Son yıllarda hızla yükselen bir mühendislik metal malzemesi olan alüminyum alaşımı, düşük yoğunluğu, yüksek özgül mukavemeti ve özgül sertliği ve iyi korozyon direnci nedeniyle havacılık, otomobiller, gemiler ve diğer alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. .
Bununla birlikte, zayıf kaynaklanabilirlik ve kaynakta oluşturucu tabakanın zayıf performansı gibi bir dizi problem, alüminyum alaşımlı yapısal parçaların gelişimini kısıtlamaktadır. Bu nedenle, alüminyum alaşımlı kaynak teknolojisi, yurtiçi ve yurtdışındaki birçok akademisyenin ana araştırma alanlarından biri haline geldi.
Alüminyum alaşım performansına genel bakış
Alüminyum, çeliğin yoğunluğunun yaklaşık yüzde 36'sı olan yalnızca 2,7 g/cm3 yoğunluğa sahip çok hafif bir metal malzemedir. Alüminyum alaşımı, ağırlığı önemli ölçüde azaltabilen ve hafiflik, enerji tasarrufu ve emisyon azaltma etkilerini elde edebilen mekanik parçalar üretmek için kullanılır.
Alüminyum alaşımının özgül gücü ve özgül sertliği, 45 çelik ve ABS plastikten daha yüksektir. Alüminyum alaşımlı malzemelerin kullanımı, yüksek rijitlik gereksinimlerine sahip yekpare bileşenlerin imalatına elverişlidir.
Alüminyum alaşımı mükemmel termal iletkenliğe, elektriksel iletkenliğe ve korozyon direncine sahiptir. A380 alüminyum alaşımı ve diğer malzemelerin performans parametreleri Tablo 1'de gösterilmiştir.
Alüminyum alaşımı iyi işlenebilirliğe ve geri dönüştürülebilirliğe sahiptir. En kolay kesilen magnezyum alaşımının kesme direnci katsayısının 1 olduğu kabul edilirse, diğer metallerin kesme direnci Tablo 2'de gösterilmiştir. Alüminyum alaşımının kesme direncinin bakır, demirden daha düşük olduğu görülmektedir. ve diğer malzemeler ve kesme işlemi nispeten kolaydır.
Alüminyum alaşımlı kaynak özellikleri
Alüminyum alaşımlarının fiziksel ve kimyasal özelliklerinden etkilenerek kaynak işleminde belirli zorluklar yaşanmaktadır. Mevcut alüminyum alaşım kaynağı temel olarak aşağıdaki sorunlara sahiptir: termal stres, ablasyon buharlaşması, katı kapanımlar, gözenek çökmesi, vb.:
Termal stres
Alüminyum alaşımları daha yüksek bir termal genleşme katsayısına ve daha küçük bir elastisite modülüne sahiptir. Kaynak işlemi sırasında, alüminyum alaşımının büyük deformasyonu ve büyük doğrusal genleşme katsayısı nedeniyle, katılaşma sırasında hacimsel büzülme oranı yaklaşık yüzde 6'dır ve erimiş havuzun soğuma hızı ve birincil kristalleşme hızı hızlıdır; kaynağın iç gerilimi ve kaynaklı bağlantının sertliği. Daha büyük, alüminyum alaşımlı bağlantıda daha fazla iç gerilime neden olarak daha fazla kaynak gerilimi ve deformasyona neden olarak çatlaklar ve dalga deformasyonu gibi kusurlar oluşturması kolaydır.
Ablasyon buharlaşması
Alüminyumun erime noktası 660 derece ve kaynama noktası 2647 derece olup bakır ve demir gibi diğer metal elementlerden daha düşüktür. Kaynak işlemi sırasında, kaynak sıcaklığı çok yüksek ise, Şekil 1'de gösterildiği gibi, özellikle yüksek enerjili ışın kaynağında, patlamaya ve sıçramaya neden olmak kolaydır. Ayrıca, alüminyum alaşımına eklenen bazı alaşım elementleri. ani yüksek kaynak sıcaklığında buharlaşması ve yanması çok kolay olan düşük bir kaynama noktasına sahiptir ve patlamanın oluşturduğu sıçrama sıvı damlacıklarının bir kısmını da alıp kaçınılmaz olarak kaynak alanını değiştirir. Kimyasal bileşim, kaynaklı bağlantının performans düzenlemesine elverişli değildir. Bu nedenle, yüksek sıcaklıkta aşınmayı telafi etmek için, kaynak sırasında genellikle ana metalden daha yüksek kaynama noktası element içeriğine sahip kaynak teli veya diğer kaynak malzemeleri kullanılır.
katı dahil etme
Alüminyumun kimyasal özellikleri çok aktiftir ve kolayca oksitlenir. Kaynak işlemi sırasında, alüminyum alaşımının yüzeyi oksitlenerek yüksek bir erime noktasına sahip (yaklaşık 2050 derece C, alüminyumun erime noktası ise 660 derece C'dir, bu çok farklıdır) Al2O3 oluşturur. Oksitler yoğun ve yüksek sertliğe sahiptir ve erimiş havuz alanında düşük yoğunluklu erimiş alaşım sıvısıyla karıştırılır, bu da ince katı cüruf oluşturması kolaydır ve boşaltılması zordur, bu sadece kaynağın yapısını etkilemez, fakat aynı zamanda kolayca elektrokimyasal korozyon üretir, bu da kaynaklı bağlantıların mekanik özelliklerinin azalmasına neden olur ve Al2O3, alaşımların kaynağını ciddi şekilde etkileyen ve kaynaklı bağlantıların mikro yapısını ve özelliklerini azaltan erimiş havuzu ve oluğu kaplar.
stoma çöküşü
Alüminyum alaşımının erime noktası oksitinden çok daha düşüktür ve doğası canlıdır ve oksitlenmesi kolaydır. Kaynak işlemi sırasında, alüminyum alaşımı yüksek sıcaklıkta erime nedeniyle erimiş bir havuz oluşturur. Erimiş havuzun yüzeyindeki alüminyum, erimiş havuzu katı halde kaplayan bir oksit filmi oluşturmak üzere oksitlenir. Oksit filmin erimeden sonraki rengi, erimiş alüminyum alaşımından çok farklı olmadığından ve oksit filmin kaplaması nedeniyle, kaynak işlemi sırasında alüminyum alaşımı erimiş havuzunun erime derecesini gözlemlemek zordur. , bu nedenle sıcaklığın çok yüksek olmasına neden olarak kaynak ısısının etkisine neden olmak kolaydır Alanın büyük kısmı çökerek kaynak metalinin şeklini ve özelliklerini tahrip eder.
Kaynak ısı kaynağının ani yüksek gücünün etkisi altında, alaşım sıvısında büyük miktarda hidrojen gazı çözülür. Kaynak tamamlandıktan sonra eriyik havuzunun sıcaklığı düştükçe gazın çözünürlüğü de giderek azalır ve bu da kaynak işleminde gözeneklerin ana nedeni haline gelir. sebep. Alüminyum alaşımının katılaşma hızı çok hızlı ve yoğunluğu düşük olduğundan, kaynağın hızlı katılaşması sırasında farklı boyutlarda hidrojen gözenekleri oluşur. Bu gözenekler, kaynak işlemi sırasında birikmeye ve genişlemeye devam edecek, sonunda görünür büyük gözenekler oluşturacak ve bağlantının yapısal özelliklerini azaltacaktır. Tabii ki, kaynak işlemi sırasında gözenekler mutlaka oluşmaz. Döküm işlemi teknolojisinin etkisi nedeniyle, ana metalin kendisi de döküm işlemi sırasında gözenekler üretecektir. Kaynak sırasında, ısı girdisi ve iç basınç sürekli olarak değişir, bu da ana metaldeki orijinal gözeneklerin genişlemesine veya kaynak gözeneklerini oluşturmak için birbirleriyle birleşmesine neden olur. Kaynak ısı girişi arttıkça gözenekler de artacaktır. Bu nedenle, hidrojen kaynağını kontrol etmek için kaynak malzemesi kullanılmadan önce kesinlikle kurutulmalıdır. Kaynak sırasında, ergimiş havuzun mevcudiyet süresini uzatmak ve hidrojenin çökelmesi için yeterli zaman vermek ve böylece gözenek oluşumunu kontrol etmek için akım uygun şekilde arttırılır.
resim
Şekil 2 Stoma oluşumu ve yakınsaması
Alüminyum alaşımlı kaynak teknolojisinin sınıflandırılması
Alüminyum alaşımlarının uygulama aralığının genişlemesiyle birlikte, giderek daha fazla sorun ortaya çıkıyor. Araştırmanın ilerlemesiyle birlikte, alüminyum alaşımının kaynak teknolojisi büyük ölçüde geliştirilmiştir. Şu anda, esas olarak tungsten argon ark kaynağı (TIG), erimiş inert gaz kaynağı (MIG), lazer kaynağı (LBW), sürtünme karıştırma kaynağı (FSW) beklemektedir.
Gaz tungsten ark kaynağı
Tungsten İnert Gaz Kaynağı (TIG), tipik bir inert gaz korumalı kaynaktır ve en yaygın kullanılan kaynak yöntemidir. Kaynak yapılırken elektrot olarak tungsten elektrot ve kaynak yüzeyi kullanılır ve arkı korumak için koruyucu gaz olarak iki elektrot arasına helyum veya argon gazı geçirilir ve ani yüksek voltaj deşarjı ile tel ve ana metal eritilir, ve alüminyum alaşımlı parçaların kaynaklanarak şekillendirilmesi, Kaynak ve döküm hatalarının tamiri.
Esas olarak aşağıdaki teknik özelliklere sahiptir:
Kullanımı kolay, esnek ve kontrol edilebilir, çeşitli çalışma koşullarına ve ortamlarına uyarlanabilir ve düşük maliyetli;
Isıdan etkilenen bölge dardır ve yeterli tel besleme koşulu altında kaynaklı eklemin deformasyonu küçüktür ve eklemin kapsamlı performansı yüksektir;
Kaynak işleminin performansı iyi ve kararlıdır ve kaynak dikişi yoğun ve güzeldir.
MIG kaynağı
Hem MIG (GMA-Gaz Metal Ark Kaynağı) hem de TIG inert gaz korumalı kaynaktır. Aradaki fark, TIG kaynağının sabit elektrot olarak tungsten elektrotları kullanması, MIG kaynağının ise elektrot olarak dolgulu tel malzemeyi kullanmasıdır.
Alüminyum alaşımının metal inert gaz korumalı kaynak işleminde, voltaj ve akım kaynak telinin elektrotunun ucuna etki eder ve elektrot ile ana metal arasında ani bir yüksek basınç oluşur ve bu da ana metali eritir. oluk ve telin ucundaki damlacık düşerek ana metale dikey olarak geçiş yapar. Malzemenin ergimiş havuzu üzerinde bir kaynak bölgesi oluşur.
Bununla birlikte, alüminyum alaşımlı MIG kaynağının uygulama süreci nispeten sınırlıdır, çünkü alüminyum telin yumuşaklığı zayıf tel besleme kabiliyetine yol açar ve erimiş alüminyum, kaynak sırasında "asılı ama damlamayan" bir olgu oluşturmaya eğilimlidir, bu da kolaydır. damlacıkların sıçramasına neden olmak için. Avantajı, MIG kaynağının TIG kaynağından daha hızlı olması ve büyük iş parçalarını kaynak yaparken kaynak hareket aralığının küçük olmasıdır. Tel besleme hızını ayarlayarak, kaynak verimliliği dakikada birkaç metreye ulaşabilir.
Lazer kaynak
Lazer ışını kaynağı (Laser Beam Welding LBW), malzemeyi küçük bir alanda yerel olarak ısıtmak için yüksek enerjili lazer darbeleri kullanır. Lazer radyasyonunun enerjisi, ısı iletimi yoluyla malzemenin içine yayılır ve malzeme, belirli bir eriyik havuzu oluşturmak üzere eritilir. Katılaşmadan sonra, malzeme Bir'e bağlanır.
Lazer kaynağının avantajı, kaynak hareket noktasının küçük olması, yüksek güçlü ısı kaynağının konsantre olması, kalın levhaları kaynaklayabilmesi, ısıdan etkilenen bölgenin dar olması ve kaynak deformasyonunun küçük olmasıdır. Ancak aynı zamanda, lazer kaynağının kaynak konumlandırma, pahalı kaynak ekipmanı ve yüksek kaynak maliyetleri için yüksek gereksinimleri vardır. Alüminyum ve magnezyum gibi metal malzemeler için lazer yansıtıcılığı yüksektir ve doğrudan kaynak yapmak zordur.
Malzemelerin farklı güç yoğunluklarına sahip lazerlerle ışınlanması, iş parçası üzerindeki güç yoğunluğunun 107W/cm2'nin üzerine çıkması durumunda, ısıtma bölgesindeki metalin çok kısa sürede gazlaşacağını ve gazın iş parçasında küçük bir deliğe yakınsayacağını göstermektedir. Küçük delik, ısı transferinin merkezidir ve küçük deliğin yakınında, lazer derin nüfuz kaynağının "anahtar deliği" etkisi olan bir eriyik havuzu oluşur. Bu fenomenin neden olduğu eriyik havuzundaki düzensizliği önlemek için, füzyon bölgesindeki kabarcıkları gidermek ve gözenek oluşumunu azaltmak için lazer enerjisini azaltmak, kaynak hızını artırmak veya külçe alanının yeniden erimesini kontrol etmek mümkündür. .
sürtünme karıştırma kaynağı
Sürtünme karıştırma kaynağı (Sürtünme karıştırma kaynağı, FSW), geleneksel sürtünme kaynağı teknolojisine dayanan yeni bir katı faz bağlantı teknolojisidir. Kaynak yapılacak arayüzde, karıştırma kafası kaynak dikişi boyunca ilerlediğinde, kaynak malzemesinin sıcaklığı yükselir ve plastikleştirilmiş metal, mekanik karıştırma ve yıpratma etkisi altında güçlü plastik deformasyona uğrar ve yoğun bir katı faz bağlantısı oluşturur. difüzyon ve yeniden kristalleşmeden sonra.
Geleneksel kaynak yöntemleriyle karşılaştırıldığında, FSW teknolojisi aşağıdaki avantajlara sahiptir:
Düşük kaynak sıcaklığı ve küçük kaynak deformasyonu;
Kaynağın iyi mekanik özellikleri;
Kaynak işlemi basit, ekonomik ve çevre dostudur.
Ana problemler ve araştırma odağı
Alüminyum alaşımlarının giderek daha fazla endüstride uygulanmasıyla, onarım bağlantısı sorunu da giderek daha fazla bilim insanının ilgisini çekmektedir. Alüminyum alaşımları üzerinde yapılan çeşitli kaynak testleri sonucunda, onarım teknolojisinin olgunluğunun henüz sektörün gelişme ihtiyaçlarını karşılamadığı ve içinde hala çeşitli sorunların olduğu tespit edilmiştir.
Gaz tungsten ark kaynağı ve metal inert gaz korumalı kaynak, şu anda en yaygın kullanılan iki kaynak yöntemidir, ancak bu iki teknolojinin ısıdan etkilenen geniş bir bölgesi vardır ve kaynak metalinin eritilmesi ve ardından katılaştırılması gerekir; yapı. Daha büyük ve artık gerilme yüksektir, bu da eklemin mekanik özellikleri üzerinde ciddi bir etkiye neden olur. Lazer kaynağı enerji ışın yoğunluğu yüksektir ve kaynağın derinlik-genişlik oranı büyüktür, ancak gözeneklerin oluşturulması çok kolaydır ve pahalı maliyeti de uygulamaların yaygınlaşmasını sınırlar. Sürtünme karıştırma kaynağı, ısı sorununa bir çözüm sağlar, ancak sürtünme karıştırma kaynağı nispeten büyük yığma basıncı ve ileri itme kuvveti gerektirir ve ekipman genellikle gelişimini sınırlayan karmaşık ve hantaldır.
İlgili konularda gelecekteki araştırmaların odak noktası aşağıdaki yönler olmalıdır:
Füzyon kaynağı temelinden başlayarak, kaynak teli formülünü ayarlayın, nadir toprak elementleri ekleyin veya kaynak deformasyonunu kontrol etmek, stresi azaltmak ve gözenek oluşumunu azaltmak için uygun miktarda kaynak etkinleştirici seçin.
Alaşımların kapsamının ve uygulamasının genişlemesi nedeniyle, genellikle farklı malzemelerle birlikte kullanılırlar, bu nedenle yüksek kaliteli bağlantılar elde etmek için farklı metaller arasında bindirmeli kaynak deneyleri yapmak gerekir.
Optimum kaynak performansını elde etmek için TIG-lazer hibrit kaynak, lazer kompozit sürtünme karıştırma kaynağı gibi kompozit ısı kaynaklarının kaynaklanabilirliği üzerine araştırma yapın.
