Kā inženiertehniskais metāla materiāls, kas pēdējos gados ir strauji audzis, alumīnija sakausējums ir plaši izmantots kosmosa, automobiļu, kuģu un citās jomās, jo tam ir zems blīvums, augsta īpatnējā izturība un īpatnējā stingrība, kā arī laba izturība pret koroziju. .
Tomēr virkne problēmu, piemēram, slikta metināmība un vāja formējošā slāņa veiktspēja metināšanā, ierobežo alumīnija sakausējuma konstrukcijas daļu attīstību. Tāpēc alumīnija sakausējuma metināšanas tehnoloģija ir kļuvusi par vienu no daudzu zinātnieku galvenajiem pētniecības virzieniem gan mājās, gan ārvalstīs.
Alumīnija sakausējuma veiktspējas pārskats
Alumīnijs ir ļoti viegls metāla materiāls, kura blīvums ir tikai 2,7 g/cm3, kas ir aptuveni 36 procenti no tērauda blīvuma. Alumīnija sakausējums tiek izmantots mehānisko detaļu ražošanai, kas var ievērojami samazināt svaru un panākt viegla svara, enerģijas taupīšanas un emisiju samazināšanas efektu.
Alumīnija sakausējuma īpatnējā izturība un īpatnējā stingrība ir augstāka par 45 tērauda un ABS plastmasas. Alumīnija sakausējuma materiālu izmantošana veicina neatņemamu sastāvdaļu ražošanu ar augstām stingrības prasībām.
Alumīnija sakausējumam ir lieliska siltumvadītspēja, elektrovadītspēja un izturība pret koroziju. A380 alumīnija sakausējuma un citu materiālu darbības parametri ir parādīti 1. tabulā.
Alumīnija sakausējumam ir laba apstrādājamība un otrreizēja pārstrāde. Ja pieņem, ka visvieglāk sagriežamā magnija sakausējuma griešanas pretestības koeficients ir 1, citu metālu griešanas pretestība parādīta 2. tabulā. Redzams, ka alumīnija sakausējuma griešanas pretestība ir mazāka nekā vara, dzelzs griešanas pretestība. un citi materiāli, un griešanas process ir salīdzinoši vienkāršs.
Alumīnija sakausējuma metināšanas īpašības
Alumīnija sakausējumu fizikālās un ķīmiskās īpašības ietekmē metināšanas procesā ir zināmas grūtības. Pašreizējā alumīnija sakausējuma metināšanai galvenokārt ir šādas problēmas: termiskais spriegums, ablācijas iztvaikošana, cietie ieslēgumi, poru sabrukšana utt.:
Termiskais stress
Alumīnija sakausējumiem ir augstāks termiskās izplešanās koeficients un mazāks elastības modulis. Metināšanas procesa laikā alumīnija sakausējuma lielās deformācijas un lielā lineārās izplešanās koeficienta dēļ tilpuma saraušanās ātrums sacietēšanas laikā ir aptuveni 6 procenti, un izkausētā baseina dzesēšanas ātrums un primārās kristalizācijas ātrums ir ātrs, kā rezultātā metinājuma šuves iekšējais spriegums un metinātā savienojuma stingrība. Lielāks, alumīnija sakausējuma savienojumā ir viegli radīt lielāku iekšējo spriegumu, izraisot lielāku metināšanas spriegumu un deformāciju, veidojot tādus defektus kā plaisas un viļņu deformāciju.
Ablācijas iztvaikošana
Alumīnija kušanas temperatūra ir 660 grādi un viršanas temperatūra 2647 grādi, kas ir zemāka nekā citiem metāla elementiem, piemēram, vara un dzelzs. Metināšanas procesa laikā, ja metināšanas temperatūra ir pārāk augsta, var viegli izraisīt eksploziju un veidot šļakatas, īpaši lielas enerģijas staru metināšanā, kā parādīts 1. attēlā. Turklāt alumīnija sakausējumam pievienoti daži leģējošie elementi. ir zema viršanas temperatūra, kas ir ļoti viegli iztvaikot un sadedzināt momentāni augstā metināšanas temperatūrā, kā arī sprādziena radītās šļakatas aiznesīs arī daļu šķidruma pilienu, kas neizbēgami maina metinājuma laukumu. Ķīmiskais sastāvs neveicina metinātā savienojuma veiktspējas regulēšanu. Tāpēc, lai kompensētu augstas temperatūras ablāciju, metināšanas laikā bieži izmanto metināšanas stiepli vai citus metināšanas materiālus ar augstāku viršanas punkta elementu saturu nekā parastajam metālam.
cieta iekļaušana
Alumīnija ķīmiskās īpašības ir ļoti aktīvas un viegli oksidējas. Metināšanas procesā alumīnija sakausējuma virsma tiek oksidēta, veidojot Al2O3 ar augstu kušanas temperatūru (apmēram 2050 ° C, savukārt alumīnija kušanas temperatūra ir 660 ° C, kas ir ļoti atšķirīga). Oksīdi ir blīvi un ar augstu cietību, un tie tiek sajaukti izkausētā sakausējuma šķidrumā ar zemu blīvumu izkausētā baseina zonā, kas viegli veido smalkus cietus izdedžus un ir grūti izvadāmi, kas ne tikai ietekmē metinājuma šuves struktūru, bet arī viegli rada elektroķīmisko koroziju, kas izraisīs Metināto savienojumu mehāniskās īpašības samazinās, un Al2O3 pārklāj izkausēto baseinu un rievu, kas nopietni ietekmē sakausējumu metināšanu un samazina metināto savienojumu mikrostruktūru un īpašības.
Stomatāla sabrukums
Alumīnija sakausējuma kušanas temperatūra ir daudz zemāka nekā tā oksīda kušanas temperatūra, un tā daba ir dzīvīga un viegli oksidējama. Metināšanas procesā alumīnija sakausējums veido kausētu baseinu augstās temperatūras kušanas dēļ. Alumīnijs uz izkausētā baseina virsmas tiek oksidēts, veidojot oksīda plēvi, kas pārklāj izkausēto baseinu cietā stāvoklī. Tā kā oksīda plēves krāsa pēc kausēšanas daudz neatšķiras no izkausētā alumīnija sakausējuma krāsas un oksīda plēves pārklājuma dēļ ir grūti novērot alumīnija sakausējuma izkausētā baseina kušanas pakāpi metināšanas procesā. , tāpēc ir viegli izraisīt pārāk augstu temperatūru, izraisot metināšanas siltuma ietekmi. Lielākā daļa laukuma sabrūk, iznīcinot metinātā metāla formu un īpašības.
Metināšanas siltuma avota momentānās lielās jaudas ietekmē sakausējuma šķidrumā tiek izšķīdināts liels daudzums ūdeņraža gāzes. Pēc metināšanas pabeigšanas, pazeminoties izkausētā baseina temperatūrai, pakāpeniski samazinās arī gāzes šķīdība, kas kļūst par galveno poru cēloni metināšanas procesā. iemesls. Tā kā alumīnija sakausējuma sacietēšanas ātrums ir pārāk ātrs un blīvums ir zems, metinājuma šuves ātras sacietēšanas laikā veidojas dažāda izmēra ūdeņraža poras. Šīs poras turpinās uzkrāties un paplašināties metināšanas procesā, galu galā veidojot redzamas lielas poras un samazinot savienojuma strukturālās īpašības. Protams, poras ne vienmēr veidojas metināšanas procesā. Liešanas procesa tehnoloģijas ietekmes dēļ arī pats parastais metāls liešanas procesā radīs poras. Metināšanas laikā siltuma padeve un iekšējais spiediens pastāvīgi mainās, izraisot oriģinālo parastā metāla poru paplašināšanos vai savienošanos savā starpā, veidojot metinājuma poras. Palielinoties metināšanas siltuma padevei, palielināsies arī poras. Tāpēc, lai kontrolētu ūdeņraža avotu, metināšanas materiāls pirms lietošanas ir stingri jāizžāvē. Metināšanas laikā strāva tiek atbilstoši palielināta, lai pagarinātu izkausētā baseina pastāvēšanas laiku un dotu pietiekami daudz laika ūdeņraža nogulsnēšanai, tādējādi kontrolējot poru veidošanos.
bilde
2. att. Stomatu veidošanās un konverģence
Alumīnija sakausējuma metināšanas tehnoloģiju klasifikācija
Paplašinoties alumīnija sakausējumu pielietojuma klāstam, tiek uzsvērtas arvien vairāk problēmu. Līdz ar pētījumu progresu alumīnija sakausējuma metināšanas tehnoloģija ir ievērojami attīstījusies. Pašlaik galvenokārt ir volframa argona loka metināšana (TIG), izkausētā inertās gāzes metināšana (MIG), lāzermetināšana (LBW), berzes maisīšanas metināšana (FSW).
Gāzes volframa loka metināšana
Volframa inertās gāzes metināšana (TIG) ir tipiska inertās gāzes metināšana, un tā ir visizplatītākā metināšanas metode. Metināšanas laikā volframa elektrods un metināšanas virsma tiek izmantoti kā elektrodi, un hēlijs vai argona gāze tiek izvadīta starp diviem elektrodiem kā aizsarggāze, lai aizsargātu loku, un stieple un parastais metāls tiek izkausēti ar momentānu augstsprieguma izlādi, un alumīnija sakausējuma daļas tiek metinātas un veidotas, un Metināšana un lējuma defektu labošana.
Tam galvenokārt ir šādi tehniskie parametri:
Viegli lietojams, elastīgs un vadāms, pielāgojams dažādiem darba apstākļiem un vidēm, kā arī zemas izmaksas;
Siltuma ietekmētā zona ir šaura, un metinātā savienojuma deformācija ir neliela, ja tiek nodrošināta pietiekama stieples padeve, un savienojuma visaptverošā veiktspēja ir augsta;
Metināšanas procesa veiktspēja ir laba un stabila, un metināšanas šuve ir blīva un skaista.
MIG metināšana
Gan MIG (GMA-Gas Metal Arc Welding), gan TIG ir aizsargāta ar inertu gāzi metināšana. Atšķirība ir tāda, ka TIG metināšana izmanto volframa elektrodus kā fiksētus elektrodus, bet MIG metināšanā kā elektrodus izmanto pašu pildīto stieples materiālu.
Alumīnija sakausējuma metāla inertās gāzes ekranētās metināšanas procesā spriegums un strāva iedarbojas uz metināšanas stieples elektroda galu, un starp elektrodu un parasto metālu tiek radīts momentāns augsts spiediens, kas izkausē parasto metālu un rievu, un piliens stieples galā nokrīt un vertikāli pāriet uz parasto metālu. Uz izkausētā materiāla baseina veidojas metināšanas zona.
Tomēr alumīnija sakausējuma MIG metināšanas pielietošanas process ir salīdzinoši ierobežots, jo alumīnija stieples maigums izraisa sliktu stieples padevi, un kausētais alumīnijs metināšanas laikā var veidoties "karājoties, bet nepilot", kas ir viegli. lai izšļakstītu pilienus. Priekšrocība ir tāda, ka MIG metināšana ir ātrāka nekā TIG metināšana, un metināšanas kustību diapazons ir mazs, metinot lielus sagataves. Regulējot stieples padeves ātrumu, metināšanas efektivitāte var sasniegt vairākus metrus minūtē.
lāzera metināšana
Lāzera staru metināšana (Laser Beam Welding LBW) izmanto augstas enerģijas lāzera impulsus, lai lokāli uzsildītu materiālu nelielā platībā. Lāzera starojuma enerģija izkliedējas materiāla iekšpusē caur siltuma vadīšanu, un materiāls tiek izkusis, veidojot īpašu kausētu baseinu. Pēc sacietēšanas materiāls tiek savienots vienā.
Lāzermetināšanas priekšrocība ir tāda, ka metināšanas darbības punkts ir mazs, lielas jaudas siltuma avots ir koncentrēts, tas spēj metināt biezas plāksnes, siltuma ietekmes zona ir šaura un metināšanas deformācija ir maza. Bet tajā pašā laikā lāzermetināšanai ir augstas prasības metināšanas pozicionēšanai, dārgas metināšanas iekārtas un augstas metināšanas izmaksas. Metāla materiāliem, piemēram, alumīnijam un magnijam, lāzera atstarošanas spēja ir augsta, un tiešā metināšana ir sarežģīta.
Materiālu apstarošana ar lāzeriem ar dažādu jaudas blīvumu liecina, ka tad, kad jaudas blīvums uz sagataves sasniedz vairāk nekā 107W/cm2, metāls sildīšanas zonā tiks gazificēts ļoti īsā laikā un gāze saplūdīs nelielā caurumā. izkausētais baseins un izveidots Mazais caurums ir siltuma pārneses centrs, un pie mazā cauruma veidojas izkausētais baseins, kas ir lāzera dziļās iespiešanās metināšanas "atslēgas cauruma" efekts. Lai izvairītos no šīs parādības izraisītā izkausētā baseina nelīdzenuma, ir iespējams samazināt lāzera enerģiju, palielināt metināšanas ātrumu vai kontrolēt tīrradņa zonas pārkausēšanu, lai noņemtu burbuļus saplūšanas zonā un samazinātu poru veidošanos. .
berzes maisīšanas metināšana
Berzes maisīšanas metināšana (Friction stir Welding, FSW) ir jauna veida cietfāzes savienojuma tehnoloģija, kuras pamatā ir tradicionālā berzes metināšanas tehnoloģija. Metināmajā saskarnē, kad maisīšanas galviņa virzās pa metināšanas šuvi, metināšanas materiāla temperatūra paaugstinās, un plastificētais metāls mehāniski maisot un izjaucot tiek pakļauts spēcīgai plastiskai deformācijai un veido blīvu cietas fāzes savienojumu. pēc difūzijas un pārkristalizācijas.
Salīdzinot ar tradicionālajām metināšanas metodēm, FSW tehnoloģijai ir šādas priekšrocības:
Zema metināšanas temperatūra un neliela metināšanas deformācija;
Labas šuves mehāniskās īpašības;
Metināšanas process ir vienkāršs, ekonomisks un videi draudzīgs.
Galvenās problēmas un izpētes fokuss
Ar alumīnija sakausējumu pielietošanu arvien vairāk nozarēs, arī tā remonta savienojuma problēma ir piesaistījusi arvien vairāk zinātnieku uzmanību. Veicot dažādus alumīnija sakausējumu metināšanas testus, tiek konstatēts, ka remonta tehnoloģijas briedums vēl nav atbildis nozares attīstības vajadzībām, un tajā joprojām pastāv dažādas problēmas.
Gāzes volframa loka metināšana un metāla inertās gāzes ekranētā metināšana ir divas šobrīd visplašāk izmantotās metināšanas metodes, taču šīm divām tehnoloģijām ir plaša siltuma ietekmes zona, un metinātais metāls ir jāizkausē un pēc tam jāsacietē, kas ietekmē struktūra. Lielāks, un atlikušais spriegums ir augsts, kā rezultātā tiek nopietni ietekmētas savienojuma mehāniskās īpašības. Lāzermetināšanas enerģijas stara blīvums ir augsts, un metinājuma šuves dziļuma un platuma attiecība ir liela, taču tajā ir ļoti viegli veidot poras, un tā dārgās izmaksas ierobežo arī lietojumu popularizēšanu. Berzes maisīšanas metināšana nodrošina risinājumu karstuma problēmai, bet berzes maisīšanas metināšanai ir nepieciešams salīdzinoši liels izjaukšanas spiediens un virzošais spēks, un iekārta parasti ir sarežģīta un apjomīga, kas ierobežo tā attīstību.
Turpmākajos pētījumos par saistītām tēmām jākoncentrējas uz šādiem aspektiem:
Sākot no kausēšanas metināšanas bāzes, noregulējiet metināšanas stieples formulu, pievienojiet retzemju elementus vai izvēlieties piemērotu daudzumu metināšanas aktivatora, lai kontrolētu metināšanas deformāciju, samazinātu stresu un samazinātu poru veidošanos.
Sakarā ar sakausējumu darbības jomas un pielietojuma paplašināšanos, tos parasti izmanto kopā ar atšķirīgiem materiāliem, tāpēc ir nepieciešams veikt klēpja metināšanas eksperimentus starp atšķirīgiem metāliem, lai iegūtu augstas kvalitātes savienojumus.
Veikt kompozītmateriālu siltuma avotu metināmības izpēti, piemēram, TIG-lāzera hibrīda metināšana, lāzera kompozītu berzes maisītāja metināšana, lai iegūtu optimālu metināšanas veiktspēju.
