Kot inženirski kovinski material, ki se je v zadnjih letih hitro povečal, se aluminijeva zlitina pogosto uporablja 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 učinkovitost oblikovalne plasti pri varjenju, omejuje razvoj konstrukcijskih delov iz aluminijevih zlitin. Zato je tehnologija varjenja aluminijevih zlitin postala ena glavnih raziskovalnih usmeritev številnih znanstvenikov doma in v tujini.
Pregled delovanja aluminijeve zlitine
Aluminij je zelo lahek kovinski material z gostoto le 2,7 g/cm3, kar je približno 36 odstotkov gostote jekla. Aluminijeve zlitine se uporabljajo za izdelavo mehanskih delov, ki lahko znatno zmanjšajo težo in dosežejo učinke majhne teže, varčevanja z energijo in zmanjšanja 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 najlaže rezati, 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 relativno enostaven.
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 manjši modul elastičnosti. Med postopkom varjenja je zaradi velike deformacije in velikega linearnega koeficienta raztezanja aluminijeve zlitine prostorninska stopnja krčenja med strjevanjem približno 6 odstotkov, hitrost ohlajanja in primarna kristalizacijska stopnja staljenega bazena pa sta hitri, kar povzroči notranja napetost zvara in togost zvara. Če je večji, je enostavno povzročiti večjo notranjo napetost v spoju iz aluminijeve zlitine, kar povzroči večjo varilno napetost in deformacijo, ki tvori napake, kot so razpoke in valovita deformacija.
Ablacijska evaporacija
Aluminij ima tališče 660 stopinj in vrelišče 2647 stopinj, kar je nižje od drugih kovinskih elementov, kot sta baker in železo. Če je med postopkom varjenja temperatura varjenja previsoka, je lahko povzročiti eksplozijo in nastanek brizganja, zlasti pri varjenju z visokoenergijskim žarkom, kot je prikazano na sliki 1. Poleg tega nekateri legirni elementi, dodani aluminijevi zlitini imajo nizko vrelišče, ki zelo enostavno izhlapi in sežge pri trenutni visoki temperaturi varjenja, brizganje, ki nastane ob eksploziji, pa bo odneslo tudi del kapljic tekočine, kar neizogibno spremeni območje zvara. Kemična sestava ne prispeva k uravnavanju učinkovitosti zvarjenega spoja. Zato se za kompenzacijo visokotemperaturne ablacije med varjenjem pogosto uporablja varilna žica ali drugi varilni materiali z višjo vsebnostjo elementov vrelišča kot osnovna kovina.
trdna vključitev
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 C, medtem ko je tališče aluminija 660 stopinj C, kar je zelo različno). Oksidi so gosti in imajo visoko trdoto ter so vmešani v staljeno zlitinsko tekočino z nizko gostoto v območju staljenega bazena, ki zlahka tvori fino trdno žlindro in jo je težko izprazniti, kar ne vpliva samo na strukturo zvara, ampak tudi ampak tudi zlahka povzroči elektrokemično korozijo, ki povzroči, da se mehanske lastnosti zvarnih spojev zmanjšajo, Al2O3 pa prekrije staljeno bazen in utor, kar resno vpliva na varjenje zlitin in zmanjša mikrostrukturo in lastnosti zvarnih spojev.
Stomatalni kolaps
Tališče aluminijeve zlitine je veliko nižje od njegovega oksida, njegova narava pa je živahna in enostavna za oksidacijo. Med postopkom varjenja aluminijeva zlitina zaradi visokotemperaturnega taljenja tvori staljeno bazo. Aluminij na površini bazena staline se oksidira, da nastane oksidni film, ki prekriva bazen staline v trdnem stanju. Ker se barva oksidnega filma po taljenju ne razlikuje veliko od barve staljene aluminijeve zlitine in zaradi pokritosti oksidnega filma je težko opazovati stopnjo taljenja bazena staljene aluminijeve zlitine med postopkom varjenja. , zato je enostavno povzročiti previsoko temperaturo, kar povzroči vpliv varilne toplote. Večji del območja se sesede, kar uniči obliko in lastnosti kovine zvara.
Pod delovanjem trenutne visoke moči vira varilne toplote se v tekočini zlitine raztopi velika količina vodikovega plina. Po končanem varjenju se z zniževanjem temperature bazena staline postopoma zmanjšuje tudi topnost plina, kar postane glavni vzrok za nastanek por v procesu varjenja. razlog. Ker je hitrost strjevanja aluminijeve zlitine prehitra in je gostota nizka, 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 velike pore in zmanjšale strukturne lastnosti spoja. Seveda ni nujno, da pore nastanejo med varjenjem. Zaradi vpliva tehnologije postopka litja bo tudi osnovna kovina med postopkom litja proizvedla pore. Med varjenjem se dovod toplote in notranji tlak nenehno spreminjata, kar povzroči, da se prvotne pore v osnovni kovini razširijo ali združijo med seboj in tvorijo pore zvara. Ko se vnos toplote pri varjenju poveča, se povečajo tudi pore. Zato je treba za nadzor vira vodika varilni material pred uporabo strogo posušiti. Med varjenjem se tok ustrezno poveča, da se podaljša čas obstoja bazena staline in omogoči dovolj časa, da se vodik izloči, s čimer se nadzoruje nastajanje por.
slika
Sl.2 Nastanek in konvergenca stomatov
Razvrstitev tehnologije varjenja aluminijevih zlitin
S širjenjem področja uporabe aluminijevih zlitin se izpostavlja vedno več problemov. Z napredkom raziskav se je tehnologija varjenja aluminijevih zlitin močno razvila. Trenutno obstaja predvsem varjenje z volframovim argonom (TIG), varjenje v staljenem inertnem plinu (MIG), lasersko varjenje (LBW), varjenje s trenjem in mešanjem (FSW).
Plinsko obločno varjenje z volframom
Varjenje z volframovim inertnim plinom (TIG) je tipično varjenje v inertnem plinu in je najpogosteje uporabljena metoda varjenja. Pri varjenju 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, in deli iz aluminijeve zlitine so varjeni in oblikovani ter varjenje in popravilo napak pri litju.
Ima predvsem naslednje tehnične lastnosti:
Enostaven za upravljanje, prilagodljiv in nadzorovan, prilagodljiv različnim delovnim pogojem in okoljem ter nizek strošek;
Toplotno prizadeto območje je ozko in deformacija zvarjenega spoja je majhna pod pogojem zadostnega podajanja žice, celovita zmogljivost spoja pa je visoka;
Zmogljivost varilnega postopka je dobra in stabilna, zvarni šiv pa gost in lep.
MIG varjenje
Tako MIG (GMA-plinsko obločno varjenje) kot TIG sta varjenja v zaščiti inertnega plina. Razlika je v tem, da se pri TIG varjenju uporabljajo volframove elektrode kot fiksne elektrode, pri MIG varjenju pa se kot elektroda uporablja sam polnjen žični material.
V postopku varjenja aluminijeve zlitine z zaščito pred inertnim plinom napetost in tok delujeta na koncu elektrode varilne žice, med elektrodo in osnovno kovino pa nastane trenutni visok tlak, ki tali osnovno kovino in utor, kapljica na koncu žice pa odpade in preide navpično na osnovno kovino. Na staljenem bazenu materiala se oblikuje območje zvara.
Vendar pa je postopek nanašanja aluminijeve zlitine MIG varjenja sorazmerno omejen, ker mehkoba aluminijaste žice vodi do slabe podajalne sposobnosti žice, staljeni aluminij pa je nagnjen k pojavu "visenja, a ne kapljanja" med varjenjem, kar je enostavno povzroči brizganje kapljic. Prednost je v tem, da je MIG varjenje hitrejše od TIG varjenja, pri varjenju velikih obdelovancev pa je območje varilnega gibanja majhno. S prilagoditvijo hitrosti podajanja žice lahko učinkovitost varjenja doseže več 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 specifičen staljeni bazen. Po strjevanju se material poveže v Eno.
Prednost laserskega varjenja je, da je varilna delovna točka majhna, močan vir toplote je koncentriran, zmožen je variti debele plošče, območje toplotnega vpliva je ozko in varilna deformacija je majhna. Toda hkrati 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 uplinjena, plin pa se bo stekel v majhno luknjo v bazen staline in oblikuje Majhna luknja je središče za prenos toplote, bazen staline pa nastane v bližini majhne luknje, kar je učinek "ključavnice" laserskega varjenja z globokim prebojem. Da bi se izognili neenakomernosti bazena staline, ki jih povzroča ta pojav, je mogoče zmanjšati lasersko energijo, povečati hitrost varjenja ali nadzorovati ponovno taljenje območja zrnca, da se odstranijo mehurčki v območju fuzije in zmanjša nastajanje por .
varjenje s trenjem in mešanjem
Varjenje s trenjem in mešanjem (Friction stir Welding, FSW) je nova vrsta tehnologije spajanja trdne faze, ki temelji na tradicionalni tehnologiji tornega varjenja. Na vmesniku, ki ga je treba variti, ko se mešalna glava premika vzdolž zvara, se temperatura varilnega materiala dvigne in plastificirana kovina je podvržena močni plastični deformaciji pod vplivom mehanskega mešanja in stiskanja ter tvori gosto trdno fazno povezavo po difuziji in rekristalizaciji.
V primerjavi s tradicionalnimi metodami varjenja ima tehnologija FSW naslednje prednosti:
Nizka temperatura varjenja in majhna varilna deformacija;
Dobre mehanske lastnosti zvara;
Postopek varjenja je enostaven, ekonomičen in okolju prijazen.
Glavni problemi in težišče raziskav
Z uporabo aluminijevih zlitin v vedno več industrijah je tudi problem njihove popravne povezave pritegnil pozornost vse več znanstvenikov. Z različnimi testi varjenja aluminijevih zlitin je bilo ugotovljeno, da zrelost tehnologije popravljanja še ni zadostila razvojnim potrebam industrije in v njej še vedno obstajajo različni problemi.
Plinsko obločno varjenje z volframom in varjenje kovine v inertnem plinu sta trenutno najpogosteje uporabljeni metodi varjenja, vendar imata ti dve tehnologiji široko območje toplotnega vpliva, zato je treba zvar stopiti in nato strditi, kar vpliva na strukturo. Večja je in preostala napetost je visoka, kar povzroči resen vpliv na mehanske lastnosti spoja. Gostota energijskega žarka laserskega varjenja je visoka, razmerje med globino in širino zvara je veliko, vendar je zelo enostavno oblikovati pore, njegova draga cena pa omejuje tudi popularizacijo aplikacij. Varjenje s trenjem in mešanjem nudi rešitev za problem toplote, vendar varjenje s trenjem in mešanjem zahteva razmeroma velik pritisk in pogonsko silo, oprema pa je na splošno zapletena in obsežna, kar omejuje njegov razvoj.
Prihodnje raziskave sorodnih tem bi se morale osredotočiti na naslednje vidike:
Začenši z osnovo talilnega varjenja, prilagodite formulo varilne žice, dodajte redke zemeljske elemente ali izberite primerno količino varilnega aktivatorja za nadzor varilne deformacije, zmanjšanje napetosti in zmanjšanje nastajanja por.
Zaradi širjenja obsega in uporabe zlitin se le-te običajno uporabljajo v povezavi z raznovrstnimi materiali, zato je za pridobitev kakovostnih spojev potrebno izvajati poskuse prekrivnega varjenja med raznovrstnimi kovinami.
Izvedite raziskave o varljivosti kompozitnih virov toplote, kot je TIG-lasersko hibridno varjenje, lasersko kompozitno varjenje s trenjem in mešanjem, da bi dosegli optimalno učinkovitost zvara.
