Là một vật liệu kim loại kỹ thuật đã tăng lên nhanh chóng trong những năm gần đây, hợp kim nhôm đã được sử dụng rộng rãi trong hàng không vũ trụ, ô tô, tàu thủy và các lĩnh vực khác do mật độ thấp, cường độ riêng cao và độ cứng riêng và khả năng chống ăn mòn tốt. .
Tuy nhiên, một loạt các vấn đề như khả năng hàn kém và hiệu suất lớp định hình kém trong hàn hạn chế sự phát triển của các bộ phận kết cấu hợp kim nhôm. Vì vậy, 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 hợp kim nhôm
1. Nhôm là một vật liệu kim loại rất nhẹ với tỷ trọng chỉ 2,7g / cm3, bằng khoảng 36% tỷ trọng của thép. Việc sử dụng hợp kim nhôm để chế tạo các bộ phận cơ khí có thể làm giảm đáng kể trọng lượng và đạt được hiệu quả về trọng lượng nhẹ, tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải.
2. 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 bộ phận tích hợp với yêu cầu độ cứng cao.
3. Hợp kim nhôm có khả năng dẫn nhiệt, dẫn điện và chống ăn mòn cực tốt. Các thông số tính năng của hợp kim nhôm A380 và các vật liệu khác được thể hiện trong Bảng 1.
4. Hợp kim nhôm có khả năng gia công và tái chế tốt. Nếu hệ số bền cắt của hợp kim magiê dễ gia công nhất được giả định là 1 thì khả năng chịu cắt của các kim loại khác được thể hiện trong Bảng 2. Có thể thấy rằng khả năng chịu cắt của hợp kim nhôm nhỏ hơn so với đồng, sắt và các loại khác. vật liệu và quá trình cắt dễ dàng hơn.
Đặc điểm hàn hợp kim nhôm
Bị ảnh hưởng bởi các tính chất vật lý và hóa học của hợp kim nhôm nên có những khó khăn nhất định trong quá trình hàn. Hàn hợp kim nhôm hiện nay chủ yếu gặp các vấn đề sau: ứng suất nhiệt, bay hơi bốc hơi, tạp chất rắn, xẹp lỗ rỗng, 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 sự biến dạng lớn và hệ số giãn nở tuyến tính lớn của hợp kim nhôm, tỷ lệ co ngót thể tích trong quá trình đông đặc là khoảng 6%, và tốc độ làm mát và tốc độ kết tinh chính của bể nóng chảy nhanh, dẫn đến ứng suất bên trong của mối hàn và độ cứng của mối hàn. Nếu lớn dễ sinh ứng suất bên trong lớn trong mối ghép hợp kim nhôm, gây ra ứng suất và biến dạng hàn lớn, đồng thời hình thành các khuyết tật như nứt, biến dạng sóng.
Bốc hơi Ablative
Điểm nóng chảy của nhôm là 660 độ và điểm sôi là 2647 độ, thấp hơn so với các nguyên tố kim loại khác như đồng và sắt. Trong quá trình hàn, nếu nhiệt độ hàn quá cao sẽ dễ bị nổ và tạo thành tia lửa, đặc biệt là trong hàn chùm năng lượng cao, như hình 1. Ngoài ra, một số nguyên tố hợp kim bổ sung vào hợp kim nhôm có nhiệt độ sôi thấp, dễ bay hơi và cháy ở nhiệt độ cao tức thời của vật hàn, và bắn tung tóe do nổ cũng sẽ lấy đi một số giọt, chắc chắn sẽ làm thay đổi diện tích đường hàn. Thành phần hóa học không có lợi cho việc điều chỉnh hoạt động của các mối hàn. Vì vậy, để bù đắp cho sự mài mòn ở nhiệt độ cao, người ta thường sử dụng dây hàn hoặc vật liệu hàn khác có hàm lượng nguyên tố nhiệt độ sôi cao hơn kim loại cơ bản trong quá trình hàn.
Bao gồm rắn
Tính chất hóa học của nhôm là rất hoạt động và dễ bị oxi hóa. Trong quá trình hàn, bề mặt của hợp kim nhôm bị oxy hóa để tạo thành Al2O3 có nhiệt độ nóng chảy cao (khoảng 2050 độ, trong khi nhiệt độ nóng chảy của nhôm là 660 độ, rất khác biệt). Các oxit này dày đặc và có độ cứng cao, chúng được trộn lẫn trong chất lỏng hợp kim nóng chảy với mật độ thấp trong khu vực bể nóng chảy, dễ tạo thành các tạp chất rắn nhỏ không dễ thải ra, điều này không chỉ ảnh hưởng đến cấu trúc vi mô của mối hàn, nhưng cũng dễ bị ăn mòn điện hóa, điều này sẽ gây ra Cơ tính của mối hàn giảm, và Al2O3 bao phủ vũng và rãnh nóng chảy, điều này ảnh hưởng nghiêm trọng đến quá trình hàn của hợp kim và làm giảm cấu trúc vi mô và tính chất của mối hàn.
Sự sụp đổ của stoma
Điểm nóng chảy của hợp kim nhôm thấp hơn nhiều so với oxit của nó, và nó rất hoạt động và dễ bị ôxy hóa. Trong quá trình hàn, hợp kim nhôm được nấu chảy ở nhiệt độ cao tạo thành vũng nóng chảy. Nhôm trên bề mặt của bể nóng chảy bị oxy hóa để tạo thành một màng oxit, bao phủ bể nóng chảy ở dạng rắn. Do màu sắc của màng oxit nóng chảy không khác nhiều so với trạng thái nóng chảy của hợp kim nhôm và do màng oxit bao phủ nên rất khó để quan sát mức độ nóng chảy của vũng nóng chảy hợp kim nhôm trong quá trình hàn. nên dễ dẫn đến nhiệt độ quá cao gây hàn nhiệt. Sự sụp đổ lớn trong khu vực phá hủy hình dạng và tính chất của kim loại mối hàn.
Dưới tác dụng 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 xong, khi nhiệt độ của vũng nóng chảy giảm dần, khả năng hòa tan của khí giảm dần, điều này trở thành nguyên nhân chính gây ra các lỗ rỗng trong quá trình hàn. lý do. Do tốc độ hóa rắn nhanh và tỷ trọng thấp của hợp kim nhôm, các lỗ rỗng hydro có kích thước khác nhau được hình thành trong quá trình hóa rắn nhanh chóng của mối hàn. Các lỗ rỗng này sẽ tiếp tục tích tụ và giãn nở trong quá trình hàn, cuối cùng hình thành các lỗ rỗng có thể nhìn thấy được và làm giảm các đặc tính cấu trúc của mối nối. Tất nhiên, việc tạo ra các lỗ rỗng không nhất thiết được hình thành trong quá trình hàn. Do ảnh hưởng của công nghệ đúc, bản thân kim loại cơ bản cũng sẽ sinh ra các lỗ rỗng trong quá trình đúc. Trong quá trình hàn, sự thay đổi liên tục của nhiệt lượng đầu vào và áp suất bên trong làm cho các lỗ rỗng ban đầu trong kim loại cơ bản nở ra do nhiệt hoặc kết hợp với nhau tạo thành các lỗ rỗng mối hàn. Với sự gia tăng của nhiệt hàn đầu vào, các lỗ rỗng 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, dòng điện nên được tăng lên một cách thích hợp để kéo dài thời gian tồn tại của vũng nóng chảy và cho phép đủ thời gian để hydro kết tủa, do đó kiểm soát sự hình thành các lỗ rỗng.
Phân loại công nghệ hàn hợp kim nhôm
Với việc mở rộng phạm vi ứng dụng của hợp kim nhôm, ngày càng có nhiều vấn đề được làm nổi bật. Với sự tiến bộ của nghiên cứu, công nghệ hàn hợp kim nhôm đã có những bước phát triển vượt bậc. Hiện nay chủ yếu là hàn hồ quang argon vonfram (TIG), hàn khí trơ nóng chảy (MIG), hàn laze (LBW), hàn khuấy ma sát (FSW) Chờ.
Hàn TIG
Hàn khí trơ vonfram (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 vonfram và bề mặt hàn được sử dụng làm điện cực và khí heli hoặc argon được đi qua giữa hai điện cực như một khí che chắn để bảo vệ hồ quang, dây và kim loại cơ bản bị nóng chảy do phóng điện cao áp tức thời, và các bộ phận hợp kim nhôm được hàn và tạo hình, và Hàn sửa chữa và sửa chữa các khuyết tật đúc.
Chủ yếu có các đặc tính kỹ thuật sau:
1. Dễ vận hành, linh hoạt và có thể điều khiển, thích ứng với các điều kiện và môi trường làm việc khác nhau, với chi phí thấp;
2. Vùng ảnh hưởng nhiệt hẹp, biến dạng của mối hàn nhỏ khi cấp dây đủ, và hiệu suất toàn diện của mối nối cao;
3. Hiệu suất quá trình hàn tốt và ổn định, đường hàn nhỏ gọn và đẹp.
Hàn MIG
MIG (GMA-Gas Metal Arc Welding) và TIG đều là hàn được che chắn bằng 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 phụ làm điện cực.
Trong quá trình hàn hợp kim nhôm được che chắn bằng khí trơ cực nóng chảy, điện áp và dòng điện tác dụng lên đầu điện cực của dây hàn, đồng thời tạo ra điện áp cao tức thời giữa điện cực và kim loại cơ bản làm nóng chảy kim loại cơ bản. và rãnh, và giọt ở cuối dây hàn rơi ra và chuyển theo phương thẳng đứng sang kim loại cơ bản. Trên vũng vật liệu nóng chảy, một vùng hàn được hình thành.
Tuy nhiên, quá trình ứng dụng của hàn MIG bằng hợp kim nhôm bị hạn chế rất nhiều, do dây nhôm mềm dẫn đến ăn dây kém, nhôm nóng chảy có xu hướng tạo thành hiện tượng “treo không nhỏ giọt” trong quá trình hàn, dễ gây ra hiện tượng nhỏ giọt. bắn tung tóe. Ưu điểm là hàn MIG nhanh hơn hàn TIG, và phạm vi chuyển động hàn nhỏ khi hàn phôi lớn. Bằng cách điều chỉnh tốc độ cấp dây, hiệu quả hàn có thể đạt vài mét / phút.
Hàn laser
Hàn 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 vùng nóng chảy cụ thể. Sau khi đông đặc, vật liệu được kết nối làm một.
Ưu điểm của hàn laze là điểm tác dụng hàn nhỏ, tập trung nguồn nhiệt công suất lớn nên có khả năng hàn các tấm dày, vùng ảnh hưởng nhiệt hẹp và biến dạng hàn nhỏ. Tuy nhiên, đồng thời, hàn laser có yêu cầu cao về định vị mối hàn, thiết bị hàn đắt tiền, chi phí hàn cao. Đối với các vật liệu kim loại như nhôm và magiê, độ phản xạ tia laser cao và khó hàn trực tiếp.
Chiếu xạ vật liệu bằng tia laze với các mật độ công suất khác nhau cho thấy khi mật độ công suất trên phôi đạt hơn 107W / cm2, kim loại trong vùng nung nóng sẽ bị hóa hơi trong thời gian rất ngắn, và khí sẽ tụ lại 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, đó là hiệu ứng "lỗ khóa" của hàn xuyên sâu bằng laser. Để tránh tình trạng vũng nóng chảy không đồng đều do hiện tượng này gây ra, có thể giảm năng lượng laser, tăng tốc độ hàn hoặc kiểm soát quá trình nấu chảy lại vùng hạt nhân để loại bỏ các bọt khí trong vùng nhiệt hạch và giảm sự tạo ra các lỗ rỗng. .
Hàn khuấy ma sát
Hàn khuấy ma sát (Ma sát khuấy hàn, FSW) là công nghệ nối pha rắn mới được hình thành trên cơ sở công nghệ hàn ma sát truyền thống. Tại bề mặt được hàn, khi đầu khuấy di chuyển dọc theo mối hàn, nhiệt độ của vật liệu hàn tăng lên và kim loại hóa dẻo trải qua biến dạng dẻo mạnh dưới tác dụng của khuấy và đảo cơ học, và tạo thành liên kết pha rắn dày đặc sau khuếch tán và kết tinh lại.
