Som ett tekniskt metallmaterial som har stigit snabbt under de senaste åren har aluminiumlegering använts i stor utsträckning inom flyg, bilar, fartyg och andra områden på grund av dess låga densitet, höga specifik hållfasthet och specifik styvhet och goda korrosionsbeständighet. .
Emellertid begränsar en rad problem såsom dålig svetsbarhet och dålig prestanda hos det formande skiktet vid svetsning utvecklingen av konstruktionsdelar av aluminiumlegering. Därför har aluminiumlegeringssvetsteknik blivit en av de viktigaste forskningsriktningarna för många forskare hemma och utomlands.
Översikt över prestanda i aluminiumlegering
Aluminium är ett mycket lätt metallmaterial med en densitet på endast 2,7g/cm3, vilket är cirka 36 procent av stålets densitet. Aluminiumlegering används för att tillverka mekaniska delar, som avsevärt kan minska vikten och uppnå effekterna av låg vikt, energibesparing och utsläppsminskning.
Den specifika styrkan och den specifika styvheten hos aluminiumlegering är högre än 45 stål och ABS-plast. Användningen av aluminiumlegeringsmaterial bidrar till tillverkningen av integrerade komponenter med höga krav på styvhet.
Aluminiumlegering har utmärkt värmeledningsförmåga, elektrisk ledningsförmåga och korrosionsbeständighet. Prestandaparametrarna för A380 aluminiumlegering och andra material visas i tabell 1.
Aluminiumlegering har god bearbetbarhet och återvinningsbarhet. Om det antas att skärmotståndskoefficienten för den lättstyckade magnesiumlegeringen är 1, visas skärmotståndet för andra metaller i tabell 2. Det kan ses att skärmotståndet för aluminiumlegering är mindre än för koppar, järn och andra material, och skärprocessen är relativt enkel.
Svetsegenskaper i aluminiumlegering
Påverkad av de fysikaliska och kemiska egenskaperna hos aluminiumlegeringar finns det vissa svårigheter i svetsprocessen. Den nuvarande aluminiumlegeringssvetsningen har huvudsakligen följande problem: termisk stress, ablationsavdunstning, fasta inneslutningar, porkollaps etc.:
Termisk stress
Aluminiumlegeringar har en högre termisk expansionskoefficient och en mindre elasticitetsmodul. Under svetsprocessen, på grund av aluminiumlegeringens stora deformation och stora linjära expansionskoefficient, är volymkrympningshastigheten under stelning cirka 6 procent, och kylningshastigheten och den primära kristallisationshastigheten för den smälta poolen är snabba, vilket resulterar i svetsens inre spänning och svetsfogens styvhet. Större är det lätt att orsaka större inre spänningar i aluminiumlegeringsfogen, vilket orsakar större svetsspänning och deformation, vilket bildar defekter som sprickor och vågdeformation.
Ablationsavdunstning
Aluminium har en smältpunkt på 660 grader och en kokpunkt på 2647 grader, vilket är lägre än andra metallelement som koppar och järn. Under svetsprocessen, om svetstemperaturen är för hög, är det lätt att orsaka explosion och bilda stänk, särskilt vid högenergistrålesvetsning, som visas i figur 1. Dessutom tillsätts några av legeringselementen till aluminiumlegeringen har en låg kokpunkt, vilket är mycket lätt att avdunsta och bränna vid den momentana höga svetstemperaturen, och stänket som genereras av explosionen kommer också att ta bort en del av vätskedropparna, vilket oundvikligen förändrar svetsområdet. Den kemiska sammansättningen bidrar inte till prestandaregleringen av svetsfogen. För att kompensera för högtemperaturablation används därför ofta svetstråd eller andra svetsmaterial med högre kokpunktselementinnehåll än basmetallen vid svetsning.
fast inkludering
De kemiska egenskaperna hos aluminium är mycket aktiva och oxideras lätt. Under svetsprocessen oxideras aluminiumlegeringens yta för att bilda Al2O3 med en hög smältpunkt (ca 2050 grader C, medan smältpunkten för aluminium är 660 grader C, vilket är mycket annorlunda). Oxiderna är täta och har hög hårdhet och blandas i den smälta legeringsvätskan med låg densitet i det smälta poolområdet, vilket är lätt att bilda fin fast slagg och är svår att släppa ut, vilket inte bara påverkar svetsens struktur, men producerar också lätt elektrokemisk korrosion, vilket kommer att orsaka De mekaniska egenskaperna hos svetsfogar minskar, och Al2O3 täcker den smälta poolen och spåret, vilket allvarligt påverkar svetsningen av legeringar och minskar mikrostrukturen och egenskaperna hos svetsfogar.
Stomatal kollaps
Smältpunkten för aluminiumlegering är mycket lägre än dess oxid, och dess natur är livlig och lätt att oxidera. Under svetsprocessen bildar aluminiumlegeringen en smält pool på grund av hög temperatursmältning. Aluminiumet på ytan av den smälta poolen oxideras för att bilda en oxidfilm, som täcker den smälta poolen i fast tillstånd. Eftersom färgen på oxidfilmen efter smältning inte skiljer sig mycket från den hos den smälta aluminiumlegeringen, och på grund av täckningen av oxidfilmen, är det svårt att observera graden av smältning av den smälta aluminiumlegeringen under svetsprocessen , så det är lätt att få temperaturen att bli för hög, vilket orsakar svetsvärmepåverkan. Huvuddelen av området kollapsar och förstör formen och egenskaperna hos svetsmetallen.
Under inverkan av svetsvärmekällans momentana höga effekt löses en stor mängd vätgas i legeringsvätskan. Efter att svetsningen är klar, när temperaturen i den smälta poolen minskar, minskar också gasens löslighet gradvis, vilket blir den främsta orsaken till porer i svetsprocessen. anledning. Eftersom stelningshastigheten för aluminiumlegeringen är för snabb och densiteten är låg, bildas väteporer av olika storlekar under den snabba stelningen av svetsen. Dessa porer kommer att fortsätta att ackumuleras och expandera under svetsprocessen, vilket så småningom bildar synliga stora porer och minskar fogens strukturella egenskaper. Naturligtvis bildas inte porerna nödvändigtvis under svetsprocessen. På grund av inverkan av gjutprocesstekniken kommer själva basmetallen också att producera porer under gjutningsprocessen. Under svetsning förändras värmetillförseln och det inre trycket ständigt, vilket gör att de ursprungliga porerna i basmetallen expanderar eller kombineras med varandra för att bilda svetsporer. När svetsvärmetillförseln ökar kommer porerna också att öka. Därför, för att kontrollera vätekällan, måste svetsmaterialet torkas strikt före användning. Under svetsning ökas strömmen på lämpligt sätt för att förlänga existenstiden för den smälta poolen och ge tillräckligt med tid för väte att fällas ut, och därigenom kontrollera bildandet av porer.
bild
Fig.2 Bildande och konvergens av stomata
Klassificering av aluminiumlegeringssvetsteknik
Med utvidgningen av applikationsområdet för aluminiumlegeringar belyses fler och fler problem. Med forskningens framsteg har svetstekniken för aluminiumlegering utvecklats kraftigt. För närvarande finns det främst volframargonbågsvetsning (TIG), smält inertgassvetsning (MIG), lasersvetsning (LBW), friction stir welding (FSW) vänta.
Gasvolframbågsvetsning
Tungsten Inert Gas Welding (TIG) är en typisk inert gasskyddad svetsning och är den vanligaste svetsmetoden. Vid svetsning används volframelektroden och svetsytan som elektroder, och helium- eller argongas passerar mellan de två elektroderna som en skyddsgas för att skydda ljusbågen, och tråden och basmetallen smälts av momentan högspänningsurladdning, och aluminiumlegeringsdelarna svetsas och formas, samt Svetsning och reparation av gjutdefekter.
Den har huvudsakligen följande tekniska egenskaper:
Lätt att använda, flexibel och kontrollerbar, anpassningsbar till olika arbetsförhållanden och miljöer och låg kostnad;
Den värmepåverkade zonen är smal och deformationen av den svetsade fogen är liten under villkoret av tillräcklig trådmatning, och fogens omfattande prestanda är hög;
Svetsprocessens prestanda är bra och stabil, och svetssömmen är tät och vacker.
MIG-svetsning
Både MIG (GMA-Gas Metal Arc Welding) och TIG är inertgasskyddad svetsning. Skillnaden är att TIG-svetsning använder volframelektroder som fasta elektroder, medan MIG-svetsning använder själva fyllda trådmaterialet som elektroder.
I den metallinertgasskyddade svetsprocessen av aluminiumlegering verkar spänningen och strömmen på änden av elektroden på svetstråden, och ett ögonblickligt högt tryck genereras mellan elektroden och basmetallen, vilket smälter basmetallen och basmetallen. spåret, och droppen i änden av tråden faller av och övergår vertikalt till basmetallen. På den smälta poolen av materialet bildas en svetszon.
Appliceringsprocessen för MIG-svetsning av aluminiumlegering är dock relativt begränsad, eftersom mjukheten hos aluminiumtråden leder till dålig trådmatningsförmåga, och det smälta aluminiumet är benäget att bilda ett fenomen av "hängande men inte droppande" under svetsning, vilket är lätt för att få droppar att stänka. Fördelen är att MIG-svetsning är snabbare än TIG-svetsning, och svetsrörelseområdet är litet vid svetsning av stora arbetsstycken. Genom att justera trådmatningshastigheten kan svetseffektiviteten nå flera meter per minut.
lasersvetsning
Laserstrålesvetsning (Laser Beam Welding LBW) använder högenergilaserpulser för att lokalt värma upp materialet på ett litet område. Laserstrålningens energi diffunderar till insidan av materialet genom värmeledning, och materialet smälts för att bilda en specifik smältbassäng. Efter stelning kopplas materialet till ett.
Fördelen med lasersvetsning är att svetsverkanspunkten är liten, högeffektvärmekällan är koncentrerad, den kan svetsa tjocka plåtar, den värmepåverkade zonen är smal och svetsdeformationen är liten. Men samtidigt har lasersvetsning höga krav på svetspositionering, dyr svetsutrustning och höga svetskostnader. För metallmaterial som aluminium och magnesium är laserreflektionsförmågan hög, och direktsvetsning är svår.
Bestrålning av material med lasrar med olika effekttätheter visar att när effekttätheten på arbetsstycket når mer än 107W/cm2 kommer metallen i uppvärmningszonen att förgasas på mycket kort tid och gasen kommer att konvergera till ett litet hål i smält pool och bildar en Det lilla hålet är centrum för värmeöverföring, och en smält pool bildas nära det lilla hålet, vilket är "nyckelhåls"-effekten av lasersvetsning. För att undvika ojämnheten i den smälta poolen som orsakas av detta fenomen är det möjligt att minska laserenergin, öka svetshastigheten eller kontrollera omsmältningen av nuggetområdet för att ta bort bubblorna i smältzonen och minska genereringen av porer .
friktionssvetsning
Friction stir welding (Friction stir Welding, FSW) är en ny typ av fastfasanslutningsteknik baserad på traditionell friktionssvetsteknik. Vid gränssnittet som ska svetsas, när omrörarhuvudet avancerar längs svetssömmen, stiger svetsmaterialets temperatur, och den mjukgjorda metallen genomgår kraftig plastisk deformation under inverkan av mekanisk omrörning och störning och bildar en tät fastfasförbindelse efter diffusion och omkristallisation.
Jämfört med traditionella svetsmetoder har FSW-tekniken följande fördelar:
Låg svetstemperatur och liten svetsdeformation;
Goda mekaniska egenskaper hos svetsen;
Svetsprocessen är enkel, ekonomisk och miljövänlig.
Huvudproblem och forskningsfokus
Med tillämpningen av aluminiumlegeringar i fler och fler industrier har problemet med dess reparationsanslutning också uppmärksammats av fler och fler forskare. Genom olika svetstester på aluminiumlegeringar visar det sig att reparationsteknikens mognad ännu inte har uppfyllt branschens utvecklingsbehov, och det finns fortfarande olika problem i den.
Gasvolframbågsvetsning och metallinertgasskyddad svetsning är de två mest använda svetsmetoderna för närvarande, men dessa två tekniker har en bred värmepåverkad zon och svetsmetallen måste smältas och sedan stelna, vilket har en inverkan på strukturen. Större och restspänningen är hög, vilket resulterar i en allvarlig påverkan på fogens mekaniska egenskaper. Lasersvetsenergistråletätheten är hög, och svetsens djup-till-breddförhållande är stort, men det är mycket lätt att bilda porer, och dess dyra kostnad begränsar också populariseringen av applikationer. Friction stir-svetsning ger en lösning på problemet med värme, men friction stir-svetsning kräver relativt stort omrörningstryck och framåtdrivande kraft, och utrustningen är i allmänhet komplicerad och skrymmande, vilket begränsar dess utveckling.
Fokus för framtida forskning om relaterade ämnen bör ligga på följande aspekter:
Utgå från grunden för smältsvetsning, justera svetstrådsformeln, lägg till sällsynta jordartsmetaller eller välj en lämplig mängd svetsaktivator för att kontrollera svetsdeformationen, minska spänningen och minska bildandet av porer.
På grund av utvidgningen av omfattningen och tillämpningen av legeringar används de vanligtvis i kombination med olika material, så det är nödvändigt att utföra svetsningsexperiment mellan olika metaller för att erhålla högkvalitativa fogar.
Utför forskning om svetsbarheten hos kompositvärmekällor, såsom TIG-laserhybridsvetsning, laserkompositfriktionssvetsning, för att få optimal svetsprestanda.
