เชี่ยวชาญเทคโนโลยีหลักของการเชื่อมโลหะผสมอลูมิเนียมในบทความเดียว

ในฐานะที่เป็นวัสดุโลหะวิศวกรรมที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา โลหะผสมอลูมิเนียมถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการบินและอวกาศ รถยนต์ เรือ และสาขาอื่นๆ เนื่องจากมีความหนาแน่นต่ำ มีความแข็งแรงจำเพาะสูงและมีความแข็งจำเพาะ และทนทานต่อการกัดกร่อนได้ดี .

อย่างไรก็ตาม ปัญหาหลายอย่าง เช่น ความสามารถในการเชื่อมต่ำและประสิทธิภาพชั้นขึ้นรูปในการเชื่อมไม่ดี ทำให้การพัฒนาชิ้นส่วนโครงสร้างอะลูมิเนียมผสมลดลง ดังนั้นเทคโนโลยีการเชื่อมโลหะผสมอลูมิเนียมจึงกลายเป็นหนึ่งในทิศทางการวิจัยหลักของนักวิชาการหลายคนทั้งในและต่างประเทศ

ภาพรวมประสิทธิภาพอลูมิเนียมอัลลอยด์
อะลูมิเนียมเป็นวัสดุโลหะที่เบามากโดยมีความหนาแน่นเพียง 2.7 กรัม/ซม.3 ซึ่งเป็นประมาณ 36 เปอร์เซ็นต์ของความหนาแน่นของเหล็ก อลูมิเนียมอัลลอยด์ถูกนำมาใช้ในการผลิตชิ้นส่วนเครื่องจักรกล ซึ่งสามารถลดน้ำหนักได้อย่างมากและบรรลุผลของน้ำหนักเบา การประหยัดพลังงาน และลดการปล่อยมลพิษ

ความแข็งแรงเฉพาะและความแข็งเฉพาะของโลหะผสมอลูมิเนียมสูงกว่าเหล็ก 45 และพลาสติก ABS การใช้วัสดุอลูมิเนียมอัลลอยด์เอื้อต่อการผลิตชิ้นส่วนประกอบที่มีความต้องการความแข็งแกร่งสูง

อลูมิเนียมอัลลอยด์มีคุณสมบัติการนำความร้อน การนำไฟฟ้า และความต้านทานการกัดกร่อนที่ดีเยี่ยม พารามิเตอร์ประสิทธิภาพของอลูมิเนียมอัลลอยด์ A380 และวัสดุอื่นๆ แสดงไว้ในตารางที่ 1

อลูมิเนียมอัลลอยด์มีความสามารถในการแปรรูปและรีไซเคิลได้ดี หากสันนิษฐานว่าค่าสัมประสิทธิ์ความต้านทานการตัดของโลหะผสมแมกนีเซียมที่ตัดได้ง่ายที่สุดคือ 1 ค่าความต้านทานการตัดของโลหะอื่นจะแสดงในตารางที่ 2 จะเห็นได้ว่าความต้านทานการตัดของโลหะผสมอะลูมิเนียมจะน้อยกว่าทองแดง เหล็ก และวัสดุอื่นๆ และกระบวนการตัดก็ค่อนข้างง่าย

ลักษณะการเชื่อมอลูมิเนียมอัลลอยด์
ได้รับผลกระทบจากคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของโลหะผสมอลูมิเนียม มีปัญหาบางอย่างในกระบวนการเชื่อม การเชื่อมโลหะผสมอลูมิเนียมในปัจจุบันส่วนใหญ่มีปัญหาดังต่อไปนี้: ความเครียดจากความร้อน การระเหย การรวมตัวที่เป็นของแข็ง การยุบตัวของรูพรุน ฯลฯ:

ความเครียดจากความร้อน

โลหะผสมอลูมิเนียมมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนที่สูงขึ้นและโมดูลัสความยืดหยุ่นที่น้อยลง ในระหว่างกระบวนการเชื่อม เนื่องจากการเสียรูปขนาดใหญ่และค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้นขนาดใหญ่ของโลหะผสมอลูมิเนียม อัตราการหดตัวของปริมาตรระหว่างการแข็งตัวอยู่ที่ประมาณ 6 เปอร์เซ็นต์ และอัตราการเย็นตัวและอัตราการตกผลึกขั้นต้นของสระหลอมเหลวจะรวดเร็ว ส่งผลให้ ความเครียดภายในของรอยเชื่อมและความแข็งแกร่งของรอยเชื่อม ขนาดใหญ่ขึ้น ง่ายต่อการทำให้เกิดความเครียดภายในมากขึ้นในข้อต่อโลหะผสมอลูมิเนียม ทำให้เกิดความเครียดในการเชื่อมและการเสียรูปมากขึ้น ทำให้เกิดข้อบกพร่อง เช่น รอยแตกและการเสียรูปของคลื่น

การระเหยระเหย

อะลูมิเนียมมีจุดหลอมเหลว 660 องศา และจุดเดือด 2647 องศา ซึ่งต่ำกว่าธาตุโลหะอื่นๆ เช่น ทองแดงและเหล็ก ในระหว่างกระบวนการเชื่อม หากอุณหภูมิในการเชื่อมสูงเกินไป จะทำให้เกิดการระเบิดและเกิดการกระเด็นได้ง่าย โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการเชื่อมด้วยลำแสงพลังงานสูง ดังแสดงในรูปที่ 1 นอกจากนี้ ส่วนประกอบโลหะผสมบางส่วนที่เติมเข้าไปในโลหะผสมอลูมิเนียม มีจุดเดือดต่ำ ซึ่งเป็นเรื่องง่ายมากที่จะระเหยและเผาไหม้ที่อุณหภูมิการเชื่อมสูงในทันที และการกระเด็นที่เกิดจากการระเบิดจะทำให้หยดของเหลวส่วนหนึ่งหายไป ซึ่งทำให้พื้นที่เชื่อมเปลี่ยนไปอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ องค์ประกอบทางเคมีไม่เอื้อต่อการควบคุมประสิทธิภาพของรอยเชื่อม ดังนั้นเพื่อชดเชยการระเหยที่อุณหภูมิสูง ลวดเชื่อมหรือวัสดุเชื่อมอื่น ๆ ที่มีส่วนประกอบของจุดเดือดสูงกว่าโลหะพื้นฐานมักจะใช้ในระหว่างการเชื่อม

การรวมที่มั่นคง

คุณสมบัติทางเคมีของอลูมิเนียมมีความว่องไวและออกซิไดซ์ได้ง่าย ในระหว่างกระบวนการเชื่อม พื้นผิวของอลูมิเนียมอัลลอยด์จะถูกออกซิไดซ์เพื่อสร้าง Al2O3 โดยมีจุดหลอมเหลวสูง (ประมาณ 2050 องศาเซลเซียส ในขณะที่จุดหลอมเหลวของอลูมิเนียมอยู่ที่ 660 องศาเซลเซียส ซึ่งแตกต่างกันมาก) ออกไซด์มีความหนาแน่นและมีความแข็งสูง และผสมอยู่ในของเหลวโลหะผสมหลอมเหลวที่มีความหนาแน่นต่ำในบริเวณสระหลอมเหลว ซึ่งง่ายต่อการก่อตัวเป็นตะกรันแข็งละเอียดและยากต่อการระบายออก ซึ่งไม่เพียงแต่ส่งผลต่อโครงสร้างของรอยเชื่อมเท่านั้น แต่ยังก่อให้เกิดการกัดกร่อนทางเคมีไฟฟ้าได้ง่าย ซึ่งจะทำให้คุณสมบัติเชิงกลของรอยเชื่อมลดลง และ Al2O3 ปกคลุมแอ่งและร่องที่หลอมเหลว ซึ่งส่งผลกระทบอย่างมากต่อการเชื่อมของโลหะผสม และลดโครงสร้างจุลภาคและคุณสมบัติของรอยเชื่อม

การยุบปากใบ

จุดหลอมเหลวของโลหะผสมอลูมิเนียมนั้นต่ำกว่าออกไซด์มาก และธรรมชาติของมันนั้นมีชีวิตชีวาและง่ายต่อการออกซิไดซ์ ในระหว่างกระบวนการเชื่อม อลูมิเนียมอัลลอยด์จะก่อตัวเป็นแอ่งหลอมเหลวเนื่องจากการหลอมที่อุณหภูมิสูง อะลูมิเนียมบนพื้นผิวของแอ่งหลอมเหลวจะถูกออกซิไดซ์เพื่อสร้างฟิล์มออกไซด์ ซึ่งปกคลุมแอ่งหลอมเหลวในสถานะของแข็ง เนื่องจากสีของฟิล์มออกไซด์หลังการหลอมละลายไม่แตกต่างจากสีของอลูมิเนียมอัลลอยด์ที่หลอมเหลวมากนัก และเนื่องจากการเคลือบของฟิล์มออกไซด์ จึงเป็นเรื่องยากที่จะสังเกตระดับการหลอมเหลวของพูลอลูมิเนียมอัลลอยด์ที่หลอมเหลวในระหว่างกระบวนการเชื่อม ดังนั้นจึงเป็นเรื่องง่ายที่จะทำให้เกิดอุณหภูมิสูงเกินไป ทำให้เกิดอิทธิพลของความร้อนในการเชื่อม พื้นที่ส่วนใหญ่ยุบตัว ทำลายรูปร่างและคุณสมบัติของโลหะเชื่อม

ภายใต้การกระทำของแหล่งความร้อนเชื่อมพลังงานสูงในทันที ก๊าซไฮโดรเจนจำนวนมากจะละลายในของเหลวโลหะผสม หลังจากการเชื่อมเสร็จสิ้น เมื่ออุณหภูมิของบ่อหลอมเหลวลดลง ความสามารถในการละลายของก๊าซก็จะค่อยๆ ลดลง ซึ่งกลายเป็นสาเหตุหลักของการเกิดรูพรุนในกระบวนการเชื่อม เหตุผล. เนื่องจากความเร็วในการแข็งตัวของโลหะผสมอลูมิเนียมนั้นเร็วเกินไปและความหนาแน่นต่ำ รูพรุนของไฮโดรเจนที่มีขนาดต่างๆ กันจึงเกิดขึ้นระหว่างการแข็งตัวอย่างรวดเร็วของรอยเชื่อม รูพรุนเหล่านี้จะสะสมและขยายตัวอย่างต่อเนื่องในระหว่างกระบวนการเชื่อม ทำให้เกิดรูพรุนขนาดใหญ่ที่มองเห็นได้ในที่สุด และลดคุณสมบัติทางโครงสร้างของข้อต่อ แน่นอน รูขุมขนไม่จำเป็นต้องเกิดขึ้นในระหว่างกระบวนการเชื่อม เนื่องจากอิทธิพลของเทคโนโลยีกระบวนการหล่อโลหะฐานเองจะทำให้เกิดรูพรุนในระหว่างกระบวนการหล่อ ระหว่างการเชื่อม ความร้อนและแรงดันภายในจะเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา ทำให้รูพรุนเดิมในโลหะฐานขยายตัวหรือรวมกันเป็นรูเชื่อม เมื่อความร้อนในการเชื่อมเพิ่มขึ้น รูพรุนก็จะเพิ่มขึ้นเช่นกัน ดังนั้นเพื่อควบคุมแหล่งที่มาของไฮโดรเจน วัสดุเชื่อมจำเป็นต้องทำให้แห้งก่อนใช้งาน ในระหว่างการเชื่อม กระแสจะเพิ่มขึ้นอย่างเหมาะสมเพื่อยืดเวลาการคงอยู่ของสระหลอมเหลว และให้เวลาเพียงพอสำหรับไฮโดรเจนในการตกตะกอน ซึ่งจะช่วยควบคุมการก่อตัวของรูพรุน

รูปภาพ

รูปที่ 2 การก่อตัวและการบรรจบกันของปากใบ

การจำแนกประเภทของเทคโนโลยีการเชื่อมโลหะผสมอลูมิเนียม
ด้วยการขยายช่วงการใช้งานของโลหะผสมอลูมิเนียม ทำให้เน้นปัญหามากขึ้น ด้วยความก้าวหน้าของการวิจัย เทคโนโลยีการเชื่อมของโลหะผสมอลูมิเนียมได้รับการพัฒนาอย่างมาก ปัจจุบันมีการเชื่อมอาร์กอนทังสเตนเป็นหลัก (TIG) การเชื่อมก๊าซเฉื่อยหลอมเหลว (MIG) การเชื่อมด้วยเลเซอร์ (LBW) การเชื่อมด้วยแรงเสียดทานกวน (FSW) รอ

การเชื่อมอาร์กด้วยแก๊สทังสเตน

การเชื่อมด้วยก๊าซเฉื่อยทังสเตน (TIG) เป็นการเชื่อมด้วยก๊าซเฉื่อยทั่วไปและเป็นวิธีการเชื่อมที่ใช้บ่อยที่สุด เมื่อทำการเชื่อม อิเล็กโทรดทังสเตนและพื้นผิวการเชื่อมจะถูกใช้เป็นอิเล็กโทรด และก๊าซฮีเลียมหรืออาร์กอนจะถูกส่งผ่านระหว่างอิเล็กโทรดทั้งสองเพื่อเป็นก๊าซป้องกันเพื่อป้องกันส่วนโค้ง และลวดและโลหะพื้นฐานจะละลายโดยการปล่อยแรงดันสูงทันที และชิ้นส่วนอลูมิเนียมอัลลอยด์ถูกเชื่อมและขึ้นรูป และการเชื่อมและการซ่อมแซมข้อบกพร่องในการหล่อ

ส่วนใหญ่มีลักษณะทางเทคนิคดังต่อไปนี้:

ใช้งานง่าย ยืดหยุ่นและควบคุมได้ ปรับให้เข้ากับสภาพการทำงานและสภาพแวดล้อมต่างๆ และต้นทุนต่ำ

โซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนแคบและการเสียรูปของรอยเชื่อมมีขนาดเล็กภายใต้เงื่อนไขของการป้อนลวดที่เพียงพอ และประสิทธิภาพที่ครอบคลุมของข้อต่อนั้นสูง

ประสิทธิภาพของกระบวนการเชื่อมนั้นดีและมั่นคง รอยเชื่อมมีความหนาแน่นและสวยงาม

เชื่อมมิก

ทั้ง MIG (GMA-Gas Metal Arc Welding) และ TIG เป็นการเชื่อมแบบป้องกันก๊าซเฉื่อย ข้อแตกต่างคือการเชื่อม TIG ใช้อิเล็กโทรดทังสเตนเป็นอิเล็กโทรดคงที่ ในขณะที่การเชื่อม MIG ใช้วัสดุลวดที่เติมเป็นอิเล็กโทรด

ในขั้นตอนการเชื่อมโลหะที่หุ้มด้วยก๊าซเฉื่อยของโลหะผสมอะลูมิเนียม แรงดันและกระแสไฟฟ้าจะกระทำที่ปลายอิเล็กโทรดของลวดเชื่อม และเกิดแรงดันสูงชั่วขณะระหว่างอิเล็กโทรดและโลหะฐาน ซึ่งจะทำให้โลหะฐานและโลหะฐานหลอมละลาย ร่อง และหยดที่ปลายลวดหลุดออกและเปลี่ยนในแนวตั้งไปยังโลหะฐาน บริเวณรอยเชื่อมจะก่อตัวขึ้นในสระหลอมเหลวของวัสดุ

อย่างไรก็ตาม ขั้นตอนการประยุกต์ใช้การเชื่อม MIG ของอะลูมิเนียมผสมนั้นค่อนข้างจำกัด เนื่องจากความอ่อนของลวดอะลูมิเนียมทำให้ป้อนลวดได้ไม่ดี และอะลูมิเนียมหลอมเหลวมีแนวโน้มที่จะเกิดปรากฏการณ์ "ห้อยแต่ไม่หยด" ในระหว่างการเชื่อม ซึ่งเป็นเรื่องง่าย เพื่อทำให้หยดน้ำกระเซ็น ข้อดีคือการเชื่อมแบบ MIG จะเร็วกว่าการเชื่อมแบบ TIG และระยะการเคลื่อนที่ในการเชื่อมจะน้อยเมื่อเชื่อมชิ้นงานขนาดใหญ่ ด้วยการปรับความเร็วการป้อนลวด ประสิทธิภาพการเชื่อมสามารถเข้าถึงหลายเมตรต่อนาที

การเชื่อมด้วยเลเซอร์

การเชื่อมด้วยลำแสงเลเซอร์ (Laser Beam Welding LBW) ใช้พัลส์เลเซอร์พลังงานสูงเพื่อให้ความร้อนแก่วัสดุในพื้นที่ขนาดเล็ก พลังงานของรังสีเลเซอร์กระจายไปยังด้านในของวัสดุผ่านการนำความร้อน และวัสดุจะหลอมละลายเพื่อสร้างแอ่งหลอมเหลวเฉพาะ หลังจากการแข็งตัว วัสดุจะเชื่อมต่อเป็นหนึ่งเดียว

ข้อดีของการเชื่อมด้วยเลเซอร์คือจุดเชื่อมมีขนาดเล็ก แหล่งความร้อนกำลังสูงมีความเข้มข้น สามารถเชื่อมแผ่นหนาได้ พื้นที่ที่ได้รับความร้อนจะแคบ และการเสียรูปในการเชื่อมมีขนาดเล็ก แต่ในขณะเดียวกัน การเชื่อมด้วยเลเซอร์มีความต้องการสูงสำหรับการวางตำแหน่งการเชื่อม อุปกรณ์การเชื่อมที่มีราคาแพง และค่าใช้จ่ายในการเชื่อมที่สูง สำหรับวัสดุโลหะ เช่น อะลูมิเนียมและแมกนีเซียม การสะท้อนแสงของเลเซอร์จะสูง และการเชื่อมโดยตรงทำได้ยาก

การฉายรังสีวัสดุด้วยเลเซอร์ที่มีความหนาแน่นของพลังงานต่างกันแสดงให้เห็นว่าเมื่อความหนาแน่นของพลังงานบนชิ้นงานมากกว่า 107W/cm2 โลหะในเขตความร้อนจะถูกทำให้เป็นแก๊สในเวลาอันสั้น และก๊าซจะรวมตัวกันเป็นรูเล็กๆ ใน บ่อหลอมเหลวและสร้างรูเล็ก ๆ เป็นศูนย์กลางสำหรับการถ่ายเทความร้อนและบ่อหลอมเหลวจะเกิดขึ้นใกล้กับรูเล็ก ๆ ซึ่งเป็นเอฟเฟกต์ "รูกุญแจ" ของการเชื่อมแบบเจาะลึกด้วยเลเซอร์ เพื่อหลีกเลี่ยงความไม่สม่ำเสมอของแอ่งหลอมเหลวที่เกิดจากปรากฏการณ์นี้ จึงเป็นไปได้ที่จะลดพลังงานเลเซอร์ เพิ่มความเร็วในการเชื่อม หรือควบคุมการหลอมซ้ำของบริเวณนักเก็ตเพื่อขจัดฟองอากาศในบริเวณหลอมรวม และลดการสร้างรูพรุน .

การเชื่อมกวนแรงเสียดทาน

การเชื่อมแบบกวนด้วยแรงเสียดทาน (การเชื่อมแบบกวนด้วยแรงเสียดทาน, FSW) เป็นเทคโนโลยีการเชื่อมต่อเฟสของแข็งรูปแบบใหม่ที่ใช้เทคโนโลยีการเชื่อมแบบแรงเสียดทานแบบดั้งเดิม ที่ส่วนต่อประสานที่จะเชื่อม เมื่อหัวกวนเคลื่อนที่ไปตามแนวเชื่อม อุณหภูมิของวัสดุเชื่อมจะสูงขึ้น และโลหะที่เป็นพลาสติกจะเกิดการเสียรูปพลาสติกที่แข็งแกร่งภายใต้การกวนและการทำให้เสียเชิงกล และสร้างการเชื่อมต่อโซลิดเฟสที่หนาแน่น หลังจากการแพร่กระจายและการตกผลึกใหม่

เมื่อเทียบกับวิธีการเชื่อมแบบดั้งเดิม เทคโนโลยี FSW มีข้อดีดังต่อไปนี้:

อุณหภูมิในการเชื่อมต่ำและการเสียรูปในการเชื่อมเล็กน้อย

คุณสมบัติทางกลที่ดีของรอยเชื่อม

กระบวนการเชื่อมนั้นง่าย ประหยัด และเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม

ปัญหาหลักและจุดเน้นการวิจัย
ด้วยการประยุกต์ใช้โลหะผสมอลูมิเนียมในอุตสาหกรรมจำนวนมากขึ้นเรื่อยๆ ปัญหาของการเชื่อมต่อการซ่อมแซมได้ดึงดูดความสนใจจากนักวิชาการมากขึ้นเรื่อยๆ จากการทดสอบการเชื่อมต่างๆ บนโลหะผสมอลูมิเนียม พบว่าความสมบูรณ์ของเทคโนโลยีการซ่อมยังไม่ตรงตามความต้องการในการพัฒนาของอุตสาหกรรม และยังมีปัญหาอีกมากมายในนั้น

การเชื่อมอาร์คด้วยแก๊สทังสเตนและการเชื่อมด้วยแก๊สเฉื่อยของโลหะเป็นวิธีการเชื่อมที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในปัจจุบันสองวิธี แต่เทคโนโลยีทั้งสองนี้มีโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนอย่างกว้างขวาง และโลหะเชื่อมจำเป็นต้องหลอมและแข็งตัวซึ่งมีผลกระทบต่อ โครงสร้าง. มีขนาดใหญ่ขึ้นและมีความเค้นตกค้างสูง ส่งผลร้ายแรงต่อคุณสมบัติทางกลของข้อต่อ ความหนาแน่นของลำแสงของพลังงานการเชื่อมด้วยเลเซอร์สูง และอัตราส่วนความลึกต่อความกว้างของรอยเชื่อมนั้นมีขนาดใหญ่ แต่ทำให้เกิดรูพรุนได้ง่ายมาก และค่าใช้จ่ายที่แพงยังจำกัดความนิยมในการใช้งานอีกด้วย การเชื่อมแบบกวนด้วยแรงเสียดทานช่วยแก้ปัญหาความร้อนได้ แต่การเชื่อมแบบกวนด้วยแรงเสียดทานต้องใช้แรงกดค่อนข้างมากและแรงขับไปข้างหน้า และอุปกรณ์โดยทั่วไปมีความซับซ้อนและเทอะทะ ซึ่งจำกัดการพัฒนา

จุดเน้นของการวิจัยในอนาคตในหัวข้อที่เกี่ยวข้องควรอยู่ในประเด็นต่อไปนี้:

เริ่มจากพื้นฐานของการเชื่อมแบบฟิวชั่น ปรับสูตรลวดเชื่อม เพิ่มธาตุหายาก หรือเลือกสารกระตุ้นการเชื่อมในปริมาณที่เหมาะสมเพื่อควบคุมการเสียรูปของแนวเชื่อม ลดความเค้น และลดการก่อตัวของรูพรุน

เนื่องจากการขยายขอบเขตและการประยุกต์ใช้โลหะผสม มักจะใช้ร่วมกับวัสดุที่แตกต่างกัน ดังนั้นจึงจำเป็นต้องทำการทดลองการเชื่อมแบบตักระหว่างโลหะที่แตกต่างกันเพื่อให้ได้ข้อต่อที่มีคุณภาพสูง

ดำเนินการวิจัยเกี่ยวกับความสามารถในการเชื่อมของแหล่งความร้อนคอมโพสิต เช่น การเชื่อมแบบผสมผสานด้วยเลเซอร์ TIG, การเชื่อมด้วยแรงเสียดทานคอมโพสิตด้วยเลเซอร์ เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพการเชื่อมที่เหมาะสมที่สุด