Son yıllarda hızla yükselen bir mühendislik metal malzemesi olan alüminyum alaşımları, düşük yoğunluğu, yüksek özgül mukavemeti ve özgül sertliği ve iyi korozyon direnci nedeniyle havacılık, otomotiv, gemi ve diğer alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır.
Ancak, kaynaklanabilirliğin zayıf olması ve kaynakta şekillendirme katmanının zayıf performansı gibi bir dizi sorun, alüminyum alaşımlı yapısal parçaların geliştirilmesini kısıtlamaktadır. Bu nedenle, alüminyum alaşımlı kaynak teknolojisi, yurtiçinde ve yurtdışında birçok bilim insanının ana araştırma yönlerinden biri haline gelmiştir.
Alüminyum Alaşım Özelliklerine Genel Bakış
Alüminyum, sadece 2,7 g/cm3 yoğunluğa sahip çok hafif bir metal malzemedir ve bu da çeliğin yoğunluğunun yaklaşık %36'sıdır. Alüminyum alaşımının mekanik parçalar üretmek için kullanılması, ağırlığı önemli ölçüde azaltabilir ve hafiflik, enerji tasarrufu ve emisyon azaltımı etkisi elde edebilir.
Alüminyum alaşımının özgül mukavemeti ve özgül sertliği 45 çelik ve ABS plastikten daha yüksektir. Alüminyum alaşımlı malzemelerin kullanımı, yüksek sertlik gereksinimleri olan entegre bileşenlerin imalatına elverişlidir.
Alüminyum alaşımı mükemmel termal iletkenliğe, elektriksel iletkenliğe ve korozyon direncine sahiptir. A380 alüminyum alaşımının ve diğer malzemelerin performans parametreleri Tablo 1'de gösterilmiştir.
Alüminyum alaşımları iyi işlenebilirliğe ve geri dönüştürülebilirliğe sahiptir. En iyi işlenebilir magnezyum alaşımının kesme direnci katsayısının 1 olduğu varsayılırsa, diğer metallerin kesme direnci Tablo 2'de gösterilmiştir. Alüminyum alaşımının kesme direncinin bakır, demir ve diğer malzemelerden daha küçük olduğu ve kesme işleminin daha kolay olduğu görülebilir.
Alüminyum alaşım kaynak özellikleri
Alüminyum alaşımlarının fiziksel ve kimyasal özelliklerinden etkilenen kaynaklama sürecinde belirli zorluklar vardır. Mevcut alüminyum alaşımı kaynaklamasında esas olarak şu sorunlar vardır: termal stres, ablasyon buharlaşması, katı kapanımlar, gözenek çökmesi, vb.:
Termal Stres
Alüminyum alaşımları daha yüksek bir termal genleşme katsayısına ve daha düşük bir elastiklik modülüne sahiptir. Kaynak işlemi sırasında, alüminyum alaşımının büyük deformasyonu ve büyük doğrusal genleşme katsayısı nedeniyle, katılaşma sırasında hacim büzülme oranı yaklaşık %6'dır ve erimiş havuzun soğuma hızı ve birincil kristalleşme hızı hızlıdır, bunun sonucunda kaynakta iç gerilim ve kaynaklı eklemin sertliği oluşur. Daha büyük, alüminyum alaşım ekleminde büyük iç gerilim oluşturmak kolaydır, bu da büyük kaynak gerilimi ve deformasyona neden olur, çatlaklar, dalga deformasyonu ve diğer kusurlar oluşturur.
Ablatif buharlaşma
Alüminyumun erime noktası 660 derece, kaynama noktası ise 2647 derece olup, bakır ve demir gibi diğer metal elementlerden daha düşüktür. Kaynak işlemi sırasında, kaynak sıcaklığı çok yüksekse, Şekil 1'de gösterildiği gibi, özellikle yüksek enerjili ışın kaynağında, patlamak ve sıçrama oluşturmak kolaydır. Ek olarak, alüminyum alaşımına eklenen alaşım elementlerinin bir kısmının kaynama noktası düşüktür, bu da kaynak işleminin anında yüksek sıcaklığında buharlaşması ve yanması kolaydır ve patlamanın oluşturduğu sıçrama da damlacıkların bir kısmını alıp götürecektir, bu da kaçınılmaz olarak kaynak dikiş alanını değiştirir. Kimyasal bileşim, kaynaklı bağlantıların performans düzenlemesine elverişli değildir. Bu nedenle, yüksek sıcaklık aşınmasını telafi etmek için, kaynak sırasında genellikle temel metalden daha yüksek kaynama noktalı element içeriğine sahip kaynak telleri veya diğer kaynak malzemeleri kullanılır.
Katı kapanımlar
Alüminyumun kimyasal özellikleri çok aktiftir ve kolayca oksitlenir. Kaynak işlemi sırasında, alüminyum alaşımının yüzeyi yüksek erime noktasına sahip Al2O3 oluşturmak için oksitlenir (yaklaşık 2050 derece, alüminyumun erime noktası ise 660 derecedir, bu çok farklıdır). Oksitler yoğun ve yüksek sertliğe sahiptir ve erimiş alaşım sıvısına düşük yoğunlukta erimiş havuz alanında karışır, bu da kolayca boşaltılmayan küçük katı cüruf kapanımları oluşturmayı kolaylaştırır, bu sadece kaynağın mikro yapısını etkilemekle kalmaz, aynı zamanda elektrokimyasal korozyona da eğilimlidir, bu da kaynaklı bağlantıların mekanik özelliklerinin azalmasına neden olur ve Al2O3 erimiş havuzu ve oluğu kaplar, bu da alaşımların kaynağını ciddi şekilde etkiler ve kaynaklı bağlantıların mikro yapısını ve özelliklerini azaltır.
Stoma çökmesi
Alüminyum alaşımının erime noktası, oksidinin erime noktasından çok daha düşüktür ve çok aktiftir ve oksitlenmesi kolaydır. Kaynak işlemi sırasında, alüminyum alaşımı yüksek sıcaklıkta eritilerek erimiş bir havuz oluşturulur. Erimiş havuzun yüzeyindeki alüminyum, erimiş havuzu katı bir biçimde kaplayan bir oksit filmi oluşturmak üzere oksitlenir. Erimiş oksit filminin rengi, alüminyum alaşımının erimiş halinden çok farklı olmadığından ve oksit filminin kapsamı nedeniyle, kaynak işlemi sırasında alüminyum alaşımı erimiş havuzunun erime derecesini gözlemlemek zordur, bu nedenle sıcaklığın çok yüksek olmasına ve kaynak ısısına neden olmak kolaydır. Bölgedeki büyük çökmeler, kaynak metalinin şeklini ve özelliklerini bozar.
Kaynak ısı kaynağının anlık yüksek gücünün etkisi altında, alaşım sıvısında büyük miktarda hidrojen çözülür. Kaynak tamamlandıktan sonra, erimiş havuzun sıcaklığı azaldıkça, gazın çözünürlüğü kademeli olarak azalır ve bu da kaynak işlemi sırasında gözeneklerin ana nedeni haline gelir. nedeni. Alüminyum alaşımlarının hızlı katılaşma hızı ve düşük yoğunluğu nedeniyle, kaynağın hızlı katılaşması sırasında farklı boyutlarda hidrojen gözenekleri oluşur. Bu gözenekler kaynak işlemi sırasında birikmeye ve genişlemeye devam edecek, sonunda görünür gözenekler oluşturacak ve eklemin yapısal özelliklerini azaltacaktır. Elbette, gözeneklerin oluşumu kaynak işlemi sırasında mutlaka oluşmaz. Döküm teknolojisinin etkisi nedeniyle, temel metalin kendisi de döküm işlemi sırasında gözenekler oluşturacaktır. Kaynak sırasında, ısı girişi ve iç basıncın sürekli değişmesi, temel metaldeki orijinal gözeneklerin ısıyla genişlemesine veya kaynak gözenekleri oluşturmak için birbirleriyle birleşmesine neden olur. Kaynak ısı girişinin artmasıyla gözenekler de artacaktır. Bu nedenle, hidrojen kaynağını kontrol etmek için, kaynak malzemesinin kullanımdan önce sıkı bir kurutma işleminden geçmesi gerekir. Kaynak sırasında, erimiş havuzun var olma süresini uzatmak ve hidrojenin çökelmesi için yeterli zaman sağlamak amacıyla akım uygun şekilde artırılmalı, böylece gözenek oluşumu kontrol altına alınmalıdır.
Alüminyum alaşım kaynak teknolojisi sınıflandırması
Alüminyum alaşımlarının uygulama yelpazesinin genişlemesiyle birlikte, giderek daha fazla sorun vurgulanıyor. Araştırmanın ilerlemesiyle, alüminyum alaşım kaynak teknolojisi büyük ilerleme kaydetti. Şu anda, esas olarak tungsten argon ark kaynağı (TIG), erimiş inert gaz kaynağı (MIG), lazer kaynağı (LBW), sürtünme karıştırma kaynağı (FSW) Bekleyin.
TIG kaynak
Tungsten İnert Gaz Kaynağı (TIG), tipik bir inert gaz ark kaynağıdır ve en yaygın kullanılan kaynak yöntemidir. Kaynak sırasında, tungsten elektrot ve kaynak yüzeyi elektrot olarak kullanılır ve arkı korumak için iki elektrot arasında koruyucu gaz olarak helyum veya argon gazı geçirilir ve tel ve temel metal, anlık yüksek voltajlı deşarjla eritilir ve alüminyum alaşımlı parçalar kaynaklanır ve şekillendirilir ve Kaynak onarımı ve döküm kusurlarının onarımı.
Başlıca şu teknik özelliklere sahiptirler:
Kullanımı kolay, esnek ve kontrol edilebilir, çeşitli çalışma koşullarına uyarlanabilir ve düşük maliyetli;
Isıdan etkilenen bölge dardır, yeterli tel beslemesi koşulunda kaynaklı eklemin deformasyonu küçüktür ve eklemin kapsamlı performansı yüksektir;
Kaynak işlemi performansı iyi ve istikrarlıdır ve kaynak dikişi yoğun ve güzeldir.
MIG Kaynak
MIG (GMA-Gaz Metal Ark Kaynağı) ve TIG her ikisi de inert gaz korumalı kaynak yöntemleridir; aralarındaki fark, TIG kaynağında sabit elektrot olarak tungsten elektrot kullanılırken, MIG kaynağında elektrot olarak dolgu teli malzemesinin kendisinin kullanılmasıdır.
Ancak, alüminyum alaşımlı MIG kaynak uygulamasının uygulama süreci büyük ölçüde sınırlıdır, çünkü yumuşak alüminyum tel zayıf tel beslemesine yol açar ve erimiş alüminyum kaynak sırasında "damlamadan asılı kalma" fenomeni oluşturma eğilimindedir, bu da damlacıkların sıçramasına neden olmak için kolaydır. Avantajı, MIG kaynağının TIG kaynağından daha hızlı olması ve büyük iş parçaları kaynaklandığında kaynak hareket aralığının küçük olmasıdır. Tel besleme hızını ayarlayarak, kaynak verimliliği dakikada birkaç metreye ulaşabilir.
Lazer kaynak
Lazer ışın kaynağı (Laser Beam Welding LBW), küçük bir alanda malzemeyi yerel olarak ısıtmak için yüksek enerjili lazer darbeleri kullanır. Lazer radyasyonunun enerjisi, ısı iletimi yoluyla malzemenin iç kısmına yayılır ve malzeme belirli bir erimiş havuz oluşturmak için eritilir. Katılaşmadan sonra, malzeme bir olarak bağlanır.
Lazer kaynağının avantajları, kaynak etki noktasının küçük olması, yüksek güçlü ısı kaynağının yoğun olması ve dar ısıdan etkilenen bölge ve küçük kaynak deformasyonu ile kalın levhaları kaynaklama yeteneğine sahip olmasıdır. Ancak, aynı zamanda, lazer kaynağının kaynak konumlandırması, pahalı kaynak ekipmanı ve yüksek kaynak maliyeti için yüksek gereksinimleri vardır. Alüminyum ve magnezyum gibi metal malzemeler için lazer yansıtıcılığı yüksektir ve doğrudan kaynak yapmak zordur.
Farklı güç yoğunluklarına sahip lazerlerle malzemelerin ışınlanması, iş parçası üzerindeki güç yoğunluğu 107W/cm2'den fazla olduğunda, ısıtma bölgesindeki metalin çok kısa bir sürede buharlaşacağını ve gazın erimiş havuzda küçük bir deliğe doğru birleşeceğini göstermektedir. Bu küçük delik, ısı transferinin merkezidir ve küçük deliğin yakınında bir erimiş havuz oluşur; bu, lazer derin penetrasyon kaynağının "anahtar deliği" etkisidir. Bu olgunun neden olduğu düzensiz erimiş havuz sorununu önlemek için, lazer enerjisini azaltmak, kaynak hızını artırmak veya füzyon bölgesindeki kabarcıkları gidermek ve gözenek oluşumunu azaltmak için külçe alanının yeniden eritilmesini kontrol etmek mümkündür.
Sürtünme karıştırma kaynağı
Sürtünme karıştırma kaynağı (Friction stir Welding, FSW), geleneksel sürtünme kaynak teknolojisi temelinde oluşturulmuş yeni bir katı faz birleştirme teknolojisidir. Kaynak yapılacak arayüzde, karıştırma başlığı kaynak boyunca ilerlediğinde, kaynak malzemesinin sıcaklığı artar ve plastikleştirilmiş metal, mekanik karıştırma ve sıkıştırma etkisi altında güçlü bir plastik deformasyona uğrar ve difüzyon ve yeniden kristalleşmeden sonra yoğun bir katı faz bağlantısı oluşturur.
Geleneksel kaynak yöntemleriyle karşılaştırıldığında FSW teknolojisinin aşağıdaki avantajları vardır:
Düşük kaynak sıcaklığı ve küçük kaynak deformasyonu;
Kaynak dikişinin mekanik özellikleri iyidir;
Kaynak işlemi basit, ekonomik ve çevre dostudur.
