Какой алюминий варится сваркой: как правильно это делать и на что обратить внимание при подготовке

При сваривании алюминием существует несколько факторов, которые могут усложнять процесс сваривания алюминия и алюминиевых сплавов:

На поверхности свариваемого алюминия может появляться тугоплавкая пленка алюминиевой окиси, которая имеет большую плотность, чем сам свариваемый металл. Пленка, которая образовывается на поверхности металла, убирается механическими или химическими методами. Образовавшуюся пленку можно удалять с помощью катодного распылителя при сваривании или же использовать флюсы, которые разрушали и превращали ее в летучие соединения.

При повышении температуры металла при сваривании его прочность значительно понижается. Твердый металл, который не расплавился при сваривании, может поддаться разрушению под давлением массы сварочной ванны. Контролировать размер сварочной ванны при сваривании алюминия может быть сложно, потому что его цвет не изменяется при нагреве. Для того чтобы избегать прожогов металла применяют керамические прокладки или же прокладки из более тугоплавкого металла.

Алюминий можно сваривать с помощью инвертора в среде инертных газов, то есть с применением аргона и неплавящихся электродов. Все, кто интересуется свариванием в домашних условиях, должны знать, что при длительной работе вольфрамового электрода могут скапливаться наросты его окислов, что будет значительно снижать качество сваривания.

Для того чтобы удалить такие наросты электрод затачивают с помощью твердого мелкозернистого диска. Такой инструмент позволяет предохранить рабочую поверхность электрода от образования бороздок или заусенцев. Диск, которым Вы затачивали сварочный электрод, не нужно использовать для работы с другими предметами металлами. Уменьшить возможность появления наростов можно благодаря интенсивному охлаждению электрода и обеспечению сварочной ванны эффективной газовой защитой.

При аргонодуговом сваривании горение электрической дуги происходит между поверхностью свариваемого металла и самим электродом. Сварочный электрод расположен в горелке, через которую с помощью сопла подается инертный газ для защиты сварочного процесса. В качестве расходного материала и дополнительной добавки металла в сварочную ванну может использоваться присадочная проволока, которая подается вручную или с помощью автоматизированных методов.

Перед тем как сваривать алюминий аргоном, нужно определиться, какую марку присадочной проволоки Вы будете использовать. Ваш выбор должен зависеть от химического состава свариваемого металла. Для работы с техническим алюминием профессионалы рекомендуют использовать проволоку таких марок, как АО, АД, или АК. Диаметр проволоки от 2 до 5 миллиметров. При проведении сварочных работ со сплавами алюминия с магнием можно применять аналогичные марки проволоки. При этом содержание магния в ней должно быть более высоким и быть способным компенсировать угар металла при проведении сварочных работ.

Сварка алюминия постоянным или переменным током

Алюминий и его сплавы применяются в самых разных отраслях промышленности, а свою популярность и распространенность металл получил благодаря таким характеристикам, как низкая плотность, устойчивость к коррозии и ее пагубному воздействию, а также большая удельная плотность.

Чистый алюминий применяется в таких сферах, как электротехника, химическая и пищевая промышленность, потому как данный металл имеет невысокую прочность. Его сплавы находят более широкое применение, потому как их прочность выше, чем чистый металл. Примечательно, что некоторые сплавы алюминия по прочности превосходят чугун, некоторые виды стали и некоторые цветные металлы и их сплавы. Сваривание алюминия часто производится с использованием обратной полярности. Это связано с несколькими особенностями алюминия и его сплавов.

Главной особенностью работы при сваривании алюминия является образование оксидной пленки во время сварочного процесса. Образовавшаяся пленка характеризуется высокой тугоплавкостью и может образовываться на поверхности сварочной ванны, препятствуя высокому качеству сварочного соединения, и сказывается на стабильности проведения сварочных работ не исключая возможности образования непроваров и трещин в швах.

По приведенным выше причинам сварка алюминия во многом зависит от правильного подбора сварочного тока. Многие специалисты рекомендуют применять для сварки вольфрамовые электроды, которые принято считать неплавящимися. Стоит отметить, что мнения специалистов в отношении сварочного тока немного различаются, ведь одни советуют применять только переменный ток, а другие не исключают возможности применения постоянного тока с условием создания обратной полярности.

При использовании постоянного тока прямой полярности, можете ожидать следующие проблемы:

• — быстрое плавление присадочного прутка, не сплавляясь с основным металлом;
• — сварочный шов с прожогами и налетом черного цвета;
• — высокая сложность поддержания сварочной дуги;
• — сложности с поджогом дуги;
• — сильное разбрызгивание металла;

Сваривание алюминия с применением обратной полярности позволяет с успехом преодолевать оксидную пленку и производить сваривание высокого качества.

Сварочные работы с алюминием и его сплавами с помощью переменного тока производятся в среде защитных газов. Обычно для такой цели используется популярный инертный газ аргон. При выполнении сварочных работ нужно использовать TIG-режим на переменном токе.

Для успешного сваривания алюминия переменным током требуется поддерживать вертикальный угол горения горелки, рассчитывать расход газа, после завершения работы совершить продувку газом, что позволит защитить сварочный шов от негативного воздействия окружающей среды и других факторов.

Технология сварки алюминия и его сплавов

Температура плавления алюминия 660°С, окисной пленки 2060°С

Марки присадочной проволоки, используемой для сварки алюминия и его сплавов

Ориентировочные расходы сварочных материалов

Трудности при сварке

• Температура плавления окисной пленки значительно выше, чем алюминия, и она расплавляется позже. Это затрудняет формирование шва
• Высокая теплопроводность алюминия требует увеличения сварочного тока в 1,2-1,5 раза по сравнению, например, со сваркой стали
• Образуются значительные остаточные деформации, что требует специальных мер и приспособлений
• Окисная пленка не растворяется в жидком алюминии. Это мешает формированию шва и служит причиной появления в нем металлических включений
• При нагреве алюминия и его сплавов нет явных признаков их перехода в жидкое состояние. Это требует высокой квалификации сварщика

Несплавление кромок алюминиевых конструкций

Подготовка к сварке. Резка и подготовка кромок ведутся механическим способом. На ширину 100-150 мм их обезжиривают ацетоном, авиационным бензином, уайт-спиритом или другим растворителем. Окисленную пленку удаляют механически или химическим травлением. При механической обработке свариваемые кромки на ширину 25-30 мм зачищают наждачной бумагой, шабером и металлической щеткой из нержавеющей проволоки. Зачистку проводят непосредственно перед сваркой.

Химическое травление проводят в течение 0,5-1 мин в реактиве, состоящем из 50 г едкого натра и 45 г фтористого натрия на 1 л воды. После травления следует промывка в проточной воде, а затем осветление в 30-35%-ном растворе азотной кислоты (для алюминия и сплавов типа АМц) или в 25%-ном растворе ортофосфорной кислоты (для сплавов типа АМг и В-95). После повторной промывки необходима сушка до полного испарения влаги.

Алюминиевую сварочную проволоку перед сваркой также обрабатывают. Сначала ее обезжиривают, а затем подвергают травлению в 15%-ном растворе едкого натра в течение 5-10 мин при температуре 60-70°С. После этого промывают в холодной воде и сушат 10-30 мин при температуре 300°С.

Подготовленные к сварке материалы сохраняют свои свойства в течение 3-4 дней. Затем на поверхности вновь образуется окисная пленка

ПОДКЛАДКИ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ВЫТЕКАНИЯ МЕТАЛЛА ИЗ СВАРОЧНОЙ ВАННЫ

Выбор параметров режима

Метод сварки неплавящимся электродом применяют для изделий из алюминиевых сплавов толщиной до 12 мм. При сварке металла толщиной от 1 до 6 мм применяют вольфрамовые электроды диаметром от 1 до 5 мм. Сварочный ток (А) определяют по формуле:

Iсв=(60?65)dэ,

где dэ — диаметр электрода, мм

Питание дуги осуществляется от источника переменного тока с осциллятором, что помогает разрушить окисную пленку. Напряжение холостого хода источника должно быть повышенным. Надежность газовой защиты дуги и сварочной ванны зависит от диаметра и формы сопла горелки, расстояния сопла от поверхности свариваемого изделия.

Рекомендуется выдерживать такие соотношения:

Длина выступающего из сопла W-электрода (выпуск) должна составлять при сварке стыковых соединений 1-1,5 мм, а тавровых и угловых 4-8 мм. Длину дуги поддерживают в пределах 1,5-3 мм. Скорость сварки выбирают от 8 до 12 м/ч.

Соединения с отбортовкой кромок целесообразно применять при сварке металла толщиной 0,8-2 мм.

Техника сварки

Ручной аргонодуговой сваркой W-электродом выполняют стыковые, угловые и тавровые соединения. Конструкции толщиной до 10 мм сваривают «углом вперед», а более 10 мм — «углом назад». Угол между присадочной проволокой и горелкой должен составлять 90°. Проволоку подают короткими возвратно-поступательными движениями. Поперечные колебания W-электрода недопустимы.

Изделия толщиной до 4 мм включительно сваривают за один проход на стальной подкладке. При толщине от 4 до 6 мм сварку выполняют с двух сторон, а при толщине 6-12 мм подготавливают кромки с V-образной или Х-образной разделкой.

Подачу аргона начинают за 3-5 с до возбуждения дуги, а прекращают через 5-7 с после окончания сварки.

Чтобы снизить вероятность окисления металла шва, размеры сварочной ванны нужно выдерживать минимальными.

ОРИЕНТИРОВОЧНЫЕ РЕЖИМЫ РУЧНОЙ СВАРКИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Свариваемые и несвариваемые алюминиевые сплавы

В: Я хочу сварить немного алюминия 7075, но не могу найти для него рекомендуемый присадочный металл. Можете ли вы сказать мне, какой присадочный металл использовать?

Одним словом, нет. Причина, по которой вы не можете найти рекомендуемый присадочный металл для 7075, заключается в том, что он обычно считается несвариваемым при дуговой сварке. Никто, включая меня, не собирается давать вам рекомендации, как делать то, что вам не следует делать в первую очередь.

A: Большинство алюминиевых сплавов легко свариваются с использованием GTAW или GMAW. Однако некоторые нет. Давайте кратко рассмотрим распространенные семейства алюминиевых сплавов и их характеристики свариваемости:

• 1ХХХ сплавы. Практически чистый алюминий (чистота 99%), используемый для передачи электрического тока или защиты от коррозии в определенных средах, все эти сплавы легко свариваются. Самый распространенный присадочный металл — 1100.
• 3ХХХ сплавы. В это семейство входят сплавы средней прочности, которые легко поддаются формованию. Их часто используют для теплообменников и кондиционеров. Все они легко свариваются с использованием присадочного металла 4043 или 5356.
• 4ХХХ сплавы. Обычно используются в качестве присадочных сплавов для сварки или пайки. Однако иногда их используют в качестве основных материалов. В таком случае их легко сваривать с присадочным металлом 4043.
• Сплавы 5ХХХ. Это семейство высокопрочных листовых и пластинчатых сплавов.Все они легко свариваются с использованием присадочного металла 5356, хотя для более прочных сплавов следует использовать 5183 или 5556, например 5083.
• 6ХХХ сплавы. В первую очередь это сплавы для экструзии, хотя они также доступны в листах и ​​пластинах. Они склонны к появлению трещин. Однако при правильной технике все они могут быть легко сварены с использованием 4043 или 5356.

Так почему я еще не упомянул сплавы 2ХХХ и 7ХХХ?

• 2ХХХ сплавы. Это высокопрочные аэрокосмические сплавы в форме листов или пластин. Их химический состав делает большинство из них несвариваемыми при использовании GTAW или GMAW из-за горячего растрескивания. Исключение составляют 2219 и 2519, которые легко свариваются с использованием присадочного металла 2319 или 4043. В любом случае, никогда не стоит сваривать 2024. Это очень распространено и очень прочно, но чрезвычайно чувствительный к трещинам.
• Сплавы 7ХХХ. Это тоже семейство высокопрочных аэрокосмических сплавов. Как и сплавы 2XXX, большинство из них не свариваются с использованием GTAW или GMAW из-за проблем с горячим растрескиванием и коррозией под напряжением.Исключение составляют экструзионные сплавы 7003 и 7005 и пластинчатый сплав 7039. Все три из них легко свариваются с использованием присадки 5356. Никогда не сваривайте 7075.

Механическое поведение сварных швов из алюминиевых сплавов, упрочненных осадком промышленность для производства структурных каркасов и компонентов.Эти сплавы находят применение в условиях искусственного старения, что позволяет получить высокие механические свойства, т.е. предел текучести алюминиевого сплава 7075-Т651 до 500 МПа. Однако, когда сварочные процессы используются для выполнения соединения, большое количество подводимого тепла рассеивается за счет теплопроводности через основной материал вблизи сварочного валика. Это рассеяние тепла приводит к образованию локализованных изотермических участков, на которых температурный градиент оказывает важное и пагубное влияние на микроструктуру и, следовательно, на механические свойства сварного соединения (образование мягкой зоны).Это изменение микроструктуры влияет на эксплуатационные характеристики сварных соединений, поскольку механические свойства резко ухудшаются по сравнению с основным материалом.

В этой главе представлена ​​информация о механическом поведении сварных соединений алюминиевых сплавов с точки зрения свойств, определяемых испытаниями на растяжение, вдавливание и усталость, а также об условиях роста усталостной трещины в различных зонах сварных соединений.

1.1. Осаждение и механические свойства алюминиевых сплавов

Процесс дисперсионного твердения требует, чтобы второй компонент в алюминиевом сплаве был достаточно растворим, чтобы обеспечить широкое растворение при повышенной температуре (температура обработки солюбилизацией) и чтобы растворимость значительно снижалась при более низких температурах. так обстоит дело с сплавами Al-Cu (рис. 1) [1].

Согласно рисунку 1, чтобы вызвать дисперсионное твердение, сплав нагревают до температуры выше, чем температура сольвуса, чтобы получить гомогенный твердый раствор α, позволяющий растворить вторую фазу θ и устраняющий сегрегацию сплава. Как только температура солюбилизации достигается, сплав охлаждается с высокой скоростью, чтобы ограничить процесс диффузии атомов в направлении потенциальных центров зародышеобразования. Наконец, пересыщенный твердый раствор α _ss нагревают до температуры ниже температуры сольвуса.При этой температуре атомы обладают способностью диффундировать на короткие расстояния. Поскольку фаза α _ss нестабильна, атомы Cu диффундируют в нескольких местах зародышеобразования, и может образовываться контрольный осадок. Осадочное упрочнение металлов выполняется для получения дисперсии частиц вторых фаз и создания препятствий для движения дислокаций. Степень упрочнения зависит от металлической системы, объемной доли и размера частиц, а также от взаимодействия частиц с дислокациями.Взаимодействие осевших частиц с дислокациями очень важно с точки зрения величины упрочнения. Были установлены некоторые механизмы, включающие обход частиц с помощью петли Орована, обходное скольжение или сдвиг частиц. На рис. 2 показаны силы, действующие на подвижную дислокацию в напряженном металле, содержащем дисперсию частиц второй фазы.

Рис. 1.

Фазовая диаграмма алюминий-медь с высоким содержанием алюминия, показывающая процессы солюбилизации и осаждения [1].

Рисунок 2.

Баланс сил, действующих при сопротивлении частицы движению дислокации [1].

Учитывая силы равновесия между линейным натяжением T дислокации и силой сопротивления частицы второй фазы F , получаем:

По мере увеличения F увеличивается изгиб дислокаций, т. Е. θ увеличивается. Величина F важна для управления последовательностью событий.Сила натяжения линии дислокации максимальна при θ = 90 º. Если частица твердая, например, F может быть больше, чем 2 T , то дислокации будут обходить частицу либо за счет петли Орована, либо за счет поперечного скольжения, и частица останется неизменной, то есть недеформированной (рис. 3).

Рис. 3.

Дислокация встречается с твердыми недеформируемыми частицами второй фазы: высвобождение дислокации при более высоких напряжениях может происходить за счет образования петель Орована или поперечного скольжения [1].

Фактическая сила частицы в этом случае становится несущественной, поскольку операция обхода становится зависимой только от расстояния между частицами.Если, однако, сила частицы такова, что максимальная сила сопротивления достигается до sin θ = 1, тогда частицы будут раздвигаться, и дислокация пройдет через частицу (рис. 4).

Рис. 4.

Движение дислокации может продолжаться через частицы второй фазы (разрезание частиц).

Следовательно, из этого следует, что при заданном расстоянии между частицами (заданная объемная доля и размер частиц) твердые частицы будут давать максимальное дисперсионное твердение, и это условие определяет максимально достижимую степень твердения.Мягкие частицы дают меньшую степень затвердевания. Рассмотрение зависимости между приложенным напряжением и изгибом дислокации, следуя Оровану [2], приводит к уравнению Орована:

, где Δ τ _y — увеличение предела текучести из-за частиц, G модуль сдвига матрицы, b, вектор Бюргерса дислокации и L, расстояние между частицами. L в уравнении Орована обычно считается расстоянием между частицами, расположенными на квадратной сетке в плоскости скольжения.

Эшби [3] развил свое уравнение, чтобы учесть расстояние между частицами и эффекты статистически распределенных частиц. Отношение Эшби-Орована определяется как:

Δτy = 0,84 (1,2Gb2πL) ln (x2b) E3

Применение фактора Тейлора для поликристаллических материалов, выражающее микроструктурные параметры в терминах объемной доли и реального диаметра и преобразование напряжения сдвига в растягивающее напряжение, урожайность [4]: ​​

Δσy = (0,538Gbf1 / 2X) ln (X2b) E4

, где Δ σ _y — увеличение предела текучести (МПа), G — модуль сдвига (МПа), b — вектор Бюргерса (мм), f — объемная доля частиц, а X — реальный (пространственный) диаметр частиц (мм).В таблице I представлен эффект упрочнения с точки зрения предела текучести для некоторых алюминиевых сплавов в отожженном (O) и в условиях искусственного старения (T6).

900 9015 400 9015

Приращения упрочнения в алюминиевых сплавах [5].

1.2. Сварка в закаленном от старения состоянии

Известно, что алюминиевые сплавы 2 xxx , 6 xxx и 7 xxx имеют сильную тенденцию к износу во время сварки, особенно в полностью состаренном состоянии (T6). Схематическое изображение микроструктурных изменений при сварке алюминиевых сплавов показано на рисунке 5 [6]. Во время сварки металл, прилегающий к зоне плавления (сварной валик), нагревается, а зона термического влияния (ЗТВ) состоит из двух основных зон.Зона с более низкой температурой рядом с основным металлом подвергается воздействию диапазона температур, в котором могут возникать явления старения и износа. Зона с более высокой температурой обрабатывается путем солюбилизации, предполагая высокую скорость охлаждения, эффекты менее серьезны, поскольку микроструктура материала будет стареть естественным образом. Однако внутри ЗТВ появляется изотермическая зона, для которой полученная температура находится между двумя четко определенными температурами, то есть температурой искусственного старения сплава и температурой сольвуса.В результате происходит микроструктурная трансформация из-за термодинамической нестабильности выделений. Например, в случае сплава 6061-T6, чрезмерное старение в ЗТВ вызывается преобразованием выделений β » (игольчатой ​​формы) в выделения β ‘(формы стержня) в соответствии со следующей последовательностью выделения [ 7]:

αss → кластеры растворенных веществ → зоны GP → β » (игла) → β ‘(стержень) → β

Рис. 5.

Схематическое изображение изменений микроструктуры в термообрабатываемых алюминиевых сплавах во время процесса сварки плавлением а) термический цикл охлаждения от пиковой температуры; б) микроструктура сварного соединения при температуре окружающей среды [8].

На Рисунке 6 показаны термические циклы сварки для процесса газовой дуговой сварки (GMAW) сплава 6061-T6 (Al-Si-Mg) при различных условиях предварительного нагрева и их корреляция между кривой осаждения C. В этом смысле Myhr et al. [9] изучали эволюцию микроструктуры во время термического цикла охлаждения сварного шва в сплавах Al-Si-Mg (рис. 7). Они определили, что когда пиковая температура T _p приближается к 315 ° C в течение периода времени 10 с, микроструктура состоит из смеси крупнозернистых палочек β ‘и тонких игольчатых β’ ‘выделений. как показано на рис. 7b и c.Превращение β ’’ в β ’преципитатов происходит в большей степени с увеличением пиковых температур. При температуре T _p , равной 390 ° C, β ’является доминирующим микроструктурным компонентом, как показано на Фигуре 7d.

Рис. 6.

Корреляция между термическими циклами сварных швов в газовой дуговой сварке с тремя различными условиями предварительного нагрева и кривой осаждения C для алюминиевого сплава 6061-T6 [8].

Рис. 7.

Изображения микроструктур в светлом поле, наблюдаемые при ориентации оси зоны <100> Al после искусственного старения и моделирования Gleeble (серия 1), просвечивающая электронная микроскопия, (а) игольчатые β » преципитаты, образующиеся после искусственного старения, (b) смесь крупных стержневидных β´частиц и тонких игольчатых выделений β´´, которые образуются после последующего термоциклирования до Tp = 315 ° C (время выдержки 10 с), (c) крупный план тех же выделений. в (b) выше, и (d) крупные стержневидные β ‘частицы, которые образуются после термоциклирования до Tp = 390 ° C (время выдержки 10 с) [9].

Помимо микроструктурных преобразований, после сварки также могут возникать пористость и ликвационные трещины, которые напрямую влияют на механическое поведение сварных соединений.

Пористость сварных швов алюминиевых сплавов очень сложно контролировать из-за высокой диффузии водорода в жидком алюминии (рис. 8), взаимодействия с окружающей средой и высокой скорости затвердевания.

Рис. 8.

Растворимость водорода в алюминии [10].

Когда выполняется процесс сварки плавлением алюминия, диффузия водорода в расплавленном металле может достигать 1.00 см ³ / г, это приводит к образованию пузырьков газа. Если мы рассмотрим образование пузырьков в жидком металле, схематически представленное на рисунке 9, пузырь начинает подниматься, когда поверхностное натяжение преодолевается выталкивающей силой, которая стремится подтолкнуть пузырь к свободной поверхности.

Рисунок 9.

Рост пузырьков газа из-за диффузии в жидкой фазе.

Критический радиус r _c для отделения пузырька от границы раздела твердое тело-жидкость можно определить с помощью следующего выражения [11]:

rc = 7.5 × 10−4κ [2σ * g (ρl − ρg)] 1 / 2E5

, где κ — угол отрыва пузырька, σ * — межфазная энергия между жидкостью и газом (~ 1 Джм ^-2 для большинства газ-металл), г постоянная сила тяжести и ρ _л -ρ _г разница между плотностями жидкости и газа. Учитывая, что плотности жидкого алюминия и водорода при температуре плавления алюминия составляют приблизительно 2380 кгм ^-3 и 0,0256 кгм ^-3 , соответственно, и κ = 100 °, r _c составляет примерно 700 мкм. .Это означает, что пузырьки газа, образующиеся в процессе сварки, должны иметь размер более 700 мкм, чтобы преодолеть поверхностное натяжение границы раздела твердое тело-жидкость. Кроме того, требуется низкая скорость затвердевания, чтобы позволить пузырькам газа слиться и достичь этого критического значения. Однако в реальной ситуации тепловой цикл охлаждения зоны плавления при сварке очень быстрый, как показано в [8] (рисунок 10), и образование пористости присутствует, как показано на рисунке 11.

Рисунок 10.

Профиль температуры, измеренной в сварочной ванне сварного шва GMAW из алюминиевого сплава 6061-T6 [8].

Рис. 11.

Пористость сварочной ванны на алюминиевом сплаве 6061-T6, сваренном методом GMAW.

Смазка сварных швов алюминиевых сплавов может происходить в зоне частичного плавления (ПМЗ). PMZ — это область за пределами зоны плавления, где происходит ликвация границ зерен во время сварки. На рисунке 12 показана часть PMZ в GMAW алюминия 6061-T6, изготовленного с присадочным металлом с высоким содержанием кремния (ER4043).

Рис. 12.

Микроструктура алюминия 6061-T6, сваренного методом GMAW с присадочным металлом ER4043, демонстрирующая PMZ и ликвацию границ зерен.

Явление ликвации происходит вдоль границы зерен, хотя оно может проявляться внутри зерен. Когда присутствует ликвация, по границе зерен может происходить растрескивание из-за деформаций растяжения, возникающих во время сварки. Состав металла сварного шва определяется составом основного металла и присадочного металла, а также степенью разбавления. Коэффициент разбавления связан с количеством присадочного металла, разбавленного основным металлом для образования металла шва. Метцгер [12] наблюдал ликвационное растрескивание при полном проплавлении, газо-вольфрамовую дуговую сварку (GTAW) на сплаве 6061, сделанном с присадочным металлом Al-Mg при высоких степенях разбавления, но не в аналогичных сварных швах, выполненных с присадочными металлами Al-Si при любом коэффициенте разбавления .Хуанг и др. [13] провели исследования ликвационного растрескивания в ПМЗ сварных швов с полным проплавлением сплава 6061. Они обнаружили, что ликвационное растрескивание происходит в сварных швах GMAW при использовании присадочного металла ER5356 (Al-Mg), но не при использовании ER4043 (Al-Si).

2. Механическое поведение сварных швов алюминиевых сплавов

2.1. Вдавливание

Твердость материала представляет собой сопротивление пластической деформации вдавливанием. Число твердости H дается соотношением между приложенной нагрузкой P и репрезентативной площадью A остаточного вдавливания:

Для обычного вдавливания число твердости по Виккерсу HV с использованием пирамидального квадратный индентор рассчитывается с учетом истинной площади контакта.Отношение HV определяется по формуле:

, где иногда HV выражается в МПа, если P задается в Н, а d — диагональ отступа в мм. Но обычно HV указывается в виде числа и используемых условий нагрузки.

Что касается инструментальных испытаний на вдавливание (IIT), которые позволяют построить график зависимости нагрузки от глубины, при вычислении числа твердости можно использовать максимальное расстояние (максимальная глубина вдавливания h h _м , достигнутая индентора во время испытания на вдавливание) или глубину контакта, которая является глубиной вдавливания h h _c , с учетом деформации отпечатка под нагрузкой и рассчитанной с использованием метода Олив и Фарра [14].

Классическое индентирование использовалось для определения эволюции твердости в сварных швах из алюминиевых сплавов с дисперсионным твердением [8, 15, 16]. Амбриз и др. [8] определили профили микротвердости по Виккерсу и картирование сварных швов алюминиевого сплава 6061-T6 (рис. 13).

Рис. 13.

a) Профиль твердости по Виккерсу, определенный с 1 Н приложенной нагрузки по всему сварному соединению, и б) Карта твердости по Виккерсу по сварному соединению [8].

Наблюдалась значительная разница в твердости металла шва и ЗТВ по сравнению с основным материалом.Это указывает на то, что механические свойства после сварки будут другими. Следует отметить образование мягкой зоны с обеих сторон сварного шва, снижение твердости в мягкой зоне составляет около 43% по отношению к основному материалу. Эта характеристика является результатом термодинамической нестабильности игольчатых выделений β ’’ (твердых и мелких выделений), вызванной высокими температурами, достигнутыми во время процесса сварки. Действительно, температуры, достигнутые в процессе сварки, благоприятны для преобразования β ’фазы, имеющей форму стержня в соответствии с диаграммой превращения для сплава 6061 (Рисунок 6).

Учитывая неоднородность твердости сварных соединений, приборные испытания на вдавливание (ИИТ) были проведены в основном металле, металле шва и в ЗТВ (мягкая зона). На рисунке 14 показано изменение приложенной нагрузки в зависимости от глубины вдавливания для сварных швов алюминиевых сплавов 6061-T6 и 7075-T651.

Рис. 14.

Кривые зависимости нагрузки от глубины для a) алюминиевого сплава 6061-T6 (приложенная нагрузка 1 Н) и b) алюминиевого сплава 7075-T651 (приложенная нагрузка 0,1 Н).

Кроме того, с помощью инструментальных испытаний на вдавливание можно рассчитать модуль упругости, который вычисляется по обратной кривой разгрузки (1/ S ) как функцию обратной величины глубины контактного вдавливания (1/ ч. _c ) (уравнение 6).

(dhdP) = Cf + π24,5⋅12 (β⋅γ) ⋅ER⋅1hcE8

, где (dhdP) — величина, обратная жесткости контакта, C _f податливость рамы инструмента для вдавливания, геометрический фактор β, введенный в модель Оливера и Фарра [14] для учета формы индентора, и коэффициент γ, введенный Hay et al. [17] в модели Оливера и Фарра для учета приближения в контактном анализе Герца и E _R приведенного модуля.

Для расчета E _R необходимо определить поправочный коэффициент согласно Hay et al. [17]. Этот коэффициент зависит только от коэффициента Пуассона, тогда, учитывая постоянное значение ν _м = 0,3 для любой области сварного соединения (основной материал, металл шва и ЗТВ), получаем значение 1,067. для γ. В этом состоянии наклон связан только с приведенным модулем на 0,1653 / E _R .Учитывая 1140 ГПа и 0,07 для модуля упругости и коэффициента Пуассона для материала индентора, соответственно, можно определить модуль упругости различных зон сварных соединений (таблица II) с помощью следующего уравнения:

ER = (1 − νm2Em + 1 − νi2Ei) −1E9

где e E _m и ν _m — модуль упругости и коэффициент Пуассона материала, а E _i и ν _i модуль упругости и коэффициент Пуассона индентора соответственно.

Кроме того, предел текучести σ _y и показатель упрочнения n могут быть получены путем испытаний на вдавливание (Таблица II), как было предложено Амбризом и др. [18] с помощью следующего выражения:

P = P0 + 26.43σy {23 + 12 (13Eσycot (λ)) n + 23n [(13Eσycot (λ) n) −1]} h3E10

, где P — приложенная нагрузка вдавливания, P ₀ нагрузка сдвига вдавливания, E Модуль упругости , истинная глубина вдавливания в материал h .

Инструментальный тест на вдавливание позволяет определить свойства, указанные в таблице II. Значения предела текучести, определенные инструментальным вдавливанием, аналогичны значениям, полученным при испытании на микротягу (Рисунок 16). Это означает, что можно охарактеризовать локальную зону в свариваемом материале с помощью инструментального вдавливания, где это невозможно с помощью общего испытания (испытания на растяжение).

	Предел текучести (МПа)
Сплав	Состояние после отжига (O)	Состояние с искусственным старением 49
2014	97	417	320
6061	55	276	221
7075	103

9015

Материал	EIIT (ГПа)	σy (МПа)	n	P0 (N)	98.6	266	0,46	0,015
Наплавленный металл	78,0	133	0,48	0,022
HAZ
9019 106 9015 2. Механические свойства, полученные в результате инструментального испытания на вдавливание сварных швов из алюминиевого сплава 6061-T6 [18]. С другой стороны, модуль упругости, полученный инструментальным вдавливанием, не соответствует значениям, полученным при испытаниях на растяжение или сжатие для алюминиевых сплавов (68-72 ГПа), и невозможно установить четкую разницу между металлом шва и ЗТВ.Фактически, в недавнем исследовании Chicot et al. В [19] установлено, что модуль упругости, полученный инструментальным вдавливанием, соответствует модулю объемного сжатия. Это объяснялось тем, что в случае вдавливания упругая и пластическая деформация является трехосной, тогда как при испытании на растяжение деформация, используемая для определения модуля упругости, является одноосной. 2.2. Свойства при растяжении Как можно заключить из испытания на вдавливание (рис. 13), механические свойства при растяжении сварных швов из алюминиевых сплавов, упрочненных осадками, неоднородны вдоль сварного соединения.Изучены свойства при растяжении сварных швов, полученных несколькими способами сварки этих сплавов. Например, В. Малин [15] исследовал связь между термическими циклами сварного шва и микроструктурным преобразованием с характеристиками растяжения сплава 6061-Т6, сваренного методом GMAW. В ходе их исследования образцы для испытаний на растяжение были взяты из сварного соединения, как показано на рисунке 15. Это означает, что во время испытания на растяжение учитывался общий структурный эффект. Рис. 15. (a) Влияние твердости на место разрушения HAZ в образце для растяжения 6061-T6 [15], и b) образец на растяжение, показывающий зону разрушения на алюминиевом сплаве 6061-T6. Зона разрушения после испытания на растяжение была локализована в ЗТВ (мягкая зона), где твердость сварного соединения минимальна, этот результат согласуется с Амбризом и др. [20]. Учитывая эволюцию профиля твердости, истинные кривые напряжения-деформации в металле шва и HAZ (мягкая зона) сварных швов из сплава 6061-T6 были определены с помощью испытания на микротягу [18]. Индивидуальное поведение представлено на Рисунке 16, а также его соответствующее сравнение с основным металлом. Рисунок 16. Истинные кривые «напряжение-деформация» для сплава 6061-T6, металла шва и ЗТВ. ЗТВ демонстрирует снижение прочности на растяжение по сравнению с основным металлом и металлом сварного шва примерно на 41 и 19% соответственно. Этот аспект был связан с явлением чрезмерного старения и объясняется с точки зрения трансформации микроструктуры (Рисунок 5) и последовательности выпадения осадков. Хотя металл сварного шва показывает более высокий предел прочности на разрыв, чем ЗТВ, для металла шва наблюдается более низкая пластичность. Эта характеристика объясняется образованием пористости во время затвердевания и высоким содержанием кремния в присадочном металле (ER4043), который при смешивании с расплавленным основным металлом приводит к микроструктуре эвтектического кремния, который является хрупкой фазой, которая отрицательно влияет на механические свойства при растяжении сварного соединения.Сводка механических свойств при растяжении сварных швов из алюминиевых сплавов 6061-T6 и 7075-T651 представлена ​​в таблице III. (МПа) 550 905 Материал E (МПа) a σy (МПа) ε (%) c H (МПа) d n d 6061-T6 68 279 14.0 408 0,08 6061-T6 (металл сварного шва, ER4043) 68 151 226 4,00 464 0.2014 ) 68 120 183 13,0 300 0,16 7075-T651 72 530 568 9015 8,00 T651 (сварное соединение, ER5356) 68 165 260 2.80 677 0,25 Таблица 3. Механические свойства при растяжении сварных швов алюминиевых сплавов 6061-T6 и 7075-T651 (GMAW). a Наилучшее линейное соответствие из кривых среднего напряжения-деформации; b Получено из σ = PA0; c , полученное из ε = lf-l0l, d , полученное с помощью уравнения Рамбера-Осгуда. 2.3. Усталость сварных швов из алюминиевых сплавов Усталостное или усталостное повреждение — это последовательное изменение свойств материалов по отношению к приложению циклического напряжения, которое может привести к разрушению.В условиях одноосного циклического нагружения можно выделить соотношение напряжений R , определяемое максимальным и минимальным напряжением, следующим образом: Как функция σ max и σ min , мы можем получить постоянную составляющую напряжения (амплитудное напряжение σ a ) и среднее значение напряжения (среднее напряжение σ м ) при различных условиях нагружения (Рисунок 17). В некоторых практических приложениях используются циклические нагрузки с постоянной амплитудой, но обычно встречаются нерегулярные нагрузки как функция времени. В этом случае мы обсудим некоторые результаты в терминах нагрузки постоянной амплитуды. Простейшее испытание на усталость состоит в том, чтобы подвергнуть образец циклической нагрузке (различные уровни амплитуды напряжения σ a ) с постоянной частотой и измерить количество циклов до разрушения N f .Представление уровня напряжения как функции N f дает кривую S — N или кривую Велера. Схематическое изображение кривой Велера показано на рисунке 18. Рисунок 17. Выталкивающее нагружение при одноосной усталости, а) полностью обращенное напряжение (σm = 0), б) асимметричное повторяющееся напряжение (σm ≠ 0) и в ) от нуля до напряжения растяжения (σmin = 0). Рис. 18. Изображение кривой Велера и различных областей усталости [21]. На Рисунке 18 можно выделить различные области: (i) Малоцикловая усталость. В этом случае к образцу прилагается высокий уровень напряжения (обычно выше предела текучести материала). Из-за высокой деформации во время испытания количество циклов до разрушения обычно меньше (от 10 2 до 10 4 ). (ii) Высокая циклическая усталость. Это связано с упругим поведением образца на макроуровне, то есть уровень напряжения не превышает предел текучести материала.Отказ ожидается при большом количестве циклов, например более 10 5 . Фактически, граница между мало- и многоцикловой усталостью четко не определяется конкретным числом циклов. Наиболее важным отличием является то, что низкая циклическая усталость связана с макропластической деформацией при каждом цикле нагружения. Когда применяется уровень напряжения при многоцикловой усталости, отображается предел усталости или предел выносливости, который представлен асимптотой на кривой Велера. В некоторых металлических материалах это может быть получено при количестве циклов порядка от 10 6 до 10 7 .(iii) Гигацикл усталости. Эта область соответствует очень большому количеству циклов, и было замечено, что предел выносливости имеет тенденцию уменьшаться, когда количество циклов увеличивается. Хорошо известно, что усталостное повреждение является поверхностным явлением, на что указывает Форсайт [22], который определил наличие рельефов, связанных с образованием полос локализационной деформации, названных стойкими полосами. Топография поверхности определяется образованием интрузий и выдавливаний, как схематично показано на Рисунке 19. Рис. 19. Формирование внедрений и выдавливаний на свободной поверхности из-за переменного скольжения, зарождения микротрещин и образования основных трещин из микротрещин [21]. При испытании на одноосное растяжение эти полосы приводят к образованию микротрещин (состояние I на рис. 19), которые ориентированы под углом 45 градусов по отношению к оси тяги. Эти полосы влияют только на определенные зерна. Устойчивая ориентация полос и образование трещин в состоянии I важны в случае одноосного и многоосного нагружения.Браун и Миллер [23, 24] ввели полезные обозначения в многоосном нагружении для фасетов A и B, которые схематически изображены на рисунке 20. Рисунок 20. Направленный аспект усталостного повреждения. Важность ориентации поля напряжений относительно поверхности планов и свободной поверхности материала (зон штриховки) [23, 24]. Фасеты типа B обеспечивают вектор сдвига, который входит в материал, и они более опасны, чем фасеты типа A, от которых вектор сдвига касается свободной поверхности образца.Образование внедрений и выдавливаний, связанных с устойчивыми к скольжению полосами, а также микропространство трещин в состоянии I представляют интерес на расстоянии от размера зерна (небольшие усталостные трещины). Таким образом, с учетом того, что микротрещины связаны с кристаллографическим аспектом, как только трещина встречает первую границу зерна, она начинает раздваиваться в соответствии с состоянием II, и достигается распространение в перпендикулярном направлении главного напряжения. В дополнение к механизму усталостного разрушения, упомянутому ранее, в случае сварки особое значение имеет коэффициент концентрации напряжений, обусловленный геометрией сварного валика.В этом смысле Амбриз и др. В [20] было количественно оценено влияние сварочного профиля, созданного методом модифицированной непрямой электрической дуги (MIEA), на усталостную долговечность алюминиевого сплава 6061-T6. Чтобы определить коэффициент концентрации напряжений K t в сварных швах MIEA, был измерен характерный профиль сварки, как показано на рисунке 21. Рисунок 21. Точки концентрации напряжений в сварных швах MIEA и их соответствующие размеры. α = угол, образованный усилением сварного шва пластинами, r = радиус надреза, t = высота усиления сварного шва, w = ширина сварочного профиля и h = толщина пластин. Затем было проведено испытание на одноосную усталость с циклическим нагружением с синусоидальной формой волны на частоте 35 Гц и соотношении нагрузки R = 0,1 в атмосферном воздухе при комнатной температуре. Предел выносливости (77 МПа) был рассчитан с использованием метода Локати, а кривая Велера (рисунок 22) была построена между 77 и 110 МПа. Рис. 22. Кривая Велера для сварных швов алюминиевого сплава 6061-T6, выполненная MIEA, и данные из литературы [25] для соединения с одной V-образной канавкой. На рисунке 22 показано максимальное напряжение σ max в зависимости от количества циклов до разрушения N f , полученное в результате испытания на усталость сварных соединений.Результаты экспериментов были подогнаны согласно следующему выражению: , где A и b — экспериментальные значения, определенные с помощью аппроксимирующей кривой. Что касается геометрии сварочного профиля, сравнение усталостных характеристик сварных швов MIEA с результатами, приведенными в литературе [25] для конфигурации с одним V-образным соединением для того же алюминиевого сплава, показывает значительное улучшение усталостной долговечности для MIEA. сварные образцы. Влияние K t на зарождение трещины и разрушение показано на рисунке 23. Рис. 23. Типичный макрос усталостного разрушения сварных швов MIEA. Учитывая, что, если условия нагружения способствуют образованию основной трещины (Рисунок 19), она будет расти в соответствии с областью степенного закона, как схематически показано на Рисунке 24. Рисунок 24. Режимы роста усталостной трещины как функция ΔK. Скорость роста усталостной трещины d a / d N в зависимости от диапазона коэффициента интенсивности напряжений Δ K в различных зонах сварного соединения (основной металл, металл шва и ЗТВ) изучалась ранее [26 , 27].Результаты были проведены на образцах компактного типа (КТ) с применением постоянной амплитудной циклической нагрузки с синусоидальной формой волны на частоте 20 Гц, коэффициентом нагрузки R 0,1 и диапазоном нагрузок 2,5 кН в атмосферном воздухе при комнатной температуре. . Δ K был вычислен с помощью следующего уравнения: ΔK = ΔP (2 + aW) BW1 / 2 (1 − aW) 3/2 [0,886 + 4,64aW − 13,32 (aW) 2 + 14,72 (aW) 3−5.6 (aW) 4] E13 , где a — длина трещины в образце (начальная трещина 8 мм), W — ширина распространения трещины и B — толщина образца (5 мм в данном случае). Учитывая область устойчивого роста трещины, показанную на рисунке 24, экспериментальные результаты для a были нанесены на графики d a / d N в зависимости от Δ K согласно следующему выражению: где C и м — константы, полученные из аппроксимирующей кривой. В таблице IV приведены наиболее подходящие значения для C и м и их коэффициент корреляции. Материал C м R2 6061-T6 (подвижный) 5.00 × 10 -7 2.426 0,89 6061-T6 (поперечный) 3,97 × 10 -8 3,320 0,97 Сварной -14 8,550 0,92 HAZ 3,77 × 10 -9 6,650 0,89 Таблица 4. Подгоночные константы, полученные из экспериментальных значений 27 ]. На рис. 25 показан рост усталостной трещины основного металла (6061-T6) при прокатке и поперек направления прокатки. Рис. 25. Скорость роста усталостной трещины в зависимости от ΔK: a) основной металл 6061-T6, b) металл шва и c) HAZ. Этот график показывает, что микроструктурные характеристики (анизотропия) не оказывают существенного влияния на рост усталостной трещины, как можно было бы ожидать, учитывая, что предел текучести в направлении прокатки выше, чем в поперечном направлении.Однако это не относится к металлу сварного шва и ЗТВ (рисунки 25b и c), в которых трещина имеет тенденцию распространяться быстрее, чем в основном металле. В случае металла шва (рис. 25b) более высокая скорость роста трещины по сравнению с основным металлом связана с низкой ударной вязкостью из-за высокого содержания кремния (~ 5,5 мас.%), Обеспечиваемого присадочным металлом во время сварки. Аналогичным образом, для HAZ можно наблюдать, что трещины растут быстрее, чем основной металл, аспект, который объясняется микроструктурным преобразованием тонких игольчатых выделений β ’’ в выделения крупнозернистой формы брусков β ’, образованных тепловым эффектом. Как и почему добавляются легирующие элементы в алюминий Q — Мне сообщили, что чистый алюминий обычно не используется в конструкционных целях и что для производства алюминия, обладающего достаточной прочностью для изготовления конструкционных компонентов, необходимо добавить к алюминию другие элементы. Какие элементы добавляют в эти алюминиевые сплавы? Как они влияют на характеристики материала? И в каких приложениях используются эти сплавы? A — Полученная вами информация в основном верна.Было бы очень необычно найти чистый алюминий (серия сплавов 1ххх), выбранный для изготовления конструкций из-за его прочностных характеристик. Хотя серия 1xxx представляет собой почти чистый алюминий, они будут реагировать на деформационное упрочнение, особенно если они содержат значительное количество примесей, таких как железо и кремний. Однако даже в состоянии деформационного упрочнения сплавы серии 1ххх имеют очень низкую прочность по сравнению с другими сериями алюминиевых сплавов. Когда сплавы серии 1xxx выбираются для применения в конструкции, их чаще всего выбирают из-за их превосходной коррозионной стойкости и / или их высокой электропроводности.Чаще всего сплавы серии 1xxx применяются в алюминиевой фольге, шинах электрических шин, металлизации проволоки, резервуарах для химикатов и системах трубопроводов. Добавление легирующих элементов в алюминий является основным методом, используемым для производства ряда различных материалов, которые могут использоваться в широком спектре конструкционных приложений. Если мы рассмотрим семь обозначенных серий алюминиевых сплавов, используемых для деформируемых сплавов, мы можем сразу определить основные легирующие элементы, используемые для производства каждой из серий сплавов.Затем мы можем пойти дальше и изучить влияние каждого из этих элементов на алюминий. Я также добавил некоторые другие часто используемые элементы и их влияние на алюминий. Серия Первичный легирующий элемент 1xxx Алюминий — 99,00% или больше 2xxx Медь 3xxx Марганец 4xxx Кремний 5xxx Магний 6xxx Магний и кремний 7xxx Цинк Основные эффекты легирующих элементов в алюминии следующие: Медь (Cu) 2xxx — Алюминиево-медные сплавы обычно содержат от 2 до 10% меди с небольшими добавками других элементов.Медь обеспечивает значительное увеличение прочности и способствует дисперсионному твердению. Введение меди в алюминий также может снизить пластичность и коррозионную стойкость. Повышена склонность к растрескиванию при затвердевании алюминиево-медных сплавов; следовательно, некоторые из этих сплавов могут быть наиболее сложными для сварки алюминиевыми сплавами. Эти сплавы включают одни из самых прочных, термически обрабатываемых алюминиевых сплавов. Чаще всего сплавы серии 2xxx применяются в аэрокосмической, военной технике и ракетных плавниках. Марганец (Mn) 3xxx — Добавление марганца к алюминию несколько увеличивает прочность за счет упрочнения раствора и улучшает деформационное упрочнение, не снижая заметно пластичность или коррозионную стойкость. Это материалы средней прочности, не поддающиеся термической обработке, которые сохраняют прочность при повышенных температурах и редко используются в основных конструкционных приложениях. Чаще всего сплавы серии 3ххх применяются в кухонной утвари, радиаторах, конденсаторах кондиционеров, испарителях, теплообменниках и связанных с ними системах трубопроводов. Кремний (Si) 4xxx — Добавление кремния к алюминию снижает температуру плавления и улучшает текучесть. Сам по себе кремний в алюминии дает сплав, не поддающийся термической обработке; однако в сочетании с магнием он дает дисперсионно-твердеющий термообработанный сплав. Следовательно, в серии 4xxx есть как термически обрабатываемые, так и не подлежащие термической обработке сплавы. Добавки кремния к алюминию обычно используются для изготовления отливок. Чаще всего сплавы серии 4ххх применяются для присадочной проволоки для сварки плавлением и пайки алюминия. Магний (Mg) 5xxx — Добавление магния к алюминию увеличивает прочность за счет упрочнения твердого раствора и улучшает их способность к деформационному упрочнению. Эти сплавы являются самыми прочными алюминиевыми сплавами, не поддающимися термической обработке, и поэтому широко используются в конструкциях. Сплавы серии 5ххх производятся в основном в виде листов и пластин и лишь иногда в виде прессованных изделий. Причина этого в том, что эти сплавы быстро затвердевают при деформации и, следовательно, их трудно и дорого экструдировать.Некоторые распространенные области применения сплавов серии 5xxx — это кузова грузовиков и поездов, здания, бронетранспортеры, кораблестроение, танкеры-химовозы, сосуды под давлением и криогенные резервуары. Магний и кремний (Mg 2 Si) 6xxx — Добавление магния и кремния к алюминию дает соединение силицид магния (Mg 2 Si). Образование этого соединения обеспечивает серию 6xxx их термообрабатываемость. Сплавы серии 6xxx легко и экономично экструдируются, и по этой причине их чаще всего можно найти в широком ассортименте экструдированных форм.Эти сплавы образуют важную дополнительную систему со сплавом серии 5ххх. Сплав серии 5ххх, используемый в форме пластины, и сплав 6ххх часто присоединяются к пластине в экструдированной форме. Некоторые из распространенных применений сплавов серии 6xxx — поручни, приводные валы, секции автомобильных рам, велосипедные рамы, трубчатая мебель для газонов, строительные леса, ребра жесткости и распорки, используемые на грузовиках, лодках и многих других конструкционных изделиях. Цинк (Zn) 7xxx — Добавление цинка к алюминию (в сочетании с некоторыми другими элементами, в первую очередь магнием и / или медью) позволяет получать термически обрабатываемые алюминиевые сплавы с высочайшей прочностью.Цинк значительно увеличивает прочность и способствует дисперсионному твердению. Некоторые из этих сплавов могут быть подвержены коррозионному растрескиванию под напряжением и по этой причине обычно не свариваются плавлением. Другие сплавы этой серии часто свариваются плавлением с отличными результатами. Некоторые из обычных применений сплавов серии 7xxx — аэрокосмическая промышленность, бронетехника, бейсбольные биты и велосипедные рамы. Железо (Fe) — Железо является наиболее распространенной примесью, обнаруживаемой в алюминии, и специально добавляется в некоторые чистые сплавы (серия 1ххх), чтобы обеспечить небольшое увеличение прочности. Хром (Cr) — Хром добавляется в алюминий для контроля структуры зерна, предотвращения роста зерна в алюминиево-магниевых сплавах и предотвращения перекристаллизации в сплавах алюминий-магний-кремний или алюминий-магний-цинк во время термообработки. Хром также снижает подверженность коррозии под напряжением и повышает ударную вязкость. Никель (Ni) — Никель добавляется в сплавы алюминия с медью и алюминия с кремнием для повышения твердости и прочности при повышенных температурах и для снижения коэффициента расширения. Титан (Ti) — Титан добавляют в алюминий в основном в качестве измельчителя зерна. Эффект измельчения зерна титана усиливается, если бор присутствует в расплаве или если он добавляется в виде лигатуры, содержащей бор, в значительной степени объединенный в TiB 2 . Титан часто добавляют в присадочную проволоку из алюминия, поскольку он улучшает структуру сварного шва и помогает предотвратить растрескивание сварного шва. Цирконий (Zr) — Цирконий добавляется к алюминию для образования мелкодисперсного осадка из интерматаллических частиц, препятствующих перекристаллизации. Литий (Li) — Добавление лития к алюминию может значительно повысить прочность и, модуль Юнга, обеспечить дисперсионное твердение и снизить плотность. Свинец (Pb) и висмут (Bi) — Свинец и висмут добавляются в алюминий для облегчения стружкообразования и улучшения обрабатываемости. Эти легко обрабатываемые сплавы часто не поддаются сварке, поскольку свинец и висмут образуют легкоплавкие компоненты и могут давать плохие механические свойства и / или высокую чувствительность к образованию трещин при затвердевании. Резюме: Сегодня в промышленности используется много алюминиевых сплавов — более 400 деформируемых сплавов и более 200 литейных сплавов в настоящее время зарегистрированы в Алюминиевой ассоциации. Безусловно, одним из наиболее важных факторов, которые необходимо учитывать при сварке алюминия, является определение типа свариваемого сплава на основе алюминия. Если тип основного материала свариваемого компонента недоступен из надежного источника, выбор подходящей процедуры сварки может оказаться затруднительным.Есть несколько общих рекомендаций относительно наиболее вероятного типа алюминия, используемого в различных областях, таких как упомянутые выше. Однако очень важно знать, что неверные предположения относительно химического состава алюминиевого сплава могут привести к очень серьезным последствиям для характеристик сварного шва. Настоятельно рекомендуется произвести точную идентификацию типа алюминия, а также разработать и протестировать процедуры сварки для проверки характеристик сварки. Как и почему в алюминий добавляют легирующие элементы Как и зачем добавляют легирующие элементы в алюминий Q: Мне сообщили, что чистый алюминий обычно не используется в конструкциях и что для производства алюминия, обладающего достаточной прочностью для изготовления конструктивных компонентов, необходимо добавить к нему другие элементы.Какие элементы добавляют в эти алюминиевые сплавы? Как они влияют на характеристики материала? И в каких приложениях используются эти сплавы? A: Полученная вами информация в основном верна. Было бы очень необычно найти чистый алюминий (серия сплавов 1ххх), выбранный для изготовления конструкций из-за его прочностных характеристик. Хотя серия 1xxx представляет собой почти чистый алюминий, они будут реагировать на деформационное упрочнение, особенно если они содержат значительное количество примесей, таких как железо и кремний.Однако даже в состоянии деформационного упрочнения сплавы серии 1ххх имеют очень низкую прочность по сравнению с другими сериями алюминиевых сплавов. Когда сплавы серии 1xxx выбираются для применения в конструкции, их чаще всего выбирают из-за их превосходной коррозионной стойкости и / или их высокой электропроводности. Чаще всего сплавы серии 1xxx применяются в алюминиевой фольге, шинах электрических шин, металлизации проволоки, резервуарах для химикатов и системах трубопроводов. Добавление легирующих элементов в алюминий является основным методом, используемым для производства ряда различных материалов, которые могут использоваться в широком спектре конструкционных приложений. Если мы рассмотрим семь обозначенных серий алюминиевых сплавов, используемых для деформируемых сплавов, мы можем сразу определить основные легирующие элементы, используемые для производства каждой из серий сплавов. Затем мы можем пойти дальше и изучить влияние каждого из этих элементов на алюминий. Я также добавил некоторые другие часто используемые элементы и их влияние на алюминий. Элемент первичного легирования серии 1xxx Алюминий — 99,00% или больше 2xxx Медь 3xxx Марганец 4xxx Кремний 5xxx Магний 6xxx Магний и кремний 7xxx Цинк Основные эффекты легирующих элементов в алюминии следующие: Медь (Cu) 2xxx — Алюминиево-медные сплавы обычно содержат от 2 до 10% меди с небольшими добавками других элементов.Медь обеспечивает значительное увеличение прочности и способствует дисперсионному твердению. Введение меди в алюминий также может снизить пластичность и коррозионную стойкость. Повышена склонность к растрескиванию при затвердевании алюминиево-медных сплавов; следовательно, некоторые из этих сплавов могут быть наиболее сложными для сварки алюминиевыми сплавами. Эти сплавы включают одни из самых прочных, термически обрабатываемых алюминиевых сплавов. Чаще всего сплавы серии 2xxx применяются в аэрокосмической, военной технике и ракетных плавниках. Марганец (Mn) 3xxx — Добавление марганца к алюминию несколько увеличивает прочность за счет упрочнения раствора и улучшает деформационное упрочнение, не снижая при этом существенно пластичность или коррозионную стойкость. Это материалы средней прочности, не поддающиеся термической обработке, которые сохраняют прочность при повышенных температурах и редко используются в основных конструкционных приложениях. Чаще всего сплавы серии 3ххх применяются в кухонной утвари, радиаторах, конденсаторах кондиционеров, испарителях, теплообменниках и связанных с ними системах трубопроводов. Кремний (Si) 4xxx — Добавление кремния к алюминию снижает температуру плавления и улучшает текучесть. Сам по себе кремний в алюминии дает сплав, не поддающийся термической обработке; однако в сочетании с магнием он дает дисперсионно-твердеющий термообработанный сплав. Следовательно, в серии 4xxx есть как термически обрабатываемые, так и не подлежащие термической обработке сплавы. Добавки кремния к алюминию обычно используются для изготовления отливок. Чаще всего сплавы серии 4ххх применяются для присадочной проволоки для сварки плавлением и пайки алюминия. Магний (Mg) 5xxx — Добавление магния к алюминию увеличивает прочность за счет упрочнения твердого раствора и улучшает их способность к деформационному упрочнению. Эти сплавы являются самыми прочными алюминиевыми сплавами, не поддающимися термической обработке, и поэтому широко используются в конструкциях. Сплавы серии 5ххх производятся в основном в виде листов и пластин и лишь иногда в виде прессованных изделий. Причина этого в том, что эти сплавы быстро затвердевают при деформации и, следовательно, их трудно и дорого экструдировать.Некоторые распространенные области применения сплавов серии 5xxx — это кузова грузовиков и поездов, здания, бронетранспортеры, кораблестроение, танкеры-химовозы, сосуды под давлением и криогенные резервуары. Магний и кремний (Mg2Si) 6xxx — Добавление магния и кремния к алюминию дает соединение силицид магния (Mg2Si). Образование этого соединения обеспечивает серию 6xxx их термообрабатываемость. Сплавы серии 6xxx легко и экономично экструдируются, и по этой причине их чаще всего можно найти в широком ассортименте экструдированных форм.Эти сплавы образуют важную дополнительную систему со сплавом серии 5ххх. Сплав серии 5ххх, используемый в форме пластины, и сплав 6ххх часто присоединяются к пластине в экструдированной форме. Некоторые из распространенных применений сплавов серии 6xxx — поручни, приводные валы, секции автомобильных рам, велосипедные рамы, трубчатая мебель для газонов, строительные леса, ребра жесткости и распорки, используемые на грузовиках, лодках и многих других конструкционных изделиях. Цинк (Zn) 7xxx — Добавление цинка к алюминию (в сочетании с некоторыми другими элементами, в первую очередь с магнием и / или медью) позволяет получать термически обрабатываемые алюминиевые сплавы высочайшей прочности.Цинк значительно увеличивает прочность и способствует дисперсионному твердению. Некоторые из этих сплавов могут быть подвержены коррозионному растрескиванию под напряжением и по этой причине обычно не свариваются плавлением. Другие сплавы этой серии часто свариваются плавлением с отличными результатами. Некоторые из обычных применений сплавов серии 7xxx — аэрокосмическая промышленность, бронетехника, бейсбольные биты и велосипедные рамы. Железо (Fe) — Железо является наиболее распространенной примесью алюминия и специально добавляется к некоторым чистым сплавам (серия 1ххх), чтобы обеспечить небольшое увеличение прочности. Хром (Cr) — Хром добавляется в алюминий для контроля структуры зерен, предотвращения роста зерен в алюминиево-магниевых сплавах и предотвращения перекристаллизации в сплавах алюминий-магний-кремний или алюминий-магний-цинк во время термообработки. Хром также снижает подверженность коррозии под напряжением и повышает ударную вязкость. Никель (Ni) — Никель добавляется в сплавы алюминия с медью и алюминия с кремнием для повышения твердости и прочности при повышенных температурах и для снижения коэффициента расширения. Титан (Ti) — Титан добавляют в алюминий в основном в качестве измельчителя зерна. Эффект измельчения зерна титана усиливается, если бор присутствует в расплаве или если он добавляется в виде лигатуры, содержащей бор, в значительной степени объединенный в виде TiB2. Титан часто добавляют в присадочную проволоку из алюминия, поскольку он улучшает структуру сварного шва и помогает предотвратить растрескивание сварного шва. Цирконий (Zr) — Цирконий добавляется к алюминию с образованием тонкого осадка из интерматаллических частиц, препятствующих перекристаллизации. Литий (Li) — Добавление лития к алюминию может значительно повысить прочность и, согласно модулю Юнга, обеспечить дисперсионное твердение и снизить плотность. Свинец (Pb) и висмут (Bi) — Свинец и висмут добавляются в алюминий для облегчения стружкообразования и улучшения обрабатываемости. Эти легко обрабатываемые сплавы часто не поддаются сварке, поскольку свинец и висмут образуют легкоплавкие компоненты и могут давать плохие механические свойства и / или высокую чувствительность к образованию трещин при затвердевании. Резюме: Сегодня в промышленности используется много алюминиевых сплавов — более 400 деформируемых сплавов и более 200 литейных сплавов в настоящее время зарегистрированы в Алюминиевой ассоциации. Безусловно, одним из наиболее важных факторов, которые необходимо учитывать при сварке алюминия, является определение типа свариваемого сплава на основе алюминия. Если тип основного материала свариваемого компонента недоступен из надежного источника, выбор подходящей процедуры сварки может оказаться затруднительным.Есть несколько общих рекомендаций относительно наиболее вероятного типа алюминия, используемого в различных областях, таких как упомянутые выше. Однако очень важно знать, что неверные предположения относительно химического состава алюминиевого сплава могут привести к очень серьезным последствиям для характеристик сварного шва. Настоятельно рекомендуется произвести точную идентификацию типа алюминия, а также разработать и протестировать процедуры сварки для проверки характеристик сварки. Best Pulse MIG Welder (ноябрь 2020 г.) — Обзоры и лучший выбор Учитывая необходимость покупки импульсного сварочного аппарата MIG: Покупка сварщика — всегда непростая задача. Вы не можете просто пойти и выбрать один из тысяч. Факторы, которые следует учитывать перед покупкой аппарата для импульсной сварки MIG, приведены ниже: Качество: Сварщики обычно имеют дело с грубым и стойким противником. Итак, у них должен быть такой калибр, чтобы оставаться сильными. Вам следует искать сварщиков крепкого телосложения, способных долго сражаться. Кроме того, они довольно дорогие, поэтому перед покупкой убедитесь, что он не сдастся и прослужит дольше. Иначе придется пару раз тратиться без повода. Установлены точные электрические розетки: Первое, на что вы должны серьезно отнестись перед покупкой импульсного сварочного аппарата MIG, — это электрические розетки. Существуют разные источники питания для разных типов сварщиков и работ. Таким образом, выбор правильного источника питания очень важен, поскольку только тогда, когда у вас будет установлена ​​идеальная электрическая розетка, сварочный аппарат будет работать бесперебойно без каких-либо сбоев. Удобно использовать: Выбирая аппарат для импульсной сварки MIG, вы должны быть уверены, что с ним легко работать, в противном случае вам придется страдать и сожалеть позже, используя его. Некоторые сварщики очень сложны в использовании этого метода. Итак, перед покупкой сварочного аппарата следует убедиться, что его система набора не слишком сложна, а его функции также можно регулировать. Чем более удобен сварщик, тем лучше будет результат. Рабочий цикл: Обращали ли вы внимание на рабочий цикл, когда забирали сварщика? Если нет, возможно, вам с ним не по себе. Чтобы сварка была безупречной, сварщик должен обладать достаточной прочностью. Если вы собираетесь купить сварочный аппарат для интенсивного использования, убедитесь, что рабочий цикл составляет не менее 60%, что означает, что он может работать без остановок в течение 6 минут. Новый процесс крупносерийного соединения расширяет использование алюминия в автомобилях Технология PNNL соединяет (белая линия) более толстый слой алюминия около дверной петли, где требуется дополнительная прочность, с более тонким калибром, используемым по всей остальной части дверной панели, что приводит к снижению веса на 62 процента.Предоставлено: TWB Company LLC. Исследователи продемонстрировали новый процесс расширенного использования легкого алюминия в легковых и грузовых автомобилях со скоростью, масштабом, качеством и постоянством, требуемыми автомобильной промышленностью. Этот процесс сокращает время производства и затраты, обеспечивая при этом прочные и легкие детали, например, дверь автомобиля, которая на 62% легче и на 25% дешевле, чем дверь, произведенная с использованием современных методов производства. В сотрудничестве с General Motors, Alcoa и TWB Company LLC исследователи из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики преобразовали технику соединения, называемую сваркой трением с перемешиванием или FSW.Теперь эту технику можно использовать для соединения алюминиевых листов разной толщины, что является ключевым фактором для производства легких автомобильных деталей, сохраняющих прочность там, где это наиболее необходимо. Процесс, разработанный PNNL, также в десять раз быстрее, чем современные методы FSW, представляя темпы производства, которые впервые соответствуют требованиям крупносерийной сборки. Об этом сообщается в майском выпуске JOM , журнала для членов Общества минералов, металлов и материалов. «Мы изучили барьеры, препятствующие использованию более легких сплавов в автомобилях, выбрали то, что, по нашему мнению, было главной проблемой, а затем сформировали команду, которая представляла всю цепочку поставок для ее решения», — сказал Юрий Хованский, менеджер программы в PNNL и ведущий автор.«В результате получился проверенный процесс, который преодолевает ограничения FSW по скорости, масштабу и качеству, которые ранее были показательными для автомобильной промышленности». Двухэтапный шестилетний проект финансируется Управлением энергоэффективности и возобновляемых источников энергии Министерства энергетики с участием партнеров натурой от каждой из участвующих компаний. Алюминий не выдерживает высокой температуры Для изготовления дверных коробок, капотов и других автомобильных деталей листы металла свариваются встык в «сваренную на заказ заготовку», которую затем разрезают на соответствующие размеры перед штамповкой для придания окончательной формы.Этот процесс допускает высокую степень настройки. Например, металл большей толщины можно использовать на одной стороне детали автомобиля, где требуется дополнительная прочность, соединить сварным швом с более тонкой толщиной на той стороне, где ее нет. Обычная лазерная сварка отлично подходит для соединения стали различной толщины, но может быть проблематичной при применении к алюминию из-за реакционной способности расплавленного алюминия по отношению к воздуху. Вместо этого производители сегодня должны создавать несколько компонентов из отдельных листов, которые затем склеиваются вместе после штамповки, что приводит к дополнительным этапам производства и большему количеству деталей, что увеличивает стоимость и вес. Исследователь PNNL Юрий Хованский описывает новый процесс соединения алюминия и отраслевое партнерство, которое позволило использовать его для массового производства автомобилей. «Уменьшение веса автомобиля на 10% может снизить расход топлива на 6-8%, поэтому автомобильная промышленность очень заинтересована в такой технологии сварки, как FSW, которая не наносит вреда алюминию», — сказал Ховански. Смешанное, не плавленое Аппарат для сварки трением с перемешиванием выглядит и действует как нечто среднее между сверлильным прессом и швейной машиной.Опускаемый на два металлических листа, расположенных бок о бок, «сверло» или, в данном случае, булавочный инструмент, вращается по обоим краям. При движении штифт создает трение, которое нагревает, смешивает и соединяет сплавы, не плавя их. Однако по производственным стандартам автомобильной промышленности этот процесс был слишком медленным — всего полметра сварного шва в минуту — вот почему эта технология использовалась только в нишевых приложениях, если вообще использовалась. Успех цепочки поставок Hovanski и его коллеги из PNNL сначала сравнили несколько методов соединения, прежде чем выбрать FSW, который был единственным, который соответствовал всем строгим требованиям GM к качеству сварки.Затем исследователи провели комплексную серию лабораторных сварочных испытаний алюминиевых листов, предоставленных Alcoa. Всего были созданы десятки уникальных конструкций инструментов с различной формой, длиной и диаметром штифта. Они оценивались по различным параметрам сварного шва, таким как глубина, скорость вращения и угол наклона инструмента. Путем статистического анализа команда определила оптимальное сочетание технических характеристик инструмента и параметров сварного шва, которое может неизменно соответствовать требованиям высокоскоростного производства. «То, что мы обнаружили, было беспроигрышным», — сказал Ованский. «Чем быстрее сварка, тем лучше качество и прочность соединения, что значительно увеличивает скорость». PNNL предоставила TWB Company и GM спецификации сварных швов и инструментов. Затем компания TWB самостоятельно сварила, сформировала и проанализировала более 100 алюминиевых заготовок в тесном сотрудничестве с GM, что сделало их первым квалифицированным поставщиком алюминиевых сварных заготовок на заказ. Впоследствии GM штамповал свою первую полноразмерную внутреннюю дверную панель, поставленную компанией TWB, без дефектов, из алюминиевых листов различной толщины. Сегодня компания TWB имеет на своем производственном предприятии в Монро, штат Мичиган, специальный станок FSW, построенный на основе процесса PNNL, который способен производить до 250 000 деталей в год. «TWB теперь может поставлять алюминиевые сварные швы не только для GM, но и для всей автомобильной промышленности», — сказал Блэр Карлсон, менеджер группы GM, который разработал концепцию проекта. Следующая Имея более двух лет финансирования, команда продолжает сотрудничать, уделяя особое внимание еще более высокой скорости сварки и возможности маневрировать по контурам и углам сложных алюминиевых деталей, для которых лазерная сварка коммерчески нецелесообразна.Команда также модифицирует FSW, чтобы объединить различные сплавы, такие как автомобильные алюминиевые сплавы с легкими, сверхвысокопрочными сплавами, которые в настоящее время используются в аэрокосмической отрасли. «В будущем мы увидим этот процесс и его будущие версии, которые позволят создать совершенно новые комбинации материалов, которые революционизируют использование материалов в автомобильной промышленности», — сказал Ховански. Более высокая скорость сварки улучшает качество сварных швов между разнородными сплавами. Дополнительная информация: «Высокоскоростная сварка трением с перемешиванием для сварки алюминиевых заготовок по индивидуальному заказу», JOM , 2 апреля 2015 г., DOI: 10.1007 / с11837-015-1384-х. Предоставлено Тихоокеанская Северо-Западная национальная лаборатория Ссылка : Новый массовый процесс соединения расширяет использование алюминия в автомобилях (2015, 12 мая) получено 10 ноября 2020 с https: // физ. No related posts. Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт