عیوب رایج در جوشکاری لیزری آلیاژ آلومینیوم

نقص‌های رایج درجوشکاری لیزری آلیاژ آلومینیوم

چه جوشکاری خودجوش لیزری یاجوشکاری هیبریدی لیزر-قوسبرای آلیاژهای آلومینیوم استفاده می‌شود، برخی مشکلات فنی رایج وجود دارد، به عنوان مثال، اگر پارامترهای فرآیند و شرایط جوشکاری متالورژیکی باشند، ممکن است نقص‌هایی رخ دهد.نامناسب.تمام عیوب در اتصالات آلیاژ آلومینیوم عمدتاً شامل دو نوع است: تخلخل جوش و ترک‌های داغ جوشکاری. علاوه بر تخلخل و ترک‌های داغ، عیوبی مانند بریدگی زیرین و تشکیل ضعیف پشت جوش نیز در جوشکاری لیزری آلیاژهای آلومینیوم وجود دارد. در مقایسه با تخلخل جوش، احتمال ترک‌های جوشکاری (قابل مشاهده با چشم غیرمسلح یا با بزرگنمایی کم) زیاد نیست. با این حال، از آنجا که ترک‌ها خطرناک‌تر هستند، JIS Z 3105 تصریح می‌کند که به محض تشخیص ترک در جوش، جوش باید در کلاس IV قرار گیرد. بریدگی زیر جوش، تشکیل ضعیف پشت جوش و سایر عیوب عمدتاً عیوب جدی ناشی از کنترل سرعت نامناسب یا پارامترهای فرآیند ناهماهنگ هستند. چنین عیوبی عموماً در مرحله کاوش و اشکال‌زدایی فرآیند ظاهر می‌شوند و به ندرت در عملیات تولید واقعی عادی رخ می‌دهند. بنابراین، تخلخل نوعی نقص است که در جوشکاری لیزری آلیاژهای آلومینیوم و در خدمت سازه‌های جوش داده شده مضرتر است و رفع اساسی آن دشوار است.

۱. تخلخل

تخلخل رایج‌ترین و عمده‌ترین نقص حجمی در ...جوشکاری لیزری آلیاژهای آلومینیوم، با اندازه‌هایی از صدها میکرون تا چندین میلی‌متر. مکانیسم تشکیل آن هنوز کاملاً مشخص نیست. تخلخل نه تنها بخش کاری مؤثر جوش را تضعیف می‌کند، بلکه باعث تمرکز تنش نیز می‌شود و استحکام دینامیکی و عملکرد خستگی اتصال جوش داده شده را کاهش می‌دهد.

وقتی آلیاژ آلومینیوم در یک محیط حاوی هیدروژن ذوب می‌شود، محتوای هیدروژن داخلی آن می‌تواند به بیش از 0.69 میلی‌لیتر در 100 گرم برسد، اما پس از جامد شدن آلیاژ، حلالیت هیدروژن آن در حالت تعادل حداکثر 0.036 میلی‌لیتر در 100 گرم است. عموماً اعتقاد بر این است که در طول فرآیند خنک‌سازی جوشکاری لیزری، حلالیت هیدروژن به شدت کاهش می‌یابد و رسوب هیدروژن فوق اشباع، تخلخل هیدروژنی را تشکیل می‌دهد. تبخیر عناصر آلیاژی با نقطه ذوب پایین و فشار بخار بالا نیز ممکن است منجر به تخلخل شود که تخلخل متالورژیکی نامیده می‌شود. علاوه بر این، اختلال در پرتو لیزر و ناپایداری سوراخ کلید نیز می‌تواند تخلخل ایجاد کند، اما چنین تخلخلی شکل نامنظمی دارد و می‌توان آن را تخلخل ناشی از فرآیند نامید. به دلیل فعالیت شیمیایی بالای آلیاژهای آلومینیوم، یک لایه اکسید به راحتی روی سطح تشکیل می‌شود. در حین جوشکاری، آب کریستالی و آب ترکیبی تجزیه شده از لایه اکسید روی سطح آلیاژ آلومینیوم، همراه با رطوبت موجود در هوا و گاز محافظ، مستقیماً تجزیه شده و در ناحیه با دمای بالا تحت عمل لیزر، هیدروژن تولید می‌کنند. این گازهای هیدروژن ممکن است یا در حین خنک شدن و انجماد حوضچه مذاب رسوب کرده و حباب تشکیل دهند یا مستقیماً روی لایه اکسید ناقص ذوب شده حباب ایجاد کنند. به دلیل وزن مخصوص کم آلیاژهای آلومینیوم، سرعت بالا آمدن حباب‌ها در حوضچه مذاب کند است. علاوه بر این، آلیاژهای آلومینیوم رسانایی حرارتی قوی دارند و سرعت خنک شدن و انجماد حوضچه مذاب بسیار سریع است. برخی از حباب‌ها نمی‌توانند به موقع فرار کنند و در جوش باقی می‌مانند و در نتیجه تخلخل متالورژیکی ایجاد می‌کنند. مطالعات نشان داده است که گاز اصلی در تخلخل جوش‌های آلیاژ آلومینیوم، هیدروژن است، بنابراین تخلخل در جوش‌های آلیاژ آلومینیوم گاهی اوقات تخلخل هیدروژنی نامیده می‌شود. هنگام مشاهده شکست تخلخل در زیر میکروسکوپ الکترونی روبشی، تخلخل عمدتاً مورفولوژی کروی با انتهای دندریتی کریستال‌های دندریتی که به طور محکم چیده شده‌اند را نشان می‌دهد و دیواره داخلی صاف، تمیز و عاری از آثار اکسیداسیون است. وجود تخلخل نه تنها فشردگی جوش و ظرفیت باربری اتصال را کاهش می‌دهد، بلکه استحکام و انعطاف‌پذیری اتصال را نیز به درجات مختلف کاهش می‌دهد.

۲. ترک‌های داغ

ترک‌های داغ (شامل ترک‌های انجمادی و ترک‌های ذوبی) در طول فرآیند انجماد فلز مذاب حوضچه تشکیل می‌شوند و یکی از انواع نقص رایج در جوشکاری لیزری آلیاژهای آلومینیوم هستند. بارزترین ویژگی مورفولوژی شکست ترک‌های انجمادی این است که سطح شکست از ناحیه بزرگی از ساختارهای قلوه‌سنگی دانه‌ای صاف اما ناهموار یا سیب‌زمینی مانند تشکیل شده است و سطح اغلب یوتکتیک‌های بین دانه‌ای با نقطه ذوب پایین یا چین‌های فیلم مایع و همچنین آثاری از شکست ترد دندریت‌ها را حفظ می‌کند. مورفولوژی شکست ترک‌های ذوبی مشابه ترک‌های انجمادی است، اما ویژگی‌های شکست بین دانه‌ای دمای بالا یا شکست انجمادی را دارد. در شکست خستگی اتصالات جوش داده شده ذوبی تحت بارگذاری خستگی، منابع ترک خستگی ناشی از چنین ترک‌های داغی نیز رایج هستند. علل ترک‌های داغ در جوشکاری لیزری آلیاژهای آلومینیوم عمدتاً مربوط به ویژگی‌های خاص خود و فرآیندهای جوشکاری است. آلیاژهای آلومینیوم در طول انجماد نرخ انقباض زیادی (تا 5٪) دارند که منجر به تنش و تغییر شکل جوشکاری زیاد می‌شود. علاوه بر این، ساختارهای یوتکتیک با نقطه ذوب پایین در طول مرز دانه‌ها در طول انجماد فلز جوش تشکیل می‌شوند که نیروی پیوند مرز دانه‌ها را تضعیف می‌کند و در نتیجه ترک‌های داغ را تحت عمل تنش کششی تشکیل می‌دهد. علاوه بر این، مورفولوژی ترک‌ها در جوشکاری لیزری آلیاژهای آلومینیوم را می‌توان در دسته‌های زیر خلاصه کرد: ترک‌های مرکز جوش؛ ترک‌های خط ذوب جوش؛ ترک‌های بین دانه‌ای در جوش‌ها؛ ترک‌های ذوب منطقه تحت تأثیر حرارت؛ ترک‌های ناشی از لایه‌های اکسید؛ و ریزترک‌های بین دانه‌ای.

علاوه بر این، محافظت ضعیف در حین جوشکاری باعث می‌شود که فلز جوش با گازهای موجود در هوا واکنش نشان دهد و آخال‌های تشکیل شده نیز منابع بالقوه ترک هستند. نوع و مقدار عناصر آلیاژی تأثیر زیادی بر تمایل به ترک خوردگی گرم در حین جوشکاری آلیاژ آلومینیوم دارند. به طور کلی، آلیاژهای آلومینیوم سری Al-Si و Al-Mn جوش‌پذیری خوبی دارند و به راحتی ترک خوردگی گرم ایجاد نمی‌کنند. در حالی که آلیاژهای آلومینیوم سری Al-Mg، Al-Cu و Al-Zn تمایل به ترک خوردگی گرم نسبتاً بالایی دارند. تمایل به ترک خوردگی گرم را می‌توان با تنظیم پارامترهای فرآیند جوشکاری برای کنترل نرخ گرمایش و سرمایش کاهش داد. به طور کلی، تمایل به ترک خوردگی گرم در جوشکاری هیبریدی قوس لیزری بهتر از جوشکاری سیم پرکننده لیزری است و تمایل به ترک خوردگی گرم در جوشکاری سیم پرکننده لیزری بهتر از جوشکاری خودجوش لیزری است.

۳. برش از زیر و برش از روی سطح

آلیاژهای آلومینیوم انرژی یونیزاسیون پایینی دارند و پلاسمای القایی نوری مستعد گرم شدن بیش از حد و انبساط در حین جوشکاری است که منجر به فرآیندهای جوشکاری ناپایدار می‌شود. علاوه بر این، آلیاژهای آلومینیوم مایع سیالیت خوب و کشش سطحی پایینی دارند. برای بهبود نفوذ، اغلب به سرعت جریان گاز محافظ بیشتر و توان خروجی لیزر بیشتری نیاز است که پایداری فرآیند جوشکاری را کاهش می‌دهد و باعث می‌شود حوضچه مذاب تحت فشار به شدت نوسان کند و به راحتی منجر به عیوبی مانند بریدگی زیرین و سوختگی شود. شکل‌پذیری پشتی صفحات آلیاژ آلومینیوم جوشکاری شده با لیزر را می‌توان با نصب یک صفحه مسی خنک شده با آب در پشت جوش به طور موثری بهبود بخشید.

۴. سرباره

نوع دیگری از نقص که اغلب در جوشکاری بدنه خودرو رخ می‌دهد، ناخالصی سرباره جوش است. مطالعات نشان داده است که ناخالصی سرباره عمدتاً از اکسیدهای روی سطح جوش‌ها و سیم‌های جوش و همچنین فرآیندهای ناپایدار در محلی‌سازی مواد آلیاژ آلومینیوم ناشی می‌شود. بنابراین، تولیدکنندگان مواد آلیاژ آلومینیوم باید نوآوری‌های تکنولوژیکی را تقویت کرده و فرآیندهای ریخته‌گری را بهبود بخشند تا محتوای ناخالصی‌ها و هیدروژن در مواد اولیه را به حداقل برسانند و پایداری کیفیت محصولات را افزایش دهند.