Viimastel aastatel kiiresti tõusnud insener-metallmaterjalina on alumiiniumisulamit laialdaselt kasutatud kosmosetööstuses, autodes, laevades ja muudes valdkondades tänu selle madalale tihedusele, kõrgele eritugevusele ja erijäikusele ning heale korrosioonikindlusele. .
Alumiiniumisulamist konstruktsiooniosade väljatöötamist piiravad aga mitmed probleemid, nagu kehv keevitatavus ja vormiva kihi halb jõudlus keevitamisel. Seetõttu on alumiiniumisulamite keevitustehnoloogia muutunud paljude kodu- ja välismaiste teadlaste üheks peamiseks uurimissuunaks.
Alumiiniumisulami toimivuse ülevaade
Alumiinium on väga kerge metallmaterjal, mille tihedus on vaid 2,7 g/cm3, mis moodustab umbes 36 protsenti terase tihedusest. Alumiiniumsulamit kasutatakse mehaaniliste osade valmistamiseks, mis võivad oluliselt vähendada kaalu ja saavutada kerge kaalu, energiasäästu ja heitkoguste vähendamise mõju.
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.
Alumiiniumsulamil on hea töödeldavus ja taaskasutatavus. Kui eeldada, et kõige kergemini lõigatava magneesiumisulami lõiketakistuse koefitsient on 1, siis teiste metallide lõiketakistus on toodud tabelis 2. On näha, et alumiiniumisulami lõiketakistus on väiksem kui vasel, raual. ja muud materjalid ning lõikamisprotsess on suhteliselt lihtne.
Alumiiniumsulami keevitamise omadused
Alumiiniumisulamite füüsikaliste ja keemiliste omaduste tõttu on keevitusprotsessis teatud raskusi. Praegusel alumiiniumisulami keevitamisel on peamiselt järgmised probleemid: termiline stress, ablatsiooniaurustumine, tahked lisandid, pooride kokkuvarisemine jne:
Termiline stress
Alumiiniumsulamitel on suurem soojuspaisumistegur ja väiksem elastsusmoodul. Keevitusprotsessi ajal on alumiiniumisulami suure deformatsiooni ja suure lineaarse paisumise koefitsiendi tõttu mahukahanemise kiirus tahkestumise ajal umbes 6 protsenti ning sulabasseini jahutuskiirus ja primaarne kristalliseerumiskiirus on kiire, mille tulemuseks on keevisõmbluse sisepinge ja keevisliite jäikus. Suurem on kerge tekitada alumiiniumisulamist liigendis suuremat sisemist pinget, põhjustades suuremat keevituspinget ja deformatsiooni, moodustades defekte, nagu praod ja laine deformatsioon.
Ablatsioon aurustumine
Alumiiniumi sulamistemperatuur on 660 kraadi ja keemistemperatuur 2647 kraadi, mis on madalam kui teistel metallielementidel, nagu vask ja raud. Liiga kõrge keevitustemperatuuri korral on keevitamise ajal lihtne tekitada plahvatust ja pritsmeid, eriti suure energiatarbega kiirkeevitusel, nagu on näidatud joonisel 1. Lisaks lisatakse alumiiniumsulamile mõned legeerivad elemendid on madala keemistemperatuuriga, mida on keevitamise hetkeliselt kõrgel temperatuuril väga lihtne aurustuda ja põletada ning plahvatuse tekitatud pritsmed võtavad ära ka osa vedelikupiiskadest, mis paratamatult muudab keevisõmbluse pindala. Keemiline koostis ei soodusta keevisühenduse toimivuse reguleerimist. Seetõttu kasutatakse kõrge temperatuuriga ablatsiooni kompenseerimiseks keevitamisel sageli keevitustraati või muid keevitusmaterjale, mille keemistemperatuuri elemendi sisaldus on kõrgem kui mitteväärismetallil.
tahke kaasamine
Alumiiniumi keemilised omadused on väga aktiivsed ja kergesti oksüdeeruvad. Keevitusprotsessi käigus oksüdeeritakse alumiiniumisulami pind kõrge sulamistemperatuuriga Al2O3-ks (umbes 2050 kraadi C, samas kui alumiiniumi sulamistemperatuur on 660 kraadi C, mis on väga erinev). Oksiidid on tihedad ja suure kõvadusega ning segunevad sulamisvedelikus madala tihedusega sulabasseini piirkonnas, millest on lihtne moodustada peent tahket räbu ja mida on raske tühjendada, mis mitte ainult ei mõjuta keevisõmbluse struktuuri, kuid tekitab kergesti ka elektrokeemilist korrosiooni, mis põhjustab keevisliidete mehaanilised omadused vähenevad ning Al2O3 katab sulabasseini ja soone, mis mõjutab tõsiselt sulamite keevitamist ning vähendab keevisliidete mikrostruktuuri ja omadusi.
Stomataalne kollaps
Alumiiniumsulami sulamistemperatuur on palju madalam kui selle oksiidil ning selle olemus on elav ja kergesti oksüdeeruv. Keevitusprotsessi käigus moodustab alumiiniumsulam kõrgel temperatuuril sulamise tõttu sulabasseini. Sulabasseini pinnal olev alumiinium oksüdeeritakse, moodustades oksiidkile, mis katab sulabasseini tahkes olekus. Kuna oksiidkile värvus pärast sulamist ei erine palju sula alumiiniumisulami värvist ja oksiidkile katvuse tõttu on keevitusprotsessi ajal keeruline jälgida alumiiniumisulamist sulavanni sulamisastet. , mistõttu on lihtne põhjustada liiga kõrget temperatuuri, põhjustades keevitussoojuse mõju. Suurem osa piirkonnast variseb kokku, hävitades keevismetalli kuju ja omadused.
Keevitussoojusallika hetkelise suure võimsuse toimel lahustub sulami vedelikus suur kogus gaasilist vesinikku. Pärast keevitamise lõppu, kui sulabasseini temperatuur langeb, väheneb järk-järgult ka gaasi lahustuvus, mis muutub keevitusprotsessis pooride peamiseks põhjuseks. põhjus. Kuna alumiiniumisulami tahkumiskiirus on liiga kiire ja tihedus väike, tekivad keevisõmbluse kiirel tahkumisel erineva suurusega vesinikupoorid. Need poorid kogunevad ja laienevad keevitusprotsessi ajal, moodustades lõpuks nähtavad suured poorid ja vähendades liite struktuurseid omadusi. Muidugi ei pruugi poorid tekkida keevitusprotsessi käigus. Valuprotsessi tehnoloogia mõjul tekib valuprotsessi käigus poore ka mitteväärismetall. Keevitamise ajal muutuvad soojussisend ja siserõhk pidevalt, mistõttu põhimetallis olevad algsed poorid laienevad või ühinevad üksteisega keevispooride moodustamiseks. Keevitussoojuse suurenedes suurenevad ka poorid. Seetõttu tuleb vesinikuallika kontrollimiseks keevitusmaterjal enne kasutamist rangelt kuivatada. Keevitamise ajal suurendatakse voolu sobivalt, et pikendada sulabasseini olemasolu ja anda piisavalt aega vesiniku sadestumiseks, kontrollides seeläbi pooride teket.
pilt
Joon.2 Stoomide teke ja konvergents
Alumiiniumisulamite keevitustehnoloogia klassifikatsioon
Alumiiniumisulamite kasutusala laienemisega tuuakse esile üha rohkem probleeme. Teadustöö edenedes on alumiiniumisulami keevitustehnoloogia märkimisväärselt arenenud. Praegu kasutatakse peamiselt volfram-argoon-kaarkeevitus (TIG), sulainertgaaskeevitus (MIG), laserkeevitus (LBW), hõõrdkeevitus (FSW).
Gaas-volframkaarkeevitus
Tungsten Inert Gas Welding (TIG) on tüüpiline inertgaasiga varjestatud keevitus ja see on kõige sagedamini kasutatav keevitusmeetod. Keevitamisel kasutatakse elektroodidena volframelektroodi ja keevituspinda ning heeliumi või argoongaas juhitakse kahe elektroodi vahele kaitsegaasina kaare kaitsmiseks ning traat ja mitteväärismetall sulatatakse hetkelise kõrgepingelahendusega, ja alumiiniumisulamist osad keevitatakse ja vormitakse ning Keevitamine ja valudefektide parandamine.
Sellel on peamiselt järgmised tehnilised omadused:
Lihtne kasutada, paindlik ja juhitav, kohandatav erinevate töötingimuste ja keskkondadega ning odav;
Kuumuse mõjuala on kitsas ja piisava traadi etteande korral on keevisühenduse deformatsioon väike ning liite terviklik jõudlus on kõrge;
Keevitusprotsessi jõudlus on hea ja stabiilne ning keevisõmblus on tihe ja ilus.
MIG-keevitus
Nii MIG (GMA-Gas Metal Arc Welding) kui ka TIG on inertgaasiga varjestatud keevitus. Erinevus seisneb selles, et TIG-keevitus kasutab volframelektroode fikseeritud elektroodidena, samas kui MIG-keevitus kasutab elektroodidena täidetud traadi materjali.
Alumiiniumsulami metallist inertgaasiga varjestatud keevitusprotsessis mõjuvad pinge ja vool keevistraadi elektroodi otsale ning elektroodi ja mitteväärismetalli vahele tekib hetkeline kõrge rõhk, mis sulatab mitteväärismetalli ja soon ning traadi otsas olev piisk kukub maha ja läheb vertikaalselt üle mitteväärismetallile. Materjali sulabasseinile moodustub keevisõmblus.
Alumiiniumsulamist MIG-keevituse pealekandmisprotsess on aga suhteliselt piiratud, kuna alumiiniumtraadi pehmus põhjustab kehva traadi etteandetavuse ja sulaalumiinium võib keevitamise ajal tekitada "rippumise, kuid mitte tilkumise" nähtust, mis on lihtne. tilkade pritsimiseks. 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 sulatatakse, moodustades spetsiifilise sulakogumi. Pärast tahkumist ühendatakse materjal Üheks.
Laserkeevituse eeliseks on see, et keevituspunkt on väike, suure võimsusega soojusallikas on kontsentreeritud, see on võimeline keevitama paksu plaate, kuumusest mõjutatud tsoon on kitsas ja keevituse deformatsioon on väike. 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, gaasistub kuumutustsoonis olev metall väga lühikese aja jooksul ja gaas koondub väikesesse auku. sulabassein ja moodustavad a Väike auk on soojusülekande keskus ja väikese augu lähedale moodustub sulabassein, mis on lasersügavkeevituse "võtmeaugu" efekt. Selle nähtuse põhjustatud sulabasseini ebatasasuse vältimiseks on võimalik vähendada laserenergiat, suurendada keevituskiirust või juhtida tükipiirkonna ümbersulamist, et eemaldada mullid sulamistsoonis ja vähendada pooride teket. .
hõõrdkeevitus
Hõõrdkeevitus (Friction stir Welding, FSW) on uut tüüpi tahkefaasiline ühendustehnoloogia, mis põhineb traditsioonilisel hõõrdkeevitustehnoloogial. Keevitaval liidesel, kui segamispea liigub piki keevisõmblust, tõuseb keevitusmaterjali temperatuur ja plastifitseeritud metall läbib mehaanilise segamise ja segamise mõjul tugeva plastilise deformatsiooni ning moodustab tiheda tahkefaasilise ühenduse. pärast difusiooni ja ümberkristallimist.
Võrreldes traditsiooniliste keevitusmeetoditega on FSW-tehnoloogial järgmised eelised:
Madal keevitustemperatuur ja väike keevitusdeformatsioon;
Keevisõmbluse head mehaanilised omadused;
Keevitusprotsess on lihtne, ökonoomne ja keskkonnasõbralik.
Peamised probleemid ja uurimistöö fookus
Alumiiniumisulamite rakendamisega üha enamates tööstusharudes on selle remondiühenduse probleem pälvinud ka üha rohkemate teadlaste tähelepanu. Erinevate alumiiniumisulamite keevituskatsete käigus leitakse, et remonditehnoloogia küpsus ei ole veel vastanud tööstuse arendusvajadustele ning selles on endiselt mitmesuguseid probleeme.
Gaasvolframkaarkeevitus ja metallist inertgaasiga varjestatud keevitus on kaks praegu kõige laialdasemalt kasutatavat keevitusmeetodit, kuid neil kahel tehnoloogial on lai kuumuse mõjuala ning keevismetall tuleb sulatada ja seejärel tahkuda, mis mõjutab struktuur. Suurem ja jääkpinge on suur, mille tulemuseks on tõsine mõju vuugi mehaanilistele omadustele. Laserkeevituse energiakiire tihedus on suur ning keevisõmbluse sügavuse ja laiuse suhe on suur, kuid poore on väga lihtne moodustada ning selle kallis hind piirab ka rakenduste populariseerimist. Hõõrdkeevitus pakub lahenduse kuumuse probleemile, kuid hõõrdkeevitus nõuab suhteliselt suurt pöörderõhku ja edasiliikuvat jõudu ning seade on üldiselt keeruline ja mahukas, mis piirab selle arengut.
Seotud teemade tulevaste uuringute fookus peaks olema järgmistel aspektidel:
Alustades sulakeevituse baasist, reguleerige keevitustraadi valemit, lisage haruldasi muldmetalli elemente või valige sobiv kogus keevitusaktivaatorit, et kontrollida keevitusdeformatsiooni, vähendada pingeid ja vähendada pooride teket.
Sulamite ulatuse ja kasutusala laienemise tõttu kasutatakse neid tavaliselt koos erinevate materjalidega, mistõttu on kvaliteetsete ühenduste saamiseks vaja läbi viia erinevate metallide vahel keevitamise katsed.
Tehke uuringuid komposiitsoojusallikate keevitatavuse kohta, nagu TIG-laserhübriidkeevitus, laserkomposiit-hõõrdkeevitus, et saavutada optimaalne keevisõmblus.
