Là vật liệu kim loại kỹ thuật phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây, hợp kim nhôm đã được sử dụng rộng rãi trong ngành hàng không vũ trụ, ô tô, tàu thủy và các lĩnh vực khác do có mật độ thấp, cường độ riêng và độ cứng riêng cao, khả năng chống ăn mòn tốt.
Tuy nhiên, một loạt các vấn đề như khả năng hàn kém và hiệu suất lớp tạo hình kém trong quá trình hàn đã hạn chế sự phát triển của các bộ phận kết cấu hợp kim nhôm. Do đó, công nghệ hàn hợp kim nhôm đã trở thành một trong những hướng nghiên cứu chính của nhiều học giả trong và ngoài nước.
Tổng quan về tính chất của hợp kim nhôm
Nhôm là vật liệu kim loại rất nhẹ, khối lượng riêng chỉ 2,7g/cm3, bằng khoảng 36% khối lượng riêng của thép. Sử dụng hợp kim nhôm để chế tạo các bộ phận cơ khí có thể làm giảm đáng kể trọng lượng, đạt được hiệu quả nhẹ, tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải.
Độ bền riêng và độ cứng riêng của hợp kim nhôm cao hơn thép 45 và nhựa ABS. Việc sử dụng vật liệu hợp kim nhôm có lợi cho việc sản xuất các thành phần tích hợp có yêu cầu độ cứng cao.
Hợp kim nhôm có độ dẫn nhiệt, độ dẫn điện và khả năng chống ăn mòn tuyệt vời. Các thông số hiệu suất của hợp kim nhôm A380 và các vật liệu khác được thể hiện trong Bảng 1.
Hợp kim nhôm có khả năng gia công và tái chế tốt. Nếu hệ số cản cắt của hợp kim magiê có khả năng gia công nhất được coi là 1, thì khả năng cản cắt của các kim loại khác được thể hiện trong Bảng 2. Có thể thấy rằng khả năng cản cắt của hợp kim nhôm nhỏ hơn so với đồng, sắt và các vật liệu khác, và quá trình cắt dễ dàng hơn.
Đặc điểm hàn hợp kim nhôm
Do tính chất vật lý và hóa học của hợp kim nhôm, quá trình hàn có một số khó khăn nhất định. Hàn hợp kim nhôm hiện tại chủ yếu có các vấn đề sau: ứng suất nhiệt, bay hơi do ăn mòn, tạp chất rắn, lỗ rỗng bị sụp đổ, v.v.:
Căng thẳng nhiệt
Hợp kim nhôm có hệ số giãn nở nhiệt cao hơn và mô đun đàn hồi thấp hơn. Trong quá trình hàn, do biến dạng lớn và hệ số giãn nở tuyến tính lớn của hợp kim nhôm, tốc độ co ngót thể tích trong quá trình đông đặc là khoảng 6%, tốc độ làm mát và tốc độ kết tinh sơ cấp của vũng nóng chảy nhanh, dẫn đến ứng suất bên trong mối hàn và độ cứng của mối hàn. Lớn hơn, dễ tạo ra ứng suất bên trong lớn trong mối hàn hợp kim nhôm, gây ra ứng suất và biến dạng hàn lớn, hình thành vết nứt, biến dạng sóng và các khuyết tật khác.
Bốc hơi phá hủy
Điểm nóng chảy của nhôm là 660 độ và điểm sôi là 2647 độ, thấp hơn các nguyên tố kim loại khác như đồng và sắt. Trong quá trình hàn, nếu nhiệt độ hàn quá cao, dễ nổ và tạo thành bắn tóe, đặc biệt là trong hàn chùm năng lượng cao, như thể hiện trong Hình 1. Ngoài ra, một số nguyên tố hợp kim được thêm vào hợp kim nhôm có điểm sôi thấp, dễ bay hơi và cháy ở nhiệt độ hàn cao tức thời, và sự bắn tung tóe do vụ nổ tạo ra cũng sẽ lấy đi một phần các giọt, điều này tất yếu làm thay đổi diện tích mối hàn. Thành phần hóa học không có lợi cho việc điều chỉnh hiệu suất của các mối hàn. Do đó, để bù cho sự cắt bỏ ở nhiệt độ cao, dây hàn hoặc các vật liệu hàn khác có hàm lượng nguyên tố có điểm sôi cao hơn kim loại cơ bản thường được sử dụng trong quá trình hàn.
Các tạp chất rắn
Tính chất hóa học của nhôm rất hoạt động và dễ bị oxy hóa. Trong quá trình hàn, bề mặt hợp kim nhôm bị oxy hóa tạo thành Al2O3 có điểm nóng chảy cao (khoảng 2050 độ, trong khi điểm nóng chảy của nhôm là 660 độ, rất khác nhau). Các oxit này đặc và có độ cứng cao, và chúng được trộn lẫn trong chất lỏng hợp kim nóng chảy có mật độ thấp trong khu vực vũng nóng chảy, dễ hình thành các tạp chất xỉ rắn nhỏ không dễ xả, không chỉ ảnh hưởng đến cấu trúc vi mô của mối hàn mà còn dễ bị ăn mòn điện hóa, sẽ làm giảm tính chất cơ học của mối hàn và Al2O3 bao phủ vũng nóng chảy và rãnh, ảnh hưởng nghiêm trọng đến quá trình hàn hợp kim và làm giảm cấu trúc vi mô và tính chất của mối hàn.
Sụp đổ khí khổng
Điểm nóng chảy của hợp kim nhôm thấp hơn nhiều so với oxit của nó, và nó rất hoạt động và dễ bị oxy hóa. Trong quá trình hàn, hợp kim nhôm bị nóng chảy ở nhiệt độ cao để tạo thành vũng nóng chảy. Nhôm trên bề mặt của vũng nóng chảy bị oxy hóa để tạo thành một lớp màng oxit, bao phủ vũng nóng chảy ở dạng rắn. Vì màu sắc của lớp màng oxit nóng chảy không khác nhiều so với trạng thái nóng chảy của hợp kim nhôm và do lớp màng oxit bao phủ nên rất khó để quan sát mức độ nóng chảy của vũng nóng chảy của hợp kim nhôm trong quá trình hàn, do đó dễ khiến nhiệt độ quá cao và gây ra nhiệt hàn. Sự sụp đổ lớn trong khu vực phá hủy hình dạng và tính chất của kim loại hàn.
Dưới tác động của công suất cao tức thời của nguồn nhiệt hàn, một lượng lớn hydro được hòa tan trong chất lỏng hợp kim. Sau khi hàn hoàn tất, khi nhiệt độ của hồ nóng chảy giảm, độ hòa tan của khí giảm dần, trở thành nguyên nhân chính gây ra lỗ chân lông trong quá trình hàn. lý do. Do tốc độ đông đặc nhanh và mật độ thấp của hợp kim nhôm, các lỗ chân lông hydro có kích thước khác nhau được hình thành trong quá trình đông đặc nhanh của mối hàn. Các lỗ chân lông này sẽ tiếp tục tích tụ và giãn nở trong quá trình hàn, cuối cùng hình thành các lỗ chân lông có thể nhìn thấy và làm giảm các đặc tính cấu trúc của mối nối. Tất nhiên, việc tạo ra các lỗ chân lông không nhất thiết phải hình thành trong quá trình hàn. Do ảnh hưởng của công nghệ đúc, bản thân kim loại cơ bản cũng sẽ tạo ra các lỗ chân lông trong quá trình đúc. Trong quá trình hàn, sự thay đổi liên tục của nhiệt đầu vào và áp suất bên trong khiến các lỗ chân lông ban đầu trong kim loại cơ bản giãn nở do nhiệt hoặc kết hợp với nhau để tạo thành các lỗ chân lông hàn. Khi nhiệt đầu vào hàn tăng lên, các lỗ chân lông cũng sẽ tăng lên. Do đó, để kiểm soát nguồn hydro, vật liệu hàn cần phải trải qua quá trình xử lý sấy khô nghiêm ngặt trước khi sử dụng. Trong quá trình hàn, cần tăng dòng điện một cách thích hợp để kéo dài thời gian tồn tại của vũng hàn nóng chảy và cho phép hydro có đủ thời gian kết tủa, do đó kiểm soát sự hình thành lỗ rỗng.
Phân loại công nghệ hàn hợp kim nhôm
Với sự mở rộng phạm vi ứng dụng của hợp kim nhôm, ngày càng có nhiều vấn đề được nêu bật. Với sự tiến bộ của nghiên cứu, công nghệ hàn hợp kim nhôm đã có những tiến bộ lớn. Hiện nay, chủ yếu có hàn hồ quang argon vonfram (TIG), hàn khí trơ nóng chảy (MIG), hàn laser (LBW), hàn khuấy ma sát (FSW) Chờ.
Hàn TIG
Hàn khí trơ Tungsten (TIG) là phương pháp hàn hồ quang khí trơ điển hình và là phương pháp hàn được sử dụng phổ biến nhất. Trong quá trình hàn, điện cực Tungsten và bề mặt hàn được sử dụng làm điện cực, và khí Heli hoặc Argon được truyền giữa hai điện cực làm khí bảo vệ để bảo vệ hồ quang, và dây và kim loại cơ bản được làm nóng chảy bằng cách phóng điện áp cao tức thời, và các bộ phận hợp kim nhôm được hàn và định hình, và hàn sửa chữa và sửa chữa các khuyết tật đúc.
Chủ yếu có các đặc điểm kỹ thuật sau:
Dễ vận hành, linh hoạt và dễ kiểm soát, thích ứng với nhiều điều kiện làm việc khác nhau và chi phí thấp;
Vùng chịu nhiệt hẹp, biến dạng mối hàn nhỏ trong điều kiện cấp dây đủ, hiệu suất toàn diện của mối hàn cao;
Hiệu suất quá trình hàn tốt và ổn định, đường hàn dày đặc và đẹp.
Hàn MIG
MIG (Hàn hồ quang kim loại bằng khí GMA) và TIG đều là phương pháp hàn trong môi trường khí trơ, điểm khác biệt là hàn TIG sử dụng điện cực vonfram làm điện cực cố định, trong khi hàn MIG sử dụng chính vật liệu dây hàn làm điện cực.
Tuy nhiên, quy trình ứng dụng hàn MIG hợp kim nhôm bị hạn chế rất nhiều, vì dây nhôm mềm dẫn đến cấp dây kém, nhôm nóng chảy có xu hướng hình thành hiện tượng "treo không nhỏ giọt" trong quá trình hàn, dễ gây ra hiện tượng bắn tung tóe. Ưu điểm là hàn MIG nhanh hơn hàn TIG, phạm vi chuyển động hàn nhỏ khi hàn các phôi lớn. Bằng cách điều chỉnh tốc độ cấp dây, hiệu suất hàn có thể đạt tới vài mét mỗi phút.
Hàn laser
Hàn chùm tia laser (Laser Beam Welding LBW) sử dụng xung laser năng lượng cao để làm nóng cục bộ vật liệu trong một khu vực nhỏ. Năng lượng của bức xạ laser khuếch tán vào bên trong vật liệu thông qua dẫn nhiệt và vật liệu bị nóng chảy để tạo thành một vũng nóng chảy cụ thể. Sau khi đông đặc, vật liệu được kết nối thành một.
Ưu điểm của hàn laser là điểm hàn nhỏ, nguồn nhiệt công suất cao tập trung, có khả năng hàn các tấm dày, vùng ảnh hưởng nhiệt hẹp, biến dạng hàn nhỏ. Tuy nhiên, đồng thời, hàn laser có yêu cầu cao về vị trí hàn, thiết bị hàn đắt tiền, chi phí hàn cao. Đối với vật liệu kim loại như nhôm và magiê, độ phản xạ laser cao, hàn trực tiếp khó.
Chiếu xạ vật liệu bằng laser với mật độ công suất khác nhau cho thấy khi mật độ công suất trên phôi đạt hơn 107W/cm2, kim loại trong vùng gia nhiệt sẽ bị bốc hơi trong thời gian rất ngắn và khí sẽ hội tụ thành một lỗ nhỏ trong vũng nóng chảy, lỗ nhỏ này là trung tâm truyền nhiệt và một vũng nóng chảy được hình thành gần lỗ nhỏ, đây là hiệu ứng "lỗ khóa" của hàn thâm nhập sâu bằng laser. Để tránh vấn đề vũng nóng chảy không đều do hiện tượng này gây ra, có thể giảm năng lượng laser, tăng tốc độ hàn hoặc kiểm soát sự nóng chảy lại của vùng nugget để loại bỏ các bong bóng trong vùng nóng chảy và giảm sự hình thành lỗ rỗng.
Hàn khuấy ma sát
Hàn khuấy ma sát (Friction stir Welding, FSW) là công nghệ hàn pha rắn mới được hình thành trên cơ sở công nghệ hàn ma sát truyền thống. Tại giao diện cần hàn, khi đầu khuấy tiến dọc theo mối hàn, nhiệt độ của vật liệu hàn tăng lên, kim loại dẻo hóa trải qua biến dạng dẻo mạnh dưới tác động của khuấy và đảo trộn cơ học, và tạo thành liên kết pha rắn dày đặc sau khi khuếch tán và kết tinh lại.
So với các phương pháp hàn truyền thống, công nghệ FSW có những ưu điểm sau:
Nhiệt độ hàn thấp và biến dạng hàn nhỏ;
Tính chất cơ học của mối hàn tốt;
Quá trình hàn đơn giản, tiết kiệm và thân thiện với môi trường.
