Aluminiumlegeringen zijn een technisch metaalmateriaal dat de laatste jaren snel in populariteit is toegenomen. Ze worden op grote schaal gebruikt in de lucht- en ruimtevaart, auto's, schepen en andere sectoren vanwege hun lage dichtheid, hoge specifieke sterkte en specifieke stijfheid en goede corrosiebestendigheid.
Echter, een reeks problemen zoals slechte lasbaarheid en slechte vormlaagprestaties bij het lassen beperken de ontwikkeling van structurele onderdelen van aluminiumlegeringen. Daarom is de technologie van het lassen van aluminiumlegeringen een van de belangrijkste onderzoeksrichtingen geworden van veel wetenschappers in binnen- en buitenland.
Overzicht van de eigenschappen van aluminiumlegeringen
Aluminium is een zeer licht metaalmateriaal met een dichtheid van slechts 2,7 g/cm3, wat ongeveer 36% is van de dichtheid van staal. Het gebruik van aluminiumlegering om mechanische onderdelen te vervaardigen kan het gewicht aanzienlijk verminderen en het effect van lichtgewicht, energiebesparing en emissiereductie bereiken.
De specifieke sterkte en specifieke stijfheid van aluminiumlegering zijn hoger dan 45 staal en ABS-kunststof. Het gebruik van aluminiumlegeringsmaterialen is bevorderlijk voor de productie van integrale componenten met hoge stijfheidsvereisten.
Aluminiumlegering heeft uitstekende thermische geleidbaarheid, elektrische geleidbaarheid en corrosiebestendigheid. De prestatieparameters van A380 aluminiumlegering en andere materialen worden weergegeven in Tabel 1.
Aluminiumlegeringen zijn goed bewerkbaar en recyclebaar. Als de snijweerstandscoëfficiënt van de meest bewerkbare magnesiumlegering wordt verondersteld 1 te zijn, wordt de snijweerstand van andere metalen weergegeven in Tabel 2. Het is te zien dat de snijweerstand van aluminiumlegering kleiner is dan die van koper, ijzer en andere materialen, en het snijproces is gemakkelijker.
Eigenschappen van aluminiumlegering lassen
Beïnvloed door de fysieke en chemische eigenschappen van aluminiumlegeringen, zijn er bepaalde moeilijkheden in het lasproces. Het huidige aluminiumlegering lassen heeft voornamelijk de volgende problemen: thermische spanning, ablatie verdamping, vaste insluitsels, poriëninstorting, etc.:
Thermische spanning
Aluminiumlegeringen hebben een hogere thermische uitzettingscoëfficiënt en een lagere elasticiteitsmodulus. Tijdens het lasproces is de volumekrimp tijdens stolling ongeveer 6% vanwege de grote vervorming en de grote lineaire uitzettingscoëfficiënt van de aluminiumlegering, en zijn de afkoelsnelheid en de primaire kristallisatiesnelheid van de smeltpoel snel, wat resulteert in de interne spanning van de las en de stijfheid van de gelaste verbinding. Groter is het gemakkelijk om grote interne spanning in de aluminiumlegeringverbinding te genereren, wat grote lasspanning en vervorming veroorzaakt, scheuren, golfvervorming en andere defecten vormt.
Ablatieve verdamping
Het smeltpunt van aluminium is 660 graden en het kookpunt is 2647 graden, wat lager is dan andere metalen elementen zoals koper en ijzer. Tijdens het lasproces, als de lastemperatuur te hoog is, is het gemakkelijk om te exploderen en spatten te vormen, vooral bij hoogenergetisch bundellassen, zoals weergegeven in Afbeelding 1. Bovendien hebben sommige van de legeringselementen die aan de aluminiumlegering zijn toegevoegd een laag kookpunt, dat gemakkelijk verdampt en verbrandt bij de onmiddellijke hoge temperatuur van het lassen, en de spatten die door de explosie worden gegenereerd, zullen ook een deel van de druppels wegnemen, wat onvermijdelijk het lasnaadgebied verandert. De chemische samenstelling is niet bevorderlijk voor de prestatieregulering van gelaste verbindingen. Daarom worden, om te compenseren voor ablatie bij hoge temperaturen, vaak lasdraden of andere lasmaterialen met een hoger kookpuntelementgehalte dan het basismetaal gebruikt tijdens het lassen.
Vaste insluitsels
De chemische eigenschappen van aluminium zijn zeer actief en oxideren gemakkelijk. Tijdens het lasproces wordt het oppervlak van de aluminiumlegering geoxideerd om Al2O3 te vormen met een hoog smeltpunt (ongeveer 2050 graden, terwijl het smeltpunt van aluminium 660 graden is, wat heel anders is). De oxiden zijn dicht en hebben een hoge hardheid, en ze worden gemengd in de gesmolten legeringvloeistof met een lage dichtheid in het gesmolten poolgebied, wat gemakkelijk is om kleine vaste slakinsluitsels te vormen die niet gemakkelijk te ontladen zijn, wat niet alleen de microstructuur van de las beïnvloedt, maar ook vatbaar is voor elektrochemische corrosie, wat zal veroorzaken De mechanische eigenschappen van gelaste verbindingen nemen af, en Al2O3 bedekt de gesmolten pool en groef, wat het lassen van legeringen ernstig beïnvloedt en de microstructuur en eigenschappen van gelaste verbindingen vermindert.
Stoma-instorting
Het smeltpunt van aluminiumlegering is veel lager dan dat van zijn oxide, en het is zeer actief en gemakkelijk te oxideren. Tijdens het lasproces wordt de aluminiumlegering gesmolten bij hoge temperatuur om een gesmolten poel te vormen. Het aluminium op het oppervlak van de gesmolten poel wordt geoxideerd om een oxidefilm te vormen, die de gesmolten poel in een vaste vorm bedekt. Omdat de kleur van de gesmolten oxidefilm niet veel verschilt van de gesmolten toestand van de aluminiumlegering, en vanwege de dekking van de oxidefilm, is het moeilijk om de mate van smelten van de gesmolten poel van de aluminiumlegering tijdens het lasproces te observeren, dus is het gemakkelijk om de temperatuur te hoog te laten worden en laswarmte te veroorzaken. Grote instortingen in het gebied vernietigen de vorm en eigenschappen van het lasmetaal.
Onder invloed van het onmiddellijke hoge vermogen van de laswarmtebron wordt een grote hoeveelheid waterstof opgelost in de legeringvloeistof. Nadat het lassen is voltooid, neemt de oplosbaarheid van het gas geleidelijk af naarmate de temperatuur van de smeltpoel afneemt, wat de belangrijkste oorzaak wordt van poriën tijdens het lasproces. reden. Vanwege de snelle stollingssnelheid en lage dichtheid van aluminiumlegeringen, worden waterstofporiën van verschillende groottes gevormd tijdens de snelle stolling van de las. Deze poriën zullen zich blijven ophopen en uitzetten tijdens het lasproces, waardoor uiteindelijk zichtbare poriën worden gevormd en de structurele eigenschappen van de verbinding worden verminderd. Natuurlijk wordt de vorming van poriën niet noodzakelijkerwijs gevormd tijdens het lasproces. Vanwege de invloed van de giettechnologie zal het basismetaal zelf ook poriën genereren tijdens het gietproces. Tijdens het lassen zorgt de constante verandering van warmte-inbreng en interne druk ervoor dat de oorspronkelijke poriën in het basismetaal door warmte uitzetten of met elkaar worden gecombineerd om lasporiën te vormen. Met de toename van de laswarmte-inbreng zullen de poriën ook toenemen. Om de bron van waterstof te controleren, moet het lasmateriaal daarom een strikte droogbehandeling ondergaan voor gebruik. Tijdens het lassen moet de stroomsterkte op passende wijze worden verhoogd om de bestaanstijd van de gesmolten pool te verlengen en voldoende tijd te geven voor waterstof om neer te slaan, waardoor de vorming van poriën wordt gecontroleerd.
Classificatie van lastechnologie voor aluminiumlegeringen
Met de uitbreiding van het toepassingsgebied van aluminiumlegeringen worden steeds meer problemen benadrukt. Met de voortgang van het onderzoek heeft de technologie voor het lassen van aluminiumlegeringen grote vooruitgang geboekt. Momenteel zijn er voornamelijk wolfraam-argonbooglassen (TIG), gesmolten inert gaslassen (MIG), laserlassen (LBW), wrijvingsroerlassen (FSW) Wacht.
TIG-lassen
Tungsten Inert Gas Welding (TIG) is een typisch inert gas booglassen en is de meest gebruikte lasmethode. Tijdens het lassen worden de wolfraamelektrode en het lasoppervlak gebruikt als elektroden, en helium of argongas wordt tussen de twee elektroden geleid als beschermgas om de boog te beschermen, en de draad en het basismetaal worden gesmolten door onmiddellijke hoogspanningsontlading, en de aluminiumlegeringsonderdelen worden gelast en gevormd, en Lasreparatie en reparatie van gietfouten.
Hebben hoofdzakelijk de volgende technische kenmerken:
Eenvoudig te bedienen, flexibel en controleerbaar, aanpasbaar aan verschillende werkomstandigheden en lage kosten;
De warmte-beïnvloede zone is smal, de vervorming van de gelaste verbinding is klein bij voldoende draadtoevoer en de algehele prestatie van de verbinding is hoog;
De prestaties van het lasproces zijn goed en stabiel, en de lasnaad is dicht en mooi.
MIG-lassen
MIG (GMA-Gas Metal Arc Welding) en TIG zijn beide lastechnieken met een beschermgas. Het verschil is dat bij TIG-lassen een wolfraamelektrode als vaste elektrode wordt gebruikt, terwijl bij MIG-lassen het toevoegmateriaal zelf als elektrode wordt gebruikt.
Het applicatieproces van aluminiumlegering MIG-lassen is echter sterk beperkt, omdat de zachte aluminiumdraad leidt tot slechte draadtoevoer en het gesmolten aluminium de neiging heeft om een fenomeen van "hangen zonder te druppelen" te vormen tijdens het lassen, wat gemakkelijk druppels kan laten spatten. Het voordeel is dat MIG-lassen sneller is dan TIG-lassen en het lasbewegingsbereik klein is bij het lassen van grote werkstukken. Door de draadtoevoersnelheid aan te passen, kan de lasefficiëntie enkele meters per minuut bereiken.
Laserlassen
Laserstraallassen (Laser Beam Welding LBW) gebruikt laserpulsen met hoge energie om het materiaal lokaal te verwarmen in een klein gebied. De energie van de laserstraling diffundeert in het binnenste van het materiaal door warmtegeleiding en het materiaal smelt om een specifieke smeltpoel te vormen. Na stolling wordt het materiaal als één geheel verbonden.
De voordelen van laserlassen zijn dat het laspunt van actie klein is, de krachtige warmtebron geconcentreerd is en het de mogelijkheid heeft om dikke platen te lassen, met een smalle warmte-beïnvloede zone en kleine lasvervorming. Tegelijkertijd stelt laserlassen echter hoge eisen aan laspositionering, dure lasapparatuur en hoge laskosten. Voor metalen materialen zoals aluminium en magnesium is de laserreflectiviteit hoog en is direct lassen moeilijk.
Bestralen van materialen met lasers met verschillende vermogensdichtheden toont aan dat wanneer de vermogensdichtheid op het werkstuk meer dan 107 W/cm2 bereikt, het metaal in de verwarmingszone in zeer korte tijd zal verdampen en het gas zal convergeren in een klein gaatje in de smeltpoel. Dit kleine gaatje is het centrum voor warmteoverdracht en er wordt een smeltpoel gevormd in de buurt van het kleine gaatje, wat het "sleutelgat"-effect is van laserdieppenetratielassen. Om het probleem van een ongelijkmatige smeltpoel veroorzaakt door 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 smeltzone te verwijderen en de vorming van poriën te verminderen.
Wrijvingslassen
Wrijvingsroerlassen (Friction stir Welding, FSW) is een nieuwe vaste-fase verbindingstechnologie die is gebaseerd op de traditionele wrijvingslastechnologie. Bij de te lassen interface, wanneer de roerkop langs de las beweegt, neemt de temperatuur van het lasmateriaal toe en ondergaat het geplastificeerde metaal een sterke plastische vervorming onder invloed van mechanisch roeren en verstoren, en vormt 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;
De mechanische eigenschappen van de las zijn goed;
Het lasproces is eenvoudig, economisch en milieuvriendelijk.
