Kaip inžinerinė metalo medžiaga, kuri pastaraisiais metais sparčiai išaugo, aliuminio lydinys buvo plačiai naudojamas aviacijos erdvėje, automobiliuose, laivuose ir kitose srityse dėl savo mažo tankio, didelio specifinio stiprumo ir specifinio standumo bei gero atsparumo korozijai. .
Tačiau daugybė problemų, tokių kaip prastas suvirinamumas ir prastas formavimo sluoksnio veikimas suvirinant, riboja aliuminio lydinio konstrukcinių dalių kūrimą. Todėl aliuminio lydinio suvirinimo technologija tapo viena iš pagrindinių daugelio mokslininkų tyrimų krypčių šalyje ir užsienyje.
Aliuminio lydinio veikimo apžvalga
Aliuminis yra labai lengva metalo medžiaga, kurios tankis yra tik 2,7 g/cm3, o tai sudaro apie 36 procentus plieno tankio. Aliuminio lydinys naudojamas mechaninėms dalims gaminti, kurios gali žymiai sumažinti svorį ir pasiekti lengvo svorio, energijos taupymo ir išmetamųjų teršalų mažinimo poveikį.
Aliuminio lydinio specifinis stiprumas ir standumas yra didesnis nei 45 plieno ir ABS plastiko. Aliuminio lydinio medžiagų naudojimas yra palankus integruotų komponentų, kuriems keliami dideli standumo reikalavimai, gamyba.
Aliuminio lydinys turi puikų šilumos laidumą, elektros laidumą ir atsparumą korozijai. A380 aliuminio lydinio ir kitų medžiagų eksploataciniai parametrai pateikti 1 lentelėje.
Aliuminio lydinys turi gerą apdirbamumą ir perdirbamumą. Jei daroma prielaida, kad lengviausiai pjaunamo magnio lydinio atsparumo pjovimui koeficientas yra 1, kitų metalų atsparumas pjovimui parodytas 2 lentelėje. Matyti, kad aliuminio lydinio atsparumas pjovimui yra mažesnis nei vario, geležies. ir kitos medžiagos, o pjovimo procesas yra gana lengvas.
Aliuminio lydinio suvirinimo charakteristikos
Dėl fizinių ir cheminių aliuminio lydinių savybių suvirinimo procese kyla tam tikrų sunkumų. Dabartinis aliuminio lydinio suvirinimas dažniausiai turi šias problemas: terminis įtempis, abliacijos išgaravimas, kietų intarpų, porų žlugimas ir kt.:
Šiluminis stresas
Aliuminio lydiniai turi didesnį šiluminio plėtimosi koeficientą ir mažesnį elastingumo modulį. Suvirinimo proceso metu dėl didelės aliuminio lydinio deformacijos ir didelio linijinio plėtimosi koeficiento tūrio susitraukimo greitis kietėjimo metu yra apie 6 proc., o išlydyto baseino aušinimo greitis ir pirminės kristalizacijos greitis yra greiti, todėl vidinis suvirinimo siūlės įtempis ir suvirintos jungties standumas. Didesnis, nesunku sukelti didesnį vidinį įtempį aliuminio lydinio jungtyje, sukeldamas didesnį suvirinimo įtempį ir deformaciją, formuodamas tokius defektus kaip įtrūkimai ir bangų deformacija.
Abliacinis garinimas
Aliuminio lydymosi temperatūra yra 660 laipsnių, o virimo temperatūra - 2647 laipsnių, o tai yra žemesnė nei kitų metalinių elementų, tokių kaip varis ir geležis. Suvirinimo proceso metu, jei suvirinimo temperatūra yra per aukšta, nesunku sukelti sprogimą ir susidaryti purslų, ypač suvirinant didelės energijos pluoštu, kaip parodyta 1 paveiksle. Be to, kai kurie legiravimo elementai pridedami prie aliuminio lydinio. turi žemą virimo temperatūrą, kurią labai lengva išgaruoti ir sudeginti esant momentinei aukštai suvirinimo temperatūrai, o sprogimo metu susidarę purslai taip pat pašalins dalį skysčio lašelių, o tai neišvengiamai keičia suvirinimo plotą. Cheminė sudėtis nėra palanki suvirintos jungties veikimo reguliavimui. Todėl, siekiant kompensuoti aukštos temperatūros abliaciją, suvirinimo metu dažnai naudojama suvirinimo viela ar kitos suvirinimo medžiagos, kurių virimo temperatūros elementų kiekis yra didesnis nei netauriųjų metalų.
tvirtas įtraukimas
Aliuminio cheminės savybės yra labai aktyvios ir lengvai oksiduojamos. Suvirinimo proceso metu aliuminio lydinio paviršius oksiduojamas ir susidaro Al2O3, kurio lydymosi temperatūra yra aukšta (apie 2050 laipsnių C, o aliuminio lydymosi temperatūra yra 660 laipsnių C, o tai labai skiriasi). Oksidai yra tankūs ir didelio kietumo ir yra sumaišomi su mažo tankio išlydyto lydinio skystyje išlydyto baseino zonoje, iš kurio lengva susidaryti smulkų kietą šlaką ir sunku išleisti, o tai ne tik paveikia suvirinimo siūlės struktūrą, bet ir lengvai sukelia elektrocheminę koroziją, kuri sukels Suvirintų jungčių mechaninės savybės mažėja, o Al2O3 padengia išsilydžiusį baseiną ir griovelį, o tai rimtai veikia lydinių suvirinimą ir sumažina suvirintų jungčių mikrostruktūrą ir savybes.
Stomatų kolapsas
Aliuminio lydinio lydymosi temperatūra yra daug žemesnė nei jo oksido, o jo prigimtis yra gyva ir lengvai oksiduojama. Suvirinimo proceso metu aliuminio lydinys dėl lydymosi aukštoje temperatūroje sudaro išlydytą baseiną. Išlydyto baseino paviršiuje esantis aliuminis oksiduojamas, kad susidarytų oksido plėvelė, kuri padengia išlydytą baseiną kietoje būsenoje. Kadangi oksido plėvelės spalva po lydymosi nedaug skiriasi nuo išlydyto aliuminio lydinio spalvos ir dėl oksido plėvelės dangos, sunku stebėti aliuminio lydinio išlydyto baseino lydymosi laipsnį suvirinimo proceso metu. , todėl nesunku sukelti per aukštą temperatūrą, sukeldama suvirinimo šilumos įtaką Didžioji ploto dalis griūva, sunaikindama suvirinimo metalo formą ir savybes.
Veikiant momentinei didelei suvirinimo šilumos šaltinio galiai, lydinio skystyje ištirpsta didelis vandenilio dujų kiekis. Baigus suvirinimą, mažėjant išlydyto baseino temperatūrai, palaipsniui mažėja ir dujų tirpumas, o tai tampa pagrindine suvirinimo proceso porų priežastimi. priežastis. Kadangi aliuminio lydinio kietėjimo greitis yra per didelis, o tankis mažas, greito suvirinimo siūlės kietėjimo metu susidaro įvairaus dydžio vandenilio poros. Šios poros toliau kaupsis ir plėsis suvirinimo proceso metu, galiausiai suformuodamos matomas dideles poras ir sumažindamos jungties struktūrines savybes. Žinoma, poros nebūtinai susidaro suvirinimo metu. Dėl liejimo proceso technologijos įtakos liejimo proceso metu poras susidarys ir pats netauriųjų metalų. Suvirinimo metu šilumos tiekimas ir vidinis slėgis nuolat kinta, todėl pradinės netauriųjų metalų poros išsiplečia arba jungiasi viena su kita, sudarydamos suvirinimo poras. Didėjant suvirinimo šilumos kiekiui, padidės ir poros. Todėl, norint kontroliuoti vandenilio šaltinį, suvirinimo medžiaga prieš naudojimą turi būti griežtai išdžiovinta. Suvirinimo metu srovė atitinkamai padidinama, kad pailgėtų išlydyto baseino egzistavimo laikas ir būtų pakankamai laiko vandeniliui nusodinti, taip kontroliuojant porų susidarymą.
paveikslėlį
2 pav. Stomatų susidarymas ir konvergencija
Aliuminio lydinio suvirinimo technologijos klasifikacija
Plečiantis aliuminio lydinių pritaikymo spektrui, išryškėja vis daugiau problemų. Tobulėjant tyrimams, aliuminio lydinio suvirinimo technologija buvo labai išvystyta. Šiuo metu daugiausia naudojamas volframo argono lankinis suvirinimas (TIG), suvirinimas išlydytomis inertinėmis dujomis (MIG), suvirinimas lazeriu (LBW), suvirinimas trinties būdu (FSW).
Dujinis volframo lankinis suvirinimas
Suvirinimas volframo inertinėmis dujomis (TIG) yra tipiškas suvirinimas su inertinėmis dujomis ir yra dažniausiai naudojamas suvirinimo būdas. Suvirinant volframo elektrodas ir suvirinimo paviršius naudojami kaip elektrodai, o helio arba argono dujos perduodamos tarp dviejų elektrodų kaip apsauginės dujos, apsaugančios lanką, o viela ir netaurieji metalai išlydomi momentiniu aukštos įtampos iškrovimu, o aliuminio lydinio detalės suvirinamos ir formuojamos bei Suvirinimas ir liejimo defektų taisymas.
Iš esmės jis turi šias technines charakteristikas:
Lengvai valdomas, lankstus ir valdomas, pritaikomas įvairioms darbo sąlygoms ir aplinkoms bei nedidelė kaina;
Šilumos paveikta zona yra siaura, o suvirintos jungties deformacija yra maža, jei yra pakankamai vielos padavimo, o visapusiškas jungties veikimas yra didelis;
Suvirinimo procesas yra geras ir stabilus, o suvirinimo siūlė yra tanki ir graži.
MIG suvirinimas
Tiek MIG (GMA-Gas Metal Arc Welding), tiek TIG yra suvirinimas su inertinėmis dujomis. Skirtumas tas, kad suvirinant TIG volframo elektrodai naudojami kaip fiksuoti elektrodai, o suvirinant MIG kaip elektrodai naudojama pati užpildyta vielos medžiaga.
Aliuminio lydinio suvirinimo metalinėmis inertinėmis dujomis metu įtampa ir srovė veikia suvirinimo vielos elektrodo galą, o tarp elektrodo ir netauriojo metalo susidaro momentinis aukštas slėgis, dėl kurio lydosi netaurius metalas ir griovelis, o laido gale esantis lašelis nukrenta ir vertikaliai pereina į pagrindinį metalą. Ant išlydytos medžiagos baseino susidaro suvirinimo zona.
Tačiau aliuminio lydinio MIG suvirinimo taikymo procesas yra palyginti ribotas, nes dėl aliuminio vielos minkštumo prastai tiekiama viela, o išlydytas aliuminis suvirinimo metu gali susidaryti „kabo, bet ne lašėjimo“ reiškinį, o tai yra lengva. kad lašeliai išsitaškytų. Privalumas yra tas, kad MIG suvirinimas yra greitesnis nei TIG suvirinimas, o suvirinimo judesių diapazonas suvirinant didelius ruošinius yra mažas. Reguliuojant vielos padavimo greitį, suvirinimo efektyvumas gali siekti kelis metrus per minutę.
suvirinimas lazeriu
Lazerinio pluošto suvirinimas (Laser Beam Welding LBW) naudoja didelės energijos lazerio impulsus, kad lokaliai pašildytų medžiagą nedideliame plote. Lazerio spinduliuotės energija per šilumos laidumą pasklinda į medžiagos vidų, o medžiaga ištirpsta, kad susidarytų specifinis išlydytas baseinas. Po sukietėjimo medžiaga sujungiama į One.
Suvirinimo lazeriu pranašumas yra tas, kad suvirinimo veikimo taškas yra mažas, didelės galios šilumos šaltinis yra koncentruotas, jis gali suvirinti storas plokštes, šilumos poveikio zona yra siaura, o suvirinimo deformacija nedidelė. Tačiau tuo pačiu metu lazeriniam suvirinimui keliami aukšti reikalavimai suvirinimo pozicionavimui, brangi suvirinimo įranga ir didelės suvirinimo išlaidos. Metalinių medžiagų, tokių kaip aliuminis ir magnis, lazerio atspindėjimas yra didelis, o tiesioginis suvirinimas yra sudėtingas.
Apšvitinant medžiagas skirtingo galios tankio lazeriais matyti, kad ruošinio galios tankiui pasiekus daugiau nei 107W/cm2, metalas šildymo zonoje per labai trumpą laiką bus dujofikuotas, o dujos susilies į mažą skylutę. išlydytas baseinas ir suformuoti maža skylė yra šilumos perdavimo centras, o šalia mažos skylės susidaro išlydytas baseinas, o tai yra lazerio giluminio suvirinimo „rakto skylutės“ efektas. Siekiant išvengti šio reiškinio sukelto išlydyto baseino nelygumo, galima sumažinti lazerio energiją, padidinti suvirinimo greitį arba kontroliuoti grynuolio srities perlydymą, kad būtų pašalinti burbuliukai sintezės zonoje ir sumažintas porų susidarymas. .
suvirinimas frikciniu maišytuvu
Frikcinis maišomasis suvirinimas (Friction stir Welding, FSW) – tai naujo tipo kietosios fazės sujungimo technologija, pagrįsta tradicine frikcinio suvirinimo technologija. Suvirinamoje sąsajoje, kai maišymo galvutė juda išilgai suvirinimo siūlės, suvirinimo medžiagos temperatūra pakyla, o plastifikuotas metalas patiria stiprią plastinę deformaciją, veikiant mechaniniam maišymui ir trikdymui, ir susidaro tankus kietosios fazės ryšys. po difuzijos ir rekristalizacijos.
Palyginti su tradiciniais suvirinimo metodais, FSW technologija turi šiuos privalumus:
Žema suvirinimo temperatūra ir nedidelė suvirinimo deformacija;
Geros mechaninės siūlės savybės;
Suvirinimo procesas yra paprastas, ekonomiškas ir nekenksmingas aplinkai.
Pagrindinės problemos ir tyrimo kryptis
Aliuminio lydinius pritaikius vis daugiau pramonės šakų, vis daugiau mokslininkų dėmesį patraukė ir jo remonto jungties problema. Atliekant įvairius aliuminio lydinių suvirinimo bandymus, nustatyta, kad remonto technologijos branda dar neatitiko pramonės plėtros poreikių, o joje vis dar yra įvairių problemų.
Dujinis lankinis suvirinimas volframo dujomis ir metalinis suvirinimas inertinėmis dujomis yra du plačiausiai šiuo metu naudojami suvirinimo būdai, tačiau šios dvi technologijos turi plačią šilumos poveikio zoną, o suvirinimo metalą reikia išlydyti ir sukietinti, o tai turi įtakos struktūra. Didesnis, o liekamasis įtempis yra didelis, todėl labai paveikiamos jungties mechaninės savybės. Lazerinio suvirinimo energijos pluošto tankis yra didelis, o siūlės gylio ir pločio santykis yra didelis, tačiau labai lengva suformuoti poras, o brangi kaina taip pat riboja pritaikymo populiarumą. Frikcinis maišomasis suvirinimas išsprendžia šilumos problemą, tačiau suvirinimui su frikciniu maišytuvu reikalingas santykinai didelis slėgis ir varomoji jėga, o įranga paprastai yra sudėtinga ir didelė, o tai riboja jos plėtrą.
Būsimi tyrimai susijusiomis temomis turėtų būti sutelkti į šiuos aspektus:
Pradėdami nuo lydinio suvirinimo pagrindo, sureguliuokite suvirinimo vielos formulę, pridėkite retųjų žemių elementų arba pasirinkite tinkamą suvirinimo aktyvatoriaus kiekį, kad valdytumėte suvirinimo deformaciją, sumažintumėte įtempį ir sumažintumėte porų susidarymą.
Plečiantis lydinių taikymo sričiai ir pritaikymui, jie dažniausiai naudojami kartu su skirtingomis medžiagomis, todėl norint gauti kokybiškas jungtis, būtina atlikti skirtingų metalų suvirinimo juosmens eksperimentus.
Atlikti sudėtinių šilumos šaltinių, tokių kaip TIG-lazerinis hibridinis suvirinimas, lazerinis kompozitinis trinties maišomasis suvirinimas, suvirinamumo tyrimus, kad būtų pasiektas optimalus suvirinimo efektyvumas.
