Defectos comunes en la soldadura láser de aleaciones de aluminio

Defectos comunes enSoldadura láser de aleación de aluminio

Ya sea soldadura autógena láser osoldadura híbrida láser-arcoSe utiliza para aleaciones de aluminio, existen algunos problemas técnicos comunes, es decir, pueden ocurrir defectos si los parámetros del proceso y las condiciones de soldadura son metalúrgicos.inapropiado. ElLos defectos en las uniones de aleación de aluminio incluyen principalmente dos tipos: porosidad de soldadura y grietas en caliente. Además de la porosidad y las grietas en caliente, también existen defectos como socavación y mala formación de la cara posterior en la soldadura láser de aleaciones de aluminio. En comparación con la porosidad de soldadura, la probabilidad de grietas de soldadura (visibles a simple vista o con baja magnificación) no es alta. Sin embargo, debido a que las grietas son más peligrosas, la norma JIS Z 3105 estipula que, una vez detectada una grieta en una soldadura, esta se clasificará como Clase IV. La socavación, la mala formación de la cara posterior y otros defectos son, en su mayoría, defectos graves causados ​​por un control de velocidad inadecuado o parámetros de proceso incorrectos. Estos defectos generalmente aparecen en la etapa de exploración y depuración del proceso, y rara vez ocurren en las operaciones de producción reales normales. Por lo tanto, la porosidad es un tipo de defecto más perjudicial en la soldadura láser de aleaciones de aluminio y en el servicio de estructuras soldadas, y es difícil de eliminar por completo.

1. Porosidad

La porosidad es el defecto de volumen más común e importante ensoldadura láser de aleaciones de aluminioCon tamaños que van desde cientos de micras hasta varios milímetros. Su mecanismo de formación aún no se comprende del todo. La porosidad no solo debilita la sección de trabajo efectiva de la soldadura, sino que también provoca concentración de tensiones, reduciendo la resistencia dinámica y el rendimiento a la fatiga de la unión soldada.

Cuando una aleación de aluminio se funde en un entorno que contiene hidrógeno, su contenido interno de hidrógeno puede alcanzar más de 0,69 ml/100 g, pero después de que la aleación se solidifica, su solubilidad de hidrógeno en equilibrio es como máximo 0,036 ml/100 g. Generalmente se cree que durante el proceso de enfriamiento de la soldadura láser, la solubilidad del hidrógeno cae bruscamente, y la precipitación de hidrógeno sobresaturado formará porosidad de hidrógeno. La evaporación de elementos de aleación de bajo punto de fusión y alta presión de vapor también puede dar lugar a porosidad, que se denomina porosidad metalúrgica. Además, la perturbación del haz láser y la inestabilidad del orificio también pueden formar porosidad, pero dicha porosidad tiene una forma irregular y puede denominarse porosidad inducida por el proceso. Debido a la alta actividad química de las aleaciones de aluminio, se forma fácilmente una película de óxido en la superficie. Durante la soldadura, el agua cristalina y el agua combinada que se descomponen de la película de óxido en la superficie de la aleación de aluminio, junto con la humedad del aire y el gas protector, se descomponen directamente para producir hidrógeno en la zona de alta temperatura bajo la acción del láser. Estos gases de hidrógeno pueden precipitar durante el enfriamiento y la solidificación del baño de fusión para formar burbujas, o bien generar burbujas directamente en la película de óxido parcialmente fundida. Debido a la baja densidad de las aleaciones de aluminio, la velocidad de ascenso de las burbujas en el baño de fusión es lenta. Además, las aleaciones de aluminio tienen una alta conductividad térmica, y la velocidad de enfriamiento y solidificación del baño de fusión es extremadamente rápida. Algunas burbujas no pueden escapar a tiempo y permanecen en la soldadura, formando así porosidad metalúrgica. Los estudios han demostrado que el principal gas en la porosidad de las soldaduras de aleación de aluminio es el hidrógeno, por lo que la porosidad en las soldaduras de aleación de aluminio a veces se denomina porosidad de hidrógeno. Al observar la fractura de la porosidad bajo un microscopio electrónico de barrido, se aprecia que esta presenta principalmente una morfología esférica con extremos dendríticos de cristales dendríticos densamente dispuestos, y que la pared interna es lisa, limpia y libre de rastros de oxidación. La presencia de porosidad no solo reduce la compacidad de la soldadura y la capacidad de carga de la unión, sino que también disminuye su resistencia y plasticidad en diversos grados.

2. Grietas calientes

Las grietas calientes (incluidas las grietas de solidificación y las grietas de licuación) se forman durante el proceso de solidificación del metal fundido y son uno de los tipos de defectos comunes en la soldadura láser de aleaciones de aluminio. La característica más obvia de la morfología de fractura de las grietas de solidificación es que la superficie de fractura está compuesta por una gran área de estructuras granulares lisas pero irregulares en forma de adoquín o patata, y la superficie a menudo conserva eutécticos intergranulares de bajo punto de fusión o pliegues de película líquida, así como rastros de fractura frágil de dendritas. La morfología de fractura de las grietas de licuación es similar a la de las grietas de solidificación, pero tiene las características de fractura intergranular de alta temperatura o fractura de solidificación. En la fractura por fatiga de las uniones soldadas por fusión bajo carga de fatiga, las fuentes de grietas de fatiga causadas por tales grietas calientes también son comunes. Las causas de las grietas calientes en la soldadura láser de aleaciones de aluminio están relacionadas principalmente con sus propias características y procesos de soldadura. Las aleaciones de aluminio tienen una gran tasa de contracción durante la solidificación (hasta un 5%), lo que resulta en una gran tensión y deformación de soldadura; Además, durante la solidificación del metal de soldadura, se forman estructuras eutécticas de bajo punto de fusión a lo largo de los límites de grano, lo que debilita la fuerza de unión de dichos límites y, por consiguiente, provoca grietas en caliente bajo la acción de la tensión. Asimismo, las morfologías de las grietas en la soldadura láser de aleaciones de aluminio se pueden clasificar en las siguientes categorías: grietas en el centro de la soldadura; grietas en la línea de fusión de la soldadura; grietas intergranulares en las soldaduras; grietas por licuefacción en la zona afectada por el calor; grietas causadas por películas de óxido; y microgrietas intergranulares.

Además, una protección deficiente durante la soldadura provoca que el metal de soldadura reaccione con los gases del aire, y las inclusiones formadas también constituyen posibles fuentes de agrietamiento. El tipo y la cantidad de elementos de aleación influyen considerablemente en la tendencia al agrietamiento en caliente durante la soldadura de aleaciones de aluminio. Generalmente, las aleaciones de aluminio de las series Al-Si y Al-Mn presentan buena soldabilidad y no son propensas a agrietarse en caliente; mientras que las aleaciones de aluminio de las series Al-Mg, Al-Cu y Al-Zn tienen una tendencia relativamente alta al agrietamiento en caliente. Esta tendencia puede reducirse ajustando los parámetros del proceso de soldadura para controlar las velocidades de calentamiento y enfriamiento. En general, la tendencia al agrietamiento en caliente de la soldadura híbrida láser-arco es mejor que la de la soldadura láser con alambre de aporte, y esta última es mejor que la de la soldadura láser autógena.

3. Socavar y quemar

Las aleaciones de aluminio tienen baja energía de ionización, y el plasma fotoinducido tiende a sobrecalentarse y expandirse durante la soldadura, lo que resulta en procesos de soldadura inestables. Además, las aleaciones de aluminio líquidas presentan buena fluidez y baja tensión superficial. Para mejorar la penetración, a menudo se requiere un mayor caudal de gas protector y una mayor potencia de salida del láser, lo que deteriora la estabilidad del proceso de soldadura, provocando que el baño de fusión fluctúe violentamente bajo presión y generando fácilmente defectos como socavaduras y perforaciones. La conformabilidad de la cara posterior de las placas de aleación de aluminio soldadas con láser puede mejorarse eficazmente instalando una placa de cobre refrigerada por agua en la parte posterior de la soldadura.

4. Inclusión de escoria

Otro tipo de defecto frecuente en la soldadura de carrocerías es la inclusión de escoria. Diversos estudios han demostrado que esta inclusión proviene principalmente de óxidos en la superficie de las soldaduras y los alambres de soldadura, así como de procesos inestables en la localización de las aleaciones de aluminio. Por lo tanto, los fabricantes de aleaciones de aluminio deben fortalecer la innovación tecnológica y mejorar los procesos de fundición para minimizar el contenido de impurezas e hidrógeno en las materias primas y aumentar la estabilidad de la calidad de los productos.