Като инженерен метален материал, който нарасна бързо през последните години, алуминиевата сплав се използва широко в космическото пространство, автомобилите, корабите и други области поради ниската си плътност, висока специфична якост и специфична твърдост и добра устойчивост на корозия. .
Въпреки това, поредица от проблеми като лоша заваряемост и лоша производителност на формиращия слой при заваряване ограничават развитието на структурни части от алуминиева сплав. Следователно технологията за заваряване на алуминиеви сплави се превърна в едно от основните изследователски направления на много учени в страната и чужбина.
Преглед на характеристиките на алуминиевата сплав
Алуминият е много лек метален материал с плътност само 2,7 g/cm3, което е около 36 процента от плътността на стоманата. Алуминиевата сплав се използва за производство на механични части, които могат значително да намалят теглото и да постигнат ефекта на леко тегло, спестяване на енергия и намаляване на емисиите.
Специфичната якост и специфичната твърдост на алуминиевата сплав са по-високи от 45 стомана и ABS пластмаса. Използването на материали от алуминиеви сплави благоприятства производството на интегрални компоненти с високи изисквания за твърдост.
Алуминиевата сплав има отлична топлопроводимост, електрическа проводимост и устойчивост на корозия. Параметрите на производителност на алуминиева сплав A380 и други материали са показани в таблица 1.
Алуминиевата сплав има добра обработваемост и рециклируемост. Ако се приеме, че коефициентът на устойчивост на рязане на най-лесно режещата се магнезиева сплав е 1, устойчивостта на рязане на други метали е показана в таблица 2. Може да се види, че устойчивостта на рязане на алуминиевата сплав е по-малка от тази на медта, желязото и други материали, а процесът на рязане е сравнително лесен.
Характеристики на заваряване на алуминиева сплав
Засегнати от физичните и химичните свойства на алуминиевите сплави, има определени трудности в процеса на заваряване. Настоящото заваряване на алуминиеви сплави има главно следните проблеми: термичен стрес, аблационно изпаряване, твърди включвания, колапс на порите и др.:
Термичен стрес
Алуминиевите сплави имат по-висок коефициент на топлинно разширение и по-малък модул на еластичност. По време на процеса на заваряване, поради голямата деформация и големия коефициент на линейно разширение на алуминиевата сплав, скоростта на обемно свиване по време на втвърдяването е около 6 процента, а скоростта на охлаждане и първичната скорост на кристализация на разтопения басейн са бързи, което води до вътрешно напрежение на заваръчния шев и твърдостта на заваръчното съединение. По-голям, лесно е да се причини по-голямо вътрешно напрежение в съединението от алуминиева сплав, причинявайки по-голямо напрежение при заваряване и деформация, образувайки дефекти като пукнатини и вълнова деформация.
Аблационно изпаряване
Алуминият има точка на топене 660 градуса и точка на кипене 2647 градуса, което е по-ниско от други метални елементи като мед и желязо. По време на процеса на заваряване, ако температурата на заваряване е твърде висока, е лесно да се предизвика експлозия и да се образуват пръски, особено при заваряване с високоенергиен лъч, както е показано на фигура 1. В допълнение, някои от легиращите елементи, добавени към алуминиевата сплав имат ниска точка на кипене, която е много лесна за изпаряване и изгаряне при мигновената висока температура на заваряване, а пръскането, генерирано от експлозията, също ще отнеме част от капчиците течност, което неизбежно променя зоната на заваряване. Химическият състав не благоприятства регулирането на производителността на заварената връзка. Ето защо, за да се компенсира високотемпературната аблация, по време на заваряване често се използва заваръчна тел или други заваръчни материали с по-високо съдържание на елемент на точка на кипене от основния метал.
солидно включване
Химическите свойства на алуминия са много активни и лесно се окисляват. По време на процеса на заваряване повърхността на алуминиевата сплав се окислява, за да образува Al2O3 с висока точка на топене (около 2050 градуса C, докато точката на топене на алуминия е 660 градуса C, което е много различно). Оксидите са плътни и имат висока твърдост и се смесват в разтопената течност от сплав с ниска плътност в зоната на разтопения басейн, която лесно образува фина твърда шлака и е трудна за изхвърляне, което не само засяга структурата на заваръчния шев, но също така лесно предизвиква електрохимична корозия, която ще доведе до намаляване на механичните свойства на заварените съединения и Al2O3 покрива разтопената вана и канала, което сериозно засяга заваряването на сплави и намалява микроструктурата и свойствата на заварените съединения.
Колапс на устицата
Точката на топене на алуминиевата сплав е много по-ниска от тази на нейния оксид и нейната природа е жива и лесна за окисляване. По време на процеса на заваряване алуминиевата сплав образува разтопен басейн поради висока температура на топене. Алуминият на повърхността на разтопената вана се окислява, за да образува оксиден филм, който покрива разтопената вана в твърдо състояние. Тъй като цветът на оксидния филм след топенето не се различава много от този на разтопената алуминиева сплав и поради покритието на оксидния филм, е трудно да се наблюдава степента на топене на разтопената алуминиева сплав по време на процеса на заваряване. , така че е лесно температурата да бъде твърде висока, причинявайки влияние на топлината при заваряване. По-голямата част от зоната се свива, разрушавайки формата и свойствата на заваръчния метал.
Под действието на мигновената висока мощност на източника на топлина за заваряване, голямо количество водороден газ се разтваря в течността на сплавта. След като заваряването приключи, тъй като температурата на разтопения басейн намалява, разтворимостта на газа също постепенно намалява, което се превръща в основната причина за порите в процеса на заваряване. причина. Тъй като скоростта на втвърдяване на алуминиевата сплав е твърде висока и плътността е ниска, по време на бързото втвърдяване на заваръчния шев се образуват водородни пори с различни размери. Тези пори ще продължат да се натрупват и разширяват по време на процеса на заваряване, като в крайна сметка образуват видими големи пори и намаляват структурните свойства на съединението. Разбира се, порите не се образуват непременно по време на процеса на заваряване. Поради влиянието на технологията на процеса на леене, самият неблагороден метал също ще произведе пори по време на процеса на леене. По време на заваряване входящата топлина и вътрешното налягане непрекъснато се променят, което кара оригиналните пори в основния метал да се разширяват или комбинират помежду си, за да образуват заварени пори. Тъй като входящата топлина при заваряване се увеличава, порите също ще се увеличат. Следователно, за да се контролира източникът на водород, заваръчният материал трябва да бъде строго изсушен преди употреба. По време на заваряване токът се увеличава по подходящ начин, за да се удължи времето на съществуване на разтопения басейн и да се даде достатъчно време за утаяване на водорода, като по този начин се контролира образуването на пори.
снимка
Фиг.2 Образуване и конвергенция на устицата
Класификация на технологиите за заваряване на алуминиеви сплави
С разширяването на обхвата на приложение на алуминиевите сплави се открояват все повече проблеми. С напредъка на изследванията технологията за заваряване на алуминиеви сплави е силно развита. Понастоящем има основно заваряване с волфрамова аргонова дъга (TIG), заваряване с разтопен инертен газ (MIG), лазерно заваряване (LBW), заваряване с триене и разбъркване (FSW).
Заваряване с газова волфрамова дъга
Заваряването с волфрамов инертен газ (TIG) е типично заваряване в защитен газ и е най-често използваният метод за заваряване. При заваряване волфрамовият електрод и заваръчната повърхност се използват като електроди, а газът хелий или аргон се пропуска между двата електрода като защитен газ за защита на дъгата, а телта и основният метал се стопяват чрез мигновен разряд с високо напрежение, и частите от алуминиева сплав са заварени и оформени, и заваряване и ремонт на дефекти при леене.
Основно има следните технически характеристики:
Лесен за работа, гъвкав и контролируем, адаптивен към различни работни условия и среди и ниски разходи;
Зоната на топлинно въздействие е тясна и деформацията на заварената връзка е малка при условие на достатъчно подаване на тел, а цялостната производителност на съединението е висока;
Изпълнението на процеса на заваряване е добро и стабилно, а заваръчният шев е плътен и красив.
MIG заваряване
Както MIG (GMA-газово заваряване с метална дъга), така и TIG са заваряване в защитен газ. Разликата е, че при ВИГ заваряването се използват волфрамови електроди като фиксирани електроди, докато при МИГ заваряването се използва самият материал с напълнена тел като електроди.
При процеса на заваряване на алуминиева сплав в защитен газ с инертен газ, напрежението и токът действат върху края на електрода на заваръчната тел и се генерира мигновено високо налягане между електрода и основния метал, което стопява основния метал и жлеб, а капката в края на телта пада и преминава вертикално към основния метал. Върху разтопената вана от материала се образува заваръчна зона.
Въпреки това, процесът на нанасяне на MIG заваряване на алуминиева сплав е сравнително ограничен, тъй като мекотата на алуминиевата тел води до лошо подаване на тел, а разтопеният алуминий е склонен да образува феномен на „висене, но не капене“ по време на заваряване, което е лесно за да предизвика пръскане на капчици. Предимството е, че MIG заваряването е по-бързо от TIG заваряването и обхватът на движение на заваряване е малък при заваряване на големи детайли. Чрез регулиране на скоростта на подаване на тел, ефективността на заваряване може да достигне няколко метра в минута.
лазерно заваряване
Заваряването с лазерен лъч (Laser Beam Welding LBW) използва високоенергийни лазерни импулси за локално нагряване на материала в малка площ. Енергията на лазерното лъчение дифундира към вътрешността на материала чрез топлопроводимост и материалът се разтопява, за да образува специфичен басейн от стопилка. След втвърдяване материалът се свързва в Едно.
Предимството на лазерното заваряване е, че точката на действие на заваряване е малка, източникът на топлина с висока мощност е концентриран, той може да заварява дебели плочи, зоната на топлинно въздействие е тясна и деформацията на заваряване е малка. Но в същото време лазерното заваряване има високи изисквания за позициониране на заваряване, скъпо заваръчно оборудване и високи разходи за заваряване. За метални материали като алуминий и магнезий коефициентът на отражение на лазера е висок и директното заваряване е трудно.
Облъчването на материали с лазери с различна плътност на мощността показва, че когато плътността на мощността върху детайла достигне повече от 107 W/cm2, металът в нагряващата зона ще бъде газифициран за много кратко време и газът ще се слее в малък отвор в разтопен басейн и образуват Малкият отвор е центърът за пренос на топлина, а разтопеният басейн се образува близо до малкия отвор, което е ефектът на „ключовата дупка“ при лазерно заваряване с дълбоко проникване. За да се избегнат неравномерностите на разтопения басейн, причинени от това явление, е възможно да се намали лазерната енергия, да се увеличи скоростта на заваряване или да се контролира повторното топене на зоната на самородния къс, за да се премахнат мехурчетата в зоната на топене и да се намали генерирането на пори .
заваряване чрез триене с разбъркване
Заваряването чрез триене с разбъркване (Friction stir Welding, FSW) е нов тип технология за свързване на твърда фаза, базирана на традиционната технология за заваряване с триене. На интерфейса, който ще бъде заварен, когато бъркащата глава напредва по протежение на заваръчния шев, температурата на заваръчния материал се повишава и пластифицираният метал претърпява силна пластична деформация под действието на механично разбъркване и разклащане и образува плътна твърдофазна връзка след дифузия и рекристализация.
В сравнение с традиционните методи за заваряване, FSW технологията има следните предимства:
Ниска температура на заваряване и малка деформация на заваряване;
Добри механични свойства на заваръчния шев;
Процесът на заваряване е прост, икономичен и екологичен.
Основни проблеми и фокус на изследването
С прилагането на алуминиевите сплави във все повече индустрии, проблемът за тяхното ремонтно свързване също привлече вниманието на все повече учени. Чрез различни тестове за заваряване на алуминиеви сплави се установява, че зрелостта на технологията за ремонт все още не е отговорила на нуждите за развитие на индустрията и все още има различни проблеми в нея.
Заваряването с газова волфрамова дъга и заваряването в защитен метал с инертен газ са двата най-широко използвани метода за заваряване в момента, но тези две технологии имат широка зона на топлинно въздействие и заваръчният метал трябва да се разтопи и след това да се втвърди, което оказва влияние върху структурата. По-голямо и остатъчното напрежение е високо, което води до сериозно въздействие върху механичните свойства на съединението. Плътността на енергийния лъч при лазерно заваряване е висока и съотношението дълбочина към ширина на заваръчния шев е голямо, но е много лесно да се образуват пори, а скъпата му цена също ограничава популяризирането на приложенията. Заваряването с разбъркване чрез триене осигурява решение на проблема с топлината, но заваряването с разбъркване чрез триене изисква сравнително голям натиск при разклащане и движеща сила напред, а оборудването като цяло е сложно и обемисто, което ограничава неговото развитие.
Фокусът на бъдещите изследвания по свързани теми трябва да бъде върху следните аспекти:
Започвайки от основата на заваряване чрез стопяване, коригирайте формулата на заваръчната тел, добавете редкоземни елементи или изберете подходящо количество заваръчен активатор, за да контролирате деформацията на заваряване, да намалите напрежението и да намалите образуването на пори.
Поради разширяването на обхвата и приложението на сплавите, те обикновено се използват във връзка с различни материали, така че е необходимо да се извършват експерименти за заваряване на припокриване между различни метали, за да се получат висококачествени съединения.
Извършете изследване на заваряемостта на композитни източници на топлина, като хибридно TIG-лазерно заваряване, лазерно композитно заваряване чрез триене с разбъркване, за да получите оптимална производителност на заваряване.
