Som et ingeniørmetalmateriale, der er steget hurtigt i de seneste år, er aluminiumslegering blevet meget brugt i rumfart, biler, skibe og andre områder på grund af dets lave tæthed, høje specifikke styrke og specifik stivhed og god korrosionsbestandighed. .
Imidlertid begrænser en række problemer såsom dårlig svejsbarhed og dårlig ydeevne af det formende lag ved svejsning udviklingen af aluminiumslegeringsstrukturdele. Derfor er aluminiumslegeringssvejseteknologi blevet en af de vigtigste forskningsretninger for mange forskere i ind- og udland.
Oversigt over ydeevne af aluminiumslegering
Aluminium er et meget let metalmateriale med en densitet på kun 2,7g/cm3, hvilket er omkring 36 procent af stålets densitet. Aluminiumslegering bruges til at fremstille mekaniske dele, som kan reducere vægten betydeligt og opnå effekterne af let vægt, energibesparelse og emissionsreduktion.
Den specifikke styrke og specifikke stivhed af aluminiumslegering er højere end 45 stål og ABS plast. Brugen af aluminiumslegeringsmaterialer er befordrende for fremstillingen af integrerede komponenter med høje krav til stivhed.
Aluminiumslegering har fremragende termisk ledningsevne, elektrisk ledningsevne og korrosionsbestandighed. Ydeevneparametrene for A380 aluminiumslegering og andre materialer er vist i tabel 1.
Aluminiumslegering har god bearbejdelighed og genanvendelighed. Hvis det antages, at skæremodstandskoefficienten for den lettest skærende magnesiumlegering er 1, er skæremodstanden for andre metaller vist i tabel 2. Det kan ses, at skæremodstanden for aluminiumslegering er mindre end for kobber, jern og andre materialer, og skæreprocessen er forholdsvis nem.
Svejseegenskaber af aluminiumslegering
Påvirket af de fysiske og kemiske egenskaber af aluminiumslegeringer er der visse vanskeligheder i svejseprocessen. Den nuværende aluminiumslegeringssvejsning har hovedsageligt følgende problemer: termisk stress, ablationsfordampning, faste indeslutninger, porekollaps osv.:
Termisk stress
Aluminiumslegeringer har en højere termisk udvidelseskoefficient og et mindre elasticitetsmodul. Under svejseprocessen, på grund af den store deformation og store lineære ekspansionskoefficient af aluminiumslegeringen, er volumenkrympningshastigheden under størkning omkring 6 procent, og afkølingshastigheden og den primære krystallisationshastighed af den smeltede pool er hurtig, hvilket resulterer i indre spænding af svejsningen og stivheden af den svejste samling. Større er det let at forårsage større indre spændinger i aluminiumslegeringssamlingen, hvilket forårsager større svejsespænding og deformation, hvilket danner defekter såsom revner og bølgedeformation.
Ablationsfordampning
Aluminium har et smeltepunkt på 660 grader og et kogepunkt på 2647 grader, hvilket er lavere end andre metalelementer som kobber og jern. Under svejseprocessen, hvis svejsetemperaturen er for høj, er det let at forårsage eksplosion og danne sprøjt, især ved højenergistrålesvejsning, som vist i figur 1. Derudover er nogle af legeringselementerne tilføjet til aluminiumslegeringen har et lavt kogepunkt, som er meget let at fordampe og brænde ved den øjeblikkelige høje temperatur ved svejsning, og sprøjtet fra eksplosionen vil også fjerne en del af væskedråberne, hvilket uundgåeligt ændrer svejseområdet. Den kemiske sammensætning er ikke befordrende for ydelsesreguleringen af den svejste samling. For at kompensere for højtemperaturablation anvendes derfor ofte svejsetråd eller andre svejsematerialer med et højere kogepunktselementindhold end basismetallet under svejsning.
solid inklusion
Aluminiums kemiske egenskaber er meget aktive og oxideres let. Under svejseprocessen oxideres overfladen af aluminiumslegeringen til dannelse af Al2O3 med et højt smeltepunkt (ca. 2050 grader C, mens smeltepunktet for aluminium er 660 grader C, hvilket er meget forskelligt). Oxiderne er tætte og har høj hårdhed og blandes i den smeltede legeringsvæske med lav densitet i det smeltede bassinområde, som er let at danne fin fast slagge og er vanskelig at udlede, hvilket ikke kun påvirker svejsningens struktur, men også let producerer elektrokemisk korrosion, hvilket vil forårsage De mekaniske egenskaber af svejsede samlinger falder, og Al2O3 dækker den smeltede pool og rille, hvilket alvorligt påvirker svejsningen af legeringer og reducerer mikrostrukturen og egenskaberne af svejsede samlinger.
Stomatal kollaps
Smeltepunktet for aluminiumslegering er meget lavere end dets oxid, og dens natur er livlig og let at oxidere. Under svejseprocessen danner aluminiumslegeringen en smeltet pool på grund af smeltning ved høj temperatur. Aluminiumet på overfladen af den smeltede pool oxideres for at danne en oxidfilm, som dækker den smeltede pool i fast tilstand. Da farven på oxidfilmen efter smeltning ikke er meget forskellig fra den smeltede aluminiumslegering, og på grund af oxidfilmens dækning, er det vanskeligt at observere graden af smeltning af den smeltede aluminiumslegering under svejseprocessen , så det er let at få temperaturen til at være for høj, hvilket forårsager svejsevarmepåvirkning. Størstedelen af området kollapser, hvilket ødelægger formen og egenskaberne af svejsemetallet.
Under påvirkning af den øjeblikkelige høje effekt af svejsevarmekilden opløses en stor mængde brintgas i legeringsvæsken. Efter at svejsningen er afsluttet, da temperaturen i den smeltede pool falder, falder opløseligheden af gassen også gradvist, hvilket bliver hovedårsagen til porer i svejseprocessen. grund. Fordi aluminiumslegeringens størkningshastighed er for hurtig, og densiteten er lav, dannes der hydrogenporer af forskellige størrelser under den hurtige størkning af svejsningen. Disse porer vil fortsætte med at akkumulere og udvide sig under svejseprocessen og til sidst danne synlige store porer og reducere samlingens strukturelle egenskaber. Naturligvis dannes porerne ikke nødvendigvis under svejseprocessen. På grund af støbeprocesteknologiens indflydelse vil selve basismetallet også producere porer under støbeprocessen. Under svejsning ændres varmetilførslen og det indre tryk konstant, hvilket får de oprindelige porer i basismetallet til at udvide sig eller kombineres med hinanden for at danne svejseporer. Når svejsevarmetilførslen stiger, vil porerne også stige. Derfor, for at kontrollere kilden til brint, skal svejsematerialet tørres strengt før brug. Under svejsning øges strømmen passende for at forlænge eksistenstiden for den smeltede pool og give tilstrækkelig tid til, at brint kan udfældes, og derved kontrollere dannelsen af porer.
billede
Fig.2 Dannelse og konvergens af stomata
Klassificering af aluminiumslegeringssvejseteknologi
Med udvidelsen af anvendelsesområdet for aluminiumslegeringer fremhæves flere og flere problemer. Med forskningens fremskridt er svejseteknologien af aluminiumslegering blevet stærkt udviklet. På nuværende tidspunkt er der hovedsageligt wolfram argon buesvejsning (TIG), smeltet inert gas svejsning (MIG), laser svejsning (LBW), friction stir welding (FSW) vente.
Gas wolfram lysbuesvejsning
Tungsten Inert Gas Welding (TIG) er en typisk inert gas-afskærmet svejsning og er den mest almindeligt anvendte svejsemetode. Ved svejsning bruges wolframelektroden og svejseoverfladen som elektroder, og helium- eller argongas ledes mellem de to elektroder som en beskyttelsesgas for at beskytte lysbuen, og tråden og basismetallet smeltes ved øjeblikkelig højspændingsudladning, og aluminiumslegeringsdelene svejses og formes, og Svejsning og reparation af støbefejl.
Det har hovedsageligt følgende tekniske egenskaber:
Let at betjene, fleksibel og kontrollerbar, tilpasselig til forskellige arbejdsforhold og miljøer og lav i omkostninger;
Den varmepåvirkede zone er smal, og deformationen af den svejste samling er lille under betingelse af tilstrækkelig trådfremføring, og den omfattende ydelse af leddet er høj;
Svejseprocessens ydeevne er god og stabil, og svejsesømmen er tæt og smuk.
MIG svejsning
Både MIG (GMA-Gas Metal Arc Welding) og TIG er inert gas-skærmsvejsning. Forskellen er, at TIG-svejsning bruger wolframelektroder som faste elektroder, mens MIG-svejsning bruger selve det fyldte trådmateriale som elektroder.
I den metalinerte gasafskærmede svejseproces af aluminiumslegering virker spændingen og strømmen på enden af elektroden af svejsetråden, og der genereres et øjeblikkeligt højt tryk mellem elektroden og basismetallet, som smelter basismetallet og rille, og dråben for enden af tråden falder af og går lodret over til grundmetallet. På materialets smeltede pool dannes en svejsezone.
Imidlertid er påføringsprocessen for MIG-svejsning af aluminiumslegering relativt begrænset, fordi blødheden af aluminiumstråden fører til dårlig trådfremføringsevne, og det smeltede aluminium er tilbøjeligt til at danne et fænomen med at "hænge, men ikke dryppe" under svejsning, hvilket er nemt for at få dråber til at sprøjte. Fordelen er, at MIG-svejsning er hurtigere end TIG-svejsning, og svejsebevægelsesområdet er lille ved svejsning af store emner. Ved at justere trådfremføringshastigheden kan svejseeffektiviteten nå op på flere meter i minuttet.
lasersvejsning
Laserstrålesvejsning (Laser Beam Welding LBW) bruger højenergi-laserimpulser til lokalt at opvarme materialet i et lille område. Laserstrålingens energi diffunderer til indersiden af materialet gennem varmeledning, og materialet smeltes til en bestemt smeltet pool. Efter størkning forbindes materialet til One.
Fordelen ved lasersvejsning er, at svejsevirkningspunktet er lille, højeffektvarmekilden er koncentreret, den er i stand til at svejse tykke plader, den varmepåvirkede zone er smal, og svejsedeformationen er lille. Men samtidig stiller lasersvejsning høje krav til svejsepositionering, dyrt svejseudstyr og høje svejseomkostninger. For metalmaterialer som aluminium og magnesium er laserreflektiviteten høj, og direkte svejsning er vanskelig.
Bestråling af materialer med lasere med forskellige effekttætheder viser, at når effekttætheden på emnet når mere end 107W/cm2, vil metallet i varmezonen forgasses på meget kort tid, og gassen vil konvergere til et lille hul i smeltet pool og danner et Det lille hul er centrum for varmeoverførsel, og en smeltet pool dannes nær det lille hul, som er "nøglehuls"-effekten af laser dyb penetration svejsning. For at undgå ujævnheder i den smeltede pool forårsaget af dette fænomen, er det muligt at reducere laserenergien, øge svejsehastigheden eller kontrollere omsmeltningen af nugget-området for at fjerne boblerne i fusionszonen og reducere dannelsen af porer .
friktionsrørsvejsning
Friction stir Welding (Friction stir Welding, FSW) er en ny type fastfaseforbindelsesteknologi baseret på traditionel friktionssvejseteknologi. Ved grænsefladen, der skal svejses, når omrørerhovedet bevæger sig frem langs svejsesømmen, stiger temperaturen af svejsematerialet, og det plastificerede metal undergår kraftig plastisk deformation under påvirkning af mekanisk omrøring og forstyrrelse og danner en tæt fastfaseforbindelse efter diffusion og omkrystallisation.
Sammenlignet med traditionelle svejsemetoder har FSW-teknologien følgende fordele:
Lav svejsetemperatur og lille svejsedeformation;
Gode mekaniske egenskaber af svejsningen;
Svejseprocessen er enkel, økonomisk og miljøvenlig.
Hovedproblemerne og forskningsfokus
Med anvendelsen af aluminiumslegeringer i flere og flere industrier har problemet med dens reparationsforbindelse også tiltrukket sig opmærksomhed fra flere og flere forskere. Gennem forskellige svejseforsøg på aluminiumslegeringer viser det sig, at modenheden af reparationsteknologien endnu ikke har opfyldt industriens udviklingsbehov, og der er stadig forskellige problemer i det.
Gaswolframbuesvejsning og metal-inert gas-skærmsvejsning er de to mest udbredte svejsemetoder på nuværende tidspunkt, men disse to teknologier har en bred varmepåvirket zone, og svejsemetallet skal smeltes og derefter størkne, hvilket har indflydelse på Strukturen. Større, og restspændingen er høj, hvilket resulterer i en alvorlig indvirkning på leddets mekaniske egenskaber. Lasersvejsningens energistråletæthed er høj, og svejsningens dybde-til-bredde-forhold er stort, men det er meget nemt at danne porer, og dets dyre omkostninger begrænser også populariseringen af applikationer. Friction stir-svejsning giver en løsning på varmeproblemet, men friction stir-svejsning kræver relativt stort omrøringstryk og fremadgående drivkraft, og udstyret er generelt kompliceret og omfangsrigt, hvilket begrænser dets udvikling.
Fokus for fremtidig forskning om relaterede emner bør være på følgende aspekter:
Start fra basis af fusionssvejsning, juster svejsetrådsformlen, tilføj sjældne jordarters elementer eller vælg en passende mængde svejseaktivator for at kontrollere svejsedeformationen, reducere stress og reducere dannelsen af porer.
På grund af udvidelsen af omfanget og anvendelsen af legeringer bruges de sædvanligvis sammen med forskellige materialer, så det er nødvendigt at udføre lapsvejseeksperimenter mellem forskellige metaller for at opnå højkvalitetsforbindelser.
Foretag forskning i svejsbarheden af komposit varmekilder, såsom TIG-laser hybrid svejsning, laser composite friction stir welding, for at opnå den optimale svejseydelse.
