Viimastel aastatel kiiresti tõusnud insener-metallmaterjalina on alumiiniumisulameid laialdaselt kasutatud kosmosetööstuses, autodes, laevades ja muudes valdkondades nende madala tiheduse, suure eritugevuse ja erijäikuse ning hea korrosioonikindluse tõttu. .
Alumiiniumisulamist konstruktsiooniosade väljatöötamist piiravad aga mitmed probleemid, nagu kehv keevitatavus ja halb vormimiskihi jõudlus keevitamisel. Seetõttu on alumiiniumisulamite keevitustehnoloogia muutunud paljude kodu- ja välismaiste teadlaste üheks peamiseks uurimissuunaks.
Ülevaade alumiiniumisulami omadustest
Alumiinium on väga kerge metallmaterjal, mille tihedus on vaid 2,7 g/cm3, mis on umbes 36% terase tihedusest. Alumiiniumsulami kasutamine mehaaniliste osade valmistamiseks võib märkimisväärselt vähendada kaalu ja saavutada kerge kaalu, energiasäästu ja heitkoguste vähendamise efekti.
Alumiiniumsulami eritugevus ja erijäikus on kõrgemad kui 45 terasest ja ABS-plastist. Alumiiniumisulamist materjalide kasutamine soodustab kõrgete jäikusnõuetega integreeritud komponentide tootmist.
Alumiiniumsulamil on suurepärane soojusjuhtivus, elektrijuhtivus ja korrosioonikindlus. A380 alumiiniumisulami ja muude materjalide jõudlusparameetrid on näidatud tabelis 1.
Alumiiniumsulamitel on hea töödeldavus ja taaskasutatavus. Kui eeldada, et kõige mehaaniliselt töödeldava magneesiumisulami lõiketakistuse koefitsient on 1, on teiste metallide lõiketakistus näidatud tabelis 2. On näha, et alumiiniumisulami lõiketakistus on väiksem kui vase, raua ja muude metallide lõiketakistus. materjalid ja lõikamisprotsess on lihtsam.
Alumiiniumsulami keevitamise omadused
Alumiiniumisulamite füüsikaliste ja keemiliste omaduste tõttu on keevitusprotsessis teatud raskusi. Praegusel alumiiniumisulami keevitamisel on peamiselt järgmised probleemid: termiline stress, ablatsiooniaurustumine, tahked kandmised, pooride kokkuvarisemine jne:
Termiline stress
Alumiiniumsulamitel on suurem soojuspaisumistegur ja madalam elastsusmoodul. Keevitusprotsessi ajal on alumiiniumisulami suure deformatsiooni ja suure lineaarse paisumise koefitsiendi tõttu mahukahanemise kiirus tahkumise ajal umbes 6% ning sulabasseini jahutuskiirus ja esmane kristalliseerumiskiirus on kiire, mille tulemuseks on keevisõmbluse sisepinge ja keevisliite jäikus. Suurem on alumiiniumisulamist liigendis lihtne tekitada suurt sisemist pinget, mis põhjustab suuri keevituspingeid ja deformatsioone, moodustades pragusid, laine deformatsiooni ja muid defekte.
Ablatiivne aurustamine
Alumiiniumi sulamistemperatuur on 660 kraadi ja keemistemperatuur on 2647 kraadi, mis on madalam kui teistel metallielementidel, nagu vask ja raud. Liiga kõrge keevitustemperatuuri korral on keevitamise ajal lihtne plahvatada ja pritsida, eriti suure energiatarbega kiirkeevitusel, nagu on näidatud joonisel 1. Lisaks on mõnel alumiiniumisulamile lisatud legeerival elemendil madal keemistemperatuur, mida on keevitamise hetkelise kõrge temperatuuri juures lihtne aurustuda ja põletada ning plahvatuse tagajärjel tekkinud pritsmed võtavad ära ka osa piiskadest, mis paratamatult muudab keevisõmbluse pindala. Keemiline koostis ei soodusta keevisliidete toimivuse reguleerimist. Seetõttu kasutatakse kõrge temperatuuriga ablatsiooni kompenseerimiseks keevitamisel sageli keevitustraate või muid keevitusmaterjale, mille keemistemperatuuri elemendi sisaldus on kõrgem kui mitteväärismetallil.
Tahked kandmised
Alumiiniumi keemilised omadused on väga aktiivsed ja kergesti oksüdeeruvad. Keevitusprotsessi ajal oksüdeeritakse alumiiniumisulami pind kõrge sulamistemperatuuriga Al2O3-ks (umbes 2050 kraadi, samas kui alumiiniumi sulamistemperatuur on 660 kraadi, mis on väga erinev). Oksiidid on tihedad ja suure kõvadusega ning need segatakse sulami sulamisvedelikus madala tihedusega sulabasseini piirkonnas, millest on lihtne moodustada väikeseid tahkeid räbu lisandeid, mida ei ole lihtne tühjendada, mis ei mõjuta mitte ainult sulami mikrostruktuuri. keevisõmblus, kuid on altid ka elektrokeemilisele korrosioonile, mis põhjustab keevisliidete mehaanilised omadused vähenevad ning Al2O3 katab sulabasseini ja soone, mis mõjutab tõsiselt sulamite keevitamist ning vähendab keevisliidete mikrostruktuuri ja omadusi.
Stoma kollaps
Alumiiniumsulami sulamistemperatuur on palju madalam kui selle oksiidil ning see on väga aktiivne ja kergesti oksüdeeritav. Keevitusprotsessi käigus sulatatakse alumiiniumsulam kõrgel temperatuuril, et moodustada sulabassein. Sulabasseini pinnal olev alumiinium oksüdeeritakse, moodustades oksiidkile, mis katab sulabasseini tahkel kujul. Kuna sulanud oksiidkile värvus ei erine palju alumiiniumisulami sulaolekust ja oksiidkile katvuse tõttu, on keevitusprotsessi ajal keeruline jälgida alumiiniumisulami sulamismassi sulamisastet. , seega on lihtne põhjustada liiga kõrget temperatuuri ja põhjustada keevitussoojust. Suured varingud piirkonnas hävitavad keevismetalli kuju ja omadused.
Keevitussoojusallika hetkelise suure võimsuse toimel lahustub sulami vedelikus suur kogus vesinikku. Pärast keevitamise lõppu, kui sulabasseini temperatuur langeb, väheneb järk-järgult gaasi lahustuvus, mis muutub keevitusprotsessi käigus pooride peamiseks põhjuseks. põhjus. Tänu alumiiniumisulamite kiirele tahkumiskiirusele ja madalale tihedusele tekivad keevisõmbluse kiirel tahkumisel erineva suurusega vesinikupoorid. Need poorid kogunevad ja laienevad keevitusprotsessi ajal, moodustades lõpuks nähtavad poorid ja vähendades liite struktuurseid omadusi. Muidugi ei pruugi poorid tekkida keevitusprotsessi käigus. Valutehnoloogia mõjul tekib valuprotsessi käigus poore ka mitteväärismetall. Keevitamise ajal põhjustab soojussisendi ja siserõhu pidev muutumine mitteväärismetalli algsete pooride paisumist kuumuse toimel või üksteisega ühinedes, moodustades keevispoorid. Keevitussoojussisendi suurenemisega suurenevad ka poorid. Seetõttu tuleb vesinikuallika kontrollimiseks keevitusmaterjali enne kasutamist rangelt kuivatada. Keevitamise ajal tuleks voolu vastavalt suurendada, et pikendada sulabasseini olemasolu ja jätta piisavalt aega vesiniku sadestumiseks, kontrollides seeläbi pooride teket.
Alumiiniumsulamite keevitustehnoloogia klassifikatsioon
Alumiiniumisulamite kasutusala laienemisega tuuakse esile üha rohkem probleeme. Teadustöö edenedes on alumiiniumisulamite keevitustehnoloogia teinud suuri edusamme. Praegu kasutatakse peamiselt volfram-argooni kaarkeevitust (TIG), sulainertgaasi keevitamist (MIG), laserkeevitust (LBW), hõõrdkeevitust (FSW).
TIG-keevitus
Tungsten Inert Gas Welding (TIG) on tüüpiline inertgaasi kaarkeevitus ja see on kõige sagedamini kasutatav keevitusmeetod. Keevitamise ajal kasutatakse elektroodidena volframelektroodi ja keevituspinda ning heelium- või argoongaas juhitakse kahe elektroodi vahele kaitsegaasina kaare kaitsmiseks ning traat ja mitteväärismetall sulatatakse hetkelise kõrgepingelahendusega, ja alumiiniumisulamist osad keevitatakse ja vormitakse ning keevisõmbluste remont ja valudefektide parandamine.
Peamiselt on järgmised tehnilised omadused:
Lihtne kasutada, paindlik ja juhitav, kohandatav erinevate töötingimustega ja odav;
Kuumuse mõjuala on kitsas, piisava traadi etteande korral on keevisühenduse deformatsioon väike ja liite terviklik jõudlus on kõrge;
Keevitusprotsessi jõudlus on hea ja stabiilne ning keevitusõmblus on tihe ja ilus.
MIG keevitamine
MIG (GMA-Gas Metal Arc Welding) ja TIG on mõlemad varjestatud inertgaaskeevitus, erinevus seisneb selles, et TIG-keevitus kasutab volframelektroodi fikseeritud elektroodina, samas kui MIG-keevitus kasutab elektroodina täitetraadi materjali ennast.
Alumiiniumsulamist MIG-keevituse pealekandmisprotsess on aga väga piiratud, kuna pehme alumiiniumtraat põhjustab traadi kehva etteandmise ja sulaalumiinium kipub keevitamise ajal tekitama "rippumise ilma tilkumiseta", mis põhjustab kergesti tilkade tekkimist. pritsmed. Eeliseks on see, et MIG-keevitus on kiirem kui TIG-keevitus ja suurte toorikute keevitamisel on keevitusliikumise ulatus väike. Reguleerides traadi etteande kiirust, võib keevitamise efektiivsus ulatuda mitme meetrini minutis.
Laserkeevitus
Laserkiirkeevitus (Laser Beam Welding LBW) kasutab materjali lokaalseks kuumutamiseks väikesel alal suure energiaga laserimpulsse. Laserkiirguse energia hajub soojusjuhtivuse kaudu materjali sisemusse ja materjal sulab, moodustades spetsiifilise sulakogumi. Pärast tahkumist ühendatakse materjal üheks.
Laserkeevituse eelised on see, et keevituspunkt on väike, suure võimsusega soojusallikas on kontsentreeritud ja sellel on võime keevitada paksu kuumuse mõjuala ja väikese keevitusdeformatsiooniga plaate. Kuid samal ajal on laserkeevitamisel kõrged nõuded keevitamise positsioneerimisele, kallitele keevitusseadmetele ja kõrgetele keevituskuludele. Metallmaterjalide, nagu alumiinium ja magneesium, puhul on laseri peegelduvus kõrge ja otsekeevitamine keeruline.
Materjalide kiiritamine erineva võimsustihedusega laseritega näitab, et kui tooriku võimsustihedus jõuab üle 107 W/cm2, aurustub kuumutustsoonis olev metall väga lühikese aja jooksul ja gaas koondub väikesesse auku. sulabassein, see väike auk on soojusülekande keskus ja väikese augu lähedale moodustub sulabassein, mis on lasersügavkeevituse "võtmeaugu" efekt. Selle nähtuse põhjustatud ebaühtlase sulabasseini probleemi vältimiseks on võimalik vähendada laseri energiat, suurendada keevituskiirust või juhtida tükipiirkonna ümbersulamist, et eemaldada mullid sulamistsoonist ja vähendada pooride teket. .
Hõõrdkeevitus
Hõõrdkeevitus (Friction stir Welding, FSW) on uus tahkefaasiline liitmistehnoloogia, mis on moodustatud traditsioonilise hõõrdkeevitustehnoloogia baasil. Keevitaval liidesel, kui segamispea liigub piki keevisõmblust, tõuseb keevitusmaterjali temperatuur ja plastifitseeritud metall läbib mehaanilise segamise ja segamise mõjul tugeva plastilise deformatsiooni ning moodustab pärast seda tiheda tahke faasi ühenduse. difusioon ja ümberkristallimine.
Võrreldes traditsiooniliste keevitusmeetoditega on FSW-tehnoloogial järgmised eelised:
Madal keevitustemperatuur ja väike keevitusdeformatsioon;
Keevisõmbluse mehaanilised omadused on head;
Keevitusprotsess on lihtne, ökonoomne ja keskkonnasõbralik.
