Com a material metàl·lic d'enginyeria que ha augmentat ràpidament en els darrers anys, l'aliatge d'alumini s'ha utilitzat àmpliament en aeroespacial, automòbils, vaixells i altres camps a causa de la seva baixa densitat, alta resistència específica i rigidesa específica i bona resistència a la corrosió. .
No obstant això, una sèrie de problemes com ara la poca soldabilitat i el mal rendiment de la capa de conformació en la soldadura restringeixen el desenvolupament de peces estructurals d'aliatge d'alumini. Per tant, la tecnologia de soldadura d'aliatge d'alumini s'ha convertit en una de les principals direccions de recerca de molts estudiosos a casa i a l'estranger.
Visió general del rendiment de l'aliatge d'alumini
L'alumini és un material metàl·lic molt lleuger amb una densitat de només 2,7 g/cm3, que és al voltant del 36 per cent de la densitat de l'acer. L'aliatge d'alumini s'utilitza per fabricar peces mecàniques, que poden reduir significativament el pes i aconseguir els efectes de pes lleuger, estalvi d'energia i reducció d'emissions.
La força específica i la rigidesa específica de l'aliatge d'alumini són superiors a l'acer 45 i el plàstic ABS. L'ús de materials d'aliatge d'alumini és propici per a la fabricació de components integrals amb alts requisits de rigidesa.
L'aliatge d'alumini té una excel·lent conductivitat tèrmica, conductivitat elèctrica i resistència a la corrosió. Els paràmetres de rendiment de l'aliatge d'alumini A380 i altres materials es mostren a la taula 1.
L'aliatge d'alumini té una bona mecanització i reciclabilitat. Si se suposa que el coeficient de resistència al tall de l'aliatge de magnesi més fàcil de tallar és 1, la resistència al tall d'altres metalls es mostra a la taula 2. Es pot veure que la resistència al tall de l'aliatge d'alumini és menor que la del coure, el ferro i altres materials, i el procés de tall és relativament fàcil.
Característiques de la soldadura d'aliatge d'alumini
Afectats per les propietats físiques i químiques dels aliatges d'alumini, hi ha certes dificultats en el procés de soldadura. La soldadura actual d'aliatge d'alumini té principalment els següents problemes: estrès tèrmic, evaporació per ablació, inclusions sòlides, col·lapse de porus, etc.:
Estrès tèrmic
Els aliatges d'alumini tenen un major coeficient d'expansió tèrmica i un mòdul d'elasticitat més petit. Durant el procés de soldadura, a causa de la gran deformació i el gran coeficient d'expansió lineal de l'aliatge d'alumini, la taxa de contracció del volum durant la solidificació és d'aproximadament un 6 per cent, i la velocitat de refredament i la velocitat de cristal·lització primària de la piscina fosa són ràpides, donant lloc a la la tensió interna de la soldadura i la rigidesa de la unió soldada. Més gran, és fàcil provocar una major tensió interna a la junta d'aliatge d'alumini, provocant una major tensió i deformació de soldadura, formant defectes com esquerdes i deformació de les ones.
Ablació evaporació
L'alumini té un punt de fusió de 660 graus i un punt d'ebullició de 2647 graus, que és més baix que altres elements metàl·lics com el coure i el ferro. Durant el procés de soldadura, si la temperatura de soldadura és massa alta, és fàcil provocar una explosió i formar esquitxades, especialment en la soldadura per feix d'alta energia, com es mostra a la figura 1. A més, alguns dels elements d'aliatge afegits a l'aliatge d'alumini tenen un punt d'ebullició baix, que és molt fàcil d'evaporar i cremar a l'alta temperatura instantània de soldadura, i la esquitxada generada per l'explosió també s'emportarà part de les gotes de líquid, que inevitablement canvia l'àrea de soldadura. La composició química no és favorable a la regulació del rendiment de la junta soldada. Per tant, per compensar l'ablació a alta temperatura, sovint s'utilitzen filferro de soldadura o altres materials de soldadura amb un contingut d'elements de punt d'ebullició més alt que el metall base durant la soldadura.
inclusió sòlida
Les propietats químiques de l'alumini són molt actives i s'oxiden fàcilment. Durant el procés de soldadura, la superfície de l'aliatge d'alumini s'oxida per formar Al2O3 amb un punt de fusió elevat (uns 2050 graus C, mentre que el punt de fusió de l'alumini és de 660 graus C, que és molt diferent). Els òxids són densos i tenen una duresa elevada, i es barregen en el líquid d'aliatge fos amb baixa densitat a la zona de la piscina fosa, que és fàcil de formar escòries sòlides fines i difícil de descarregar, cosa que no només afecta l'estructura de la soldadura, però també produeix fàcilment corrosió electroquímica, que provocarà una disminució de les propietats mecàniques de les juntes soldades i Al2O3 cobreix la piscina i la ranura fosa, la qual cosa afecta seriosament la soldadura d'aliatges i redueix la microestructura i les propietats de les juntes soldades.
Col·lapse estomàtic
El punt de fusió de l'aliatge d'alumini és molt inferior al del seu òxid, i la seva naturalesa és viva i fàcil d'oxidar. Durant el procés de soldadura, l'aliatge d'alumini forma una piscina fosa a causa de la fusió a alta temperatura. L'alumini a la superfície de la piscina fosa s'oxida per formar una pel·lícula d'òxid, que cobreix la piscina fosa en estat sòlid. Atès que el color de la pel·lícula d'òxid després de la fusió no és molt diferent del de l'aliatge d'alumini fos, i a causa de la cobertura de la pel·lícula d'òxid, és difícil observar el grau de fusió de la piscina fosa d'aliatge d'alumini durant el procés de soldadura. , de manera que és fàcil fer que la temperatura sigui massa alta, provocant la influència de la calor de la soldadura. La major part de l'àrea s'enfonsa, destruint la forma i les propietats del metall de soldadura.
Sota l'acció de l'alta potència instantània de la font de calor de soldadura, una gran quantitat d'hidrogen es dissol al líquid d'aliatge. Un cop finalitzada la soldadura, a mesura que la temperatura de la piscina fosa disminueix, la solubilitat del gas també disminueix gradualment, la qual cosa es converteix en la principal causa dels porus en el procés de soldadura. raó. Com que la velocitat de solidificació de l'aliatge d'alumini és massa ràpida i la densitat és baixa, es formen porus d'hidrogen de diferents mides durant la solidificació ràpida de la soldadura. Aquests porus continuaran acumulant-se i expandint-se durant el procés de soldadura, formant eventualment porus grans visibles i reduint les propietats estructurals de la junta. Per descomptat, els porus no es formen necessàriament durant el procés de soldadura. A causa de la influència de la tecnologia del procés de fosa, el metall base també produirà porus durant el procés de fosa. Durant la soldadura, l'entrada de calor i la pressió interna canvien constantment, fent que els porus originals del metall base s'expandeixin o es combinen entre si per formar porus de soldadura. A mesura que augmenta l'entrada de calor de soldadura, els porus també augmentaran. Per tant, per controlar la font d'hidrogen, el material de soldadura s'ha d'assecar estrictament abans del seu ús. Durant la soldadura, el corrent augmenta adequadament per allargar el temps d'existència de la piscina fosa i donar temps suficient perquè l'hidrogen precipiti, controlant així la formació de porus.
imatge
Fig.2 Formació i convergència dels estomes
Classificació de la tecnologia de soldadura d'aliatge d'alumini
Amb l'ampliació de la gamma d'aplicacions dels aliatges d'alumini, cada cop es destaquen més problemes. Amb el progrés de la investigació, la tecnologia de soldadura d'aliatge d'alumini s'ha desenvolupat molt. Actualment, hi ha principalment soldadura per arc d'argó de tungstè (TIG), soldadura de gas inert fos (MIG), soldadura làser (LBW), soldadura per fricció (FSW).
Soldadura per arc de tungstè amb gas
La soldadura de gas inert de tungstè (TIG) és una soldadura típica amb gas inert i és el mètode de soldadura més utilitzat. Quan es solda, l'elèctrode de tungstè i la superfície de soldadura s'utilitzen com a elèctrodes, i el gas heli o argó es fa passar entre els dos elèctrodes com a gas protector per protegir l'arc, i el cable i el metall base es fonen mitjançant una descàrrega instantània d'alta tensió, i les peces d'aliatge d'alumini es solden i es formen, i Soldadura i reparació de defectes de fosa.
Té principalment les següents característiques tècniques:
Fàcil d'operar, flexible i controlable, adaptable a diverses condicions i entorns de treball i de baix cost;
La zona afectada per la calor és estreta i la deformació de la junta soldada és petita en condicions d'alimentació suficient de filferro i el rendiment integral de la junta és elevat;
El rendiment del procés de soldadura és bo i estable, i la costura de soldadura és densa i bella.
Soldadura MIG
Tant MIG (GMA-Gas Metal Arc Welding) com TIG són soldadures amb gas inert protegit. La diferència és que la soldadura TIG utilitza elèctrodes de tungstè com a elèctrodes fixos, mentre que la soldadura MIG utilitza el mateix material de filferro farcit com a elèctrodes.
En el procés de soldadura amb gas inert metàl·lic de l'aliatge d'alumini, la tensió i el corrent actuen sobre l'extrem de l'elèctrode del cable de soldadura i es genera una alta pressió instantània entre l'elèctrode i el metall base, que fon el metall base i el ranura, i la gota a l'extrem del cable cau i passa verticalment al metall base. A la piscina fosa del material, es forma una zona de soldadura.
Tanmateix, el procés d'aplicació de la soldadura MIG d'aliatge d'alumini és relativament limitat, perquè la suavitat del filferro d'alumini condueix a una mala alimentació del filferro, i l'alumini fos és propens a formar un fenomen de "penjar però no degotejar" durant la soldadura, cosa que és fàcil. per provocar esquitxades de gotes. L'avantatge és que la soldadura MIG és més ràpida que la soldadura TIG, i el rang de moviment de soldadura és petit quan es solden peces grans. Ajustant la velocitat d'alimentació del filferro, l'eficiència de la soldadura pot arribar a diversos metres per minut.
soldadura làser
La soldadura per raig làser (Laser Beam Welding LBW) utilitza polsos làser d'alta energia per escalfar localment el material en una àrea petita. L'energia de la radiació làser es difon a l'interior del material mitjançant la conducció de calor, i el material es fon per formar una piscina fosa específica. Després de la solidificació, el material es connecta en Un.
L'avantatge de la soldadura làser és que el punt d'acció de la soldadura és petit, la font de calor d'alta potència està concentrada, és capaç de soldar plaques gruixudes, la zona afectada per la calor és estreta i la deformació de la soldadura és petita. Però, al mateix temps, la soldadura per làser té uns requisits elevats per al posicionament de la soldadura, equips de soldadura cars i costos de soldadura elevats. Per a materials metàl·lics com l'alumini i el magnesi, la reflectivitat del làser és alta i la soldadura directa és difícil.
La irradiació de materials amb làsers amb diferents densitats de potència mostra que quan la densitat de potència de la peça de treball arriba a més de 107 W/cm2, el metall de la zona de calefacció es gasificarà en molt poc temps i el gas convergirà en un petit forat a la zona de calefacció. piscina fosa i forma un forat petit és el centre de la transferència de calor i es forma una piscina fosa prop del forat petit, que és l'efecte "forat" de la soldadura de penetració profunda làser. Per tal d'evitar el desnivell de la piscina fosa causada per aquest fenomen, és possible reduir l'energia del làser, augmentar la velocitat de soldadura o controlar la fusió de la zona de la pepita per eliminar les bombolles de la zona de fusió i reduir la generació de porus. .
soldadura amb agitació per fricció
La soldadura per fricció (Friction Stir Welding, FSW) és un nou tipus de tecnologia de connexió en fase sòlida basada en la tecnologia tradicional de soldadura per fricció. A la interfície que cal soldar, quan el capçal d'agitació avança al llarg de la costura de soldadura, la temperatura del material de soldadura augmenta i el metall plastificat experimenta una forta deformació plàstica sota l'acció de l'agitació mecànica i la alteració, i forma una connexió densa en fase sòlida. després de la difusió i recristal·lització.
En comparació amb els mètodes de soldadura tradicionals, la tecnologia FSW té els següents avantatges:
Baixa temperatura de soldadura i petita deformació de soldadura;
Bones propietats mecàniques de la soldadura;
El procés de soldadura és senzill, econòmic i respectuós amb el medi ambient.
Els principals problemes i focus de recerca
Amb l'aplicació d'aliatges d'alumini a cada cop més indústries, el problema de la seva connexió de reparació també ha cridat l'atenció de cada cop més estudiosos. Mitjançant diverses proves de soldadura en aliatges d'alumini, es constata que la maduresa de la tecnologia de reparació encara no ha satisfet les necessitats de desenvolupament de la indústria i encara hi ha diversos problemes.
La soldadura d'arc de tungstè de gas i la soldadura de metall inert amb gas blindat són els dos mètodes de soldadura més utilitzats actualment, però aquestes dues tecnologies tenen una àmplia zona afectada per la calor i el metall de soldadura s'ha de fondre i després solidificar, la qual cosa té un impacte en l'estructura. Més gran, i la tensió residual és alta, el que resulta en un greu impacte en les propietats mecàniques de la junta. La densitat del feix d'energia de soldadura làser és alta i la relació profunditat-amplada de la soldadura és gran, però és molt fàcil formar porus i el seu cost car també limita la popularització de les aplicacions. La soldadura amb agitació per fricció proporciona una solució al problema de la calor, però la soldadura per fricció requereix una pressió de revolt relativament gran i una força motriu cap endavant, i l'equip és generalment complicat i voluminós, cosa que limita el seu desenvolupament.
L'enfocament de les futures investigacions sobre temes relacionats hauria de centrar-se en els aspectes següents:
A partir de la base de la soldadura per fusió, ajusteu la fórmula del fil de soldadura, afegiu elements de terres rares o seleccioneu una quantitat adequada d'activador de soldadura per controlar la deformació de la soldadura, reduir l'estrès i reduir la formació de porus.
A causa de l'expansió de l'abast i l'aplicació dels aliatges, s'utilitzen generalment juntament amb materials diferents, per la qual cosa és necessari realitzar experiments de soldadura per solapa entre metalls diferents per obtenir juntes d'alta qualitat.
Realitzar investigacions sobre la soldabilitat de fonts de calor compostes, com ara la soldadura híbrida TIG-làser, la soldadura per fricció composta làser, per tal d'obtenir el rendiment òptim de la soldadura.
