Как конструкционный металлический материал, который быстро растет в последние годы, алюминиевый сплав широко используется в аэрокосмической, автомобильной, морской и других областях благодаря его низкой плотности, высокой удельной прочности и удельной жесткости, а также хорошей коррозионной стойкости. .
Однако ряд проблем, таких как плохая свариваемость и плохие характеристики формообразующего слоя при сварке, ограничивают разработку конструкционных деталей из алюминиевых сплавов. Поэтому технология сварки алюминиевых сплавов стала одним из основных направлений исследований многих ученых в стране и за рубежом.
Обзор характеристик алюминиевого сплава
Алюминий — очень легкий металлический материал с плотностью всего 2,7 г/см3, что составляет около 36 процентов от плотности стали. Алюминиевый сплав используется для изготовления механических деталей, что позволяет значительно снизить вес и добиться эффекта легкости, энергосбережения и сокращения выбросов.
Удельная прочность и удельная жесткость алюминиевого сплава выше, чем у стали 45 и АБС-пластика. Использование материалов из алюминиевого сплава способствует изготовлению цельных компонентов с высокими требованиями к жесткости.
Алюминиевый сплав обладает отличной теплопроводностью, электропроводностью и коррозионной стойкостью. Эксплуатационные параметры алюминиевого сплава А380 и других материалов приведены в таблице 1.
Алюминиевый сплав имеет хорошую обрабатываемость и пригодность для вторичной переработки. Если принять, что коэффициент сопротивления резанию наиболее легко режущегося магниевого сплава равен 1, то сопротивление резанию других металлов приведено в таблице 2. Видно, что сопротивление резанию алюминиевого сплава меньше, чем у меди, железа и другие материалы, а процесс резки относительно прост.
Характеристики сварки алюминиевого сплава
Под влиянием физико-химических свойств алюминиевых сплавов возникают определенные трудности в процессе сварки. Современная сварка алюминиевых сплавов в основном имеет следующие проблемы: тепловое напряжение, абляционное испарение, твердые включения, схлопывание пор и т. д.:
Тепловая нагрузка
Алюминиевые сплавы имеют более высокий коэффициент теплового расширения и меньший модуль упругости. Во время процесса сварки из-за большой деформации и большого коэффициента линейного расширения алюминиевого сплава скорость объемной усадки во время затвердевания составляет около 6 процентов, а скорость охлаждения и скорость первичной кристаллизации расплавленной ванны высоки, что приводит к внутренние напряжения сварного шва и жесткость сварного соединения. Чем больше, тем легче вызвать большее внутреннее напряжение в соединении из алюминиевого сплава, вызывая большее напряжение сварки и деформацию, образуя дефекты, такие как трещины и волнообразная деформация.
Абляционное испарение
Алюминий имеет температуру плавления 660 градусов и температуру кипения 2647 градусов, что ниже, чем у других металлических элементов, таких как медь и железо. Во время процесса сварки, если температура сварки слишком высока, легко вызвать взрыв и образование брызг, особенно при сварке высокоэнергетическим лучом, как показано на рисунке 1. Кроме того, некоторые легирующие элементы добавляются в алюминиевый сплав. имеют низкую температуру кипения, что очень легко испаряется и сгорает при мгновенно высокой температуре сварки, а брызги, образующиеся при взрыве, также уносят часть капель жидкости, что неизбежно изменяет площадь сварного шва. Химический состав не способствует нормированию работоспособности сварного соединения. Поэтому для компенсации высокотемпературной абляции во время сварки часто используют сварочную проволоку или другие сварочные материалы с более высокой температурой кипения, чем основной металл.
твердое включение
Химические свойства алюминия очень активны и легко окисляются. В процессе сварки поверхность алюминиевого сплава окисляется с образованием Al2O3 с высокой температурой плавления (около 2050°С, тогда как температура плавления алюминия составляет 660°С, что сильно отличается). Оксиды плотные и имеют высокую твердость, и смешиваются с жидкостью расплавленного сплава с низкой плотностью в зоне расплавленной ванны, из которой легко образуется мелкий твердый шлак и который трудно удалить, что не только влияет на структуру сварного шва, но также легко вызывает электрохимическую коррозию, которая вызывает снижение механических свойств сварных соединений, а Al2O3 покрывает расплавленную ванну и канавку, что серьезно влияет на сварку сплавов и снижает микроструктуру и свойства сварных соединений.
Устьичный коллапс
Температура плавления алюминиевого сплава намного ниже, чем у его оксида, а его природа живая и легко окисляется. В процессе сварки алюминиевый сплав образует расплавленную ванну из-за высокой температуры плавления. Алюминий на поверхности ванны расплава окисляется с образованием оксидной пленки, которая покрывает ванну расплава в твердом состоянии. Поскольку цвет оксидной пленки после плавления мало чем отличается от цвета расплавленного алюминиевого сплава, а также из-за покрытия оксидной пленкой трудно наблюдать степень плавления расплавленной ванны алюминиевого сплава в процессе сварки. , поэтому легко вызвать слишком высокую температуру, вызывая влияние тепла сварки. Большая часть области разрушается, разрушая форму и свойства металла сварного шва.
Под действием мгновенной высокой мощности сварочного источника тепла в жидкости сплава растворяется большое количество газообразного водорода. После завершения сварки по мере снижения температуры расплавленной ванны постепенно снижается и растворимость газа, что становится основной причиной образования пор в процессе сварки. причина. Поскольку скорость затвердевания алюминиевого сплава слишком высока, а плотность низкая, во время быстрого затвердевания сварного шва образуются водородные поры разного размера. Эти поры будут продолжать накапливаться и расширяться в процессе сварки, в конечном итоге образуя видимые большие поры и ухудшая структурные свойства соединения. Конечно, поры не обязательно образуются в процессе сварки. Из-за влияния технологии процесса литья сам основной металл также будет образовывать поры в процессе литья. Во время сварки подводимая теплота и внутреннее давление постоянно изменяются, в результате чего первоначальные поры в основном металле расширяются или объединяются друг с другом, образуя сварные поры. По мере увеличения подводимого тепла при сварке поры также будут увеличиваться. Поэтому, чтобы контролировать источник водорода, сварочный материал необходимо строго высушивать перед использованием. Во время сварки ток соответствующим образом увеличивают, чтобы продлить время существования ванны расплава и дать достаточно времени для осаждения водорода, тем самым контролируя образование пор.
картина
Рис.2 Формирование и схождение устьиц
Классификация технологии сварки алюминиевых сплавов
С расширением области применения алюминиевых сплавов выявляется все больше проблем. С развитием исследований технология сварки алюминиевых сплавов получила значительное развитие. В настоящее время в основном используются вольфрамовая аргонодуговая сварка (TIG), сварка в расплавленном инертном газе (MIG), лазерная сварка (LBW), сварка трением с перемешиванием (FSW).
Газовая вольфрамовая дуговая сварка
Сварка вольфрамовым электродом в среде инертного газа (TIG) представляет собой типичную сварку в среде защитного газа и является наиболее часто используемым методом сварки. При сварке вольфрамовый электрод и поверхность сварки используются в качестве электродов, а газообразный гелий или аргон пропускается между двумя электродами в качестве защитного газа для защиты дуги, а проволока и основной металл расплавляются мгновенным высоковольтным разрядом, и детали из алюминиевого сплава свариваются и формируются, а также сварка и ремонт дефектов литья.
В основном он имеет следующие технические характеристики:
Простые в эксплуатации, гибкие и управляемые, адаптируемые к различным рабочим условиям и средам и недорогие;
Зона термического влияния узкая, а деформация сварного соединения небольшая при условии достаточной подачи проволоки, а комплексная производительность соединения высокая;
Производительность процесса сварки хорошая и стабильная, а сварной шов плотный и красивый.
сварка МИГ
Как MIG (GMA-Gas Metal Arc Welding), так и TIG представляют собой сварку в среде защитного газа. Разница заключается в том, что при сварке TIG в качестве неподвижных электродов используются вольфрамовые электроды, а при сварке MIG в качестве электродов используется сам материал проволоки с наполнителем.
В процессе сварки алюминиевого сплава в среде инертного газа напряжение и ток воздействуют на конец электрода сварочной проволоки, и между электродом и основным металлом создается мгновенное высокое давление, которое расплавляет основной металл и канавка, а капля на конце проволоки отваливается и переходит вертикально к основному металлу. На расплавленной ванне материала образуется зона сварки.
Тем не менее, процесс применения сварки MIG из алюминиевого сплава относительно ограничен, потому что мягкость алюминиевой проволоки приводит к плохой подаче проволоки, а расплавленный алюминий склонен к образованию явления «висит, но не капает» во время сварки, что легко вызвать разбрызгивание капель. Преимущество заключается в том, что сварка MIG выполняется быстрее, чем сварка TIG, а диапазон сварочных движений при сварке больших заготовок невелик. Регулируя скорость подачи проволоки, эффективность сварки может достигать нескольких метров в минуту.
лазерная сварка
Лазерная сварка (Laser Beam Welding LBW) использует высокоэнергетические лазерные импульсы для локального нагрева материала на небольшой площади. Энергия лазерного излучения диффундирует внутрь материала за счет теплопроводности, и материал плавится, образуя определенную расплавленную ванну. После затвердевания материал соединяется в Одно.
Преимущество лазерной сварки заключается в том, что точка сварочного воздействия мала, мощный источник тепла сконцентрирован, она способна сваривать толстые листы, узкая зона термического влияния и малая сварочная деформация. Но в то же время лазерная сварка предъявляет высокие требования к позиционированию сварки, дорогое сварочное оборудование и большие затраты на сварку. Для металлических материалов, таких как алюминий и магний, коэффициент отражения лазера высок, и прямая сварка затруднена.
Облучение материалов лазерами с различной плотностью мощности показывает, что при достижении плотности мощности на изделии более 107 Вт/см2 металл в зоне нагрева будет газифицироваться за очень короткое время, и газ будет концентрироваться в небольшом отверстии в расплавленная ванна и форма Маленькое отверстие является центром теплопередачи, а расплавленная ванна образуется рядом с небольшим отверстием, что является эффектом «замочной скважины» при лазерной сварке с глубоким проплавлением. Чтобы избежать неравномерности расплавленной ванны, вызванной этим явлением, можно уменьшить энергию лазера, увеличить скорость сварки или контролировать повторное плавление области самородка, чтобы удалить пузырьки в зоне сплавления и уменьшить образование пор. .
сварка трением с перемешиванием
Сварка трением с перемешиванием (Friction Stir Welding, FSW) — это новый тип технологии соединения твердой фазы, основанный на традиционной технологии сварки трением. На свариваемом стыке при продвижении мешалки по сварному шву температура наплавляемого материала повышается, а пластифицированный металл под действием механического перемешивания и осадки подвергается сильной пластической деформации и образует плотное твердофазное соединение. после диффузии и перекристаллизации.
По сравнению с традиционными методами сварки технология СТП имеет следующие преимущества:
Низкая температура сварки и небольшая деформация сварки;
Хорошие механические свойства сварного шва;
Процесс сварки прост, экономичен и безвреден для окружающей среды.
Основные проблемы и направления исследований
С применением алюминиевых сплавов во все большем количестве отраслей проблема их ремонтного соединения также привлекает внимание все большего числа ученых. В ходе различных сварочных испытаний алюминиевых сплавов установлено, что уровень зрелости технологии ремонта еще не отвечает потребностям развития отрасли, и в ней все еще существуют различные проблемы.
Дуговая сварка вольфрамовым электродом в среде защитного газа и сварка в среде инертного газа являются двумя наиболее широко используемыми методами сварки в настоящее время, но эти две технологии имеют широкую зону термического влияния, и металл шва необходимо расплавить, а затем затвердеть, что оказывает влияние на структура. Больше, и остаточное напряжение высокое, что приводит к серьезному влиянию на механические свойства соединения. Плотность луча энергии лазерной сварки высока, а отношение глубины к ширине сварного шва велико, но очень легко образовывать поры, а его высокая стоимость также ограничивает популяризацию приложений. Сварка трением с перемешиванием обеспечивает решение проблемы тепла, но сварка трением с перемешиванием требует относительно большого давления осадки и движущей силы, а оборудование, как правило, сложное и громоздкое, что ограничивает его развитие.
В центре внимания будущих исследований по смежным темам должны быть следующие аспекты:
Исходя из основы сварки плавлением, отрегулируйте формулу сварочной проволоки, добавьте редкоземельные элементы или выберите подходящее количество активатора сварки, чтобы контролировать сварочную деформацию, уменьшить напряжение и уменьшить образование пор.
В связи с расширением области применения и применения сплавов их обычно применяют совместно с разнородными материалами, поэтому для получения качественных соединений необходимо проводить опыты по сварке внахлест между разнородными металлами.
Проведите исследование свариваемости композитных источников тепла, таких как гибридная сварка TIG-лазером, лазерная композитная сварка трением с перемешиванием, чтобы получить оптимальные характеристики сварки.
