Investigarea Transformarilor Structurale Produse In Timpul Sudari I

Investigarea transformarilor structurale produse in timpul sudarii prin frecare cu element activ rotitor a unor aliaje de aluminiu utilizate in industria constructoare de autoturisme

Utilizarea pe scară tot mai largă a aliajelor de aluminiu, nu numai în aeronautică, automobile, căi ferate și sectoarele de construcții navale, dar și în domeniul ingineriei civile, creează nevoia de cercetare în domeniul proceselor de sudare mai eficiente și mai fiabile. În scopul de a permite industriei folosirea tehnicilor de fabricație noi, cum este și sudarea prin frecare cu element activ rotitor, sunt necesare a fi efectuate programe de cercetare asupra caracterizărilor îmbinărilor efectuate cu ajutorul unor astfel de proceduri noi.

Scopul acestei lucrari este de a oferi contribuții la cunoștințe fundamentale pentru aliajele de aluminiu ca materiale structurale și o inițiere în tainele procesului de sudare considerat încă "tânăr" – sudarea prin frecare cu element activ rotitor – FSW (Friction Stir Welding). Aliaje de aluminiu sunt bine cunoscute și au fost utilizate începând cu perioada dintre cele două războaie mondiale, în special în Statele Unite ale Americii. În Europa aliajele de aluminiu sunt folosite cu precădere în Europa de Nord, dar și în Germania și Franța.

Tehnologiile de îmbinare pentru aluminiu necesită mai multă atenție, în special procedeele de sudare. Ținând seama de reducerea proprietăților, sudarea în cazul aliajelor de aluminiu nu reprezintă cea mai bună alegere pentru realizarea îmbinărilor. De asemenea, și celălalte tehnologii de îmbinare pentru aliaje de aluminiu au nevoie de o mai mare atenție la realizare, comparativ cu tehnici similare de îmbinare pentru oțeluri.

În prezent, nevoia de soluții rapide în caz de construcție, dar și costurile de întreținere reduse, recomandă aliajele de aluminiu pentru a fi utilizate pe o scară mai mare.

Procedeu de sudare prin frecare cu element activ rotitor (FSW) a fost inventat de Wayne Thomas la TWI în Anglia (1991), și aplicat industrial în premieră în Suedia (1995), procedeul a trezit un interes deosebit în SUA și Japonia. Într-un timp scurt calitățile procedeului au condus în aceste țări la aplicații industriale de îmbinare a materialelor ușoare ca aluminiu și magneziu, înainte ca procesul de sudare să fie stăpânit pe deplin.

Această procedură a fost practic inventată pentru aliajele de aluminium, materiale la care această procedură și-a întâlnit primele aplicații În zilele noastre această tehnică este, de asemenea, aplicată și pentru îmbinarea oțelurilor de înaltă rezistență, având perspective largi de dezvoltare în viitor.

În ciuda interesului pe scară largă a posibilităților oferite de sudarea prin frecare cu element activ rotitor, date generale privind comportamentul mecanic al îmbinărilor sunt încă extrem de reduse. Această tehnică produce o structură a suprafeței îmbinate ce este aproape similară cu suprafața inițială a elementelor îmbinate, acest fapt oferind avantaje din punctul de vedere al costurilor de prelucrare, dar și din punctul de vedere al comportamentului toleranțelor la defecte. În prezent doar costurile și complexitatea dispozitivelor de sudare limitează aplicabilitatea acestei proceduri.

Această lucrare vrea să sublinieze posibilitățile vaste oferite industriilor de numărul mare de aliaje de aluminiu existente. Scopul este de a introduce, de asemenea, în România sudarea prin frecare cu element activ rotitor în domeniul Ingineriei Civile.

O mare varietate de forme constructive ale componentelor, cu lungime mare, secțiune transversală mare, grinzi cheson, lonjeroane, materiale extrudate sau turnate, pot fi sudate utilizând procedeul de sudare prin frecare cu element activ rotitor.

Gradul de cunoaștere tot mai ridicat în industrie și necesitatea pregnantă de a utiliza aliaje din metale ușoare conduc la un interes sporit pentru promovarea sudurii FSW și pentru implementarea industrială în diverse aplicații. Ca urmare este necesară și asigurarea condițiilor tehnice specifice procedeului.

Rezultatele cercetărilor efectuate au fundamentat aplicarea sudurii FSW în principal în sectoarele industriale: aerospațial (Airbus, Boeing, EADS), auto (Toyota, Ford, Rover, Honda, BMW, Aston Martin), feroviar (trenuri de mare viteză ex: Shinkansen), maritim (structuri și platforme maritime). Majoritatea aplicațiilor se referă la aliaje de aluminiu.

Procedeul FSW permite îmbinarea unui număr mare de materiale similare (Aluminiu, Cupru, Magneziu, Titan) și disimilare (eterogene), (Aluminiu – Cupru, Aluminiu – Magneziu) care sunt dificil sau imposibil de îmbinat prin alte procedee de sudare.

Lucrare de față reprezintă un studiu bibliografic legat de “Procesele mecanice și metalurgice la sudarea prin frecare cu element activ rotitor (FSW) a aliajelor de aluminiu”.

Sudare prin frecare cu element activ rotitor (FSW)

Principiul procedeului FSW

Sudarea prin frecare cu element activ rotitor este varianta a sudării prin frecare. Reprezintă cel mai nou procedeu de sudare introdus în practică. A fost inventat la Cambridge, Institutul de tehnologii de sudare în 1991. Procedeul permite îmbinarea fără topire a părților, fără presarea lor relativă și fără material de adaos.

Sudarea prin frecare cu element activ rotitor este utilizată cu precădere la sudarea aluminiului și aliajelor sale, rezultând îmbinări rezistente și cu plasticitate bună, deși aluminiul este dificil de sudat. Este utilizat de preferință la sudarea componentelor plate și lungi (table, plăci) dar poate fi adaptat pentru suduri profilate și de poziție.

Sudurile sunt rezultatul unei acțiuni complexe de încălzire prin frecare și deformare plastică prin intermediul unei scule aflate în mișcare de rotație și translație. Temperatura maximă atinsă în componente este 0,8 din temperatura de topire. Spre deosebire de sudarea prin frecare clasică, aici se suprapune un efect de încălzire pe un efect mecanic, de amestecare.

Sudarea prin frecare cu element activ rotitor (FSW) este un procedeu de îmbinare în stare solidă care se bazează pe încălzirea prin frecare și deformarea plastică subsecventă realizată la interacțiunea dintre o unealtă de sudare neconsumabilă care se rotește pe suprafețele în contact ale pieselor de îmbinat. Unealta de sudare este plonjată în material și apoi deplasată cu viteza de sudare în lungul liniei de îmbinare. Materialul adus în stare plastifiată este transferat în spatele uneltei, formând o îmbinare sudată (figura 1.1) [1].

Procedeul FSW permite îmbinarea unui mare număr de materiale similare și disimilare care sunt dificil sau imposibil de îmbinat prin alte procedee.

O mare varietate de forme constructive ale componentelor, cu lungime mare, secțiune transversală mare, grinzi cheson, lonjeroane, materiale extrudate sau turnate, pot fi sudate utilizând procedeul de sudare prin frecare cu element activ rotitor. În figura 1.2 sunt prezentate tipuri de configurații de îmbinări realizabile prin procedeul FSW.

Figura 1.2. Tipuri de configurații de îmbinări realizabile prin procedeul FSW [3]

Schema de principiu este prezentată în figura fsw.1.

Fig. Fsw.1. Schema de principiu a sudării prin frecare cu amestecare

Procesul poate fi descris astfel: Elementul activ rotitor (EAR) este un corp pe care pot fi delimitate clar două părți. O porțiune cilindrică, masivă, capătul de prindere în mașină și capătul care amestecă efectiv materialul de îmbinat, care va fi denumită în continuare „cui”. După fixarea corespunzătoare a materialelor de îmbinat EAR este antrenat în mișcare de rotație și de translație spre piesele fixe. „Cuiul” pătrunde în materiale până când suprafața materialelor de îmbinat vine în contact cu partea masivă a EAR, numită umăr. Ca urmare a frecăriii între umăr și materialul de bază local se degajă o cantitate de căldură ce are ca efect plastifierea materialelor de îmbinat. În acest moment, EAR prin intermediul echipamentului este antrenat într-o mișcare de translație. Pe măsură ce elementul activ rotitor este deplasat în direcția de sudare, materialul din fața cuiului , înmuiat datorită încălzirii prin conducție, este antrenat în spațiul din spatele EAR rămas liber prin avansul sculei. Partea din spate a umărului forjează materialul deformat, lăsând un cordon neted. Orice strat de oxid aflat inițial pe suprafața materialului este dispersat datorită deformației intense. Procesul de deformare locală este asimilat unui proces de extrudare continuă pe lungimea îmbinării. Secțiunea activă a EAR poate fi circulară sau poligonală (triunghiulară, pătrată). Pe înălțime cuiul poate avea aceeași secțiune sau secțiune variabilă, corpul geometric descris putând fi cilindric, tronconic, sau piramidal. Macroscopic, sudurile obținute prin acest procedeu pot fi divizate în zone, figura fsw.2.

Fig. fsw.2. Zonele unei suduri obținute prin procedeul de sudare prin frecare cu amestecare.

Zona influențată termic, ZIT, este identică cu ZIT-ul din sudurile convenționale realizate prin topire. Spre deosebire de sudurile prin topire unde prezența băii lichide aduce materialul din imediata vecinătate la temperaturi foarte apropiate de temperatura solidus a aliajului efectul fiind o subzonă din ZIT supraîncălzită, laa sudarea frecare cu element activ rotitor aceasta lipsește.

Zona centrală, nucleu sudat N.S., este zona care suferă cele mai puternice deformații. Prezintă o textură tip „foi de ceapă”, decelabilă microscopic deși suferă o recristalizare dinamică care îi conferă pe ansamblu o microstructură cu grăunți fini, echiacși.

Zona afectată termomecanic este cuprinsă între nucleu și ZIT, zonă în care grăunții își păstrează caracteristicile inițiale (dimensiunile relative), dar în stare deformată, ecruisată. Microstructura suprafeței superioare este diferită datorită forfecării induse de umărul sculei.

Configurația și proprietățile mecanice ale cusăturii obținute prin sudarea prin frecare element activ rotitor depind de forma sculei, de vitezele de rotație / translație, presiunea de lucru și caracteristicile materialului de îmbinat.

Particularități și avantajele procedeului FSW

Particularități

Contribuția majoră la succesul procedeului de sudare cu element activ rotitor a oferit-o abilitatea de a produce sudură în stare solidă, fără curgere pentru o gamă largă de aliaje de aluminiu. Această importantă calitate determină utilizarea procedeului la scară din ce în ce mai largă în domeniul industrial. Pentru optimizarea procedeului, necesitatea cunoașterii cât mai detaliată a proprietăților aliajelor la diferite temperaturi, a comportării sudurii sub acțiunea diferitelor forțe etc., crește de la o zi la alta. Publicarea unui număr cât mai însemnat de material informativ referitor la detalii ale procedeului, detalii referitoare la parametrii optimi corespunzători fiecărui aliaj pentru o cât mai bună îmbinare sudată, rezistențe, mecanica ruperii, oboseală, ductilități, microstructuri și rezistențe la coroziune, devine tot necesar. Aceste necesități conduc la studii amănunțite asupra realizării procedeului.

Pe plan mondial sunt dezvoltate studii și programe de cercetare avansată pentru stabilirea unor reguli de desfășurarea a procesului de îmbinare astfel încât sudura să prezinte proprietăți calitative excelente. Necesitatea cunoașterii detaliilor acestui procedeu încă ridică întrebări referitoare la calitățile și proprietăților îmbinării sudate cu FSW, date cunoscute în țările în care procedeul este utilizat încă de la inventarea sa, dar care nu se regăsesc într-un îndrumător sau poate chiar într-o normă.

Realizarea sudurii în stare solidă prin procedeul FSW are trei avantaje majore din punct de vedre metalurgic comparativ cu sudarea prin topire [4]:

eliminarea riscului de apariție a fisurilor

nu se pierd elemente de aliere prin evaporare

obținerea de structuri cu granulație mai fină decât a metalului de bază

Avantajele procedeului de sudare prin frecare cu element activ rotitor

Acest procedeu pe lângă faptul că prezintă o siguranță maximă mai are și următoarele avantaje [4]:

simplu și eficient;

nu necesită folosirea gazelor de protecție la sudare;

nu necesită materiale de adaos;

îmbinări într-o trecere cu pătrunderea sudurii de maxim 10 – 15 mm, respectiv două treceri pentru pătrunderi de până la 50 – 70 mm;

se pretează foarte bine la automatizare;

se pot suda aliaje care nu pot fi îmbinate prin procedeele de sudare prin topire, datorită sensibilității la fisurare;

se pot suda piese cu lungimi și secțiune transversală mare, grinzi cheson, lonjeroane, panouri la compartimente pentru nave, etc;

fără noxe sau emisie de radiații.

Procedeul nu prezintă probleme inerente privind suflul magnetic, fumurile și gazele rezultate la sudare. Riscurile privind formarea porilor sunt minime, dacă se aleg parametrii de sudare potriviți. Trebuie luat în considerare și avantajul că procedeul nu prezintă riscuri privind poluarea mediului.

Metoda poate fi aplicată numai în cazul pieselor plane și drepte și celor cu profil concav cu sprijin sau o piesă de suport. Instalația de sudare trebuie să fie puternică, cu parametrii reductibili. Fixarea metalului de bază are o importanță deosebită în vederea obținerii unui proces bun de sudare.

Rămâne în continuare de elaborat o metodă care să permită terminarea sudării fără formarea unui crater final, care nu poate fi evitat dacă corpul de sudare este îndepărtat de pe piesă. În majoritatea cazurilor, parte care conține craterul, poate fi îndepărtată prin tăiere, însă în alte cazuri trebuie curățită folosind alte metode.

Există multe posibilități potențiale de aplicare a sudurii prin frecare cu element activ rotitor și care prezintă interes pentru multe ramuri industriale care prelucrează aluminiul. Industriile de apărare și autovehicule depun deja eforturi susținute în vederea fabricării profilelor de mari dimensiuni. Industria de construcții a instalațiilor, industria de avioane, fabricile de bere și construcțiile folosesc acest procedeu la scară foarte mare.

O întreprindere care fabrică profile din aluminiu a preferat să aplice procedeul de sudare prin frecare cu element activ rotitor, decât să investească în mașini de extruziune mai mari, în vederea fabricării profilelor de mari dimensiuni.

1.3. Parametrii tehnologici de sudare FSW

Procesul de sudare FSW are, în principal două faze [10]:

pătrunderea uneltei de sudare în material (figura 1.3.a);

sudarea propriu zisă – avansul uneltei de sudare aflată în mișcare de rotație (figura 1.3.b).

În figura 1.4 sunt notate schematic forțele ce apar în timpul prelucrării:

– forța verticală maximă (de pătrundere în material);

– forța axială maximă, de avans longitudinal;

– momentul maxim necesar de rotație a sculei de sudare.

Mărimile cinematice utilizate în cadrul procesului, adoptate din literatura de specialitate sunt:

turația sculei în timpul sudării;

viteza de avans longitudinal;

viteza de avans vertical (pătrundere în material).

1.4. Tipuri de îmbinări

Îmbinări similare

Din punct de vedere al materialelor care se pot suda FSW, cercetările în domeniul FSW au fost orientate spre analizarea comportării la sudare a unor materiale de bază ca aliaje de aluminiu, magneziu, cupru, titan, materiale compozite cu matrice de aluminiu, combinații de materiale ca aluminiu – cupru, aluminiu – magneziu, încercări de sudare a otelului moale. La sudarea oțelului cele mai promițătoare rezultate au fost obținute cu unelte fabricate din Polycrystalline Boron Nitride (PCBN).

În figura 1.5 se prezintă câteva îmbinări realizate prin frecare cu element activ rotitor la diferite materiale

Îmbinări disimilare (eterogene)

Prin îmbinări eterogene se înțeleg acele îmbinări la care partenerii sunt realizați din materiale de bază diferite sub aspectul compoziției chimice sau la care materialul de adaos este diferit de unul sau ambele materiale de bază. În literatura de specialitate [12] aceste îmbinări se mai cunosc sub denumirile de „îmbinări disimilare”.

În funcție de caracteristicile fizico-chimice ale materialelor de îmbinat, de dimensiunile îmbinării sudate si condițiile de calitate impuse îmbinării, sudarea materialelor eterogene poate fi realizată prin diferite procedee, în primul rând prin:

procedee de sudare prin topire;

procedee de sudo-lipire (sudo-brazare);

procedee de sudare prin presiune.

În multe situații, pentru eliminarea dificultăților legate de realizarea unor îmbinări eterogene este necesară utilizarea unor tehnici de sudare noi.

Sudarea FSW este un procedeu care are aplicabilitate și la sudarea materialelor disimilare. Pe plan internațional au fost realizate câteva studii în care s-a analizat sudarea FSW a aliajelor de aluminiu disimilare, aliaje de cupru sau aliaje de aluminiu cu alte metale.

În cazul unei îmbinări eterogene este de dorit ca cele două materiale de bază să aibă caracteristici fizice cât mai apropiate. Pentru sudarea FSW sunt importante, mai ales, temperatura de plastifiere, coeficientul de dilatare termică și conductibilitatea termică.

O conductibilitate termică diferită a celor două materiale de bază atrage după sine o încălzire neuniformă a acestora. Prin deplasarea sursei termice din zona îmbinării spre materialul cu conductibilitate termică mai mare se poate obține o oarecare echilibrare a repartiției de căldură pe cele două materiale. În același timp, pierderea de căldură spre materialul cu conductibilitate termică mai mare poate fi preîntâmpinată printr-o preîncălzire a acestuia sau printr-o preîncălzire diferențiată. Trebuie avută însă în vedere dependența coeficientului de conductibilitate termică de temperatură [12].

Îmbinări FSW aluminiu – cupru

Cele două materiale prezintă sudabilitate reciprocă parțială în stare solidă și formează compuși intermetalici. Ca atare, sudarea prin topirea lor este dificilă.

În mod frecvent, sudarea cuprului cu aluminiul se realizează prin procedee de sudare prin presiune și, în primul rând, prin sudare prin frecare clasică sau sudare la rece.

La suduri cu arcul electric, acesta se deplasează spre piesa din cupru. La limita îmbinării, în partea spre cupru se formează un strat de compus intermetalic CuAl2 cu grosime de 3 – 10 m, iar în partea spre aluminiu o fâșie de soluție solidă de cupru în aluminiu cu aceleași dimensiuni. Stratul intermetalic, cu duritatea 450 – 550 HV, afectează rezistența îmbinării dacă grosimea sa este peste 1 m. Rezistența îmbinării sudate crește la alierea metalului cusăturii cu siliciu (4 – 5 %) și zinc (6 – 8 %), ceea ce se datorează efectului inhibitor al acestor elemente asupra procesului de dezvoltare a stratului intermetalic.

În cazul sudării prin frecare clasice se pot obține îmbinări cu caracteristici mecanice excelente cu condiția pregătirii corespunzătoare a suprafețelor frontale și a alegerii unor parametrii de sudare adecvați. Suprafețele frontale vor fi curate, fără urme de grăsimi, impurități. Se recomandă ca suprafața piesei din cupru să fie prelucrată mecanic, debitarea cu fierăstrăul mecanic nefiind suficientă. Înainte de sudare este favorabilă efectuarea unui tratament termic al piesei din cupru la o temperatură de 7000C/30 minute, răcire în aer pentru a elimina orice efect de durificare a materialului. Caracteristicile sudurii depind de grosimea stratului de compuși intermetalici din îmbinare. La o grosime redusă și o repartizare continuă, uniformă pe secțiune a acestui strat, caracteristicile îmbinării nu sunt afectate. Având în vedere capacitatea de deformare diferită a celor două materiale este posibilă o oarecare compensare prin utilizarea unor piese cu diametre diferite în zona de îmbinare.

Îmbinarea cuprului cu aluminiul se realizează deseori prin sudare electrică prin presiune cap la cap. Pentru reducerea cantității de faze intermetalice este favorabilă o zincare sau alitare a piesei din cupru, eventual acoperirea acestuia cu un aliaj de argint pentru lipire. Rezultatele cele mai bune se obțin la sudarea prin topire intermediară întrucât, în acest caz, se asigură o rupere și o eliminare mai favorabilă în bavură a fazelor fragile din sudură.

Având în vedere considerațiile prezentate, abordarea problematicii sudurii FSW cupru – aluminiu este actuală și oportună.

În figura 1.6 se prezintă o îmbinare eterogenă (aluminiu – cupru) realizată prin procedeul FSW.

Pentru obținerea unor suduri de calitate este foarte importantă (pe lângă parametrii de sudare utilizați) amplasarea axei pinului uneltei de sudare în raport cu linia îmbinării.

Principalele condiții tehnologice

Mașina, scula de lucru, montajul și sudura rezultata

Mașina de lucru este de tipul mașinilor unelte, respectiv un cap de acționare care asigură mișcările relative ale sculei. Capul de acționare trebuie sa asigure și o forță de apăsare, o presiune necesară pe durata procesului, figura fsw.3. Deplasarea relativă piese – cui

de sudare este de obicei asigurată de masa mașinii

Fig. Fsw.3. Mașină pentru realizarea sudării cu frecare prin amestecare

Scula este obținută din materiale caracterizate de rezistență ridicată la uzură, cu caracteristici mecanice adecvate materialului de sudat. Prelucrarea mecanică asigură obținerea celor două secțiuni, unite prin umărul de frecare, figura fsw.4. Cuiul lucrează în materialul de îmbinat aflat în stare solidă.

Fig. fsw.4. Scule pentru sudarea prin frecare cu amestecare: partea activă și ansamblul.

Fig. fsw.4. Scule pentru sudarea prin frecare cu amestecare: partea activă și ansamblul.

Piesele de îmbinat trebuie rigidizate corespunzător, figura fsw.5. Cuiul este introdus în material, încălzirea fiind asigurată mai ales prin frecarea umărului de materialele de

îmbinat. La încheierea sudurii, scula este retrasă, rămânând în locul respectiv o gaură, figura fsw.6. Prezența acesteia nu este de dorit, dar apare tehnologic, fiind necesară o

proiectare corespunzătoare a îmbinării. Piesele vor fi debitate cu un adaos necesar îndepărtării ulterioare a găurii tehnologice.

Fig. fsw.5. Fixarea pieselor de îmbinat pe masa mașinii de lucru.

Fig. fsw.6. Aspectul unor cusături sudate pe aliaje de aluminiu. Capătul sudurii.

Particularitățile sudării prin frecare cu amestecare pentru

câteva aliaje cu utilizare largă

Sudarea oțelului

Problema principală la sudarea oțelului prin acest procedeu este uzura rapidă a sculei. Analiza sudurii finite pune în evidență particule din materialul sculei rămase în îmbinare ca urmare a uzării abrazive suportate de aceasta. Se recomandă ca acest procedeu să fie utilizat doar în situațiile în care procedeele clasice nu asigură caracteristicile solicitate. Avantajul principal ar fi acela că prin menținerea unei temperaturi reduse se reduce nivelul tensiunilor în îmbinare, nivelul porozității, al segregării chimice și mai ales, pentru mediul înconjurător este redus nivelul noxelor. Pe de altă parte, pe durata procesului materialul ajunge la roșu, oxidarea materialului de bază neputând fi neglijată. Aplicațiile pentru oțel sunt deocamdată reduse.

Sudarea aluminiului și aliajelor lui:

Aluminiu este cel mai răspândit metal în scoarța terestră, este un metal alb – argintiu, ușor (2,7g/cm3), cristalizat în sistemul cubic cu fete centrate. Este un metal ușor, mult mai ușor decât fierul și cuprul, dar mai puțin dur decât cuprul. Aluminiu are plasticitate, maleabilitate și ductilitate foarte mari; ceea ce asigură condiții prielnice aplicării procedeului de sudare cu EAR.

Din punct de vedere chimic, aluminiul este un element activ, reacționând intens cu oxigenul. Deși are caracter puternic electropozitiv la temperatura obișnuită aluminiul pur devine stabil în aer, deoarece este apărat de pelicula subțire de oxid de aluminiu formată la suprafața lui. Tot așa de stabil este față de apă. La încălzire, aluminiul reacționează mai intens cu oxigenul, o altă caracteristică importantă fiind densitatea oxidului, mai mare decât cea a aluminiului lichid.

Prin aliere se urmareste imbunatatirea anumitor proprietati fizico-mecanice si tehnologice, necesare unei anumite clase de produse atat din punct de vedere al produsului finit cat si din cel al procesului tehnologic de fabricatie.

Pentru aluminiu, principalele elemente de aliere sunt: Cu, Mg, Mn, Zn, Si iar mai rar, Li, Fe și altele.

Probleme specifice la sudarea prin topire. Sensibilitatea la fisurare

Este maximă în cusătura sudată, care reprezintă este punctul slab al îmbinării, în special în cazul aliajelor cu conținut de Mg. Există un domeniu al conținutului de Mg în care susceptibilitatea la fisurare este maximă. Domeniul acesta este cuprins între 0,5…2,5%Mg în cusătură. Acest lucru trebuie atent monitorizat și este recomandată utilizarea unor materiale de adaos cu un procent de magneziu mare în asociere cu un coeficient de participare al materialului de bază ales astfel încât să se asigure în cusătură un procent de magneziu corespunzător.Structura columnar dendritică între ale cărei ramuri segregă constituenți eutectici (FeMn)Al6 și/sau Mg3Al2 reprezintă punctele slabe ale cusăturii.

Modificările în zona influențată termic

În zona influențată termic modificările privesc doar deteriorarea structurii obținute fie prin deformare plastică (fenomene de restaurare, recristalizare și creștere a grăunților) sau prin tratament termic (înmuierea secundară dizolvării precipitatelor obținute prin tratament termic). Efectele negative sunt cu atât mai evidente cu cât gradul de deformare inițial este mai mare. Pentru reperele care sunt supuse sudării în stare recoaptă, efectul în zona influențată termic este minim.

Porozitatea

Porozitatea prezintă o problemă comună tuturor tipurilor de aliaje din familia aluminului.

Incluziuni

Principalele incluziuni în cazul sudării aliajelor de Al sunt particulele de Al2O3, mai grele decât Al lichid, care pe durata sudării rămân captive în cusătură.

Reducerea temperaturii în zona cusăturii și implicit în ZIT, precum și absența pericolului de formare / antrenare a oxidului reduc substanțial efectele negative din îmbinările pe al realizate prin sudare EAR.

Aliaje pentru turnare: Al cu Si

Cel mai utilizat aliaj pentru turnare al aluminiului este siluminul, familia aliajelor aluminiului cu siliciu.Si. Aliajele de interes tehnic sunt cele situate în jur de concentrația eutectică (10%Si) İn cazul aliajelor cu conținut ridicat de Al – mai mare decât concentrația eutectică din – lichid se separă inițial dendrite bogate în aluminiu. La temperatura eutectică se solidifică eutecticul, un amestec de soluție

solidă a Si în Al și siliciu aproape pur. Particulele grosolane de siliciu sunt fragile, iar aliajul este caracterizat de o oarecare porozitate. Sudarea prin procedeele clasice este foarte dificilă.

Sudarea cu amestecare prezintă avantajul că fărâmițează siliciul grosolan, închide pori existenți fără să inducă apariția altora, așa cum se poate observa în figura fsw.7.

Fig. fsw.7. Macostructura unei suduri prin amestecare într-un aliaj Al-Si: BM – metal de bază; S.N. – nucleu sudat; TAMZ – zona influențată termomecanic; AS – metal antrenat înaintea cuiului; RS – metal împins în spate.

Microstructura corespunzătoare principalelor zone este prezentată în figura fsw.8.

Fig. fsw.8. Microstructura principalelor zone ale sudurii obținute prin amestecare pe un aliaj AlSi: a – metalul de bază (stare turnată); b – ZIT; c – zona de influență termomecanică.

M.B. este caracterizat de prezența dendritelor cu contur rotunjit, între brațele lor fiind eutecticul cu siliciu În figura 8.a jos este prezentată la mărire mai mare o zonă din eutectic. Se observă separările de Si În ZIT conturul dendritelor este modificat, modificările microstructurale fiind puțin importante, figura 8.b jos. ZITM este evident caracterizată de o structură fină, cu siliciul fin dispersat.

Microstructura nucleului este la rândul ei diferită în funcție de localizare, figura fsw.9. Pozițiile a, b, c corespund dispunerilor din figura 7. Pe ansamblu se observă o structură fină, omogenă în tot nucleul. Determinarea proprietăților mecanice ale diferitelor zone demonstrează o calitate net superioară a materialului din nucleu, datorită fineții structurii, tabelul fsw.1.

Aliaje ale aluminiului pentru prelucrare prin deformare plastică

Aliajul T6061 este un aliaj al aluminiului cu magneziu și cu siliciu, de rezistență medie, care suportă tratament termic, cu sudabilitate bună și rezistență bună la coroziune, utilizat pentru repere supuse la solicitări importante. Semifabricatele sunt furnizate sub formă de table, plăci sau profile extrudate.

Microstructura obținută pe un astfel de aliaj de aluminiu de compoziție chimică Al-0,71Si-0,18Fe-0.3Cu-0,07Mn-1,14Mg-0,14Cr-0,03Zn-0,02Ti, tratat termic (călire de punere în soluție și îmbătrânire artificială – T6), demonstrează aceleași caracteristici microstructurale. Figura fsw.10. prezintă microstructura nucleului, modul de analiză evidențiind neuniformitățile de structură, datorate gradului de deformare diferit și încălzirii diferite pe durata procesului. Se remarcă orientarea grăunților din zona de încălzire (sub umăr).

Fig. Fsw.10. Microstructura aliajului 6061 în cusătura sudată: a – zona de suprafață (sub umăr); b – centrul nucleului (corespunde poziției a din figura fsw.9); c – sub zona de amestecare, (corespunde poziției c din figura fsw.9).