Mặc dù nhôm và hợp kim của nó đã được sử dụng để hàn thành nhiều sản phẩm quan trọng, nhưng sản xuất hàn thực tế không phải là không có khó khăn. Các vấn đề chính là: lỗ chân lông trong mối hàn, vết nứt nóng khi hàn và "độ bền bằng nhau" của các mối nối. Do hoạt động hóa học mạnh của nhôm và hợp kim của nó, rất dễ hình thành màng oxit trên bề mặt và hầu hết chúng đều có tính chất chịu lửa (ví dụ, điểm nóng chảy của Al2O3 là 2050 độ và điểm nóng chảy của MgO là 2500 độ). Ngoài ra, nhôm và hợp kim của nó có độ dẫn nhiệt mạnh. Dễ gây ra hiện tượng không nóng chảy trong quá trình hàn. Vì mật độ của màng oxit rất gần với nhôm nên nó cũng dễ trở thành tạp chất trong kim loại hàn. Đồng thời, màng oxit (đặc biệt là màng oxit có sự hiện diện của MgO, không quá đặc) có thể hấp thụ nhiều độ ẩm hơn và thường trở thành một trong những lý do quan trọng gây ra lỗ chân lông trong mối hàn.
Ngoài ra, nhôm và hợp kim của nó có hệ số giãn nở tuyến tính lớn và độ dẫn nhiệt mạnh, dễ bị biến dạng cong vênh trong quá trình hàn. Đây cũng là những vấn đề khá khó khăn trong sản xuất hàn. Sau đây là phân tích sâu về các vết nứt tương đối nghiêm trọng phát sinh trong quá trình thử nghiệm.
1. Các vết nứt và đặc điểm của chúng trong mối hàn hợp kim nhôm
Trong quá trình hàn hợp kim nhôm, do các loại vật liệu, tính chất và cấu trúc hàn khác nhau, các mối hàn có thể xuất hiện các vết nứt khác nhau, hình dạng và đặc điểm phân bố của các vết nứt rất phức tạp. Theo các bộ phận tạo ra của chúng, chúng có thể được chia thành hai loại hình dạng vết nứt sau:
(1) Các vết nứt trong kim loại mối hàn: vết nứt dọc, vết nứt ngang, vết nứt hố, vết nứt tóc hoặc hồ quang, vết nứt chân và vết nứt nhỏ (đặc biệt trong hàn nhiều lớp).
(2) Vết nứt ở vùng chịu ảnh hưởng nhiệt: vết nứt chân hàn, vết nứt tầng và vết nứt nhiệt vi mô gần đường nóng chảy. Theo phạm vi nhiệt độ phát sinh vết nứt, được chia thành vết nứt nóng và vết nứt lạnh. Vết nứt nóng phát sinh ở nhiệt độ cao trong quá trình hàn, chủ yếu là do sự phân tách các thành phần hợp kim trên ranh giới hạt hoặc sự tồn tại của các chất có điểm nóng chảy thấp.
Tùy thuộc vào vật liệu của kim loại hàn, hình dạng, phạm vi nhiệt độ và lý do chính gây ra vết nứt nóng cũng khác nhau. Vết nứt nóng có thể được chia thành ba loại: vết nứt kết tinh, vết nứt hóa lỏng và vết nứt đa giác. Vết nứt kết tinh chủ yếu được tạo ra trong vết nứt nóng. Trong quá trình kết tinh của mối hàn, gần đường solidus, do sự co ngót của kim loại đông đặc, kim loại lỏng còn lại không thể được lấp đầy kịp thời.
Nứt liên hạt xảy ra dưới tác động của ứng suất co ngót đông đặc hoặc ngoại lực, chủ yếu xảy ra ở thép cacbon, mối hàn thép hợp kim thấp và một số hợp kim nhôm có nhiều tạp chất; nứt hóa lỏng được nung nóng trong vùng ảnh hưởng nhiệt để tạo ra dưới tác động của ứng suất co ngót trong quá trình đông đặc ranh giới hạt ở nhiệt độ cao.
Trong quá trình thử nghiệm, phát hiện ra rằng khi bề mặt vật liệu hàn không được làm sạch đầy đủ, vẫn còn nhiều tạp chất và một lượng nhỏ lỗ chân lông trong mối hàn sau khi hàn. Trong ba bộ thử nghiệm, vì vật liệu hàn là cấu trúc đúc và tạp chất là chất có điểm nóng chảy cao, nên vẫn sẽ tồn tại trong mối hàn sau khi hàn;
Ngoài ra, kết cấu đúc tương đối thưa thớt, có nhiều lỗ, dễ hấp thụ các thành phần chứa nước tinh thể và chất lượng dầu, sẽ trở thành yếu tố tạo ra lỗ rỗng trong quá trình hàn. Khi mối hàn chịu ứng suất kéo, các tạp chất và lỗ rỗng này thường trở thành vị trí chính gây ra các vết nứt nhỏ.
Quan sát thêm bằng kính hiển vi cho thấy có xu hướng rõ ràng là các tạp chất này và các vết nứt nhỏ do lỗ rỗng giao nhau với nhau. Tuy nhiên, vẫn khó có thể đánh giá liệu tác động có hại của tạp chất chủ yếu biểu hiện dưới dạng nguồn tập trung ứng suất gây ra vết nứt hay chủ yếu biểu hiện dưới dạng pha giòn gây ra vết nứt.
Ngoài ra, người ta thường cho rằng các lỗ rỗng trong mối hàn hợp kim nhôm-magiê không có tác động đáng kể đến độ bền kéo của kim loại mối hàn. hiện tượng nứt.
Liệu hiện tượng vết nứt nhỏ do độ xốp chỉ là hiện tượng thứ cấp hay là một trong những yếu tố chính gây ra sự suy giảm đáng kể độ bền kéo của mối hàn vẫn cần được nghiên cứu thêm.
2. Quá trình tạo ra vết nứt nóng
Hiện nay, lý thuyết của Prokhorov được coi là hoàn thiện hơn trong và ngoài nước về lý thuyết vết nứt nóng hàn. Nhìn chung, lý thuyết cho rằng sự xuất hiện của vết nứt tinh thể chủ yếu phụ thuộc vào ba khía cạnh sau: kích thước của phạm vi nhiệt độ giòn; độ dẻo của hợp kim trong phạm vi nhiệt độ này và tốc độ biến dạng của kim loại trong phạm vi nhiệt độ giòn.
Người ta thường gọi kích thước của phạm vi nhiệt độ giòn và giá trị độ dẻo trong phạm vi nhiệt độ này là yếu tố luyện kim tạo ra vết nứt hàn nóng, còn tốc độ biến dạng của kim loại trong phạm vi nhiệt độ giòn được gọi là yếu tố cơ học.
Quá trình hàn là sự tổng hợp của một loạt các quá trình quá trình không cân bằng. Đặc điểm này về cơ bản liên quan đến các yếu tố luyện kim và cơ học của sự gãy kim loại của mối hàn. Ví dụ, các sản phẩm của quá trình hàn và quá trình luyện kim là vật lý và hóa học. và sự không đồng nhất về cấu trúc, xỉ và tạp chất, các thành phần khí và chỗ trống ở nồng độ quá bão hòa, v.v.
Tất cả những yếu tố này đều là yếu tố luyện kim có liên quan chặt chẽ đến sự khởi đầu và phát triển của vết nứt. Theo quan điểm của các yếu tố cơ học, građien nhiệt độ cụ thể và tốc độ làm mát của chu trình nhiệt hàn, trong điều kiện hạn chế nhất định, sẽ làm cho mối hàn ở trạng thái ứng suất-biến dạng phức tạp, do đó cung cấp các điều kiện cần thiết cho sự khởi đầu và phát triển của vết nứt.
Trong quá trình hàn, hiệu ứng kết hợp của các yếu tố luyện kim và các yếu tố cơ học sẽ được quy cho hai khía cạnh, đó là tăng cường kết nối kim loại hay làm yếu kết nối kim loại. Nếu kết nối cường độ đang được thiết lập trong kim loại của mối hàn trong quá trình làm mát, nó có thể bị căng thẳng tuân thủ trong một số điều kiện hạn chế cứng nhắc nhất định và khi mối hàn và kim loại gần mối hàn có thể chịu được tác động của ứng suất hạn chế được áp dụng và ứng suất dư nội tại, các vết nứt không dễ xảy ra. , khả năng nứt kim loại của mối hàn thấp,Ngược lại, khi không chịu được ứng suất, liên kết cường độ trong kim loại dễ bị gián đoạn và sẽ xảy ra nứt. Trong trường hợp này, khả năng nứt của kim loại mối hàn cao. Kim loại mối hàn bắt đầu từ nhiệt độ kết tinh và đông đặc, và nguội đến nhiệt độ phòng với tốc độ nhất định và độ nhạy nứt của nó được xác định bằng cách so sánh khả năng biến dạng và ứng suất tác dụng, và so sánh khả năng chống biến dạng và ứng suất tác dụng.
Tuy nhiên, trong quá trình làm nguội, ở các giai đoạn nhiệt độ khác nhau, do sự phát triển khác nhau của cường độ liên hạt và cường độ hạt, sự phân bố biến dạng giữa các hạt và trong hạt, hành vi khuếch tán do biến dạng gây ra là khác nhau, và sự tập trung ứng suất là khác nhau. Các điều kiện và các yếu tố gây ra sự giòn kim loại là khác nhau, các liên kết yếu cụ thể của mối hàn và các yếu tố và mức độ yếu của nó cũng khác nhau.
Các yếu tố luyện kim và các yếu tố cơ học gây ra vết nứt trong kim loại mối hàn có liên quan chặt chẽ với nhau. Độ dốc ứng suất trong các yếu tố cơ học có liên quan đến độ dốc nhiệt độ được xác định bởi các đặc điểm chu kỳ nhiệt và sau này có liên quan chặt chẽ đến độ dẫn nhiệt của kim loại, chẳng hạn như sự thay đổi nhiệt dẻo của kim loại. Các yếu tố luyện kim như đặc điểm, sự giãn nở nhiệt và chuyển đổi cấu trúc vi mô đóng vai trò quan trọng trong trạng thái ứng suất-biến dạng của kim loại mối hàn ở mức độ lớn.
Ngoài ra, khi nhiệt độ giảm và tốc độ làm mát thay đổi, các yếu tố luyện kim và cơ học cũng thay đổi, và cường độ của kim loại mối hàn khác nhau ở các phạm vi nhiệt độ khác nhau. Ví dụ, nếu phạm vi nhiệt độ kết tinh lớn, nhiệt độ đường pha rắn thấp và dễ gây ra sự tập trung ứng suất ở kim loại lỏng nóng chảy thấp còn lại giữa các hạt, dẫn đến nứt kim loại pha rắn;
Tương tự như vậy, khi nhiệt độ giảm, nếu lượng co ngót lớn, đặc biệt là trong điều kiện làm mát nhanh, khi tốc độ biến dạng co ngót cao và trạng thái ứng suất-biến dạng nghiêm trọng hơn, các vết nứt, v.v. dễ xảy ra.
Trong giai đoạn sau của quá trình đông đặc và kết tinh của kim loại hàn trong quá trình hàn hợp kim nhôm, eutectic nóng chảy thấp bị ép ra ở trung tâm nơi các tinh thể gặp nhau, tạo thành cái gọi là "màng lỏng". Khi co ngót tự do tạo ra ứng suất kéo lớn, màng lỏng lúc này tạo thành liên kết tương đối yếu và dưới tác động của ứng suất kéo, nó có thể nứt ở vùng yếu tạo thành vết nứt.
3. Cơ chế tạo ra vết nứt nóng
Để nghiên cứu thời điểm vết nứt nóng có khả năng xảy ra nhiều nhất khi hàn hợp kim nhôm, quá trình kết tinh của vũng hàn trong quá trình hàn hợp kim nhôm được chia thành ba giai đoạn.
Giai đoạn đầu tiên là giai đoạn lỏng-rắn. Khi vũng hàn bắt đầu kết tinh từ quá trình làm nguội ở nhiệt độ cao, chỉ có một số ít hạt nhân tinh thể tồn tại. Khi nhiệt độ giảm và thời gian làm nguội kéo dài, hạt nhân tinh thể dần lớn lên và hạt nhân tinh thể mới xuất hiện, nhưng trong quá trình này, pha lỏng luôn chiếm một lượng lớn và không có sự tiếp xúc giữa các hạt tinh thể liền kề. Dòng chảy tự do của hợp kim nhôm lỏng chưa đông đặc không tạo thành trở ngại.
Trong trường hợp này, ngay cả khi có ứng suất kéo, khe hở mở có thể được lấp đầy kịp thời bằng kim loại lỏng hợp kim nhôm đang chảy, do đó khả năng xảy ra vết nứt ở giai đoạn lỏng-rắn là rất nhỏ.
Giai đoạn thứ hai là giai đoạn rắn-lỏng. Khi quá trình kết tinh của hồ hàn nóng chảy tiếp tục, pha rắn trong hồ nóng chảy tiếp tục tăng lên, và các hạt nhân kết tinh trước đó tiếp tục phát triển. Khi nhiệt độ giảm xuống một giá trị nhất định, kim loại hợp kim nhôm đông đặc Các tinh thể tiếp xúc với nhau và liên tục lăn lại với nhau. Lúc này, dòng chảy của hợp kim nhôm lỏng bị cản trở, tức là quá trình kết tinh của hồ nóng chảy đã bước vào giai đoạn rắn-lỏng.
Trong trường hợp này, do thiếu kim loại hợp kim nhôm lỏng, sự biến dạng của bản thân tinh thể có thể phát triển mạnh, pha lỏng còn lại giữa các tinh thể không dễ chảy và các khoảng trống nhỏ được tạo ra dưới tác động của ứng suất kéo không thể được lấp đầy, miễn là có một chút Sự hiện diện của ứng suất kéo có khả năng tạo ra các vết nứt. Do đó, giai đoạn này được gọi là "vùng nhiệt độ giòn".
Giai đoạn thứ ba là giai đoạn đông đặc hoàn toàn. Mối hàn được hình thành sau khi kim loại nóng chảy đông đặc hoàn toàn sẽ cho thấy độ bền và độ dẻo tốt khi chịu ứng suất kéo. Khả năng nứt ở giai đoạn này tương đối nhỏ.
Do đó, khi nhiệt độ cao hơn hoặc thấp hơn vùng nhiệt độ giòn giữa ab, kim loại hàn có khả năng chống nứt kết tinh lớn hơn và xu hướng nứt nhỏ hơn. Nhìn chung, đối với kim loại ít tạp chất (bao gồm kim loại cơ bản và vật liệu hàn), do phạm vi nhiệt độ giòn hẹp, ứng suất kéo tác dụng trong phạm vi này trong thời gian ngắn, do đó tổng biến dạng của mối hàn tương đối nhỏ.
Do đó, xu hướng nứt phát sinh trong quá trình hàn ít hơn. Nếu có nhiều tạp chất trong mối hàn, phạm vi nhiệt độ giòn rộng hơn, ứng suất kéo trong phạm vi này dài hơn và xu hướng nứt lớn hơn.
4. Biện pháp phòng ngừa nứt mối hàn hợp kim nhôm
Theo cơ chế nứt nóng trong quá trình hàn hợp kim nhôm, có thể cải thiện từ hai khía cạnh là yếu tố luyện kim và yếu tố quy trình để giảm khả năng nứt nóng trong quá trình hàn hợp kim nhôm.
Về mặt yếu tố luyện kim, để ngăn ngừa vết nứt nhiệt liên hạt trong quá trình hàn, chủ yếu là điều chỉnh hệ thống kim loại mối hàn hoặc thêm chất điều chỉnh vào kim loại phụ. Trọng tâm của việc điều chỉnh hệ thống mối hàn, từ góc độ chống nứt, là kiểm soát lượng eutectic nóng chảy thích hợp và thu hẹp phạm vi nhiệt độ kết tinh.
Vì hợp kim nhôm là hợp kim eutectic điển hình, nên xu hướng nứt tối đa tương ứng với phạm vi nhiệt độ đông đặc "tối đa" của hợp kim và sự hiện diện của một lượng nhỏ eutectic luôn làm tăng xu hướng nứt đông đặc. Hàm lượng nguyên tố vượt quá thành phần hợp kim có xu hướng nứt lớn nhất, do đó có thể xảy ra hiệu ứng "chữa lành".
Với tư cách là chất điều chỉnh, các nguyên tố vi lượng như Ti, Zr, V và B đã được thêm vào kim loại phụ nhằm cải thiện độ dẻo và độ dai bằng cách tinh chỉnh các hạt, và để ngăn ngừa các vết nứt nóng khi hàn. , và đã đạt được kết quả. Hình 3 cho thấy kết quả thử nghiệm khả năng chống nứt của dây hàn Al-4.5%Mg có thêm chất điều chỉnh trong điều kiện mối hàn góc chồng cứng.
Zr được thêm vào trong thử nghiệm là {{0}}.15% và Ti+B là 0,1%. Có thể thấy rằng việc thêm Ti và B cùng lúc có thể cải thiện đáng kể khả năng chống nứt. Đặc điểm chung của các nguyên tố như Ti, Zr, V, B và Ta là chúng có thể tạo thành một loạt các phản ứng kiến tạo với nhôm để tạo thành các hợp chất kim loại chịu lửa (Al3Ti, Al3Zr, Al7V, AlB2, Al3Ta, v.v.). Các hạt chịu lửa nhỏ như vậy có thể trở thành hạt nhân đông đặc không tự phát khi kim loại lỏng đông đặc, do đó tạo ra hiệu ứng tinh chế hạt.
Về mặt các yếu tố quy trình, chủ yếu là thông số kỹ thuật hàn, gia nhiệt trước, hình dạng mối nối và trình tự hàn, các phương pháp này đều dựa trên ứng suất hàn để giải quyết vết nứt hàn. Các thông số quy trình hàn ảnh hưởng đến sự mất cân bằng của quá trình đông đặc và trạng thái cấu trúc vi mô của quá trình đông đặc, đồng thời cũng ảnh hưởng đến tốc độ tăng trưởng ứng suất trong quá trình đông đặc, do đó ảnh hưởng đến sự hình thành vết nứt.
Phương pháp hàn với năng lượng nhiệt tập trung có lợi cho quá trình hàn nhanh, có thể ngăn ngừa sự hình thành các tinh thể dạng cột thô có tính định hướng mạnh, do đó cải thiện khả năng chống nứt. Sử dụng dòng điện hàn nhỏ và làm chậm tốc độ hàn có thể làm giảm quá nhiệt của vũng nóng chảy và cải thiện khả năng chống nứt.
Việc tăng tốc độ hàn thúc đẩy tăng tốc độ biến dạng của mối hàn, làm tăng xu hướng nứt nóng. Có thể thấy rằng việc tăng tốc độ hàn và dòng điện hàn thúc đẩy tăng xu hướng nứt. Trong quá trình lắp ráp và hàn kết cấu nhôm, mối hàn không phải chịu độ cứng lớn và có thể áp dụng các biện pháp như hàn phân đoạn, gia nhiệt trước hoặc giảm tốc độ hàn thích hợp trong quá trình này.
Thông qua quá trình gia nhiệt trước, có thể làm cho độ giãn nở tương đối của mẫu thử nhỏ hơn, ứng suất hàn có thể giảm tương ứng và ứng suất trong phạm vi nhiệt độ giòn có thể giảm; cố gắng sử dụng mối hàn đối đầu với các rãnh hở và khe hở nhỏ, tránh sử dụng mối hàn hình chữ thập và định vị và trình tự hàn không đúng cách; khi hàn kết thúc hoặc bị gián đoạn, phải kịp thời lấp đầy hố hồ quang, sau đó phải loại bỏ nguồn nhiệt, nếu không sẽ dễ gây ra vết nứt hố hồ quang. Đối với các mối hàn của hàn nhiều lớp hợp kim sê-ri 5000, các vết nứt nhỏ thường được tạo ra do sự nóng chảy cục bộ của các hạt liên kết, do đó phải kiểm soát lượng nhiệt đầu vào của lớp hạt hàn tiếp theo.
Theo thử nghiệm trong bài báo này, đối với hàn hợp kim nhôm, việc làm sạch bề mặt kim loại cơ bản và vật liệu độn cũng rất quan trọng. Việc đưa vật liệu vào mối hàn sẽ trở thành nguồn gốc của vết nứt và là lý do chính khiến hiệu suất hàn giảm.
