1 préambule
Les alliages de magnésium sont non seulement légers, à haute résistance et à bas prix, mais ont également un bon amortissement des vibrations, une coulabilité, une conductivité électrique, un blindage électromagnétique et une dissipation thermique, et sont devenus les matériaux métalliques préférés pour de nombreux produits industriels. À l'heure actuelle, les alliages de magnésium sont largement utilisés dans les composants à faible capacité portante tels que les cadres de cockpit, les supports d'équipement et les moyeux de roue dans l'industrie aéronautique [1].
Avec la transformation et la mise à niveau des équipements de fabrication modernes à grande échelle, la demande de pièces structurelles légères en alliage de magnésium est devenue très urgente. Cependant, il existe de nombreux défauts dans le soudage des alliages de magnésium et il est difficile d'obtenir des joints soudés avec une qualité de formage élevée et des performances globales élevées. Cet article analyse les causes des défauts de soudage des alliages de magnésium et propose des mesures préventives, qui peuvent aider à la vulgarisation et à l'application des matériaux en alliage de magnésium, et ont une signification pratique pour le domaine des équipements de fabrication.
2 Processus de soudage de l'alliage de magnésium
Les procédés de soudage courants pour les alliages de magnésium comprennent le soudage par fusion et le soudage en phase solide. Le soudage par fusion comprend principalement le soudage à l'arc tungstène-argon, le soudage à l'arc métal-argon, le soudage par faisceau d'électrons, le soudage laser et d'autres méthodes, et le soudage en phase solide est principalement le soudage par friction-malaxage. Parmi eux, le soudage par friction-malaxage est devenu une méthode de soudage préférée en raison de ses avantages de moins de travail de préparation avant le soudage, de l'absence de gaz de protection et de matériaux de soudage, du soudage toutes positions, des bonnes propriétés mécaniques des soudures et de la faible contrainte post-soudure. déformation. Cependant, le soudage par friction-malaxage présente les inconvénients que la soudure doit être fixée de manière rigide, la vitesse de soudage est faible, la tête d'agitation s'use rapidement et le trou de serrure est facile à former à la fin de la soudure, ce qui fait du soudage par fusion une méthode de soudage courante. .
3 Analyse des défauts de soudure de l'alliage de magnésium
Les alliages de magnésium présentent des inconvénients tels qu'une évaporation facile, une oxydation facile, une nitruration facile et une contrainte thermique importante, et présentent souvent une variété de défauts de soudage pendant le soudage. Les causes et les mesures préventives des défauts courants tels que les pores, les fissures thermiques et la déformation sont triées.
3.1 Stomates
(1) Causes de la formation Des pores apparaissent souvent dans la soudure du joint de soudage par fusion. Par exemple, la figure 1 montre la morphologie des pores du cordon de soudure d'un joint de soudage à l'arc ordinaire en alliage de magnésium AZ91D moulé sous pression argon tungstène. Il existe deux types de pores microscopiques dominés par l'hydrogène gazeux et les pores macroscopiques enchevêtrés dominés par l'azote [2].
La formation de pores est principalement attribuée à deux raisons : la première est que le gaz insoluble généré par la réaction métallurgique dans le bain de soudage se rassemble entre les cristaux de dendrite solidifiés et n'est pas facile à évacuer pour former des pores ; l'autre est que le bain de soudure en absorbe et en dissout. Au stade de la solidification, la solubilité du gaz diminue rapidement avec la chute brutale de la température du bain en fusion, et le gaz est facile à rassembler à l'avant des dendrites en croissance, formant des pores le long de la couche cristalline.
Lors du soudage par fusion d'alliages de magnésium, les pores proviennent principalement de l'hydrogène dissous, tandis que l'hydrogène dans le bain de fusion provient principalement de l'humidité autour du métal de base, du fil de soudage ou de l'atmosphère de la colonne d'arc. Les alliages de magnésium ont une forte conductivité thermique et la vitesse de solidification du bain en fusion est très rapide, provoquant la fuite d'hydrogène et la formation de pores. Dans le même temps, le film MgO est facile à former sur la surface de l'alliage de magnésium. Plus la teneur en Mg conduit à plus de MgO, MgO est plus lâche que Al2O3 et d'autres oxydes, et il est plus facile d'absorber l'eau et de former des pores.
À l'heure actuelle, la porosité des soudures sous protection sous gaz inerte fondu (MIG) est la plus élevée. En effet, le soudage MIG repose sur la fusion continue du fil de soudage et le film d'oxyde dans le fil de soudage dissoudra fortement l'eau attachée dans la gouttelette, entraînant une hydrogénation du bain en fusion. . Le soudage par faisceau d'électrons et le soudage au laser ont également plus de porosité dans la soudure, ce qui est dû au moindre apport de chaleur de soudage de ces deux méthodes, à la vitesse de refroidissement plus rapide du bain en fusion et à l'hydrogène dans le bain en fusion n'a pas le temps de s'échapper.
(2) Mesures préventives Traitement de pré-soudage : combiner le nettoyage mécanique et le nettoyage chimique pour éliminer autant que possible le film d'oxyde et les taches d'huile à la surface du métal de base et du fil de soudage ; utiliser des méthodes de séchage pour éliminer autant que possible l'humidité à la surface du métal de base et du fil de soudage ; essayez d'éviter le soudage dans l'environnement.
Optimisation des paramètres de soudage : Les paramètres de soudage peuvent affecter les conditions d'échappement et de fusion des gaz dans le bain de fusion. Lorsque les conditions d'échappement sont plus favorables que les conditions de fusion, il est possible de réduire la porosité. La figure 2 montre la relation entre la tendance à la porosité de l'alliage aluminium-magnésium LF6 et les paramètres de soudage [3]. Un courant de soudage et une vitesse de soudage plus importants sont propices à la réduction de la porosité.
L'atmosphère protectrice a des propriétés oxydantes appropriées : du point de vue de la prévention de la dissolution de l'hydrogène, l'ajout d'une petite quantité de CO2 ou d'O2 au gaz inerte utilisé pour la protection du soudage, comme Ar et He, peut aider à réduire la porosité.
3.2 Fissures thermiques
(1) Causes de formation Les fissures thermiques les plus courantes sont les fissures de solidification et les fissures de liquéfaction. Les fissures de solidification sont des fissures causées par la séparation du film liquide restant entre le métal fondu lorsque la température de solidification chute à proximité de la ligne de solidus. La fissure de liquéfaction est que la phase intercristalline fond dans la phase liquide lorsque la zone proche de la fente est surchauffée, et le film liquide se sépare et se fissure. Par exemple, la figure 3 montre l'état des fissures de solidification dans la soudure correspondant à différentes vitesses de soudage lors du soudage au laser de l'alliage de magnésium ZK60 [4].
Pendant le processus de soudage, l'élément d'alliage principal, le magnésium, réagit facilement avec des oligo-éléments tels que l'aluminium, le cuivre, le nickel, etc. pour former un composé eutectique à bas point de fusion. Lors de la solidification, dans le domaine des températures fragiles, ces eutectiques non solidifiés vont se répartir entre les grains sous la forme d'un film liquide, ce qui diminue fortement la force de liaison intergranulaire. L'alliage de magnésium a un grand coefficient de dilatation thermique, ce qui provoque une grande déformation thermique lors du soudage et sera soumis à une contrainte de retrait importante lors de la solidification. Le film liquide intergranulaire est difficile à résister à cette contrainte de retrait, et il est facile de se fissurer et de former des fissures de solidification. De la même manière, la conductivité thermique et le taux de déformation de l'alliage de magnésium sont relativement importants, et le cycle thermique de soudage fera rapidement fondre la phase intergranulaire près de la couture, et les propriétés mécaniques de la limite des grains diminueront, ce qui est facile à craquer sous stress.
(2) Mesures préventives Ajuster la teneur en éléments dans le métal de base et le fil à souder : limiter la teneur en éléments facilement ségrégables et en impuretés nocives dans le métal de base et le fil à souder, et minimiser la macro-ségrégation et les secondes phases à bas point de fusion qui se produisent dans la soudure.
Optimisation des paramètres de soudage : en choisissant une vitesse de soudage raisonnable, la figure 4 montre la relation entre la forme du bain de fusion et la vitesse de soudage [3]. Lors du soudage à basse vitesse, le bain de fusion est elliptique et les cristaux colonnaires se développent jusqu'au milieu de la soudure dans un motif à chevrons, ce qui n'est pas facile à former des surfaces faibles séparées, et la tendance aux fissures thermiques est faible ; mais lors du soudage à grande vitesse, le bain de fusion est en forme de larme, et les cristaux colonnaires sont similaires à Il se développe verticalement par rapport à l'axe de la soudure, et il est facile de former une surface faible de ségrégation à la surface de rencontre, et la tendance de la fissuration thermique est grande. Il est également possible d'affiner la taille des grains et de réduire la taille de la phase intergranulaire en réduisant de manière appropriée l'apport de chaleur de soudage, et de ralentir la déformation de la solidification et du retrait de la soudure en réduisant la vitesse de refroidissement, ce qui peut réduire l'apparition de fissures thermiques.
Contrôle raisonnable de la contention : En contrôlant la contention, la contrainte sur l'articulation est réduite autant que possible. Par exemple, choisir une séquence de soudage appropriée. Lorsque la séquence de soudage est incorrecte, les dernières soudures peuvent être dans un état de grande retenue, il est difficile de se rétracter librement, la quantité de déformation augmente considérablement et des fissures sont susceptibles de se produire.
3.3 Déformation
(1) Causes de formation Les alliages de magnésium ont une conductivité thermique élevée et un coefficient de dilatation thermique élevé, de sorte que la vitesse de refroidissement du cordon de soudure est rapide, et la zone proche du cordon et le métal de base sont facilement déformés par la contrainte de retrait, et la forme finale et changement de taille. Par exemple, la figure 5 montre qu'un alliage aluminium-magnésium présente une déformation concave car la soudure d'angle de la buse est trop proche de la soudure circulaire du cylindre [5].
(2) Mesures préventives Optimisez la structure de la soudure : organisez rationnellement la position des soudures, assurez-vous que chaque soudure dispose d'un espace de dissipation thermique suffisant et évitez une concentration excessive de soudures dans la zone ; sélectionner la forme et la taille appropriées des soudures [6].
Augmenter la rigidité et la fixation : lors du soudage de plaques en alliage de magnésium, utilisez des fixations spéciales, des tiges de support et d'autres dispositifs pour fixer les plaques en alliage de magnésium sur l'établi. Après refroidissement à température ambiante après le soudage, la méthode de martelage est utilisée pour libérer une partie de la contrainte de soudage, puis la fixation rigide est retirée.
Préchauffage avant le soudage : le préchauffage avant le soudage augmente la température du métal de base pour garantir que la différence de température entre le métal de soudure et le métal de base environnant pendant le soudage est réduite, réduisant ainsi la contrainte interne de retrait de soudage.
Choisissez une séquence de soudage raisonnable : divisez le composant en plusieurs petites unités de manière appropriée, soudez chaque petite unité séparément, puis soudez les petites unités dans leur ensemble, de sorte que les soudures asymétriques ou les soudures avec un retrait important puissent se contracter plus librement sans retrait. affectent toute la structure [7].
Contrôle anti-déformation : estimez la taille et la direction de la déformation de soudage, puis définissez des déformations artificielles avec des directions opposées et des tailles égales lors de l'assemblage par soudage, de sorte que la déformation générée par le soudage puisse être compensée par l'anti-déformation prédéfinie.
3.4 Autres défauts
(1) Trous Des trous apparaissent souvent dans la soudure des joints soudés par friction-malaxage. Par exemple, la figure 6 montre le défaut de vide dans le joint de soudage par friction malaxage de l'alliage de magnésium AZ31 [8]. Lors du soudage d'alliages de magnésium, lorsque l'apport de chaleur de soudage est insuffisant, la déformation plastique du métal déposé sera insuffisante, la fluidité du matériau sera médiocre et l'intérieur de la soudure ne sera pas complètement fermé, formant des trous; lorsque l'apport de chaleur de soudage est trop important, la tête d'agitation sera provoquée. Le matériau de soudure du côté avant se dilate et déborde, et le remblai est insuffisant, formant des trous ; lorsqu'une tête d'agitation colonnaire ou conique sans filetage est utilisée, la déformation plastique du matériau dans la zone de soudure est insuffisante et des trous se forment facilement. L'apparition de défauts de trou peut être évitée en contrôlant raisonnablement la vitesse de soudage et la vitesse de rotation de la tête d'agitation pour ajuster l'apport de chaleur de soudage, ou en choisissant la géométrie appropriée de la tête d'agitation.
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Fig.6 Défaut de pore du joint soudé par friction-malaxage de l'alliage de magnésium AZ31 (AS est le côté avant, RS est le côté arrière)[8]
(2) Brûlage Le brûlage se produit souvent dans le cordon de soudure du joint de soudage par fusion. En raison du point de fusion élevé de l'oxyde de magnésium et du faible point de fusion de l'alliage de magnésium, il est difficile de fusionner les deux lorsqu'ils sont attachés ensemble. Lorsque la tôle en alliage de magnésium est soudée, il est difficile d'observer la fusion de la soudure. Une fois que l'apport de chaleur atteint une plage déraisonnable, la couleur du bain en fusion ne change pas de manière significative, mais le métal non fondu sous le bain en fusion ne peut pas résister à la contrainte qu'il reçoit et une brûlure se produit à ce moment. Faites un bon travail de nettoyage de la surface de l'alliage de magnésium avant le soudage et soudez dès que possible après le nettoyage pour éviter l'apparition de défauts de brûlure. De plus, en optimisant les paramètres de soudage pour limiter la profondeur de pénétration, le burn-through peut également être évité.
4 Analyse de cas typique de défauts de soudage dans les alliages de magnésium
L'alliage de magnésium GW63K de 6 mm d'épaisseur a été soudé respectivement par soudage au laser et soudage par faisceau d'électrons, et l'aspect macroscopique du cordon de soudure est illustré aux Fig. 7 et Fig. 8 respectivement. Les deux types de joints de soudage par fusion présentent des défauts évidents tels que des éclaboussures et des contre-dépouilles, qui sont causés par le faible point de fusion de l'alliage de magnésium, un coefficient de dilatation thermique élevé et un apport de chaleur de soudage important. Des méthodes ultérieures peuvent être utilisées pour réduire l'apport de chaleur de soudage. Optimisation du processus.
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Fig.7 Morphologie macroscopique du joint soudé au laser de l'alliage de magnésium GW63K
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Fig.8 Morphologie macroscopique du joint soudé par faisceau d'électrons de l'alliage de magnésium GW63K
