Az elmúlt években gyorsan felnövekedett műszaki fémanyagként az alumíniumötvözetek széles körben használatosak a repülésben, az autókban, a hajókban és más területeken alacsony sűrűségük, nagy fajlagos szilárdságuk és fajlagos merevségük, valamint jó korrózióállóságuk miatt. .
Azonban számos probléma, mint például a rossz hegeszthetőség és a hegesztési réteg gyenge teljesítménye korlátozza az alumíniumötvözet szerkezeti részek fejlesztését. Ezért az alumíniumötvözet hegesztési technológiája számos hazai és külföldi tudós egyik fő kutatási irányává vált.
Az alumíniumötvözetek tulajdonságainak áttekintése
1. Az alumínium egy nagyon könnyű fémanyag, amelynek sűrűsége mindössze 2,7 g/cm3, ami az acél sűrűségének körülbelül 36 százaléka. Az alumíniumötvözet mechanikai alkatrészek gyártására történő felhasználása jelentősen csökkentheti a súlyt, és elérheti a könnyű súly, az energiamegtakarítás és a kibocsátáscsökkentés hatását.
2. Az alumíniumötvözet fajlagos szilárdsága és fajlagos merevsége nagyobb, mint 45 acél és ABS műanyag. Az alumíniumötvözet anyagok használata elősegíti a magas merevségi követelményeket támasztó integrált alkatrészek gyártását.
3. Az alumíniumötvözet kiváló hővezető képességgel, elektromos vezetőképességgel és korrózióállósággal rendelkezik. Az A380 alumíniumötvözet és más anyagok teljesítményparamétereit az 1. táblázat mutatja.
4. Az alumíniumötvözet jó megmunkálhatósággal és újrahasznosíthatósággal rendelkezik. Ha a leginkább megmunkálható magnéziumötvözet vágási ellenállási együtthatóját 1-nek tételezzük fel, akkor más fémek vágási ellenállását a 2. táblázat mutatja. Látható, hogy az alumíniumötvözet vágási ellenállása kisebb, mint a rézé, vasé és egyéb fémeké. anyagokat, és a vágási folyamat egyszerűbb.
Alumíniumötvözet hegesztési jellemzői
Az alumíniumötvözetek fizikai és kémiai tulajdonságai miatt bizonyos nehézségek merülnek fel a hegesztési folyamat során. A jelenlegi alumíniumötvözet-hegesztés főként a következő problémákkal küzd: termikus igénybevétel, ablációs párolgás, szilárd zárványok, pórusösszeomlás stb.:
Termikus stressz
Az alumíniumötvözetek nagyobb hőtágulási együtthatóval és alacsonyabb rugalmassági modulussal rendelkeznek. A hegesztési folyamat során az alumíniumötvözet nagy deformációja és nagy lineáris tágulási együtthatója miatt a térfogati zsugorodás mértéke a megszilárdulás során körülbelül 6 százalék, és az olvadt medence hűtési sebessége és elsődleges kristályosodási sebessége gyors, ami a a varrat belső feszültsége és a hegesztett kötés merevsége. Ha nagy, könnyen nagy belső feszültség keletkezik az alumíniumötvözet kötésben, ami nagy hegesztési feszültséget és deformációt okoz, és hibákat, például repedéseket és hullámdeformációt okoz.
Ablatív párologtatás
Az alumínium olvadáspontja 660 fok, forráspontja 2647 fok, ami alacsonyabb, mint más fémelemeknél, például réznél és vasnál. A hegesztési folyamat során, ha a hegesztési hőmérséklet túl magas, könnyen felrobbanhat és fröcskölés képződik, különösen nagy energiájú sugárhegesztésnél, ahogy az 1. ábrán látható. Ezenkívül az alumíniumötvözethez hozzáadott egyes ötvözőelemek alacsony forráspont, amely a hegesztés pillanatnyi magas hőmérsékletén könnyen elpárolog és elégethető, és a robbanáskor keletkező fröccsenés is elvisz néhány cseppet, ami elkerülhetetlenül megváltoztatja a hegesztési varrat területét. A kémiai összetétel nem kedvez a hegesztett kötések teljesítményszabályozásának. Ezért a magas hőmérsékletű abláció kompenzálására a hegesztés során gyakran használnak hegesztőhuzalokat vagy más, az alapfémnél magasabb forráspontú elemtartalmú hegesztőanyagokat.
Szilárd zárványok
Az alumínium kémiai tulajdonságai nagyon aktívak és könnyen oxidálódnak. A hegesztési folyamat során az alumíniumötvözet felülete oxidálódik, és magas olvadáspontú Al2O3 keletkezik (körülbelül 2050 fok, míg az alumínium olvadáspontja 660 fok, ami nagyon eltérő). Az oxidok sűrűek és nagy keménységűek, és az olvadt ötvözetfolyadékban kis sűrűséggel keverednek az olvadt medence területén, amiből könnyen kis szilárd salakzárványok képződnek, amelyeket nem könnyű kiüríteni, ami nem csak az olvadék mikroszerkezetét befolyásolja. A hegesztési varrat, de hajlamos az elektrokémiai korrózióra is, ami a hegesztett kötések mechanikai tulajdonságai csökkennek, az Al2O3 borítja az olvadt medencét és a hornyot, ami komolyan befolyásolja az ötvözetek hegesztését és csökkenti a hegesztett kötések mikroszerkezetét és tulajdonságait.
A sztóma összeomlása
Az alumíniumötvözet olvadáspontja sokkal alacsonyabb, mint az oxidé, nagyon aktív és könnyen oxidálható. A hegesztési folyamat során az alumíniumötvözetet magas hőmérsékleten megolvasztják, így olvadt medence keletkezik. Az olvadékmedence felületén lévő alumínium oxidálódik, és oxidfilmet képez, amely szilárd formában beborítja az olvadt medencét. Mivel az olvadt oxidfilm színe nem sokban különbözik az alumíniumötvözet olvadt állapotától, és az oxidfilm fedettsége miatt nehéz megfigyelni az alumíniumötvözet olvadt medence olvadási fokát a hegesztési folyamat során. , így könnyen előidézheti a túl magas hőmérsékletet és hegesztési hőt. A területen bekövetkezett nagy összeomlások tönkreteszik a hegesztett fém alakját és tulajdonságait.
A hegesztési hőforrás pillanatnyi nagy teljesítményének hatására nagy mennyiségű hidrogén oldódik fel az ötvözetfolyadékban. A hegesztés befejezése után az olvadt medence hőmérsékletének csökkenésével a gáz oldhatósága fokozatosan csökken, ami a hegesztési folyamat során a pórusok fő okozójává válik. ok. Az alumíniumötvözetek gyors szilárdulási sebessége és kis sűrűsége miatt a hegesztési varrat gyors megszilárdulása során különböző méretű hidrogénpórusok keletkeznek. Ezek a pórusok továbbra is felhalmozódnak és kitágulnak a hegesztési folyamat során, végül látható pórusokat képezve, és csökkentik a kötés szerkezeti tulajdonságait. Természetesen a pórusok nem feltétlenül a hegesztési folyamat során jönnek létre. Az öntési technológia hatására maga az alapfém is pórusokat képez az öntési folyamat során. A hegesztés során a hőbevitel és a belső nyomás állandó változása hatására az alapfémben lévő eredeti pórusok hő hatására kitágulnak, vagy egymással kombinálva hegesztési pórusokat képeznek. A hegesztési hőbevitel növekedésével a pórusok is megnőnek. Ezért a hidrogénforrás szabályozása érdekében a hegesztőanyagot használat előtt szigorú szárítási kezelésnek kell alávetni. A hegesztés során az áramerősséget megfelelően növelni kell, hogy meghosszabbítsuk az olvadt medence fennállási idejét, és elegendő időt hagyjunk a hidrogén kicsapódására, ezáltal szabályozva a pórusok kialakulását.
Alumíniumötvözet hegesztési technológiai osztályozás
Az alumíniumötvözetek alkalmazási körének bővülésével egyre több probléma derül ki. A kutatás előrehaladtával az alumíniumötvözet hegesztési technológiája nagy előrehaladást ért el. Jelenleg főleg wolfram argon ívhegesztés (TIG), olvadt inert gázos hegesztés (MIG), lézeres hegesztés (LBW), súrlódó keverőhegesztés (FSW) létezik. Várjon.
AWI hegesztés
A Tungsten Inert Gas Welding (TIG) egy tipikus inert gázos ívhegesztés, és a leggyakrabban használt hegesztési módszer. A hegesztés során a volfrámelektródát és a hegesztési felületet elektródaként használják, a két elektróda között hélium- vagy argongázt vezetnek át védőgázként az ív védelmére, a huzalt és az alapfémet pedig pillanatnyi nagyfeszültségű kisüléssel megolvasztják, és az alumíniumötvözet alkatrészeket hegesztik és alakítják, valamint Hegesztési varratok javítása és öntési hibák javítása.
Főleg a következő műszaki jellemzőkkel rendelkezik:
1. Könnyen kezelhető, rugalmas és irányítható, különféle munkakörülményekhez és környezethez igazítható, alacsony költséggel;
2. A hőhatás zóna szűk, a hegesztett kötés deformációja kicsi, ha a huzalelőtolás elegendő, és a kötés átfogó teljesítménye magas;
3. A hegesztési folyamat teljesítménye jó és stabil, a hegesztési varrat pedig kompakt és szép.
MIG hegesztés
A MIG (GMA-Gas Metal Arc Welding) és a TIG egyaránt inert gázos védőgázas hegesztés, a különbség az, hogy a TIG hegesztésnél volfrámelektródát használnak rögzített elektródaként, míg a MIG hegesztésnél magát a töltőhuzalt használja elektródaként.
Alumíniumötvözetek olvadt pólusú inert gázos védőgázos hegesztése során a feszültség és az áramerősség a hegesztőhuzal elektródájának végére hat, az elektróda és az alapfém között pillanatnyi nagyfeszültség keletkezik, amely megolvasztja az alapfémet. és a horony, és a hegesztőhuzal végén lévő csepp leesik és függőlegesen átmegy az alapfémbe. Az olvadt anyagmedencén hegesztési zóna képződik.
Az alumíniumötvözet MIG-hegesztésének alkalmazási folyamata azonban nagymértékben korlátozott, mivel a puha alumíniumhuzal rossz huzalelőtoláshoz vezet, és az olvadt alumínium hajlamos a hegesztés során "csepegés nélkül lógó" jelenséget kialakítani, amely könnyen cseppeket okozhat. loccsanás. Előnye, hogy a MIG-hegesztés gyorsabb, mint a TIG-hegesztés, és a hegesztési mozgástartomány kicsi nagy munkadarabok hegesztésekor. A huzalelőtolási sebesség beállításával a hegesztési hatásfok percenként több métert is elérhet.
Lézeres hegesztés
A lézeres hegesztés (Laser Beam Welding LBW) nagy energiájú lézerimpulzusokat használ az anyag helyi felmelegítésére kis területen. A lézersugárzás energiája a hővezetés révén az anyag belsejébe diffundál, és az anyag megolvad, és egy speciális olvadékmedencét képez. Megszilárdulás után az anyagot egyként kötik össze.
A lézeres hegesztés előnyei, hogy kicsi a hegesztési hatáspont, koncentrált a nagy teljesítményű hőforrás, és képes vastag lemezek hegesztésére, szűk hőhatászónával és kis hegesztési deformációval. Ugyanakkor a lézeres hegesztés magas követelményeket támaszt a hegesztés pozicionálásával, drága hegesztőberendezéssel és magas hegesztési költséggel szemben. Fémanyagok, például alumínium és magnézium esetében a lézer visszaverő képessége magas, és a közvetlen hegesztés nehézkes.
Az anyagok különböző teljesítménysűrűségű lézerekkel történő besugárzása azt mutatja, hogy ha a munkadarabon a teljesítménysűrűség eléri a 107 W/cm2-t, a fűtőzónában lévő fém nagyon rövid időn belül elpárolog, és a gáz egy kis lyukba konvergál olvadt medence, Ez a kis lyuk a hőátadás központja, és a kis lyuk közelében olvadt medence alakul ki, ami a lézeres mélybehatoló hegesztés "kulcslyuk" hatása. A jelenség által okozott egyenetlen olvadt medence problémájának elkerülése érdekében csökkenthető a lézerenergia, növelhető a hegesztési sebesség vagy szabályozható a rögfelület újraolvadása, hogy eltávolítsuk a buborékokat a fúziós zónában és csökkentsük a pórusok képződését. .
Súrlódó keverőhegesztés
A súrlódó keverőhegesztés (Friction stir Welding, FSW) a hagyományos súrlódó hegesztési technológia alapján kialakított új szilárdfázisú illesztési technológia. A hegesztendő határfelületen a keverőfej előrehaladásakor a hegesztőanyag hőmérséklete megemelkedik, és a lágyított fém mechanikai keverés és felborítás hatására erős képlékeny deformáción megy keresztül, majd sűrű szilárd fázisú kapcsolatot hoz létre. diffúzió és átkristályosítás.
