Kao inženjerski metalni materijal koji je naglo rastao u posljednjih nekoliko godina, legure aluminija su naširoko korištene u zrakoplovstvu, automobilima, brodovima i drugim poljima zbog svoje male gustine, visoke specifične čvrstoće i specifične krutosti, te dobre otpornosti na koroziju. .
Međutim, niz problema kao što su loša zavarljivost i loše performanse formirajućeg sloja pri zavarivanju ograničavaju razvoj strukturnih dijelova od aluminijskih legura. Stoga je tehnologija zavarivanja aluminijskih legura postala jedan od glavnih istraživačkih pravaca mnogih naučnika u zemlji i inostranstvu.
Pregled svojstava legure aluminijuma
1. Aluminij je vrlo lagan metalni materijal sa gustinom od samo 2,7 g/cm3, što je oko 36 posto gustine čelika. Upotreba legure aluminijuma za proizvodnju mehaničkih delova može značajno smanjiti težinu i postići efekat male težine, uštede energije i smanjenja emisije.
2. Specifična čvrstoća i specifična krutost aluminijske legure su veće od čelika 45 i ABS plastike. Upotreba materijala od legure aluminijuma pogoduje proizvodnji integralnih komponenti sa visokim zahtevima za krutost.
3. Aluminijska legura ima odličnu toplinsku provodljivost, električnu provodljivost i otpornost na koroziju. Parametri performansi legure aluminijuma A380 i drugih materijala prikazani su u tabeli 1.
4. Aluminijska legura ima dobru obradivost i mogućnost recikliranja. Ako se pretpostavi da je koeficijent otpora rezanja magnezijeve legure koja se najviše može obraditi 1, otpor rezanja ostalih metala je prikazan u tabeli 2. Može se vidjeti da je otpor rezanja legure aluminija manji od otpora bakra, željeza i drugih metala. materijala, a proces rezanja je lakši.
Karakteristike zavarivanja legure aluminijuma
Pod utjecajem fizičkih i kemijskih svojstava aluminijskih legura, postoje određene poteškoće u procesu zavarivanja. Sadašnje zavarivanje aluminijskih legura uglavnom ima sljedeće probleme: toplinsko naprezanje, isparavanje ablacije, čvrste inkluzije, kolaps pora, itd.:
Toplotni stres
Aluminijske legure imaju veći koeficijent toplinskog širenja i manji modul elastičnosti. Tokom procesa zavarivanja, zbog velike deformacije i velikog koeficijenta linearne ekspanzije legure aluminijuma, volumna stopa skupljanja tokom skrućivanja je oko 6 procenata, a brzina hlađenja i stopa primarne kristalizacije rastopljenog bazena su brzi, što rezultira unutrašnje naprezanje šava i krutost zavarenog spoja. Ako je velika, lako je stvoriti veliko unutrašnje naprezanje u spoju od legure aluminija, uzrokujući veliko naprezanje i deformaciju zavarivanja i formirajući defekte kao što su pukotine i deformacija valova.
Ablativno isparavanje
Tačka topljenja aluminijuma je 660 stepeni, a tačka ključanja je 2647 stepeni, što je niže od ostalih metalnih elemenata kao što su bakar i gvožđe. Tokom procesa zavarivanja, ako je temperatura zavarivanja previsoka, lako je eksplodirati i formirati prskanje, posebno kod zavarivanja visokoenergetskim snopom, kao što je prikazano na slici 1. Osim toga, neki od legirajućih elemenata koji se dodaju aluminijskoj leguri imaju niska tačka ključanja, koja se lako isparava i sagoreva pri trenutno visokoj temperaturi zavarivanja, a prskanje izazvano eksplozijom će takođe odneti neke kapljice, što neizbežno menja površinu šava zavarivanja. Hemijski sastav ne pogoduje regulaciji performansi zavarenih spojeva. Stoga se, kako bi se kompenzirala ablacija visoke temperature, prilikom zavarivanja često koriste žice za zavarivanje ili drugi materijali za zavarivanje s višim sadržajem elementa ključanja od osnovnog metala.
Čvrste inkluzije
Hemijska svojstva aluminija su vrlo aktivna i lako se oksidiraju. Tokom procesa zavarivanja, površina legure aluminijuma se oksidira u Al2O3 sa visokom tačkom topljenja (oko 2050 stepeni, dok je tačka topljenja aluminijuma 660 stepeni, što je veoma različito). Oksidi su gusti i imaju veliku tvrdoću, a miješaju se u rastopljenoj legiranoj tekućini male gustine u području rastopljenog bazena, što lako stvara male čvrste inkluzije šljake koje se teško ispuštaju, što ne utiče samo na mikrostrukturu šav, ali je i sklon elektrohemijskoj koroziji, što će uzrokovati smanjenje mehaničkih svojstava zavarenih spojeva, a Al2O3 prekriva rastopljeni bazen i žljeb, što ozbiljno utiče na zavarivanje legura i smanjuje mikrostrukturu i svojstva zavarenih spojeva.
Kolaps stome
Tačka topljenja aluminijske legure je mnogo niža od one njenog oksida, a vrlo je aktivna i lako se oksidira. Tokom procesa zavarivanja, aluminijska legura se topi na visokoj temperaturi kako bi se formirao rastopljeni bazen. Aluminij na površini rastopljenog bazena se oksidira kako bi se formirao oksidni film, koji prekriva rastopljeni bazen u čvrstom obliku. Budući da se boja rastaljenog oksidnog filma ne razlikuje mnogo od otopljenog stanja legure aluminijuma, a zbog pokrivenosti oksidnim filmom, teško je uočiti stepen topljenja rastopljene legure aluminijuma tokom procesa zavarivanja. , tako da je lako uzrokovati previsoku temperaturu i uzrokovati toplinu zavarivanja. Veliki kolapsi u tom području uništavaju oblik i svojstva metala šava.
Pod djelovanjem trenutne velike snage izvora topline zavarivanja, velika količina vodika se otapa u tekućini legure. Nakon završenog zavarivanja, kako temperatura rastopljenog bazena opada, rastvorljivost gasa se postepeno smanjuje, što postaje glavni uzrok pora tokom procesa zavarivanja. razlog. Zbog velike brzine stvrdnjavanja i male gustine aluminijumskih legura, tokom brzog stvrdnjavanja šava nastaju pore vodonika različitih veličina. Ove pore će nastaviti da se akumuliraju i šire tokom procesa zavarivanja, na kraju formirajući vidljive pore i smanjujući strukturna svojstva spoja. Naravno, stvaranje pora nije nužno formirano tokom procesa zavarivanja. Zbog uticaja tehnologije livenja, sam osnovni metal će takođe stvoriti pore tokom procesa livenja. Tokom zavarivanja, stalna promjena unosa topline i unutrašnjeg pritiska uzrokuje da se originalne pore u osnovnom metalu šire pod utjecajem topline ili se međusobno spajaju kako bi formirale pore zavara. Sa povećanjem unosa toplote zavarivanja, pore će se takođe povećati. Stoga, kako bi se kontrolirao izvor vodonika, materijal za zavarivanje mora proći strogi tretman sušenja prije upotrebe. Tokom zavarivanja, struju treba na odgovarajući način povećati kako bi se produžilo vrijeme postojanja rastopljenog bazena i omogućilo dovoljno vremena da se vodonik istaloži, čime se kontrolira stvaranje pora.
Klasifikacija tehnologije zavarivanja aluminijskih legura
Sa proširenjem opsega primjene aluminijskih legura, sve je više problema naglašeno. Sa napretkom istraživanja, tehnologija zavarivanja aluminijskih legura postigla je veliki napredak. Trenutno postoje uglavnom zavarivanje volfram-argonom (TIG), zavarivanje rastopljenim inertnim gasom (MIG), lasersko zavarivanje (LBW), zavarivanje trenjem (FSW) Čekaj.
TIG zavarivanje
Zavarivanje volframom inertnim gasom (TIG) je tipično zavarivanje inertnim gasom i najčešće je korišćena metoda zavarivanja. Tokom zavarivanja, volframova elektroda i površina zavarivanja se koriste kao elektrode, a helijum ili plin argon se propušta između dvije elektrode kao zaštitni plin za zaštitu luka, a žica i osnovni metal se tope trenutnim visokonaponskim pražnjenjem, a dijelovi od aluminijskih legura zavareni su i oblikovani, te Zavariti popravak i popravak nedostataka odljevka.
Uglavnom imaju sljedeće tehničke karakteristike:
1. Jednostavan za rukovanje, fleksibilan i upravljiv, prilagodljiv različitim radnim uslovima i okruženju, uz niske troškove;
2. Zona pod utjecajem topline je uska, deformacija zavarenog spoja je mala kada je dovod žice dovoljan, a sveobuhvatne performanse spoja su visoke;
3. Performanse procesa zavarivanja su dobre i stabilne, a zavareni šav je kompaktan i lijep.
MIG zavarivanje
MIG (GMA-Gas Metal Arc Welding) i TIG su oba zavarivanja zaštićena inertnim plinom, razlika je u tome što TIG zavarivanje koristi volframovu elektrodu kao fiksnu elektrodu, dok MIG zavarivanje koristi sam materijal žice za punjenje kao elektrodu.
U procesu zavarivanja aluminijskih legura inertnim plinom u otopljenim polovima, napon i struja djeluju na kraj elektrode žice za zavarivanje, a između elektrode i osnovnog metala se stvara trenutni visoki napon koji topi osnovni metal. i žljeb, a kapljica na kraju žice za zavarivanje otpada i okomito prelazi na osnovni metal. Na rastopljenom bazenu materijala formira se zona zavarivanja.
Međutim, proces primjene MIG zavarivanja od legure aluminija je uvelike ograničen, jer meka aluminijska žica dovodi do lošeg dodavanja žice, a rastopljeni aluminij ima tendenciju stvaranja fenomena "visi bez kapanja" tokom zavarivanja, što je lako uzrokovati kapljice. splash. Prednost je što je MIG zavarivanje brže od TIG zavarivanja, a raspon pokreta zavarivanja je mali pri zavarivanju velikih radnih komada. Podešavanjem brzine dodavanja žice, efikasnost zavarivanja može doseći nekoliko metara u minuti.
Lasersko zavarivanje
Lasersko zavarivanje (Laser Beam Welding LBW) koristi laserske impulse visoke energije za lokalno zagrijavanje materijala na maloj površini. Energija laserskog zračenja difunduje u unutrašnjost materijala kroz vođenje topline, a materijal se topi da bi se formirao specifičan rastopljeni bazen. Nakon skrućivanja, materijal se povezuje kao jedan.
Prednosti laserskog zavarivanja su što je tačka djelovanja zavarivanja mala, izvor topline velike snage je koncentrisan i ima mogućnost zavarivanja debelih ploča, sa uskom toplinskom zonom i malom deformacijom zavarivanja. Međutim, u isto vrijeme, lasersko zavarivanje ima visoke zahtjeve za pozicioniranje zavarivanja, skupu opremu za zavarivanje i visoku cijenu zavarivanja. Za metalne materijale kao što su aluminijum i magnezijum, reflektivnost lasera je visoka, a direktno zavarivanje je teško.
Zračenje materijala laserima različite gustine snage pokazuje da kada gustoća snage na radnom komadu dostigne više od 107W/cm2, metal u zoni grijanja će ispariti za vrlo kratko vrijeme, a plin će konvergirati u malu rupu u otopljeni bazen, Ova mala rupa je centar za prijenos topline, a rastopljeni bazen se formira u blizini male rupe, što je efekat "ključaonice" laserskog zavarivanja dubokog prodiranja. Kako bi se izbjegao problem neravnomjernog taljenog bazena uzrokovanog ovom pojavom, moguće je smanjiti energiju lasera, povećati brzinu zavarivanja ili kontrolisati pretapanje nugget područja kako bi se uklonili mjehurići u zoni fuzije i smanjilo stvaranje pora. .
Zavarivanje trenjem uz miješanje
Zavarivanje frikcionim mešanjem (Friction stir Welding, FSW) je nova tehnologija spajanja čvrste faze formirana na bazi tradicionalne tehnologije zavarivanja trenjem. Na međuprostoru za zavarivanje, kada glava za miješanje napreduje duž šava, temperatura materijala za zavarivanje se povećava, a plastificirani metal podliježe snažnoj plastičnoj deformaciji pod djelovanjem mehaničkog miješanja i narušavanja, te formira gustu čvrstu fazu nakon difuziju i rekristalizaciju.
