Алюмінієві сплави як інженерний металевий матеріал, який стрімко зріс за останні роки, широко використовуються в аерокосмічній, автомобільній, корабельній та інших галузях завдяки їхній низькій щільності, високій питомій міцності та питомій жорсткості, а також хорошій стійкості до корозії. .
Однак ряд проблем, таких як погана зварюваність і низька продуктивність формоутворюючого шару під час зварювання, обмежують розробку конструкційних деталей з алюмінієвих сплавів. Таким чином, технологія зварювання алюмінієвих сплавів стала одним із основних напрямків досліджень багатьох вчених у країні та за кордоном.
Огляд властивостей алюмінієвого сплаву
Алюміній є дуже легким металевим матеріалом із щільністю лише 2,7 г/см3, що становить приблизно 36% щільності сталі. Використання алюмінієвого сплаву для виготовлення механічних деталей дозволяє значно зменшити вагу та досягти ефекту легкої ваги, енергозбереження та зменшення викидів.
Питома міцність і питома жорсткість алюмінієвого сплаву вище, ніж сталь 45 і пластик ABS. Використання матеріалів з алюмінієвих сплавів сприяє виготовленню цілісних компонентів з високими вимогами до жорсткості.
Алюмінієвий сплав має відмінну теплопровідність, електропровідність і стійкість до корозії. Параметри продуктивності алюмінієвого сплаву A380 та інших матеріалів наведено в таблиці 1.
Алюмінієві сплави добре піддаються механічній обробці та переробці. Якщо коефіцієнт опору різанню магнієвого сплаву, який найбільше піддається механічній обробці, прийняти рівним 1, опір різанню інших металів показано в таблиці 2. Можна побачити, що опір різанню алюмінієвого сплаву менший, ніж опір різанню міді, заліза та інших матеріалів, і процес різання легший.
Характеристики зварювання алюмінієвих сплавів
Позначаються на фізико-хімічних властивостях алюмінієвих сплавів, виникають певні труднощі в процесі зварювання. Сучасне зварювання алюмінієвих сплавів має в основному такі проблеми: термічний стрес, абляційне випаровування, тверді включення, колапс пор тощо:
Термічний стрес
Алюмінієві сплави мають більш високий коефіцієнт теплового розширення і менший модуль пружності. Під час процесу зварювання через велику деформацію та великий коефіцієнт лінійного розширення алюмінієвого сплаву швидкість об’ємної усадки під час затвердіння становить близько 6%, а швидкість охолодження та швидкість первинної кристалізації розплавленої ванни швидкі, що призводить до внутрішнє напруження зварного шва і жорсткість зварного з'єднання. Більше, легко створити велике внутрішнє напруження в з’єднанні алюмінієвого сплаву, викликаючи велике зварювальне напруження та деформацію, утворюючи тріщини, хвилеподібну деформацію та інші дефекти.
Абляційне випаровування
Температура плавлення алюмінію становить 660 градусів, а температура кипіння - 2647 градусів, що нижче, ніж у інших металевих елементів, таких як мідь і залізо. Під час процесу зварювання, якщо температура зварювання занадто висока, легко вибухнути та утворити бризки, особливо під час зварювання променем високої енергії, як показано на малюнку 1. Крім того, деякі з легуючих елементів, доданих до алюмінієвого сплаву, мають низька температура кипіння, яка легко випаровується і спалюється при миттєвій високій температурі зварювання, а бризки, що утворюються в результаті вибуху, також забирають частину крапель, що неминуче змінює площу зварювального шва. Хімічний склад не сприяє регулюванню продуктивності зварних з'єднань. Тому для компенсації високотемпературної абляції під час зварювання часто використовуються зварювальні дроти або інші зварювальні матеріали з більш високим вмістом елементів з температурою кипіння, ніж основний метал.
Тверді включення
За хімічними властивостями алюміній дуже активний і легко окислюється. Під час процесу зварювання поверхня алюмінієвого сплаву окислюється з утворенням Al2O3 з високою температурою плавлення (приблизно 2050 градусів, тоді як температура плавлення алюмінію становить 660 градусів, що дуже відрізняється). Оксиди є щільними та мають високу твердість, і вони змішуються в розплавленій рідині сплаву з низькою щільністю в зоні розплавленої ванни, яка легко утворює невеликі тверді шлакові включення, які важко вивести, що не тільки впливає на мікроструктуру зварного шва, але також схильний до електрохімічної корозії, яка призведе до зниження механічних властивостей зварних з’єднань, а Al2O3 покриває розплавлену ванну та канавку, що серйозно впливає на зварювання сплавів і погіршує мікроструктуру та властивості зварних з’єднань.
Колапс стоми
Температура плавлення алюмінієвого сплаву значно нижча, ніж у його оксиду, і він дуже активний і легко окислюється. Під час процесу зварювання алюмінієвий сплав розплавляється при високій температурі з утворенням розплавленої ванни. Алюміній на поверхні розплавленої ванни окислюється з утворенням оксидної плівки, яка покриває розплавлену ванну в твердій формі. Оскільки колір розплавленої оксидної плівки не сильно відрізняється від розплавленого стану алюмінієвого сплаву, а також через покриття оксидної плівки важко спостерігати ступінь плавлення розплавленої ванни алюмінієвого сплаву під час процесу зварювання. , тому легко викликати надто високу температуру та викликати тепло зварювання. Великі обвали в області руйнують форму і властивості наплавленого металу.
Під дією миттєвої великої потужності джерела зварювального тепла в рідині сплаву розчиняється велика кількість водню. Після завершення зварювання, коли температура розплавленої ванни знижується, розчинність газу поступово зменшується, що стає основною причиною утворення пор під час процесу зварювання. причина. Завдяки швидкій швидкості затвердіння і низькій щільності алюмінієвих сплавів при швидкому затвердінні зварного шва утворюються пори водню різного розміру. Ці пори продовжуватимуть накопичуватися та розширюватися під час процесу зварювання, зрештою утворюючи видимі пори та погіршуючи структурні властивості з’єднання. Звичайно, утворення пір не обов'язково утворюється в процесі зварювання. Через вплив технології лиття сам основний метал також утворює пори під час процесу лиття. Під час зварювання постійна зміна підведення тепла та внутрішнього тиску призводить до того, що початкові пори в основному металі розширюються під дією тепла або поєднуються один з одним, утворюючи пори зварного шва. Зі збільшенням підведення тепла зварювання пори також збільшаться. Тому, щоб контролювати джерело водню, зварювальний матеріал повинен пройти сувору обробку перед використанням. Під час зварювання струм слід відповідно збільшити, щоб продовжити час існування розплавленої ванни та дати достатній час для випадання водню в осад, таким чином контролюючи утворення пор.
Класифікація технології зварювання алюмінієвих сплавів
З розширенням діапазону застосування алюмінієвих сплавів висвітлюється все більше проблем. З розвитком досліджень технологія зварювання алюмінієвих сплавів досягла значного прогресу. В даний час в основному існує аргонодугове зварювання вольфрамом (TIG), зварювання розплавленим інертним газом (MIG), лазерне зварювання (LBW), зварювання тертям з перемішуванням (FSW).
Зварювання TIG
Зварювання в інертному газі вольфраму (TIG) є типовим дуговим зварюванням в інертному газі та є найпоширенішим способом зварювання. Під час зварювання вольфрамовий електрод і зварювальна поверхня використовуються як електроди, а газ гелій або аргон пропускається між двома електродами як захисний газ для захисту дуги, а дріт і основний метал розплавляються миттєвим розрядом високої напруги, а деталі з алюмінієвого сплаву зварюються та формуються, ремонт зварювання та ремонт дефектів лиття.
В основному мають такі технічні характеристики:
Простий в експлуатації, гнучкий і керований, адаптований до різних умов праці та низька вартість;
Зона термічного впливу вузька, деформація зварного з'єднання мала за умови достатньої подачі дроту, а комплексна продуктивність з'єднання висока;
Продуктивність процесу зварювання хороша і стабільна, а зварювальний шов щільний і красивий.
Зварювання MIG
MIG (дугове газове зварювання GMA) і TIG є зварюванням в захисному газі, різниця полягає в тому, що зварювання TIG використовує вольфрамовий електрод як нерухомий електрод, тоді як зварювання MIG використовує сам матеріал присадкового дроту як електрод.
Однак процес нанесення алюмінієвого сплаву MIG-зварювання значно обмежений, оскільки м’який алюмінієвий дріт призводить до поганої подачі дроту, а розплавлений алюміній має тенденцію утворювати явище «висіння без крапель» під час зварювання, що легко спричинити краплі на сплеск. Перевага полягає в тому, що зварювання MIG є швидшим, ніж зварювання TIG, а діапазон зварювальних рухів невеликий під час зварювання великих заготовок. Регулюючи швидкість подачі дроту, ефективність зварювання може досягати кількох метрів на хвилину.
Лазерне зварювання
Лазерне зварювання (Laser Beam Welding LBW) використовує лазерні імпульси високої енергії для локального нагріву матеріалу на невеликій площі. Енергія лазерного випромінювання дифундує всередину матеріалу через теплопровідність, і матеріал розплавляється з утворенням спеціальної розплавленої ванни. Після застигання матеріал з'єднується як одне ціле.
Переваги лазерного зварювання полягають у невеликій точці дії зварювання, зосередженні потужного джерела тепла, здатності зварювати товсті пластини, з вузькою зоною термічного впливу та малою зварювальною деформацією. Але в той же час лазерне зварювання має високі вимоги до позиціонування зварювання, дороге зварювальне обладнання та високу вартість зварювання. Для металевих матеріалів, таких як алюміній і магній, відбивна здатність лазера висока, і пряме зварювання складно.
Опромінення матеріалів лазерами з різною щільністю потужності показує, що коли щільність потужності на деталі досягає понад 107 Вт/см2, метал у зоні нагріву випаровується за дуже короткий час, а газ збиратиметься в невеликий отвір у басейн розплаву. Цей невеликий отвір є центром теплопередачі, а басейн розплаву утворюється біля невеликого отвору, що є ефектом «замкової щілини» лазерного зварювання глибоким проплавленням. Щоб уникнути проблеми нерівномірного утворення розплавленої ванни, спричиненої цим явищем, можна зменшити енергію лазера, збільшити швидкість зварювання або контролювати переплавлення області самородка, щоб видалити бульбашки в зоні плавлення та зменшити утворення пор. .
Зварювання тертям з перемішуванням
Зварювання тертям з перемішуванням (Friction stir Welding, FSW) — нова технологія твердофазного з'єднання, сформована на основі традиційної технології зварювання тертям. На межі розділу, що зварюється, коли перемішувальна головка просувається вздовж зварного шва, температура зварювального матеріалу підвищується, і пластифікований метал зазнає сильної пластичної деформації під дією механічного перемішування та висадки та утворює щільне твердофазне з’єднання після дифузія і рекристалізація.
У порівнянні з традиційними методами зварювання технологія FSW має наступні переваги:
Низька температура зварювання і мала зварювальна деформація;
Механічні властивості зварного шва хороші;
Процес зварювання простий, економічний і екологічний.
