Como um material metálico de engenharia que cresceu rapidamente nos últimos anos, as ligas de alumínio têm sido amplamente utilizadas na indústria aeroespacial, automotiva, naval e outros campos devido à sua baixa densidade, alta resistência específica e rigidez específica, além de boa resistência à corrosão.
No entanto, uma série de problemas como baixa soldabilidade e baixo desempenho da camada de formação na soldagem restringem o desenvolvimento de peças estruturais de liga de alumínio. Portanto, a tecnologia de soldagem de liga de alumínio se tornou uma das principais direções de pesquisa de muitos acadêmicos no país e no exterior.
Visão geral das propriedades da liga de alumínio
O alumínio é um material metálico muito leve com uma densidade de apenas 2,7 g/cm3, que é cerca de 36% da densidade do aço. O uso de liga de alumínio para fabricar peças mecânicas pode reduzir significativamente o peso e atingir o efeito de peso leve, economia de energia e redução de emissões.
A resistência específica e a rigidez específica da liga de alumínio são maiores do que as do aço 45 e do plástico ABS. O uso de materiais de liga de alumínio é propício à fabricação de componentes integrais com altos requisitos de rigidez.
A liga de alumínio tem excelente condutividade térmica, condutividade elétrica e resistência à corrosão. Os parâmetros de desempenho da liga de alumínio A380 e outros materiais são mostrados na Tabela 1.
Ligas de alumínio têm boa usinabilidade e reciclabilidade. Se o coeficiente de resistência ao corte da liga de magnésio mais usinável for assumido como 1, a resistência ao corte de outros metais é mostrada na Tabela 2. Pode-se ver que a resistência ao corte da liga de alumínio é menor do que a do cobre, ferro e outros materiais, e o processo de corte é mais fácil.
Características de soldagem de liga de alumínio
Afetados pelas propriedades físicas e químicas das ligas de alumínio, há certas dificuldades no processo de soldagem. A soldagem atual de ligas de alumínio tem principalmente os seguintes problemas: estresse térmico, evaporação por ablação, inclusões sólidas, colapso de poros, etc.:
Estresse térmico
As ligas de alumínio têm um coeficiente de expansão térmica mais alto e um módulo de elasticidade mais baixo. Durante o processo de soldagem, devido à grande deformação e ao grande coeficiente de expansão linear da liga de alumínio, a taxa de encolhimento do volume durante a solidificação é de cerca de 6%, e a taxa de resfriamento e a taxa de cristalização primária da poça de fusão são rápidas, resultando no estresse interno da solda e na rigidez da junta soldada. Maior, é fácil gerar grande estresse interno na junta da liga de alumínio, causando grande estresse e deformação de soldagem, formando rachaduras, deformação de onda e outros defeitos.
Evaporação ablativa
O ponto de fusão do alumínio é 660 graus e o ponto de ebulição é 2647 graus, que é menor do que outros elementos metálicos, como cobre e ferro. Durante o processo de soldagem, se a temperatura de soldagem for muito alta, é fácil explodir e formar respingos, especialmente na soldagem de feixe de alta energia, conforme mostrado na Figura 1. Além disso, alguns dos elementos de liga adicionados à liga de alumínio têm um ponto de ebulição baixo, que é fácil de evaporar e queimar na alta temperatura instantânea da soldagem, e o respingo gerado pela explosão também levará parte das gotículas, o que inevitavelmente altera a área da costura de soldagem. A composição química não é propícia à regulação do desempenho de juntas soldadas. Portanto, para compensar a ablação de alta temperatura, fios de soldagem ou outros materiais de soldagem com um teor de elemento de ponto de ebulição mais alto do que o metal base são frequentemente usados durante a soldagem.
Inclusões sólidas
As propriedades químicas do alumínio são muito ativas e facilmente oxidadas. Durante o processo de soldagem, a superfície da liga de alumínio é oxidada para formar Al2O3 com um alto ponto de fusão (cerca de 2050 graus, enquanto o ponto de fusão do alumínio é de 660 graus, o que é muito diferente). Os óxidos são densos e têm alta dureza, e são misturados no líquido da liga fundida com baixa densidade na área da poça fundida, o que é fácil de formar pequenas inclusões de escória sólida que não são fáceis de descarregar, o que não afeta apenas a microestrutura da solda, mas também é propenso à corrosão eletroquímica, o que causará As propriedades mecânicas das juntas soldadas diminuem, e o Al2O3 cobre a poça fundida e a ranhura, o que afeta seriamente a soldagem de ligas e reduz a microestrutura e as propriedades das juntas soldadas.
Colapso do estoma
O ponto de fusão da liga de alumínio é muito menor do que o de seu óxido, e é muito ativo e fácil de oxidar. Durante o processo de soldagem, a liga de alumínio é derretida em alta temperatura para formar uma poça fundida. O alumínio na superfície da poça fundida é oxidado para formar uma película de óxido, que cobre a poça fundida em uma forma sólida. Como a cor da película de óxido fundido não é muito diferente do estado fundido da liga de alumínio, e por causa da cobertura da película de óxido, é difícil observar o grau de fusão da poça fundida da liga de alumínio durante o processo de soldagem, por isso é fácil fazer com que a temperatura fique muito alta e cause calor de soldagem. Grandes colapsos na área destroem a forma e as propriedades do metal de solda.
Sob a ação da alta potência instantânea da fonte de calor de soldagem, uma grande quantidade de hidrogênio é dissolvida no líquido da liga. Após a conclusão da soldagem, conforme a temperatura da poça de fusão diminui, a solubilidade do gás diminui gradualmente, o que se torna a principal causa de poros durante o processo de soldagem. razão. Devido à rápida taxa de solidificação e baixa densidade das ligas de alumínio, poros de hidrogênio de diferentes tamanhos são formados durante a rápida solidificação da solda. Esses poros continuarão a se acumular e se expandir durante o processo de soldagem, eventualmente formando poros visíveis e reduzindo as propriedades estruturais da junta. Claro, a geração de poros não é necessariamente formada durante o processo de soldagem. Devido à influência da tecnologia de fundição, o próprio metal base também gerará poros durante o processo de fundição. Durante a soldagem, a mudança constante de entrada de calor e pressão interna faz com que os poros originais no metal base se expandam pelo calor ou se combinem entre si para formar poros de solda. Com o aumento da entrada de calor de soldagem, os poros também aumentarão. Portanto, para controlar a fonte de hidrogênio, o material de soldagem precisa passar por um rigoroso tratamento de secagem antes do uso. Durante a soldagem, a corrente deve ser adequadamente aumentada para prolongar o tempo de existência da poça de fusão e permitir tempo suficiente para que o hidrogênio precipite, controlando assim a formação de poros.
Classificação da tecnologia de soldagem de liga de alumínio
Com a expansão da gama de aplicações de ligas de alumínio, mais e mais problemas são destacados. Com o progresso da pesquisa, a tecnologia de soldagem de liga de alumínio fez um grande progresso. Atualmente, há principalmente soldagem a arco de tungstênio-argônio (TIG), soldagem a gás inerte fundido (MIG), soldagem a laser (LBW), soldagem por fricção e agitação (FSW) Espere.
Soldagem TIG
A soldagem de gás inerte de tungstênio (TIG) é uma soldagem de arco de gás inerte típica e é o método de soldagem mais comumente usado. Durante a soldagem, o eletrodo de tungstênio e a superfície de soldagem são usados como eletrodos, e o gás hélio ou argônio é passado entre os dois eletrodos como um gás de proteção para proteger o arco, e o fio e o metal base são derretidos por descarga instantânea de alta tensão, e as peças de liga de alumínio são soldadas e formadas, e reparo de solda e reparo de defeitos de fundição.
Apresentam principalmente as seguintes características técnicas:
Fácil de operar, flexível e controlável, adaptável a diversas condições de trabalho e de baixo custo;
A zona afetada pelo calor é estreita, a deformação da junta soldada é pequena sob a condição de alimentação de arame suficiente e o desempenho abrangente da junta é alto;
O desempenho do processo de soldagem é bom e estável, e a costura de soldagem é densa e bonita.
Soldagem MIG
MIG (GMA-Gas Metal Arc Welding) e TIG são soldagens com proteção de gás inerte. A diferença é que a soldagem TIG usa um eletrodo de tungstênio como eletrodo fixo, enquanto a soldagem MIG usa o próprio material do fio de enchimento como eletrodo.
No entanto, o processo de aplicação da soldagem MIG de liga de alumínio é muito limitado, porque o fio de alumínio macio leva a uma alimentação de fio ruim, e o alumínio fundido tende a formar um fenômeno de "pendurar sem pingar" durante a soldagem, o que é fácil de causar respingos de gotas. A vantagem é que a soldagem MIG é mais rápida do que a soldagem TIG, e a faixa de movimento de soldagem é pequena ao soldar peças grandes. Ao ajustar a velocidade de alimentação do fio, a eficiência da soldagem pode atingir vários metros por minuto.
Soldagem a laser
A soldagem por feixe de laser (Laser Beam Welding LBW) usa pulsos de laser de alta energia para aquecer localmente o material em uma pequena área. A energia da radiação do laser difunde-se para o interior do material por meio da condução de calor, e o material é derretido para formar uma poça fundida específica. Após a solidificação, o material é conectado como um.
As vantagens da soldagem a laser são que o ponto de ação da soldagem é pequeno, a fonte de calor de alta potência é concentrada e tem a capacidade de soldar chapas grossas, com uma zona estreita afetada pelo calor e pequena deformação de soldagem. No entanto, ao mesmo tempo, a soldagem a laser tem altos requisitos para posicionamento de soldagem, equipamento de soldagem caro e alto custo de soldagem. Para materiais metálicos como alumínio e magnésio, a refletividade do laser é alta e a soldagem direta é difícil.
A irradiação de materiais com lasers com diferentes densidades de potência mostra que quando a densidade de potência na peça de trabalho atinge mais de 107 W/cm2, o metal na zona de aquecimento será vaporizado em um tempo muito curto, e o gás convergirá para um pequeno orifício na poça de fusão. Este pequeno orifício é o centro de transferência de calor, e uma poça de fusão é formada perto do pequeno orifício, que é o efeito "buraco de fechadura" da soldagem de penetração profunda a laser. Para evitar o problema de poça de fusão irregular causado por este fenômeno, é possível reduzir a energia do laser, aumentar a velocidade de soldagem ou controlar a refusão da área da pepita para remover as bolhas na zona de fusão e reduzir a geração de poros.
Soldagem por fricção e agitação
Soldagem por fricção e agitação (Friction stir Welding, FSW) é uma nova tecnologia de junção em fase sólida formada com base na tecnologia tradicional de soldagem por fricção. Na interface a ser soldada, quando a cabeça de agitação avança ao longo da solda, a temperatura do material de soldagem aumenta, e o metal plastificado sofre forte deformação plástica sob a ação de agitação mecânica e perturbação, e forma uma conexão densa em fase sólida após difusão e recristalização.
Comparada com os métodos tradicionais de soldagem, a tecnologia FSW tem as seguintes vantagens:
Baixa temperatura de soldagem e pequena deformação de soldagem;
As propriedades mecânicas da solda são boas;
O processo de soldagem é simples, econômico e ecologicamente correto.
