Ako technický kovový materiál, ktorý sa v posledných rokoch rýchlo zvýšil, sa hliníková zliatina široko používa v leteckom a kozmickom priemysle, automobiloch, lodiach a iných oblastiach vďaka svojej nízkej hustote, vysokej špecifickej pevnosti a špecifickej tuhosti a dobrej odolnosti proti korózii. .
Avšak rad problémov, ako je slabá zvárateľnosť a slabý výkon formovacej vrstvy pri zváraní, obmedzuje vývoj konštrukčných dielov z hliníkovej zliatiny. Preto sa technológia zvárania hliníkových zliatin stala jedným z hlavných smerov výskumu mnohých vedcov doma iv zahraničí.
Prehľad výkonu hliníkovej zliatiny
Hliník je veľmi ľahký kovový materiál s hustotou iba 2,7 g/cm3, čo je asi 36 percent hustoty ocele. Hliníková zliatina sa používa na výrobu mechanických častí, ktoré môžu výrazne znížiť hmotnosť a dosiahnuť účinky nízkej hmotnosti, úspory energie a zníženia emisií.
Špecifická pevnosť a špecifická tuhosť hliníkovej zliatiny je vyššia ako u ocele 45 a plastu ABS. Použitie materiálov z hliníkovej zliatiny prispieva k výrobe integrálnych komponentov s vysokými požiadavkami na tuhosť.
Hliníková zliatina má vynikajúcu tepelnú vodivosť, elektrickú vodivosť a odolnosť proti korózii. Výkonové parametre hliníkovej zliatiny A380 a iných materiálov sú uvedené v tabuľke 1.
Hliníková zliatina má dobrú opracovateľnosť a recyklovateľnosť. Ak sa predpokladá, že koeficient rezného odporu najľahšie rezanej horčíkovej zliatiny je 1, rezný odpor ostatných kovov je uvedený v tabuľke 2. Je vidieť, že rezný odpor zliatiny hliníka je menší ako rezný odpor medi, železa a iné materiály a proces rezania je relatívne jednoduchý.
Vlastnosti zvárania hliníkových zliatin
Ovplyvnené fyzikálnymi a chemickými vlastnosťami hliníkových zliatin existujú určité ťažkosti v procese zvárania. Súčasné zváranie hliníkových zliatin má hlavne tieto problémy: tepelné namáhanie, ablačné vyparovanie, pevné inklúzie, kolaps pórov atď.:
Tepelný stres
Zliatiny hliníka majú vyšší koeficient tepelnej rozťažnosti a menší modul pružnosti. Počas procesu zvárania je v dôsledku veľkej deformácie a veľkého koeficientu lineárnej rozťažnosti hliníkovej zliatiny miera zmršťovania objemu počas tuhnutia približne 6 percent a rýchlosť ochladzovania a rýchlosť primárnej kryštalizácie roztaveného kúpeľa sú rýchle, čo vedie k vnútorné napätie zvaru a tuhosť zvarového spoja. Väčší, je ľahké spôsobiť väčšie vnútorné napätie v spoji z hliníkovej zliatiny, čo spôsobí väčšie napätie pri zváraní a deformáciu, tvoriace defekty, ako sú praskliny a vlnová deformácia.
Ablačné odparovanie
Hliník má bod topenia 660 stupňov a bod varu 2647 stupňov, čo je menej ako iné kovové prvky, ako je meď a železo. Počas procesu zvárania, ak je teplota zvárania príliš vysoká, je ľahké spôsobiť výbuch a tvorbu rozstrekov, najmä pri zváraní vysokoenergetickým lúčom, ako je znázornené na obrázku 1. Okrem toho niektoré legujúce prvky pridané do hliníkovej zliatiny majú nízky bod varu, ktorý sa pri okamžitej vysokej teplote zvárania veľmi ľahko odparuje a horí a rozstrekovanie vzniknuté pri výbuchu odoberie aj časť kvapiek kvapaliny, čím sa nevyhnutne zmení oblasť zvaru. Chemické zloženie neprispieva k regulácii výkonu zvarového spoja. Preto sa na kompenzáciu vysokoteplotnej ablácie pri zváraní často používa zvárací drôt alebo iné zváracie materiály s vyšším bodom varu ako základný kov.
pevné začlenenie
Chemické vlastnosti hliníka sú veľmi aktívne a ľahko oxidujú. Počas procesu zvárania sa povrch hliníkovej zliatiny oxiduje na Al2O3 s vysokou teplotou topenia (asi 2050 stupňov C, zatiaľ čo teplota topenia hliníka je 660 stupňov C, čo je veľmi rozdielne). Oxidy sú husté a majú vysokú tvrdosť a sú zmiešané v roztavenej zliatinovej kvapaline s nízkou hustotou v oblasti roztaveného bazéna, z ktorej sa ľahko vytvára jemná tuhá troska a ťažko sa vypúšťa, čo ovplyvňuje nielen štruktúru zvaru, ale ľahko produkuje aj elektrochemickú koróziu, ktorá spôsobí Znížia sa mechanické vlastnosti zvarových spojov a Al2O3 prekryje tavný kúpeľ a drážku, čo vážne ovplyvňuje zváranie zliatin a znižuje mikroštruktúru a vlastnosti zvarových spojov.
Stomatálny kolaps
Teplota topenia hliníkovej zliatiny je oveľa nižšia ako teplota jej oxidu a jej povaha je živá a ľahko sa oxiduje. Počas procesu zvárania tvorí hliníková zliatina roztavený kúpeľ v dôsledku tavenia pri vysokej teplote. Hliník na povrchu roztaveného kúpeľa sa oxiduje za vzniku oxidového filmu, ktorý pokrýva roztavený kúpeľ v pevnom stave. Pretože farba oxidového filmu po roztavení sa príliš nelíši od farby roztavenej hliníkovej zliatiny a kvôli pokrytiu oxidovým filmom je ťažké pozorovať stupeň roztavenia roztavenej hliníkovej zliatiny počas procesu zvárania. , takže je ľahké spôsobiť príliš vysokú teplotu, čo spôsobí vplyv tepla pri zváraní Veľká časť oblasti sa zrúti, čím sa zničí tvar a vlastnosti zvarového kovu.
Pôsobením okamžitého vysokého výkonu zdroja zváracieho tepla sa v zliatinovej kvapaline rozpustí veľké množstvo plynného vodíka. Po ukončení zvárania, ako klesá teplota roztaveného kúpeľa, postupne klesá aj rozpustnosť plynu, čo sa stáva hlavnou príčinou pórov v procese zvárania. dôvod. Pretože rýchlosť tuhnutia hliníkovej zliatiny je príliš vysoká a hustota je nízka, vznikajú pri rýchlom tuhnutí zvaru rôzne veľké vodíkové póry. Tieto póry sa budú naďalej hromadiť a rozširovať počas procesu zvárania, prípadne vytvoria viditeľné veľké póry a znížia štrukturálne vlastnosti spoja. Samozrejme, póry sa nemusia nevyhnutne vytvárať počas procesu zvárania. Vplyvom technológie procesu odlievania bude samotný základný kov vytvárať počas procesu odlievania póry. Počas zvárania sa príkon tepla a vnútorný tlak neustále menia, čo spôsobuje, že sa pôvodné póry v základnom kove rozťahujú alebo sa navzájom spájajú a vytvárajú zvarové póry. So zvyšujúcim sa tepelným príkonom zvárania sa zväčšia aj póry. Preto, aby bolo možné kontrolovať zdroj vodíka, musí byť zvárací materiál pred použitím prísne vysušený. Počas zvárania sa prúd primerane zvýši, aby sa predĺžila doba existencie roztaveného kúpeľa a poskytol dostatok času na vyzrážanie vodíka, čím sa kontroluje tvorba pórov.
obrázok
Obr.2 Vznik a konvergencia prieduchov
Klasifikácia technológie zvárania hliníkových zliatin
S rozširovaním rozsahu použitia hliníkových zliatin sa zvýrazňuje stále viac problémov. S pokrokom výskumu bola technológia zvárania hliníkovej zliatiny značne vyvinutá. V súčasnosti sú to najmä zváranie volfrámovým argónom (TIG), zváranie roztaveným inertným plynom (MIG), laserové zváranie (LBW), zváranie trením (FSW).
Zváranie plynovým volfrámovým oblúkom
Tungsten Inert Gas Welding (TIG) je typické zváranie v ochrannej atmosfére inertného plynu a je najbežnejšie používanou metódou zvárania. Pri zváraní sa volfrámová elektróda a zvárací povrch používajú ako elektródy a medzi oboma elektródami prechádza plyn hélium alebo argón ako ochranný plyn na ochranu oblúka a drôt a základný kov sa roztavia okamžitým vysokonapäťovým výbojom, a diely z hliníkovej zliatiny sú zvárané a tvarované a Zváranie a oprava defektov odliatkov.
Má hlavne tieto technické vlastnosti:
Jednoduché ovládanie, flexibilné a ovládateľné, prispôsobiteľné rôznym pracovným podmienkam a prostrediam a nízke náklady;
Tepelne ovplyvnená zóna je úzka a deformácia zvarového spoja je malá pod podmienkou dostatočného podávania drôtu a komplexný výkon spoja je vysoký;
Výkon zváracieho procesu je dobrý a stabilný a zvarový šev je hustý a krásny.
MIG zváranie
MIG (GMA-Gas Metal Arc Welding) aj TIG sú zváranie v ochrannej atmosfére inertného plynu. Rozdiel je v tom, že zváranie TIG používa volfrámové elektródy ako pevné elektródy, zatiaľ čo zváranie MIG používa ako elektródy samotný plnený materiál drôtu.
Pri procese zvárania hliníkovej zliatiny v ochrannej atmosfére kovu pôsobí napätie a prúd na koniec elektródy zváracieho drôtu a medzi elektródou a základným kovom sa okamžite vytvorí vysoký tlak, ktorý roztaví základný kov a drážka a kvapôčka na konci drôtu odpadne a prejde zvisle na základný kov. Na roztavenom kúpeli materiálu sa vytvorí zóna zvaru.
Aplikačný proces zvárania MIG z hliníkovej zliatiny je však relatívne obmedzený, pretože mäkkosť hliníkového drôtu vedie k zlému podávaniu drôtu a roztavený hliník je náchylný na vytváranie fenoménu „visenia, ale nie kvapkania“ počas zvárania, čo je ľahké. spôsobiť striekanie kvapiek. Výhodou je, že zváranie MIG je rýchlejšie ako zváranie TIG a pri zváraní veľkých obrobkov je rozsah zváracích pohybov malý. Úpravou rýchlosti podávania drôtu môže účinnosť zvárania dosiahnuť niekoľko metrov za minútu.
laserové zváranie
Zváranie laserovým lúčom (Laser Beam Welding LBW) využíva vysokoenergetické laserové impulzy na lokálne zahriatie materiálu na malej ploche. Energia laserového žiarenia sa vedením tepla rozptýli do vnútra materiálu a materiál sa roztaví, aby vytvoril špecifický roztavený kúpeľ. Po stuhnutí sa materiál spojí do Jedno.
Výhodou laserového zvárania je, že akčný bod zvárania je malý, vysokovýkonný zdroj tepla je koncentrovaný, je schopný zvárať hrubé plechy, tepelne ovplyvnená zóna je úzka a deformácia zvárania je malá. Ale zároveň má laserové zváranie vysoké požiadavky na umiestnenie zvárania, drahé zváracie zariadenia a vysoké náklady na zváranie. Pre kovové materiály, ako je hliník a horčík, je odrazivosť lasera vysoká a priame zváranie je ťažké.
Ožarovanie materiálov lasermi s rôznou hustotou výkonu ukazuje, že keď hustota výkonu na obrobku dosiahne viac ako 107 W/cm2, kov vo vyhrievacej zóne sa vo veľmi krátkom čase splyňuje a plyn sa zbieha do malého otvoru v roztavený bazén a tvoria Malý otvor je stredom pre prenos tepla a v blízkosti malého otvoru sa vytvára roztavený bazén, čo je efekt „kľúčovej dierky“ pri zváraní hlbokou penetráciou laserom. Aby sa predišlo nerovnomernostiam roztaveného kúpeľa spôsobeným týmto javom, je možné znížiť energiu lasera, zvýšiť rýchlosť zvárania alebo kontrolovať pretavenie oblasti nugetov, aby sa odstránili bubliny v zóne fúzie a znížila sa tvorba pórov. .
zváranie trením
Zváranie trením s premiešavaním (Friction stir Welding, FSW) je nový typ technológie spájania v pevnej fáze založený na tradičnej technológii zvárania trením. Na rozhraní, ktoré sa má zvárať, keď miešacia hlava postupuje pozdĺž zvarového švu, teplota zváracieho materiálu stúpa a plastifikovaný kov podlieha silnej plastickej deformácii pôsobením mechanického miešania a utláčania a vytvára husté spojenie tuhej fázy. po difúzii a rekryštalizácii.
V porovnaní s tradičnými metódami zvárania má technológia FSW nasledujúce výhody:
Nízka teplota zvárania a malá deformácia zvárania;
Dobré mechanické vlastnosti zvaru;
Proces zvárania je jednoduchý, ekonomický a ekologický.
Hlavné problémy a zameranie výskumu
S aplikáciou hliníkových zliatin v čoraz väčšom počte odvetví priťahuje pozornosť čoraz viac vedcov aj problém ich opravárenského spojenia. Rôznymi zváracími skúškami na hliníkových zliatinách sa zisťuje, že vyspelosť technológie opráv ešte nezodpovedá vývojovým potrebám priemyslu a stále sa v nej vyskytujú rôzne problémy.
Oblúkové zváranie plynovým volfrámom a zváranie kovov v ochrannej atmosfére inertného plynu sú v súčasnosti dve najpoužívanejšie metódy zvárania, ale tieto dve technológie majú širokú tepelne ovplyvnenú zónu a zvarový kov je potrebné roztaviť a potom stuhnúť, čo má vplyv na štruktúra. Väčšie a zvyškové napätie je vysoké, čo má za následok vážny vplyv na mechanické vlastnosti spoja. Hustota energetického lúča laserového zvárania je vysoká a pomer hĺbky k šírke zvaru je veľký, ale je veľmi ľahké vytvárať póry a jeho drahé náklady tiež obmedzujú popularizáciu aplikácií. Zváranie trením s premiešavaním poskytuje riešenie problému tepla, ale zváranie s trením s premiešavaním vyžaduje relatívne veľký rušivý tlak a doprednú hnaciu silu a zariadenie je vo všeobecnosti komplikované a objemné, čo obmedzuje jeho vývoj.
Budúci výskum na súvisiace témy by sa mal zamerať na tieto aspekty:
Začnite od základov tavného zvárania, upravte vzorec zváracieho drôtu, pridajte prvky vzácnych zemín alebo vyberte vhodné množstvo zváracieho aktivátora na kontrolu deformácie zvárania, zníženie napätia a zníženie tvorby pórov.
Kvôli rozšíreniu rozsahu a použitia zliatin sa zvyčajne používajú v spojení s odlišnými materiálmi, takže je potrebné vykonávať experimenty prelínového zvárania medzi rôznymi kovmi, aby sa získali vysokokvalitné spoje.
Vykonajte výskum zvárateľnosti kompozitných zdrojov tepla, ako je hybridné zváranie TIG-laser, laserové kompozitné trecie zváranie s premiešavaním, aby ste dosiahli optimálny výkon zvaru.
