Як інженерний металевий матеріал, який стрімко зріс за останні роки, алюмінієвий сплав широко використовується в аерокосмічній, автомобільній, корабельній та інших сферах завдяки його низькій щільності, високій питомій міцності та питомій жорсткості, а також хорошій стійкості до корозії. .
Однак ряд проблем, таких як погана зварюваність і низька продуктивність формуючого шару при зварюванні, обмежують розробку конструкційних деталей з алюмінієвих сплавів. Таким чином, технологія зварювання алюмінієвих сплавів стала одним із основних напрямків досліджень багатьох вчених у країні та за кордоном.
Огляд характеристик алюмінієвого сплаву
Алюміній є дуже легким металевим матеріалом із щільністю лише 2,7 г/см3, що становить приблизно 36 відсотків щільності сталі. Алюмінієвий сплав використовується для виготовлення механічних частин, які можуть значно зменшити вагу та досягти ефекту легкої ваги, енергозбереження та зменшення викидів.
Питома міцність і питома жорсткість алюмінієвого сплаву вище, ніж сталь 45 і пластик ABS. Використання матеріалів з алюмінієвих сплавів сприяє виготовленню цілісних компонентів з високими вимогами до жорсткості.
Алюмінієвий сплав має відмінну теплопровідність, електропровідність і стійкість до корозії. Параметри продуктивності алюмінієвого сплаву A380 та інших матеріалів наведено в таблиці 1.
Алюмінієвий сплав добре піддається механічній обробці та переробці. Якщо припустити, що коефіцієнт опору різанню магнієвого сплаву, який найбільш легко ріжеться, дорівнює 1, опір різанню інших металів наведено в таблиці 2. Можна побачити, що опір різанню алюмінієвого сплаву менший, ніж у міді, заліза та інші матеріали, а процес різання відносно простий.
Характеристики зварювання алюмінієвих сплавів
Позначаються на фізико-хімічних властивостях алюмінієвих сплавів, виникають певні труднощі в процесі зварювання. Сучасне зварювання алюмінієвих сплавів має в основному такі проблеми: термічний стрес, абляційне випаровування, тверді включення, колапс пор тощо:
Термічний стрес
Алюмінієві сплави мають більш високий коефіцієнт теплового розширення і менший модуль пружності. Під час процесу зварювання через велику деформацію та великий коефіцієнт лінійного розширення алюмінієвого сплаву швидкість об’ємної усадки під час затвердіння становить близько 6 відсотків, а швидкість охолодження та швидкість первинної кристалізації розплавленої ванни швидкі, що призводить до внутрішнє напруження зварного шва і жорсткість зварного з'єднання. Більше, легко спричинити більшу внутрішню напругу в з’єднанні алюмінієвого сплаву, викликаючи більшу зварювальну напругу та деформацію, утворюючи такі дефекти, як тріщини та хвилеподібна деформація.
Абляційне випаровування
Алюміній має температуру плавлення 660 градусів і температуру кипіння 2647 градусів, що нижче, ніж у інших металевих елементів, таких як мідь і залізо. Під час процесу зварювання, якщо температура зварювання занадто висока, можна легко спричинити вибух і утворити бризки, особливо під час зварювання променем високої енергії, як показано на малюнку 1. Крім того, деякі легуючі елементи, додані до алюмінієвого сплаву мають низьку температуру кипіння, яка дуже легко випаровується та спалюється при миттєвій високій температурі зварювання, а бризки, що виникають під час вибуху, також заберуть частину крапель рідини, що неминуче змінює площу зварювання. Хімічний склад не сприяє регулюванню продуктивності зварного з'єднання. Тому для компенсації високотемпературної абляції під час зварювання часто використовують зварювальний дріт або інші зварювальні матеріали з більш високим вмістом елементів з температурою кипіння, ніж основний метал.
тверде включення
За хімічними властивостями алюміній дуже активний і легко окислюється. У процесі зварювання поверхня алюмінієвого сплаву окислюється з утворенням Al2O3 з високою температурою плавлення (приблизно 2050 градусів C, тоді як температура плавлення алюмінію становить 660 градусів C, що дуже відрізняється). Оксиди є щільними та мають високу твердість і змішуються в розплавленій рідині сплаву з низькою щільністю в зоні розплавленої ванни, яка легко утворює дрібний твердий шлак і важко вивільняється, що не тільки впливає на структуру зварного шва, але й але також легко викликає електрохімічну корозію, яка призведе до зниження механічних властивостей зварних з'єднань, і Al2O3 покриває розплавлену ванну та канавку, що серйозно впливає на зварювання сплавів і знижує мікроструктуру та властивості зварних з'єднань.
Колапс продихів
Температура плавлення алюмінієвого сплаву набагато нижча, ніж у його оксиду, і його природа є живою та легко окислюється. Під час процесу зварювання алюмінієвий сплав утворює розплавлену ванну через високу температуру плавлення. Алюміній на поверхні розплавленої ванни окислюється з утворенням оксидної плівки, яка покриває розплавлену ванну в твердому стані. Оскільки колір оксидної плівки після плавлення не сильно відрізняється від кольору розплавленого алюмінієвого сплаву, а також через покриття оксидної плівки важко спостерігати ступінь плавлення розплавленої ванни алюмінієвого сплаву під час процесу зварювання. , тому легко підвищити температуру, що спричинить вплив тепла зварювання. Основна частина зони руйнується, руйнуючи форму та властивості металу шва.
Під дією миттєвої високої потужності джерела зварювального тепла в рідині сплаву розчиняється велика кількість газоподібного водню. Після завершення зварювання, коли температура розплавленої ванни знижується, розчинність газу також поступово зменшується, що стає основною причиною утворення пор у процесі зварювання. причина. Оскільки швидкість затвердіння алюмінієвого сплаву занадто висока, а щільність низька, під час швидкого затвердіння зварного шва утворюються водневі пори різного розміру. Ці пори продовжуватимуть накопичуватися та розширюватися під час процесу зварювання, зрештою утворюючи видимі великі пори та погіршуючи структурні властивості з’єднання. Звичайно, пори не обов'язково утворюються в процесі зварювання. Через вплив технології процесу лиття сам основний метал також утворює пори під час процесу лиття. Під час зварювання підведення тепла та внутрішній тиск постійно змінюються, внаслідок чого вихідні пори в основному металі розширюються або поєднуються один з одним, утворюючи зварні пори. Зі збільшенням підведення тепла при зварюванні пори також збільшаться. Тому, щоб контролювати джерело водню, зварювальний матеріал перед використанням необхідно ретельно висушити. Під час зварювання струм відповідно збільшується, щоб подовжити час існування розплавленої ванни та дати достатньо часу для випадання водню, тим самим контролюючи утворення пор.
картина
Рис.2 Утворення та зближення продихів
Класифікація технології зварювання алюмінієвих сплавів
З розширенням діапазону застосування алюмінієвих сплавів висвітлюється все більше проблем. З прогресом досліджень технологія зварювання алюмінієвих сплавів значно розвинулася. В даний час існують в основному аргонодугове зварювання вольфрамом (TIG), зварювання розплавленим інертним газом (MIG), лазерне зварювання (LBW), зварювання тертям з перемішуванням (FSW).
Газовольфрамове дугове зварювання
Зварювання в інертному газі вольфраму (TIG) є типовим зварюванням у захисному газі та є найпоширенішим методом зварювання. Під час зварювання вольфрамовий електрод і зварювальна поверхня використовуються як електроди, а газ гелій або аргон пропускається між двома електродами як захисний газ для захисту дуги, а дріт і основний метал розплавляються миттєвим розрядом високої напруги, і деталі з алюмінієвого сплаву зварюються та формуються, а також зварювання та ремонт ливарних дефектів.
В основному він має такі технічні характеристики:
Простий в експлуатації, гнучкий і керований, адаптований до різних робочих умов і середовищ, низька вартість;
Зона термічного впливу вузька, а деформація зварного з'єднання невелика за умови достатньої подачі дроту, а комплексна продуктивність з'єднання висока;
Продуктивність процесу зварювання хороша і стабільна, а зварний шов щільний і красивий.
MIG зварювання
І MIG (дугове зварювання в газовому газі GMA), і TIG є зварюванням в захисному газі. Різниця полягає в тому, що при зварюванні TIG в якості нерухомих електродів використовуються вольфрамові електроди, тоді як при зварюванні MIG як електроди використовується сам матеріал з наповненим дротом.
У процесі зварювання алюмінієвого сплаву в захисному газі напруга та струм діють на кінець електрода зварювального дроту, і між електродом і основним металом миттєво створюється високий тиск, який плавить основний метал і канавки, а крапля на кінці дроту відпадає і переходить вертикально в основний метал. На розплавленій ванні матеріалу утворюється зона зварювання.
Однак процес нанесення алюмінієвого сплаву MIG-зварювання є відносно обмеженим, оскільки м’якість алюмінієвого дроту призводить до поганої подачі дроту, а розплавлений алюміній схильний утворювати явище «висіння, але не капання» під час зварювання, що легко викликати розбризкування крапель. Перевагою є те, що зварювання MIG є швидшим, ніж зварювання TIG, а діапазон зварювальних рухів невеликий під час зварювання великих заготовок. Регулюючи швидкість подачі дроту, ефективність зварювання може досягати кількох метрів за хвилину.
лазерне зварювання
Лазерне зварювання (Laser Beam Welding LBW) використовує лазерні імпульси високої енергії для локального нагріву матеріалу на невеликій площі. Енергія лазерного випромінювання дифундує всередину матеріалу через теплопровідність, і матеріал розплавляється, утворюючи певну купу розплаву. Після застигання матеріал з'єднується в одне ціле.
Перевага лазерного зварювання полягає в тому, що точка дії зварювання мала, джерело тепла високої потужності зосереджено, він здатний зварювати товсті пластини, зона термічного впливу вузька, а зварювальна деформація мала. Але в той же час лазерне зварювання має високі вимоги до позиціонування зварювання, дороге зварювальне обладнання та високу вартість зварювання. Для металевих матеріалів, таких як алюміній і магній, відбивна здатність лазера висока, і пряме зварювання складно.
Опромінення матеріалів лазерами з різною щільністю потужності показує, що коли щільність потужності на деталі досягає понад 107 Вт/см2, метал у зоні нагріву газифікується за дуже короткий час, і газ збиратиметься в маленький отвір у Розплавлена ємність і утворює Маленький отвір є центром теплопередачі, а розплавлена ємність утворюється поблизу невеликого отвору, що є ефектом «замкової щілини» лазерного зварювання глибоким проплавленням. Щоб уникнути нерівномірності розплавленої ванни, спричиненої цим явищем, можна зменшити енергію лазера, збільшити швидкість зварювання або контролювати переплавлення області самородка, щоб видалити бульбашки в зоні плавлення та зменшити утворення пор. .
зварювання тертям з перемішуванням
Зварювання тертям з перемішуванням (Friction stir Welding, FSW) - новий вид технології з'єднання твердої фази, заснований на традиційній технології зварювання тертям. На межі зварювання, коли мішальна головка просувається вздовж зварювального шва, температура зварювального матеріалу підвищується, і пластифікований метал піддається сильній пластичній деформації під дією механічного перемішування та висадки та утворює щільне твердофазне з’єднання. після дифузії та перекристалізації.
У порівнянні з традиційними методами зварювання технологія FSW має наступні переваги:
Низька температура зварювання і мала зварювальна деформація;
Хороші механічні властивості зварного шва;
Процес зварювання простий, економічний і екологічний.
Основні проблеми та спрямованість дослідження
Із застосуванням алюмінієвих сплавів у все більшій кількості галузей промисловості проблема його ремонтного з’єднання також привертає увагу все більшої кількості вчених. Завдяки різноманітним випробуванням зварювання алюмінієвих сплавів виявлено, що зрілість технології ремонту ще не відповідає потребам розвитку галузі, і в ній все ще існують різні проблеми.
Дугове зварювання вольфрамовим газом і зварювання металу в захисному газі є двома найпоширенішими методами зварювання в даний час, але ці дві технології мають широку зону теплового впливу, і метал шва потрібно розплавити, а потім затвердіти, що впливає на структура. Більше, а залишкова напруга висока, що призводить до серйозного впливу на механічні властивості з'єднання. Щільність енергетичного променя лазерного зварювання є високою, а відношення глибини до ширини шва є великим, але дуже легко утворювати пори, а його дорога вартість також обмежує популяризацію застосувань. Зварювання тертям з перемішуванням забезпечує вирішення проблеми тепла, але зварювання тертям з перемішуванням вимагає відносно великого тиску висадки та рушійної сили, а обладнання, як правило, складне та громіздке, що обмежує його розвиток.
Майбутні дослідження пов’язаних тем мають бути зосереджені на таких аспектах:
Починаючи з основи зварювання плавленням, відкоригуйте формулу зварювального дроту, додайте рідкоземельні елементи або виберіть відповідну кількість активатора зварювання, щоб контролювати зварювальну деформацію, зменшити напругу та зменшити утворення пор.
У зв'язку з розширенням області застосування і застосування сплавів їх зазвичай використовують разом з різнорідними матеріалами, тому для отримання якісних з'єднань необхідно проводити досліди зварювання внапуск між різнорідними металами.
Проведіть дослідження зварюваності композитних джерел тепла, таких як гібридне зварювання TIG-лазером, лазерне зварювання композитів тертям з перемішуванням, щоб отримати оптимальну продуктивність зварювання.
