Como un material metálico de ingeniería que ha aumentado rápidamente en los últimos años, la aleación de aluminio se ha 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 formadora 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 del rendimiento de la aleación de aluminio
El aluminio es un material metálico muy ligero con una densidad de solo 2,7 g/cm3, que es aproximadamente el 36 por ciento de la densidad del acero. La aleación de aluminio se utiliza para fabricar piezas mecánicas, que pueden reducir significativamente el peso y lograr los efectos de ligereza, ahorro de energía y reducción de emisiones.
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.
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.
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 fácil de cortar 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 relativamente 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. Más grande, es fácil causar una mayor tensión interna en la junta de aleación de aluminio, lo que provoca una mayor tensión y deformación de la soldadura, formando defectos como grietas y deformación ondulatoria.
evaporación por ablación
El aluminio tiene un punto de fusión de 660 grados y un punto de ebullición 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 que se produzca una explosión y se formen 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 muy fácil de evaporar y quemar a la alta temperatura instantánea de soldadura, y la salpicadura generada por la explosión también se llevará parte de las gotas de líquido, lo que inevitablemente cambia el área de soldadura. La composición química no favorece la regulación del rendimiento de la unión soldada. Por lo tanto, con el fin de compensar la ablación a alta temperatura, durante la soldadura se suele utilizar alambre de soldadura u otros materiales de soldadura con un contenido de elementos de punto de ebullición más alto que el metal base.
inclusión sólida
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 C, mientras que el punto de fusión del aluminio es de 660 grados C, 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 del baño fundido, que es fácil de formar escoria sólida fina y es difícil de descargar, lo que no solo afecta la estructura de la soldadura, pero también produce fácilmente 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 estomático
El punto de fusión de la aleación de aluminio es mucho más bajo que el de su óxido, y su naturaleza es viva y fácil de oxidar. Durante el proceso de soldadura, la aleación de aluminio forma un baño de fusión debido a la fusión a alta temperatura. El aluminio en la superficie de la piscina fundida se oxida para formar una película de óxido, que cubre la piscina fundida en un estado sólido. Dado que el color de la película de óxido después de la fusión no es muy diferente al de la aleación de aluminio fundido 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 hacer que la temperatura sea demasiado alta, provocando la influencia del calor de soldadura. La mayor parte del área se derrumba, destruyendo 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 gas 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 también disminuye gradualmente, lo que se convierte en la principal causa de poros en el proceso de soldadura. razón. Debido a que la velocidad de solidificación de la aleación de aluminio es demasiado rápida y la densidad es baja, 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 grandes poros visibles y reduciendo las propiedades estructurales de la unión. Por supuesto, los poros no se forman necesariamente durante el proceso de soldadura. Debido a la influencia de la tecnología del proceso de fundición, el propio metal base también producirá poros durante el proceso de fundición. Durante la soldadura, la entrada de calor y la presión interna cambian constantemente, lo que hace que los poros originales del metal base se expandan o se combinen entre sí para formar poros de soldadura. A medida que aumenta la entrada de calor de soldadura, los poros también aumentarán. Por lo tanto, para controlar la fuente de hidrógeno, el material de soldadura debe secarse estrictamente antes de su uso. Durante la soldadura, la corriente se aumenta apropiadamente para prolongar el tiempo de existencia del baño fundido y dar suficiente tiempo para que el hidrógeno se precipite, controlando así la formación de poros.
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Fig.2 Formación y convergencia de estomas
Clasificación de la 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 se ha desarrollado mucho. En la actualidad, hay 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) en espera.
Soldadura por arco de tungsteno con gas
La soldadura con gas inerte de tungsteno (TIG) es una soldadura típica con protección de gas inerte y es el método de soldadura más utilizado. Al soldar, el electrodo de tungsteno y la superficie de soldadura se utilizan como electrodos, y se pasa gas helio o argón entre los dos electrodos como gas protector 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 Soldadura y reparación de defectos de fundición.
Tiene principalmente las siguientes características técnicas:
Fácil de operar, flexible y controlable, adaptable a diversas condiciones y entornos de trabajo, y de bajo costo;
La zona afectada por el calor es estrecha, y la deformación de la junta soldada es pequeña en condiciones de suficiente alimentación de alambre, y el rendimiento integral de la junta es alto;
El rendimiento del proceso de soldadura es bueno y estable, y la costura de soldadura es densa y hermosa.
soldadura MIG
Tanto MIG (GMA-Gas Metal Arc Welding) como TIG son soldaduras protegidas con gas inerte. La diferencia es que la soldadura TIG utiliza electrodos de tungsteno como electrodos fijos, mientras que la soldadura MIG utiliza el propio material de alambre relleno como electrodos.
En el proceso de soldadura de aleación de aluminio con protección de gas inerte metálico, el voltaje y la corriente actúan en el extremo del electrodo del alambre de soldadura, y se genera una alta presión instantánea entre el electrodo y el metal base, que funde el metal base y el ranura, y la gota en el extremo del alambre se cae y pasa verticalmente al metal base. En el baño de fusión del material, se forma una zona de soldadura.
Sin embargo, el proceso de aplicación de la soldadura MIG de aleación de aluminio es relativamente limitado, porque la suavidad del alambre de aluminio conduce a una mala alimentación del alambre, y el aluminio fundido es propenso a formar un fenómeno de "colgar pero no gotear" durante la soldadura, lo cual es fácil. para hacer que las gotas salpiquen. 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 rayo 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 en Uno.
La ventaja de la soldadura láser es que el punto de acción de la soldadura es pequeño, la fuente de calor de alta potencia está concentrada, es capaz de soldar placas gruesas, la zona afectada por el calor es estrecha y la deformación de la soldadura es pequeña. Pero al mismo tiempo, la soldadura láser tiene altos requisitos para el posicionamiento de la soldadura, equipos de soldadura costosos y altos costos de soldadura. Para materiales metálicos como el aluminio y el magnesio, la reflectividad del láser es alta y la soldadura directa es difícil.
La irradiación de 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 gasificará en muy poco tiempo y el gas convergerá en un pequeño orificio en el El pequeño agujero es el centro de la transferencia de calor y se forma un baño fundido cerca del pequeño agujero, que es el efecto de "ojo de cerradura" de la soldadura de penetración profunda con láser. Para evitar el desnivel del baño de fusión provocado por este fenómeno, es posible reducir la energía del láser, aumentar la velocidad de soldadura o controlar la refundición de la zona del pepita para eliminar las burbujas en la zona de fusión y reducir la generación de poros. .
soldadura por fricción-agitación
La soldadura por fricción y agitación (Friction Stir Welding, FSW) es un nuevo tipo de tecnología de conexión de fase sólida basada en la tecnología tradicional de soldadura por fricción. En la interfaz que se va a soldar, cuando el cabezal de agitación avanza a lo largo de la costura de soldadura, la temperatura del material de soldadura aumenta y el metal plastificado sufre una fuerte deformación plástica bajo la acción de agitación mecánica y alteración, y forma una conexión de fase sólida densa. después de la difusión y recristalización.
En comparación con los métodos de soldadura tradicionales, la tecnología FSW tiene las siguientes ventajas:
Baja temperatura de soldadura y pequeña deformación de soldadura;
Buenas propiedades mecánicas de la soldadura;
El proceso de soldadura es sencillo, económico y respetuoso con el medio ambiente.
Los principales problemas y focos de investigación.
Con la aplicación de aleaciones de aluminio en más y más industrias, el problema de su conexión de reparación también ha atraído la atención de más y más académicos. A través de varias pruebas de soldadura en aleaciones de aluminio, se encuentra que la madurez de la tecnología de reparación aún no ha satisfecho las necesidades de desarrollo de la industria, y aún existen varios problemas en ella.
La soldadura por arco de tungsteno con gas y la soldadura con protección de gas inerte de metal son los dos métodos de soldadura más utilizados en la actualidad, pero estas dos tecnologías tienen una amplia zona afectada por el calor, y el metal de soldadura debe fundirse y luego solidificarse, lo que tiene un impacto en la estructura. Más grande, y la tensión residual es alta, lo que resulta en un grave impacto en las propiedades mecánicas de la junta. La densidad del haz de energía de soldadura láser es alta y la relación profundidad-ancho de la soldadura es grande, pero es muy fácil formar poros y su alto costo también limita la popularización de las aplicaciones. La soldadura por fricción y agitación proporciona una solución al problema del calor, pero la soldadura por fricción y agitación requiere una presión de recalcado y una fuerza motriz de avance relativamente grandes, y el equipo es generalmente complicado y voluminoso, lo que limita su desarrollo.
El enfoque de la investigación futura sobre temas relacionados debe centrarse en los siguientes aspectos:
Partiendo de la base de la soldadura por fusión, ajuste la fórmula del alambre de soldadura, agregue elementos de tierras raras o seleccione una cantidad adecuada de activador de soldadura para controlar la deformación de la soldadura, reducir el estrés y reducir la formación de poros.
Debido a la expansión del alcance y la aplicación de las aleaciones, generalmente se usan junto con materiales diferentes, por lo que es necesario realizar experimentos de soldadura por traslapo entre metales diferentes para obtener uniones de alta calidad.
Realizar investigaciones sobre la soldabilidad de fuentes de calor compuestas, como la soldadura híbrida TIG-láser, la soldadura láser compuesta por fricción-agitación, con el fin de obtener el rendimiento óptimo de la soldadura.
