פגמים נפוצים בריתוך לייזר בסגסוגת אלומיניום

פגמים נפוצים בריתוך בלייזר מסגסוגת אלומיניום

בין אם ריתוך אוטוגני בלייזר אוריתוך היברידי בקשת לייזרמשמש לסגסוגות אלומיניום, ישנן כמה בעיות טכניות נפוצות, כלומר, פגמים עלולים להתרחש אם פרמטרי התהליך ותנאי הריתוך הם מטלורגיים.לא תקין. הפגמים בחיבורי סגסוגת אלומיניום כוללים בעיקר שני סוגים: נקבוביות ריתוך וסדקים חמים בריתוך. בנוסף לנקבוביות ולסדקים חמים, פגמים כגון חתך תחתון ויצירת צד אחורי ירודה קיימים גם בריתוך לייזר של סגסוגות אלומיניום. בהשוואה לנקבוביות ריתוך, ההסתברות לסדקים בריתוך (הנראים לעין בלתי מזוינת או בהגדלה נמוכה) אינה גבוהה. עם זאת, מכיוון שסדקים מסוכנים יותר, JIS Z 3105 קובע כי לאחר גילוי סדק בריתוך, הריתוך ייחשב כמחלקה IV. חתך תחתון, יצירת צד אחורי ירודה ופגמים אחרים הם לרוב פגמים חמורים הנגרמים מבקרת מהירות לא נכונה או פרמטרי תהליך לא תואמים. פגמים כאלה מופיעים בדרך כלל בשלב חקירת התהליך וניפוי שגיאות, ורק לעתים רחוקות מתרחשים בפעולות ייצור רגילות בפועל. לכן, נקבוביות היא סוג של פגם המזיק יותר בריתוך לייזר של סגסוגות אלומיניום ובשירות של מבנים מרותכים, וקשה לבטל אותו באופן מהותי.

1. נקבוביות

נקבוביות היא פגם הנפח הנפוץ והמשמעותי ביותר בריתוך לייזר של סגסוגות אלומיניום, עם גדלים הנעים בין מאות מיקרונים לכמה מילימטרים. מנגנון היווצרותו עדיין אינו ברור לחלוטין. נקבוביות לא רק מחלישה את מקטע העבודה האפקטיבי של הריתוך, אלא גם גורמת לריכוז מאמץ, מה שמפחית את החוזק הדינמי ואת ביצועי העייפות של החיבור המרותך.

כאשר סגסוגת אלומיניום נמסה בסביבה המכילה מימן, תכולת המימן הפנימית שלה יכולה להגיע ליותר מ-0.69 מ"ל/100 גרם, אך לאחר שהסגסוגת מתמצקת, מסיסות המימן שלה בשיווי משקל היא לכל היותר 0.036 מ"ל/100 גרם. מקובל לחשוב שבמהלך תהליך הקירור של ריתוך לייזר, מסיסות המימן יורדת בחדות, ושקיעת מימן רווי-על תיצור נקבוביות מימן. אידוי של יסודות סגסוגת בעלי נקודת התכה נמוכה ולחץ אדים גבוה עלול גם הוא להוביל לנקבוביות, הנקראת נקבוביות מטלורגית. בנוסף, הפרעה של קרן הלייזר וחוסר היציבות של חור המנעול יכולים גם הם ליצור נקבוביות, אך לנקבוביות כזו יש צורה לא סדירה וניתן לכנותה נקבוביות מושרה על ידי התהליך. בשל הפעילות הכימית הגבוהה של סגסוגות אלומיניום, נוצר בקלות סרט תחמוצת על פני השטח. במהלך הריתוך, מי הגביש והמים המשולבים המתפרקים מסרט התחמוצת על פני סגסוגת האלומיניום, יחד עם הלחות באוויר וגז המגן, מתפרקים ישירות ליצירת מימן באזור הטמפרטורה הגבוהה תחת פעולת הלייזר. גזי מימן אלה עשויים להיווצר במהלך קירור והתמצקות של בריכת המותכת וליצור בועות, או ליצור בועות ישירות על סרט התחמוצת שלא נמס לחלוטין. בשל המשקל הסגולי הנמוך של סגסוגות אלומיניום, מהירות העלייה של הבועות בבריכת המותכת היא איטית. בנוסף, לסגסוגות אלומיניום יש מוליכות תרמית חזקה, ומהירות הקירור והתמצקות של בריכת המותכת היא מהירה ביותר. חלק מהבועות אינן יכולות לברוח בזמן ולהישאר בריתוך, ובכך ליצור נקבוביות מטלורגית. מחקרים הראו שהגז העיקרי בנקבוביות של ריתוכים מסגסוגת אלומיניום הוא מימן, ולכן הנקבוביות בריתוכים מסגסוגת אלומיניום נקראת לעיתים נקבוביות מימן. כאשר צופים בשבר הנקבוביות תחת מיקרוסקופ אלקטרונים סורק, הנקבוביות מציגה לרוב מורפולוגיה כדורית עם קצוות דנדריטים מסודרים היטב של גבישים דנדריטיים, והדופן הפנימית חלקה, נקייה וחפה מעקבות חמצון. קיומה של נקבוביות לא רק מפחית את הקומפקטיות של הריתוך ואת כושר הנשיאה של החיבור, אלא גם מפחית את החוזק והפלסטיות של החיבור בדרגות שונות.

2. סדקים חמים

סדקים חמים (כולל סדקי התמצקות וסדקי נזילות) נוצרים במהלך תהליך ההתמצקות של מתכת מותכת והם אחד מסוגי הפגמים הנפוצים בריתוך לייזר של סגסוגות אלומיניום. המאפיין הבולט ביותר של מורפולוגיית השבר של סדקי התמצקות הוא שמשטח השבר מורכב משטח גדול של אבן מרצפת גרגירית חלקה אך לא אחידה או מבנים דמויי תפוח אדמה, והמשטח לרוב שומר על חומרים אאוטקטיים בין-גרגיריים בעלי נקודת התכה נמוכה או קפלי סרט נוזלי, כמו גם עקבות של שבר שביר של דנדריטים. מורפולוגיית השבר של סדקי התמצקות דומה לזו של סדקי התמצקות, אך יש לה את המאפיינים של שבר בין-גרגירי בטמפרטורה גבוהה או שבר התמצקות. בשבר עייפות של חיבורים מרותכים בהיתוך תחת עומס עייפות, מקורות סדקי עייפות הנגרמים מסדקים חמים כאלה נפוצים גם כן. הגורמים לסדקים חמים בריתוך לייזר של סגסוגות אלומיניום קשורים בעיקר למאפיינים שלהם ולתהליכי הריתוך שלהם. לסגסוגות אלומיניום יש קצב הצטמקות גדול במהלך ההתמצקות (עד 5%), וכתוצאה מכך מאמץ ריתוך ועיוות גדולים; בנוסף, נוצרים מבנים אאוטקטיים בעלי נקודת התכה נמוכה לאורך גבולות הגרעינים במהלך התמצקות מתכת הריתוך, מה שמחליש את כוח ההדבקה של גבולות הגרעינים, ובכך יוצר סדקים חמים תחת פעולת מאמץ מתיחה. בנוסף, ניתן לסכם את מורפולוגיות הסדקים בריתוך לייזר של סגסוגות אלומיניום לקטגוריות הבאות: סדקים במרכז הריתוך; סדקים בקו היתוך הריתוך; סדקים בין-גרגיריים בריתוכים; סדקי הנזלה באזור מושפע חום; סדקים הנגרמים משכבות תחמוצת; ומיקרו-סדקים בין-גרגיריים.

בנוסף, הגנה לקויה במהלך הריתוך גורמת למתכת הריתוך להגיב עם גזים באוויר, והתכלילים הנוצרים הם גם מקורות פוטנציאליים לסדקים. לסוג ולכמות של יסודות הסגסוגת יש השפעה רבה על הנטייה לסדיקה חמה במהלך ריתוך סגסוגות אלומיניום. באופן כללי, סגסוגות אלומיניום מסדרות Al-Si ו-Al-Mn בעלות יכולת ריתוך טובה ואינן יוצרות בקלות סדקים חמים; בעוד שסגסוגות אלומיניום מסדרות Al-Mg, Al-Cu ו-Al-Zn בעלות נטייה גבוהה יחסית לסדיקה חמה. ניתן להפחית את הנטייה לסדיקה חמה על ידי התאמת פרמטרי תהליך הריתוך כדי לשלוט בקצבי החימום והקירור. באופן כללי, הנטייה לסדיקה חמה של ריתוך היברידי בקשת לייזר טובה יותר מזו של ריתוך חוטי מילוי בלייזר, ונטיית הסדיקה החמה של ריתוך חוטי מילוי בלייזר טובה יותר מזו של ריתוך אוטוגני בלייזר.

3. חיתוך תחתון וצריבה

לסגסוגות אלומיניום יש אנרגיית יינון נמוכה, ופלזמה המושרה על ידי אור נוטה להתחממות יתר ולהתפשטות במהלך הריתוך, מה שמביא לתהליכי ריתוך לא יציבים. בנוסף, לסגסוגות אלומיניום נוזליות יש נזילות טובה ומתח פנים נמוך. כדי לשפר את החדירה, נדרשים לעתים קרובות קצב זרימת גז מגן ועוצמת פלט לייזר גדולים יותר, מה שפוגע ביציבות תהליך הריתוך, וגורם לבריכה המותכת לנוע באלימות תחת לחץ ולגרום בקלות לפגמים כמו חיתוך תחתון ושחיקה. ניתן לשפר ביעילות את יכולת העיצוב האחורית של לוחות סגסוגת אלומיניום מרותכים בלייזר על ידי התקנת לוח נחושת מקורר במים על גב הריתוך.

4. הכללת סיגים

סוג נוסף של פגם המתרחש לעתים קרובות בריתוך מרכבי רכב הוא הכללת סיגים בריתוך. מחקרים הראו כי הכללת סיגים נובעת בעיקר מתחמוצות על פני השטח של חומרי ריתוך וחוטי ריתוך, כמו גם מתהליכים לא יציבים בלוקליזציה של חומרי סגסוגת אלומיניום. לכן, יצרני חומרי סגסוגת אלומיניום צריכים לחזק את החדשנות הטכנולוגית ולשפר את תהליכי היציקה כדי למזער את תכולת הזיהומים והמימן בחומרי הגלם ולשפר את יציבות האיכות של המוצרים.