Běžné vady vLaserové svařování hliníkových slitin
Ať už se jedná o laserové autogenní svařování nebohybridní svařování laserovým obloukempoužívá se pro hliníkové slitiny, existují určité běžné technické problémy, tj. mohou se vyskytnout vady, pokud jsou procesní parametry a svařovací podmínky metalurgickénesprávné.Všechny vady ve spojích hliníkových slitin zahrnují hlavně dva typy: pórovitost svaru a horké trhliny při svařování. Kromě pórovitosti a horkých trhlin existují při laserovém svařování hliníkových slitin také vady, jako je podříznutí a špatné vytvoření zadní strany. Ve srovnání s pórovitostí svaru není pravděpodobnost vzniku trhlin při svařování (viditelných pouhým okem nebo při malém zvětšení) vysoká. Protože jsou však trhliny nebezpečnější, norma JIS Z 3105 stanoví, že jakmile je ve svaru zjištěna trhlina, svar se posuzuje jako svar třídy IV. Podříznutí, špatné vytvoření zadní strany a další vady jsou většinou závažné vady způsobené nesprávnou regulací rychlosti nebo nesprávnými procesními parametry. Tyto vady se obvykle objevují ve fázi zkoumání a ladění procesu a zřídka se vyskytují v běžných skutečných výrobních operacích. Pórovitost je proto typem vady, která je škodlivější při laserovém svařování hliníkových slitin a při provozu svařovaných konstrukcí a je obtížné ji zásadně odstranit.
1. Pórovitost
Pórovitost je nejčastější a hlavní objemovou vadou vlaserové svařování hliníkových slitin, s velikostmi od stovek mikronů do několika milimetrů. Mechanismus jeho vzniku není dosud zcela objasněn. Pórovitost nejen oslabuje efektivní pracovní průřez svaru, ale také způsobuje koncentraci napětí, což snižuje dynamickou pevnost a únavové vlastnosti svarového spoje.
Když se hliníková slitina taví v prostředí obsahujícím vodík, její vnitřní obsah vodíku může dosáhnout více než 0,69 ml/100 g, ale po ztuhnutí slitiny je její rozpustnost vodíku v rovnováze maximálně 0,036 ml/100 g. Obecně se předpokládá, že během procesu ochlazování laserového svařování rozpustnost vodíku prudce klesá a srážení přesyceného vodíku vytváří vodíkovou pórovitost. Odpařování legujících prvků s nízkým bodem tání a vysokým tlakem par může také vést k pórovitosti, která se nazývá metalurgická pórovitost. Kromě toho může rušení laserového paprsku a nestabilita klíčové dírky také vést k pórovitosti, ale taková pórovitost má nepravidelný tvar a lze ji nazvat procesně indukovanou pórovitostí. Vzhledem k vysoké chemické aktivitě hliníkových slitin se na povrchu snadno tvoří oxidový film. Během svařování se krystalická voda a kombinovaná voda rozkládající se z oxidového filmu na povrchu hliníkové slitiny spolu s vlhkostí ve vzduchu a ochranném plynu přímo rozkládají za vzniku vodíku ve vysokoteplotní oblasti působením laseru. Tyto vodíkové plyny se mohou buď srážet během chlazení a tuhnutí roztavené lázně za vzniku bublin, nebo přímo vytvářet bubliny na neúplně roztaveném oxidovém filmu. Vzhledem k nízké měrné hmotnosti hliníkových slitin je rychlost stoupání bublin v roztavené lázni pomalá. Hliníkové slitiny mají navíc silnou tepelnou vodivost a rychlost chlazení a tuhnutí roztavené lázně je extrémně vysoká. Některé bubliny nemohou včas uniknout a zůstávají ve svaru, čímž vytvářejí metalurgickou pórovitost. Studie ukázaly, že hlavním plynem v pórovitosti svarů hliníkových slitin je vodík, takže pórovitost ve svarech hliníkových slitin se někdy nazývá vodíková pórovitost. Při pozorování lomu pórovitosti pod rastrovacím elektronovým mikroskopem má pórovitost většinou sférickou morfologii s těsně uspořádanými dendritickými konci dendritických krystalů a vnitřní stěna je hladká, čistá a bez stop oxidace. Existence pórovitosti nejen snižuje kompaktnost svaru a únosnost spoje, ale také v různé míře snižuje pevnost a plasticitu spoje.
2. Horké trhliny
Horké trhliny (včetně tuhnoucích trhlin a likvačních trhlin) vznikají během procesu tuhnutí roztaveného kovu v lázni a patří k běžným typům vad při laserovém svařování hliníkových slitin. Nejzřetelnějším rysem lomové morfologie tuhnoucích trhlin je, že lomový povrch se skládá z velké plochy hladkých, ale nerovných zrnitých dlažebních kostek nebo bramborovitých struktur a povrch si často zachovává mezikrystalové eutektiky s nízkou teplotou tání nebo záhyby tekutého filmu, stejně jako stopy křehkého lomu dendritů. Lomová morfologie likvačních trhlin je podobná lomové morfologii tuhnoucích trhlin, ale má charakteristiky vysokoteplotního mezikrystalového lomu nebo tuhnoucího lomu. Při únavovém lomu tavně svařovaných spojů při únavovém zatížení jsou také běžné zdroje únavových trhlin způsobené takovými horkými trhlinami. Příčiny horkých trhlin při laserovém svařování hliníkových slitin souvisí hlavně s jejich vlastními vlastnostmi a svařovacími procesy. Hliníkové slitiny mají během tuhnutí vysokou míru smrštění (až 5 %), což vede k velkému svařovacímu napětí a deformaci; Kromě toho se během tuhnutí svarového kovu podél hranic zrn tvoří eutektické struktury s nízkým bodem tání, což oslabuje spojovací sílu hranic zrn, a tím působením tahového napětí vznikají horké trhliny. Morfologie trhlin při laserovém svařování hliníkových slitin lze shrnout do následujících kategorií: trhliny ve středu svaru; trhliny v linii svaru; mezikrystalové trhliny ve svarech; likvační trhliny v tepelně ovlivněné zóně; trhliny způsobené oxidovými filmy; a mezikrystalové mikrotrhliny.
Kromě toho špatná ochrana během svařování způsobuje reakci svarového kovu s plyny ve vzduchu a vzniklé vměstky jsou také potenciálními zdroji trhlin. Typ a množství legujících prvků má velký vliv na tendenci k tvorbě trhlin za tepla během svařování hliníkových slitin. Hliníkové slitiny řady Al-Si a Al-Mn mají obecně dobrou svařitelnost a není snadné u nich vytvářet trhliny za tepla; zatímco hliníkové slitiny řady Al-Mg, Al-Cu a Al-Zn mají relativně vysokou tendenci k tvorbě trhlin za tepla. Tendenci k tvorbě trhlin za tepla lze snížit úpravou parametrů svařovacího procesu za účelem řízení rychlosti ohřevu a chlazení. Obecně řečeno, tendence k tvorbě trhlin za tepla u laserového hybridního svařování s obloukem je lepší než u svařování laserovým přídavným drátem a tendence k tvorbě trhlin za tepla u svařování laserovým přídavným drátem je lepší než u autogenního svařování laserem.
3. Podřezání a propálení
Hliníkové slitiny mají nízkou ionizační energii a fotoindukovaná plazma je náchylná k přehřívání a rozpínání během svařování, což vede k nestabilním svařovacím procesům. Kromě toho mají tekuté hliníkové slitiny dobrou tekutost a nízké povrchové napětí. Pro zlepšení průvaru je často zapotřebí větší průtok ochranného plynu a výstupní výkon laseru, což zhoršuje stabilitu svařovacího procesu a způsobuje prudké kolísání roztavené lázně pod tlakem, což snadno vede k vadám, jako je podřezání a propálení. Tvařitelnost zadní strany laserem svařovaných plechů z hliníkových slitin lze účinně zlepšit instalací vodou chlazeného měděného plechu na zadní stranu svaru.
4. Začlenění strusky
Dalším typem vady, která se často vyskytuje při svařování karoserií automobilů, je vměstky strusky ze svarů. Studie ukázaly, že vměstky strusky pocházejí hlavně z oxidů na povrchu svarů a svařovacích drátů, jakož i z nestabilních procesů při lokalizaci hliníkových slitin. Výrobci hliníkových slitin by proto měli posílit technologické inovace a zlepšit procesy odlévání, aby minimalizovali obsah nečistot a vodíku v surovinách a zvýšili stabilitu kvality výrobků.
Čas zveřejnění: 5. srpna 2025
