Kot inženirski kovinski material, ki je v zadnjih letih hitro narasel, se aluminijeve zlitine pogosto uporabljajo v letalstvu, avtomobilih, ladjah in na drugih področjih zaradi svoje nizke gostote, visoke specifične trdnosti in specifične togosti ter dobre odpornosti proti koroziji. .
Vendar vrsta težav, kot sta slaba varivost in slaba zmogljivost oblikovalne plasti pri varjenju, omejuje razvoj strukturnih delov iz aluminijevih zlitin. Zato je tehnologija varjenja aluminijevih zlitin postala ena glavnih raziskovalnih usmeritev številnih znanstvenikov doma in v tujini.
Pregled lastnosti aluminijeve zlitine
Aluminij je zelo lahek kovinski material z gostoto le 2,7 g/cm3, kar je približno 36 % gostote jekla. Uporaba aluminijeve zlitine za izdelavo mehanskih delov lahko znatno zmanjša težo in doseže učinek majhne teže, varčevanje z energijo in zmanjšanje emisij.
Specifična trdnost in specifična togost aluminijeve zlitine sta višji od 45 jekla in ABS plastike. Uporaba materialov iz aluminijevih zlitin je ugodna za izdelavo integralnih komponent z visokimi zahtevami glede togosti.
Aluminijeve zlitine imajo odlično toplotno prevodnost, električno prevodnost in odpornost proti koroziji. Parametri delovanja aluminijeve zlitine A380 in drugih materialov so prikazani v tabeli 1.
Aluminijeve zlitine se dobro obdelujejo in reciklirajo. Če predpostavimo, da je koeficient rezalne odpornosti magnezijeve zlitine, ki jo je najbolj mogoče obdelovati, 1, je rezalna odpornost drugih kovin prikazana v tabeli 2. Vidimo lahko, da je rezalna odpornost aluminijeve zlitine manjša kot pri bakru, železu in drugih materialov, postopek rezanja pa je lažji.
Značilnosti varjenja aluminijevih zlitin
Fizikalne in kemijske lastnosti aluminijevih zlitin vplivajo na nekatere težave pri varjenju. Trenutno varjenje aluminijevih zlitin ima predvsem naslednje težave: toplotna obremenitev, ablacijsko izhlapevanje, trdni vključki, kolaps por itd.:
Toplotni stres
Aluminijeve zlitine imajo višji koeficient toplotne razteznosti in nižji modul elastičnosti. Med postopkom varjenja je zaradi velike deformacije in velikega linearnega koeficienta raztezanja aluminijeve zlitine prostorninska stopnja krčenja med strjevanjem približno 6 %, hitrost ohlajanja in primarna kristalizacijska stopnja staljenega bazena pa sta hitri, kar povzroči notranja napetost zvara in togost zvara. Če je večji, je enostavno ustvariti veliko notranjo napetost v spoju iz aluminijeve zlitine, kar povzroči veliko varilno napetost in deformacijo, nastanek razpok, deformacijo valov in druge napake.
Ablativno izhlapevanje
Tališče aluminija je 660 stopinj, vrelišče pa 2647 stopinj, kar je nižje od drugih kovinskih elementov, kot sta baker in železo. Med postopkom varjenja, če je temperatura varjenja previsoka, zlahka eksplodira in nastane brizganje, zlasti pri varjenju z visokoenergijsko žarko, kot je prikazano na sliki 1. Poleg tega imajo nekateri legirni elementi, dodani aluminijevi zlitini nizko vrelišče, ki zlahka izhlapi in sežge pri trenutni visoki temperaturi varjenja, brizganje, ki nastane ob eksploziji, pa bo odneslo tudi del kapljic, kar neizogibno spremeni območje varilnega šiva. Kemična sestava ni ugodna za uravnavanje učinkovitosti zvarjenih spojev. Zato se za kompenzacijo visokotemperaturne ablacije med varjenjem pogosto uporabljajo varilne žice ali drugi varilni materiali z višjo vsebnostjo elementov vrelišča kot osnovna kovina.
Trdni vključki
Kemične lastnosti aluminija so zelo aktivne in zlahka oksidirane. Med postopkom varjenja se površina aluminijeve zlitine oksidira, da nastane Al2O3 z visokim tališčem (približno 2050 stopinj, medtem ko je tališče aluminija 660 stopinj, kar je zelo različno). Oksidi so gosti in imajo visoko trdoto in so pomešani v tekočino staljene zlitine z nizko gostoto v območju staljenega bazena, ki zlahka tvori majhne trdne vključke žlindre, ki jih ni enostavno izprazniti, kar ne vpliva samo na mikrostrukturo zvar, vendar je tudi nagnjen k elektrokemični koroziji, ki bo povzročila Mehanske lastnosti zvarnih spojev se zmanjšajo, Al2O3 pa prekriva bazen staline in utor, kar resno vpliva na varjenje zlitin ter zmanjša mikrostrukturo in lastnosti zvarnih spojev.
Kolaps stome
Tališče aluminijeve zlitine je veliko nižje od njegovega oksida in je zelo aktivna in jo je enostavno oksidirati. Med postopkom varjenja se aluminijeva zlitina stopi pri visoki temperaturi, da nastane bazen staline. Aluminij na površini bazena staline se oksidira, da nastane oksidni film, ki prekriva bazen staline v trdni obliki. Ker se barva staljenega oksidnega filma ne razlikuje veliko od staljenega stanja aluminijeve zlitine in zaradi pokritosti oksidnega filma je težko opazovati stopnjo taljenja staljenega bazena aluminijeve zlitine med postopkom varjenja. , zato je enostavno povzročiti previsoko temperaturo in povzročiti varilno vročino. Veliki zrušitve na območju uničijo obliko in lastnosti zvara.
Pod delovanjem trenutne visoke moči vira varilne toplote se v tekočini zlitine raztopi velika količina vodika. Po končanem varjenju, ko se temperatura bazena staline zniža, se topnost plina postopoma zmanjšuje, kar postane glavni vzrok za nastanek por med postopkom varjenja. razlog. Zaradi hitre hitrosti strjevanja in nizke gostote aluminijevih zlitin se med hitrim strjevanjem zvara tvorijo vodikove pore različnih velikosti. Te pore se bodo še naprej kopičile in širile med postopkom varjenja, sčasoma pa bodo oblikovale vidne pore in zmanjšale strukturne lastnosti spoja. Seveda pa ni nujno, da nastanejo pore med varjenjem. Zaradi vpliva tehnologije litja bo tudi osnovna kovina med postopkom litja ustvarila pore. Med varjenjem stalna sprememba vnosa toplote in notranjega tlaka povzroči, da se prvotne pore v osnovni kovini zaradi toplote razširijo ali združijo med seboj in tvorijo pore zvara. S povečanjem dovedene toplote pri varjenju se povečajo tudi pore. Zato je treba za nadzor vira vodika varilni material pred uporabo strogo posušiti. Med varjenjem je treba tok ustrezno povečati, da se podaljša čas obstoja bazena staline in omogoči dovolj časa, da se vodik izloči, s čimer se nadzoruje nastajanje por.
Razvrstitev tehnologije varjenja aluminijevih zlitin
S širjenjem področja uporabe aluminijevih zlitin se izpostavlja vedno več problemov. Z napredkom raziskav je tehnologija varjenja aluminijevih zlitin močno napredovala. Trenutno obstaja predvsem varjenje z volframovim argonom (TIG), varjenje v staljenem inertnem plinu (MIG), lasersko varjenje (LBW), varjenje s trenjem in mešanjem (FSW). Počakajte.
TIG varjenje
Tungsten Inert Gas Welding (TIG) je tipično obločno varjenje v inertnem plinu in je najpogosteje uporabljena metoda varjenja. Med varjenjem se volframova elektroda in varilna površina uporabljata kot elektrodi, plin helij ali argon pa se med elektrodama pretaka kot zaščitni plin za zaščito obloka, žica in navadna kovina pa se stopita s takojšnjo visokonapetostno razelektritvijo, deli iz aluminijeve zlitine so varjeni in oblikovani ter popravilo zvarov in popravilo napak pri litju.
V glavnem imajo naslednje tehnične lastnosti:
Enostaven za uporabo, prilagodljiv in nadzorovan, prilagodljiv različnim delovnim pogojem in nizki stroški;
Toplotno prizadeto območje je ozko, deformacija zvarjenega spoja je majhna pod pogojem zadostnega podajanja žice, celovita zmogljivost spoja pa je visoka;
Učinkovitost varjenja je dobra in stabilna, varilni šiv pa gost in lep.
MIG varjenje
MIG (GMA-plinsko obločno varjenje) in TIG sta oba varjenja v zaščitenem inertnem plinu, razlika je v tem, da TIG varjenje uporablja volframovo elektrodo kot fiksno elektrodo, medtem ko MIG varjenje uporablja sam material dodajne žice kot elektrodo.
Vendar pa je postopek nanašanja aluminijeve zlitine MIG varjenja zelo omejen, ker mehka aluminijasta žica vodi do slabega podajanja žice, staljeni aluminij pa med varjenjem nagiba k pojavu "visenja brez kapljanja", kar zlahka povzroči kapljice brizganje. Prednost je v tem, da je MIG varjenje hitrejše od TIG varjenja, pri varjenju velikih obdelovancev pa je obseg varilnega gibanja majhen. S prilagoditvijo hitrosti podajanja žice lahko učinkovitost varjenja doseže nekaj metrov na minuto.
Lasersko varjenje
Varjenje z laserskim žarkom (Laser Beam Welding LBW) uporablja visokoenergetske laserske impulze za lokalno segrevanje materiala na majhnem območju. Energija laserskega sevanja se skozi toplotno prevodnost razprši v notranjost materiala, material pa se stopi, da nastane posebna staljena plast. Po strjevanju je material povezan v eno.
Prednosti laserskega varjenja so, da je varilna točka delovanja majhna, močan vir toplote je koncentriran in ima možnost varjenja debelih plošč z ozkim območjem toplotnega vpliva in majhno varilno deformacijo. Hkrati pa ima lasersko varjenje visoke zahteve za pozicioniranje varjenja, drago varilno opremo in visoke stroške varjenja. Pri kovinskih materialih, kot sta aluminij in magnezij, je laserski odboj visok in neposredno varjenje je težko.
Obsevanje materialov z laserji z različnimi gostotami moči kaže, da ko gostota moči na obdelovancu doseže več kot 107 W/cm2, bo kovina v ogrevalnem območju v zelo kratkem času uparjena, plin pa bo konvergiral v majhno luknjo v Ta majhna luknja je središče za prenos toplote, v bližini majhne luknje pa nastane bazen staline, kar je učinek "ključavnice" laserskega varjenja z globokim prebojem. Da bi se izognili problemu neenakomerne staljene mase, ki jo povzroča ta pojav, je mogoče zmanjšati lasersko energijo, povečati hitrost varjenja ali nadzorovati ponovno taljenje območja zrnca, da odstranimo mehurčke v območju fuzije in zmanjšamo nastajanje por .
Varjenje s trenjem in mešanjem
Varjenje s trenjem in mešanjem (Friction stir Welding, FSW) je nova tehnologija spajanja v trdni fazi, oblikovana na osnovi tradicionalne tehnologije tornega varjenja. Na vmesniku, ki ga je treba zvariti, ko se mešalna glava premika vzdolž zvara, se temperatura varilnega materiala poveča, plastificirana kovina pa je podvržena močni plastični deformaciji pod vplivom mehanskega mešanja in stiskanja ter tvori gosto trdno fazno povezavo po difuzija in rekristalizacija.
V primerjavi s tradicionalnimi metodami varjenja ima tehnologija FSW naslednje prednosti:
Nizka temperatura varjenja in majhna varilna deformacija;
Mehanske lastnosti zvara so dobre;
Postopek varjenja je enostaven, ekonomičen in okolju prijazen.
