Como un material metálico de ingeniería que ha aumentado rápidamente en los últimos años, las aleaciones de aluminio se han utilizado ampliamente en la industria aeroespacial, automóviles, barcos y otros campos debido a su baja densidad, alta resistencia específica y rigidez específica, y buena resistencia a la corrosión. .
Sin embargo, una serie de problemas, como la mala soldabilidad y el bajo rendimiento de la capa de formación en la soldadura, restringen el desarrollo de piezas estructurales de aleación de aluminio. Por lo tanto, la tecnología de soldadura de aleaciones de aluminio se ha convertido en una de las principales direcciones de investigación de muchos académicos en el país y en el extranjero.
Descripción general de las propiedades de la aleación de aluminio
1. El aluminio es un material metálico muy liviano con una densidad de solo 2,7 g/cm3, que es aproximadamente el 36 por ciento de la densidad del acero. El uso de aleación de aluminio para fabricar piezas mecánicas puede reducir significativamente el peso y lograr el efecto de ligereza, ahorro de energía y reducción de emisiones.
2. La resistencia específica y la rigidez específica de la aleación de aluminio son más altas que las del acero 45 y el plástico ABS. El uso de materiales de aleación de aluminio favorece la fabricación de componentes integrales con altos requisitos de rigidez.
3. La aleación de aluminio tiene una excelente conductividad térmica, conductividad eléctrica y resistencia a la corrosión. Los parámetros de rendimiento de la aleación de aluminio A380 y otros materiales se muestran en la Tabla 1.
4. La aleación de aluminio tiene buena maquinabilidad y reciclabilidad. Si se supone que el coeficiente de resistencia al corte de la aleación de magnesio más mecanizable es 1, la resistencia al corte de otros metales se muestra en la Tabla 2. Se puede ver que la resistencia al corte de la aleación de aluminio es menor que la del cobre, hierro y otros. materiales, y el proceso de corte es más fácil.
Características de soldadura de aleación de aluminio.
Afectado por las propiedades físicas y químicas de las aleaciones de aluminio, existen ciertas dificultades en el proceso de soldadura. La soldadura actual de aleaciones de aluminio presenta principalmente los siguientes problemas: estrés térmico, evaporación por ablación, inclusiones sólidas, colapso de poros, etc.:
Estrés termal
Las aleaciones de aluminio tienen un mayor coeficiente de expansión térmica y un menor módulo de elasticidad. Durante el proceso de soldadura, debido a la gran deformación y al gran coeficiente de expansión lineal de la aleación de aluminio, la tasa de contracción del volumen durante la solidificación es de alrededor del 6 por ciento, y la tasa de enfriamiento y la tasa de cristalización primaria del baño fundido son rápidas, lo que resulta en la tensión interna de la soldadura y la rigidez de la unión soldada. Si es grande, es fácil generar una gran tensión interna en la junta de aleación de aluminio, lo que provoca una gran tensión y deformación de la soldadura y forma defectos como grietas y deformación ondulatoria.
Evaporación ablativa
El punto de fusión del aluminio es de 660 grados y el punto de ebullición es de 2647 grados, que es más bajo que otros elementos metálicos como el cobre y el hierro. Durante el proceso de soldadura, si la temperatura de soldadura es demasiado alta, es fácil explotar y formar salpicaduras, especialmente en la soldadura por haz de alta energía, como se muestra en la Figura 1. Además, algunos de los elementos de aleación agregados a la aleación de aluminio tienen un punto de ebullición bajo, que es fácil de evaporar y quemar a la alta temperatura instantánea de la soldadura, y la salpicadura generada por la explosión también eliminará algunas gotas, lo que inevitablemente cambia el área de la costura de soldadura. La composición química no favorece la regulación del rendimiento de las uniones soldadas. Por lo tanto, con el fin de compensar la ablación a alta temperatura, durante la soldadura se utilizan a menudo alambres de soldadura u otros materiales de soldadura con un contenido de elementos de punto de ebullición más alto que el metal base.
inclusiones sólidas
Las propiedades químicas del aluminio son muy activas y se oxidan fácilmente. Durante el proceso de soldadura, la superficie de la aleación de aluminio se oxida para formar Al2O3 con un alto punto de fusión (alrededor de 2050 grados, mientras que el punto de fusión del aluminio es de 660 grados, que es muy diferente). Los óxidos son densos y tienen alta dureza, y se mezclan en el líquido de aleación fundida con baja densidad en el área de la piscina fundida, que es fácil de formar pequeñas inclusiones de escoria sólida que no son fáciles de descargar, lo que no solo afecta la microestructura de la soldadura, pero también es propensa a la corrosión electroquímica, lo que hará que las propiedades mecánicas de las uniones soldadas disminuyan, y el Al2O3 cubra el baño fundido y la ranura, lo que afecta seriamente la soldadura de aleaciones y reduce la microestructura y las propiedades de las uniones soldadas.
colapso del estoma
El punto de fusión de la aleación de aluminio es mucho más bajo que el de su óxido, y es muy activo y fácil de oxidar. Durante el proceso de soldadura, la aleación de aluminio se funde a alta temperatura para formar un baño de fusión. El aluminio en la superficie de la piscina fundida se oxida para formar una película de óxido, que cubre la piscina fundida en forma sólida. Dado que el color de la película de óxido fundido no es muy diferente del estado fundido de la aleación de aluminio, y debido a la cobertura de la película de óxido, es difícil observar el grado de fusión del baño de aleación de aluminio fundido durante el proceso de soldadura. , por lo que es fácil que la temperatura sea demasiado alta y cause calor de soldadura. Grandes colapsos en el área destruyen la forma y las propiedades del metal de soldadura.
Bajo la acción de la alta potencia instantánea de la fuente de calor de soldadura, se disuelve una gran cantidad de hidrógeno en el líquido de aleación. Una vez que se completa la soldadura, a medida que disminuye la temperatura del baño fundido, la solubilidad del gas disminuye gradualmente, lo que se convierte en la principal causa de poros durante el proceso de soldadura. razón. Debido a la rápida tasa de solidificación y la baja densidad de las aleaciones de aluminio, se forman poros de hidrógeno de diferentes tamaños durante la rápida solidificación de la soldadura. Estos poros continuarán acumulándose y expandiéndose durante el proceso de soldadura, eventualmente formando poros visibles y reduciendo las propiedades estructurales de la unión. Por supuesto, la generación de poros no se forma necesariamente durante el proceso de soldadura. Debido a la influencia de la tecnología de fundición, el propio metal base también generará poros durante el proceso de fundición. Durante la soldadura, el cambio constante de la entrada de calor y la presión interna hace que los poros originales del metal base se expandan por el calor o se combinen entre sí para formar poros de soldadura. Con el aumento de la entrada de calor de soldadura, los poros también aumentarán. Por lo tanto, para controlar la fuente de hidrógeno, el material de soldadura debe someterse a un estricto tratamiento de secado antes de su uso. Durante la soldadura, la corriente debe incrementarse apropiadamente para prolongar el tiempo de existencia del baño fundido y permitir suficiente tiempo para que el hidrógeno se precipite, controlando así la formación de poros.
Clasificación de tecnología de soldadura de aleación de aluminio.
Con la expansión del rango de aplicación de las aleaciones de aluminio, se destacan más y más problemas. Con el progreso de la investigación, la tecnología de soldadura de aleación de aluminio ha progresado mucho. En la actualidad, existen principalmente soldadura por arco de argón y tungsteno (TIG), soldadura por gas inerte fundido (MIG), soldadura por láser (LBW), soldadura por fricción y agitación (FSW) Espere.
soldadura TIG
La soldadura de gas inerte de tungsteno (TIG) es una soldadura de arco de gas inerte típica y es el método de soldadura más utilizado. Durante la soldadura, el electrodo de tungsteno y la superficie de soldadura se utilizan como electrodos, y el gas helio o argón pasa entre los dos electrodos como gas de protección para proteger el arco, y el alambre y el metal base se funden mediante una descarga instantánea de alto voltaje. y las piezas de aleación de aluminio están soldadas y formadas, y Reparación de soldadura y reparación de defectos de fundición.
Tienen principalmente las siguientes características técnicas:
1. Fácil de operar, flexible y controlable, adaptable a diversas condiciones y entornos de trabajo, con bajo costo;
2. La zona afectada por el calor es estrecha, la deformación de la junta soldada es pequeña cuando la alimentación del alambre es suficiente y el rendimiento integral de la junta es alto;
3. El rendimiento del proceso de soldadura es bueno y estable, y la costura de soldadura es compacta y hermosa.
Soldadura MIG
MIG (GMA-Gas Metal Arc Welding) y TIG son soldaduras protegidas con gas inerte, la diferencia es que la soldadura TIG usa un electrodo de tungsteno como electrodo fijo, mientras que la soldadura MIG usa el material del alambre de relleno como electrodo.
En el proceso de soldadura de aleaciones de aluminio con protección de gas inerte de polo fundido, el voltaje y la corriente actúan en el extremo del electrodo del alambre de soldadura, y se genera un alto voltaje instantáneo entre el electrodo y el metal base, que funde el metal base. y la ranura, y la gota en el extremo del alambre de soldadura se cae y pasa verticalmente al metal base. En el baño de material fundido, se forma una zona de soldadura.
Sin embargo, el proceso de aplicación de la soldadura MIG de aleación de aluminio está muy limitado, ya que el alambre de aluminio blando conduce a una mala alimentación del alambre, y el aluminio fundido tiende a formar un fenómeno de "colgar sin gotear" durante la soldadura, que es fácil de causar gotas. chapoteo. La ventaja es que la soldadura MIG es más rápida que la soldadura TIG y el rango de movimiento de soldadura es pequeño cuando se sueldan piezas de trabajo grandes. Al ajustar la velocidad de alimentación del alambre, la eficiencia de soldadura puede alcanzar varios metros por minuto.
Soldadura por láser
La soldadura por láser (Laser Beam Welding LBW) utiliza pulsos de láser de alta energía para calentar localmente el material en un área pequeña. La energía de la radiación láser se difunde hacia el interior del material a través de la conducción de calor y el material se funde para formar un baño de fusión específico. Después de la solidificación, el material se conecta como uno.
Las ventajas de la soldadura láser son que el punto de acción de soldadura es pequeño, la fuente de calor de alta potencia está concentrada y tiene la capacidad de soldar placas gruesas, con una zona afectada por el calor estrecha y una pequeña deformación de soldadura. Sin embargo, al mismo tiempo, la soldadura por láser tiene altos requisitos para el posicionamiento de soldadura, equipo de soldadura caro y alto costo de soldadura. Para materiales metálicos como el aluminio y el magnesio, la reflectividad del láser es alta y la soldadura directa es difícil.
Irradiar materiales con láseres con diferentes densidades de potencia muestra que cuando la densidad de potencia en la pieza de trabajo alcanza más de 107 W/cm2, el metal en la zona de calentamiento se evaporará en muy poco tiempo y el gas convergerá en un pequeño orificio en el charco fundido, este pequeño orificio es el centro de la transferencia de calor, y se forma un charco fundido cerca del pequeño orificio, que es el efecto "ojo de cerradura" de la soldadura láser de penetración profunda. Para evitar el problema del baño de fusión desigual causado por este fenómeno, es posible reducir la energía del láser, aumentar la velocidad de soldadura o controlar la refundición del área de la pepita para eliminar las burbujas en la zona de fusión y reducir la generación de poros. .
Soldadura por fricción-agitación
La soldadura por fricción (Friction Stir Welding, FSW) es una nueva tecnología de unión en fase sólida formada sobre la base de la tecnología tradicional de soldadura por fricción. En la interfaz a soldar, cuando el cabezal de agitación avanza a lo largo de la soldadura, la temperatura del material de soldadura aumenta y el metal plastificado sufre una fuerte deformación plástica bajo la acción de la agitación mecánica y el trastorno, y forma una conexión de fase sólida densa después difusión y recristalización.
