Ca material metalic de inginerie care a crescut rapid în ultimii ani, aliajul de aluminiu a fost utilizat pe scară largă în industria aerospațială, automobile, nave și alte domenii datorită densității sale scăzute, rezistenței specifice ridicate și rigidității specifice și rezistenței bune la coroziune. .
Cu toate acestea, o serie de probleme cum ar fi sudarea slabă și performanța slabă a stratului de formare la sudare limitează dezvoltarea pieselor structurale din aliaj de aluminiu. Prin urmare, tehnologia de sudare a aliajelor de aluminiu a devenit una dintre principalele direcții de cercetare ale multor savanți din țară și din străinătate.
Prezentare generală a performanței aliajului de aluminiu
Aluminiul este un material metalic foarte ușor, cu o densitate de numai 2,7 g/cm3, ceea ce reprezintă aproximativ 36% din densitatea oțelului. Aliajul de aluminiu este utilizat pentru fabricarea pieselor mecanice, care pot reduce semnificativ greutatea și pot obține efectele de greutate redusă, de economisire a energiei și de reducere a emisiilor.
Rezistența specifică și rigiditatea specifică a aliajului de aluminiu sunt mai mari decât oțelul 45 și plasticul ABS. Utilizarea materialelor din aliaj de aluminiu este propice pentru fabricarea componentelor integrale cu cerințe ridicate de rigiditate.
Aliajul de aluminiu are o conductivitate termică excelentă, conductivitate electrică și rezistență la coroziune. Parametrii de performanță ai aliajului de aluminiu A380 și a altor materiale sunt prezentați în Tabelul 1.
Aliajul de aluminiu are o bună prelucrabilitate și reciclare. Dacă se presupune că coeficientul de rezistență la tăiere al aliajului de magneziu cel mai ușor de tăiat este 1, rezistența la tăiere a altor metale este prezentată în Tabelul 2. Se poate observa că rezistența la tăiere a aliajului de aluminiu este mai mică decât cea a cuprului, fierului. și alte materiale, iar procesul de tăiere este relativ ușor.
Caracteristici de sudare a aliajului de aluminiu
Afectate de proprietățile fizice și chimice ale aliajelor de aluminiu, există anumite dificultăți în procesul de sudare. Sudarea actuală a aliajului de aluminiu are în principal următoarele probleme: stres termic, evaporare prin ablație, incluziuni solide, colaps al porilor etc.:
Stres termic
Aliajele de aluminiu au un coeficient de dilatare termică mai mare și un modul de elasticitate mai mic. În timpul procesului de sudare, datorită deformării mari și a coeficientului mare de expansiune liniară a aliajului de aluminiu, rata de contracție a volumului în timpul solidificării este de aproximativ 6 procente, iar viteza de răcire și rata de cristalizare primară a bazinului topit sunt rapide, rezultând în solicitarea internă a sudurii și rigiditatea îmbinării sudate. Mai mare, este ușor să se provoace un stres intern mai mare în îmbinarea din aliaj de aluminiu, provocând tensiuni și deformații mai mari la sudare, formând defecte precum fisuri și deformarea valurilor.
Evaporare prin ablație
Aluminiul are un punct de topire de 660 de grade și un punct de fierbere de 2647 de grade, care este mai mic decât alte elemente metalice, cum ar fi cuprul și fierul. În timpul procesului de sudare, dacă temperatura de sudare este prea mare, este ușor să provoace explozie și să se formeze stropi, în special în sudarea cu fascicul de energie înaltă, așa cum se arată în Figura 1. În plus, unele dintre elementele de aliere adăugate aliajului de aluminiu au un punct de fierbere scăzut, care este foarte ușor de evaporat și de ars la temperatura ridicată instantanee de sudare, iar stropirea generată de explozie va îndepărta și o parte din picăturile de lichid, ceea ce modifică inevitabil zona de sudare. Compoziția chimică nu este propice pentru reglarea performanței îmbinării sudate. Prin urmare, pentru a compensa ablația la temperaturi ridicate, în timpul sudării sunt adesea utilizate sârmă de sudură sau alte materiale de sudură cu un conținut de element de punct de fierbere mai mare decât metalul de bază.
incluziune solidă
Proprietățile chimice ale aluminiului sunt foarte active și ușor de oxidat. În timpul procesului de sudare, suprafața aliajului de aluminiu este oxidată pentru a forma Al2O3 cu un punct de topire ridicat (aproximativ 2050 grade C, în timp ce punctul de topire al aluminiului este de 660 grade C, ceea ce este foarte diferit). Oxizii sunt denși și au duritate ridicată și sunt amestecați în lichidul de aliaj topit cu densitate scăzută în zona bazinului topit, care este ușor de format zgură solidă fină și este dificil de descărcat, ceea ce afectează nu numai structura sudurii, dar, de asemenea, produce cu ușurință coroziune electrochimică, ceea ce va provoca scăderea proprietăților mecanice ale îmbinărilor sudate, iar Al2O3 acoperă bazinul și canelura topită, ceea ce afectează grav sudarea aliajelor și reduce microstructura și proprietățile îmbinărilor sudate.
Colapsul stomatic
Punctul de topire al aliajului de aluminiu este mult mai mic decât cel al oxidului său, iar natura sa este vie și ușor de oxidat. În timpul procesului de sudare, aliajul de aluminiu formează un bazin topit datorită topirii la temperaturi ridicate. Aluminiul de pe suprafața bazinului topit este oxidat pentru a forma o peliculă de oxid, care acoperă bazinul topit în stare solidă. Deoarece culoarea filmului de oxid după topire nu este mult diferită de cea a aliajului de aluminiu topit și din cauza acoperirii filmului de oxid, este dificil de observat gradul de topire al bazinului de aliaj de aluminiu topit în timpul procesului de sudare. , deci este ușor să faci ca temperatura să fie prea ridicată, provocând influența căldurii de sudare. Cea mai mare parte a zonei se prăbușește, distrugând forma și proprietățile metalului de sudare.
Sub acțiunea puterii mari instantanee a sursei de căldură de sudare, o cantitate mare de hidrogen gazos este dizolvată în lichidul de aliaj. După terminarea sudării, pe măsură ce temperatura bazinului topit scade, solubilitatea gazului scade și ea treptat, ceea ce devine principala cauză a porilor în procesul de sudare. motiv. Deoarece viteza de solidificare a aliajului de aluminiu este prea mare și densitatea este scăzută, în timpul solidificării rapide a sudurii se formează pori de hidrogen de diferite dimensiuni. Acești pori vor continua să se acumuleze și să se extindă în timpul procesului de sudare, formând în cele din urmă pori mari vizibili și reducând proprietățile structurale ale îmbinării. Desigur, porii nu se formează neapărat în timpul procesului de sudare. Datorită influenței tehnologiei procesului de turnare, metalul de bază în sine va produce pori în timpul procesului de turnare. În timpul sudării, aportul de căldură și presiunea internă se schimbă în mod constant, determinând porii originali din metalul de bază să se extindă sau să se combine între ele pentru a forma pori de sudare. Pe măsură ce aportul de căldură de sudare crește, porii vor crește și ei. Prin urmare, pentru a controla sursa de hidrogen, materialul de sudură trebuie să fie uscat strict înainte de utilizare. În timpul sudării, curentul este crescut în mod corespunzător pentru a prelungi timpul de existență al bazinului de topire și a oferi suficient timp pentru ca hidrogenul să precipite, controlând astfel formarea porilor.
imagine
Fig.2 Formarea și convergența stomatelor
Clasificarea tehnologiei de sudare a aliajelor de aluminiu
Odată cu extinderea domeniului de aplicare a aliajelor de aluminiu, sunt evidențiate tot mai multe probleme. Odată cu progresul cercetării, tehnologia de sudare a aliajului de aluminiu a fost foarte dezvoltată. În prezent, există în principal sudare cu arc cu tungsten argon (TIG), sudare cu gaz inert topit (MIG), sudare cu laser (LBW), sudare prin frecare cu agitare (FSW).
Sudare cu arc de tungsten cu gaz
Sudarea cu gaz inert de tungsten (TIG) este o sudare tipică cu gaz inert și este cea mai frecvent utilizată metodă de sudare. La sudare, electrodul de tungsten și suprafața de sudură sunt folosite ca electrozi, iar heliul sau argonul este trecut între cei doi electrozi ca gaz protector pentru a proteja arcul, iar firul și metalul de bază sunt topite prin descărcarea instantanee de înaltă tensiune, iar piesele din aliaj de aluminiu sunt sudate și formate, și Sudarea și repararea defectelor de turnare.
Are în principal următoarele caracteristici tehnice:
Ușor de operat, flexibil și controlabil, adaptabil la diverse condiții și medii de lucru și costuri reduse;
Zona afectată de căldură este îngustă, iar deformarea îmbinării sudate este mică în condițiile unei alimentare suficiente a sârmei, iar performanța cuprinzătoare a îmbinării este ridicată;
Performanța procesului de sudare este bună și stabilă, iar cusătura de sudură este densă și frumoasă.
Sudarea MIG
Atât MIG (GMA-Gas Metal Arc Welding) cât și TIG sunt suduri protejate cu gaz inert. Diferența este că sudarea TIG folosește electrozi de wolfram ca electrozi fiși, în timp ce sudarea MIG folosește materialul de sârmă umplută în sine ca electrozi.
În procesul de sudare a aliajului de aluminiu cu gaz inert, tensiunea și curentul acționează asupra capătului electrodului firului de sudură și se generează o presiune ridicată instantanee între electrod și metalul de bază, care topește metalul de bază și canal, iar picătura de la capătul firului cade și trece vertical la metalul de bază. Pe bazinul topit al materialului se formează o zonă de sudură.
Cu toate acestea, procesul de aplicare a sudării MIG din aliaj de aluminiu este relativ limitat, deoarece moliciunea firului de aluminiu duce la o capacitate slabă de alimentare a sârmei, iar aluminiul topit este predispus să formeze un fenomen de „atârnare, dar nu picurare” în timpul sudării, ceea ce este ușor. pentru a provoca stropirea picăturilor. Avantajul este că sudarea MIG este mai rapidă decât sudarea TIG, iar intervalul de mișcare a sudării este mic la sudarea pieselor mari. Prin reglarea vitezei de alimentare a sârmei, eficiența sudării poate atinge câțiva metri pe minut.
sudare cu laser
Sudarea cu fascicul laser (Laser Beam Welding LBW) folosește impulsuri laser de înaltă energie pentru a încălzi local materialul într-o zonă mică. Energia radiației laser difuzează în interiorul materialului prin conducerea căldurii, iar materialul este topit pentru a forma un bazin topit specific. După solidificare, materialul este conectat într-unul.
Avantajul sudării cu laser este că punctul de acțiune al sudării este mic, sursa de căldură de mare putere este concentrată, este capabilă să sudeze plăci groase, zona afectată de căldură este îngustă, iar deformarea sudurii este mică. Dar, în același timp, sudarea cu laser are cerințe ridicate pentru poziționarea sudurii, echipamente scumpe de sudare și costuri ridicate de sudare. Pentru materialele metalice precum aluminiul și magneziul, reflectivitatea laserului este mare, iar sudarea directă este dificilă.
Iradierea materialelor cu lasere cu densități de putere diferite arată că atunci când densitatea de putere a piesei de prelucrat atinge mai mult de 107 W/cm2, metalul din zona de încălzire va fi gazificat într-un timp foarte scurt, iar gazul va converge într-o mică gaură în gaura mică este centrul pentru transferul de căldură, iar lângă gaura mică se formează un bazin topit, care este efectul „găurii de cheie” al sudării cu penetrare adâncă cu laser. Pentru a evita denivelările bazinului de topire cauzate de acest fenomen, este posibil să se reducă energia laserului, să se mărească viteza de sudare sau să se controleze retopirea zonei pepite pentru a elimina bulele din zona de fuziune și a reduce generarea de pori. .
sudare prin frecare cu agitare
Sudarea prin frecare cu agitare (Friction Stir Welding, FSW) este un nou tip de tehnologie de conectare în fază solidă bazată pe tehnologia tradițională de sudare prin frecare. La interfața care urmează să fie sudată, atunci când capul de agitare avansează de-a lungul cordonului de sudură, temperatura materialului de sudură crește, iar metalul plastificat suferă o deformare plastică puternică sub acțiunea amestecării și răsturnării mecanice și formează o conexiune densă în fază solidă. după difuzie şi recristalizare.
În comparație cu metodele tradiționale de sudare, tehnologia FSW are următoarele avantaje:
Temperatură scăzută de sudare și deformare mică de sudare;
Proprietăți mecanice bune ale sudurii;
Procesul de sudare este simplu, economic și ecologic.
Principalele probleme și focalizarea cercetării
Odată cu aplicarea aliajelor de aluminiu în tot mai multe industrii, problema conexiunii sale de reparație a atras, de asemenea, atenția din ce în ce mai mulți oameni de știință. Prin diferite teste de sudare pe aliaje de aluminiu, se constată că maturitatea tehnologiei de reparații nu a îndeplinit încă nevoile de dezvoltare ale industriei și există încă diverse probleme în aceasta.
Sudarea cu arc de tungsten cu gaz și sudarea metalului cu gaz inert sunt cele mai utilizate metode de sudare în prezent, dar aceste două tehnologii au o zonă largă afectată de căldură, iar metalul de sudură trebuie topit și apoi solidificat, ceea ce are un impact asupra structura. Mai mare, iar stresul rezidual este mare, rezultând un impact grav asupra proprietăților mecanice ale îmbinării. Densitatea fasciculului de energie de sudare cu laser este mare, iar raportul adâncime-lățime al sudurii este mare, dar este foarte ușor de format pori, iar costul său scump limitează, de asemenea, popularizarea aplicațiilor. Sudarea prin frecare cu agitare oferă o soluție la problema căldurii, dar sudarea prin frecare cu agitare necesită o presiune de răsturnare relativ mare și o forță de antrenare înainte, iar echipamentul este în general complicat și voluminos, ceea ce îi limitează dezvoltarea.
Accentul cercetărilor viitoare pe subiecte conexe ar trebui să fie pe următoarele aspecte:
Pornind de la baza sudurii prin fuziune, ajustați formula firului de sudură, adăugați elemente de pământ rare sau selectați o cantitate adecvată de activator de sudură pentru a controla deformarea sudurii, a reduce stresul și a reduce formarea porilor.
Datorită extinderii domeniului de aplicare și a aplicării aliajelor, acestea sunt de obicei utilizate împreună cu materiale diferite, deci este necesar să se efectueze experimente de sudare în strat între metale diferite pentru a obține îmbinări de înaltă calitate.
Efectuați cercetări privind sudarea surselor de căldură compozite, cum ar fi sudarea hibridă TIG-laser, sudarea prin frecare compozită cu laser, pentru a obține performanța optimă de sudare.
