Kao inženjerski metalni materijal koji je brzo porastao u posljednjih nekoliko godina, aluminijska legura se široko koristi u zrakoplovstvu, automobilima, brodovima i drugim poljima zbog svoje male gustine, visoke specifične čvrstoće i specifične krutosti, te dobre otpornosti na koroziju. .
Međutim, niz problema kao što su loša zavarljivost i loše performanse formirajućeg sloja pri zavarivanju ograničavaju razvoj strukturnih dijelova od aluminijskih legura. Stoga je tehnologija zavarivanja aluminijskih legura postala jedan od glavnih istraživačkih pravaca mnogih naučnika u zemlji i inostranstvu.
Pregled performansi aluminijumske legure
Aluminij je vrlo lagan metalni materijal sa gustinom od samo 2,7 g/cm3, što je oko 36 posto gustine čelika. Aluminijska legura se koristi za proizvodnju mehaničkih dijelova, koji mogu značajno smanjiti težinu i postići efekte male težine, uštede energije i smanjenja emisije.
Specifična čvrstoća i specifična krutost aluminijske legure su veće od čelika 45 i ABS plastike. Upotreba materijala od legure aluminijuma pogoduje proizvodnji integralnih komponenti sa visokim zahtevima za krutost.
Aluminijska legura ima odličnu toplinsku provodljivost, električnu provodljivost i otpornost na koroziju. Parametri performansi legure aluminijuma A380 i drugih materijala prikazani su u tabeli 1.
Aluminijska legura ima dobru obradivost i mogućnost recikliranja. Ako se pretpostavi da je koeficijent otpornosti na rezanje legure magnezijuma koji se najlakše seče 1, otpornost rezanja ostalih metala je prikazana u tabeli 2. Vidi se da je otpornost legure aluminijuma na rezanje manja od otpornosti legure bakra, gvožđa. i drugih materijala, a proces rezanja je relativno lak.
Karakteristike zavarivanja legure aluminijuma
Pod utjecajem fizičkih i kemijskih svojstava aluminijskih legura, postoje određene poteškoće u procesu zavarivanja. Sadašnje zavarivanje aluminijskih legura uglavnom ima sljedeće probleme: toplinsko naprezanje, isparavanje ablacije, čvrste inkluzije, kolaps pora, itd.:
Toplotni stres
Aluminijske legure imaju veći koeficijent toplinskog širenja i manji modul elastičnosti. Tokom procesa zavarivanja, zbog velike deformacije i velikog koeficijenta linearne ekspanzije legure aluminijuma, volumna stopa skupljanja tokom skrućivanja je oko 6 procenata, a brzina hlađenja i stopa primarne kristalizacije rastopljenog bazena su brzi, što rezultira unutrašnje naprezanje šava i krutost zavarenog spoja. Veći, lako je izazvati veće unutrašnje naprezanje u spoju legure aluminijuma, uzrokujući veće naprezanje i deformaciju zavarivanja, formirajući defekte kao što su pukotine i talasna deformacija.
Ablaciono isparavanje
Aluminijum ima tačku topljenja od 660 stepeni i tačku ključanja od 2647 stepeni, što je niže od ostalih metalnih elemenata kao što su bakar i gvožđe. Tokom procesa zavarivanja, ako je temperatura zavarivanja previsoka, lako je izazvati eksploziju i formirati prskanje, posebno kod visokoenergetskog snopa zavarivanja, kao što je prikazano na slici 1. Osim toga, neki od legirajućih elemenata dodani su aluminijskoj leguri imaju nisku tačku ključanja, koja se vrlo lako isparava i sagorijeva pri trenutno visokoj temperaturi zavarivanja, a prskanje nastalo eksplozijom će također odnijeti dio kapljica tekućine, što neminovno mijenja površinu vara. Hemijski sastav ne pogoduje regulaciji performansi zavarenog spoja. Stoga se, kako bi se nadoknadila ablacija visoke temperature, prilikom zavarivanja često koriste zavarivačka žica ili drugi materijali za zavarivanje s višom tačkom ključanja od osnovnog metala.
solidna inkluzija
Hemijska svojstva aluminija su vrlo aktivna i lako se oksidiraju. Tokom procesa zavarivanja, površina legure aluminijuma se oksidira u Al2O3 sa visokom tačkom topljenja (oko 2050 stepeni C, dok je tačka topljenja aluminijuma 660 stepeni C, što je veoma različito). Oksidi su gusti i imaju veliku tvrdoću, a miješaju se u rastopljenoj legiranoj tekućini male gustine u području rastopljenog bazena, koja lako formira finu čvrstu trosku i teško se ispušta, što ne utiče samo na strukturu šava, ali i lako proizvodi elektrohemijsku koroziju koja će uzrokovati smanjenje mehaničkih svojstava zavarenih spojeva, a Al2O3 prekriva rastopljeni bazen i žljeb, što ozbiljno utiče na zavarivanje legura i smanjuje mikrostrukturu i svojstva zavarenih spojeva.
Stomatalni kolaps
Tačka topljenja aluminijske legure je mnogo niža od one njenog oksida, a njena priroda je živahna i lako se oksidira. Tokom procesa zavarivanja, legura aluminijuma formira rastopljenu bazen zbog topljenja na visokoj temperaturi. Aluminij na površini rastopljenog bazena se oksidira kako bi se formirao oksidni film, koji prekriva rastopljenu bazenu u čvrstom stanju. Budući da se boja oksidnog filma nakon topljenja ne razlikuje mnogo od boje rastopljene legure aluminijuma, a zbog pokrivenosti oksidnim filmom, teško je uočiti stepen topljenja rastopljene legure aluminijuma tokom procesa zavarivanja. , tako da je lako uzrokovati previsoku temperaturu, što uzrokuje utjecaj topline zavarivanja. Najveći dio površine se urušava, uništavajući oblik i svojstva metala šava.
Pod djelovanjem trenutne velike snage izvora topline zavarivanja, velika količina plinovitog vodika se otapa u tekućini legure. Nakon završenog zavarivanja, kako se temperatura rastopljenog bazena smanjuje, postepeno se smanjuje i topljivost plina, što postaje glavni uzrok pora u procesu zavarivanja. razlog. Budući da je brzina stvrdnjavanja legure aluminija prebrza, a gustoća niska, tokom brzog skrućivanja šava nastaju pore vodonika različitih veličina. Ove pore će nastaviti da se akumuliraju i šire tokom procesa zavarivanja, na kraju formirajući vidljive velike pore i smanjujući strukturna svojstva spoja. Naravno, pore nisu nužno formirane tokom procesa zavarivanja. Zbog uticaja tehnologije procesa livenja, sam osnovni metal će takođe proizvesti pore tokom procesa livenja. Tokom zavarivanja, ulazna toplota i unutrašnji pritisak se konstantno menjaju, uzrokujući da se originalne pore u osnovnom metalu šire ili kombinuju jedna sa drugom i formiraju pore zavara. Kako se povećava unos topline zavarivanja, povećavaju se i pore. Stoga, kako bi se kontrolirao izvor vodonika, materijal za zavarivanje treba strogo osušiti prije upotrebe. Tokom zavarivanja, struja se na odgovarajući način povećava kako bi se produžilo vrijeme postojanja rastopljenog bazena i dalo dovoljno vremena da se vodonik istaloži, čime se kontrolira stvaranje pora.
slika
Sl.2 Formiranje i konvergencija stomata
Klasifikacija tehnologije zavarivanja aluminijskih legura
Sa proširenjem opsega primjene aluminijskih legura, sve je više problema naglašeno. Sa napretkom istraživanja, tehnologija zavarivanja aluminijske legure je uvelike razvijena. Trenutno se uglavnom koriste zavarivanje volfram argonom (TIG), zavarivanje rastopljenim inertnim gasom (MIG), lasersko zavarivanje (LBW), zavarivanje trenjem (FSW).
Elektrolučno zavarivanje volfram gasom
Zavarivanje inertnim gasom od volframa (TIG) je tipično zavarivanje zaštićenim inertnim gasom i najčešće je korišćena metoda zavarivanja. Prilikom zavarivanja volframova elektroda i površina zavarivanja se koriste kao elektrode, a plin helij ili argon se propušta između dvije elektrode kao zaštitni plin za zaštitu luka, a žica i osnovni metal se tope trenutnim visokonaponskim pražnjenjem, a dijelovi od legure aluminijuma se zavaruju i formiraju, i Zavarivanje i popravka defekta odlivaka.
Uglavnom ima sljedeće tehničke karakteristike:
Jednostavan za rukovanje, fleksibilan i podložan kontroli, prilagodljiv različitim radnim uslovima i okruženjima, i niske cene;
Zona utjecaja topline je uska, a deformacija zavarenog spoja je mala pod uvjetom dovoljnog dodavanja žice, a sveobuhvatne performanse spoja su visoke;
Performanse procesa zavarivanja su dobre i stabilne, a zavareni šav je gust i lijep.
MIG zavarivanje
I MIG (GMA-Gas Metal Arc Welding) i TIG su zavarivanje zaštićenim inertnim gasom. Razlika je u tome što TIG zavarivanje koristi volframove elektrode kao fiksne elektrode, dok MIG zavarivanje kao elektrode koristi sam materijal ispunjene žice.
U procesu zavarivanja legure aluminijuma zaštićenim metalom inertnim gasom, napon i struja deluju na kraj elektrode žice za zavarivanje, a između elektrode i osnovnog metala se stvara trenutni visoki pritisak, koji topi osnovni metal i žlijeb, a kapljica na kraju žice otpada i prelazi okomito na osnovni metal. Na rastopljenom bazenu materijala formira se zona vara.
Međutim, proces primjene MIG zavarivanja od legure aluminija je relativno ograničen, jer mekoća aluminijske žice dovodi do lošeg uvlačenja žice, a rastopljeni aluminij je sklon da tokom zavarivanja formira fenomen "visi, ali ne kaplje", što je lako. da izazove prskanje kapljica. Prednost je što je MIG zavarivanje brže od TIG zavarivanja, a raspon kretanja zavarivanja je mali pri zavarivanju velikih radnih komada. Podešavanjem brzine dodavanja žice, efikasnost zavarivanja može doseći nekoliko metara u minuti.
lasersko zavarivanje
Zavarivanje laserskim snopom (Laser Beam Welding LBW) koristi laserske impulse visoke energije za lokalno zagrijavanje materijala na maloj površini. Energija laserskog zračenja difundira u unutrašnjost materijala kroz vođenje topline, a materijal se topi da bi se formirao specifičan rastopljeni bazen. Nakon skrućivanja, materijal se povezuje u Jedno.
Prednost laserskog zavarivanja je što je tačka djelovanja zavarivanja mala, izvor topline velike snage koncentriran, sposoban je zavariti debele ploče, zona utjecaja topline je uska, a deformacija zavarivanja mala. Ali u isto vrijeme, lasersko zavarivanje ima visoke zahtjeve za pozicioniranje zavarivanja, skupu opremu za zavarivanje i visoke troškove zavarivanja. Za metalne materijale kao što su aluminijum i magnezijum, reflektivnost lasera je visoka, a direktno zavarivanje je teško.
Zračenje materijala laserima različite gustine snage pokazuje da kada gustina snage na radnom komadu dostigne više od 107W/cm2, metal u zoni grijanja će se gasificirati za vrlo kratko vrijeme, a plin će konvergirati u malu rupu u otopljeni bazen i formiraju a Mala rupa je centar za prijenos topline, a rastopljena bazena se formira u blizini male rupe, što je efekat "ključaonice" laserskog zavarivanja dubokog prodiranja. Kako bi se izbjegla neravnina rastopljenog bazena uzrokovana ovim fenomenom, moguće je smanjiti energiju lasera, povećati brzinu zavarivanja ili kontrolirati pretapanje grumenčića kako bi se uklonili mjehurići u zoni fuzije i smanjilo stvaranje pora. .
zavarivanje trenjem
Zavarivanje frikcionim mešanjem (Friction stir Welding, FSW) je nova vrsta tehnologije spajanja čvrste faze zasnovane na tradicionalnoj tehnologiji zavarivanja trenjem. Na sučelju koje se zavari, kada glava za miješanje napreduje duž zavarenog šava, temperatura materijala za zavarivanje raste, a plastificirani metal podliježe snažnoj plastičnoj deformaciji pod djelovanjem mehaničkog miješanja i narušavanja, te formira gustu čvrstofaznu vezu. nakon difuzije i rekristalizacije.
U poređenju sa tradicionalnim metodama zavarivanja, FSW tehnologija ima sledeće prednosti:
Niska temperatura zavarivanja i mala deformacija zavarivanja;
Dobra mehanička svojstva zavara;
Proces zavarivanja je jednostavan, ekonomičan i ekološki prihvatljiv.
Glavni problemi i fokus istraživanja
Primjenom aluminijskih legura u sve više industrija, problem njegovog remontnog povezivanja privlači pažnju sve većeg broja naučnika. Različitim ispitivanjima zavarivanja na aluminijskim legurama utvrđeno je da zrelost tehnologije popravke još nije zadovoljila razvojne potrebe industrije, te da u njoj još uvijek postoje različiti problemi.
Zavarivanje plinom volframom i zavarivanje metalom inertnim plinom su dvije najčešće korištene metode zavarivanja u ovom trenutku, ali ove dvije tehnologije imaju široku zonu toplotnog utjecaja, a metal šava treba otopiti, a zatim očvrsnuti, što utiče na strukturu. Veći, a zaostalo naprezanje je veliko, što rezultira ozbiljnim uticajem na mehanička svojstva spoja. Gustina snopa energije laserskog zavarivanja je velika, a omjer dubine i širine šava je velik, ali je vrlo lako formirati pore, a njegova skupa cijena također ograničava popularizaciju aplikacija. Zavarivanje frikcionim mešanjem pruža rešenje za problem toplote, ali zavarivanje trenjem zahteva relativno veliki pritisak uznemiravanja i pogonsku silu napred, a oprema je generalno komplikovana i glomazna, što ograničava njen razvoj.
Fokus budućih istraživanja o srodnim temama trebao bi biti na sljedećim aspektima:
Počevši od osnove zavarivanja fuzijom, prilagodite formulu žice za zavarivanje, dodajte elemente rijetkih zemalja ili odaberite odgovarajuću količinu aktivatora zavarivanja za kontrolu deformacije zavarivanja, smanjenje naprezanja i smanjenje stvaranja pora.
Zbog proširenja opsega i primjene legura, najčešće se koriste u kombinaciji s različitim materijalima, pa je potrebno provesti eksperimente zavarivanja u preklopu između različitih metala kako bi se dobili visokokvalitetni spojevi.
Sprovesti istraživanje zavarljivosti kompozitnih izvora toplote, kao što je hibridno zavarivanje TIG laserom, lasersko kompozitno zavarivanje trenjem sa mešanjem, kako bi se postigle optimalne performanse zavarivanja.
