آلیاژ آلومینیوم به عنوان یک ماده فلزی مهندسی که در سال های اخیر به سرعت افزایش یافته است، به دلیل چگالی کم، استحکام ویژه بالا و سفتی خاص و مقاومت در برابر خوردگی خوب، به طور گسترده در هوافضا، خودروها، کشتی ها و سایر زمینه ها استفاده شده است. .
با این حال، یک سری مشکلات مانند جوش پذیری ضعیف و عملکرد ضعیف لایه شکل دهنده در جوشکاری، توسعه قطعات ساختاری آلیاژ آلومینیوم را محدود می کند. بنابراین، فناوری جوشکاری آلیاژ آلومینیوم به یکی از جهت گیری های اصلی تحقیقات بسیاری از محققان در داخل و خارج از کشور تبدیل شده است.
نمای کلی عملکرد آلیاژ آلومینیوم
آلومینیوم یک ماده فلزی بسیار سبک با چگالی تنها 2.7 گرم بر سانتی متر مکعب است که حدود 36 درصد چگالی فولاد است. آلیاژ آلومینیوم برای ساخت قطعات مکانیکی استفاده می شود که می تواند به طور قابل توجهی وزن را کاهش دهد و به اثرات وزن سبک، صرفه جویی در انرژی و کاهش انتشار برسد.
استحکام خاص و سفتی خاص آلیاژ آلومینیوم بالاتر از فولاد 45 و پلاستیک ABS است. استفاده از مواد آلیاژ آلومینیوم برای ساخت اجزای یکپارچه با الزامات سختی بالا مفید است.
آلیاژ آلومینیوم دارای هدایت حرارتی عالی، هدایت الکتریکی و مقاومت در برابر خوردگی است. پارامترهای عملکرد آلیاژ آلومینیوم A380 و سایر مواد در جدول 1 نشان داده شده است.
آلیاژ آلومینیوم قابلیت ماشینکاری و بازیافت خوبی دارد. اگر فرض شود که ضریب مقاومت برش راحت ترین آلیاژ منیزیم 1 باشد، مقاومت برش سایر فلزات در جدول 2 نشان داده شده است. می توان دید که مقاومت برش آلیاژ آلومینیوم کمتر از مس و آهن است. و سایر مواد، و فرآیند برش نسبتا آسان است.
مشخصات جوشکاری آلیاژ آلومینیوم
تحت تأثیر خواص فیزیکی و شیمیایی آلیاژهای آلومینیوم، مشکلات خاصی در فرآیند جوشکاری وجود دارد. جوشکاری آلیاژ آلومینیوم فعلی عمدتاً دارای مشکلات زیر است: تنش حرارتی، تبخیر فرسایش، اجزای جامد، فروپاشی منافذ و غیره:
استرس حرارتی
آلیاژهای آلومینیوم دارای ضریب انبساط حرارتی بالاتر و مدول الاستیسیته کمتری هستند. در طول فرآیند جوشکاری، به دلیل تغییر شکل زیاد و ضریب انبساط خطی زیاد آلیاژ آلومینیوم، میزان انقباض حجمی در حین انجماد حدود 6 درصد است و سرعت سرد شدن و سرعت تبلور اولیه حوضچه مذاب سریع است و در نتیجه تنش داخلی جوش و سفتی اتصال جوش داده شده. بزرگتر، ایجاد تنش داخلی بیشتر در اتصال آلیاژ آلومینیوم آسان است و باعث ایجاد تنش جوشکاری و تغییر شکل بیشتر، ایجاد عیوب مانند ترک و تغییر شکل موج می شود.
تبخیر ابلیشن
آلومینیوم دارای نقطه ذوب 660 درجه و نقطه جوش 2647 درجه است که نسبت به سایر عناصر فلزی مانند مس و آهن کمتر است. در طول فرآیند جوشکاری، اگر دمای جوش بیش از حد بالا باشد، ایجاد انفجار و ایجاد پاشش، بهویژه در جوشکاری با پرتو پرانرژی، آسان است، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است. علاوه بر این، برخی از عناصر آلیاژی به آلیاژ آلومینیوم اضافه میشوند. نقطه جوش پایینی داشته باشد که تبخیر و سوزاندن آن در دمای بالا و آنی جوشکاری بسیار آسان است و پاشش ناشی از انفجار نیز بخشی از قطرات مایع را از بین می برد که به ناچار ناحیه جوش را تغییر می دهد. ترکیب شیمیایی برای تنظیم عملکرد اتصال جوش داده شده مناسب نیست. بنابراین، به منظور جبران فرسایش در دمای بالا، اغلب در حین جوشکاری از سیم جوش یا سایر مواد جوشکاری با محتوای عنصر نقطه جوش بالاتر از فلز پایه استفاده می شود.
گنجاندن جامد
خواص شیمیایی آلومینیوم بسیار فعال است و به راحتی اکسید می شود. در طی فرآیند جوشکاری، سطح آلیاژ آلومینیوم اکسید می شود تا Al2O3 با نقطه ذوب بالا (حدود 2050 درجه سانتیگراد، در حالی که نقطه ذوب آلومینیوم 660 درجه سانتیگراد است، که بسیار متفاوت است) تشکیل می شود. اکسیدها متراکم هستند و سختی بالایی دارند و در مایع آلیاژ مذاب با چگالی کم در ناحیه حوضچه مذاب مخلوط می شوند، که به راحتی سرباره جامد ریز تشکیل می شود و تخلیه آن دشوار است، که نه تنها بر ساختار جوش تأثیر می گذارد. بلکه به راحتی خوردگی الکتروشیمیایی ایجاد می کند که باعث کاهش خواص مکانیکی اتصالات جوشی می شود و Al2O3 حوضچه و شیار مذاب را می پوشاند که به طور جدی بر جوشکاری آلیاژها تأثیر می گذارد و ریزساختار و خواص اتصالات جوشی را کاهش می دهد.
فروپاشی روزنه
نقطه ذوب آلیاژ آلومینیوم بسیار کمتر از اکسید آن است و طبیعت آن زنده و به راحتی اکسید می شود. در طول فرآیند جوشکاری، آلیاژ آلومینیوم به دلیل ذوب شدن در دمای بالا، یک حوضچه مذاب را تشکیل می دهد. آلومینیوم روی سطح حوضچه مذاب اکسید می شود تا یک فیلم اکسیدی تشکیل شود که حوضچه مذاب را در حالت جامد می پوشاند. از آنجایی که رنگ فیلم اکسید پس از ذوب تفاوت چندانی با آلیاژ آلومینیوم مذاب ندارد و به دلیل پوشش لایه اکسیدی، مشاهده درجه ذوب حوضچه مذاب آلیاژ آلومینیوم در طول فرآیند جوشکاری دشوار است. بنابراین به راحتی می توان دما را بیش از حد زیاد کرد و باعث تأثیر گرمای جوشکاری می شود. بخش عمده ای از ناحیه فرو می ریزد و شکل و خواص فلز جوش را از بین می برد.
تحت تأثیر قدرت بالای آنی منبع حرارت جوش، مقدار زیادی گاز هیدروژن در مایع آلیاژی حل می شود. پس از اتمام جوشکاری، با کاهش دمای حوضچه مذاب، حلالیت گاز نیز به تدریج کاهش می یابد که عامل اصلی ایجاد منافذ در فرآیند جوشکاری می شود. دلیل. از آنجا که سرعت انجماد آلیاژ آلومینیوم بسیار سریع و چگالی کم است، منافذ هیدروژن با اندازه های مختلف در طول انجماد سریع جوش ایجاد می شود. این منافذ در طول فرآیند جوشکاری به تجمع و انبساط ادامه میدهند و در نهایت منافذ بزرگ قابل مشاهده را تشکیل میدهند و خواص ساختاری اتصال را کاهش میدهند. البته منافذ لزوما در طول فرآیند جوشکاری ایجاد نمی شوند. با توجه به تأثیر فناوری فرآیند ریختهگری، خود فلز پایه نیز در طی فرآیند ریختهگری منافذ ایجاد میکند. در حین جوشکاری، حرارت ورودی و فشار داخلی به طور مداوم در حال تغییر است و باعث می شود که منافذ اصلی در فلز پایه منبسط شده یا با یکدیگر ترکیب شوند و منافذ جوش را تشکیل دهند. با افزایش گرمای ورودی جوش، منافذ نیز افزایش خواهند یافت. بنابراین، برای کنترل منبع هیدروژن، مواد جوشکاری باید قبل از استفاده به شدت خشک شوند. در حین جوشکاری، جریان به طور مناسب افزایش می یابد تا زمان وجود حوضچه مذاب طولانی شود و زمان کافی برای رسوب هیدروژن داده شود و در نتیجه تشکیل منافذ کنترل شود.
تصویر
شکل 2 تشکیل و همگرایی روزنه ها
طبقه بندی تکنولوژی جوشکاری آلیاژ آلومینیوم
با گسترش دامنه کاربرد آلیاژهای آلومینیوم، مشکلات بیشتر و بیشتر برجسته می شود. با پیشرفت تحقیقات، تکنولوژی جوشکاری آلیاژ آلومینیوم بسیار توسعه یافته است. در حال حاضر، جوشکاری قوس آرگون تنگستن (TIG)، جوشکاری گاز خنثی مذاب (MIG)، جوشکاری لیزری (LBW)، جوشکاری اغتشاشی اصطکاکی (FSW) وجود دارد.
جوشکاری قوسی تنگستن گازی
جوشکاری با گاز بی اثر تنگستن (TIG) یک جوشکاری محافظ گاز بی اثر معمولی است و متداول ترین روش جوشکاری است. هنگام جوشکاری، از الکترود تنگستن و سطح جوش به عنوان الکترود استفاده می شود و گاز هلیوم یا آرگون بین دو الکترود به عنوان گاز محافظ برای محافظت از قوس عبور داده می شود و سیم و فلز پایه با تخلیه ولتاژ بالا لحظه ای ذوب می شوند. و قطعات آلیاژ آلومینیوم جوش داده شده و شکل می گیرد و جوشکاری و تعمیر عیوب ریخته گری.
این عمدتا دارای مشخصات فنی زیر است:
آسان برای کار، انعطاف پذیر و قابل کنترل، سازگار با شرایط کاری و محیط های مختلف، و کم هزینه.
منطقه متاثر از حرارت باریک است و تغییر شکل اتصال جوش داده شده در شرایط تغذیه کافی سیم کم است و عملکرد جامع اتصال بالا است.
عملکرد فرآیند جوشکاری خوب و پایدار است و درز جوش متراکم و زیبا است.
جوشکاری MIG
MIG (GMA-Gas Metal Arc Welding) و TIG هر دو جوشکاری محافظ گاز بی اثر هستند. تفاوت این است که در جوشکاری TIG از الکترودهای تنگستن به عنوان الکترودهای ثابت استفاده می شود، در حالی که در جوشکاری MIG از خود مواد سیم پر شده به عنوان الکترود استفاده می شود.
در فرآیند جوشکاری محافظ فلزی با گاز بیاثر آلیاژ آلومینیوم، ولتاژ و جریان بر انتهای الکترود سیم جوش اثر میگذارد و یک فشار بالا لحظهای بین الکترود و فلز پایه ایجاد میشود که فلز پایه و فلز پایه را ذوب میکند. شیار، و قطره در انتهای سیم می افتد و به صورت عمودی به فلز پایه تبدیل می شود. بر روی حوضچه مذاب مواد، یک ناحیه جوش تشکیل می شود.
با این حال، فرآیند کاربرد جوشکاری MIG آلیاژ آلومینیوم نسبتاً محدود است، زیرا نرمی سیم آلومینیوم منجر به تغذیه ضعیف سیم می شود و آلومینیوم مذاب مستعد ایجاد پدیده "آویزان شدن اما چکه نشدن" در حین جوش است که آسان است. باعث پاشیدن قطرات شود. مزیت این است که جوشکاری MIG سریعتر از جوشکاری TIG است و محدوده حرکت جوشکاری هنگام جوشکاری قطعات کار بزرگ کوچک است. با تنظیم سرعت تغذیه سیم، راندمان جوش می تواند به چندین متر در دقیقه برسد.
جوش لیزری
جوشکاری پرتو لیزر (Laser Beam Welding LBW) از پالس های لیزر پرانرژی برای گرم کردن موضعی مواد در یک منطقه کوچک استفاده می کند. انرژی تابش لیزر از طریق رسانش گرما به داخل ماده پخش می شود و مواد ذوب می شوند تا یک حوضچه مذاب خاص تشکیل شود. پس از انجماد، مواد به One متصل می شوند.
مزیت جوشکاری لیزری این است که نقطه عمل جوشکاری کوچک است، منبع حرارتی با توان بالا متمرکز است، قادر به جوشکاری صفحات ضخیم است، ناحیه متاثر از حرارت باریک است و تغییر شکل جوش کوچک است. اما در عین حال، جوش لیزری دارای الزامات بالایی برای موقعیت جوش، تجهیزات جوشکاری گران قیمت و هزینه های جوشکاری بالا است. برای مواد فلزی مانند آلومینیوم و منیزیم، بازتاب لیزر بالا است و جوش مستقیم دشوار است.
تابش مواد با لیزر با چگالی توان متفاوت نشان می دهد که وقتی چگالی توان روی قطعه کار به بیش از 107 وات بر سانتی متر مربع برسد، فلز در ناحیه گرمایش در مدت زمان بسیار کوتاهی به گاز تبدیل می شود و گاز به سوراخ کوچکی همگرا می شود. حوضچه مذاب و شکل یک سوراخ کوچک مرکز انتقال حرارت است و یک حوضچه مذاب در نزدیکی سوراخ کوچک تشکیل می شود که اثر "سوراخ کلید" جوشکاری با نفوذ عمیق لیزر است. برای جلوگیری از ناهمواری حوضچه مذاب ناشی از این پدیده، می توان انرژی لیزر را کاهش داد، سرعت جوش را افزایش داد یا ذوب مجدد ناحیه قطعه را کنترل کرد تا حباب های ناحیه همجوشی حذف شود و تولید منافذ کاهش یابد. .
جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی
جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی (Friction Stir Welding, FSW) نوع جدیدی از فناوری اتصال فاز جامد مبتنی بر فناوری جوشکاری اصطکاکی سنتی است. در سطح مشترکی که قرار است جوش داده شود، وقتی سر همزن در امتداد درز جوش پیشروی میکند، دمای مواد جوش افزایش مییابد و فلز پلاستیکی شده تحت اثر هم زدن و برهم زدن مکانیکی، دچار تغییر شکل پلاستیکی شدید میشود و یک اتصال فاز جامد متراکم را تشکیل میدهد. پس از انتشار و تبلور مجدد
در مقایسه با روش های جوشکاری سنتی، فناوری FSW دارای مزایای زیر است:
دمای جوش کم و تغییر شکل جوش کوچک؛
خواص مکانیکی خوب جوش؛
فرآیند جوشکاری ساده، اقتصادی و سازگار با محیط زیست است.
مشکلات اصلی و تمرکز تحقیق
با استفاده از آلیاژهای آلومینیوم در صنایع بیشتر، مشکل اتصال تعمیری آن نیز توجه بسیاری از محققان را به خود جلب کرده است. از طریق آزمایشهای مختلف جوشکاری روی آلیاژهای آلومینیوم، مشخص میشود که بلوغ فناوری تعمیرات هنوز نیازهای توسعه صنعت را برآورده نکرده است و هنوز مشکلات مختلفی در آن وجود دارد.
جوشکاری قوس تنگستن گاز و جوشکاری محافظ گاز بی اثر فلزی دو روش جوشکاری پرکاربرد در حال حاضر هستند، اما این دو فناوری دارای ناحیه تحت تاثیر حرارت وسیع هستند و فلز جوش نیاز به ذوب و سپس جامد شدن دارد که این امر بر ساختار. بزرگتر، و تنش پسماند زیاد است، و در نتیجه تأثیر جدی بر خواص مکانیکی مفصل دارد. چگالی پرتو انرژی جوش لیزری بالا است و نسبت عمق به عرض جوش زیاد است، اما ایجاد منافذ بسیار آسان است و هزینه گران آن نیز محبوبیت کاربردها را محدود می کند. جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی راه حلی برای مشکل گرما ارائه می دهد، اما جوشکاری اغتشاشی اصطکاکی به فشار و نیروی محرکه رو به جلو نسبتاً زیادی نیاز دارد و تجهیزات به طور کلی پیچیده و حجیم هستند که توسعه آن را محدود می کند.
تمرکز تحقیقات آینده در مورد موضوعات مرتبط باید بر جنبه های زیر باشد:
با شروع از پایه جوشکاری فیوژن، فرمول سیم جوش را تنظیم کنید، عناصر خاکی کمیاب را اضافه کنید یا مقدار مناسبی از فعال کننده جوش را برای کنترل تغییر شکل جوش، کاهش تنش و کاهش تشکیل منافذ انتخاب کنید.
با توجه به گسترش دامنه و کاربرد آلیاژها، معمولاً از آنها همراه با مواد غیر مشابه استفاده می شود، بنابراین لازم است آزمایش های جوشکاری لبه ای بین فلزات غیر مشابه برای به دست آوردن اتصالات با کیفیت بالا انجام شود.
تحقیق در مورد جوش پذیری منابع حرارتی مرکب، مانند جوشکاری هیبریدی لیزر TIG، جوشکاری اغتشاشی اصطکاکی کامپوزیت لیزری، به منظور دستیابی به عملکرد جوش بهینه انجام دهید.
