서문 1개
마그네슘 합금은 가볍고 고강도이며 가격이 저렴할 뿐만 아니라 진동 감쇠성, 주조성, 전기 전도성, 전자파 차폐성, 방열성이 우수하여 많은 산업 제품에 선호되는 금속 재료가 되었습니다. 현재 마그네슘 합금은 항공 산업에서 조종석 프레임, 장비 브래킷 및 휠 허브와 같은 작은 지지력을 가진 부품에 널리 사용됩니다[1].
현대적인 대규모 제조 장비의 변형 및 업그레이드로 인해 경량 마그네슘 합금 구조 부품에 대한 수요가 매우 시급해졌습니다. 그러나 마그네슘 합금의 용접에는 많은 결함이 있으며 높은 성형 품질과 높은 종합 성능을 가진 용접 조인트를 얻기가 어렵습니다. 본 논문은 마그네슘합금 용접불량의 원인을 분석하고 예방대책을 제시함으로써 마그네슘합금 소재의 대중화 및 응용에 도움을 줄 수 있으며, 제조장비 분야에서 실질적인 의의를 갖는다.
2 마그네슘 합금의 용접 공정
마그네슘 합금의 일반적인 용접 공정에는 융합 용접과 고상 용접이 포함됩니다. 융합 용접에는 주로 텅스텐 아르곤 아크 용접, 금속 아르곤 아크 용접, 전자 빔 용접, 레이저 용접 및 기타 방법이 포함되며 고체상 용접은 주로 마찰 교반 용접입니다. 그 중 마찰교반접합은 용접전 준비작업이 적고 차폐가스 및 용접재료가 필요 없으며, 전자세용접, 용접물의 기계적 성질이 양호하고 용접후 응력이 작은 장점이 있어 선호하는 용접방법이 되었다. 흉한 모습. 그러나 마찰교반용접은 용접물을 견고하게 고정해야 하고, 용접속도가 느리고, 교반헤드가 빨리 마모되며, 용접끝에 키홀이 쉽게 형성되어 퓨전용접이 일반적인 용접방법이라는 단점이 있다. .
3 마그네슘합금의 용접결함 분석
마그네슘 합금은 쉽게 증발하고, 쉽게 산화되고, 쉽게 질화되고, 큰 열응력과 같은 단점을 가지고 있으며, 종종 용접시 다양한 용접 결함을 나타낸다. 기공, 열균열, 변형 등 일반적인 결함의 원인과 예방조치를 정리한다.
3.1 기공
(1) 형성 원인 융착 접합부의 용접부에 기공이 자주 생긴다. 예를 들어, 그림 1은 일반 다이캐스팅 AZ91D 마그네슘 합금 아르곤 텅스텐 아크 용접 조인트의 용접 심의 기공 형태를 보여줍니다. 수소 가스에 의해 지배되는 미세한 기공과 질소에 의해 지배되는 얽힌 거시적 기공의 두 가지 유형이 있습니다[2].
기공의 형성은 주로 두 가지 이유에 기인합니다. 하나는 용접 풀에서 금속 반응에 의해 생성된 불용성 가스가 응고된 덴드라이트 결정 사이에 모이고 기공을 형성하기 위해 배출하기 쉽지 않다는 것입니다. 다른 하나는 용접 풀이 일부를 흡수하고 용해하기 때문입니다. 응고 단계에서 용융 풀 온도의 급격한 하락으로 가스 용해도가 급격히 감소하고 가스가 성장하는 수상 돌기의 전면에 모이기 쉽기 때문에 결정층.
마그네슘 합금의 용융 용접 시 기공은 주로 용존 수소에서 발생하는 반면 용융 풀의 수소는 주로 모재 주변의 수분, 용접 와이어 또는 아크 기둥 분위기에서 발생합니다. 마그네슘 합금은 열전도율이 강하고 용융 풀의 응고 속도가 매우 빨라 수소가 빠져 나가 기공을 형성합니다. 동시에 MgO 피막은 마그네슘 합금 표면에 쉽게 형성됩니다. Mg 함량이 많을수록 MgO가 많아지고 MgO는 Al2O3 및 기타 산화물보다 느슨해지며 물을 흡수하고 기공을 형성하기 쉽습니다.
현재 용융 불활성 가스 차폐 용접(MIG) 용접의 다공성이 가장 높습니다. 이는 MIG 용접이 용접 와이어의 지속적인 용융에 의존하고 용접 와이어의 산화막이 부착된 물을 액적에 강력하게 용해시켜 용융 풀의 수소화를 일으키기 때문입니다. . 전자 빔 용접과 레이저 용접은 또한 용접에 더 많은 기공이 있는데, 이는 이 두 가지 방법의 용접 열 입력이 적고 용융 풀의 냉각 속도가 빠르며 용융 풀의 수소가 탈출할 시간이 없기 때문입니다.
(2) 예방 조치 용접 전 처리: 기계적 세척과 화학적 세척을 결합하여 모재 및 용접 와이어 표면의 산화 피막 및 오일 얼룩을 최대한 제거합니다. 모재 및 용접 와이어 표면의 수분을 최대한 제거하기 위해 건조 방법을 사용하십시오. 환경에서 용접을 피하십시오.
용접 매개변수 최적화: 용접 매개변수는 용융 풀에서 가스가 빠져나가고 녹는 조건에 영향을 줄 수 있습니다. 탈출 조건이 용융 조건보다 유리할 때 기공률을 감소시킬 수 있다. 그림 2는 LF6 알루미늄-마그네슘 합금의 다공성 경향과 용접 매개변수 사이의 관계를 보여줍니다[3]. 더 큰 용접 전류와 용접 속도는 다공성 감소에 도움이 됩니다.
보호 분위기는 적절한 산화 특성을 가지고 있습니다. 수소 용해 방지의 관점에서 Ar 및 He와 같은 용접 보호에 사용되는 불활성 가스에 소량의 CO2 또는 O2를 추가하면 다공성을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.
3.2 열균열
(1) 생성 원인 열균열 중 가장 흔한 것은 응고균열과 액화균열이다. 응고균열은 응고온도가 고상선 부근까지 떨어질 때 용접금속 사이에 남아있는 액막이 분리되어 발생하는 균열이다. 액화 균열은 슬릿 근처 영역이 과열되면 결정간 상이 액상으로 녹아 액막이 분리되어 균열되는 현상입니다. 예를 들어, 그림 3은 ZK60 마그네슘 합금의 레이저 용접 중에 서로 다른 용접 속도에 해당하는 용접부의 응고 균열 상태를 보여줍니다[4].
용접 공정 중에 주요 합금 원소인 마그네슘은 알루미늄, 구리, 니켈 등과 같은 미량 원소와 쉽게 반응하여 저융점 공융 화합물을 형성합니다. 응고하는 동안 취성 온도 범위에서 이러한 응고되지 않은 공융은 액체 필름 형태로 입자 사이에 분포되어 입자 간 결합력을 심각하게 감소시킵니다. 마그네슘 합금은 열팽창 계수가 커서 용접 중에 큰 열 변형을 일으키고 응고 중에 큰 수축 응력을 받게 됩니다. 입계 액막은 이러한 수축 응력에 저항하기 어렵고 균열 및 응고 균열을 형성하기 쉽습니다. 같은 방식으로 마그네슘 합금의 열전도율과 변형률은 상대적으로 크고 용접 열 사이클은 이음새 근처의 입계상을 빠르게 녹이고 입계의 기계적 성질이 감소하여 균열이 생기기 쉽습니다. 스트레스.
(2) 예방 조치 모재 및 용접 와이어의 원소 함량 조정 : 모재 및 용접 와이어에 편석되기 쉬운 원소 및 유해한 불순물의 함량을 제한하고, 발생하는 매크로 편석 및 저융점 2상을 최소화합니다. 용접에서.
용접 매개변수 최적화: 적절한 용접 속도를 선택하여 그림 4는 용융 풀의 모양과 용접 속도 사이의 관계를 보여줍니다[3]. 저속 용접시 용융 풀은 타원형이며 주상 결정이 헤링본 패턴으로 용접 중앙으로 성장하여 편석 약한 표면을 형성하기 쉽지 않으며 열 균열 경향이 작습니다. 그러나 고속용접시 용융풀은 눈물방울 모양으로 주상정이 유사하다. 열균열이 크다. 또한 용접 입열량을 적절히 줄임으로써 입도를 미세화하고 입계상 크기를 줄일 수 있으며, 냉각 속도를 줄임으로써 용접의 응고 및 수축 변형을 늦출 수 있으며, 이 모든 것이 발생을 줄일 수 있습니다. 열 균열.
구속의 합리적인 제어: 구속을 제어함으로써 관절에 가해지는 부담을 최대한 줄입니다. 예를 들어 적절한 용접 순서를 선택합니다. 용접 순서가 부적절하면 마지막 몇 개의 용접이 큰 구속 상태에 있을 수 있으며 자유롭게 수축하기 어렵고 변형량이 크게 증가하며 균열이 발생하기 쉽습니다.
3.3 변형
(1) 형성 원인 마그네슘 합금은 열전도율이 높고 열팽창 계수가 크기 때문에 용접 이음부의 냉각 속도가 빠르고 용접 이음부 부근과 모재가 수축 응력에 의해 쉽게 변형되며 최종 형상 및 크기 변경. 예를 들어, 그림 5는 알루미늄-마그네슘 합금이 노즐의 필렛 용접이 실린더의 둘레 용접에 너무 가깝기 때문에 오목한 변형이 있음을 보여줍니다[5].
(2) 예방 조치 용접 구조 최적화: 용접 위치를 합리적으로 배치하고 각 용접에 충분한 방열 공간이 있는지 확인하고 해당 영역에 용접이 과도하게 집중되지 않도록 합니다. 용접부의 적절한 모양과 크기를 선택합니다[6].
강성 및 고정 증가: 마그네슘 합금 판을 용접할 때 특수 고정 장치, 지지대 및 기타 장치를 사용하여 작업대에 마그네슘 합금 판을 고정하십시오. 용접 후 상온으로 식힌 후 해머링법을 이용하여 용접응력의 일부를 풀어준 후 강고정을 제거한다.
용접 전 예열: 용접 전 예열은 모재의 온도를 높여 용접 중 용접 금속과 주변 모재 사이의 온도 차이를 줄여 용접 수축의 내부 응력을 줄입니다.
합리적인 용접 순서 선택: 구성 요소를 여러 개의 작은 단위로 적절하게 나누고 각 작은 단위를 개별적으로 용접한 다음 작은 단위를 전체적으로 용접하여 비대칭 용접 또는 수축이 큰 용접이 수축 없이 더 자유롭게 수축할 수 있도록 합니다. 전체 구조에 영향을 미칩니다 [7].
변형 방지 제어: 용접 변형의 크기와 방향을 예측한 다음 용접 조립 중에 반대 방향과 동일한 크기로 인공 변형을 설정하여 용접으로 인해 발생하는 변형이 미리 설정된 변형 방지로 상쇄될 수 있습니다.
3.4 기타 결함
(1) 구멍 구멍은 마찰 교반 용접 조인트의 용접부에 자주 나타납니다. 예를 들어, 그림 6은 AZ31 마그네슘 합금[8]의 마찰교반접합 이음새의 보이드 결함을 보여줍니다. 마그네슘 합금을 용접할 때 용접 입열이 불충분하면 용착 금속의 소성 변형이 불충분하고 재료 유동성이 좋지 않으며 용접 내부가 완전히 닫히지 않아 구멍이 형성됩니다. 용접 열 입력이 너무 크면 교반 헤드가 발생합니다. 앞쪽의 용접 재료가 팽창하고 넘치며 백필이 불충분하여 구멍을 형성합니다. 스레드가 없는 기둥형 또는 원추형 교반 헤드를 사용하면 용접 영역에서 재료의 소성 변형이 불충분하고 구멍이 쉽게 형성됩니다. 용접 속도와 교반 헤드의 회전 속도를 합리적으로 제어하여 용접 열 입력을 조정하거나 교반 헤드의 적절한 형상을 선택하여 구멍 결함의 발생을 피할 수 있습니다.
그림
Fig.6 AZ31 마그네슘 합금의 마찰 교반 용접 조인트의 기공 결함(AS는 앞쪽, RS는 뒤쪽)[8]
(2) 번 스루 번 스루는 융합 용접 조인트의 용접 이음새에서 자주 발생합니다. 산화마그네슘은 녹는점이 높고 마그네슘합금은 녹는점이 낮기 때문에 이 둘을 붙였을 때 융합하기 어렵다. 마그네슘 합금판을 용접할 때 용접 용융을 관찰하기 어렵다. 입열량이 불합리한 범위로 증가하면 용융지의 색은 크게 변하지 않지만 용융지 아래의 녹지 않은 금속은 받는 응력을 견디지 못하고 이때 번스루(burn-through)가 발생한다. 용접하기 전에 마그네슘 합금 표면을 잘 청소하고 청소 후 가능한 한 빨리 용접하여 번스루 결함이 발생하지 않도록 하십시오. 또한 용접 매개변수를 최적화하여 침투 깊이를 제한함으로써 번스루를 방지할 수 있습니다.
4 마그네슘합금 용접결함의 대표적인 사례분석
6mm 두께의 GW63K 마그네슘 합금을 각각 레이저 용접과 전자 빔 용접으로 용접했으며, 용접 이음새의 거시적 외관은 각각 그림 7과 그림 8에 나와 있습니다. 두 종류의 융합 용접 솔기는 마그네슘 합금의 낮은 융점, 큰 열팽창 계수 및 큰 용접 입열로 인해 발생하는 스패터 및 언더컷과 같은 명백한 결함이 있습니다. 후속 방법을 사용하여 용접 열 입력을 줄일 수 있습니다. 프로세스 최적화.
그림
Fig.7 GW63K 마그네슘 합금의 레이저 용접 심의 거시적 형태
그림
Fig.8 GW63K 마그네슘 합금의 전자 빔 용접 심의 거시적 형태
