Alüminyum ve alaşımları birçok önemli ürünün kaynaklanmasında kullanılmış olsa da, gerçek kaynak üretimi zorluklardan uzak değildir. Başlıca sorunlar şunlardır: kaynaktaki gözenekler, kaynak sıcak çatlakları ve bağlantıların "eşit mukavemeti". Alüminyum ve alaşımlarının güçlü kimyasal aktivitesi nedeniyle, yüzeyde bir oksit filmi oluşturmak kolaydır ve bunların çoğu refrakter özelliklere sahiptir (örneğin, Al2O3'ün erime noktası 2050 derece ve MgO'nun erime noktası 2500 derecedir). Ayrıca, alüminyum ve alaşımları güçlü bir termal iletkenliğe sahiptir. Kaynak sırasında erimeme olayına neden olmak kolaydır. Oksit filmin yoğunluğu alüminyumun yoğunluğuna çok yakın olduğundan, kaynak metalinde kapanımlar oluşması da kolaydır. Aynı zamanda, oksit film (özellikle çok yoğun olmayan MgO'nun bulunduğu oksit film) daha fazla nemi emebilir ve genellikle kaynak gözeneklerinin önemli nedenlerinden biri haline gelebilir.
Ayrıca, alüminyum ve alaşımları büyük bir doğrusal genleşme katsayısına ve güçlü bir termal iletkenliğe sahiptir ve kaynak sırasında eğilme deformasyonuna eğilimlidir. Bunlar da kaynak üretiminde oldukça zor problemlerdir. Aşağıda, test sırasında oluşan nispeten ciddi çatlakların derinlemesine bir analizi gerçekleştirilmektedir.
1. Alüminyum alaşımlı kaynaklı birleştirmelerde çatlaklar ve özellikleri
Alüminyum alaşım kaynaklama sürecinde, malzemelerin farklı türleri, özellikleri ve kaynak yapıları nedeniyle, kaynaklı birleşim yerlerinde çeşitli çatlaklar ortaya çıkabilir ve çatlakların şekli ve dağılım özellikleri çok karmaşıktır. Oluşturdukları parçalara göre, aşağıdaki iki tip çatlak formuna ayrılabilirler:
(1) Kaynak metalindeki çatlaklar: uzunlamasına çatlaklar, enine çatlaklar, krater çatlakları, kıl veya ark çatlakları, kök çatlakları ve mikro çatlaklar (özellikle çok katmanlı kaynaklarda).
(2) Isıdan etkilenen bölgedeki çatlaklar: kaynak ayağı çatlakları, laminer çatlaklar ve füzyon hattına yakın mikroskobik termal çatlaklar. Çatlak oluşumunun sıcaklık aralığına göre, sıcak çatlak ve soğuk çatlak olarak ayrılır. Sıcak çatlak, kaynak sırasında yüksek sıcaklıkta oluşur ve esas olarak tane sınırındaki alaşım elementlerinin ayrışmasından veya düşük erime noktalı maddelerin varlığından kaynaklanır.
Kaynak yapılacak metalin malzemesine bağlı olarak, sıcak çatlakların şekli, sıcaklık aralığı ve ana oluşum nedenleri de farklıdır. Sıcak çatlaklar üç kategoriye ayrılabilir: kristalleşme çatlakları, sıvılaşma çatlakları ve poligonal çatlaklar. Kristalleşme çatlakları esas olarak sıcak çatlaklarda üretilir. Kaynağın kristalleşme süreci sırasında, solidus hattına yakın, katılaşmış metalin büzülmesi nedeniyle, kalan sıvı metal zamanında doldurulamaz.
Taneler arası çatlama, esas olarak karbon çeliği, düşük alaşımlı çelik kaynakları ve daha fazla safsızlık içeren bazı alüminyum alaşımlarında oluşan katılaşma büzülme gerilimi veya dış kuvvet etkisi altında meydana gelir; sıvılaşma çatlakları, yüksek sıcaklıktaki tane sınırı katılaşması sırasında büzülme geriliminin etkisi altında ısıdan etkilenen bölgede ısıtılır.
Test sırasında, dolgu malzemesinin yüzeyi yeterince temizlenmediğinde, kaynaktan sonra kaynakta hala çok sayıda kapanım ve az miktarda gözenek olduğu bulundu. Üç test setinde, kaynak dolgu malzemesi döküm bir yapı olduğundan ve kapanımlar yüksek erime noktalı maddeler olduğundan, kaynaktan sonra kaynakta hala mevcut olacaktır;
Ayrıca, döküm yapısı nispeten seyrektir ve kristal su ve yağ kalitesi içeren bileşenleri emmesi kolay olan birçok delik vardır ve bu da kaynak işlemi sırasında gözenekler oluşturan faktörler haline gelir. Kaynak çekme gerilimi altında olduğunda, bu kapanımlar ve gözenekler genellikle mikro çatlakların oluşması için temel yerler haline gelir.
Mikroskopi ile yapılan daha ileri gözlemler, bu kapanımların ve gözenek kaynaklı mikro çatlakların birbirleriyle kesişme eğiliminde olduğunu ortaya koydu. Ancak, kapanımların zararlı etkisinin esas olarak çatlaklara neden olan bir gerilim yoğunlaşma kaynağı olarak mı yoksa çatlaklara neden olan kırılgan bir faz olarak mı ortaya çıktığına karar vermek hâlâ zordur.
Ayrıca alüminyum-magnezyum alaşımı kaynaklarındaki gözeneklerin kaynak metalinin çekme dayanımı üzerinde önemli bir etkisinin olmadığı genel olarak kabul edilmektedir.
Gözeneklilik kaynaklı mikro çatlakların sadece ikincil bir olgu mu olduğu, yoksa kaynakların çekme dayanımında önemli bir azalmaya neden olan ana faktörlerden biri mi olduğu konusu daha fazla araştırılmayı beklemektedir.
2. Sıcak çatlak oluşumu süreci
Şu anda, Prokhorov'un teorisinin sıcak çatlakların kaynaklanması teorisi hakkında yurtiçinde ve yurtdışında daha eksiksiz olduğu düşünülmektedir. Genel olarak, teori kristalin çatlakların oluşumunun esas olarak aşağıdaki üç hususa bağlı olduğuna inanmaktadır: kırılgan sıcaklık aralığının boyutu; bu sıcaklık aralığında alaşımın sünekliği ve kırılgan sıcaklık aralığında metalin deformasyon hızı.
Genellikle kırılgan sıcaklık aralığının büyüklüğüne ve bu sıcaklık aralığındaki süneklik değerine sıcak kaynak çatlaklarını üreten metalurjik faktör, kırılgan sıcaklık aralığındaki metalin deformasyon hızına ise mekanik faktör denir.
Kaynak işlemi, bir dizi dengesiz işlem işleminin sentezidir. Bu özellik esas olarak kaynaklı eklemin metal kırılmasının metalurjik ve mekanik faktörleriyle ilgilidir. Örneğin, kaynak işleminin ve metalurjik işlemin ürünleri fiziksel ve kimyasaldır. ve yapısal homojensizlik, cüruf ve kapanımlar, gaz elementleri ve aşırı doymuş konsantrasyonlardaki boşluklar, vb.
Bunların hepsi çatlakların başlaması ve gelişmesiyle yakından ilişkili metalurjik faktörlerdir. Mekanik faktörler açısından, belirli kısıtlama koşulları altında kaynak termal çevriminin özgül sıcaklık gradyanı ve soğuma hızı, kaynaklı eklemi karmaşık bir gerilim-şekil değiştirme durumuna sokacak ve böylece çatlakların başlaması ve gelişmesi için gerekli koşulları sağlayacaktır.
Kaynaklama sürecinde, metalurjik faktörler ve mekanik faktörlerin birleşik etkisi, metal bağlantısını güçlendirmek veya metal bağlantısını zayıflatmak olmak üzere iki hususa atfedilecektir. Soğutma sırasında kaynaklı birleştirmenin metalinde bir mukavemet bağlantısı kuruluyorsa, belirli sert kısıtlama koşulları altında uyumlu bir şekilde gerilebilir ve kaynak ve kaynak yakınındaki metal, uygulanan kısıtlama geriliminin ve içsel kalıntı geriliminin etkisine dayanabildiğinde, çatlakların oluşması kolay değildir. , kaynaklı birleştirmelerin metal çatlak duyarlılığı düşüktür,Tersine, stres tolere edilemediğinde, metaldeki mukavemet bağlantısı kolayca kesilir ve çatlaklar oluşur. Bu durumda, kaynaklı birleştirme metalinin çatlak duyarlılığı yüksektir. Kaynaklı birleştirme metali, kristalleşme ve katılaşma sıcaklığından başlar ve belirli bir oranda oda sıcaklığına kadar soğur ve çatlak duyarlılığı, deformasyon kapasitesi ve uygulanan gerilimin karşılaştırılması ve deformasyon direnci ve uygulanan gerilimin karşılaştırılmasıyla belirlenir.
Ancak soğutma işlemi sırasında, farklı sıcaklık aşamalarında, taneler arası mukavemet ve tane mukavemetinin farklı büyümesi nedeniyle, taneler arasında ve taneler içinde deformasyon dağılımı, gerilmenin neden olduğu difüzyon davranışı farklıdır ve gerilim konsantrasyonu farklıdır. Metal gevrekleşmesine neden olan koşullar ve faktörler farklıdır, kaynaklı eklemin özgül zayıf halkaları ve zayıflamasının faktörleri ve dereceleri de farklıdır.
Kaynaklı birleştirme metalinde çatlaklara neden olan metalurjik faktörler ve mekanik faktörler yakından ilişkilidir. Mekanik faktörlerdeki gerilim gradyanı, termal çevrim özellikleri tarafından belirlenen sıcaklık gradyanı ile ilişkilidir ve ikincisi, metalin termoplastik değişimi gibi metalin termal iletkenliği ile yakından ilişkilidir. Özellikler, termal genleşme ve mikro yapı dönüşümü gibi metalurjik faktörler, kaynaklı birleştirme metalinin gerilim-gerinim durumunda büyük ölçüde önemli bir rol oynar.
Ek olarak, sıcaklık azaldıkça ve soğutma hızı değiştikçe, metalurjik ve mekanik faktörler de değişmekte ve kaynaklı birleştirme metalinin mukavemeti farklı sıcaklık aralıklarında farklı olmaktadır. Örneğin, kristalleşme sıcaklık aralığı büyükse, katı faz hattı sıcaklığı düşüktür ve taneler arasında kalan düşük erime noktalı sıvı metalde gerilim yoğunlaşmasına neden olma olasılığı daha yüksektir, bu da katı faz metalinde çatlaklara neden olur;
Benzer şekilde sıcaklık azaldıkça, eğer büzülme miktarı büyükse, özellikle hızlı soğuma şartlarında, büzülme gerinim hızı yüksek ve gerilme-gerinim durumu daha şiddetli ise, çatlaklar vb. oluşmaya meyillidir.
Alüminyum alaşımlarının kaynaklanması sırasında kaynak metalinin katılaşması ve kristalleşmesinin sonraki aşamasında, düşük erime noktalı ötektik, kristallerin birleştiği merkezde sıkıştırılarak sözde "sıvı film" oluşturulur. Serbest büzülme büyük bir çekme gerilimi ürettiğinde, sıvı film bu sırada nispeten zayıf bir halka oluşturur ve çekme geriliminin etkisi altında zayıf bölgede çatlayarak bir çatlak oluşturabilir.
3. Sıcak çatlak oluşumunun mekanizması
Alüminyum alaşımları kaynaklanırken sıcak çatlakların oluşma olasılığının en yüksek olduğu zamanı incelemek amacıyla, alüminyum alaşımı kaynağı sırasında kaynak havuzunun kristalleşmesi üç aşamaya ayrılmıştır.
İlk aşama sıvı-katı aşamasıdır. Kaynak havuzu yüksek sıcaklıkta soğutmadan kristalleşmeye başladığında, yalnızca az sayıda kristal çekirdeği bulunur. Sıcaklığın azalması ve soğutma süresinin uzamasıyla, kristal çekirdeği kademeli olarak büyür ve yeni kristal çekirdeği ortaya çıkar, ancak bu süreçte sıvı faz her zaman büyük miktarda yer kaplar ve bitişik kristal taneleri arasında temas yoktur. Katılaşmamış sıvı alüminyum alaşımının serbest akışı bir engel oluşturmaz.
Bu durumda çekme gerilmesi olsa bile açılan boşluk zamanla akan alüminyum alaşımlı sıvı metal tarafından doldurulabileceğinden sıvı-katı aşamasında çatlak oluşma ihtimali çok azdır.
İkinci aşama katı-sıvı aşamasıdır. Kaynak erimiş havuzunun kristalleşmesi devam ettiğinde, erimiş havuzdaki katı faz artmaya devam eder ve daha önce kristalleşmiş çekirdekler büyümeye devam eder. Sıcaklık belirli bir değere düştüğünde, katılaşmış alüminyum alaşımlı metal Kristaller birbirleriyle temas halindedir ve sürekli olarak birlikte yuvarlanırlar. Bu sırada, sıvı alüminyum alaşımının akışı engellenir, yani erimiş havuzun kristalleşmesi katı-sıvı aşamasına girmiştir.
Bu durumda, sıvı alüminyum alaşımlı metal eksikliği nedeniyle, kristalin kendisinin deformasyonu güçlü bir şekilde gelişebilir, kristaller arasında kalan sıvı fazın akması kolay değildir ve çekme geriliminin etkisi altında oluşan küçük boşluklar, hafif bir Çekme geriliminin varlığı çatlaklar oluşturma potansiyeline sahip olduğu sürece doldurulamaz. Bu nedenle, bu aşamaya "kırılgan sıcaklık bölgesi" denir.
Üçüncü aşama tam katılaşma aşamasıdır. Erimiş havuz metali tamamen katılaştıktan sonra oluşan kaynak, çekme gerilimine maruz kaldığında iyi bir mukavemet ve plastiklik gösterecektir. Bu aşamada çatlak olasılığı nispeten düşüktür.
Bu nedenle, sıcaklık ab arasındaki kırılgan sıcaklık bölgesinden daha yüksek veya daha düşük olduğunda, kaynak metali kristalleşme çatlaklarına karşı daha fazla direnme yeteneğine ve daha küçük bir çatlak eğilimine sahiptir. Genel olarak, daha az safsızlığa sahip metaller (baz metal ve kaynak malzemeleri dahil) için, dar kırılgan sıcaklık aralığı nedeniyle, çekme gerilimi bu aralıkta kısa bir süre etki eder, böylece kaynağın toplam gerilmesi nispeten küçüktür.
Bu nedenle kaynak sırasında oluşan çatlakların eğilimi daha azdır. Kaynakta daha fazla safsızlık varsa, kırılgan sıcaklık aralığı daha geniştir, bu aralıktaki çekme gerilimi daha uzundur ve çatlama eğilimi daha büyüktür.
4. Alüminyum alaşımlı kaynak çatlaklarına yönelik önleme tedbirleri
Alüminyum alaşımlarının kaynaklanması sırasında oluşan sıcak çatlakların mekanizmasına bakıldığında, alüminyum alaşımlarının kaynaklanmasında sıcak çatlak oluşma olasılığını azaltmak için metalurjik faktörler ve proses faktörleri olmak üzere iki yönden iyileştirmeler yapılabilir.
Metalurjik faktörler açısından, kaynak sırasında taneler arası termal çatlakları önlemek için, esas olarak kaynak dikişi metal sistemini ayarlamak veya dolgu metaline bir değiştirici eklemek gerekir. Kaynak dikiş sistemini ayarlamanın odak noktası, çatlak direnci perspektifinden, uygun miktarda eriyebilir ötektik kontrol etmek ve kristalleşme sıcaklığı aralığını daraltmaktır.
Alüminyum alaşımları tipik ötektik alaşımlar olduğundan, maksimum çatlak eğilimi alaşımın "maksimum" katılaşma sıcaklığı aralığına karşılık gelir ve az miktarda ötektik bulunması her zaman katılaşma çatlak eğilimini artırır. Element içeriği, çatlak eğiliminin en büyük olduğu alaşım bileşimini aşar, böylece bir "iyileşme" etkisi meydana gelebilir.
Değiştirici olarak, tanecikleri incelterek plastisiteyi ve tokluğu iyileştirmek ve kaynak sıcak çatlaklarını önlemek amacıyla dolgu metaline Ti, Zr, V ve B gibi eser elementler eklendi ve sonuçlar elde edildi. Şekil 3, sert bindirmeli köşe kaynağı koşulunda değiştirici eklenmiş Al-4.5%Mg kaynak telinin çatlak direnci test sonuçlarını göstermektedir.
Testte eklenen Zr {{0}}.15% ve Ti+B ise %0.1'dir. Ti ve B'nin aynı anda eklenmesinin çatlak direncini önemli ölçüde artırabileceği görülebilir. Ti, Zr, V, B ve Ta gibi elementlerin ortak özelliği, refrakter metal bileşikleri (Al3Ti, Al3Zr, Al7V, AlB2, Al3Ta, vb.) oluşturmak için alüminyumla bir dizi peritektik reaksiyon oluşturabilmeleridir. Bu tür küçük refrakter parçacıklar, sıvı metal katılaştığında kendiliğinden olmayan katılaşma çekirdekleri haline gelebilir ve böylece tane inceltme etkisi üretebilir.
İşlem faktörleri, esas olarak kaynak özellikleri, ön ısıtma, birleştirme şekli ve kaynak sırası açısından, bu yöntemlerin hepsi kaynak çatlaklarını çözmek için kaynak gerilimine dayanmaktadır. Kaynak işlemi parametreleri katılaşma işleminin dengesizliğini ve katılaşma işleminin mikro yapı durumunu etkiler ve ayrıca katılaşma işlemi sırasında gerilme büyüme oranını etkileyerek çatlakların oluşumunu etkiler.
Yoğunlaştırılmış ısı enerjisiyle kaynak yöntemi, güçlü yönlülüğe sahip kaba sütunlu kristallerin oluşumunu önleyebilen ve böylece çatlak direncini iyileştirebilen hızlı kaynak işlemine elverişlidir. Küçük bir kaynak akımı kullanmak ve kaynak hızını yavaşlatmak, erimiş havuzun aşırı ısınmasını azaltabilir ve çatlak direncini iyileştirebilir.
Kaynak hızının artırılması, kaynaklı eklemin gerilme hızının artırılmasını teşvik eder, bu da sıcak çatlama eğilimini artırır. Kaynak hızının ve kaynak akımının artırılmasının çatlak eğiliminin artırılmasını teşvik ettiği görülebilir. Alüminyum yapının montajı ve kaynaklanması sırasında, kaynak dikişi büyük bir sertliğe maruz kalmaz ve parçalı kaynak, ön ısıtma veya kaynak hızının uygun şekilde azaltılması gibi önlemler süreçte benimsenebilir.
Ön ısıtma yoluyla, test parçasının göreceli genleşmesi daha küçük yapılabilir, kaynak gerilimi buna göre azaltılabilir ve kırılgan sıcaklık aralığındaki gerilim azaltılabilir; açık oluklar ve küçük boşluklarla uçtan kaynak yapmayı deneyin ve haç biçimli bağlantıların kullanımından ve uygunsuz konumlandırma ve kaynak sıralamasından kaçının; kaynak bittiğinde veya kesildiğinde, ark krateri zamanında doldurulmalı ve ardından ısı kaynağı kaldırılmalıdır, aksi takdirde kolayca ark krateri çatlaklarına neden olur. 5000 serisi alaşımlı çok katmanlı kaynağın kaynaklı bağlantıları için, genellikle taneler arası yerel erime nedeniyle mikro çatlaklar oluşur, bu nedenle kaynak boncuğunun bir sonraki katmanının ısı girişi kontrol edilmelidir.
Bu makaledeki teste göre, alüminyum alaşımının kaynaklanması için, temel metalin ve dolgu malzemesinin yüzey temizliği de çok önemlidir. Kaynakta malzeme eklenmesi çatlakların kaynağı ve kaynak performansının düşmesinin ana nedeni olacaktır.
