Sebagai bahan logam kejuruteraan yang telah meningkat pesat dalam beberapa tahun kebelakangan ini, aloi aluminium telah digunakan secara meluas dalam aeroangkasa, kereta, kapal dan bidang lain kerana ketumpatannya yang rendah, kekuatan khusus yang tinggi dan kekakuan khusus, dan rintangan kakisan yang baik. .
Walau bagaimanapun, beberapa siri masalah seperti kebolehkimpalan yang lemah dan prestasi lapisan pembentuk yang lemah dalam kimpalan menyekat pembangunan bahagian struktur aloi aluminium. Oleh itu, teknologi kimpalan aloi aluminium telah menjadi salah satu hala tuju penyelidikan utama ramai sarjana di dalam dan luar negara.
Gambaran keseluruhan prestasi aloi aluminium
Aluminium adalah bahan logam yang sangat ringan dengan ketumpatan hanya 2.7g/cm3, iaitu kira-kira 36 peratus daripada ketumpatan keluli. Aloi aluminium digunakan untuk mengeluarkan bahagian mekanikal, yang boleh mengurangkan berat badan dengan ketara dan mencapai kesan berat ringan, penjimatan tenaga dan pengurangan pelepasan.
Kekuatan khusus dan kekukuhan khusus aloi aluminium adalah lebih tinggi daripada 45 keluli dan plastik ABS. Penggunaan bahan aloi aluminium adalah kondusif untuk pembuatan komponen integral dengan keperluan ketegaran yang tinggi.
Aloi aluminium mempunyai kekonduksian haba yang sangat baik, kekonduksian elektrik dan rintangan kakisan. Parameter prestasi aloi aluminium A380 dan bahan lain ditunjukkan dalam Jadual 1.
Aloi aluminium mempunyai kebolehmesinan dan kebolehkitar semula yang baik. Jika diandaikan bahawa pekali rintangan pemotongan aloi magnesium yang paling mudah dipotong ialah 1, rintangan pemotongan logam lain ditunjukkan dalam Jadual 2. Dapat dilihat bahawa rintangan pemotongan aloi aluminium adalah kurang daripada kuprum, besi. dan bahan lain, dan proses pemotongan agak mudah.
Ciri-ciri kimpalan aloi aluminium
Dijejaskan oleh sifat fizikal dan kimia aloi aluminium, terdapat kesukaran tertentu dalam proses kimpalan. Kimpalan aloi aluminium semasa terutamanya mempunyai masalah berikut: tegasan haba, penyejatan ablasi, kemasukan pepejal, keruntuhan liang, dll.:
Tekanan Terma
Aloi aluminium mempunyai pekali pengembangan haba yang lebih tinggi dan modulus keanjalan yang lebih kecil. Semasa proses kimpalan, disebabkan oleh ubah bentuk yang besar dan pekali pengembangan linear yang besar bagi aloi aluminium, kadar pengecutan isipadu semasa pemejalan adalah kira-kira 6 peratus, dan kadar penyejukan dan kadar penghabluran utama kolam lebur adalah pantas, mengakibatkan tegasan dalaman kimpalan dan ketegaran sambungan yang dikimpal. Lebih besar, mudah menyebabkan tekanan dalaman yang lebih besar dalam sambungan aloi aluminium, menyebabkan tegasan dan ubah bentuk kimpalan yang lebih besar, membentuk kecacatan seperti retak dan ubah bentuk gelombang.
Penyejatan ablasi
Aluminium mempunyai takat lebur 660 darjah dan takat didih 2647 darjah, yang lebih rendah daripada unsur logam lain seperti kuprum dan besi. Semasa proses kimpalan, jika suhu kimpalan terlalu tinggi, ia adalah mudah untuk menyebabkan letupan dan membentuk percikan, terutamanya dalam kimpalan rasuk bertenaga tinggi, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1. Di samping itu, beberapa unsur pengaloian ditambah kepada aloi aluminium. mempunyai takat didih yang rendah, yang sangat mudah untuk menguap dan terbakar pada suhu tinggi kimpalan serta-merta, dan percikan yang dihasilkan oleh letupan juga akan menghilangkan sebahagian daripada titisan cecair, yang pastinya mengubah kawasan kimpalan. Komposisi kimia tidak sesuai dengan peraturan prestasi sambungan yang dikimpal. Oleh itu, untuk mengimbangi ablasi suhu tinggi, dawai kimpalan atau bahan kimpalan lain dengan kandungan unsur takat didih yang lebih tinggi daripada logam asas sering digunakan semasa mengimpal.
kemasukan yang kukuh
Sifat kimia aluminium sangat aktif dan mudah teroksida. Semasa proses kimpalan, permukaan aloi aluminium dioksidakan untuk membentuk Al2O3 dengan takat lebur yang tinggi (kira-kira 2050 darjah C, manakala takat lebur aluminium ialah 660 darjah C, yang sangat berbeza). Oksida adalah padat dan mempunyai kekerasan yang tinggi, dan dicampur dalam cecair aloi lebur dengan ketumpatan rendah di kawasan kolam lebur, yang mudah untuk membentuk sanga pepejal halus dan sukar untuk dilepaskan, yang bukan sahaja menjejaskan struktur kimpalan, tetapi juga mudah menghasilkan kakisan elektrokimia, yang akan menyebabkan Sifat mekanikal sambungan dikimpal berkurangan, dan Al2O3 meliputi kolam lebur dan alur, yang serius menjejaskan kimpalan aloi dan mengurangkan struktur mikro dan sifat sambungan dikimpal.
Keruntuhan stomata
Takat lebur aloi aluminium jauh lebih rendah daripada oksidanya, dan sifatnya meriah dan mudah teroksida. Semasa proses kimpalan, aloi aluminium membentuk kolam lebur kerana lebur suhu tinggi. Aluminium pada permukaan kolam lebur dioksidakan untuk membentuk filem oksida, yang meliputi kolam lebur dalam keadaan pepejal. Oleh kerana warna filem oksida selepas lebur tidak jauh berbeza daripada aloi aluminium cair, dan kerana liputan filem oksida, sukar untuk melihat tahap lebur kolam lebur aloi aluminium semasa proses kimpalan. , jadi mudah menyebabkan suhu menjadi terlalu tinggi, menyebabkan pengaruh haba kimpalan Sebahagian besar kawasan itu runtuh, memusnahkan bentuk dan sifat logam kimpalan.
Di bawah tindakan kuasa tinggi serta-merta sumber haba kimpalan, sejumlah besar gas hidrogen dibubarkan dalam cecair aloi. Selepas kimpalan selesai, apabila suhu kolam lebur berkurangan, keterlarutan gas juga berkurangan secara beransur-ansur, yang menjadi punca utama liang dalam proses kimpalan. sebab. Oleh kerana kelajuan pemejalan aloi aluminium terlalu cepat dan ketumpatannya rendah, liang hidrogen dengan saiz yang berbeza terbentuk semasa pemejalan kimpalan yang cepat. Liang-liang ini akan terus terkumpul dan mengembang semasa proses kimpalan, akhirnya membentuk pori-pori besar yang boleh dilihat dan mengurangkan sifat struktur sendi. Sudah tentu, liang tidak semestinya terbentuk semasa proses kimpalan. Disebabkan oleh pengaruh teknologi proses tuangan, logam asas itu sendiri juga akan menghasilkan liang-liang semasa proses tuangan. Semasa mengimpal, input haba dan tekanan dalaman sentiasa berubah, menyebabkan liang asal dalam logam asas mengembang atau bergabung antara satu sama lain untuk membentuk liang kimpal. Apabila input haba kimpalan meningkat, liang-liang juga akan meningkat. Oleh itu, untuk mengawal sumber hidrogen, bahan kimpalan perlu dikeringkan dengan ketat sebelum digunakan. Semasa mengimpal, arus dinaikkan sewajarnya untuk memanjangkan masa kewujudan kolam lebur dan memberi masa yang cukup untuk hidrogen untuk mendakan, seterusnya mengawal pembentukan liang.
gambar
Rajah.2 Pembentukan dan penumpuan stomata
Klasifikasi teknologi kimpalan aloi aluminium
Dengan pengembangan julat aplikasi aloi aluminium, semakin banyak masalah diserlahkan. Dengan kemajuan penyelidikan, teknologi kimpalan aloi aluminium telah banyak dibangunkan. Pada masa ini, terdapat terutamanya kimpalan arka argon tungsten (TIG), kimpalan gas lengai cair (MIG), kimpalan laser (LBW), kimpalan kacau geseran (FSW) tunggu.
Kimpalan arka tungsten gas
Kimpalan Gas Inert Tungsten (TIG) ialah kimpalan terlindung gas lengai biasa dan merupakan kaedah kimpalan yang paling biasa digunakan. Apabila mengimpal, elektrod tungsten dan permukaan kimpalan digunakan sebagai elektrod, dan helium atau gas argon disalurkan di antara dua elektrod sebagai gas pelindung untuk melindungi arka, dan wayar dan logam asas dicairkan oleh pelepasan voltan tinggi serta-merta, dan bahagian aloi aluminium dikimpal dan dibentuk, dan Kimpalan dan pembaikan kecacatan tuangan.
Ia terutamanya mempunyai ciri teknikal berikut:
Mudah dikendalikan, fleksibel dan boleh dikawal, boleh disesuaikan dengan pelbagai keadaan dan persekitaran kerja, dan kos rendah;
Zon yang terjejas haba adalah sempit, dan ubah bentuk sambungan yang dikimpal adalah kecil di bawah keadaan suapan wayar yang mencukupi, dan prestasi komprehensif sambungan adalah tinggi;
Prestasi proses kimpalan adalah baik dan stabil, dan jahitan kimpalan padat dan cantik.
kimpalan MIG
Kedua-dua MIG (GMA-Gas Metal Arc Welding) dan TIG adalah kimpalan terlindung gas lengai. Perbezaannya ialah kimpalan TIG menggunakan elektrod tungsten sebagai elektrod tetap, manakala kimpalan MIG menggunakan bahan wayar yang diisi itu sendiri sebagai elektrod.
Dalam proses kimpalan terlindung gas lengai logam aloi aluminium, voltan dan arus bertindak pada hujung elektrod wayar kimpalan, dan tekanan tinggi serta-merta dijana antara elektrod dan logam asas, yang mencairkan logam asas dan alur, dan titisan di hujung wayar jatuh dan beralih secara menegak ke logam asas. Pada kolam lebur bahan, zon kimpalan terbentuk.
Walau bagaimanapun, proses aplikasi kimpalan MIG aloi aluminium agak terhad, kerana kelembutan dawai aluminium membawa kepada kebolehsuapan wayar yang lemah, dan aluminium cair terdedah untuk membentuk fenomena "menggantung tetapi tidak menitis" semasa kimpalan, yang mudah. menyebabkan titisan terpercik. Kelebihannya ialah kimpalan MIG lebih pantas daripada kimpalan TIG, dan julat pergerakan kimpalan adalah kecil apabila mengimpal bahan kerja yang besar. Dengan melaraskan kelajuan suapan wayar, kecekapan kimpalan boleh mencapai beberapa meter seminit.
kimpalan laser
Kimpalan pancaran laser (Laser Beam Welding LBW) menggunakan denyutan laser bertenaga tinggi untuk memanaskan bahan secara tempatan di kawasan kecil. Tenaga sinaran laser meresap ke bahagian dalam bahan melalui pengaliran haba, dan bahan tersebut dicairkan untuk membentuk kolam lebur tertentu. Selepas pemejalan, bahan disambungkan menjadi Satu.
Kelebihan kimpalan laser ialah titik tindakan kimpalan adalah kecil, sumber haba kuasa tinggi tertumpu, ia mampu mengimpal plat tebal, zon yang terjejas haba adalah sempit, dan ubah bentuk kimpalan adalah kecil. Tetapi pada masa yang sama, kimpalan laser mempunyai keperluan yang tinggi untuk kedudukan kimpalan, peralatan kimpalan yang mahal, dan kos kimpalan yang tinggi. Untuk bahan logam seperti aluminium dan magnesium, pemantulan laser adalah tinggi, dan kimpalan terus sukar.
Bahan penyinaran dengan laser dengan ketumpatan kuasa yang berbeza menunjukkan bahawa apabila ketumpatan kuasa pada bahan kerja mencapai lebih daripada 107W/cm2, logam dalam zon pemanasan akan digas dalam masa yang sangat singkat, dan gas akan menumpu ke dalam lubang kecil dalam kolam lebur dan membentuk Lubang kecil adalah pusat pemindahan haba, dan kolam lebur terbentuk berhampiran lubang kecil, yang merupakan kesan "lubang kunci" kimpalan penembusan dalam laser. Untuk mengelakkan ketidaksamaan kolam lebur yang disebabkan oleh fenomena ini, adalah mungkin untuk mengurangkan tenaga laser, meningkatkan kelajuan kimpalan atau mengawal pencairan semula kawasan nugget untuk mengeluarkan gelembung dalam zon gabungan dan mengurangkan penjanaan liang .
kimpalan kacau geseran
Kimpalan kacau geseran (Friction stir Welding, FSW) ialah jenis teknologi sambungan fasa pepejal baharu berdasarkan teknologi kimpalan geseran tradisional. Pada antara muka yang akan dikimpal, apabila kepala pengacau maju di sepanjang jahitan kimpalan, suhu bahan kimpalan meningkat, dan logam plastik mengalami ubah bentuk plastik yang kuat di bawah tindakan pengacauan dan gangguan mekanikal, dan membentuk sambungan fasa pepejal yang padat. selepas resapan dan penghabluran semula.
Berbanding dengan kaedah kimpalan tradisional, teknologi FSW mempunyai kelebihan berikut:
Suhu kimpalan rendah dan ubah bentuk kimpalan kecil;
Sifat mekanikal kimpalan yang baik;
Proses kimpalan adalah mudah, menjimatkan dan mesra alam.
Masalah utama dan fokus kajian
Dengan penggunaan aloi aluminium dalam lebih banyak industri, masalah sambungan pembaikan juga telah menarik perhatian lebih ramai sarjana. Melalui pelbagai ujian kimpalan ke atas aloi aluminium, didapati kematangan teknologi pembaikan masih belum memenuhi keperluan pembangunan industri, dan masih terdapat pelbagai masalah di dalamnya.
Kimpalan arka tungsten gas dan kimpalan terlindung gas lengai logam adalah dua kaedah kimpalan yang paling banyak digunakan pada masa ini, tetapi kedua-dua teknologi ini mempunyai zon terjejas haba yang luas, dan logam kimpalan perlu dicairkan dan kemudian dipadatkan, yang memberi kesan kepada struktur. Lebih besar, dan tekanan sisa adalah tinggi, mengakibatkan kesan serius pada sifat mekanikal sendi. Ketumpatan rasuk tenaga kimpalan laser adalah tinggi, dan nisbah kedalaman-ke-lebar kimpalan adalah besar, tetapi sangat mudah untuk membentuk liang, dan kosnya yang mahal juga mengehadkan popularisasi aplikasi. Kimpalan kacau geseran menyediakan penyelesaian kepada masalah haba, tetapi kimpalan kacau geseran memerlukan tekanan menjengkelkan yang agak besar dan daya penggerak ke hadapan, dan peralatan secara amnya rumit dan besar, yang mengehadkan perkembangannya.
Tumpuan penyelidikan masa depan mengenai topik berkaitan hendaklah pada aspek berikut:
Bermula dari asas kimpalan gabungan, laraskan formula dawai kimpalan, tambah unsur nadir bumi atau pilih jumlah pengaktif kimpalan yang sesuai untuk mengawal ubah bentuk kimpalan, mengurangkan tekanan, dan mengurangkan pembentukan liang.
Oleh kerana pengembangan skop dan penggunaan aloi, ia biasanya digunakan bersama dengan bahan yang berbeza, jadi perlu untuk menjalankan eksperimen kimpalan pusingan antara logam yang berbeza untuk mendapatkan sambungan berkualiti tinggi.
Menjalankan penyelidikan tentang kebolehkimpalan sumber haba komposit, seperti kimpalan hibrid TIG-laser, kimpalan kacau geseran komposit laser, untuk mendapatkan prestasi kimpalan yang optimum.
