Các khuyết tật thường gặp trong hàn laser hợp kim nhôm

Các khuyết tật thường gặp trongHàn laser hợp kim nhôm

Cho dù là hàn tự thân bằng laser hayhàn lai laser-hồ quangĐược sử dụng cho hợp kim nhôm, có một số vấn đề kỹ thuật thường gặp, ví dụ, các khuyết tật có thể xảy ra nếu các thông số quy trình và điều kiện hàn không phù hợp về mặt luyện kim.Không đúng. CáiCác khuyết tật chính trong mối hàn hợp kim nhôm bao gồm hai loại: rỗ mối hàn và nứt nóng mối hàn. Ngoài rỗ và nứt nóng, các khuyết tật như lõm và hình thành mặt sau kém cũng tồn tại trong hàn laser hợp kim nhôm. So với rỗ mối hàn, xác suất xuất hiện vết nứt mối hàn (có thể nhìn thấy bằng mắt thường hoặc dưới độ phóng đại thấp) không cao. Tuy nhiên, vì vết nứt nguy hiểm hơn, tiêu chuẩn JIS Z 3105 quy định rằng một khi phát hiện vết nứt trong mối hàn, mối hàn sẽ được đánh giá là loại IV. Lõm, hình thành mặt sau kém và các khuyết tật khác chủ yếu là các khuyết tật nghiêm trọng do kiểm soát tốc độ không phù hợp hoặc thông số quy trình không khớp. Những khuyết tật này thường xuất hiện trong giai đoạn tìm hiểu và gỡ lỗi quy trình, và hiếm khi xảy ra trong hoạt động sản xuất thực tế bình thường. Do đó, rỗ là một loại khuyết tật gây hại hơn trong hàn laser hợp kim nhôm và trong quá trình sử dụng các kết cấu hàn, và rất khó để loại bỏ tận gốc.

1. Độ xốp

Rỗng là khuyết tật thể tích phổ biến nhất và quan trọng nhất trongHàn laser hợp kim nhômVới kích thước từ hàng trăm micromet đến vài milimét. Cơ chế hình thành của nó vẫn chưa được làm rõ hoàn toàn. Lỗ rỗng không chỉ làm suy yếu phần làm việc hiệu quả của mối hàn mà còn gây ra sự tập trung ứng suất, làm giảm độ bền động và khả năng chịu mỏi của mối hàn.

Khi hợp kim nhôm nóng chảy trong môi trường chứa hydro, hàm lượng hydro bên trong của nó có thể đạt hơn 0,69 ml/100g, nhưng sau khi hợp kim đông đặc, độ hòa tan của hydro ở trạng thái cân bằng tối đa chỉ còn 0,036 ml/100g. Người ta thường cho rằng trong quá trình làm nguội khi hàn laser, độ hòa tan của hydro giảm mạnh, và sự kết tủa của hydro bão hòa quá mức sẽ tạo thành các lỗ rỗng do hydro. Sự bay hơi của các nguyên tố hợp kim có điểm nóng chảy thấp và áp suất hơi cao cũng có thể dẫn đến lỗ rỗng, được gọi là lỗ rỗng luyện kim. Ngoài ra, sự nhiễu loạn của chùm tia laser và sự không ổn định của lỗ khóa cũng có thể tạo thành lỗ rỗng, nhưng loại lỗ rỗng này có hình dạng không đều và có thể được gọi là lỗ rỗng do quá trình gia công. Do hoạt tính hóa học cao của hợp kim nhôm, một lớp màng oxit dễ dàng hình thành trên bề mặt. Trong quá trình hàn, nước tinh thể và nước kết hợp phân hủy từ lớp màng oxit trên bề mặt hợp kim nhôm, cùng với hơi ẩm trong không khí và khí bảo vệ, trực tiếp phân hủy để tạo ra hydro trong vùng nhiệt độ cao dưới tác động của laser. Các khí hydro này có thể kết tủa trong quá trình làm nguội và đông đặc của vũng nóng chảy để tạo thành bọt khí hoặc trực tiếp tạo ra bọt khí trên lớp màng oxit chưa tan chảy hoàn toàn. Do trọng lượng riêng thấp của hợp kim nhôm, tốc độ nổi của bọt khí trong vũng nóng chảy chậm. Ngoài ra, hợp kim nhôm có độ dẫn nhiệt cao, và tốc độ làm nguội và đông đặc của vũng nóng chảy cực kỳ nhanh. Một số bọt khí không thể thoát ra kịp thời và vẫn còn trong mối hàn, do đó tạo thành lỗ rỗng luyện kim. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng khí chính trong lỗ rỗng của mối hàn hợp kim nhôm là hydro, vì vậy lỗ rỗng trong mối hàn hợp kim nhôm đôi khi được gọi là lỗ rỗng hydro. Khi quan sát vết nứt của lỗ rỗng dưới kính hiển vi điện tử quét, lỗ rỗng chủ yếu có hình dạng hình cầu với các đầu nhánh cây của tinh thể hình nhánh được sắp xếp chặt chẽ, và thành bên trong nhẵn, sạch và không có dấu vết oxy hóa. Sự tồn tại của lỗ rỗng không chỉ làm giảm độ đặc chắc của mối hàn và khả năng chịu tải của mối nối, mà còn làm giảm độ bền và độ dẻo của mối nối ở các mức độ khác nhau.

2. Vết nứt nóng

Các vết nứt nóng (bao gồm vết nứt đông đặc và vết nứt hóa lỏng) hình thành trong quá trình đông đặc của kim loại nóng chảy và là một trong những loại khuyết tật phổ biến trong hàn laser hợp kim nhôm. Đặc điểm rõ ràng nhất của hình thái gãy do vết nứt đông đặc là bề mặt gãy bao gồm một vùng lớn các cấu trúc dạng hạt mịn nhưng không đều, giống như đá cuội hoặc củ khoai tây, và bề mặt thường giữ lại các eutectic giữa các hạt có điểm nóng chảy thấp hoặc các nếp gấp màng lỏng, cũng như dấu vết của sự gãy giòn của các nhánh cây. Hình thái gãy do vết nứt hóa lỏng tương tự như vết nứt đông đặc, nhưng nó có đặc điểm của sự gãy giữa các hạt ở nhiệt độ cao hoặc gãy do đông đặc. Trong sự gãy mỏi của các mối hàn nóng chảy dưới tải trọng mỏi, các nguồn gây ra vết nứt mỏi do các vết nứt nóng như vậy cũng rất phổ biến. Nguyên nhân gây ra vết nứt nóng trong hàn laser hợp kim nhôm chủ yếu liên quan đến đặc tính của chúng và quy trình hàn. Hợp kim nhôm có tỷ lệ co ngót lớn trong quá trình đông đặc (lên đến 5%), dẫn đến ứng suất và biến dạng hàn lớn; Ngoài ra, các cấu trúc eutectic có điểm nóng chảy thấp được hình thành dọc theo ranh giới hạt trong quá trình đông đặc của kim loại hàn, làm suy yếu lực liên kết của ranh giới hạt, do đó hình thành các vết nứt nóng dưới tác dụng của ứng suất kéo. Thêm vào đó, hình thái vết nứt trong hàn laser hợp kim nhôm có thể được tóm tắt thành các loại sau: vết nứt tâm mối hàn; vết nứt đường nóng chảy mối hàn; vết nứt giữa các hạt trong mối hàn; vết nứt hóa lỏng vùng ảnh hưởng nhiệt; vết nứt do màng oxit; và vết nứt vi mô giữa các hạt.

Ngoài ra, việc bảo vệ kém trong quá trình hàn khiến kim loại mối hàn phản ứng với khí trong không khí, và các tạp chất hình thành cũng là nguồn gây nứt tiềm tàng. Loại và hàm lượng các nguyên tố hợp kim có ảnh hưởng lớn đến xu hướng nứt nóng trong quá trình hàn hợp kim nhôm. Nói chung, hợp kim nhôm серии Al-Si và Al-Mn có khả năng hàn tốt và không dễ bị nứt nóng; trong khi hợp kim nhôm серии Al-Mg, Al-Cu và Al-Zn có xu hướng nứt nóng tương đối cao. Có thể giảm xu hướng nứt nóng bằng cách điều chỉnh các thông số quá trình hàn để kiểm soát tốc độ gia nhiệt và làm nguội. Nói chung, xu hướng nứt nóng của hàn lai laser-hồ quang tốt hơn so với hàn dây hàn laser, và xu hướng nứt nóng của hàn dây hàn laser tốt hơn so với hàn tự động laser.

3. Cắt tỉa và tạo kiểu tóc xuyên thấu

Hợp kim nhôm có năng lượng ion hóa thấp, và plasma quang hóa dễ bị quá nhiệt và giãn nở trong quá trình hàn, dẫn đến quá trình hàn không ổn định. Ngoài ra, hợp kim nhôm lỏng có tính lưu động tốt và sức căng bề mặt thấp. Để cải thiện độ xuyên thấu, thường cần lưu lượng khí bảo vệ và công suất laser lớn hơn, điều này làm giảm tính ổn định của quá trình hàn, khiến vũng nóng chảy dao động mạnh dưới áp suất và dễ dẫn đến các khuyết tật như lõm và cháy xuyên. Khả năng tạo hình mặt sau của các tấm hợp kim nhôm được hàn bằng laser có thể được cải thiện hiệu quả bằng cách lắp đặt một tấm đồng làm mát bằng nước ở mặt sau của mối hàn.

4. Tạp chất xỉ

Một loại khuyết tật khác thường gặp trong hàn thân xe là tạp chất xỉ hàn. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng tạp chất xỉ chủ yếu đến từ các oxit trên bề mặt mối hàn và dây hàn, cũng như các quá trình không ổn định trong quá trình định vị vật liệu hợp kim nhôm. Do đó, các nhà sản xuất vật liệu hợp kim nhôm cần tăng cường đổi mới công nghệ và cải tiến quy trình đúc để giảm thiểu hàm lượng tạp chất và hydro trong nguyên liệu thô và nâng cao tính ổn định chất lượng của sản phẩm.