Stopy aluminium jako inżynieryjny materiał metalowy, który w ostatnich latach szybko zyskał na popularności, są szeroko stosowane w przemyśle lotniczym, samochodach, statkach i innych dziedzinach ze względu na ich niską gęstość, wysoką wytrzymałość właściwą i właściwą sztywność oraz dobrą odporność na korozję. .
Jednakże szereg problemów, takich jak słaba spawalność i słaba wydajność warstwy formującej podczas spawania, ogranicza rozwój części konstrukcyjnych ze stopów aluminium. Dlatego technologia spawania stopów aluminium stała się jednym z głównych kierunków badawczych wielu uczonych w kraju i za granicą.
Przegląd właściwości stopu aluminium
1. Aluminium jest bardzo lekkim metalem o gęstości zaledwie 2,7 g/cm3, co stanowi około 36 procent gęstości stali. Zastosowanie stopu aluminium do produkcji części mechanicznych może znacznie zmniejszyć wagę i osiągnąć efekt lekkości, oszczędności energii i redukcji emisji.
2. Specyficzna wytrzymałość i specyficzna sztywność stopu aluminium są wyższe niż 45 stali i tworzywa ABS. Zastosowanie materiałów ze stopów aluminium sprzyja wytwarzaniu integralnych elementów o wysokich wymaganiach sztywności.
3. Stop aluminium ma doskonałą przewodność cieplną, przewodność elektryczną i odporność na korozję. Parametry użytkowe stopu aluminium A380 i innych materiałów przedstawiono w tabeli 1.
4. Stop aluminium ma dobrą obrabialność i możliwość recyklingu. Jeżeli przyjmiemy, że współczynnik oporu skrawania najbardziej obrabialnego stopu magnezu wynosi 1, opór skrawania innych metali przedstawiono w tabeli 2. Można zauważyć, że opór skrawania stopu aluminium jest mniejszy niż w przypadku miedzi, żelaza i innych. materiałów, a proces cięcia jest łatwiejszy.
Charakterystyka spawania stopu aluminium
Ze względu na właściwości fizykochemiczne stopów aluminium występują pewne trudności w procesie spawania. Obecne spawanie stopów aluminium wiąże się głównie z następującymi problemami: naprężenia termiczne, odparowanie ablacyjne, wtrącenia stałe, zapadanie się porów itp.:
Naprężenia termiczne
Stopy aluminium mają wyższy współczynnik rozszerzalności cieplnej i niższy moduł sprężystości. Podczas procesu spawania, ze względu na duże odkształcenie i duży współczynnik rozszerzalności liniowej stopu aluminium, szybkość skurczu objętościowego podczas krzepnięcia wynosi około 6 procent, a szybkość chłodzenia i pierwotna szybkość krystalizacji stopionego basenu są szybkie, co powoduje naprężenia wewnętrzne spoiny i sztywność połączenia spawanego. Jeśli jest duży, łatwo jest wygenerować duże naprężenia wewnętrzne w złączu ze stopu aluminium, powodując duże naprężenia i odkształcenia spawalnicze oraz tworząc wady, takie jak pęknięcia i odkształcenia falowe.
Odparowanie ablacyjne
Temperatura topnienia aluminium wynosi 660 stopni, a temperatura wrzenia to 2647 stopni, czyli jest niższa niż w przypadku innych pierwiastków metalowych, takich jak miedź i żelazo. Podczas procesu zgrzewania, jeśli temperatura zgrzewania jest zbyt wysoka, łatwo jest eksplodować i tworzyć odpryski, zwłaszcza przy spawaniu wiązką wysokoenergetyczną, jak pokazano na rysunku 1. Ponadto niektóre pierwiastki stopowe dodawane do stopu aluminium mają niska temperatura wrzenia, która łatwo odparowuje i spala się w chwilowo wysokiej temperaturze spawania, a rozprysk generowany przez eksplozję zabierze również kilka kropel, co nieuchronnie zmienia obszar szwu spawalniczego. Skład chemiczny nie sprzyja regulacji wydajności połączeń spawanych. Dlatego w celu skompensowania ablacji wysokotemperaturowej podczas spawania często stosuje się druty spawalnicze lub inne materiały spawalnicze o wyższej zawartości pierwiastków o temperaturze wrzenia niż metal podstawowy.
Stałe inkluzje
Właściwości chemiczne aluminium są bardzo aktywne i łatwo się utleniają. Podczas procesu spawania powierzchnia stopu aluminium jest utleniana do Al2O3 o wysokiej temperaturze topnienia (około 2050 stopni, podczas gdy temperatura topnienia aluminium wynosi 660 stopni, co jest bardzo różne). Tlenki są gęste i mają wysoką twardość i mieszają się w roztopionym stopie ciekłym o małej gęstości w obszarze roztopionego jeziorka, co ułatwia tworzenie małych stałych wtrąceń żużla, które nie są łatwe do rozładowania, co nie tylko wpływa na mikrostrukturę spoiny, ale również jest podatna na korozję elektrochemiczną, która powoduje pogorszenie właściwości mechanicznych złączy spawanych, a Al2O3 pokrywa roztopione jeziorko i rowek, co poważnie wpływa na spawanie stopów oraz zmniejsza mikrostrukturę i właściwości złączy spawanych.
Zapaść stomii
Temperatura topnienia stopu aluminium jest znacznie niższa niż jego tlenku, jest on bardzo aktywny i łatwo się utlenia. Podczas procesu spawania stop aluminium topi się w wysokiej temperaturze, tworząc stopiony jeziorko. Aluminium na powierzchni roztopionego jeziorka jest utleniane, tworząc warstewkę tlenkową, która pokrywa roztopione jeziorko w postaci stałej. Ponieważ kolor folii stopionego tlenku niewiele różni się od stanu stopionego stopu aluminium, a ze względu na pokrycie folii tlenkowej, trudno jest zaobserwować stopień stopienia jeziorka stopionego stopu aluminium podczas procesu spawania , dzięki czemu łatwo jest spowodować zbyt wysoką temperaturę i spowodować ciepło spawania. Duże zapadnięcia w obszarze niszczą kształt i właściwości metalu spoiny.
Pod wpływem chwilowej, wysokiej mocy źródła ciepła spawania, w cieczy stopowej rozpuszcza się duża ilość wodoru. Po zakończeniu spawania, wraz ze spadkiem temperatury jeziorka stopionego, rozpuszczalność gazu stopniowo spada, co staje się główną przyczyną powstawania porów podczas procesu spawania. powód. Ze względu na szybkie tempo krzepnięcia i niską gęstość stopów aluminium podczas szybkiego krzepnięcia spoiny tworzą się pory wodorowe o różnej wielkości. Pory te będą się nadal gromadzić i rozszerzać podczas procesu spawania, ostatecznie tworząc widoczne pory i zmniejszając właściwości strukturalne złącza. Oczywiście powstawanie porów niekoniecznie powstaje podczas procesu zgrzewania. Ze względu na wpływ technologii odlewania, sam metal nieszlachetny również będzie wytwarzał pory podczas procesu odlewania. Podczas spawania ciągła zmiana dopływu ciepła i ciśnienia wewnętrznego powoduje, że pierwotne pory w metalu podstawowym rozszerzają się pod wpływem ciepła lub łączą się ze sobą, tworząc pory spoiny. Wraz ze wzrostem wprowadzanego ciepła spawania, pory również się zwiększą. Dlatego, aby kontrolować źródło wodoru, materiał spawalniczy musi zostać poddany ścisłej obróbce suszenia przed użyciem. Podczas spawania prąd należy odpowiednio zwiększyć, aby przedłużyć czas istnienia stopionego jeziorka i zapewnić wystarczający czas na wytrącenie wodoru, tym samym kontrolując tworzenie się porów.
Klasyfikacja technologii spawania stopów aluminium
Wraz z rozszerzeniem zakresu zastosowań stopów aluminium, pojawia się coraz więcej problemów. Wraz z postępem badań technologia spawania stopów aluminium poczyniła ogromne postępy. Obecnie jest to głównie spawanie łukiem wolframowym w argonie (TIG), spawanie stopionym gazem obojętnym (MIG), spawanie laserowe (LBW), spawanie tarciowe z przemieszaniem (FSW).
Spawanie TIG
Spawanie wolframowym gazem obojętnym (TIG) jest typowym spawaniem łukowym w gazie obojętnym i jest najczęściej stosowaną metodą spawania. Podczas spawania elektroda wolframowa i powierzchnia spawania są używane jako elektrody, a gazowy hel lub argon jest przepuszczany między dwiema elektrodami jako gaz osłonowy w celu ochrony łuku, a drut i metal podstawowy są topione przez natychmiastowe wyładowanie wysokonapięciowe, a części ze stopu aluminium są spawane i formowane, a naprawa spoin i naprawa wad odlewniczych.
Głównie mają następujące cechy techniczne:
1. Łatwy w obsłudze, elastyczny i kontrolowany, przystosowany do różnych warunków pracy i środowiska, przy niskich kosztach;
2. Strefa wpływu ciepła jest wąska, odkształcenie złącza spawanego jest niewielkie, gdy podawanie drutu jest wystarczające, a wszechstronna wydajność złącza jest wysoka;
3. Wydajność procesu spawania jest dobra i stabilna, a szew spawalniczy jest zwarty i piękny.
Spawanie metodą MIG
Spawanie MIG (GMA-Gas Metal Arc Welding) i TIG to metody spawania w osłonie gazu obojętnego. Różnica polega na tym, że spawanie TIG wykorzystuje elektrodę wolframową jako elektrodę stałą, podczas gdy spawanie metodą MIG wykorzystuje sam drut dodatkowy jako elektrodę.
W procesie spawania stopów aluminium w osłonie gazów obojętnych z roztopionym biegunem na końcówkę elektrody drutu spawalniczego działają napięcie i prąd, a pomiędzy elektrodą a metalem rodzimym powstaje chwilowe wysokie napięcie, które topi metal rodzimy a rowek, a kropla na końcu drutu spawalniczego odpada i przechodzi pionowo w metal podstawowy. Na roztopionym jeziorku materiału tworzy się strefa spawania.
Jednak proces aplikacji spawania metodą MIG stopu aluminium jest znacznie ograniczony, ponieważ miękki drut aluminiowy prowadzi do słabego podawania drutu, a stopione aluminium ma tendencję do tworzenia zjawiska „zawieszania bez kapania” podczas spawania, co łatwo powoduje powstawanie kropel. pluśnięcie. Zaletą jest to, że spawanie MIG jest szybsze niż spawanie TIG, a zakres ruchu spawania jest mały podczas spawania dużych przedmiotów. Dostosowując prędkość podawania drutu, wydajność spawania może sięgać kilku metrów na minutę.
Spawanie laserowe
Spawanie laserowe (Laser Beam Welding LBW) wykorzystuje wysokoenergetyczne impulsy laserowe do lokalnego podgrzewania materiału na niewielkim obszarze. Energia promieniowania laserowego dyfunduje do wnętrza materiału poprzez przewodzenie ciepła, a materiał topi się, tworząc specyficzną stopioną sadzawkę. Po zestaleniu materiał łączy się w jeden.
Zaletą spawania laserowego jest to, że punkt działania spawania jest mały, źródło ciepła o dużej mocy jest skoncentrowane i ma możliwość spawania grubych blach, z wąską strefą wpływu ciepła i małymi odkształceniami spawalniczymi. Jednocześnie jednak spawanie laserowe ma wysokie wymagania dotyczące pozycjonowania spawania, drogiego sprzętu spawalniczego i wysokich kosztów spawania. W przypadku materiałów metalowych, takich jak aluminium i magnez, współczynnik odbicia lasera jest wysoki, a spawanie bezpośrednie jest trudne.
Naświetlanie materiałów laserami o różnych gęstościach mocy pokazuje, że gdy gęstość mocy na obrabianym przedmiocie osiągnie ponad 107 W/cm2, metal w strefie grzewczej zostanie odparowany w bardzo krótkim czasie, a gaz zbiegnie się w mały otwór w stopiony basen, ten mały otwór jest centrum wymiany ciepła, a stopiony basen tworzy się w pobliżu małego otworu, co jest efektem „dziurki od klucza” spawania laserowego z głębokim wtopieniem. Aby uniknąć problemu nierównego roztopionego jeziorka spowodowanego tym zjawiskiem, można zmniejszyć energię lasera, zwiększyć prędkość spawania lub kontrolować przetapianie obszaru bryłki w celu usunięcia pęcherzyków w strefie wtapiania i zmniejszenia powstawania porów .
Zgrzewanie tarciowe z mieszaniem
Zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem (Friction stir Welding, FSW) to nowa technologia łączenia w fazie stałej, powstała w oparciu o tradycyjną technologię zgrzewania tarciowego. Na styku, który ma być zgrzewany, gdy głowica mieszająca przesuwa się wzdłuż spoiny, temperatura materiału spawalniczego wzrasta, a uplastyczniony metal ulega silnemu odkształceniu plastycznemu pod wpływem mechanicznego mieszania i spęczania, tworząc gęste połączenie w fazie stałej po dyfuzja i rekrystalizacja.
