Som et teknisk metallmateriale som har steget raskt de siste årene, har aluminiumslegering blitt mye brukt i romfart, biler, skip og andre felt på grunn av dens lave tetthet, høye spesifikke styrke og spesifikke stivhet og god korrosjonsbestandighet. .
Imidlertid begrenser en rekke problemer som dårlig sveisbarhet og dårlig ytelse av det formende laget ved sveising utviklingen av strukturelle deler av aluminiumslegering. Derfor har sveiseteknologi av aluminiumslegering blitt en av de viktigste forskningsretningene til mange forskere i inn- og utland.
Oversikt over ytelse av aluminiumslegering
Aluminium er et veldig lett metallmateriale med en tetthet på kun 2,7g/cm3, som er omtrent 36 prosent av tettheten til stål. Aluminiumslegering brukes til å produsere mekaniske deler, som kan redusere vekten betydelig og oppnå effekten av lav vekt, energisparing og utslippsreduksjon.
Den spesifikke styrken og spesifikke stivheten til aluminiumslegering er høyere enn 45 stål og ABS-plast. Bruken av aluminiumslegeringsmaterialer bidrar til fremstilling av integrerte komponenter med høye krav til stivhet.
Aluminiumslegering har utmerket termisk ledningsevne, elektrisk ledningsevne og korrosjonsmotstand. Ytelsesparametrene til A380 aluminiumslegering og andre materialer er vist i tabell 1.
Aluminiumslegering har god bearbeidbarhet og resirkulerbarhet. Hvis det antas at kuttemotstandskoeffisienten for den lettest kuttede magnesiumlegeringen er 1, er kuttemotstanden til andre metaller vist i tabell 2. Det kan ses at kuttemotstanden til aluminiumslegering er mindre enn for kobber, jern og andre materialer, og kutteprosessen er relativt enkel.
Sveiseegenskaper av aluminiumslegering
Påvirket av de fysiske og kjemiske egenskapene til aluminiumslegeringer, er det visse vanskeligheter i sveiseprosessen. Den nåværende sveisingen av aluminiumslegering har hovedsakelig følgende problemer: termisk stress, ablasjonsfordampning, faste inneslutninger, porekollaps, etc.:
Termisk stress
Aluminiumslegeringer har en høyere termisk utvidelseskoeffisient og en mindre elastisitetsmodul. Under sveiseprosessen, på grunn av den store deformasjonen og den store lineære ekspansjonskoeffisienten til aluminiumslegeringen, er volumkrympingshastigheten under størkning omtrent 6 prosent, og kjølehastigheten og den primære krystalliseringshastigheten til det smeltede bassenget er rask, noe som resulterer i indre påkjenning av sveisen og stivheten til sveiseskjøten. Større er det lett å forårsake større indre spenninger i aluminiumslegeringsskjøten, noe som forårsaker større sveisespenning og deformasjon, og danner defekter som sprekker og bølgedeformasjoner.
Ablasjonsfordampning
Aluminium har et smeltepunkt på 660 grader og et kokepunkt på 2647 grader, som er lavere enn andre metallelementer som kobber og jern. Under sveiseprosessen, hvis sveisetemperaturen er for høy, er det lett å forårsake eksplosjon og danne sprut, spesielt ved høyenergistrålesveising, som vist i figur 1. I tillegg er noen av legeringselementene tilsatt aluminiumslegeringen har et lavt kokepunkt, som er veldig lett å fordampe og brenne ved den øyeblikkelige høye sveisetemperaturen, og spruten som genereres av eksplosjonen vil også ta bort en del av væskedråpene, som uunngåelig endrer sveiseområdet. Den kjemiske sammensetningen bidrar ikke til ytelsesreguleringen av sveiseskjøten. Derfor, for å kompensere for høytemperaturablasjon, brukes ofte sveisetråd eller andre sveisematerialer med et høyere kokepunktinnhold enn grunnmetallet under sveising.
solid inkludering
De kjemiske egenskapene til aluminium er svært aktive og oksideres lett. Under sveiseprosessen oksideres overflaten av aluminiumslegeringen for å danne Al2O3 med et høyt smeltepunkt (ca. 2050 grader C, mens smeltepunktet til aluminium er 660 grader C, noe som er veldig forskjellig). Oksydene er tette og har høy hardhet, og blandes i den smeltede legeringsvæsken med lav tetthet i det smeltede bassengområdet, som er lett å danne fint fast slagg og er vanskelig å slippe ut, noe som ikke bare påvirker strukturen til sveisen, men produserer også lett elektrokjemisk korrosjon, noe som vil føre til at de mekaniske egenskapene til sveisede ledd reduseres, og Al2O3 dekker det smeltede bassenget og sporet, noe som alvorlig påvirker sveisingen av legeringer og reduserer mikrostrukturen og egenskapene til sveisede ledd.
Stomatal kollaps
Smeltepunktet for aluminiumslegering er mye lavere enn dets oksid, og dens natur er livlig og lett å oksidere. Under sveiseprosessen danner aluminiumslegeringen et smeltet basseng på grunn av høy temperatursmelting. Aluminiumet på overflaten av det smeltede bassenget oksideres for å danne en oksidfilm, som dekker det smeltede bassenget i fast tilstand. Siden fargen på oksidfilmen etter smelting ikke er mye forskjellig fra den til den smeltede aluminiumslegeringen, og på grunn av dekningen av oksidfilmen, er det vanskelig å observere graden av smelting av smeltebassenget av aluminiumslegering under sveiseprosessen , så det er lett å få temperaturen til å bli for høy, noe som forårsaker sveisevarmepåvirkning. Hoveddelen av området kollapser, og ødelegger formen og egenskapene til sveisemetallet.
Under påvirkning av den øyeblikkelige høye kraften til sveisevarmekilden oppløses en stor mengde hydrogengass i legeringsvæsken. Etter at sveisingen er fullført, ettersom temperaturen i det smeltede bassenget synker, avtar også gassens løselighet gradvis, noe som blir hovedårsaken til porene i sveiseprosessen. grunnen til. Fordi størkningshastigheten til aluminiumslegeringen er for høy og tettheten er lav, dannes hydrogenporer av forskjellige størrelser under den raske størkningen av sveisen. Disse porene vil fortsette å samle seg og utvide seg under sveiseprosessen, til slutt danne synlige store porer og redusere de strukturelle egenskapene til skjøten. Selvfølgelig dannes ikke porene nødvendigvis under sveiseprosessen. På grunn av påvirkningen fra støpeprosessteknologien vil selve grunnmetallet også produsere porer under støpeprosessen. Under sveising endres varmetilførselen og det indre trykket hele tiden, noe som får de opprinnelige porene i grunnmetallet til å utvide seg eller kombineres med hverandre for å danne sveiseporer. Når sveisevarmetilførselen øker, vil porene også øke. Derfor, for å kontrollere kilden til hydrogen, må sveisematerialet tørkes nøye før bruk. Under sveising økes strømmen på passende måte for å forlenge eksistenstiden til det smeltede bassenget og gi nok tid til at hydrogen kan utfelles, og derved kontrollere dannelsen av porer.
bilde
Fig.2 Dannelse og konvergens av stomata
Klassifisering av sveiseteknologi av aluminiumslegering
Med utvidelsen av bruksområdet for aluminiumslegeringer blir flere og flere problemer fremhevet. Med utviklingen av forskningen har sveiseteknologien til aluminiumslegering blitt sterkt utviklet. For tiden er det hovedsakelig wolfram argon buesveising (TIG), smeltet inert gasssveising (MIG), lasersveising (LBW), friksjonsrørsveising (FSW) vent.
Gass wolfram buesveising
Tungsten Inert Gas Welding (TIG) er en typisk inertgass-skjermet sveising og er den mest brukte sveisemetoden. Ved sveising brukes wolframelektroden og sveiseoverflaten som elektroder, og helium- eller argongass føres mellom de to elektrodene som en beskyttende gass for å beskytte lysbuen, og tråden og basismetallet smeltes ved øyeblikkelig høyspentutladning, og aluminiumslegeringsdelene er sveiset og formet, og Sveising og reparasjon av støpefeil.
Den har hovedsakelig følgende tekniske egenskaper:
Enkel å betjene, fleksibel og kontrollerbar, tilpasses ulike arbeidsforhold og miljøer, og lav kostnad;
Den varmepåvirkede sonen er smal, og deformasjonen av den sveisede skjøten er liten under forutsetning av tilstrekkelig trådmating, og den omfattende ytelsen til skjøten er høy;
Ytelsen til sveiseprosessen er god og stabil, og sveisesømmen er tett og vakker.
MIG sveising
Både MIG (GMA-Gas Metal Arc Welding) og TIG er inertgassskjermet sveising. Forskjellen er at TIG-sveising bruker wolframelektroder som faste elektroder, mens MIG-sveising bruker selve det fylte trådmaterialet som elektroder.
I den metallinerte gassskjermede sveiseprosessen av aluminiumslegering virker spenningen og strømmen på enden av elektroden til sveisetråden, og det genereres et øyeblikkelig høyt trykk mellom elektroden og basismetallet, som smelter basismetallet og rille, og dråpen i enden av ledningen faller av og går vertikalt over til grunnmetallet. På det smeltede bassenget av materialet dannes en sveisesone.
Påføringsprosessen for MIG-sveising av aluminiumslegering er imidlertid relativt begrenset, fordi mykheten til aluminiumstråden fører til dårlig trådmatingsevne, og det smeltede aluminiumet er tilbøyelig til å danne et fenomen med "hengende, men ikke drypp" under sveising, noe som er enkelt for å få dråper til å sprute. Fordelen er at MIG-sveising er raskere enn TIG-sveising, og sveisebevegelsesområdet er lite ved sveising av store arbeidsstykker. Ved å justere trådmatingshastigheten kan sveiseeffektiviteten nå flere meter per minutt.
lasersveising
Laserstrålesveising (Laser Beam Welding LBW) bruker høyenergilaserpulser for å lokalt varme opp materialet på et lite område. Energien til laserstrålingen diffunderer til innsiden av materialet gjennom varmeledning, og materialet smeltes for å danne et spesifikt smeltet basseng. Etter størkning kobles materialet til One.
Fordelen med lasersveising er at sveisevirkningspunktet er lite, høyeffektvarmekilden er konsentrert, den er i stand til å sveise tykke plater, den varmepåvirkede sonen er smal og sveisedeformasjonen er liten. Men samtidig har lasersveising høye krav til sveiseposisjonering, dyrt sveiseutstyr og høye sveisekostnader. For metallmaterialer som aluminium og magnesium er laserreflektiviteten høy, og direkte sveising er vanskelig.
Bestråling av materialer med lasere med forskjellige effekttettheter viser at når effekttettheten på arbeidsstykket når mer enn 107W/cm2, vil metallet i varmesonen forgasses på svært kort tid, og gassen vil konvergere til et lite hull i smeltet basseng og danner et Det lille hullet er sentrum for varmeoverføring, og et smeltet basseng dannes nær det lille hullet, som er "nøkkelhull"-effekten av lasersveising med dyp penetrering. For å unngå ujevnheten i det smeltede bassenget forårsaket av dette fenomenet, er det mulig å redusere laserenergien, øke sveisehastigheten eller kontrollere omsmeltingen av nugget-området for å fjerne boblene i smeltesonen og redusere poredannelsen. .
friksjonsrørsveising
Friction stir welding (Friction stir Welding, FSW) er en ny type fastfase-koblingsteknologi basert på tradisjonell friksjonssveiseteknologi. Ved grensesnittet som skal sveises, når rørehodet beveger seg langs sveisesømmen, stiger temperaturen på sveisematerialet, og det plastifiserte metallet gjennomgår sterk plastisk deformasjon under påvirkning av mekanisk omrøring og forstyrrelse, og danner en tett fastfaseforbindelse etter diffusjon og rekrystallisering.
Sammenlignet med tradisjonelle sveisemetoder har FSW-teknologien følgende fordeler:
Lav sveisetemperatur og liten sveisedeformasjon;
Gode mekaniske egenskaper til sveisen;
Sveiseprosessen er enkel, økonomisk og miljøvennlig.
Hovedproblemene og forskningsfokus
Med bruken av aluminiumslegeringer i flere og flere bransjer, har problemet med reparasjonsforbindelsen også tiltrukket seg oppmerksomheten til flere og flere forskere. Gjennom ulike sveisetester på aluminiumslegeringer viser det seg at modenheten til reparasjonsteknologien ennå ikke har møtt utviklingsbehovene til industrien, og det er fortsatt ulike problemer i den.
Gasswolframbuesveising og metallinertgassskjermet sveising er de to mest brukte sveisemetodene for tiden, men disse to teknologiene har en bred varmepåvirket sone, og sveisemetallet må smeltes og deretter størknes, noe som har innvirkning på strukturen. Større, og gjenværende spenning er høy, noe som resulterer i en alvorlig innvirkning på de mekaniske egenskapene til leddet. Lasersveising energistråletetthet er høy, og dybde-til-bredde-forholdet til sveisen er stort, men det er veldig enkelt å danne porer, og dens dyre kostnad begrenser også populariseringen av applikasjoner. Friksjonsrørsveising gir en løsning på varmeproblemet, men friksjonsrørsveising krever relativt stort støttrykk og fremdriftskraft, og utstyret er generelt komplisert og klumpete, noe som begrenser utviklingen.
Fokus for fremtidig forskning på relaterte emner bør være på følgende aspekter:
Start fra grunnlaget for fusjonssveising, juster sveisetrådformelen, legg til sjeldne jordartselementer eller velg en passende mengde sveiseaktivator for å kontrollere sveisedeformasjonen, redusere stress og redusere dannelsen av porer.
På grunn av utvidelsen av omfanget og anvendelsen av legeringer, brukes de vanligvis sammen med forskjellige materialer, så det er nødvendig å utføre sveiseeksperimenter mellom forskjellige metaller for å oppnå skjøter av høy kvalitet.
Utfør forskning på sveisbarheten til komposittvarmekilder, som TIG-laserhybridsveising, laserkomposittfriksjonsrørsveising, for å oppnå optimal sveiseytelse.
