آلیاژهای آلومینیوم بهعنوان یک ماده فلزی مهندسی که در سالهای اخیر به سرعت افزایش یافته است، به دلیل چگالی کم، استحکام ویژه بالا و سفتی خاص و مقاومت در برابر خوردگی خوب، به طور گسترده در هوافضا، اتومبیلها، کشتیها و سایر زمینهها استفاده میشود. .
با این حال، مجموعه ای از مشکلات مانند جوش پذیری ضعیف و عملکرد ضعیف لایه تشکیل دهنده در جوشکاری، توسعه قطعات ساختاری آلیاژ آلومینیوم را محدود می کند. بنابراین، فناوری جوشکاری آلیاژ آلومینیوم به یکی از جهت گیری های اصلی تحقیقات بسیاری از محققان در داخل و خارج از کشور تبدیل شده است.
مروری بر خواص آلیاژ آلومینیوم
آلومینیوم یک ماده فلزی بسیار سبک با چگالی تنها 2.7 گرم بر سانتی متر مکعب است که حدود 36 درصد چگالی فولاد است. استفاده از آلیاژ آلومینیوم برای ساخت قطعات مکانیکی می تواند به طور قابل توجهی وزن را کاهش دهد و اثر وزن سبک، صرفه جویی در انرژی و کاهش انتشار را به دست آورد.
استحکام خاص و سفتی خاص آلیاژ آلومینیوم بالاتر از فولاد 45 و پلاستیک ABS است. استفاده از مواد آلیاژ آلومینیوم برای ساخت اجزای یکپارچه با الزامات سختی بالا مفید است.
آلیاژ آلومینیوم دارای هدایت حرارتی عالی، هدایت الکتریکی و مقاومت در برابر خوردگی است. پارامترهای عملکرد آلیاژ آلومینیوم A380 و سایر مواد در جدول 1 نشان داده شده است.
آلیاژهای آلومینیوم قابلیت ماشینکاری و بازیافت خوبی دارند. اگر ضریب مقاومت برش قابل ماشینکاری ترین آلیاژ منیزیم 1 در نظر گرفته شود، مقاومت برش فلزات دیگر در جدول 2 نشان داده شده است. مشاهده می شود که مقاومت برش آلیاژ آلومینیوم از مس، آهن و غیره کمتر است. مواد، و فرآیند برش آسان تر است.
مشخصات جوشکاری آلیاژ آلومینیوم
تحت تأثیر خواص فیزیکی و شیمیایی آلیاژهای آلومینیوم، مشکلات خاصی در فرآیند جوش وجود دارد. جوشکاری آلیاژ آلومینیوم فعلی عمدتاً دارای مشکلات زیر است: تنش حرارتی، تبخیر فرسایش، اجزای جامد، فروپاشی منافذ و غیره:
استرس حرارتی
آلیاژهای آلومینیوم دارای ضریب انبساط حرارتی بالاتر و مدول الاستیسیته کمتری هستند. در طول فرآیند جوشکاری، به دلیل تغییر شکل زیاد و ضریب انبساط خطی زیاد آلیاژ آلومینیوم، سرعت انقباض حجمی در حین انجماد حدود 6 درصد است و سرعت خنکسازی و سرعت تبلور اولیه حوضچه مذاب سریع است و در نتیجه تنش داخلی جوش و سفتی اتصال جوش داده شده. بزرگتر، ایجاد تنش داخلی بزرگ در اتصال آلیاژ آلومینیوم آسان است، که باعث ایجاد تنش جوشکاری و تغییر شکل بزرگ، ایجاد ترک، تغییر شکل موج و سایر نقص ها می شود.
تبخیر فرسایشی
نقطه ذوب آلومینیوم 660 درجه و نقطه جوش 2647 درجه است که نسبت به سایر عناصر فلزی مانند مس و آهن کمتر است. در طول فرآیند جوشکاری، اگر دمای جوش بیش از حد بالا باشد، به آسانی منفجر شده و پاشیده می شود، به ویژه در جوشکاری پرتوهای پرانرژی، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است. علاوه بر این، برخی از عناصر آلیاژی اضافه شده به آلیاژ آلومینیوم دارای نقطه جوش کم که به راحتی تبخیر می شود و در دمای بالای جوش آنی می سوزد و پاشش ناشی از انفجار نیز بخشی از قطرات را از بین می برد که به ناچار ناحیه درز جوش را تغییر می دهد. ترکیب شیمیایی برای تنظیم عملکرد اتصالات جوش داده شده مناسب نیست. بنابراین، به منظور جبران فرسایش در دمای بالا، اغلب در حین جوشکاری از سیم های جوش یا سایر مواد جوشکاری با محتوای عنصر نقطه جوش بالاتر از فلز پایه استفاده می شود.
اجزاء جامد
خواص شیمیایی آلومینیوم بسیار فعال است و به راحتی اکسید می شود. در طول فرآیند جوشکاری، سطح آلیاژ آلومینیوم اکسید می شود تا Al2O3 با نقطه ذوب بالا (حدود 2050 درجه، در حالی که نقطه ذوب آلومینیوم 660 درجه است، که بسیار متفاوت است) تشکیل می شود. اکسیدها متراکم هستند و سختی بالایی دارند و در مایع آلیاژ مذاب با چگالی کم در ناحیه حوضچه مذاب مخلوط می شوند، که به راحتی می توان ذرات سرباره جامد کوچکی تشکیل داد که تخلیه آن آسان نیست، که نه تنها بر ریزساختار آن تأثیر می گذارد. جوش، اما همچنین مستعد خوردگی الکتروشیمیایی است که باعث کاهش خواص مکانیکی اتصالات جوشی می شود و Al2O3 حوضچه و شیار مذاب را می پوشاند که به طور جدی بر جوشکاری آلیاژها تأثیر می گذارد و ریزساختار و خواص اتصالات جوشی را کاهش می دهد.
فروپاشی استوما
نقطه ذوب آلیاژ آلومینیوم بسیار کمتر از اکسید آن است و بسیار فعال است و به راحتی اکسید می شود. در طول فرآیند جوشکاری، آلیاژ آلومینیوم در دمای بالا ذوب می شود تا یک حوضچه مذاب تشکیل شود. آلومینیوم روی سطح حوضچه مذاب اکسید می شود تا یک فیلم اکسیدی تشکیل شود که حوضچه مذاب را به صورت جامد می پوشاند. از آنجایی که رنگ فیلم اکسید مذاب تفاوت چندانی با حالت مذاب آلیاژ آلومینیوم ندارد و به دلیل پوشش لایه اکسیدی، مشاهده درجه ذوب حوضچه مذاب آلیاژ آلومینیوم در طول فرآیند جوشکاری دشوار است. ، بنابراین به راحتی می توان باعث بالا رفتن دما و ایجاد گرمای جوشکاری شد. ریزش های بزرگ در منطقه شکل و خواص فلز جوش را از بین می برد.
تحت تأثیر قدرت بالای آنی منبع حرارت جوش، مقدار زیادی هیدروژن در مایع آلیاژ حل می شود. پس از اتمام جوشکاری، با کاهش دمای حوضچه مذاب، حلالیت گاز به تدریج کاهش می یابد که عامل اصلی ایجاد منافذ در طول فرآیند جوشکاری می شود. دلیل به دلیل سرعت انجماد سریع و چگالی کم آلیاژهای آلومینیوم، منافذ هیدروژن با اندازه های مختلف در طول انجماد سریع جوش ایجاد می شود. این منافذ در طول فرآیند جوشکاری به تجمع و انبساط ادامه می دهند و در نهایت منافذ قابل مشاهده را تشکیل می دهند و خواص ساختاری اتصال را کاهش می دهند. البته تولید منافذ لزوما در طی فرآیند جوشکاری ایجاد نمی شود. با توجه به تأثیر فناوری ریختهگری، خود فلز پایه نیز در طی فرآیند ریختهگری منافذ ایجاد میکند. در حین جوشکاری، تغییر مداوم حرارت ورودی و فشار داخلی باعث می شود که منافذ اصلی در فلز پایه در اثر حرارت منبسط شوند یا با یکدیگر ترکیب شوند و منافذ جوش را تشکیل دهند. با افزایش حرارت ورودی جوش، منافذ نیز افزایش می یابد. بنابراین، برای کنترل منبع هیدروژن، مواد جوشکاری باید قبل از استفاده تحت عملیات خشک کردن دقیق قرار گیرند. در حین جوشکاری، جریان باید به طور مناسب افزایش یابد تا زمان وجود حوضچه مذاب طولانی شود و زمان کافی برای رسوب هیدروژن در نظر گرفته شود و در نتیجه تشکیل منافذ کنترل شود.
طبقه بندی تکنولوژی جوشکاری آلیاژ آلومینیوم
با گسترش دامنه کاربرد آلیاژهای آلومینیوم، مشکلات بیشتر و بیشتر برجسته می شود. با پیشرفت تحقیقات، فناوری جوشکاری آلیاژ آلومینیوم پیشرفت زیادی داشته است. در حال حاضر، به طور عمده جوشکاری آرگون تنگستن (TIG)، جوشکاری گاز بی اثر مذاب (MIG)، جوشکاری لیزری (LBW)، جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی (FSW) وجود دارد.
جوشکاری TIG
جوشکاری با گاز خنثی تنگستن (TIG) یک جوش قوس الکتریکی معمولی با گاز بی اثر است و متداول ترین روش جوشکاری است. در حین جوشکاری، از الکترود تنگستن و سطح جوش به عنوان الکترود استفاده می شود و گاز هلیوم یا آرگون به عنوان گاز محافظ برای محافظت از قوس بین دو الکترود عبور داده می شود و سیم و فلز پایه با تخلیه ولتاژ بالا لحظه ای ذوب می شوند. و قطعات آلیاژ آلومینیوم جوش داده شده و شکل می گیرد و جوش تعمیر و تعمیر عیوب ریخته گری.
عمدتاً دارای مشخصات فنی زیر است:
کارکرد آسان، انعطاف پذیر و قابل کنترل، سازگار با شرایط کاری مختلف و هزینه کم.
منطقه متاثر از حرارت باریک است، تغییر شکل اتصال جوش داده شده در شرایط تغذیه کافی سیم کم است، و عملکرد جامع اتصال بالا است.
عملکرد فرآیند جوشکاری خوب و پایدار است و درز جوش متراکم و زیبا است.
میگ جوشکاری
MIG (GMA-Gas Metal Arc Welding) و TIG هر دو جوشکاری محافظ گاز بی اثر هستند، تفاوت این است که در جوشکاری TIG از الکترود تنگستن به عنوان الکترود ثابت استفاده می شود، در حالی که در جوشکاری MIG از خود ماده سیم پرکننده به عنوان الکترود استفاده می شود.
با این حال، فرآیند کاربرد جوشکاری آلیاژ آلومینیوم MIG بسیار محدود است، زیرا سیم نرم آلومینیومی منجر به تغذیه ضعیف سیم میشود و آلومینیوم مذاب تمایل دارد تا پدیده "آویز شدن بدون چکیدن" را در حین جوش ایجاد کند، که به راحتی باعث ایجاد قطرات می شود. پاشیدن مزیت این است که جوشکاری MIG سریعتر از جوشکاری TIG است و دامنه حرکت جوشکاری هنگام جوشکاری قطعات کار بزرگ کوچک است. با تنظیم سرعت تغذیه سیم، راندمان جوش می تواند به چندین متر در دقیقه برسد.
جوش لیزری
جوشکاری پرتو لیزر (Laser Beam Welding LBW) از پالس های لیزر پرانرژی برای گرم کردن موضعی مواد در یک منطقه کوچک استفاده می کند. انرژی تابش لیزر از طریق رسانش گرما به داخل ماده پخش می شود و مواد ذوب می شوند تا یک حوضچه مذاب خاص تشکیل شود. پس از انجماد، مواد به صورت یکی وصل می شوند.
از مزایای جوشکاری لیزری این است که نقطه عمل جوش کوچک است، منبع حرارتی با توان بالا متمرکز است و توانایی جوش دادن صفحات ضخیم، با ناحیه باریک متاثر از حرارت و تغییر شکل جوش کوچک را دارد. با این حال، در عین حال، جوش لیزری دارای الزامات بالایی برای موقعیت جوش، تجهیزات جوشکاری گران قیمت و هزینه جوش بالا است. برای مواد فلزی مانند آلومینیوم و منیزیم، بازتاب لیزر بالا است و جوش مستقیم دشوار است.
تابش مواد با لیزر با چگالی توان متفاوت نشان میدهد که وقتی چگالی توان روی قطعه کار به بیش از 107 وات بر سانتیمتر مربع برسد، فلز در ناحیه گرمایش در مدت زمان بسیار کوتاهی تبخیر میشود و گاز به سوراخ کوچکی همگرا میشود. حوضچه مذاب، این سوراخ کوچک مرکز انتقال حرارت است و یک حوضچه مذاب در نزدیکی سوراخ کوچک تشکیل می شود که اثر "سوراخ کلید" جوشکاری با نفوذ عمیق لیزر است. برای جلوگیری از مشکل ناهمواری حوضچه مذاب ناشی از این پدیده، می توان انرژی لیزر را کاهش داد، سرعت جوش را افزایش داد یا ذوب مجدد ناحیه قطعه را کنترل کرد تا حباب های ناحیه همجوشی حذف شود و تولید منافذ کاهش یابد. .
جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی
جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی (Friction Stir Welding, FSW) یک فناوری اتصال فاز جامد جدید است که بر اساس فناوری جوشکاری اصطکاکی سنتی شکل گرفته است. در سطح مشترکی که قرار است جوش داده شود، وقتی سر همزن در امتداد جوش پیشروی میکند، دمای مواد جوش افزایش مییابد و فلز پلاستیکی شده تحت اثر هم زدن و برهم زدن مکانیکی دچار تغییر شکل پلاستیکی قوی میشود و پس از آن یک اتصال فاز جامد متراکم ایجاد میکند. انتشار و تبلور مجدد
در مقایسه با روش های جوشکاری سنتی، فناوری FSW دارای مزایای زیر است:
دمای جوش کم و تغییر شکل جوش کوچک؛
خواص مکانیکی جوش خوب است.
فرآیند جوشکاری ساده، اقتصادی و سازگار با محیط زیست است.
