Difetti comuni nella saldatura laser di leghe di alluminio

Difetti comuni inSaldatura laser di leghe di alluminio

Sia che si tratti di saldatura autogena laser osaldatura ibrida laser-arcoviene utilizzato per le leghe di alluminio, ci sono alcuni problemi tecnici comuni, cioè possono verificarsi difetti se i parametri del processo e le condizioni di saldatura sono metallurgiciimproprio. IlI difetti di saldatura nelle giunzioni di leghe di alluminio comprendono principalmente due tipi: porosità e cricche a caldo. Oltre a porosità e cricche a caldo, nella saldatura laser di leghe di alluminio si riscontrano anche difetti come sottosquadri e scarsa formazione del lato posteriore. Rispetto alla porosità, la probabilità di cricche di saldatura (visibili a occhio nudo o con un basso ingrandimento) non è elevata. Tuttavia, poiché le cricche sono più pericolose, la norma JIS Z 3105 stabilisce che, una volta rilevata una cricca in una saldatura, quest'ultima deve essere classificata come Classe IV. Sottosquadri, scarsa formazione del lato posteriore e altri difetti sono per lo più difetti gravi causati da un controllo improprio della velocità o da parametri di processo non corrispondenti. Tali difetti si manifestano generalmente nella fase di esplorazione e messa a punto del processo e raramente si verificano nelle normali operazioni di produzione. Pertanto, la porosità è un tipo di difetto più dannoso nella saldatura laser di leghe di alluminio e nell'esercizio delle strutture saldate, ed è difficile da eliminare completamente.

1. Porosità

La porosità è il difetto di volume più comune e importante insaldatura laser di leghe di alluminiocon dimensioni che vanno da centinaia di micron a diversi millimetri. Il suo meccanismo di formazione non è ancora del tutto chiaro. La porosità non solo indebolisce la sezione di lavoro effettiva della saldatura, ma provoca anche una concentrazione di stress, riducendo la resistenza dinamica e le prestazioni a fatica del giunto saldato.

Quando una lega di alluminio fonde in un ambiente contenente idrogeno, il suo contenuto interno di idrogeno può raggiungere oltre 0,69 ml/100 g, ma dopo la solidificazione, la sua solubilità di idrogeno all'equilibrio è al massimo di 0,036 ml/100 g. Si ritiene generalmente che durante il processo di raffreddamento della saldatura laser, la solubilità dell'idrogeno diminuisca drasticamente e la precipitazione di idrogeno sovrasaturo formi porosità da idrogeno. Anche l'evaporazione di elementi di lega a basso punto di fusione e alta pressione di vapore può portare alla formazione di porosità, detta porosità metallurgica. Inoltre, le perturbazioni del raggio laser e l'instabilità del keyhole possono anch'esse generare porosità, ma tale porosità ha una forma irregolare e può essere definita porosità indotta dal processo. A causa dell'elevata reattività chimica delle leghe di alluminio, si forma facilmente uno strato di ossido sulla superficie. Durante la saldatura, l'acqua di cristallizzazione e l'acqua combinata che si decompongono dallo strato di ossido sulla superficie della lega di alluminio, insieme all'umidità presente nell'aria e al gas protettivo, si decompongono direttamente producendo idrogeno nell'area ad alta temperatura sotto l'azione del laser. Questi gas di idrogeno possono precipitare durante il raffreddamento e la solidificazione del bagno fuso formando bolle, oppure generarsi direttamente sullo strato di ossido non completamente fuso. A causa del basso peso specifico delle leghe di alluminio, la velocità di risalita delle bolle nel bagno fuso è lenta. Inoltre, le leghe di alluminio hanno un'elevata conducibilità termica e la velocità di raffreddamento e solidificazione del bagno fuso è estremamente rapida. Alcune bolle non riescono a fuoriuscire in tempo e rimangono nella saldatura, formando così porosità metallurgica. Studi hanno dimostrato che il gas principale presente nella porosità delle saldature di leghe di alluminio è l'idrogeno, pertanto la porosità nelle saldature di leghe di alluminio viene talvolta definita porosità da idrogeno. Osservando la frattura della porosità al microscopio elettronico a scansione, si nota che la porosità presenta per lo più una morfologia sferica con estremità dendritiche dei cristalli dendritici strettamente disposte, mentre la parete interna appare liscia, pulita e priva di tracce di ossidazione. La presenza di porosità non solo riduce la compattezza della saldatura e la capacità portante del giunto, ma ne diminuisce anche la resistenza e la plasticità in misura variabile.

2. Crepe calde

Le cricche a caldo (incluse le cricche di solidificazione e le cricche di liquefazione) si formano durante il processo di solidificazione del metallo fuso e rappresentano uno dei tipi di difetto più comuni nella saldatura laser delle leghe di alluminio. La caratteristica più evidente della morfologia di frattura delle cricche di solidificazione è che la superficie di frattura è composta da un'ampia area di strutture granulari lisce ma irregolari, simili a ciottoli o patate, e spesso conserva eutettici intergranulari a basso punto di fusione o pieghe del film liquido, nonché tracce di frattura fragile dei dendriti. La morfologia di frattura delle cricche di liquefazione è simile a quella delle cricche di solidificazione, ma presenta le caratteristiche di frattura intergranulare ad alta temperatura o frattura di solidificazione. Anche nella frattura da fatica dei giunti saldati per fusione sotto carico di fatica, le cricche da fatica causate da tali cricche a caldo sono comuni. Le cause delle cricche a caldo nella saldatura laser delle leghe di alluminio sono principalmente legate alle loro caratteristiche e ai processi di saldatura. Le leghe di alluminio presentano un elevato tasso di ritiro durante la solidificazione (fino al 5%), con conseguenti elevate sollecitazioni e deformazioni di saldatura; Inoltre, durante la solidificazione del metallo di saldatura, lungo i bordi dei grani si formano strutture eutettiche a basso punto di fusione, che indeboliscono la forza di legame dei bordi dei grani, formando così cricche a caldo sotto l'azione di sollecitazioni di trazione. In aggiunta, le morfologie delle cricche nella saldatura laser delle leghe di alluminio possono essere riassunte nelle seguenti categorie: cricche al centro della saldatura; cricche lungo la linea di fusione della saldatura; cricche intergranulari nelle saldature; cricche di liquefazione della zona termicamente alterata; cricche causate da film di ossido; e microcricche intergranulari.

Inoltre, una protezione inadeguata durante la saldatura provoca la reazione del metallo d'apporto con i gas presenti nell'aria, e le inclusioni che si formano sono potenziali fonti di cricche. Il tipo e la quantità di elementi di lega influenzano notevolmente la tendenza alla criccatura a caldo durante la saldatura di leghe di alluminio. In generale, le leghe di alluminio delle serie Al-Si e Al-Mn presentano una buona saldabilità e non tendono a produrre cricche a caldo; mentre le leghe di alluminio delle serie Al-Mg, Al-Cu e Al-Zn hanno una tendenza alla criccatura a caldo relativamente elevata. La tendenza alla criccatura a caldo può essere ridotta regolando i parametri del processo di saldatura per controllare le velocità di riscaldamento e raffreddamento. In generale, la tendenza alla criccatura a caldo della saldatura ibrida laser-arco è migliore di quella della saldatura laser con filo d'apporto, e la tendenza alla criccatura a caldo della saldatura laser con filo d'apporto è migliore di quella della saldatura laser autogena.

3. Sottosquadro e bruciatura

Le leghe di alluminio hanno una bassa energia di ionizzazione e il plasma fotoindotto è soggetto a surriscaldamento ed espansione durante la saldatura, con conseguente instabilità del processo. Inoltre, le leghe di alluminio liquide presentano una buona fluidità e una bassa tensione superficiale. Per migliorare la penetrazione, sono spesso necessari flussi di gas di protezione e potenze laser maggiori, il che compromette la stabilità del processo di saldatura, causando forti fluttuazioni del bagno fuso sotto pressione e portando facilmente a difetti come sottosquadri e perforazioni. La formabilità del lato posteriore delle piastre in lega di alluminio saldate al laser può essere efficacemente migliorata installando una piastra di rame raffreddata ad acqua sul retro della saldatura.

4. Inclusioni di scorie

Un altro tipo di difetto che si verifica frequentemente nella saldatura delle carrozzerie è l'inclusione di scorie di saldatura. Studi hanno dimostrato che le inclusioni di scorie derivano principalmente dagli ossidi presenti sulla superficie delle saldature e dei fili di saldatura, nonché da processi instabili nella localizzazione dei materiali in lega di alluminio. Pertanto, i produttori di materiali in lega di alluminio dovrebbero rafforzare l'innovazione tecnologica e migliorare i processi di fusione per ridurre al minimo il contenuto di impurità e idrogeno nelle materie prime e migliorare la stabilità qualitativa dei prodotti.