1 lời mở đầu
Hợp kim magie không chỉ nhẹ, độ bền cao, giá thành rẻ mà còn có khả năng giảm rung tốt, tính đúc, tính dẫn điện, che chắn điện từ và tản nhiệt, đã trở thành vật liệu kim loại được ưa chuộng cho nhiều sản phẩm công nghiệp. Hiện nay, hợp kim magie được sử dụng rộng rãi trong các chi tiết có khả năng chịu lực nhỏ như khung buồng lái, giá đỡ thiết bị, trục bánh xe trong ngành hàng không [1].
Với việc chuyển đổi và nâng cấp các thiết bị sản xuất quy mô lớn hiện đại, nhu cầu về các bộ phận kết cấu hợp kim magiê nhẹ đã trở nên rất cấp thiết. Tuy nhiên, có nhiều khuyết điểm trong quá trình hàn hợp kim magiê và rất khó để có được các mối hàn có chất lượng tạo hình cao và hiệu suất toàn diện cao. Bài báo này phân tích nguyên nhân gây ra các khuyết tật khi hàn hợp kim magie và đề xuất các biện pháp phòng ngừa, giúp ích cho việc phổ biến và ứng dụng vật liệu hợp kim magie, đồng thời có ý nghĩa thiết thực đối với lĩnh vực chế tạo thiết bị.
2 Quy trình hàn hợp kim magie
Các quy trình hàn phổ biến cho hợp kim magiê bao gồm hàn nóng chảy và hàn pha rắn. Hàn nhiệt hạch chủ yếu bao gồm hàn hồ quang argon vonfram, hàn hồ quang argon kim loại, hàn chùm tia điện tử, hàn laze và các phương pháp khác, và hàn pha rắn chủ yếu là hàn khuấy ma sát. Trong số đó, hàn ma sát khuấy đã trở thành phương pháp hàn được ưa chuộng do ưu điểm của nó là ít công việc chuẩn bị trước khi hàn, không cần khí bảo vệ và vật liệu hàn, hàn ở mọi vị trí, tính chất cơ học của mối hàn tốt và ứng suất sau hàn nhỏ. sự biến dạng. Tuy nhiên, hàn khuấy ma sát có nhược điểm là mối hàn phải cố định cứng, tốc độ hàn thấp, đầu khuấy nhanh mòn và dễ hình thành lỗ khóa ở cuối mối hàn, khiến hàn nóng chảy trở thành phương pháp hàn phổ biến. .
3 Phân tích khuyết tật hàn của hợp kim magie
Hợp kim magiê có những nhược điểm như dễ bay hơi, dễ oxy hóa, dễ thấm nitơ, ứng suất nhiệt lớn và thường xuất hiện nhiều khuyết tật hàn trong quá trình hàn. Các nguyên nhân và biện pháp phòng ngừa các khuyết tật phổ biến như lỗ rỗng, vết nứt do nhiệt và biến dạng được sắp xếp.
3.1 Khí khổng
(1) Nguyên nhân hình thành Lỗ rỗng thường xuất hiện trong mối hàn của mối hàn nóng chảy. Ví dụ, Hình 1 cho thấy hình thái lỗ rỗng của đường hàn của mối hàn hồ quang argon vonfram hợp kim magie đúc khuôn thông thường AZ91D. Có hai loại lỗ chân lông vi mô chiếm ưu thế bởi khí hydro và lỗ chân lông vĩ mô rối rắm chiếm ưu thế bởi nitơ [2 ].
Sự hình thành lỗ chân lông chủ yếu là do hai nguyên nhân: một là khí không hòa tan được tạo ra bởi phản ứng luyện kim trong vũng hàn tập trung giữa các tinh thể dendrite đã đông đặc và không dễ thải ra ngoài để tạo thành lỗ chân lông; hai là do vũng hàn hấp thụ và hòa tan một số Trong giai đoạn hóa rắn, độ hòa tan của khí giảm nhanh khi nhiệt độ bể nóng chảy giảm mạnh và khí dễ dàng tập trung ở phía trước của các sợi nhánh đang phát triển, tạo thành các lỗ dọc theo lớp tinh thể.
Trong quá trình hàn hợp kim magiê, các lỗ rỗng chủ yếu đến từ hydro hòa tan, trong khi hydro trong bể nóng chảy chủ yếu đến từ độ ẩm xung quanh kim loại cơ bản, dây hàn hoặc khí quyển cột hồ quang. Hợp kim magie có tính dẫn nhiệt mạnh, tốc độ hóa rắn của bể nóng chảy rất nhanh, khiến hydro thoát ra ngoài và hình thành lỗ rỗng. Đồng thời, màng MgO dễ hình thành trên bề mặt hợp kim magie. Hàm lượng Mg càng nhiều dẫn đến càng nhiều MgO, MgO lỏng hơn Al2O3 và các oxit khác, dễ hút nước và hình thành lỗ xốp.
Hiện tại, độ xốp của các mối hàn hàn được bảo vệ bằng khí trơ nóng chảy (MIG) là cao nhất. Điều này là do hàn MIG dựa vào sự nóng chảy liên tục của dây hàn và màng oxit trong dây hàn sẽ hòa tan mạnh nước kèm theo thành giọt, dẫn đến hydro hóa vũng nóng chảy. . Hàn chùm tia điện tử và hàn laser cũng có độ xốp hơn trong mối hàn, đó là do hai phương pháp này cung cấp nhiệt hàn ít hơn, tốc độ làm mát của bể nóng chảy nhanh hơn và hydro trong bể nóng chảy không có thời gian thoát ra ngoài.
(2) Các biện pháp phòng ngừa Xử lý trước khi hàn: kết hợp làm sạch cơ học và làm sạch hóa học để loại bỏ màng oxit và vết dầu trên bề mặt kim loại cơ bản và dây hàn càng nhiều càng tốt; sử dụng các phương pháp làm khô để loại bỏ tối đa độ ẩm trên bề mặt kim loại cơ bản và dây hàn; cố gắng tránh Hàn trong môi trường.
Tối ưu hóa các thông số hàn: Các thông số hàn có thể ảnh hưởng đến điều kiện thoát khí và nóng chảy trong vũng nóng chảy. Khi điều kiện thoát thuận lợi hơn điều kiện nóng chảy thì có thể làm giảm độ xốp. Hình 2 cho thấy mối quan hệ giữa xu hướng độ xốp của hợp kim nhôm-magiê LF6 và các thông số hàn [3]. Dòng điện hàn và tốc độ hàn lớn hơn có lợi cho việc giảm độ xốp.
Khí quyển bảo vệ có đặc tính oxy hóa thích hợp: Từ góc độ ngăn chặn sự hòa tan hydro, thêm một lượng nhỏ CO2 hoặc O2 vào khí trơ dùng để bảo vệ mối hàn như Ar và He có thể giúp giảm độ xốp.
3.2 Vết nứt do nhiệt
(1) Nguyên nhân hình thành Các vết nứt nhiệt phổ biến nhất là vết nứt đông đặc và vết nứt hóa lỏng. Vết nứt hóa rắn là vết nứt gây ra bởi sự tách lớp màng chất lỏng còn lại giữa kim loại mối hàn khi nhiệt độ hóa rắn giảm xuống gần đường rắn. Vết nứt hóa lỏng là pha giữa các tinh thể tan chảy vào pha lỏng khi khu vực gần khe bị quá nóng và màng chất lỏng tách ra và nứt ra. Ví dụ, Hình 3 cho thấy tình trạng các vết nứt đông đặc trong mối hàn tương ứng với các tốc độ hàn khác nhau trong quá trình hàn laser hợp kim magiê ZK60 [4].
Trong quá trình hàn, nguyên tố hợp kim chính magie dễ dàng phản ứng với các nguyên tố vi lượng như nhôm, đồng, niken, v.v. để tạo thành hợp chất eutectic có điểm nóng chảy thấp. Trong quá trình hóa rắn, trong phạm vi nhiệt độ giòn, các eutectic chưa hóa rắn này sẽ được phân bố giữa các hạt dưới dạng màng chất lỏng, làm giảm nghiêm trọng lực liên kết giữa các hạt. Hợp kim magiê có hệ số giãn nở nhiệt lớn, gây biến dạng nhiệt lớn trong quá trình hàn và sẽ chịu ứng suất co ngót lớn trong quá trình hóa rắn. Màng chất lỏng giữa các hạt rất khó chống lại ứng suất co ngót này, rất dễ bị nứt và hình thành các vết nứt đông đặc. Đồng thời, độ dẫn nhiệt và tốc độ biến dạng của hợp kim magiê tương đối lớn, chu kỳ nhiệt hàn sẽ nhanh chóng làm tan chảy pha giữa các hạt gần đường nối, tính chất cơ học của ranh giới hạt sẽ giảm, dễ bị nứt dưới nhấn mạnh.
(2) Biện pháp phòng ngừa Điều chỉnh hàm lượng các nguyên tố trong kim loại cơ bản và dây hàn: hạn chế hàm lượng các nguyên tố dễ phân ly và tạp chất có hại trong kim loại cơ bản và dây hàn, đồng thời hạn chế tối đa xảy ra giai đoạn hai phân ly vĩ mô và nhiệt độ nóng chảy thấp. trong mối hàn.
Tối ưu hóa các thông số hàn: bằng cách lựa chọn tốc độ hàn hợp lý, Hình 4 thể hiện mối quan hệ giữa hình dạng vũng nóng chảy và tốc độ hàn [3]. Khi hàn ở tốc độ thấp, vũng nóng chảy có hình elip và các tinh thể cột phát triển đến giữa mối hàn theo hình xương cá, không dễ hình thành các bề mặt yếu tách biệt và xu hướng nứt do nhiệt nhỏ; nhưng khi hàn ở tốc độ cao, vũng nóng chảy có hình giọt nước và các tinh thể dạng cột tương tự như Nó phát triển theo phương thẳng đứng đối với trục của mối hàn, và rất dễ tạo thành bề mặt yếu phân tách tại bề mặt gặp nhau, và xu hướng nứt nhiệt lớn. Cũng có thể tinh chỉnh kích thước hạt và giảm kích thước pha giữa các hạt bằng cách giảm thích hợp đầu vào nhiệt hàn và làm chậm sự biến dạng của quá trình hóa rắn và co ngót của mối hàn bằng cách giảm tốc độ làm mát, tất cả đều có thể làm giảm sự xuất hiện của vết nứt nhiệt.
Kiểm soát hạn chế hợp lý: Bằng cách kiểm soát hạn chế, sức căng trên khớp được giảm càng nhiều càng tốt. Ví dụ, chọn một trình tự hàn thích hợp. Khi trình tự hàn không đúng, một vài mối hàn cuối cùng có thể ở trạng thái hạn chế lớn, khó co lại tự do, lượng biến dạng tăng đáng kể và dễ xảy ra các vết nứt.
3.3 Biến dạng
(1) Nguyên nhân hình thành Hợp kim magie có tính dẫn nhiệt cao và hệ số giãn nở nhiệt lớn nên tốc độ nguội của đường hàn nhanh, khu vực gần đường hàn và kim loại cơ bản dễ bị biến dạng do ứng suất co ngót, hình dạng cuối cùng bị biến dạng. thay đổi kích thước. Ví dụ, Hình 5 cho thấy hợp kim nhôm-magiê có biến dạng lõm do mối hàn góc của vòi quá gần với mối hàn chu vi của hình trụ [5].
(2) Biện pháp phòng ngừa Tối ưu hóa kết cấu mối hàn: bố trí hợp lý vị trí các mối hàn, đảm bảo mỗi mối hàn có đủ không gian tản nhiệt, tránh tập trung quá nhiều mối hàn trong khu vực; chọn hình dạng và kích thước mối hàn thích hợp [6].
Tăng độ cứng và cố định: Khi hàn các tấm hợp kim magie, hãy sử dụng đồ gá đặc biệt, thanh đỡ và các thiết bị khác để cố định các tấm hợp kim magie trên bàn làm việc. Sau khi làm nguội đến nhiệt độ phòng sau khi hàn, phương pháp búa được sử dụng để giải phóng một phần ứng suất hàn, sau đó loại bỏ cố định cứng.
Làm nóng sơ bộ trước khi hàn: Làm nóng sơ bộ trước khi hàn làm tăng nhiệt độ của kim loại cơ bản để đảm bảo giảm chênh lệch nhiệt độ giữa kim loại hàn và kim loại cơ bản xung quanh trong quá trình hàn, do đó làm giảm ứng suất bên trong của co ngót hàn.
Chọn một trình tự hàn hợp lý: Chia thành phần thành nhiều đơn vị nhỏ một cách thích hợp, hàn từng đơn vị nhỏ riêng biệt, sau đó hàn toàn bộ các đơn vị nhỏ, để các mối hàn không đối xứng hoặc mối hàn có độ co ngót lớn có thể co lại tự do hơn mà không bị co ngót. ảnh hưởng đến toàn bộ cấu trúc [7].
Kiểm soát chống biến dạng: Ước tính kích thước và hướng của biến dạng hàn, sau đó đặt các biến dạng nhân tạo có hướng ngược lại và kích thước bằng nhau trong quá trình lắp ráp hàn, để biến dạng do hàn tạo ra có thể được bù đắp bằng khả năng chống biến dạng đặt trước.
3.4 Các khuyết tật khác
(1) Lỗ Lỗ thường xuất hiện trong mối hàn của mối hàn ma sát khuấy. Ví dụ, Hình 6 cho thấy khuyết tật rỗng trong đường hàn ma sát khuấy của hợp kim magie AZ31 [8]. Khi hàn các hợp kim magiê, khi đầu vào nhiệt hàn không đủ, biến dạng dẻo của kim loại lắng đọng sẽ không đủ, tính lưu động của vật liệu sẽ kém và bên trong mối hàn sẽ không được đóng lại hoàn toàn, tạo thành các lỗ; khi đầu vào nhiệt hàn quá lớn, sẽ gây ra đầu khuấy. Vật liệu hàn ở phía trước nở ra và tràn ra ngoài, lấp đầy không đủ, tạo thành lỗ; khi sử dụng đầu khuấy hình trụ hoặc hình nón không có ren, biến dạng dẻo của vật liệu trong khu vực mối hàn là không đủ và các lỗ dễ dàng hình thành. Có thể tránh sự xuất hiện của các khuyết tật lỗ bằng cách kiểm soát hợp lý tốc độ hàn và tốc độ quay của đầu khuấy để điều chỉnh đầu vào nhiệt hàn hoặc chọn hình dạng thích hợp của đầu khuấy.
hình ảnh
Fig.6 Khuyết tật lỗ rỗng của mối hàn ma sát khuấy hợp kim magie AZ31 (AS là mặt trước, RS là mặt sau)[8]
(2) Hiện tượng cháy khét Hiện tượng cháy qua thường xảy ra ở đường hàn của mối hàn nóng chảy. Do nhiệt độ nóng chảy cao của oxit magiê và nhiệt độ nóng chảy thấp của hợp kim magiê, rất khó để kết hợp cả hai khi chúng được gắn với nhau. Khi hàn tấm hợp kim magie, rất khó quan sát thấy mối hàn nóng chảy. Khi đầu vào nhiệt tăng đến một phạm vi không hợp lý, màu sắc của bể nóng chảy không thay đổi đáng kể, nhưng kim loại chưa được nấu chảy bên dưới bể nóng chảy không thể chống lại ứng suất mà nó nhận được và xảy ra hiện tượng đốt cháy vào thời điểm này. Làm tốt công việc làm sạch bề mặt của hợp kim magiê trước khi hàn và hàn càng sớm càng tốt sau khi làm sạch để tránh xảy ra các khuyết tật do cháy. Ngoài ra, bằng cách tối ưu hóa các thông số hàn để hạn chế độ sâu ngấu, cũng có thể tránh được hiện tượng cháy xuyên.
4 Phân tích trường hợp điển hình về khuyết tật hàn trong hợp kim magiê
Hợp kim magie GW63K dày 6 mm được hàn tương ứng bằng phương pháp hàn laze và hàn bằng tia điện tử, và hình dạng vĩ mô của đường hàn được thể hiện tương ứng trong Hình 7 và Hình 8. Hai loại đường hàn nóng chảy có các khuyết tật rõ ràng như bắn tóe và cắt xén, nguyên nhân là do điểm nóng chảy của hợp kim magiê thấp, hệ số giãn nở nhiệt lớn và đầu vào nhiệt hàn lớn. Các phương pháp tiếp theo có thể được sử dụng để giảm đầu vào nhiệt hàn. Tối ưu hóa quá trình.
hình ảnh
Hình 7 Hình thái vĩ mô của đường hàn laze của hợp kim magiê GW63K
hình ảnh
Fig.8 Hình thái vĩ mô của đường hàn tia điện tử của hợp kim magiê GW63K
