Als technisch metaalmateriaal dat de afgelopen jaren snel is gestegen, wordt aluminiumlegering veel gebruikt in de ruimtevaart, auto's, schepen en andere gebieden vanwege de lage dichtheid, hoge specifieke sterkte en specifieke stijfheid en goede corrosieweerstand. .
Een reeks problemen, zoals slechte lasbaarheid en slechte prestaties van de vormende laag bij het lassen, beperken echter de ontwikkeling van structurele onderdelen van aluminiumlegeringen. Daarom is de lastechnologie van aluminiumlegeringen een van de belangrijkste onderzoeksrichtingen geworden van veel wetenschappers in binnen- en buitenland.
Prestatieoverzicht aluminiumlegering
Aluminium is een zeer licht metaalmateriaal met een dichtheid van slechts 2,7 g/cm3, wat ongeveer 36 procent is van de dichtheid van staal. Aluminiumlegering wordt gebruikt om mechanische onderdelen te vervaardigen, die het gewicht aanzienlijk kunnen verminderen en de effecten van lichtgewicht, energiebesparing en emissiereductie kunnen bereiken.
De specifieke sterkte en specifieke stijfheid van aluminiumlegering zijn hoger dan 45 staal en ABS-kunststof. Het gebruik van materialen van aluminiumlegeringen is bevorderlijk voor de vervaardiging van integrale componenten met hoge stijfheidseisen.
Aluminiumlegering heeft een uitstekende thermische geleidbaarheid, elektrische geleidbaarheid en corrosieweerstand. De prestatieparameters van A380 aluminiumlegering en andere materialen worden weergegeven in tabel 1.
Aluminiumlegering heeft een goede bewerkbaarheid en recycleerbaarheid. Als wordt aangenomen dat de snijweerstandscoëfficiënt van de gemakkelijkst te snijden magnesiumlegering 1 is, wordt de snijweerstand van andere metalen weergegeven in tabel 2. Te zien is dat de snijweerstand van aluminiumlegering minder is dan die van koper, ijzer en andere materialen, en het snijproces is relatief eenvoudig.
Laseigenschappen van aluminiumlegeringen
Beïnvloed door de fysische en chemische eigenschappen van aluminiumlegeringen, zijn er bepaalde moeilijkheden in het lasproces. Het huidige lassen van aluminiumlegeringen heeft voornamelijk de volgende problemen: thermische spanning, ablatieverdamping, vaste insluitsels, instorting van de poriën, enz.:
Thermische spanning
Aluminiumlegeringen hebben een hogere thermische uitzettingscoëfficiënt en een kleinere elasticiteitsmodulus. Tijdens het lasproces, als gevolg van de grote vervorming en grote lineaire uitzettingscoëfficiënt van de aluminiumlegering, is de volumekrimpsnelheid tijdens het stollen ongeveer 6 procent, en de afkoelsnelheid en de primaire kristallisatiesnelheid van het smeltbad zijn snel, wat resulteert in de inwendige spanning van de las en de stijfheid van de lasverbinding. Groter, het is gemakkelijk om grotere interne spanning in de verbinding van de aluminiumlegering te veroorzaken, waardoor er meer lasspanning en vervorming ontstaat, waardoor defecten zoals scheuren en golfvervorming ontstaan.
Ablatie verdamping
Aluminium heeft een smeltpunt van 660 graden en een kookpunt van 2647 graden, wat lager is dan andere metalen elementen zoals koper en ijzer. Als de lastemperatuur tijdens het lasproces te hoog is, is het gemakkelijk om explosies te veroorzaken en spatten te vormen, vooral bij hoogenergetisch bundellassen, zoals weergegeven in figuur 1. Bovendien zijn enkele van de legeringselementen toegevoegd aan de aluminiumlegering hebben een laag kookpunt, dat heel gemakkelijk verdampt en verbrandt bij de momentane hoge lastemperatuur, en de spatten die door de explosie worden gegenereerd, zullen ook een deel van de vloeistofdruppels wegnemen, wat onvermijdelijk het lasgebied verandert. De chemische samenstelling is niet bevorderlijk voor de prestatieregeling van de lasverbinding. Daarom worden tijdens het lassen vaak lasdraad of andere lasmaterialen met een hoger kookpuntelementgehalte dan het basismetaal gebruikt om ablatie bij hoge temperatuur te compenseren.
solide inclusie
De chemische eigenschappen van aluminium zijn zeer actief en gemakkelijk te oxideren. Tijdens het lasproces wordt het oppervlak van de aluminiumlegering geoxideerd om Al2O3 te vormen met een hoog smeltpunt (ongeveer 2050 graden C, terwijl het smeltpunt van aluminium 660 graden C is, wat heel anders is). De oxiden zijn dicht en hebben een hoge hardheid en worden gemengd in de gesmolten legeringsvloeistof met een lage dichtheid in het gesmolten poolgebied, wat gemakkelijk fijne vaste slak vormt en moeilijk te ontladen is, wat niet alleen de structuur van de las beïnvloedt, maar veroorzaakt ook gemakkelijk elektrochemische corrosie, waardoor de mechanische eigenschappen van lasverbindingen afnemen en Al2O3 het smeltbad en de groef bedekt, wat het lassen van legeringen ernstig beïnvloedt en de microstructuur en eigenschappen van lasverbindingen vermindert.
Stomatale instorting
Het smeltpunt van aluminiumlegering is veel lager dan dat van zijn oxide, en zijn aard is levendig en gemakkelijk te oxideren. Tijdens het lasproces vormt de aluminiumlegering een smeltbad door smelten bij hoge temperatuur. Het aluminium op het oppervlak van het smeltbad wordt geoxideerd om een oxidefilm te vormen, die het smeltbad in vaste toestand bedekt. Aangezien de kleur van de oxidefilm na het smelten niet veel verschilt van die van de gesmolten aluminiumlegering, en vanwege de bedekking van de oxidefilm, is het moeilijk om de mate van smelten van de gesmolten plas van de aluminiumlegering tijdens het lasproces waar te nemen. , dus het is gemakkelijk om de temperatuur te hoog te maken, waardoor de invloed van de laswarmte wordt veroorzaakt. Het grootste deel van het gebied stort in en vernietigt de vorm en eigenschappen van het lasmetaal.
Onder invloed van het momentane hoge vermogen van de laswarmtebron wordt een grote hoeveelheid waterstofgas opgelost in de legeringsvloeistof. Nadat het lassen is voltooid, neemt naarmate de temperatuur van het smeltbad afneemt, ook geleidelijk de oplosbaarheid van het gas af, wat de belangrijkste oorzaak van poriën in het lasproces wordt. reden. Omdat de stollingssnelheid van de aluminiumlegering te hoog is en de dichtheid laag is, worden tijdens de snelle stolling van de las waterstofporiën van verschillende grootte gevormd. Deze poriën blijven zich tijdens het lasproces ophopen en uitzetten, waardoor uiteindelijk zichtbare grote poriën ontstaan en de structurele eigenschappen van de verbinding verminderen. Natuurlijk worden de poriën niet noodzakelijkerwijs gevormd tijdens het lasproces. Door de invloed van de gietprocestechnologie zal het basismetaal zelf tijdens het gietproces ook poriën produceren. Tijdens het lassen veranderen de warmtetoevoer en de interne druk voortdurend, waardoor de oorspronkelijke poriën in het basismetaal uitzetten of met elkaar combineren om lasporiën te vormen. Naarmate de laswarmte-invoer toeneemt, zullen ook de poriën toenemen. Daarom moet het lasmateriaal voor gebruik strikt worden gedroogd om de waterstofbron te beheersen. Tijdens het lassen wordt de stroom op passende wijze verhoogd om de levensduur van het smeltbad te verlengen en voldoende tijd te geven voor waterstof om neer te slaan, waardoor de vorming van poriën wordt beheerst.
afbeelding
Fig.2 Vorming en convergentie van huidmondjes
Classificatie van lastechnologie van aluminiumlegeringen
Met de uitbreiding van het toepassingsgebied van aluminiumlegeringen komen steeds meer problemen naar voren. Met de voortgang van het onderzoek is de lastechnologie van aluminiumlegering sterk ontwikkeld. Momenteel zijn er voornamelijk wolfraam-argobooglassen (TIG), lassen met gesmolten inert gas (MIG), laserlassen (LBW), wrijvingsroerlassen (FSW) wachten.
Gas wolfraam booglassen
Tungsten Inert Gas Welding (TIG) is een typisch met inert gas afgeschermd lassen en is de meest gebruikte lasmethode. Bij het lassen worden de wolfraamelektrode en het lasoppervlak gebruikt als elektroden, en helium- of argongas wordt tussen de twee elektroden geleid als een beschermend gas om de boog te beschermen, en de draad en het basismetaal worden gesmolten door een onmiddellijke hoogspanningsontlading, en de onderdelen van aluminiumlegering worden gelast en gevormd, en Lassen en repareren van gietdefecten.
Het heeft voornamelijk de volgende technische kenmerken:
Eenvoudig te bedienen, flexibel en controleerbaar, aanpasbaar aan verschillende werkomstandigheden en omgevingen, en goedkoop;
De door warmte beïnvloede zone is smal en de vervorming van de lasverbinding is klein op voorwaarde van voldoende draadaanvoer, en de uitgebreide prestaties van de verbinding zijn hoog;
De prestaties van het lasproces zijn goed en stabiel en de lasnaad is dicht en mooi.
MIG-lassen
Zowel MIG (GMA-Gas Metal Arc Welding) als TIG zijn beschermgaslassen. Het verschil is dat TIG-lassen wolfraamelektroden gebruikt als vaste elektroden, terwijl MIG-lassen het gevulde draadmateriaal zelf als elektroden gebruikt.
In het met metaal inert gas beschermde lasproces van een aluminiumlegering werken de spanning en stroom op het uiteinde van de elektrode van de lasdraad en wordt een onmiddellijke hoge druk gegenereerd tussen de elektrode en het basismetaal, waardoor het basismetaal smelt en de groef, en de druppel aan het uiteinde van de draad valt eraf en gaat verticaal over naar het basismetaal. Op het smeltbad van het materiaal wordt een laszone gevormd.
Het toepassingsproces van MIG-lassen van aluminiumlegeringen is echter relatief beperkt, omdat de zachtheid van de aluminiumdraad leidt tot een slechte draadaanvoer en het gesmolten aluminium de neiging heeft om tijdens het lassen een fenomeen van "hangen maar niet druipen" te vormen, wat gemakkelijk is om druppels te laten spatten. Het voordeel is dat MIG-lassen sneller gaat dan TIG-lassen en dat het lasbewegingsbereik klein is bij het lassen van grote werkstukken. Door de draadaanvoersnelheid aan te passen, kan de lasefficiëntie enkele meters per minuut bereiken.
laserlassen
Laserstraallassen (Laser Beam Welding LBW) maakt gebruik van hoogenergetische laserpulsen om het materiaal plaatselijk in een klein gebied te verwarmen. De energie van de laserstraling verspreidt zich door warmtegeleiding naar de binnenkant van het materiaal en het materiaal wordt gesmolten om een specifieke smeltbad te vormen. Na stollen wordt het materiaal verbonden tot One.
Het voordeel van laserlassen is dat het lasactiepunt klein is, de krachtige warmtebron geconcentreerd is, dikke platen kan lassen, de door warmte beïnvloede zone smal is en de lasvervorming klein is. Maar tegelijkertijd stelt laserlassen hoge eisen aan laspositionering, dure lasapparatuur en hoge laskosten. Voor metalen materialen zoals aluminium en magnesium is de laserreflectie hoog en is direct lassen moeilijk.
Het bestralen van materialen met lasers met verschillende vermogensdichtheden laat zien dat wanneer de vermogensdichtheid op het werkstuk meer dan 107W/cm2 bereikt, het metaal in de verwarmingszone in zeer korte tijd zal worden vergast en het gas zal samenkomen in een klein gaatje in de gesmolten plas en vorm een Het kleine gaatje is het centrum voor warmteoverdracht en een gesmolten plas wordt gevormd nabij het kleine gaatje, wat het "sleutelgat" -effect is van laserdiep penetratielassen. Om de oneffenheden van het smeltbad als gevolg van dit fenomeen te voorkomen, is het mogelijk om de laserenergie te verminderen, de lassnelheid te verhogen of het opnieuw smelten van het nuggetgebied te regelen om de bellen in de fusiezone te verwijderen en het ontstaan van poriën te verminderen .
wrijvingsroerlassen
Wrijvingsroerlassen (Friction stir Welding, FSW) is een nieuw type verbindingstechnologie met vaste fase, gebaseerd op de traditionele wrijvingslastechnologie. Op het te lassen grensvlak, wanneer de roerkop langs de lasnaad beweegt, stijgt de temperatuur van het lasmateriaal en ondergaat het geplastificeerde metaal een sterke plastische vervorming onder invloed van mechanisch roeren en stuiken, en vormt het een dichte vaste-fase verbinding na diffusie en herkristallisatie.
Vergeleken met traditionele lasmethoden heeft de FSW-technologie de volgende voordelen:
Lage lastemperatuur en kleine lasvervorming;
Goede mechanische eigenschappen van de las;
Het lasproces is eenvoudig, economisch en milieuvriendelijk.
De belangrijkste problemen en onderzoeksfocus
Met de toepassing van aluminiumlegeringen in steeds meer industrieën, heeft het probleem van de reparatieverbinding ook de aandacht getrokken van steeds meer wetenschappers. Door verschillende lastesten op aluminiumlegeringen is gebleken dat de volwassenheid van de reparatietechnologie nog niet voldoet aan de ontwikkelingsbehoeften van de industrie, en er zijn nog steeds verschillende problemen.
Booglassen met gaswolfraam en lassen met inert gas van metaal zijn momenteel de twee meest gebruikte lasmethoden, maar deze twee technologieën hebben een brede warmtebeïnvloede zone en het lasmetaal moet worden gesmolten en vervolgens gestold, wat een impact heeft op de structuur. Groter, en de restspanning is hoog, wat resulteert in een ernstige impact op de mechanische eigenschappen van de verbinding. De dichtheid van de energiebundel bij laserlassen is hoog en de diepte-breedteverhouding van de las is groot, maar het is heel gemakkelijk om poriën te vormen, en de hoge kosten beperken ook de populariteit van toepassingen. Wrijvingsroerlassen biedt een oplossing voor het probleem van warmte, maar wrijvingsroerlassen vereist een relatief grote stuikdruk en voorwaartse aandrijfkracht, en de apparatuur is over het algemeen gecompliceerd en omvangrijk, wat de ontwikkeling ervan beperkt.
De focus van toekomstig onderzoek over verwante onderwerpen zou op de volgende aspecten moeten liggen:
Pas vanaf de basis van smeltlassen de formule van de lasdraad aan, voeg zeldzame-aarde-elementen toe of selecteer een geschikte hoeveelheid lasactivator om de lasvervorming te beheersen, spanning te verminderen en de vorming van poriën te verminderen.
Vanwege de uitbreiding van de reikwijdte en toepassing van legeringen, worden ze meestal gebruikt in combinatie met ongelijksoortige materialen, dus het is noodzakelijk om overlappingslasexperimenten uit te voeren tussen ongelijksoortige metalen om hoogwaardige verbindingen te verkrijgen.
Onderzoek doen naar de lasbaarheid van composiet warmtebronnen, zoals TIG-laser hybride lassen, laser composiet wrijvingsroerlassen, om de optimale lasprestatie te verkrijgen.
