Jako konstrukční kovový materiál, který se v posledních letech rychle rozvíjí, je hliníková slitina široce používána v letectví, automobilech, lodích a dalších oblastech díky své nízké hustotě, vysoké specifické pevnosti a specifické tuhosti a dobré odolnosti proti korozi. .
Avšak řada problémů, jako je špatná svařitelnost a špatný výkon tvarovací vrstvy při svařování, omezuje vývoj konstrukčních dílů z hliníkové slitiny. Technologie svařování hliníkových slitin se proto stala jedním z hlavních směrů výzkumu mnoha vědců doma i v zahraničí.
Přehled vlastností hliníkových slitin
Hliník je velmi lehký kovový materiál s hustotou pouhých 2,7 g/cm3, což je asi 36 procent hustoty oceli. Hliníková slitina se používá k výrobě mechanických dílů, které mohou výrazně snížit hmotnost a dosáhnout efektů nízké hmotnosti, úspory energie a snížení emisí.
Specifická pevnost a specifická tuhost hliníkové slitiny jsou vyšší než u oceli 45 a plastu ABS. Použití materiálů z hliníkové slitiny přispívá k výrobě integrálních součástí s vysokými požadavky na tuhost.
Hliníková slitina má vynikající tepelnou vodivost, elektrickou vodivost a odolnost proti korozi. Výkonové parametry hliníkové slitiny A380 a dalších materiálů jsou uvedeny v tabulce 1.
Hliníková slitina má dobrou obrobitelnost a recyklovatelnost. Pokud se předpokládá, že koeficient řezného odporu nejsnáze řezatelné hořčíkové slitiny je 1, řezný odpor ostatních kovů je uveden v tabulce 2. Je vidět, že řezný odpor slitiny hliníku je menší než řezný odpor mědi, železa a dalších materiálů a proces řezání je relativně snadný.
Vlastnosti svařování hliníkových slitin
Vlivem fyzikálních a chemických vlastností hliníkových slitin existují určité potíže při procesu svařování. Současné svařování hliníkových slitin má především následující problémy: tepelné namáhání, ablační odpařování, pevné vměstky, kolaps pórů atd.:
Tepelný stres
Slitiny hliníku mají vyšší koeficient tepelné roztažnosti a menší modul pružnosti. Během procesu svařování je v důsledku velké deformace a velkého koeficientu lineární roztažnosti hliníkové slitiny míra objemového smrštění během tuhnutí asi 6 procent a rychlost ochlazování a rychlost primární krystalizace roztavené lázně jsou rychlé, což má za následek vnitřní pnutí svaru a tuhost svarového spoje. Větší je snadné způsobit větší vnitřní napětí ve spoji z hliníkové slitiny, což způsobí větší namáhání při svařování a deformaci, tvořící defekty, jako jsou praskliny a vlnová deformace.
Ablační odpařování
Hliník má bod tání 660 stupňů a bod varu 2647 stupňů, což je nižší hodnota než u jiných kovových prvků, jako je měď a železo. Během procesu svařování, pokud je teplota svařování příliš vysoká, je snadné způsobit explozi a tvorbu rozstřiku, zejména při svařování vysokoenergetickým paprskem, jak je znázorněno na obrázku 1. Navíc některé legující prvky přidané do hliníkové slitiny mají nízký bod varu, který se velmi snadno odpaří a spálí při okamžité vysoké teplotě svařování a rozstřik vzniklý výbuchem odnese i část kapiček kapaliny, což nevyhnutelně změní plochu svaru. Chemické složení není příznivé pro regulaci výkonu svarového spoje. Za účelem kompenzace vysokoteplotní ablace se proto při svařování často používá svařovací drát nebo jiné svařovací materiály s vyšším bodem varu než základní kov.
solidní zařazení
Chemické vlastnosti hliníku jsou velmi aktivní a snadno oxidují. Během procesu svařování je povrch hliníkové slitiny oxidován za vzniku Al2O3 s vysokým bodem tání (asi 2050 stupňů C, zatímco bod tání hliníku je 660 stupňů C, což je velmi rozdílné). Oxidy jsou husté a mají vysokou tvrdost a jsou smíchány v roztavené slitinové kapalině s nízkou hustotou v oblasti roztavené lázně, která snadno tvoří jemnou pevnou strusku a je obtížné ji vypouštět, což nejen ovlivňuje strukturu svaru, ale také snadno produkuje elektrochemickou korozi, která způsobí Mechanické vlastnosti svarových spojů se snižují a Al2O3 překrývá tavnou lázeň a drážku, což vážně ovlivňuje svařování slitin a snižuje mikrostrukturu a vlastnosti svarových spojů.
Stomatální kolaps
Teplota tání hliníkové slitiny je mnohem nižší než u jeho oxidu a jeho povaha je živá a snadno oxidovatelná. Během procesu svařování tvoří hliníková slitina roztavenou lázeň v důsledku vysokoteplotního tavení. Hliník na povrchu roztavené lázně je oxidován za vzniku oxidového filmu, který pokrývá roztavenou lázeň v pevném stavu. Vzhledem k tomu, že barva oxidového filmu po roztavení se příliš neliší od barvy roztavené hliníkové slitiny, a kvůli pokrytí oxidového filmu je obtížné pozorovat stupeň roztavení roztavené hliníkové slitiny během procesu svařování. , takže je snadné způsobit příliš vysokou teplotu, což způsobí vliv svařovacího tepla Velká část oblasti se zhroutí a zničí tvar a vlastnosti svarového kovu.
Působením okamžitého vysokého výkonu zdroje svařovacího tepla se v kapalině slitiny rozpustí velké množství plynného vodíku. Po ukončení svařování, jak teplota tavné lázně klesá, rozpustnost plynu se také postupně snižuje, což se stává hlavní příčinou pórů ve svařovacím procesu. důvod. Protože je rychlost tuhnutí hliníkové slitiny příliš vysoká a hustota nízká, vznikají při rychlém tuhnutí svaru různě velké vodíkové póry. Tyto póry se budou během procesu svařování dále hromadit a rozšiřovat, nakonec vytvoří viditelné velké póry a sníží strukturální vlastnosti spoje. Póry se samozřejmě nevytvářejí nutně během procesu svařování. Vlivem technologie procesu odlévání bude při procesu odlévání vytvářet póry i samotný základní kov. Při svařování se neustále mění vnesené teplo a vnitřní tlak, což způsobuje, že se původní póry v základním kovu roztahují nebo se vzájemně spojují a vytvářejí svarové póry. S rostoucím tepelným příkonem svařování se zvětší i póry. Proto, aby bylo možné ovládat zdroj vodíku, musí být svařovací materiál před použitím přísně vysušen. Během svařování se proud přiměřeně zvyšuje, aby se prodloužila doba existence roztavené lázně a poskytl dostatek času na vysrážení vodíku, čímž se kontroluje tvorba pórů.
obrázek
Obr.2 Vznik a konvergence průduchů
Klasifikace technologie svařování hliníkových slitin
S rozšiřováním aplikačního rozsahu hliníkových slitin se zvýrazňuje stále více problémů. S pokrokem výzkumu byla technologie svařování hliníkové slitiny značně vyvinuta. V současné době se jedná především o svařování wolframem a argonem (TIG), svařování roztaveným inertním plynem (MIG), laserové svařování (LBW), třecí promíchávání (FSW) wait.
Obloukové svařování plynovým wolframem
Tungsten Inert Gas Welding (TIG) je typické svařování v ochranné atmosféře inertního plynu a je nejběžněji používanou metodou svařování. Při svařování se jako elektrody používá wolframová elektroda a svařovací povrch a mezi oběma elektrodami prochází helium nebo argon jako ochranný plyn k ochraně oblouku a drát a základní kov se taví okamžitým vysokonapěťovým výbojem, a díly z hliníkové slitiny jsou svařovány a tvarovány a Svařování a opravy vad odlitků.
Má především následující technické vlastnosti:
Snadné ovládání, flexibilní a ovladatelné, přizpůsobitelné různým pracovním podmínkám a prostředí a nízké náklady;
Tepelně ovlivněná zóna je úzká a deformace svarového spoje je za podmínek dostatečného podávání drátu malá a komplexní výkon spoje je vysoký;
Výkon svařovacího procesu je dobrý a stabilní a svarový šev je hustý a krásný.
MIG svařování
Jak MIG (GMA-Gas Metal Arc Welding), tak TIG jsou svařování v ochranné atmosféře inertního plynu. Rozdíl je v tom, že svařování TIG používá wolframové elektrody jako pevné elektrody, zatímco svařování MIG používá jako elektrody samotný plněný drátěný materiál.
Při procesu svařování hliníkové slitiny v ochranném prostředí kovového inertního plynu působí napětí a proud na konec elektrody svařovacího drátu a mezi elektrodou a základním kovem se okamžitě vytvoří vysoký tlak, který roztaví základní kov a žlábku a kapka na konci drátu odpadne a přechází svisle na základní kov. Na roztavené lázni materiálu se vytvoří svarová zóna.
Proces aplikace svařování MIG z hliníkové slitiny je však relativně omezený, protože měkkost hliníkového drátu vede ke špatnému podávání drátu a roztavený hliník je náchylný k vytvoření jevu „visení, ale nekapání“ během svařování, což je snadné. způsobit rozstřikování kapiček. Výhodou je, že svařování MIG je rychlejší než svařování TIG a při svařování velkých obrobků je rozsah svařovacího pohybu malý. Úpravou rychlosti podávání drátu může účinnost svařování dosáhnout několika metrů za minutu.
laserové svařování
Svařování laserovým paprskem (Laser Beam Welding LBW) využívá vysokoenergetické laserové pulsy k místnímu ohřevu materiálu na malé ploše. Energie laserového záření difunduje do vnitřku materiálu vedením tepla a materiál se roztaví a vytvoří specifickou roztavenou lázeň. Po ztuhnutí se materiál spojí do Jednoho.
Výhodou laserového svařování je, že svařovací akční bod je malý, vysoce výkonný zdroj tepla je koncentrovaný, je schopen svařovat tlusté plechy, tepelně ovlivněná zóna je úzká a deformace svařování je malá. Ale současně má laserové svařování vysoké požadavky na umístění svařování, drahé svařovací zařízení a vysoké náklady na svařování. U kovových materiálů, jako je hliník a hořčík, je odrazivost laseru vysoká a přímé svařování je obtížné.
Ozařování materiálů lasery s různou hustotou výkonu ukazuje, že když hustota výkonu na obrobku dosáhne více než 107 W/cm2, kov v topné zóně se ve velmi krátké době zplyní a plyn se bude sbíhat do malého otvoru v roztavená lázeň a tvoří Malý otvor je středem pro přenos tepla a v blízkosti malého otvoru se tvoří roztavená lázeň, což je efekt "klíčové dírky" laserového svařování hlubokou penetrací. Aby se zabránilo nerovnostem roztavené lázně způsobené tímto jevem, je možné snížit energii laseru, zvýšit rychlost svařování nebo řídit přetavení oblasti nugetu, aby se odstranily bubliny v zóně fúze a snížilo se vytváření pórů. .
svařování třením
Friction stir svařování (Friction stir Welding, FSW) je nový typ technologie spojování v pevné fázi založený na tradiční technologii třecího svařování. Na rozhraní, které se má svařovat, když míchací hlava postupuje podél svarového švu, teplota svařovaného materiálu stoupá a měkčený kov podléhá silné plastické deformaci působením mechanického míchání a pěchování a vytváří husté spojení pevné fáze. po difúzi a rekrystalizaci.
Ve srovnání s tradičními metodami svařování má technologie FSW následující výhody:
Nízká svařovací teplota a malá deformace svařování;
Dobré mechanické vlastnosti svaru;
Proces svařování je jednoduchý, ekonomický a ekologický.
Hlavní problémy a zaměření výzkumu
S aplikací hliníkových slitin ve stále více průmyslových odvětvích přitahuje pozornost stále více vědců také problém jeho opravárenského spojení. Různými svařovacími zkouškami na hliníkových slitinách se zjišťuje, že vyspělost technologie oprav ještě neodpovídá vývojovým potřebám průmyslu a stále se v ní vyskytují různé problémy.
Obloukové svařování plynovým wolframem a svařování kovu v ochranné atmosféře inertního plynu jsou v současnosti dvě nejpoužívanější metody svařování, ale tyto dvě technologie mají širokou tepelně ovlivněnou zónu a svarový kov je třeba roztavit a poté ztuhnout, což má vliv na struktura. Větší a zbytkové napětí je vysoké, což má za následek vážný dopad na mechanické vlastnosti spoje. Hustota energetického paprsku laserového svařování je vysoká a poměr hloubky k šířce svaru je velký, ale je velmi snadné vytvořit póry a jeho drahé náklady také omezují popularizaci aplikací. Třecí svařování promícháváním poskytuje řešení problému tepla, ale svařování třením s mícháním vyžaduje relativně velký pěchovací tlak a dopřednou hnací sílu a zařízení je obecně komplikované a objemné, což omezuje jeho vývoj.
Budoucí výzkum souvisejících témat by se měl zaměřit na následující aspekty:
Počínaje základem tavného svařování upravte vzorec svařovacího drátu, přidejte prvky vzácných zemin nebo vyberte vhodné množství svařovacího aktivátoru pro kontrolu deformace svařování, snížení napětí a snížení tvorby pórů.
Vzhledem k rozšíření rozsahu a použití slitin se obvykle používají ve spojení s odlišnými materiály, takže je nutné provádět experimenty přeplátovaného svařování mezi odlišnými kovy pro získání vysoce kvalitních spojů.
Proveďte výzkum svařitelnosti kompozitních zdrojů tepla, jako je TIG-laserové hybridní svařování, laserové kompozitní třecí svařování promícháním, za účelem získání optimálního svarového výkonu.
