Kao inženjerski metalni materijal koji je u velikom porastu posljednjih godina, aluminijska legura naširoko se koristi u zrakoplovstvu, automobilima, brodovima i drugim područjima zbog svoje niske gustoće, visoke specifične čvrstoće i specifične krutosti te dobre otpornosti na koroziju. .
Međutim, niz problema kao što su loša zavarljivost i loša izvedba sloja za oblikovanje pri zavarivanju ograničavaju razvoj konstrukcijskih dijelova od aluminijskih legura. Stoga je tehnologija zavarivanja aluminijskih legura postala jedan od glavnih smjerova istraživanja mnogih znanstvenika u zemlji i inozemstvu.
Pregled performansi aluminijske legure
Aluminij je vrlo lagan metalni materijal s gustoćom od samo 2,7 g/cm3, što je oko 36 posto gustoće čelika. Za izradu mehaničkih dijelova koristi se aluminijska legura, čime se može značajno smanjiti težina i postići učinci male težine, uštede energije i smanjenja emisija.
Specifična čvrstoća i specifična krutost aluminijske legure veće su od čelika 45 i ABS plastike. Upotreba materijala od aluminijskih legura pogoduje proizvodnji integralnih komponenti s visokim zahtjevima krutosti.
Aluminijska legura ima izvrsnu toplinsku vodljivost, električnu vodljivost i otpornost na koroziju. Parametri izvedbe aluminijske legure A380 i drugih materijala prikazani su u tablici 1.
Aluminijska legura ima dobru obradivost i mogućnost recikliranja. Ako se pretpostavi da je koeficijent otpora rezanja legure magnezija koji se najlakše reže 1, otpornost rezanja drugih metala prikazana je u tablici 2. Može se vidjeti da je otpornost rezanja aluminijske legure manja od otpornosti bakra, željeza i drugih materijala, a proces rezanja je relativno jednostavan.
Karakteristike zavarivanja aluminijske legure
Utječu na fizikalna i kemijska svojstva aluminijskih legura, postoje određene poteškoće u procesu zavarivanja. Trenutno zavarivanje aluminijskih legura uglavnom ima sljedeće probleme: toplinsko naprezanje, ablacijsko isparavanje, čvrste inkluzije, kolaps pora itd.:
Toplinski stres
Aluminijske legure imaju veći koeficijent toplinskog rastezanja i manji modul elastičnosti. Tijekom procesa zavarivanja, zbog velike deformacije i velikog koeficijenta linearnog širenja aluminijske legure, stopa skupljanja volumena tijekom skrućivanja je oko 6 posto, a brzina hlađenja i primarna stopa kristalizacije bazena taline su brzi, što rezultira unutarnje naprezanje zavara i krutost zavarenog spoja. Veći, lako je izazvati veće unutarnje naprezanje u spoju aluminijske legure, uzrokujući veće naprezanje i deformaciju zavarivanja, stvarajući nedostatke kao što su pukotine i valovita deformacija.
Ablacijska evaporacija
Aluminij ima talište od 660 stupnjeva i vrelište od 2647 stupnjeva, što je niže od ostalih metalnih elemenata kao što su bakar i željezo. Tijekom procesa zavarivanja, ako je temperatura zavarivanja previsoka, lako je izazvati eksploziju i stvoriti prskanje, posebno kod zavarivanja visokoenergetskim snopom, kao što je prikazano na slici 1. Osim toga, neki od legirajućih elemenata dodanih aluminijskoj leguri imaju nisko vrelište, koje vrlo lako ispari i izgori na trenutnoj visokoj temperaturi zavarivanja, a prskanje koje nastane eksplozijom također će odnijeti dio kapljica tekućine, što neizbježno mijenja područje zavara. Kemijski sastav ne pogoduje regulaciji učinkovitosti zavarenog spoja. Stoga, kako bi se kompenzirala visokotemperaturna ablacija, tijekom zavarivanja često se koristi žica za zavarivanje ili drugi materijali za zavarivanje s višim sadržajem elemenata vrelišta od osnovnog metala.
čvrsto uključivanje
Kemijska svojstva aluminija su vrlo aktivna i lako se oksidira. Tijekom procesa zavarivanja, površina aluminijske legure oksidira se u Al2O3 s visokim talištem (oko 2050 stupnjeva C, dok je talište aluminija 660 stupnjeva C, što je vrlo različito). Oksidi su gusti i imaju visoku tvrdoću, a miješaju se u rastaljenu tekućinu legure niske gustoće u području rastaljenog bazena, koja lako stvara finu čvrstu trosku i teško se ispušta, što ne samo da utječe na strukturu zavara, već i ali također lako proizvodi elektrokemijsku koroziju, koja će uzrokovati Mehanička svojstva zavarenih spojeva se smanjuju, a Al2O3 prekriva rastaljenu lonac i utor, što ozbiljno utječe na zavarivanje legura i smanjuje mikrostrukturu i svojstva zavarenih spojeva.
Stomatalni kolaps
Talište aluminijske legure mnogo je niže od tališta njezinog oksida, a njezina je priroda živahna i lako se oksidira. Tijekom procesa zavarivanja, aluminijska legura stvara rastaljenu posudu zbog visoke temperature taljenja. Aluminij na površini rastaljenog bazena oksidira se i stvara oksidni film, koji prekriva rastaljeni bazen u krutom stanju. Budući da se boja oksidnog filma nakon taljenja ne razlikuje puno od boje rastaljene aluminijske legure, te zbog pokrivenosti oksidnog filma, teško je promatrati stupanj taljenja rastaljene baze aluminijske legure tijekom procesa zavarivanja. , tako da je lako uzrokovati da temperatura bude previsoka, što uzrokuje utjecaj topline zavarivanja. Većina područja kolabira, uništavajući oblik i svojstva metala zavara.
Pod djelovanjem trenutne velike snage izvora topline zavarivanja, velika količina plinovitog vodika otapa se u tekućini legure. Nakon što je zavarivanje završeno, kako se temperatura bazena taline smanjuje, topljivost plina također postupno opada, što postaje glavni uzrok pora u procesu zavarivanja. razlog. Budući da je brzina skrućivanja aluminijske legure prebrza, a gustoća mala, tijekom brzog skrućivanja zavara nastaju vodikove pore različitih veličina. Te će se pore nastaviti nakupljati i širiti tijekom procesa zavarivanja, na kraju stvarajući vidljive velike pore i smanjujući strukturna svojstva spoja. Naravno, pore ne nastaju nužno tijekom procesa zavarivanja. Zbog utjecaja tehnologije procesa lijevanja, sam osnovni metal također će proizvesti pore tijekom procesa lijevanja. Tijekom zavarivanja, unos topline i unutarnji tlak stalno se mijenjaju, uzrokujući širenje izvornih pora u osnovnom metalu ili njihovo međusobno spajanje u obliku pora za zavarivanje. Kako se unos topline zavarivanja povećava, povećavaju se i pore. Stoga, kako bi se kontrolirao izvor vodika, materijal za zavarivanje treba biti strogo osušen prije uporabe. Tijekom zavarivanja, struja se na odgovarajući način povećava kako bi se produžilo vrijeme postojanja rastaljenog bazena i dalo dovoljno vremena za precipitaciju vodika, čime se kontrolira stvaranje pora.
slika
Sl.2 Formiranje i konvergencija stomata
Podjela tehnologije zavarivanja aluminijskih legura
Širenjem područja primjene aluminijskih legura dolazi do izražaja sve više problema. S napretkom istraživanja, tehnologija zavarivanja aluminijskih legura uvelike se razvila. Trenutačno postoje uglavnom zavarivanje volframom i argonom (TIG), zavarivanje rastaljenim inertnim plinom (MIG), lasersko zavarivanje (LBW), zavarivanje trenjem uz miješanje (FSW).
Zavarivanje s plinskim volframom
Zavarivanje inertnim plinom s volframom (TIG) tipično je zavarivanje zaštićenim inertnim plinom i najčešće je korištena metoda zavarivanja. Prilikom zavarivanja, volframova elektroda i površina za zavarivanje koriste se kao elektrode, a plin helij ili argon prolazi između dvije elektrode kao zaštitni plin za zaštitu luka, a žica i osnovni metal se tope trenutnim visokonaponskim pražnjenjem, a dijelovi od aluminijskih legura su zavareni i oblikovani, i Zavarivanje i popravak nedostataka lijevanja.
Uglavnom ima sljedeće tehničke karakteristike:
Jednostavan za rukovanje, fleksibilan i upravljiv, prilagodljiv različitim radnim uvjetima i okruženjima, a jeftin;
Zona pod utjecajem topline je uska, a deformacija zavarenog spoja je mala pod uvjetom dovoljnog dodavanja žice, a sveobuhvatna izvedba spoja je visoka;
Performanse procesa zavarivanja su dobre i stabilne, a zavareni šav je gust i lijep.
MIG zavarivanje
I MIG (GMA-plinskolučno zavarivanje) i TIG zavarivanje su zaštićeni inertnim plinom. Razlika je u tome što TIG zavarivanje koristi volframove elektrode kao fiksne elektrode, dok MIG zavarivanje koristi sam punjeni materijal žice kao elektrode.
U procesu zavarivanja aluminijske legure zaštićenim inertnim plinom, napon i struja djeluju na kraj elektrode žice za zavarivanje, a između elektrode i osnovnog metala stvara se trenutni visoki tlak, koji topi osnovni metal i utor, a kapljica na kraju žice otpada i okomito prelazi na osnovni metal. Na rastaljenoj lonci materijala formira se zona zavara.
Međutim, postupak primjene MIG zavarivanja aluminijske legure relativno je ograničen, jer mekoća aluminijske žice dovodi do lošeg dodavanja žice, a rastaljeni aluminij je sklon stvaranju fenomena "visi, ali ne kaplje" tijekom zavarivanja, što je lako izazvati prskanje kapljica. Prednost je u tome što je MIG zavarivanje brže od TIG zavarivanja, a opseg kretanja zavarivanja je mali kod zavarivanja velikih obratka. Podešavanjem brzine dodavanja žice, učinkovitost zavarivanja može doseći nekoliko metara u minuti.
lasersko zavarivanje
Zavarivanje laserskim snopom (Laser Beam Welding LBW) koristi laserske impulse visoke energije za lokalno zagrijavanje materijala na malom području. Energija laserskog zračenja difundira u unutrašnjost materijala kroz provođenje topline, a materijal se topi da bi se stvorila posebna rastaljena baza. Nakon skrućivanja, materijal se povezuje u Jedno.
Prednost laserskog zavarivanja je u tome što je točka djelovanja zavarivanja mala, izvor topline velike snage je koncentriran, sposoban je zavarivati debele ploče, zona utjecaja topline je uska, a deformacija zavarivanja je mala. Ali u isto vrijeme, lasersko zavarivanje ima visoke zahtjeve za pozicioniranje zavarivanja, skupu opremu za zavarivanje i visoke troškove zavarivanja. Za metalne materijale kao što su aluminij i magnezij, refleksija lasera je visoka, a izravno zavarivanje je teško.
Ozračivanje materijala laserima s različitim gustoćama snage pokazuje da kada gustoća snage na radnom komadu dosegne više od 107 W/cm2, metal u zoni grijanja će se raspliniti u vrlo kratkom vremenu, a plin će konvergirati u malu rupu u bazen rastaline i formiranje Mala rupa je središte za prijenos topline, a bazen rastaline se formira u blizini male rupe, što je učinak "ključanice" laserskog zavarivanja dubokim prodiranjem. Kako bi se izbjegla neravnomjernost rastaljenog bazena uzrokovana ovom pojavom, moguće je smanjiti energiju lasera, povećati brzinu zavarivanja ili kontrolirati ponovno taljenje područja grumena kako bi se uklonili mjehurići u zoni fuzije i smanjilo stvaranje pora .
zavarivanje trenjem s miješanjem
Zavarivanje trenjem s miješanjem (Friction stir Welding, FSW) nova je vrsta tehnologije spajanja pune faze koja se temelji na tradicionalnoj tehnologiji zavarivanja trenjem. Na sučelju koje treba zavariti, kada glava za miješanje napreduje duž zavarenog šava, temperatura materijala za zavarivanje raste, a plastificirani metal podvrgava se snažnoj plastičnoj deformaciji pod djelovanjem mehaničkog miješanja i savijanja, te formira gustu vezu čvrste faze nakon difuzije i rekristalizacije.
U usporedbi s tradicionalnim metodama zavarivanja, FSW tehnologija ima sljedeće prednosti:
Niska temperatura zavarivanja i mala deformacija zavarivanja;
Dobra mehanička svojstva zavara;
Postupak zavarivanja je jednostavan, ekonomičan i ekološki prihvatljiv.
Glavni problemi i fokus istraživanja
S primjenom aluminijskih legura u sve većem broju industrija, problem njegovog reparaturnog spoja također privlači pozornost sve više znanstvenika. Različitim ispitivanjima zavarivanja aluminijskih legura utvrđeno je da zrelost tehnologije popravka još nije zadovoljila razvojne potrebe industrije i da u njoj još uvijek postoje različiti problemi.
Elektrolučno zavarivanje plinskim volframom i zavarivanje metala zaštićenim inertnim plinom trenutno su dvije najčešće korištene metode zavarivanja, ali ove dvije tehnologije imaju široku zonu utjecaja topline, a metal zavara potrebno je rastaliti, a zatim skrutiti, što utječe na struktura. Veći, a zaostalo naprezanje je visoko, što rezultira ozbiljnim utjecajem na mehanička svojstva spoja. Gustoća energetske zrake laserskog zavarivanja je visoka, a omjer dubine i širine zavara je velik, ali je vrlo lako formirati pore, a njegova skupa cijena također ograničava popularizaciju primjene. Zavarivanje trenjem s miješanjem nudi rješenje za problem topline, ali zavarivanje trenjem s miješanjem zahtijeva relativno veliki pritisak i pogonsku silu prema naprijed, a oprema je općenito komplicirana i glomazna, što ograničava njegov razvoj.
Fokus budućih istraživanja povezanih tema trebao bi biti na sljedećim aspektima:
Polazeći od osnove zavarivanja taljenjem, prilagodite formulu žice za zavarivanje, dodajte elemente rijetke zemlje ili odaberite odgovarajuću količinu aktivatora zavarivanja za kontrolu deformacije zavarivanja, smanjenje naprezanja i smanjenje stvaranja pora.
Zbog širenja opsega i primjene legura, one se obično koriste u kombinaciji s različitim materijalima, pa je potrebno provoditi pokuse preklopnog zavarivanja između različitih metala kako bi se dobili kvalitetni spojevi.
Provedite istraživanje zavarljivosti kompozitnih izvora topline, kao što je TIG-lasersko hibridno zavarivanje, lasersko kompozitno zavarivanje trenjem s miješanjem, kako bi se postigla optimalna izvedba zavarivanja.
