Az elmúlt években gyorsan felnövekvő mérnöki fémanyagként az alumíniumötvözetet széles körben használták a repülőgépiparban, az autókban, a hajókban és más területeken alacsony sűrűsége, nagy fajlagos szilárdsága és fajlagos merevsége, valamint jó korrózióállósága miatt. .
Azonban számos probléma, mint például a rossz hegeszthetőség és az alakítóréteg gyenge teljesítménye a hegesztés során, korlátozza az alumíniumötvözet szerkezeti részek fejlesztését. Ezért az alumíniumötvözet hegesztési technológiája számos hazai és külföldi tudós egyik fő kutatási irányává vált.
Az alumíniumötvözet teljesítményének áttekintése
Az alumínium nagyon könnyű fémanyag, amelynek sűrűsége mindössze 2,7 g/cm3, ami az acél sűrűségének körülbelül 36 százaléka. Alumíniumötvözetet mechanikus alkatrészek gyártására használnak, amelyek jelentősen csökkenthetik a súlyt, és elérhetik a könnyű súly, az energiamegtakarítás és a kibocsátás-csökkentés hatásait.
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.
Az alumíniumötvözet kiváló hővezető képességgel, elektromos vezetőképességgel és korrózióállósággal rendelkezik. Az A380 alumíniumötvözet és más anyagok teljesítményparamétereit az 1. táblázat mutatja.
Az alumíniumötvözet jó megmunkálhatósággal és újrahasznosíthatósággal rendelkezik. Ha feltételezzük, hogy a legkönnyebben vágható magnéziumötvözet vágási ellenállási együtthatója 1, akkor a többi fém vágási ellenállása a 2. táblázatban látható. Látható, hogy az alumíniumötvözet vágási ellenállása kisebb, mint a rézé, vasé és egyéb anyagok, és a vágási folyamat viszonylag egyszerű.
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 kisebb 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. Nagyobb, könnyű nagyobb belső feszültséget okozni az alumíniumötvözet kötésben, nagyobb hegesztési feszültséget és deformációt okozva, ami hibákat, például repedéseket és hullámdeformációt eredményez.
Ablációs párologtatás
Az alumínium olvadáspontja 660 fok, forráspontja 2647 fok, ami alacsonyabb, mint más fémelemek, például a réz és a vas. A hegesztési folyamat során, ha a hegesztési hőmérséklet túl magas, könnyen robbanást és fröccsenést okozhat, különösen nagy energiájú sugárhegesztésnél, amint az az 1. ábrán látható. Ezen kívül néhány ötvözőelem hozzáadódik az alumíniumötvözethez alacsony forráspontúak, ami a hegesztés pillanatnyi magas hőmérsékletén nagyon könnyen elpárologhat és elégethető, és a robbanáskor keletkező fröccsenés a folyadékcseppek egy részét is elvonja, ami óhatatlanul megváltoztatja a hegesztési felületet. A kémiai összetétel nem kedvez a hegesztett kötés teljesítményszabályozásának. Ezért a magas hőmérsékletű abláció kompenzálására gyakran használnak hegesztőhuzalt vagy más, az alapfémnél magasabb forráspontú elemtartalmú hegesztőanyagot a hegesztés során.
szilárd zárvány
Az alumínium kémiai tulajdonságai nagyon aktívak és könnyen oxidálódnak. A hegesztési folyamat során az alumíniumötvözet felülete oxidálódik, és magas olvadáspontú Al2O3 keletkezik (kb. 2050 °C, míg az alumínium olvadáspontja 660 °C, ami nagyon eltérő). Az oxidok sűrűek és nagy keménységűek, és az olvadt ötvözetfolyadékban kis sűrűséggel keverednek az olvadt medence területén, amely könnyen finom szilárd salakot képez, és nehéz kiüríteni, ami nemcsak a hegesztés szerkezetét befolyásolja, hanem könnyen termel elektrokémiai korróziót is, ami a hegesztett kötések mechanikai tulajdonságai csökkennek, Al2O3 borítja a megolvadt medencét és hornyot, ami komolyan befolyásolja az ötvözetek hegesztését és csökkenti a hegesztett kötések mikroszerkezetét és tulajdonságait.
Sztomaális összeomlás
Az alumíniumötvözet olvadáspontja sokkal alacsonyabb, mint az oxidé, természete élénk és könnyen oxidálható. A hegesztési folyamat során az alumíniumötvözet olvadt medencét képez a magas hőmérsékletű olvadás következtében. Az olvadékmedence felületén lévő alumínium oxidációval oxidfilmet képez, amely szilárd állapotban fedi be az olvadt medencét. Mivel az oxidfilm színe az olvadás után nem sokban különbözik az olvadt alumíniumötvözet színétől, és az oxidfilm fedettsége miatt nehéz megfigyelni az alumíniumötvözet olvadt medence olvadási fokát a hegesztési folyamat során. , így könnyen előidézhető a túl magas hőmérséklet, ami hegesztési hőhatást okoz A terület nagy része összeesik, tönkretéve a hegesztési fém alakját és tulajdonságait.
A hegesztési hőforrás pillanatnyi nagy teljesítményének hatására nagy mennyiségű hidrogéngáz oldódik fel az ötvözetfolyadékban. A hegesztés befejezése után az olvadt medence hőmérsékletének csökkenésével a gáz oldhatósága is fokozatosan csökken, ami a hegesztési folyamatban a pórusok fő okozójává válik. ok. Mivel az alumíniumötvözet megszilárdulási sebessége túl gyors és sűrűsége kicsi, a hegesztési varrat gyors megszilárdulása során különböző méretű hidrogénpórusok keletkeznek. Ezek a pórusok továbbra is felhalmozódnak és kitágulnak a hegesztési folyamat során, végül látható nagy pórusokat képezve, és csökkentik a kötés szerkezeti tulajdonságait. Természetesen a pórusok nem feltétlenül a hegesztési folyamat során keletkeznek. Az öntési eljárási technológia hatására maga az alapfém is pórusokat képez az öntési folyamat során. A hegesztés során a hőbevitel és a belső nyomás folyamatosan változik, aminek következtében az alapfémben lévő eredeti pórusok kitágulnak, vagy egymással kombinálva hegesztési pórusokat képeznek. A hegesztési hőbevitel növekedésével a pórusok is megnőnek. Ezért a hidrogénforrás szabályozása érdekében a hegesztőanyagot használat előtt szigorúan meg kell szárítani. A hegesztés során az áramot megfelelően növelik, hogy meghosszabbítsák az olvadt medence fennállási idejét, és elegendő időt biztosítsanak a hidrogén kicsapódásához, ezáltal szabályozva a pórusok kialakulását.
kép
2. ábra Sztómák kialakulása és konvergenciája
Az alumíniumötvözet hegesztési technológiájának osztályozása
Az alumíniumötvözetek alkalmazási körének bővülésével egyre több probléma derül ki. A kutatás előrehaladtával az alumíniumötvözetek hegesztési technológiája nagymértékben fejlődött. Jelenleg főleg wolfram argon ívhegesztés (TIG), olvadt inert gázos hegesztés (MIG), lézeres hegesztés (LBW), súrlódó keverőhegesztés (FSW) várnak.
Gázvolfrám ívhegesztés
A Tungsten Inert Gas Welding (TIG) egy tipikus inert gázzal védett hegesztés, és a leggyakrabban használt hegesztési módszer. Hegesztéskor a volfrámelektródát és a hegesztési felületet elektródaként használják, a két elektróda között hélium- vagy argongázt vezetnek át védőgázként az ív védelmére, a huzalt és a nemesfémet pedig pillanatnyi nagyfeszültségű kisüléssel megolvasztják, és az alumíniumötvözet alkatrészeket hegesztik és alakítják, valamint Hegesztés és öntési hibák javítása.
Főleg a következő műszaki jellemzőkkel rendelkezik:
Könnyen kezelhető, rugalmas és irányítható, alkalmazkodik a különböző munkakörülményekhez és környezetekhez, és alacsony költségű;
A hőhatás zóna keskeny, és a hegesztett kötés deformációja kicsi, megfelelő huzalelőtolás mellett, és a kötés átfogó teljesítménye magas;
A hegesztési folyamat teljesítménye jó és stabil, a hegesztési varrat pedig sűrű és szép.
MIG hegesztés
A MIG (GMA-Gas Metal Arc Welding) és a TIG egyaránt inertgázos védőgázas hegesztés. A különbség az, hogy a TIG hegesztés volfrámelektródákat használ rögzített elektródaként, míg a MIG hegesztés magát a töltött huzalanyagot használja elektródaként.
Az alumíniumötvözet fémes inert gázos védőgázos hegesztési eljárása során a feszültség és az áramerősség a hegesztőhuzal elektródájának végére hat, és az elektróda és az alapfém között pillanatnyi nagy nyomás keletkezik, amely megolvasztja az alapfémet és a horony, és a drót végén lévő csepp leesik, és függőlegesen átmegy az alapfémbe. Az anyag megolvadt medencéjén hegesztési zóna képződik.
Az alumíniumötvözet MIG-hegesztésének alkalmazási folyamata azonban viszonylag korlátozott, mivel az alumíniumhuzal lágysága rossz huzalelőtoláshoz vezet, és az olvadt alumínium hajlamos a "lógás, de nem csöpögés" jelenségére a hegesztés során, ami könnyű. hogy a cseppek kifröccsenjenek. 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 lézersugaras 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 Egybe kapcsolják.
A lézeres hegesztés előnye, hogy kicsi a hegesztési hatáspont, koncentrált a nagy teljesítményű hőforrás, vastag lemezek hegesztésére alkalmas, a hőhatászóna szűk, a hegesztési deformáció kicsi. Ugyanakkor a lézeres hegesztés magas követelményeket támaszt a hegesztés pozicionálásával, drága hegesztőberendezésekkel és magas hegesztési költségekkel 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 fűtési zónában lévő fém nagyon rövid időn belül elgázosodik, és a gáz egy kis lyukba konvergál olvadt medencét és formát A kis lyuk a hőátadás központja, a kis lyuk közelében pedig egy olvadékmedence képződik, ami a lézeres mélybehatoló hegesztés "kulcslyuk" hatása. Az olvadt medence e jelenség által okozott egyenetlenségeinek elkerülése érdekében csökkenthető a lézerenergia, növelhető a hegesztési sebesség vagy szabályozható a rögfelület újraolvadása a fúziós zónában lévő buborékok eltávolítása és a pórusok képződésének csökkentése érdekében. .
súrlódó keverőhegesztés
A súrlódó keverőhegesztés (Friction stir Welding, FSW) a hagyományos súrlódó hegesztési technológián alapuló új típusú szilárd fázisú csatlakozási technológia. A hegesztendő felületen, amikor a keverőfej a hegesztési varrat mentén halad előre, a hegesztőanyag hőmérséklete megemelkedik, és a lágyított fém mechanikai keverés és felborítás hatására erős képlékeny deformáción megy keresztül, és sűrű szilárd fázisú kapcsolatot hoz létre. diffúzió és átkristályosítás után.
A hagyományos hegesztési módszerekkel összehasonlítva az FSW technológia a következő előnyökkel rendelkezik:
Alacsony hegesztési hőmérséklet és kis hegesztési deformáció;
A varrat jó mechanikai tulajdonságai;
A hegesztési folyamat egyszerű, gazdaságos és környezetbarát.
A fő problémák és a kutatás fókusza
Az alumíniumötvözetek egyre több iparágban történő alkalmazásával a javítási kapcsolat problémája is egyre több tudós figyelmét felkeltette. Az alumíniumötvözeteken végzett különféle hegesztési tesztek során kiderül, hogy a javítási technológia érettsége még nem felelt meg az ipar fejlesztési igényeinek, és még mindig vannak benne különféle problémák.
Jelenleg a két legelterjedtebb hegesztési módszer a gázos wolfram ívhegesztés és a fémes inert gázos védőgázas hegesztés, de ennek a két technológiának széles a hőhatászónája, és a hegesztett fémet meg kell olvasztani, majd megszilárdítani, ami hatással van a szerkezet. Nagyobb, és a maradék feszültség is nagy, ami komoly hatással van a kötés mechanikai tulajdonságaira. A lézerhegesztés energianyalábsűrűsége nagy, a hegesztési varrat mélység-szélesség aránya nagy, de nagyon könnyű pórusokat képezni, és drága költsége is korlátozza az alkalmazások népszerűsítését. A súrlódó keverőhegesztés megoldást nyújt a hőproblémára, de a súrlódó keverőhegesztés viszonylag nagy felforgató nyomást és előremenő hajtóerőt igényel, és a berendezés általában bonyolult és terjedelmes, ami korlátozza a fejlesztését.
A kapcsolódó témákkal kapcsolatos jövőbeli kutatások középpontjában a következő szempontok állnak:
A fúziós hegesztés alapján állítsa be a hegesztőhuzal képletét, adjon hozzá ritkaföldfémeket, vagy válasszon megfelelő mennyiségű hegesztési aktivátort a hegesztési deformáció szabályozására, a feszültség csökkentésére és a pórusok képződésének csökkentésére.
Az ötvözetek terjedelmének és alkalmazási körének bővülése miatt általában eltérő anyagokkal együtt alkalmazzák őket, ezért szükséges a különböző fémek közötti átlapolásos hegesztési kísérletek elvégzése a jó minőségű kötések eléréséhez.
Az optimális hegesztési teljesítmény elérése érdekében végezzen kutatásokat kompozit hőforrások hegeszthetőségére vonatkozóan, mint pl. AWI-lézer hibrid hegesztés, lézeres kompozit súrlódó keverőhegesztés.
