1 Präambel
Magnesiumlegierungen sind nicht nur leicht, hochfest und günstig im Preis, sondern weisen auch eine gute Schwingungsdämpfung, Gießbarkeit, elektrische Leitfähigkeit, elektromagnetische Abschirmung und Wärmeableitung auf und sind zu den bevorzugten Metallwerkstoffen für viele Industrieprodukte geworden. Derzeit werden Magnesiumlegierungen häufig in Bauteilen mit geringer Tragfähigkeit wie Cockpitrahmen, Gerätehalterungen und Radnaben in der Luftfahrtindustrie eingesetzt [1].
Mit der Umgestaltung und Modernisierung moderner Großfertigungsanlagen ist die Nachfrage nach leichten Strukturteilen aus Magnesiumlegierungen sehr dringend geworden. Allerdings gibt es beim Schweißen von Magnesiumlegierungen viele Mängel und es ist schwierig, Schweißverbindungen mit hoher Umformqualität und hoher Gesamtleistung zu erhalten. Dieser Artikel analysiert die Ursachen von Schweißfehlern bei Magnesiumlegierungen und schlägt vorbeugende Maßnahmen vor, die zur Popularisierung und Anwendung von Magnesiumlegierungsmaterialien beitragen können und praktische Bedeutung für den Bereich der Fertigungsausrüstung haben.
2 Schweißprozess einer Magnesiumlegierung
Zu den gängigen Schweißverfahren für Magnesiumlegierungen gehören Schmelzschweißen und Festphasenschweißen. Das Schmelzschweißen umfasst hauptsächlich Wolfram-Argon-Lichtbogenschweißen, Metall-Argon-Lichtbogenschweißen, Elektronenstrahlschweißen, Laserschweißen und andere Verfahren, und das Festphasenschweißen ist hauptsächlich Reibrührschweißen. Unter diesen hat sich das Reibrührschweißen zu einem bevorzugten Schweißverfahren entwickelt, da es die Vorteile einer geringeren Vorbereitungsarbeit vor dem Schweißen, des Verzichts auf Schutzgas und Schweißmaterialien, des Schweißens in allen Positionen, der guten mechanischen Eigenschaften der Schweißteile und der geringen Spannung nach dem Schweißen bietet Verformung. Das Reibrührschweißen hat jedoch die Nachteile, dass die Schweißverbindung starr befestigt werden muss, die Schweißgeschwindigkeit niedrig ist, der Rührkopf schnell verschleißt und sich am Ende der Schweißnaht leicht ein Schlüsselloch bildet, was das Schmelzschweißen zu einer gängigen Schweißmethode macht .
3 Analyse von Schweißfehlern einer Magnesiumlegierung
Magnesiumlegierungen haben Nachteile wie leichtes Verdampfen, leichte Oxidation, leichtes Nitrieren und große thermische Belastung und weisen beim Schweißen häufig verschiedene Schweißfehler auf. Die Ursachen und Vorbeugungsmaßnahmen für häufige Defekte wie Poren, thermische Risse und Verformungen werden geklärt.
3.1 Spaltöffnungen
(1) Ursachen für die Bildung von Poren treten häufig in der Schweißnaht der Schmelzschweißverbindung auf. Abbildung 1 zeigt beispielsweise die Porenmorphologie der Schweißnaht einer gewöhnlichen Argon-Wolfram-Lichtbogenschweißverbindung aus einer Magnesiumlegierung AZ91D aus Druckguss. Es gibt zwei Arten von mikroskopischen Poren, bei denen Wasserstoffgas vorherrscht, und verschlungene makroskopische Poren, bei denen Stickstoff vorherrscht [2].
Die Bildung von Poren wird hauptsächlich auf zwei Gründe zurückgeführt: Zum einen sammelt sich das unlösliche Gas, das durch die metallurgische Reaktion im Schweißbad entsteht, zwischen den erstarrten Dendritenkristallen und lässt sich nicht leicht unter Bildung von Poren ableiten; Der andere Grund liegt darin, dass das Schweißbad etwas absorbiert und auflöst. In der Erstarrungsphase nimmt die Gaslöslichkeit mit dem starken Abfall der Schmelzbadtemperatur schnell ab und das Gas sammelt sich leicht an der Vorderseite der wachsenden Dendriten und bildet entlang der Poren Poren Kristallschicht.
Beim Schmelzschweißen von Magnesiumlegierungen stammen die Poren hauptsächlich aus gelöstem Wasserstoff, während der Wasserstoff im Schmelzbad hauptsächlich aus der Feuchtigkeit um das Grundmetall, den Schweißdraht oder die Lichtbogensäulenatmosphäre stammt. Magnesiumlegierungen haben eine starke Wärmeleitfähigkeit und die Erstarrungsgeschwindigkeit des Schmelzbades ist sehr schnell, wodurch Wasserstoff entweicht und Poren bildet. Gleichzeitig bildet sich leicht ein MgO-Film auf der Oberfläche der Magnesiumlegierung. Je höher der Mg-Gehalt, desto mehr MgO entsteht. MgO ist lockerer als Al2O3 und andere Oxide und kann leichter Wasser absorbieren und Poren bilden.
Gegenwärtig ist die Porosität von Schweißnähten mit geschmolzenem Inertgas (MIG) am höchsten. Dies liegt daran, dass das MIG-Schweißen auf dem kontinuierlichen Schmelzen des Schweißdrahts beruht und der Oxidfilm im Schweißdraht das anhaftende Wasser stark im Tröpfchen auflöst, was zu einer Hydrierung des Schmelzbades führt. . Elektronenstrahlschweißen und Laserschweißen weisen außerdem eine höhere Porosität in der Schweißnaht auf, was auf den geringeren Schweißwärmeeintrag dieser beiden Verfahren, die schnellere Abkühlungsrate des Schmelzbades und die Tatsache zurückzuführen ist, dass der Wasserstoff im Schmelzbad keine Zeit zum Entweichen hat.
(2) Vorbeugende Maßnahmen Behandlung vor dem Schweißen: Kombinieren Sie mechanische Reinigung und chemische Reinigung, um den Oxidfilm und die Ölflecken auf der Oberfläche des Grundmetalls und des Schweißdrahts so weit wie möglich zu entfernen. Verwenden Sie Trocknungsmethoden, um die Feuchtigkeit auf der Oberfläche des Grundmetalls und des Schweißdrahts so weit wie möglich zu entfernen. Versuchen Sie, Schweißen in der Umgebung zu vermeiden.
Schweißparameter optimieren: Schweißparameter können die Bedingungen des Gasaustritts und des Schmelzens im Schmelzbad beeinflussen. Wenn die Austrittsbedingungen günstiger sind als die Schmelzbedingungen, ist es möglich, die Porosität zu verringern. Abbildung 2 zeigt die Beziehung zwischen der Porositätstendenz der LF6-Aluminium-Magnesium-Legierung und den Schweißparametern [3]. Ein höherer Schweißstrom und eine größere Schweißgeschwindigkeit tragen zur Verringerung der Porosität bei.
Die Schutzatmosphäre verfügt über entsprechende oxidative Eigenschaften: Unter dem Gesichtspunkt der Verhinderung der Wasserstoffauflösung kann die Zugabe einer kleinen Menge CO2 oder O2 zu dem zum Schweißschutz verwendeten Inertgas wie Ar und He zur Verringerung der Porosität beitragen.
3.2 Thermische Risse
(1) Entstehungsursachen Die häufigsten thermischen Risse sind Erstarrungsrisse und Verflüssigungsrisse. Erstarrungsrisse sind Risse, die durch die Ablösung des verbleibenden Flüssigkeitsfilms zwischen dem Schweißgut entstehen, wenn die Erstarrungstemperatur bis nahe an die Soliduslinie absinkt. Beim Verflüssigungsriss schmilzt die interkristalline Phase in die flüssige Phase, wenn der spaltnahe Bereich überhitzt wird, und der Flüssigkeitsfilm trennt sich und reißt. Beispielsweise zeigt Abb. 3 den Zustand von Erstarrungsrissen in der Schweißnaht entsprechend unterschiedlicher Schweißgeschwindigkeiten beim Laserschweißen der Magnesiumlegierung ZK60 [4].
Während des Schweißprozesses reagiert das Hauptlegierungselement Magnesium leicht mit Spurenelementen wie Aluminium, Kupfer, Nickel usw. und bildet eine eutektische Verbindung mit niedrigem Schmelzpunkt. Bei der Erstarrung im spröden Temperaturbereich verteilen sich diese unverfestigten Eutektika in Form eines Flüssigkeitsfilms auf die Körner, was die interkristalline Bindungskraft erheblich verringert. Magnesiumlegierungen haben einen großen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der beim Schweißen zu großen thermischen Verformungen führt und beim Erstarren einer großen Schrumpfspannung ausgesetzt ist. Der intergranulare Flüssigkeitsfilm kann dieser Schrumpfungsbeanspruchung nur schwer widerstehen und kann leicht reißen und Erstarrungsrisse bilden. Ebenso sind die Wärmeleitfähigkeit und die Dehnungsrate der Magnesiumlegierung relativ groß, und der Schweißwärmezyklus schmilzt die interkristalline Phase in der Nähe der Naht schnell und die mechanischen Eigenschaften der Korngrenze nehmen ab, wodurch es leicht zu Rissen kommt betonen.
(2) Vorbeugende Maßnahmen Passen Sie den Gehalt an Elementen im Grundmetall und im Schweißdraht an: Begrenzen Sie den Gehalt an leicht entmischbaren Elementen und schädlichen Verunreinigungen im Grundmetall und im Schweißdraht und minimieren Sie die auftretende Makroseigerung und niedrig schmelzende Zweitphase in der Schweißnaht.
Schweißparameter optimieren: Durch Auswahl einer sinnvollen Schweißgeschwindigkeit zeigt Abbildung 4 den Zusammenhang zwischen der Form des Schmelzbades und der Schweißgeschwindigkeit [3]. Beim Schweißen mit niedriger Geschwindigkeit ist das Schmelzbad elliptisch und die säulenförmigen Kristalle wachsen in einem Fischgrätenmuster bis zur Mitte der Schweißnaht, wodurch es nicht leicht ist, getrennte schwache Oberflächen zu bilden, und die Tendenz zu thermischen Rissen ist gering; Beim Schweißen mit hoher Geschwindigkeit ist das Schmelzbad jedoch tropfenförmig und die säulenförmigen Kristalle ähneln denen. Es wächst vertikal zur Achse der Schweißnaht, und es ist leicht, an der Begegnungsfläche eine entmischungsschwache Oberfläche zu bilden, und die Tendenz dazu der thermischen Rissbildung ist groß. Es ist auch möglich, die Korngröße zu verfeinern und die Größe der intergranularen Phase zu verringern, indem die Schweißwärmezufuhr entsprechend reduziert wird, und die Belastung der Erstarrung und Schrumpfung der Schweißnaht durch Reduzierung der Abkühlgeschwindigkeit zu verlangsamen, was alles das Auftreten von reduzieren kann thermische Risse.
Angemessene Kontrolle der Zurückhaltung: Durch die Kontrolle der Zurückhaltung wird die Belastung des Gelenks so weit wie möglich reduziert. Zum Beispiel die Wahl einer geeigneten Schweißsequenz. Wenn die Schweißreihenfolge nicht korrekt ist, kann es sein, dass die letzten Schweißnähte stark gespannt sind, es schwierig ist, frei zu schrumpfen, die Spannung nimmt deutlich zu und es besteht die Gefahr von Rissen.
3.3 Verformung
(1) Ursachen der Bildung Magnesiumlegierungen haben eine hohe Wärmeleitfähigkeit und einen großen Wärmeausdehnungskoeffizienten, sodass die Abkühlgeschwindigkeit der Schweißnaht schnell ist und der nahe Nahtbereich und das Grundmetall leicht durch Schrumpfspannung verformt werden und die endgültige Form und Größenänderung. Abbildung 5 zeigt beispielsweise, dass eine Aluminium-Magnesium-Legierung eine konkave Verformung aufweist, weil die Kehlnaht der Düse zu nahe an der Umfangsnaht des Zylinders liegt [5].
(2) Vorbeugende Maßnahmen Optimieren Sie die Schweißnahtstruktur: Ordnen Sie die Position der Schweißnähte rational an, stellen Sie sicher, dass jede Schweißnaht über ausreichend Wärmeableitungsraum verfügt, und vermeiden Sie eine übermäßige Konzentration von Schweißnähten in dem Bereich. Wählen Sie die passende Form und Größe der Schweißnähte [6].
Erhöhen Sie die Steifigkeit und Fixierung: Verwenden Sie beim Schweißen von Magnesiumlegierungsplatten spezielle Vorrichtungen, Stützstangen und andere Vorrichtungen, um die Magnesiumlegierungsplatten auf der Werkbank zu befestigen. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur nach dem Schweißen wird durch das Hämmern ein Teil der Schweißspannung abgebaut und anschließend die starre Fixierung entfernt.
Vorwärmen vor dem Schweißen: Durch das Vorwärmen vor dem Schweißen wird die Temperatur des Grundmetalls erhöht, um sicherzustellen, dass der Temperaturunterschied zwischen dem Schweißgut und dem umgebenden Grundmetall während des Schweißens verringert wird, wodurch die innere Spannung durch Schweißschrumpfung verringert wird.
Wählen Sie eine sinnvolle Schweißreihenfolge: Teilen Sie das Bauteil entsprechend in mehrere kleine Einheiten auf, schweißen Sie jede kleine Einheit einzeln und schweißen Sie dann die kleinen Einheiten als Ganzes, damit asymmetrische Schweißnähte oder Schweißnähte mit großer Schrumpfung freier schrumpfen können, ohne zu schrumpfen. wirken sich auf die gesamte Struktur aus [7].
Anti-Verformungskontrolle: Schätzen Sie die Größe und Richtung der Schweißverformung und stellen Sie dann während der Schweißmontage künstliche Verformungen mit entgegengesetzten Richtungen und gleichen Größen ein, sodass die durch das Schweißen erzeugte Verformung durch die voreingestellte Anti-Verformung ausgeglichen werden kann.
3.4 Sonstige Mängel
(1) Löcher Löcher treten häufig in der Schweißnaht von Reibrührschweißverbindungen auf. Beispielsweise zeigt Abb. 6 den Hohlraumdefekt in der Reibrührschweißnaht der Magnesiumlegierung AZ31 [8]. Wenn beim Schweißen von Magnesiumlegierungen die Schweißwärmezufuhr unzureichend ist, ist die plastische Verformung des abgeschiedenen Metalls unzureichend, die Materialfließfähigkeit ist schlecht und das Innere der Schweißnaht wird nicht vollständig geschlossen, wodurch Löcher entstehen. Wenn der Schweißwärmeeintrag zu groß ist, wird der Rührkopf beschädigt. Das Schweißmaterial auf der Vorderseite dehnt sich aus und läuft über, und die Hinterfüllung reicht nicht aus, wodurch Löcher entstehen. Bei Verwendung eines säulenförmigen oder konischen Rührkopfes ohne Gewinde ist die plastische Verformung des Materials im Schweißbereich unzureichend und es bilden sich leicht Löcher. Das Auftreten von Lochfehlern kann vermieden werden, indem die Schweißgeschwindigkeit und die Rotationsgeschwindigkeit des Rührkopfs angemessen gesteuert werden, um die Schweißwärmezufuhr anzupassen, oder indem die entsprechende Geometrie des Rührkopfs gewählt wird.
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Abb.6 Porendefekt einer Reibrührschweißverbindung der Magnesiumlegierung AZ31 (AS ist die Vorderseite, RS ist die Rückseite)[8]
(2) Durchbrennungen In der Schweißnaht der Schmelzschweißverbindung kommt es häufig zu Durchbrennungen. Aufgrund des hohen Schmelzpunkts von Magnesiumoxid und des niedrigen Schmelzpunkts der Magnesiumlegierung ist es schwierig, die beiden zu verschmelzen, wenn sie miteinander verbunden werden. Wenn das Magnesiumlegierungsblech geschweißt wird, ist es schwierig, das Schmelzen der Schweißnaht zu beobachten. Sobald der Wärmeeintrag in einen unzumutbaren Bereich ansteigt, ändert sich die Farbe des Schmelzbades nicht wesentlich, aber das ungeschmolzene Metall unter dem Schmelzbad kann der Belastung, die es erhält, nicht standhalten, und es kommt zu diesem Zeitpunkt zu einem Durchbrennen. Reinigen Sie die Oberfläche der Magnesiumlegierung vor dem Schweißen gründlich und schweißen Sie so bald wie möglich nach der Reinigung, um das Auftreten von Durchbrennfehlern zu vermeiden. Darüber hinaus kann durch die Optimierung der Schweißparameter zur Begrenzung der Einbrandtiefe auch ein Durchbrennen vermieden werden.
4 Typische Fallanalyse von Schweißfehlern in Magnesiumlegierungen
Die 6 mm dicke Magnesiumlegierung GW63K wurde durch Laserschweißen bzw. Elektronenstrahlschweißen geschweißt. Das makroskopische Erscheinungsbild der Schweißnaht ist in Abb. 7 bzw. Abb. 8 dargestellt. Die beiden Arten von Schmelzschweißnähten weisen offensichtliche Mängel wie Spritzer und Hinterschneidungen auf, die durch den niedrigen Schmelzpunkt der Magnesiumlegierung, den großen Wärmeausdehnungskoeffizienten und den großen Schweißwärmeeintrag verursacht werden. Durch nachfolgende Methoden kann die Schweißwärmeeinbringung reduziert werden. Prozessoptimierung.
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Abb.7 Makroskopische Morphologie der lasergeschweißten Naht der Magnesiumlegierung GW63K
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Abb.8 Makroskopische Morphologie der Elektronenstrahl-Schweißnaht der Magnesiumlegierung GW63K
