การเกิดขึ้นและการป้องกันข้อบกพร่องในการเชื่อมโลหะผสมแมกนีเซียม

1 คำนำ

โลหะผสมแมกนีเซียมไม่เพียงแต่มีน้ำหนักเบา มีความแข็งแรงสูง และมีราคาต่ำ แต่ยังมีการลดแรงสั่นสะเทือนที่ดี ความสามารถในการหล่อ การนำไฟฟ้า การป้องกันแม่เหล็กไฟฟ้า และการกระจายความร้อน และได้กลายเป็นวัสดุโลหะที่ต้องการสำหรับผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรมหลายประเภท ในปัจจุบัน โลหะผสมแมกนีเซียมถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในชิ้นส่วนที่มีความสามารถในการรับน้ำหนักน้อย เช่น โครงห้องนักบิน ตัวยึดอุปกรณ์ และดุมล้อในอุตสาหกรรมการบิน [1]

ด้วยการเปลี่ยนแปลงและอัปเกรดอุปกรณ์การผลิตขนาดใหญ่ที่ทันสมัย ​​ความต้องการชิ้นส่วนโครงสร้างแมกนีเซียมอัลลอยด์ที่มีน้ำหนักเบาจึงกลายเป็นเรื่องเร่งด่วนมาก อย่างไรก็ตาม มีข้อบกพร่องมากมายในการเชื่อมโลหะผสมแมกนีเซียม และเป็นเรื่องยากที่จะได้รอยเชื่อมที่มีคุณภาพการขึ้นรูปสูงและประสิทธิภาพที่ครอบคลุมสูง เอกสารนี้วิเคราะห์สาเหตุของข้อบกพร่องในการเชื่อมโลหะผสมแมกนีเซียมและเสนอมาตรการป้องกัน ซึ่งจะช่วยให้ความนิยมและการใช้วัสดุโลหะผสมแมกนีเซียม และมีความสำคัญเชิงปฏิบัติในด้านอุปกรณ์การผลิต

2 กระบวนการเชื่อมโลหะผสมแมกนีเซียม

กระบวนการเชื่อมทั่วไปสำหรับโลหะผสมแมกนีเซียม ได้แก่ การเชื่อมแบบฟิวชั่นและการเชื่อมแบบโซลิดเฟส การเชื่อมแบบฟิวชั่นส่วนใหญ่ประกอบด้วยการเชื่อมอาร์กอนทังสเตน การเชื่อมอาร์กอนโลหะ การเชื่อมลำแสงอิเล็กตรอน การเชื่อมด้วยเลเซอร์ และวิธีการอื่น ๆ และการเชื่อมเฟสของแข็งนั้นส่วนใหญ่เป็นการเชื่อมแบบกวนด้วยแรงเสียดทาน ในหมู่พวกเขา การเชื่อมแบบกวนด้วยแรงเสียดทานได้กลายเป็นวิธีการเชื่อมที่ได้รับความนิยม เนื่องจากข้อได้เปรียบของงานเตรียมก่อนการเชื่อมที่น้อยกว่า ไม่ต้องใช้ก๊าซป้องกันและวัสดุในการเชื่อม การเชื่อมทุกตำแหน่ง คุณสมบัติเชิงกลที่ดีของรอยเชื่อม และความเครียดหลังการเชื่อมเพียงเล็กน้อย การเปลี่ยนรูป อย่างไรก็ตาม การเชื่อมแบบกวนด้วยแรงเสียดทานมีข้อเสียตรงที่การเชื่อมต้องยึดแน่น ความเร็วในการเชื่อมต่ำ หัวกวนจะสึกเร็ว และรูกุญแจจะก่อตัวได้ง่ายที่ส่วนท้ายของรอยเชื่อม ซึ่งทำให้การเชื่อมแบบฟิวชันเป็นวิธีการเชื่อมทั่วไป .

3 การวิเคราะห์ข้อบกพร่องในการเชื่อมของโลหะผสมแมกนีเซียม

โลหะผสมแมกนีเซียมมีข้อเสีย เช่น ระเหยง่าย ออกซิเดชั่นง่าย ไนไตรด์ง่าย และความเครียดจากความร้อนสูง และมักแสดงข้อบกพร่องในการเชื่อมที่หลากหลายระหว่างการเชื่อม สาเหตุและมาตรการป้องกันข้อบกพร่องทั่วไป เช่น รูพรุน รอยแตกเนื่องจากความร้อน และการเสียรูป

3.1 ปากใบ

(1) สาเหตุของการเกิดรูพรุนมักปรากฏในรอยเชื่อมของรอยเชื่อมฟิวชัน ตัวอย่างเช่น รูปที่ 1 แสดงสัณฐานวิทยาของรูพรุนของรอยเชื่อมของข้อต่อเชื่อมอาร์กอนทังสเตนโลหะผสมแมกนีเซียม AZ91D แบบหล่อขึ้นรูปทั่วไป มีรูพรุนขนาดเล็กสองประเภทที่ครอบครองโดยก๊าซไฮโดรเจนและรูพรุนขนาดใหญ่ที่พันกันซึ่งถูกครอบงำด้วยไนโตรเจน [2 ]

การก่อตัวของรูพรุนมีสาเหตุหลักมาจากสองสาเหตุ หนึ่งคือก๊าซที่ไม่ละลายน้ำซึ่งเกิดจากปฏิกิริยาทางโลหะวิทยาในสระเชื่อมจะรวมตัวกันระหว่างผลึกเดนไดรต์ที่แข็งตัวและไม่สามารถระบายออกได้ง่ายเพื่อสร้างรูพรุน อีกประการหนึ่งเป็นเพราะสระเชื่อมดูดซับและละลายบางส่วน ในขั้นตอนการแข็งตัว ความสามารถในการละลายของก๊าซจะลดลงอย่างรวดเร็วเมื่ออุณหภูมิของสระหลอมเหลวลดลงอย่างรวดเร็ว และก๊าซจะรวมตัวกันได้ง่ายที่ด้านหน้าของเดนไดรต์ที่กำลังเติบโต ชั้นคริสตัล

ในระหว่างการเชื่อมฟิวชันของโลหะผสมแมกนีเซียม รูพรุนส่วนใหญ่มาจากไฮโดรเจนที่ละลายน้ำ ในขณะที่ไฮโดรเจนในบ่อหลอมเหลวส่วนใหญ่มาจากความชื้นรอบๆ โลหะฐาน ลวดเชื่อม หรือบรรยากาศของคอลัมน์อาร์ค โลหะผสมแมกนีเซียมมีค่าการนำความร้อนสูง และความเร็วในการแข็งตัวของบ่อหลอมเหลวนั้นเร็วมาก ทำให้ไฮโดรเจนหลุดออกไปและก่อตัวเป็นรูพรุน ในขณะเดียวกัน ฟิล์ม MgO ก็ก่อตัวได้ง่ายบนพื้นผิวของแมกนีเซียมอัลลอยด์ ปริมาณ Mg ที่มากขึ้นทำให้มี MgO มากขึ้น MgO จะหลวมกว่า Al2O3 และออกไซด์อื่นๆ และดูดซับน้ำและสร้างรูพรุนได้ง่ายกว่า

ในปัจจุบัน ความพรุนของรอยเชื่อมแบบป้องกันก๊าซเฉื่อยหลอมเหลว (MIG) มีค่าสูงที่สุด ทั้งนี้เนื่องจากการเชื่อมแบบ MIG ต้องอาศัยการหลอมลวดเชื่อมอย่างต่อเนื่อง และฟิล์มออกไซด์ในลวดเชื่อมจะละลายน้ำที่เกาะอยู่ในหยดอย่างแรง ส่งผลให้เกิดการเติมไฮโดรเจนในสระหลอมเหลว . การเชื่อมด้วยลำแสงอิเล็กตรอนและการเชื่อมด้วยเลเซอร์ยังมีความพรุนในแนวเชื่อม ซึ่งเป็นผลมาจากการป้อนความร้อนในการเชื่อมน้อยกว่าของทั้งสองวิธีนี้ อัตราการเย็นตัวที่เร็วขึ้นของสระหลอมเหลว และไฮโดรเจนในสระหลอมเหลวไม่มีเวลาที่จะหลบหนี

(2) มาตรการป้องกัน การบำบัดก่อนการเชื่อม: รวมการทำความสะอาดเชิงกลและการทำความสะอาดด้วยสารเคมีเพื่อขจัดฟิล์มออกไซด์และคราบน้ำมันบนพื้นผิวของโลหะฐานและลวดเชื่อมให้มากที่สุด ใช้วิธีการทำให้แห้งเพื่อขจัดความชื้นบนพื้นผิวของโลหะฐานและลวดเชื่อมออกให้มากที่สุด พยายามหลีกเลี่ยงการเชื่อมในสภาพแวดล้อม

การปรับพารามิเตอร์การเชื่อมให้เหมาะสม: พารามิเตอร์การเชื่อมอาจส่งผลต่อสภาวะการหลบหนีและการหลอมเหลวของก๊าซในบ่อหลอมเหลว เมื่อเงื่อนไขการหลบหนีดีกว่าเงื่อนไขการหลอมเหลว เป็นไปได้ที่จะลดความพรุน รูปที่ 2 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างแนวโน้มความพรุนของโลหะผสมอะลูมิเนียม-แมกนีเซียม LF6 และพารามิเตอร์การเชื่อม [3] กระแสเชื่อมที่มากขึ้นและความเร็วในการเชื่อมจะเอื้อต่อการลดความพรุน

บรรยากาศการป้องกันมีคุณสมบัติออกซิเดชันที่เหมาะสม: จากมุมมองของการป้องกันการละลายของไฮโดรเจน การเติม CO2 หรือ O2 จำนวนเล็กน้อยลงในก๊าซเฉื่อยที่ใช้สำหรับป้องกันการเชื่อม เช่น Ar และ He สามารถช่วยลดความพรุนได้

3.2 รอยแตกเนื่องจากความร้อน

(1) สาเหตุของการก่อตัว รอยร้าวจากความร้อนที่พบบ่อยที่สุดคือรอยร้าวจากการแข็งตัวและรอยร้าวเหลว รอยร้าวจากการแข็งตัวคือรอยแตกที่เกิดจากการแยกฟิล์มของเหลวที่เหลืออยู่ระหว่างโลหะเชื่อมเมื่ออุณหภูมิการแข็งตัวลดลงจนใกล้เส้นโซลิดัส รอยแตกเหลวคือการที่เฟสระหว่างคริสตัลไลน์ละลายเข้าไปในเฟสของเหลวเมื่อบริเวณใกล้รอยกรีดมีความร้อนสูงเกินไป และฟิล์มของเหลวจะแยกตัวและแตกออก ตัวอย่างเช่น รูปที่ 3 แสดงสถานะของรอยร้าวจากการแข็งตัวในแนวเชื่อมที่สอดคล้องกับความเร็วในการเชื่อมที่แตกต่างกันระหว่างการเชื่อมด้วยเลเซอร์ของแมกนีเซียมอัลลอยด์ ZK60 [4]

ในระหว่างกระบวนการเชื่อม แมกนีเซียมที่เป็นองค์ประกอบหลักจะทำปฏิกิริยากับธาตุต่างๆ เช่น อะลูมิเนียม ทองแดง นิกเกิล ฯลฯ ได้ง่าย เพื่อสร้างสารประกอบยูเทคติกที่มีจุดหลอมเหลวต่ำ ระหว่างการแข็งตัว ในช่วงอุณหภูมิที่เปราะ ยูเทคติกที่ไม่แข็งตัวเหล่านี้จะถูกกระจายไปตามธัญพืชในรูปของฟิล์มเหลว ซึ่งช่วยลดแรงยึดเหนี่ยวระหว่างเกรนได้อย่างมาก โลหะผสมแมกนีเซียมมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนสูง ซึ่งทำให้เกิดการเสียรูปทางความร้อนขนาดใหญ่ระหว่างการเชื่อม และจะมีความเค้นการหดตัวมากในระหว่างการแข็งตัว ฟิล์มเหลวตามขอบเกรนยากที่จะต้านทานความเครียดจากการหดตัวนี้ และง่ายต่อการแตกและเกิดรอยร้าวจากการแข็งตัว ในทำนองเดียวกัน การนำความร้อนและอัตราความเครียดของโลหะผสมแมกนีเซียมมีขนาดค่อนข้างใหญ่ และวัฏจักรความร้อนในการเชื่อมจะละลายเฟสระหว่างขอบเกรนใกล้กับรอยต่ออย่างรวดเร็ว และคุณสมบัติเชิงกลของขอบเกรนจะลดลง ซึ่งง่ายต่อการแตกภายใต้ ความเครียด.

(2) มาตรการป้องกัน ปรับเนื้อหาขององค์ประกอบในโลหะพื้นฐานและลวดเชื่อม: จำกัดเนื้อหาขององค์ประกอบที่แยกออกได้ง่ายและสิ่งเจือปนที่เป็นอันตรายในโลหะพื้นฐานและลวดเชื่อม และลดการแยกตัวในระดับมหภาคและการหลอมละลายต่ำในเฟสที่สองที่เกิดขึ้น ในการเชื่อม

การปรับพารามิเตอร์การเชื่อมให้เหมาะสม: โดยการเลือกความเร็วการเชื่อมที่เหมาะสม รูปที่ 4 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างรูปร่างของบ่อหลอมเหลวและความเร็วในการเชื่อม [3] เมื่อทำการเชื่อมด้วยความเร็วต่ำ สระหลอมเหลวจะเป็นรูปวงรี และคริสตัลเรียงเป็นแนวจะเติบโตตรงกลางแนวเชื่อมในรูปแบบก้างปลา ซึ่งไม่ใช่เรื่องง่ายที่จะแยกพื้นผิวที่อ่อนแอออกจากกัน และแนวโน้มของรอยแตกเนื่องจากความร้อนมีน้อย แต่เมื่อทำการเชื่อมด้วยความเร็วสูง สระหลอมเหลวจะมีรูปร่างคล้ายหยดน้ำตา และผลึกเรียงเป็นแนวคล้ายกับมัน จะเติบโตในแนวดิ่งจนถึงแนวแกนของแนวเชื่อม และง่ายต่อการสร้างพื้นผิวที่อ่อนแอในการแยกจากกันที่พื้นผิวการประชุม และแนวโน้ม ของการแตกร้าวเนื่องจากความร้อนมีมาก นอกจากนี้ยังสามารถปรับแต่งขนาดเกรนและลดขนาดเฟสระหว่างขอบเกรนโดยการลดความร้อนในการเชื่อมอย่างเหมาะสม และชะลอความเครียดของการแข็งตัวและการหดตัวของแนวเชื่อมโดยการลดอัตราการเย็นตัว ซึ่งทั้งหมดนี้สามารถลดการเกิด รอยแตกจากความร้อน

การควบคุมความยับยั้งชั่งใจอย่างสมเหตุสมผล: การควบคุมการยับยั้งชั่งใจ ความเครียดบนข้อต่อจะลดลงมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ตัวอย่างเช่น การเลือกลำดับการเชื่อมที่เหมาะสม เมื่อลำดับการเชื่อมไม่เหมาะสม รอยเชื่อม 2-3 ชิ้นสุดท้ายอาจอยู่ในสภาพที่มีการยึดเกาะมาก ยากที่จะหดตัวได้อย่างอิสระ ปริมาณของความเครียดจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก และมีแนวโน้มที่จะเกิดรอยร้าวได้

3.3 การเสียรูป

(1) สาเหตุของการเกิดโลหะผสมแมกนีเซียมมีค่าการนำความร้อนสูงและค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนสูง ดังนั้นอัตราการเย็นตัวของรอยเชื่อมจึงรวดเร็ว และบริเวณรอยต่อใกล้และโลหะฐานจะเสียรูปได้ง่ายจากความเครียดจากการหดตัว และรูปร่างสุดท้ายและ การเปลี่ยนแปลงขนาด ตัวอย่างเช่น รูปที่ 5 แสดงให้เห็นว่าโลหะผสมอะลูมิเนียม-แมกนีเซียมมีการเสียรูปแบบเว้า เนื่องจากแนวเชื่อมของหัวฉีดอยู่ใกล้กับแนวเชื่อมของกระบอกสูบมากเกินไป [5]

(2) มาตรการป้องกัน ปรับโครงสร้างการเชื่อมให้เหมาะสม: จัดตำแหน่งของรอยเชื่อมอย่างมีเหตุผล ตรวจสอบให้แน่ใจว่ารอยเชื่อมแต่ละอันมีพื้นที่กระจายความร้อนเพียงพอ และหลีกเลี่ยงการรวมตัวของรอยเชื่อมในพื้นที่มากเกินไป เลือกรูปร่างและขนาดของรอยเชื่อมที่เหมาะสม [6]

เพิ่มความแข็งแกร่งและการยึด: เมื่อเชื่อมแผ่นแมกนีเซียมอัลลอยด์ ให้ใช้ตัวยึดพิเศษ แท่งพยุง และอุปกรณ์อื่นๆ เพื่อยึดแผ่นแมกนีเซียมอัลลอยด์บนโต๊ะทำงาน หลังจากเย็นลงจนถึงอุณหภูมิห้องหลังการเชื่อม จะใช้วิธีการทุบเพื่อคลายความเค้นเชื่อมบางส่วน จากนั้นจึงนำการตรึงที่แข็งออก

การอุ่นก่อนการเชื่อม: การอุ่นก่อนการเชื่อมจะเพิ่มอุณหภูมิของโลหะฐานเพื่อให้แน่ใจว่าความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างโลหะเชื่อมและโลหะฐานโดยรอบระหว่างการเชื่อมจะลดลง ซึ่งจะช่วยลดความเครียดภายในของการหดตัวของแนวเชื่อม

เลือกลำดับการเชื่อมที่เหมาะสม: แบ่งส่วนประกอบออกเป็นหน่วยเล็กๆ หลายๆ หน่วยอย่างเหมาะสม เชื่อมหน่วยเล็กๆ แต่ละหน่วยแยกกัน แล้วเชื่อมหน่วยเล็กๆ โดยรวม เพื่อให้รอยเชื่อมที่ไม่สมมาตรหรือรอยเชื่อมที่มีการหดตัวมากสามารถหดตัวได้อย่างอิสระมากขึ้นโดยไม่มีการหดตัว ส่งผลต่อโครงสร้างทั้งหมด [7]

การควบคุมการป้องกันการเสียรูป: ประเมินขนาดและทิศทางของการเสียรูปในการเชื่อม จากนั้นตั้งค่าการเสียรูปเทียมในทิศทางตรงกันข้ามและขนาดที่เท่ากันระหว่างการประกอบการเชื่อม เพื่อให้การเสียรูปที่เกิดจากการเชื่อมสามารถชดเชยได้ด้วยการป้องกันการเสียรูปที่กำหนดไว้ล่วงหน้า

3.4 ข้อบกพร่องอื่นๆ

(1) รู รูมักจะปรากฏในรอยเชื่อมของรอยเชื่อมเสียดสี ตัวอย่างเช่น รูปที่ 6 แสดงข้อบกพร่องที่เป็นโมฆะในรอยเชื่อมแบบเสียดทานกวนของแมกนีเซียมอัลลอยด์ AZ31 [8] เมื่อทำการเชื่อมโลหะผสมแมกนีเซียม เมื่อความร้อนในการเชื่อมไม่เพียงพอ การเสียรูปพลาสติกของโลหะที่สะสมไว้จะไม่เพียงพอ การไหลตัวของวัสดุจะไม่ดี และด้านในของรอยเชื่อมจะไม่ปิดสนิท เกิดเป็นรู เมื่อป้อนความร้อนในการเชื่อมมากเกินไป หัวกวนจะเกิดขึ้น วัสดุเชื่อมที่ด้านไปข้างหน้าขยายตัวและล้น และวัสดุทดแทนไม่เพียงพอ เกิดเป็นรู เมื่อใช้หัวกวนแบบเสาหรือทรงกรวยที่ไม่มีเกลียว การเสียรูปพลาสติกของวัสดุในบริเวณรอยเชื่อมจะไม่เพียงพอ และเกิดรูได้ง่าย การเกิดข้อบกพร่องของรูสามารถหลีกเลี่ยงได้โดยการควบคุมความเร็วการเชื่อมและความเร็วการหมุนของหัวกวนอย่างเหมาะสมเพื่อปรับป้อนความร้อนในการเชื่อม หรือเลือกรูปทรงเรขาคณิตที่เหมาะสมของหัวกวน
รูปภาพ
รูปที่ 6 รูพรุนของความเสียดทานกวนรอยเชื่อมของโลหะผสมแมกนีเซียม AZ31 (AS คือด้านไปข้างหน้า RS คือด้านด้านหลัง)[8]
(2) การเผาไหม้ผ่าน มักเกิดในรอยเชื่อมของรอยเชื่อมฟิวชัน เนื่องจากจุดหลอมเหลวของแมกนีเซียมออกไซด์สูงและแมกนีเซียมอัลลอยด์มีจุดหลอมเหลวต่ำ จึงเป็นเรื่องยากที่จะหลอมรวมทั้งสองเข้าด้วยกันเมื่อประกอบเข้าด้วยกัน เมื่อเชื่อมแผ่นโลหะผสมแมกนีเซียม ยากที่จะสังเกตการหลอมละลาย เมื่อปริมาณความร้อนเพิ่มขึ้นจนถึงช่วงที่ไม่สมเหตุสมผล สีของแอ่งหลอมเหลวจะไม่เปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญ แต่โลหะที่ยังไม่หลอมละลายด้านล่างแอ่งหลอมเหลวไม่สามารถต้านทานความเครียดที่ได้รับ และเกิดการเผาไหม้ผ่านในเวลานี้ ทำความสะอาดพื้นผิวของโลหะผสมแมกนีเซียมให้ดีก่อนทำการเชื่อม และเชื่อมให้เร็วที่สุดหลังจากทำความสะอาดเพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดข้อบกพร่องจากการไหม้ นอกจากนี้ การปรับพารามิเตอร์การเชื่อมให้เหมาะสมเพื่อจำกัดความลึกของการเจาะ ยังสามารถหลีกเลี่ยงการไหม้ทะลุได้อีกด้วย

4 การวิเคราะห์กรณีทั่วไปของข้อบกพร่องในการเชื่อมในโลหะผสมแมกนีเซียม

แมกนีเซียมอัลลอยด์ GW63K หนา 6 มม. ถูกเชื่อมด้วยการเชื่อมด้วยเลเซอร์และการเชื่อมด้วยลำแสงอิเล็กตรอนตามลำดับ และลักษณะที่มองเห็นด้วยตาเปล่าของรอยเชื่อมแสดงในรูปที่ 7 และรูปที่ 8 ตามลำดับ รอยเชื่อมฟิวชันทั้งสองชนิดมีข้อบกพร่องที่เห็นได้ชัด เช่น การกระเด็นและรอยตัดอันเดอร์คัต ซึ่งเกิดจากจุดหลอมเหลวต่ำของโลหะผสมแมกนีเซียม ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนขนาดใหญ่ และการป้อนความร้อนในการเชื่อมขนาดใหญ่ สามารถใช้วิธีต่อไปเพื่อลดความร้อนในการเชื่อม การเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการ
รูปภาพ
รูปที่ 7 สัณฐานวิทยาในระดับมหภาคของรอยเชื่อมด้วยเลเซอร์ของแมกนีเซียมอัลลอยด์ GW63K
รูปภาพ
รูปที่ 8 สัณฐานวิทยาในระดับมหภาคของรอยเชื่อมลำแสงอิเล็กตรอนของแมกนีเซียมอัลลอยด์ GW63K