ข้อบกพร่องทั่วไปในการเชื่อมด้วยเลเซอร์โลหะผสมอลูมิเนียม

ข้อบกพร่องทั่วไปในการเชื่อมด้วยเลเซอร์โลหะผสมอลูมิเนียม

ไม่ว่าจะเป็นการเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบอัตโนมัติหรือการเชื่อมแบบไฮบริดเลเซอร์-อาร์คเมื่อใช้ในการผลิตโลหะผสมอะลูมิเนียม จะมีปัญหาทางเทคนิคทั่วไปบางประการ เช่น อาจเกิดข้อบกพร่องหากพารามิเตอร์ของกระบวนการและสภาวะการเชื่อมไม่เป็นไปตามหลักการทางโลหะวิทยาไม่เหมาะสมข้อบกพร่องในการเชื่อมโลหะผสมอลูมิเนียมด้วยเลเซอร์ส่วนใหญ่มีอยู่ 2 ประเภท ได้แก่ รูพรุนในการเชื่อมและรอยแตกร้าวจากการเชื่อม นอกจากรูพรุนและรอยแตกร้าวแล้ว ยังพบข้อบกพร่องอื่นๆ เช่น รอยบากและการขึ้นรูปด้านหลังที่ไม่ดี ในการเชื่อมโลหะผสมอลูมิเนียมด้วยเลเซอร์ เมื่อเทียบกับรูพรุนในการเชื่อมแล้ว ความน่าจะเป็นของรอยแตกร้าวจากการเชื่อม (ที่มองเห็นได้ด้วยตาเปล่าหรือภายใต้กำลังขยายต่ำ) นั้นไม่สูงนัก อย่างไรก็ตาม เนื่องจากรอยแตกร้าวมีความอันตรายมากกว่า มาตรฐาน JIS Z 3105 จึงกำหนดว่า หากตรวจพบรอยแตกร้าวในรอยเชื่อม รอยเชื่อมนั้นจะต้องถูกจัดเป็นรอยเชื่อมระดับ 4 รอยบาก การขึ้นรูปด้านหลังที่ไม่ดี และข้อบกพร่องอื่นๆ ส่วนใหญ่เป็นข้อบกพร่องร้ายแรงที่เกิดจากการควบคุมความเร็วที่ไม่เหมาะสมหรือพารามิเตอร์กระบวนการที่ไม่ตรงกัน ข้อบกพร่องดังกล่าวโดยทั่วไปจะปรากฏในขั้นตอนการสำรวจและแก้ไขข้อบกพร่องของกระบวนการ และแทบจะไม่เกิดขึ้นในขั้นตอนการผลิตจริงตามปกติ ดังนั้น รูพรุนจึงเป็นข้อบกพร่องประเภทหนึ่งที่อันตรายกว่าในการเชื่อมโลหะผสมอลูมิเนียมด้วยเลเซอร์และในการใช้งานโครงสร้างที่เชื่อม และเป็นการยากที่จะกำจัดให้หมดไปอย่างสิ้นเชิง

1. ความพรุน

ความพรุนเป็นข้อบกพร่องเชิงปริมาตรที่พบได้บ่อยที่สุดและสำคัญที่สุดการเชื่อมด้วยเลเซอร์ของโลหะผสมอะลูมิเนียมโดยมีขนาดตั้งแต่หลายร้อยไมครอนไปจนถึงหลายมิลลิเมตร กลไกการเกิดของมันยังไม่เป็นที่เข้าใจอย่างถ่องแท้ รูพรุนไม่เพียงแต่ทำให้ส่วนที่ใช้งานจริงของรอยเชื่อมอ่อนแอลงเท่านั้น แต่ยังทำให้เกิดการกระจุกตัวของความเค้น ลดความแข็งแรงเชิงพลวัตและประสิทธิภาพการต้านทานความล้าของรอยเชื่อมอีกด้วย

เมื่อโลหะผสมอะลูมิเนียมหลอมเหลวในสภาพแวดล้อมที่มีไฮโดรเจน ปริมาณไฮโดรเจนภายในอาจสูงถึงมากกว่า 0.69 มล./100 กรัม แต่หลังจากที่โลหะผสมแข็งตัวแล้ว ความสามารถในการละลายของไฮโดรเจนที่สมดุลจะมีค่าสูงสุดเพียง 0.036 มล./100 กรัม โดยทั่วไปเชื่อกันว่าในระหว่างกระบวนการเย็นตัวของการเชื่อมด้วยเลเซอร์ ความสามารถในการละลายของไฮโดรเจนจะลดลงอย่างรวดเร็ว และการตกตะกอนของไฮโดรเจนที่อิ่มตัวเกินจะทำให้เกิดรูพรุนจากไฮโดรเจน การระเหยของธาตุผสมที่มีจุดหลอมเหลวต่ำและความดันไอสูงก็อาจทำให้เกิดรูพรุนได้เช่นกัน ซึ่งเรียกว่ารูพรุนทางโลหะวิทยา นอกจากนี้ การรบกวนของลำแสงเลเซอร์และความไม่เสถียรของรูเจาะก็สามารถทำให้เกิดรูพรุนได้เช่นกัน แต่รูพรุนดังกล่าวจะมีรูปร่างไม่สม่ำเสมอและเรียกว่ารูพรุนที่เกิดจากกระบวนการ เนื่องจากโลหะผสมอะลูมิเนียมมีปฏิกิริยาทางเคมีสูง ฟิล์มออกไซด์จึงเกิดขึ้นได้ง่ายบนพื้นผิว ในระหว่างการเชื่อม น้ำผลึกและน้ำที่รวมตัวกับโลหะจะสลายตัวจากฟิล์มออกไซด์บนพื้นผิวของโลหะผสมอะลูมิเนียม ร่วมกับความชื้นในอากาศและก๊าซป้องกัน ทำให้เกิดการสลายตัวโดยตรงเพื่อผลิตไฮโดรเจนในบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงภายใต้การทำงานของเลเซอร์ ก๊าซไฮโดรเจนเหล่านี้อาจตกตะกอนในระหว่างการเย็นตัวและการแข็งตัวของบ่อหลอมเหลวเพื่อก่อตัวเป็นฟองอากาศ หรืออาจเกิดฟองอากาศโดยตรงบนฟิล์มออกไซด์ที่หลอมเหลวไม่สมบูรณ์ เนื่องจากความหนาแน่นจำเพาะต่ำของโลหะผสมอะลูมิเนียม ความเร็วในการลอยตัวของฟองอากาศในบ่อหลอมเหลวจึงช้า นอกจากนี้ โลหะผสมอะลูมิเนียมยังมีค่าการนำความร้อนสูง และความเร็วในการเย็นตัวและการแข็งตัวของบ่อหลอมเหลวนั้นเร็วมาก ฟองอากาศบางส่วนไม่สามารถหลุดออกไปได้ทันเวลาและยังคงอยู่ในรอยเชื่อม ทำให้เกิดรูพรุนทางโลหะวิทยา การศึกษาแสดงให้เห็นว่าก๊าซหลักในรูพรุนของรอยเชื่อมโลหะผสมอะลูมิเนียมคือไฮโดรเจน ดังนั้นรูพรุนในรอยเชื่อมโลหะผสมอะลูมิเนียมจึงบางครั้งเรียกว่ารูพรุนไฮโดรเจน เมื่อสังเกตการแตกหักของรูพรุนภายใต้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน พบว่ารูพรุนส่วนใหญ่มีรูปร่างทรงกลม โดยมีปลายเดนไดรต์ของผลึกเดนไดรต์เรียงตัวกันอย่างหนาแน่น และผนังด้านในเรียบ สะอาด และปราศจากร่องรอยการออกซิเดชัน การมีอยู่ของรูพรุนไม่เพียงแต่ลดความแน่นของรอยเชื่อมและความสามารถในการรับน้ำหนักของรอยต่อเท่านั้น แต่ยังลดความแข็งแรงและความยืดหยุ่นของรอยต่อในระดับที่แตกต่างกันอีกด้วย

2. รอยแตกที่ร้อน

รอยแตกร้าวร้อน (รวมถึงรอยแตกร้าวจากการแข็งตัวและรอยแตกร้าวจากการหลอมเหลว) เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการแข็งตัวของโลหะหลอมเหลว และเป็นหนึ่งในประเภทของข้อบกพร่องที่พบได้ทั่วไปในการเชื่อมโลหะผสมอะลูมิเนียมด้วยเลเซอร์ ลักษณะที่เห็นได้ชัดที่สุดของลักษณะการแตกหักของรอยแตกร้าวจากการแข็งตัวคือ พื้นผิวการแตกหักประกอบด้วยพื้นที่ขนาดใหญ่ของโครงสร้างเม็ดเล็กๆ เรียบแต่ไม่สม่ำเสมอคล้ายก้อนหินหรือมันฝรั่ง และพื้นผิวมักจะยังคงมีสารผสมยูเทคติกจุดหลอมเหลวต่ำระหว่างเกรนหรือรอยพับของฟิล์มของเหลว รวมถึงร่องรอยของการแตกหักแบบเปราะของเดนไดรต์ ลักษณะการแตกหักของรอยแตกร้าวจากการหลอมเหลวคล้ายกับรอยแตกร้าวจากการแข็งตัว แต่มีลักษณะเฉพาะของการแตกหักระหว่างเกรนที่อุณหภูมิสูงหรือการแตกหักจากการแข็งตัว ในการแตกหักจากความล้าของรอยเชื่อมแบบหลอมเหลวภายใต้ภาระความล้า แหล่งกำเนิดรอยแตกร้าวจากความล้าที่เกิดจากรอยแตกร้าวร้อนดังกล่าวก็พบได้ทั่วไปเช่นกัน สาเหตุของรอยแตกร้าวร้อนในการเชื่อมโลหะผสมอะลูมิเนียมด้วยเลเซอร์ส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับลักษณะเฉพาะของโลหะผสมเองและกระบวนการเชื่อม โลหะผสมอะลูมิเนียมมีอัตราการหดตัวสูงในระหว่างการแข็งตัว (สูงถึง 5%) ส่งผลให้เกิดความเค้นและการเสียรูปในการเชื่อมสูง นอกจากนี้ โครงสร้างยูเทคติกที่มีจุดหลอมเหลวต่ำจะก่อตัวขึ้นตามขอบเกรนในระหว่างการแข็งตัวของโลหะเชื่อม ซึ่งจะทำให้แรงยึดเหนี่ยวของขอบเกรนอ่อนลง จึงเกิดรอยแตกร้าวจากความร้อนภายใต้แรงดึง ยิ่งไปกว่านั้น ลักษณะของรอยแตกร้าวในการเชื่อมด้วยเลเซอร์ของโลหะผสมอะลูมิเนียมสามารถสรุปได้เป็นประเภทต่างๆ ดังนี้ รอยแตกร้าวตรงกลางรอยเชื่อม รอยแตกร้าวตามแนวรอยเชื่อม รอยแตกร้าวระหว่างเกรนในรอยเชื่อม รอยแตกร้าวจากการหลอมละลายในบริเวณที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน รอยแตกร้าวที่เกิดจากฟิล์มออกไซด์ และรอยแตกร้าวขนาดเล็กระหว่างเกรน

นอกจากนี้ การป้องกันที่ไม่ดีระหว่างการเชื่อมทำให้โลหะเชื่อมทำปฏิกิริยากับก๊าซในอากาศ และสิ่งเจือปนที่เกิดขึ้นก็เป็นแหล่งที่มาของรอยแตกได้เช่นกัน ชนิดและปริมาณของธาตุผสมมีอิทธิพลอย่างมากต่อแนวโน้มการแตกร้าวขณะเชื่อมโลหะผสมอะลูมิเนียม โดยทั่วไป โลหะผสมอะลูมิเนียมซีรีส์ Al-Si และ Al-Mn มีคุณสมบัติการเชื่อมที่ดีและไม่เกิดรอยแตกร้าวขณะเชื่อมได้ง่าย ในขณะที่โลหะผสมอะลูมิเนียมซีรีส์ Al-Mg, Al-Cu และ Al-Zn มีแนวโน้มการแตกร้าวขณะเชื่อมค่อนข้างสูง แนวโน้มการแตกร้าวขณะเชื่อมสามารถลดลงได้โดยการปรับพารามิเตอร์กระบวนการเชื่อมเพื่อควบคุมอัตราการให้ความร้อนและการเย็นตัว โดยทั่วไปแล้ว แนวโน้มการแตกร้าวขณะเชื่อมของการเชื่อมแบบไฮบริดเลเซอร์-อาร์คจะดีกว่าการเชื่อมด้วยลวดเชื่อมเลเซอร์ และแนวโน้มการแตกร้าวขณะเชื่อมของการเชื่อมด้วยลวดเชื่อมเลเซอร์จะดีกว่าการเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบอัตโนมัติ

3. การตัดใต้และการเผาทำลาย

โลหะผสมอะลูมิเนียมมีพลังงานไอออนไนเซชันต่ำ และพลาสมาที่เกิดจากแสงมีแนวโน้มที่จะร้อนจัดและขยายตัวระหว่างการเชื่อม ทำให้กระบวนการเชื่อมไม่เสถียร นอกจากนี้ โลหะผสมอะลูมิเนียมเหลวมีความลื่นไหลดีและแรงตึงผิวต่ำ การปรับปรุงการแทรกซึมมักต้องใช้ปริมาณการไหลของก๊าซป้องกันและกำลังเอาต์พุตของเลเซอร์ที่มากขึ้น ซึ่งจะทำให้ความเสถียรของกระบวนการเชื่อมลดลง ทำให้บ่อหลอมเหลวผันผวนอย่างรุนแรงภายใต้แรงดันและนำไปสู่ข้อบกพร่องได้ง่าย เช่น การกัดเซาะและการไหม้ทะลุ การติดตั้งแผ่นทองแดงระบายความร้อนด้วยน้ำที่ด้านหลังของรอยเชื่อมสามารถปรับปรุงความสามารถในการขึ้นรูปด้านหลังของแผ่นโลหะผสมอะลูมิเนียมที่เชื่อมด้วยเลเซอร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

4. สิ่งเจือปนในตะกรัน

ข้อบกพร่องอีกประเภทหนึ่งที่มักเกิดขึ้นในการเชื่อมตัวถังรถยนต์คือ การเกิดสิ่งเจือปนจากตะกรันเชื่อม จากการศึกษาพบว่า สิ่งเจือปนจากตะกรันส่วนใหญ่มาจากออกไซด์บนพื้นผิวของรอยเชื่อมและลวดเชื่อม รวมถึงกระบวนการที่ไม่เสถียรในบริเวณเฉพาะของวัสดุโลหะผสมอะลูมิเนียม ดังนั้น ผู้ผลิตวัสดุโลหะผสมอะลูมิเนียมควรเสริมสร้างนวัตกรรมทางเทคโนโลยีและปรับปรุงกระบวนการหล่อเพื่อลดปริมาณสิ่งเจือปนและไฮโดรเจนในวัตถุดิบ และเพิ่มความเสถียรของคุณภาพของผลิตภัณฑ์