Viime vuosina nopeasti noussut teknisenä metallimateriaalina alumiiniseosta on käytetty laajalti ilmailuteollisuudessa, autoissa, laivoissa ja muilla aloilla sen alhaisen tiheyden, korkean ominaislujuuden ja ominaisjäykkyyden sekä hyvän korroosionkestävyyden vuoksi. .
Kuitenkin sarja ongelmia, kuten huono hitsattavuus ja muodostuvan kerroksen huono suorituskyky hitsauksessa, rajoittavat alumiiniseosrakenneosien kehitystä. Siksi alumiiniseoshitsaustekniikasta on tullut yksi monien kotimaisten ja ulkomaisten tutkijoiden tärkeimmistä tutkimussuunnista.
Alumiiniseoksen suorituskyvyn yleiskatsaus
Alumiini on erittäin kevyt metallimateriaali, jonka tiheys on vain 2,7 g/cm3, mikä on noin 36 prosenttia teräksen tiheydestä. Alumiiniseosta valmistetaan mekaanisia osia, jotka voivat merkittävästi vähentää painoa ja saavuttaa kevyen painon, energiansäästön ja päästöjen vähentämisen vaikutukset.
Alumiinilejeeringin ominaislujuus ja ominaisjäykkyys ovat korkeammat kuin 45 terästä ja ABS-muovia. Alumiiniseosmateriaalien käyttö edistää integroitujen komponenttien valmistusta, joilla on korkeat jäykkyysvaatimukset.
Alumiiniseoksella on erinomainen lämmönjohtavuus, sähkönjohtavuus ja korroosionkestävyys. A380-alumiiniseoksen ja muiden materiaalien suorituskykyparametrit on esitetty taulukossa 1.
Alumiiniseoksella on hyvä työstettävyys ja kierrätettävyys. Jos oletetaan, että helpoimmin leikattavan magnesiumseoksen leikkauslujuuskerroin on 1, muiden metallien leikkauslujuus on esitetty taulukossa 2. Voidaan nähdä, että alumiiniseoksen leikkauslujuus on pienempi kuin kuparin, raudan. ja muut materiaalit, ja leikkausprosessi on suhteellisen helppo.
Alumiiniseoksen hitsausominaisuudet
Alumiiniseosten fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet vaikuttavat hitsausprosessiin tiettyjä vaikeuksia. Nykyisellä alumiiniseoshitsauksella on pääasiassa seuraavat ongelmat: lämpöjännitys, ablaatiohaihtuminen, kiintoainesulkeumat, huokosten romahtaminen jne.:
Terminen stressi
Alumiiniseoksilla on suurempi lämpölaajenemiskerroin ja pienempi kimmokerroin. Hitsausprosessin aikana alumiiniseoksen suuren muodonmuutoksen ja suuren lineaarisen laajenemiskertoimen vuoksi tilavuuden kutistumisnopeus jähmettymisen aikana on noin 6 prosenttia, ja sulan altaan jäähdytysnopeus ja primäärikiteytysnopeus ovat nopeita, mikä johtaa hitsin sisäinen jännitys ja hitsausliitoksen jäykkyys. Suuremmalla on helppo aiheuttaa suurempi sisäinen jännitys alumiiniseosliitokseen, mikä aiheuttaa suurempaa hitsausjännitystä ja muodonmuutosta, mikä muodostaa vikoja, kuten halkeamia ja aaltomuodonmuutoksia.
Ablaatiohaihdutus
Alumiinin sulamispiste on 660 astetta ja kiehumispiste 2647 astetta, mikä on alhaisempi kuin muiden metallielementtien, kuten kuparin ja raudan. Hitsausprosessin aikana, jos hitsauslämpötila on liian korkea, on helppo aiheuttaa räjähdystä ja muodostaa roiskeita, erityisesti korkean energian palkkihitsauksessa, kuten kuvassa 1. Lisäksi alumiiniseokseen on lisätty joitakin seosaineita. on alhainen kiehumispiste, joka on erittäin helppo haihtua ja palaa hitsauksen hetkellisen korkeassa lämpötilassa, ja räjähdyksen aiheuttama roiske vie myös pois osan nestepisaroista, mikä väistämättä muuttaa hitsausaluetta. Kemiallinen koostumus ei edistä hitsausliitoksen suorituskyvyn säätelyä. Siksi korkean lämpötilan ablaation kompensoimiseksi hitsauksessa käytetään usein hitsauslankaa tai muita hitsausmateriaaleja, joiden kiehumispisteen alkuainepitoisuus on korkeampi kuin perusmetallilla.
kiinteä sisällytys
Alumiinin kemialliset ominaisuudet ovat erittäin aktiivisia ja helposti hapettuvia. Hitsausprosessin aikana alumiiniseoksen pinta hapettuu Al2O3:ksi, jolla on korkea sulamispiste (noin 2050 astetta C, kun taas alumiinin sulamispiste on 660 astetta C, mikä on hyvin erilainen). Oksidit ovat tiheitä ja kovia, ja ne sekoitetaan sulaan metalliseosnesteeseen, jonka tiheys on pieni sulan allasalueella, josta on helppo muodostaa hienoa kiinteää kuonaa ja jota on vaikea purkaa, mikä ei vaikuta vain hitsin rakenteeseen, mutta tuottaa helposti myös sähkökemiallista korroosiota, joka aiheuttaa Hitsattujen liitosten mekaaniset ominaisuudet heikkenevät ja Al2O3 peittää sulan altaan ja uran, mikä vaikuttaa vakavasti metalliseosten hitsaukseen ja heikentää hitsausliitosten mikrorakennetta ja ominaisuuksia.
Vavan romahdus
Alumiiniseoksen sulamispiste on paljon alhaisempi kuin sen oksidin, ja sen luonne on eloisa ja helposti hapettava. Hitsausprosessin aikana alumiiniseos muodostaa sulan altaan korkean lämpötilan sulamisen vuoksi. Sulan altaan pinnalla oleva alumiini hapetetaan muodostaen oksidikalvon, joka peittää sulan altaan kiinteässä tilassa. Koska oksidikalvon väri sulamisen jälkeen ei eroa paljoakaan sulan alumiiniseoksen väristä ja oksidikalvon peittävyyden vuoksi on vaikea tarkkailla alumiiniseossulan sulamisastetta hitsausprosessin aikana. , joten lämpötila on helppo nostaa liian korkeaksi, mikä aiheuttaa hitsauslämmön vaikutusta Suurin osa alueesta romahtaa, mikä tuhoaa hitsimetallin muodon ja ominaisuudet.
Hitsauslämmönlähteen hetkellisen suuren tehon vaikutuksesta seosnesteeseen liukenee suuri määrä vetykaasua. Hitsauksen päätyttyä sulan altaan lämpötilan aleneessa myös kaasun liukoisuus laskee vähitellen, mikä tulee pääasialliseksi huokosten aiheuttajaksi hitsausprosessissa. syy. Koska alumiiniseoksen jähmettymisnopeus on liian nopea ja tiheys pieni, muodostuu erikokoisia vetyhuokosia hitsin nopean jähmettymisen aikana. Nämä huokoset jatkavat kerääntymistä ja laajenemista hitsausprosessin aikana, muodostaen lopulta näkyviä suuria huokosia ja heikentäen liitoksen rakenteellisia ominaisuuksia. Huokoset eivät tietenkään välttämättä muodostu hitsausprosessin aikana. Valuprosessitekniikan vaikutuksesta perusmetalli itsessään tuottaa myös huokosia valuprosessin aikana. Hitsauksen aikana lämmön syöttö ja sisäinen paine muuttuvat jatkuvasti, jolloin perusmetallin alkuperäiset huokoset laajenevat tai yhdistyvät toisiinsa muodostaen hitsaushuokosia. Hitsauksen lämmöntuoton kasvaessa myös huokoset kasvavat. Siksi vedyn lähteen hallitsemiseksi hitsausmateriaali on kuivattava tiukasti ennen käyttöä. Hitsauksen aikana virtaa lisätään tarkoituksenmukaisesti, jotta sulan altaan olemassaoloaika pitenee ja vedyn saostumiseen jää riittävästi aikaa, mikä säätelee huokosten muodostumista.
kuva
Kuva 2 Stoomien muodostuminen ja konvergenssi
Alumiiniseoksen hitsaustekniikan luokitus
Alumiiniseosten käyttöalueen laajenemisen myötä ongelmat korostuvat yhä enemmän. Tutkimuksen edistymisen myötä alumiiniseoksen hitsaustekniikkaa on kehitetty suuresti. Tällä hetkellä on pääasiassa volframi-argonkaarihitsausta (TIG), sulaa inerttikaasuhitsausta (MIG), laserhitsausta (LBW), kitkasekoitushitsausta (FSW).
Kaasuvolframikaarihitsaus
Tungsten Inert Gas Welding (TIG) on tyypillinen suojakaasuhitsaus ja yleisin käytetty hitsausmenetelmä. Hitsattaessa volframielektrodia ja hitsauspintaa käytetään elektrodeina, ja helium- tai argonkaasu johdetaan kahden elektrodin väliin suojakaasuna valokaaren suojaamiseksi, ja lanka ja epäjalometalli sulavat hetkellisen suurjännitepurkauksen avulla, ja alumiiniseososat hitsataan ja muotoillaan sekä Hitsaus ja valuvirheiden korjaus.
Siinä on pääasiassa seuraavat tekniset ominaisuudet:
Helppokäyttöinen, joustava ja hallittavissa, mukautuva erilaisiin työolosuhteisiin ja ympäristöihin ja edullinen;
Lämmön aiheuttama vyöhyke on kapea ja hitsausliitoksen muodonmuutos on pieni riittävän langansyötön olosuhteissa ja liitoksen kokonaisteho on korkea;
Hitsausprosessin suorituskyky on hyvä ja vakaa, ja hitsisauma on tiheä ja kaunis.
MIG-hitsaus
Sekä MIG (GMA-Gas Metal Arc Welding) että TIG ovat suojakaasuhitsausta. Erona on, että TIG-hitsauksessa käytetään volframielektrodeja kiinteinä elektrodeina, kun taas MIG-hitsauksessa käytetään itse täytettyä lankamateriaalia elektrodeina.
Alumiiniseoksen metallilla suojatussa inerttikaasuhitsausprosessissa jännite ja virta vaikuttavat hitsauslangan elektrodin päähän ja elektrodin ja epäjalometallin väliin muodostuu hetkellinen korkea paine, joka sulattaa perusmetallin ja uraan, ja langan päässä oleva pisara putoaa ja siirtyy pystysuoraan perusmetalliin. Materiaalin sulaan altaaseen muodostuu hitsausvyöhyke.
Alumiiniseoksen MIG-hitsauksen levitysprosessi on kuitenkin suhteellisen rajallinen, koska alumiinilangan pehmeys johtaa huonoon langan syöttävyyteen ja sulaan alumiiniin on taipumus muodostaa "riippuva, mutta ei tippuva" ilmiö hitsauksen aikana, mikä on helppoa. pisaroiden roiskumisen aiheuttamiseksi. Etuna on, että MIG-hitsaus on nopeampaa kuin TIG-hitsaus ja hitsausliikealue on pieni suuria työkappaleita hitsattaessa. Langansyöttönopeutta säätämällä hitsausteho voi olla useita metrejä minuutissa.
laserhitsaus
Lasersädehitsaus (Laser Beam Welding LBW) käyttää suurienergisiä laserpulsseja materiaalin paikalliseen lämmittämiseen pienellä alueella. Lasersäteilyn energia diffundoituu materiaalin sisäpuolelle lämmön johtumisen kautta, ja materiaali sulatetaan muodostaen tietyn sulan altaan. Kiinteytymisen jälkeen materiaali yhdistetään yhdeksi.
Laserhitsauksen etuna on, että hitsauksen vaikutuspiste on pieni, suuritehoinen lämmönlähde on keskittynyt, se pystyy hitsaamaan paksuja levyjä, lämpövaikutusalue on kapea ja hitsauksen muodonmuutos on pieni. Mutta samaan aikaan laserhitsauksella on korkeat vaatimukset hitsauksen sijoittelulle, kalliille hitsauslaitteille ja korkealle hitsauskustannuksille. Metallimateriaalien, kuten alumiinin ja magnesiumin, laserheijastavuus on korkea ja suorahitsaus vaikeaa.
Materiaalien säteilyttäminen eri tehotiheyksillä lasereilla osoittaa, että kun työkappaleen tehotiheys saavuttaa yli 107 W/cm2, lämmitysvyöhykkeellä oleva metalli kaasutetaan hyvin lyhyessä ajassa ja kaasu konvergoi pieneen reikään. sula allas ja muodostaa Pieni reikä on lämmönsiirron keskus, ja pienen reiän lähelle muodostuu sulaallas, joka on lasersyväläpihitsauksen "avaimenreikä" vaikutus. Tämän ilmiön aiheuttaman sulan altaan epätasaisuuksien välttämiseksi on mahdollista vähentää laserenergiaa, lisätä hitsausnopeutta tai ohjata kimpalealueen uudelleensulatusta kuplien poistamiseksi fuusioalueella ja vähentää huokosten muodostumista. .
kitkasekoitushitsaus
Kitkahitsaus (Friction stir Welding, FSW) on uudenlainen kiinteäfaasiliitostekniikka, joka perustuu perinteiseen kitkahitsaustekniikkaan. Kun sekoituspää etenee hitsaussaumaa pitkin, hitsattavassa rajapinnassa hitsausmateriaalin lämpötila nousee ja pehmitetty metalli käy läpi voimakkaan plastisen muodonmuutoksen mekaanisen sekoituksen ja häiriön vaikutuksesta ja muodostaa tiiviin kiinteän faasin liitoksen. diffuusion ja uudelleenkiteytymisen jälkeen.
Perinteisiin hitsausmenetelmiin verrattuna FSW-tekniikalla on seuraavat edut:
Matala hitsauslämpötila ja pieni hitsausmuodonmuutos;
Hyvät hitsin mekaaniset ominaisuudet;
Hitsausprosessi on yksinkertainen, taloudellinen ja ympäristöystävällinen.
Pääongelmat ja tutkimuksen painopiste
Kun alumiiniseoksia käytetään yhä useammilla teollisuudenaloilla, sen korjausliitoksen ongelma on myös herättänyt yhä useamman tutkijan huomion. Erilaisilla alumiiniseosten hitsaustesteillä on todettu, että korjausteknologian kypsyys ei ole vielä vastannut alan kehitystarpeita ja siinä on edelleen erilaisia ongelmia.
Kaasuvolframikaarihitsaus ja metallin suojakaasuhitsaus ovat kaksi eniten käytettyä hitsausmenetelmää tällä hetkellä, mutta näillä kahdella tekniikalla on laaja lämpövaikutusalue, ja hitsausmetalli on sulatettava ja sitten jähmetettävä, mikä vaikuttaa rakenne. Suurempi ja jäännösjännitys on suuri, mikä vaikuttaa vakavasti liitoksen mekaanisiin ominaisuuksiin. Laserhitsauksen energiasäteen tiheys on korkea ja hitsin syvyys-leveyssuhde suuri, mutta huokosten muodostuminen on erittäin helppoa ja sen kallis hinta rajoittaa myös sovellusten suosiota. Kitkasekoitushitsaus tarjoaa ratkaisun lämpöongelmaan, mutta kitkasekoitushitsaus vaatii suhteellisen suurta katkaisupainetta ja eteenpäinajovoimaa, ja laite on yleensä monimutkainen ja tilaa vievä, mikä rajoittaa sen kehitystä.
Tulevaisuudessa samankaltaisia aiheita koskevassa tutkimuksessa tulisi keskittyä seuraaviin näkökohtiin:
Lähtien sulatushitsauksen pohjalta, säädä hitsauslangan kaavaa, lisää harvinaisia maametallielementtejä tai valitse sopiva määrä hitsausaktivaattoria hitsauksen muodonmuutoksen hallitsemiseksi, jännityksen vähentämiseksi ja huokosten muodostumisen vähentämiseksi.
Seosten kattavuuden ja käyttökohteen laajenemisen vuoksi niitä käytetään yleensä erilaisten materiaalien yhteydessä, joten erilaisten metallien välillä on suoritettava limityshitsauskokeita laadukkaiden liitosten saamiseksi.
Suorita tutkimusta komposiittilämmönlähteiden, kuten TIG-laserhybridihitsauksen, laserkomposiittikitkasekoitushitsauksen, hitsattavuuden saavuttamiseksi optimaalisen hitsin suorituskyvyn saavuttamiseksi.
