividad térmica y la velocidad de deformación de la aleación de magnesio son relativamente grandes, y el ciclo de calor de soldadura derretirá rápidamente la fase intergranular cerca de la costura, y las propiedades mecánicas del límite de grano disminuirán, lo que es fácil de romper bajo estrés.
(2) Medidas preventivas Ajustar el contenido de elementos en el metal base y el alambre de soldadura: limitar el contenido de elementos fácilmente segregables e impurezas dañinas en el metal base y el alambre de soldadura, y minimizar la macrosegregación y las segundas fases de bajo punto de fusión que ocurren en la soldadura.
Optimización de los parámetros de soldadura: al seleccionar una velocidad de soldadura razonable, la Figura 4 muestra la relación entre la forma del baño fundido y la velocidad de soldadura [3]. Cuando se suelda a baja velocidad, el baño fundido es elíptico y los cristales columnares crecen hasta el centro de la soldadura en forma de espiga, por lo que no es fácil formar superficies débiles segregadas y la tendencia a las grietas térmicas es pequeña; pero cuando se suelda a alta velocidad, el baño fundido tiene forma de lágrima y los cristales columnares son similares a Crece verticalmente al eje de la soldadura, y es fácil formar una superficie débil de segregación en la superficie de encuentro, y la tendencia de craqueo térmico es grande. También es posible refinar el tamaño del grano y reducir el tamaño de la fase intergranular al reducir adecuadamente la entrada de calor de la soldadura, y disminuir la tensión de la solidificación y la contracción de la soldadura al reducir la velocidad de enfriamiento, todo lo cual puede reducir la ocurrencia de fisuras térmicas.
Control razonable de la restricción: al controlar la restricción, la tensión en la articulación se reduce tanto como sea posible. Por ejemplo, elegir una secuencia de soldadura adecuada. Cuando la secuencia de soldadura es incorrecta, las últimas soldaduras pueden estar en un estado de gran restricción, es difícil encogerse libremente, la cantidad de tensión aumenta significativamente y es probable que se produzcan grietas.
3.3 Deformación
(1) Causas de la formación Las aleaciones de magnesio tienen una alta conductividad térmica y un gran coeficiente de expansión térmica, por lo que la tasa de enfriamiento de la costura de soldadura es rápida, y el área cercana a la costura y el metal base se deforman fácilmente por la tensión de contracción, y la forma final y cambio de tamaño Por ejemplo, la Figura 5 muestra que una aleación de aluminio y magnesio tiene una deformación cóncava porque la soldadura de filete de la boquilla está demasiado cerca de la soldadura circunferencial del cilindro [5].
(2) Medidas preventivas Optimice la estructura de la soldadura: organice racionalmente la posición de las soldaduras, asegúrese de que cada soldadura tenga suficiente espacio de disipación de calor y evite la concentración excesiva de soldaduras en el área; seleccione la forma y el tamaño adecuados de las soldaduras [6].
Aumente la rigidez y la fijación: cuando suelde placas de aleación de magnesio, use accesorios especiales, varillas de soporte y otros dispositivos para fijar las placas de aleación de magnesio en el banco de trabajo. Después de enfriar a temperatura ambiente después de la soldadura, se utiliza el método de martilleo para liberar parte de la tensión de soldadura y luego se retira la fijación rígida.
Precalentamiento antes de la soldadura: el precalentamiento antes de la soldadura aumenta la temperatura del metal base para garantizar que se reduzca la diferencia de temperatura entre el metal de soldadura y el metal base circundante durante la soldadura, lo que reduce la tensión interna de la contracción de la soldadura.
Elija una secuencia de soldadura razonable: divida el componente en varias unidades pequeñas de manera adecuada, suelde cada unidad pequeña por separado y luego suelde las unidades pequeñas como un todo, de modo que las soldaduras asimétricas o las soldaduras con una gran contracción puedan encogerse más libremente sin contracción. afectan a toda la estructura [7].
Control antideformación: calcule el tamaño y la dirección de la deformación de la soldadura y luego establezca deformaciones artificiales con direcciones opuestas y tamaños iguales durante el ensamblaje de la soldadura, de modo que la deformación generada por la soldadura pueda compensarse con la antideformación preestablecida.
3.4 Otros defectos
(1) Agujeros A menudo aparecen agujeros en la soldadura de uniones soldadas por fricción y agitación. Por ejemplo, la Fig. 6 muestra el defecto vacío en la costura de soldadura por fricción y agitación de la aleación de magnesio AZ31 [8]. Al soldar aleaciones de magnesio, cuando la entrada de calor de soldadura es insuficiente, la deformación plástica del metal depositado será insuficiente, la fluidez del material será pobre y el interior de la soldadura no estará completamente cerrado, formando agujeros; cuando la entrada de calor de soldadura es demasiado grande, se provocará el cabezal de agitación. El material de soldadura en el lado delantero se expande y se desborda, y el relleno es insuficiente, formando agujeros; cuando se utiliza un cabezal de agitación columnar o cónico sin rosca, la deformación plástica del material en el área de soldadura es insuficiente y los agujeros se forman fácilmente. La aparición de defectos en los orificios se puede evitar controlando razonablemente la velocidad de soldadura y la velocidad de rotación del cabezal agitador para ajustar la entrada de calor de soldadura, o eligiendo la geometría adecuada del cabezal agitador.
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Fig.6 Defecto de poro de unión soldada por fricción y agitación de aleación de magnesio AZ31 (AS es el lado delantero, RS es el lado trasero)[8]
(2) Perforación por quemadura La soldadura por quemadura a menudo ocurre en la costura de soldadura de la junta de soldadura por fusión. Debido al alto punto de fusión del óxido de magnesio y al bajo punto de fusión de la aleación de magnesio, es difícil fusionarlos cuando se unen. Cuando se suelda la lámina de aleación de magnesio, es difícil observar la fusión de la soldadura. Una vez que la entrada de calor aumenta a un rango irrazonable, el color de la piscina fundida no cambia significativamente, pero el metal sin fundir debajo de la piscina fundida no puede resistir la tensión que recibe, y en ese momento se produce la quema. Haga un buen trabajo de limpieza de la superficie de la aleación de magnesio antes de soldar y suelde lo antes posible después de la limpieza para evitar la aparición de defectos por quemado. Además, al optimizar los parámetros de soldadura para limitar la profundidad de penetración, también se puede evitar el quemado.
4 Análisis de casos típicos de defectos de soldadura en aleaciones de magnesio
La aleación de magnesio GW63K de 6 mm de espesor se soldó mediante soldadura láser y soldadura por haz de electrones respectivamente, y la apariencia macroscópica de la costura de soldadura se muestra en la Fig. 7 y la Fig. 8 respectivamente. Los dos tipos de costuras de soldadura por fusión tienen defectos evidentes, como salpicaduras y muescas, que son causados por el bajo punto de fusión de la aleación de magnesio, el gran coeficiente de expansión térmica y la gran entrada de calor de soldadura. Se pueden usar métodos posteriores para reducir la entrada de calor de soldadura. Optimización de Procesos.
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Fig.7 Morfología macroscópica de costura soldada con láser de aleación de magnesio GW63K
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Fig.8 Morfología macroscópica de la costura soldada por haz de electrones de aleación de magnesio GW63K
