Категория:

Сварка различных металлов

Алюминий обладает низкой прочностью; поэтому его не применяют для конструкций, работающих под динамической нагрузкой. Его употребляют в химическом аппарато-строении, рамных конструкциях, для оконных и дверных переплетов и декоративных изделий в строительстве. Он обладает малой массой (плотность 2,7 г/см3), повышенной коррозионной стойкостью и большой пластичностью по сравнению с низкоуглеродистой сталью.

Повышенную прочность имеют сплавы алюминия с марганцем, магнием, кремнием, цинком и медью.

Алюминий и его сплавы делят на литейные и деформируемые (катаные, прессованные, кованые). Деформируемые сплавы подразделяют на термически не упрочняемые, к которым относятся сплавы алюминия с марганцем и магнием, и термически упрочняемые, к которым относятся сплавы алюминия с медью, цинком, кремнием.

Наиболее высокой прочностью обладают термически упрочняем мые алюминиевые сплавы. Например, механические свойства дюр алюминия Д16 (3,8—4,9% меди, 1,2—1,8% магния, 0,3—0,9% мар ганца, остальное — алюминий) следующие: до термической обра-ботки — 6В = 22 кгс/мм2 и 6б = 2%; после термической обработки ств=42 кгс/мм2 и 65=18%. Наибольшей прочностью из термиче ски упрочняемых алюминиевых сплавов обладает сплав В95 (ав = 60 кгс/мм2, огт = 55 кгс/мм2 и 65 — около 12%), сплав по, строен на основе алюминий — медь — магний — цинк.

Однако термически упрочненные алюминиевые сплавы разуп рочняются при сварке со значительной потерей механических свойств. Применение этих сплавов для сварных конструкций воз» можно лишь при условии обеспечения термической обработки после сварки для повышения прочности сварных соединений.

Из термически неупрочняемых сплавов наибольшей прочностью обладают сплавы системы А1 — Mg — Ti, например сплав АМгб, механические свойства которого следующие: сгв = 32—38 кгс/мм2, стт = 1 б— 18 кгс/мм2, бБ= 15—20% и ак=3—4 кгс-м/см2. Конструкции из алюминиево-магниевого сплава АМгб изготовляются в основном сварными.

Свариваемость алюминия и его сплавов. Алюминий и его сплавы имеют большую теплопроводность, теплоемкость и скрытую теплоту плавления. Теплопроводность алюминия в три раза выше теплопроводности низкоуглеродистой стали; при нагреве от 20 до 600° С разница в теплопроводности еще более возрастает. Следовательно, сварка алюминия и его сплавов должна выполняться с относительно мощным и концентрированным источником нагрева.

Коэффициент линейного расширения алюминия в два раза выше, чем коэффициент расширения железа. Это способствует увеличенным деформациям и короблению при сварке алюминиевых изделий.

Низкая удельная плотность (2,7 г/см3) и температура плавления (660° С) алюминия по сравнению с высокой удельной плотностью окисла алюминия А120э (3,85 г/см3) и его температурой плавления (2060° С) затрудняют процесс сварки. Тугоплавкий и тяжелый окисел AI2O3 может оставаться в металле шва и снижать работоспособность сварного соединения. При сварке алюминия и его сплавов необходимо применять различные способы борьбы с окислом А1203. Во всех случаях поверхность металла изделия должна зачищаться непосредственно перед сваркой и процесс сварки должен протекать с защитой расплавленного металла от действия газов воздуха.

Используют три способа борьбы с окислом алюминия: сварка с растворителем окислов (электродные покрытия, флюсы), сварка без растворителей, но с так называемым катодным распылением, и сварка с механическим удалением окислов из сварочной ванны.

Растворителями окисла А1203 и других окислов являются галоидные соли щелочноземельных металлов (хлористый, фтористый литий и др.), которые растворяют окислы и вместе с ними подни-1аЮтся из сварочной ванны в сварочный шлак. Так как раствор обладает пониженной температурой плавления, меньшей удельной плотностью и меньшей вязкостью, чем каждый компонент в отдельности, то он выводится из металла шва в сварочный шлак.

Сущность катодного распыления состоит в том, что при дуговой сварке в аргоне на постоянном токе при обратной полярности происходит дробление окисной пленки А1203 с последующим распылением частиц окисла на поверхности сварного изделия. Тонкая окисная пленка, покрывающая сварочную ванну, разрушается под ударами тяжелых положительных ионов защитного газа аргона, образующихся при горении дуги. Так как положительный ион обладает большей массой, чем электрон, то образующийся поток ионов способен дробить окнсные пленки алюминия и магния, которые создаются при сварке. При этом надо учитывать большую скорость движения ионов, позволяющую распыленным окислам через защитную газовую среду выходить из сварочной зоны.

Другие газы, обладающие низкой атомной массой (например, 4 у гелия вместо 40 у аргона), не способны дробить и распылять окислы.

Механический способ удаления окисла А1203 из сварочной ванны заключается в том, что сварщик опускает в сварочную ванну стальной пруток диаметром 3—4 мм и вынимает его с прилипшим к поверхности прутка окислом, который легко отделяется от прутка при его встряхивании и легком ударе. Опытные рабочие, выполняющие газовую или дуговую сварку угольным электродом, часто используют этот способ, не прибегая к флюсам.

Алюминиевые сплавы обладают повышенной склонностью к образованию пор. Пористость металла при сварке алюминия и его сплавов вызывается водородом, источником которого служит адсорбированная влага на поверхности основного металла и особенно проволоки, а также воздух, подсасываемый в сварочную ванну. В этом случае алюминий в сварочной ванне взаимодействует с влагой по реакции 2А1+ЗН20->-А120з+6Н.

Для получения беспористых швов при сварке алюминия и его сплавов даже небольшой толщины иногда требуется подогрев, снижающий скорость охлаждения сварочной ванны и способствующий более полному удалению водорода из металла при медленном охлаждении. Так, например, при наплавке на лист алюминия толщиной 8 мм беспористый шов может получить при подогреве металла до 150 °С. При увеличении толщины металла до 16 мм даже подогрев до температуры 300 °С не обеспечивает беспористых швов.

Однако подогрев листов для сварки некоторых сплавов следует применять осторожно. Например, при сварке толстолистовых алю-миниево-магниевых сплавов допускается подогрев до температуры не выше 100—150 °С. Более высокая температура подогрева может усилить пористость шва за счет выделения из твердого раствора магния и образования при этом водорода по реакции Mg + h30-vMg0 + 2H. Кроме того, при сварке подогретого металла

Флюс АФ-4а разводят дистиллированной водой и наносят на свариваемые кромки и присадочный пруток.

При газовой сварке применяют присадочную проволоку той же марки, что и свариваемый металл.

Для получения и сохранения мелкозернистой структуры изделие после сварки в некоторых случаях, например при сварке литых деталей, подвергают отжигу при 300—350 °С с последующим медленным охлаждением.

—-

Алюминий обладает малой плотностью, хорошей тепло- и электропроводностью, высокой коррозионной стойкостью и пластичностью. В технике алюминий применяют в виде алюминия разной степени чистоты и в виде сплавов.

В зависимости от содержания примесей (Fe, Si, Си, Zn, Ti) алюминий бывает особой чистоты А999 (0,001 % примесей), высокой чистоты А995, А99, А97, А95 (0,005—0,5% примесей) и технической чистоты А85, А8 и др. (0,15—1,0% примесей). Технический алюминий, выпускаемый в виде деформируемого полуфабриката (листы, профили, прутки и др.), используют в сварных конструкциях, маркируется АД0 и АД1.

Из-за низкой прочности (сгв=804-110 МПа) алюминий применяют для ненагруженных деталей и элементов конструкций, когда от материала требуется легкость, свариваемость, пластичность, коррозионная стойкость (рамы, двери, трубопроводы, емкости, фольга и др.). Для нагруженных изделий используют сплавы алюминия. В качестве основных легирующих элементов алюминиевых сплавов применяют Си, Mg, Si, Mn, Zn, реже — Li, Ni, Ti, Be, Zr.

Алюминиевые сплавы классифицируют по технологии изготовления, способности к термической обработке и свойствам. В зависимости от технологии изготовления различают деформируемые (для полуфабрикатов и изделий обработкой давлением), литейные (для отливок) и спеченные сплавы. По способности к термической обработке они разделяются на термические неупрочняемые и термические упрочняемые.

К литейным сплавам относятся сплавы системы А1—Mg, А1— Si, А1—Си. Наиболее распространенными литейными сплавами с повышенным содержанием кремния (от 4 до 13%) являются силумины. Сварку литейных сплавов выполняют при ремонтных работах.

Материалы из спеченной алюминиевой пудры (САП) и спеченных алюминиевых сплавов (САС) состоят из порошков алюминия или его сплавов и окиси алюминия. Получают САП и САС последовательным брикетированием, спеканием и прессованием окисленной с поверхности алюминиевой пудры. Эти материалы свариваются очень плохо.

Сварные конструкции изготовляют из деформируемых алюминиевых сплавов. К деформируемым сплавам, не упрочняемым термообработкой, относятся алюминиевомарганцевый сплав АМц(А1+ 1,3%Мп) и группа сплавов системы А1—Mg (магналий): АМг, AMr1, АМг2, АМгЗ, АМг5В, АМг6. Эти сплавы обладают хорошей свариваемостью, в сварных соединениях они способны сохранять до 95% прочности основного металла при высокой пластичности и высокой коррозионной стойкости. алюминием (р=3,85 г/см3). Окисная пленка затрудняет сплавление, способствует непроварам и охрупчивает металл. Поэтому окисную пленку удаляют со свариваемых кромок механическими и химическими способами перед сваркой, во время сварки защищают зону сварки инертным газом, катодным распылением, применяют покрытия и флюсы на основе солей щелочных и щелочноземельных металлов (NaCl, NaF, КС1 и др.).

2. Склонность к образованию горячих трещин в связи с большой литейной усадкой кристаллизующегося металла, грубой столбчатой структурой сварного шва и наличием примесей. Для борьбы с горячими трещинами ограничивают содержание примесей в свариваемом металле, для измельчения структуры добавляют в металл и сварочную .проволоку модификаторы (Zr, Ti, В), регулируют режимы сварки.

3. Термически упрочняемые сплавы весьма чувствительны к термическому циклу сварки в связи с ростом зерна, распадом перенасыщенных твердых растворов, процессами старения, рекристаллизацией.

4. Для ряда сплавов, особенно содержащих в качестве основного легирующего элемента магний, характерна повышенная пористость при сварке, связанная с насыщением расплавленного металла водородом. Для уменьшения пористости рекомендуется тщательная подготовка свариваемых кромок и проволоки перед сваркой для удаления следов влаги с их поверхности; тщательная защита сварочной ванны, увеличение диаметра присадочной проволоки, чтобы уменьшить удельную поверхность присадки; предварительный подогрев, чтобы увеличить время существования сварочной ванны и чтобы пузырьки водорода успели выйти из ванны.

5. Высокие теплопроводность и теплоемкость алюминия требуют применения мощных источников тепла, а в ряде случаев подогрева. Высокий коэффициент линейного расширения и малый модуль упругости способствуют появлению значительных сварочных деформаций, что требует применения надежных зажимных приспособлений и устранения деформаций после сварки в ответственных конструкциях. В алюминии отсутствует пластическое состояние при нагреве и переходе из твердого в жидкое состояние, при этом алюминий не меняет своего цвета, а в области температур более 400—450 °С имеется провал прочности и пластичности, поэтому рекомендуется сварка на подкладках.

Высокий коэффициент вязкости и быстрый теплоотвод затрудняют формирование шва, поэтому требуется соблюдение необходимых разделок кромок. Все перечисленные трудности и особенности свар-; ки алюминия требуют тщательной подготовки под сварку и тщательное соблюдение технологии сварки.

Способы сварки алюминия и его сплавов. Основными способами сварки алюминия и его термонеупрочняемых сплавов являются сварка в инертных газах, по флюсу и под флюсом, ручная покрытыми электродами, контактная. Используют также газовую сварку, электрошлаковую сварку угольным электродом. Для термически упрочняемых сплавов применяют преимущественно механизированные способы сварки в инертных газах, электронно-лучевую, плаз-менно-дуговую.

Для тонколистового металла целесообразна сварка в импульсном режиме. Для толстолистового металла (6>10 мм) хорошие результаты дает трехфазная сварка неплавящимся электродом. Сварку плавящимся электродом в инертных газах выполняют при толщинах более 4 мм на постоянном токе обратной полярности /св = (120-г-160)da, где da — диаметр сварочной проволоки. Недостатком сварки плавящимся электродом является повышенная пористость.

Газовую сварку выполняют нормальным пламенем с использованием защитного флюса в виде порошка или пасты, наносимого на свариваемые кромки и присадочной проволоки типа АФ-4А (КО— 50%, LiCl — 14%, NaCl—28%. NaF—8%), с подогревом металла при сварке больших толщин. Ориентировочную мощность сварочного пламени выбирают из расчета расхода ацетилена 75 дм3/ч на 1 мм толщины свариваемого металла.

При использовании флюсовой защиты применяют следующие способы электрической сварки плавлением: дуговую автоматическую по флюсу и под флюсом и электрошлаковую. При сварке по слою флюса используют флюсы на основе солей щелочных и щелочноземельных металлов (например, АН-А1 системы Na3AlF3—КС1—NaCl), которые обладают высокой электропроводностью, поэтому погруженная дуга закорачивается и горит по слою флюса. Дополнительным параметром режима при сварке по слою флюса является высота насыпного слоя флюса перед дугой. Добавление во флюсы для сварки алюминия компонентов, уменьшающих электропроводность флюса, позволило разработать способ сварки под слоем флюса. В качестве такого компонента во флюс ЖА-64 введен кремнезем SiOa (система Na3AlF3—КС1—NaCl—Si02).

Контактную точечную и шовную сварку применяют для соединения листов и профильного проката преимущественно из деформируемых сплавов. Контактную стыковую сварку выполняют преимущественно методом оплавления. Тацгкак алюминий и его сплавы отличаются высокой тепло- и электропроводностью, то необходимо при электроконтактной сварке, особенно точечной, применение больших токов и мощных машин, для повышения эффективности нагрева целесообразно сваривать при малой длительности импульсов тока.

Пластичные сплавы алюминия хорошо свариваются другими видами сварки термомеханического и механического классов.

Реклама:

Читать далее:

Статьи по теме:

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И СВАРИВАЕМОСТЬ ЛИСТОВ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА СИСТЕМЫ Al-Mg-Si-Fe, СОДЕРЖАЩЕГО ЛЕГИРУЮЩИЕ ДОБАВКИ ЩЕЛОЧНОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И СВАРИВАЕМОСТЬ  ЛИСТОВ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА СИСТЕМЫ Al—Mg—Si—Fe, СОДЕРЖАЩЕГО ЛЕГИРУЮЩИЕ ДОБАВКИ ЩЕЛОЧНОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ

Грушко О.Е., Гуреева М.А., Фридляндер И.Н., Овчинников В.В.

 (ФГУП «ВИАМ», ФГУП «РСК «МиГ», г.Москва, РФ)

Получение изделий сложной конфигурации и повышенной прочности по технологии, включающей операции штамповки с глубокой вытяжкой и сварки (подвесные баки, аккумуляторные баки, баллоны, бачки и др.) остается актуальной проблемой для самолетостроения и автомобильной промышленности. Сплавы системы Al-Mg-Si типа авиаль заметно превосходят по своим механическим свойствам, используемые в настоящее время для этих целей, сплавы системы Al-Mg. Предлагаемые сплавы имеют следующие механические свойства: σ_0.2 = 270 МПа, σ_в = 360 МПа, σ_кр.=0,9 σ_0.2 , МЦУ более 100 Кц при  σ_max =157 МПа. В то же время у сплавов АМг2 и АМг6 значения σ_0.2 равны 120 и 180 МПа, соответственно. Помимо этого, листы из сплавов системы  Al-Mg-Si-Fe значительно более герметичны, по сравнению со сплавами системы Al-Mg. Это позволяет использовать значительно более тонкие листы для изготовления герметичных изделий, что существенно снижает массу конструкции (самолета или автомобиля).

Достижение хорошей способности листов из сплавов системы Al-Mg-Si-Fe к формоизменению и сварке возможно только в случае формирования в них оптимизированных структурных состояний (однородная мелкозернистая структура, благоприятная текстура, наличие дисперсных выделений упрочняющих фаз, сдерживающих также рост зерен и возникновение вредных кристаллографических ориентировок). Выполненные нами исследования эволюции структуры, процессов текстурообразования, протекающих в технологическом цикле изготовления листов из сплавов типа авиаль, и влияния на них добавок щелочноземельных металлов, позволили предложить сплав (В1341), по своим характеристикам превосходящий обычные сплавы системы Al-Mg-Si-Fe [1].

В настоящее время ставится задача применения этого сплава для изготовления указанных выше изделий и возникает необходимость более детального изучения его технологических характеристик таких, как формуемость при штамповке с глубокой вытяжкой, способность к гибке, свариваемость и др.

Возможность получения деталей типа полусфер из листов сплава В1341 при холодной штамповке оценивали на образцах в виде дисков диаметром 200 мм. Для холодной штамповки использовали доработанный штамп, применяемый для штамповки днищ расширительного бака из сплава АМг4. Штамповку выполняли за один ход штампа. Для штамповки днищ использовали пресс марки PKNT315 фирмы WEINORTEN. Данный пресс имеет рабочий ход 315 мм; усилие удерживания 500 КН; усилие выталкивания 80 КН.

Были получены детали в виде полусфер диаметром 150 мм (с технологическим припуском)  и высотой  60 мм (рис.1) . Внешним осмотром полученных полусфер установлено отсутствие видимых трещин и морщин на их поверхности. Это позволяет заключить, что сплавы системы Al-Mg-Si обладают хорошей технологичностью после ТМО в условиях холодной штамповки. Это позволяет получать из него различные гофрированные панели.

Рисунок 1 — Днища баллонов с технологическим припуском после холодной штамповки из листа сплава В1341

Для изготовления различных герметичных конструкций (типа баллонов и баков) наибольший интерес представляет сварка плавлением сплава В1341и уровень свойств получаемых соединений. Для получения сварных соединений листов сплава В1341 использовали установку для автоматической сварки на базе АДСВ-7, оснащенную клавишным пневматическим приспособлением для фиксации деталей и источником переменного тока марки ИСВУ-400. Сварку осуществляли на токе дуги 60-75А при скорости сварки 12-15 м/ч. Присадочную проволоку диаметром 1,2 мм подавали в сварочную ванну со скоростью 20-22 м/ч. Защиту расплавленного металла сварочной ванны и проплава шва осуществляли аргоном. При сварки образцов использовали присадочную проволоку марки Св.1217, Св.АК5 и Св.АМг63.

На первом этапе исследований свариваемости сплавов системы Al-Mg-Si-Fe определялось влияние содержания кальция на склонность сплава к образованию трещин. Сварку образцов осуществляли  без присадки и с присадочной проволокой. Для оценки склонности сплава к образованию трещин использовали крестовую пробу, пробу «рыбий скелет» (образцы Хоулкрофта) и методику испытаний на машине ЛТП1-10. Анализ полученных результатов показал, что введение в сплав кальция позволяет снизить коэффициент трещинообразования и существенно повысить критическую скорость деформации. При этом оптимальное количество кальция составляет 0,12-0,35%. Применение присадочной проволоки дополнительно снижает склонность сплава к образованию трещин при сварке плавлением. Примененные проволоки (св.АК5, св.1217, св.АМг63) примерно равноценны по влиянию на склонность сплава к образованию трещин при сварке.

Результаты механических испытаний сварных соединений, полученных с использованием различных марок присадочных проволок, представлены в табл.1. Анализ данных табл.1 показывает, что прочность сварных соединений, испытанных с проплавом и усилением шва, а также со снятым проплавом и усилением при использовании проволок Св.1217, Св.АК5 и АМг63, практически одинакова и составляет 0,60-0,62 от предела прочности основного металла в состоянии Т1. Разрушение образцов, сваренных в закаленном состоянии, при испытании на статическую прочность происходит по основному металлу на расстоянии 6-10 мм от линии сплавления. В то же время значения угла загиба у соединений, выполненных с проволокой Св.АК5, примерно в 2-3 раза меньше, чем у соединений, сваренных с проволокой Св.1217.

Таблица 1 – Механические свойства сварных соединений листов сплава                      В1341, выполненных автоматической аргонодуговой сваркой

Проведение искусственного старения после сварки (170⁰С, 14 час) приводит к повышению прочности сварного соединения до уровня 284-304 МПа. При этом прочность металла шва при использовании проволок Св.АК5 и Св.1217 практически одинакова и составляет 282-284 МПа. Разрушение образцов с усилением и проплавом при испытаниях происходит по  зоне сплавления, а при испытаниях образцов с удаленным усилением и проплавом — по металлу сварного шва.

Следует обратить внимание на тот факт, что искусственное старение приводит к значительным снижениям показателей угла загиба (до 13° для проволоки Св.Ак5). Это связано с выпадением избыточных упрочняющих фаз, содержащих медь, по границам зерен в металле шва.

Металлографические исследования показали, что при испытаниях образцов, которые не подвергались старению после сварки, разрушение происходило по зоне основного металла. Указанная зона соединения при сварке подвергается нагреву в диапазоне температур 300-330⁰С. Нагрев сплава В1341 в состаренном состоянии до 300-330⁰С приводит к значительному снижению относительного удлинения при практически неизменной прочности.

Полученные результаты показывают, что для сварных соединений сплава В1341 предпочтительно применение присадочной проволоки Св.1217  и Св.АМг63 в сочетании с искусственным старением сварных соединений после сварки. В этом случае коэффициент прочности сварного соединения составляет 0,78-0,80 от прочности основного материала в искусственно состаренном состоянии. Операция искусственного старения сплава В1341 отличается высокой продолжительностью. Это существенно влияет на производительность технологических процессов, особенно в отраслях с большим объемом выпускаемых изделий. Поэтому в данной работе исследовалось влияние температуры и времени искусственного старения на механические свойства основного металла и сварных соединений сплава В1341.

Известно, что сушка лакокрасочных покрытий при производстве различных деталей из алюминиевых сплавов обычно осуществля­ется при температурах 170-200°С с выдержкой от 20 до 60 мин. Исследования показали, что при 170°С и выдержке 30 мин сплав имеет такие же свойства, как после естественного старения. Чтобы обеспечить требуемый уровень свойств, время вы­держки при сушке лакокрасочных покрытий при 170°С должно быть не менее 3 ч. Такая длительная выдержка при сушке лакокрасочного покрытия тех­нологически неоправданна и не всегда может быть принята. В связи с этим было исследовано влияние старения при более высоких температурах с выдерж­кой 20-60 мин на свойства сплав В1341. Старение лис­тов сплава В1341 при 190-200°С в течение 30 мин приводит к существенному повышению механиче­ских свойств; σ_в = 303-326 МПа, σ_0,2 = 185-236 МПа, δ = 14,9-19,3% . Эти режимы могут совмещать операции сушки лакокрасочного покрытия и искусственного старения деталей из сплава В1341.

Таким образом, полученные результаты показали перспективность применения сплава В1341 в сварных конструкциях из алюминиевых сплавов вместо сплавов АМг2 и АМг6.

Литература

1.             Патент РФ №2255133 МКП С 22 С 21/04. Деформируемый сплав на основе алюминия и изделие, выполненное из этого сплава (Фридляндер И.Н., Грушко О.Е., Шевелева Л.М., Шамрай В.Ф., Овчинников В.В.). Приоритет изобретения 19 декабря 2003.

Повышение свариваемости термоупрочненных алюминиевых сплавов

Свариваемость материалов — алюминиевые сплавы

Знание профессии 21

Алюминий и его сплавы используются в производстве из-за их небольшого веса, хорошей коррозионной стойкости и свариваемости. Хотя обычно они имеют низкую прочность, некоторые из более сложных сплавов могут иметь механические свойства, эквивалентные сталям. Идентифицированы различные типы алюминиевых сплавов и даны рекомендации по изготовлению компонентов без ухудшения коррозионных и механических свойств материала или появления дефектов в сварном шве.

Типы материалов

Поскольку чистый алюминий относительно мягкий, в него добавляются небольшие количества легирующих элементов для получения ряда механических свойств. Сплавы сгруппированы в соответствии с основными легирующими элементами, определенные коммерческие сплавы имеют четырехзначное обозначение в соответствии с международными спецификациями для деформируемых сплавов или буквенно-цифровой системой ISO.

Сплавы можно дополнительно классифицировать в соответствии со способами, с помощью которых легирующие элементы развивают механические свойства, нетермообрабатываемые или термообрабатываемые сплавы.

Сплавы без термической обработки

Прочность материала зависит от эффекта наклепа и упрочнения твердого раствора таких легирующих элементов, как магний и марганец; легирующие элементы в основном встречаются в сплавах серий 1ххх, 3ххх и 5ххх. При сварке эти сплавы могут потерять эффект наклепа, что приводит к размягчению ЗТВ, прилегающей к сварному шву.

Термообрабатываемые сплавы

Твердость и прочность материала зависят от состава сплава и термообработки (термообработка на твердый раствор и закалка с последующим естественным или искусственным старением приводит к тонкой дисперсии легирующих компонентов). Основные легирующие элементы определены в сериях 2ххх, 6ххх и 7ххх. Сварка плавлением перераспределяет упрочняющие компоненты в ЗТВ, что локально снижает прочность материала.

Процессы

Большинство марок ковки марок 1xxx, 3xxx, 5xxx, 6xxx и средней прочности 7xxx (e.грамм. 7020) можно сваривать плавлением с использованием процессов TIG, MIG и кислородно-топливной сварки. В частности, сплавы серии 5ххх обладают отличной свариваемостью. Высокопрочные сплавы (например, 7010 и 7050) и большая часть сплавов серии 2xxx не рекомендуются для сварки плавлением, поскольку они склонны к ликвации и растрескиванию при затвердевании.

Метод сварки трением с перемешиванием особенно подходит для алюминиевых сплавов. Он способен производить качественные сварные швы для многих сплавов, включая те термически обрабатываемые сплавы, которые склонны к горячему растрескиванию во время сварки плавлением.

Присадочные сплавы

Состав присадочного металла определяется по:

• Свариваемость основного металла
• Минимальные механические свойства наплавленного металла
• коррозионная стойкость
• требования к анодному покрытию

Номинально соответствующие присадочные металлы часто используются для нетермообрабатываемых сплавов. Однако для материалов с низким содержанием сплавов и термообрабатываемых сплавов используются несовместимые наполнители для предотвращения растрескивания при затвердевании.

Выбор состава присадочного металла для различных свариваемых сплавов определен в BS EN 1011 Pt 4: 2000 для сварки TIG и MIG; Рекомендуемые составы присадочных металлов для наиболее часто используемых сплавов приведены в таблице Таблица .

Дефекты сварных швов

Алюминий и его сплавы легко свариваются при соблюдении соответствующих мер предосторожности. Наиболее вероятные дефекты сварных швов плавлением:

• пористость
• растрескивание
• Плохой профиль сварного шва

Пористость

Пористость часто рассматривается как неотъемлемая черта сварных швов MIG; Типичный вид мелкодисперсной пористости в сварном шве TIG показан на фотографии.Основная причина пористости — поглощение водорода в сварочной ванне, который образует дискретные поры в затвердевающем металле сварного шва. Наиболее распространенными источниками водорода являются углеводороды и влага из загрязняющих веществ на поверхностях основного материала и присадочной проволоки, а также водяной пар из атмосферы защитного газа. Даже следовые количества водорода могут превышать пороговую концентрацию, необходимую для образования пузырьков в сварочной ванне, поскольку алюминий является одним из металлов, наиболее подверженных пористости.

Для минимизации риска необходимо проводить тщательную очистку поверхности материала и присадочной проволоки.Подходят три метода очистки; механическая очистка, обезжиривание растворителем и очистка химическим травлением.

При сварке в среде защитного газа следует избегать вовлечения воздуха, убедившись, что имеется эффективный газовый экран и дуга защищена от сквозняков. Также следует принять меры, чтобы избежать улавливания водяного пара из газовых линий и сварочного оборудования; Рекомендуется продуть сварочную систему примерно за час перед использованием.

Механическая очистка

Для удаления оксидов и загрязнений с поверхности можно использовать проволочную щетку (щетина из нержавеющей стали), соскабливание или опиливание.Перед механической очисткой необходимо провести обезжиривание.

Растворители

Для удаления жира, масла, грязи и незакрепленных частиц можно использовать погружение, опрыскивание или протирание органическими растворителями.

Химическое травление

Для очистки партии можно использовать 5% раствор гидроксида натрия, но после этого следует промыть его в HNO ₃ и воде для удаления продуктов реакции с поверхности.

Трещины затвердевания

Растрескивание возникает в алюминиевых сплавах из-за высоких напряжений, возникающих в сварном шве из-за высокого теплового расширения (вдвое больше, чем у стали), и значительного сжатия при затвердевании — обычно на 5% больше, чем в эквивалентных стальных сварных швах.

Трещины затвердевания образуются в центре сварного шва, обычно во время затвердевания распространяются вдоль осевой линии. Трещины затвердевания также возникают в кратере сварного шва в конце операции сварки. Основные причины трещин затвердевания следующие:

• Неправильная комбинация присадочная проволока / основной металл
• неправильная геометрия сварного шва
• Сварка в условиях повышенного давления

Риск растрескивания можно снизить, используя неподходящий, устойчивый к растрескиванию наполнитель (обычно из сплавов серий 4ххх и 5ххх).Недостатком является то, что полученный металл сварного шва может иметь более низкую прочность, чем основной металл, и не поддаваться последующей термообработке. Наплавленный валик должен быть достаточно толстым, чтобы выдерживать напряжения сжатия. Кроме того, степень ограничения сварного шва может быть минимизирована за счет правильной подготовки кромок, точной настройки соединения и правильной последовательности сварки.

Щелочное растрескивание

Ликвационное растрескивание происходит в ЗТВ, когда на границах зерен образуются пленки с низкой температурой плавления.Они не могут противостоять сжимающим напряжениям, возникающим при затвердевании и остывании металла шва. Термообрабатываемые сплавы, особенно сплавы серий 6ххх и 7ххх, более подвержены этому типу растрескивания.

Риск можно снизить, используя присадочный металл с более низкой температурой плавления, чем основной металл, например, сплавы серии 6ххх свариваются с присадочным металлом 4ххх. Однако присадочный металл 4xxx не следует использовать для сварки сплавов с высоким содержанием магния (например, 5083), поскольку на границе плавления может образовываться избыточный силицид магния, снижающий пластичность и повышающий чувствительность к трещинам.

Плохой профиль сварного шва

Неправильная настройка параметров сварки или плохая техника сварки могут привести к дефектам профиля сварного шва, таким как отсутствие проплавления, проплавление и поднутрение. Высокая теплопроводность алюминия и быстро затвердевающая сварочная ванна делают эти сплавы особенно чувствительными к дефектам профиля.

Эта статья Job Knowledge была первоначально опубликована в Connect в октябре 1996 года. Она была обновлена, поэтому веб-страница больше не отражает в точности печатную версию.

Какой алюминий лучше всего подходит для сварочных работ?

Алюминий, как и сталь, можно производить с множеством различных физических и химических свойств. Некоторые марки хорошо реагируют на сварку. Другие требуют большего опыта или вообще не должны свариваться. Итак, как выбрать лучший алюминий для сварки ?

Лучший алюминий для сварки: что нужно знать

Прежде всего, знайте, что с алюминием , как правило, труднее работать, чем с углеродистой сталью или нержавеющей сталью .Он ведет себя по-другому — обычно суетливее.

Вот проблемы, которые обычно возникают при сварке алюминия:

• Если после сварки деталь необходимо придать квадратной форме, она может треснуть (из-за тепловой деформации).
• Он менее податлив, чем сталь.
• Легко поддается воздействию тепла.
• Для сварки требуется больше навыков.

Поскольку алюминий относительно дорогой, вы потратите много денег, указав марку с низкой свариваемостью.

Несмотря на это, многие инженеры по-прежнему предпочитают алюминий. Он легкий, что делает его идеальным для многих приложений. Поскольку это цветной металл, алюминий также менее коррозионный и не ржавеет (хотя он все равно коррозирует по-своему, только медленнее).

Когда вы все же выбираете марку алюминия, используйте широко производимую марку алюминия для максимальной рентабельности. Если на рынке много предложения, вы получите гораздо лучшую цену.

Лучшие марки алюминия для сварки

Когда вы покупаете «алюминий», вы на самом деле покупаете алюминиевый сплав — там есть и другие металлы. Эти другие металлы придают алюминию свойства, которые варьируются в зависимости от сорта .

Сорта разделены на серии, начиная с 1XXX и заканчивая 7XXX. Как правило, более высокие числа означают более высокий процент магния.

Серии, которые лучше всего подходят для сварки, — это 5XXX и 6XXX .»Можно ли сваривать алюминий 6061?» — один из самых частых вопросов, которые мы получаем. Чаще всего мы используем алюминий 5050 или 6061 , поэтому ответ — «Однозначно». Эти два металла очень распространены, поэтому доступность и цена не должны быть проблемой.

Почему именно эти сплавы? Они самые снисходительные. В них меньше магния, они не такие толстые и с меньшей вероятностью трескаются.

• Алюминий 5XXX полезен, если вам нужно сваривать высокопрочный материал для конструкционных и тяжелых условий эксплуатации (т.е.е. судостроение). Однако из-за большого количества магния их НЕ следует сваривать с присадочным металлом 4XXX.
• 6XXX Серия включает сплавы с магнием и кремнием. Эта серия наиболее широко используется для сварки конструкций и достаточно прочна для зданий и других конструкций. 6XXX также хорошо поддается термообработке.

Хорошие, но не оптимальные оценки

В зависимости от вашего проекта могут подойти и другие сплавы:

• Сплавы серии 1XXX на 99% состоят из алюминия — настолько чистый, насколько это возможно.Он не очень прочный, но очень устойчивый к коррозии. Перевод: не используйте его, чтобы поддерживать здание, но используйте его, чтобы противостоять химическим веществам.
• 3XXX серия Алюминий содержит марганец. Они податливы и легко поддаются сварке, и их часто используют в устройствах, связанных с нагревом (посуда; теплообменники в транспортных средствах и электростанциях). Их посредственная прочность не позволяет использовать их в конструкции.
• 4XXX Сплавы хорошо свариваются, но их чаще используют в качестве присадочных материалов для других марок.

Даже не думай об этих оценках

• 7XXX series Алюминий марки должен обрабатываться опытными сварщиками из-за их плохой реакции на сварку (за некоторыми исключениями). Фактически, вы можете полностью отказаться от сварки алюминия серии 7000. Горячее растрескивание и коррозия под напряжением являются распространенными проблемами. В частности, сплавы 7075 являются отличными сплавами для морского применения благодаря их низкой плотности и стальной прочности. Но они также темпераментны и дороги, так что для сварки они не подходят.Другими словами, , отличный сплав для вашего применения, не может быть равным высокосвариваемому сплаву .
  
• 2XXX Алюминий также плохо реагирует на сварку, поэтому старайтесь не указывать их. Хотя сплав 2024 года очень распространен и чрезвычайно прочен, он чрезвычайно чувствителен к образованию трещин.

Обратитесь к продавцу

5ХХХ и 6ХХХ лучше всего подходят для сварки в целом. Помните, что ваш проект и приложение в конечном итоге определят, какая оценка будет работать лучше всего.

При таком большом количестве видов алюминия на выбор лучше всего, если на этапе проектирования вы будете сотрудничать с поставщиком, который знает все их плюсы и минусы. И не забудьте выбрать подходящий присадочный металл — возможно, вы сможете сэкономить!

( Примечание редактора: Эта статья была первоначально опубликована в сентябре 2017 года и недавно была обновлена.)

Сварка алюминия | Технология изготовления пресс-форм

Алюминий, который раньше рассматривался строго как прототип инструментального материала, становится все более популярным вариантом для изготовления пресс-форм.При рассмотрении этого варианта важно сначала взглянуть на различия между сталью и алюминием, а затем определить, как лучше всего использовать преимущества повышенной теплопроводности алюминия без ухудшения качества деталей. Также важно учитывать вопросы, связанные с ремонтом плесени. Изготовить качественную деталь из алюминиевой формы относительно легко, но ремонт этих форм может вызвать проблемы. Чтобы гарантировать успешный ремонт алюминиевой формы, необходимо понимание различий между сталью и алюминием и вариантами алюминиевых сплавов, а также знания о сварочной проволоке и правильных методах сварки.

Алюминий и сталь
Доступные сегодня высокопрочные алюминиевые сплавы являются реальной альтернативой стали для изготовления инструментов. Первоначально используемый в основном для изготовления прототипов из-за своей более низкой стоимости, алюминий предлагает несколько других преимуществ, которые делают его жизнеспособным вариантом для изготовления пресс-форм.

Прежде всего, алюминиевые формы могут стоить примерно половину стоимости стальных форм, и их можно поставить примерно в два раза быстрее, благодаря различным основным характеристикам материалов.Например, несмотря на то, что сталь значительно прочнее алюминия, алюминий весит только одну треть меньше, и некоторые алюминиевые материалы можно обрабатывать для получения прочности, сопоставимой со сталью. Поскольку алюминий мягче стали, его легче резать. Сочетание высокой прочности и малого веса делает алюминий привлекательным для использования в различных отраслях промышленности, включая аэрокосмическую, автомобильную и промышленную.

Еще одним преимуществом алюминия перед сталью является его высокая устойчивость к коррозии.Когда алюминий подвергается воздействию воздуха, образуется тонкий слой оксида алюминия, обеспечивающий повышенную защиту от коррозии. Кроме того, алюминий не становится хрупким при понижении температуры, как сталь. Фактически он увеличивает прочность на разрыв и сохраняет прочность.

Алюминий, как известно, проводит тепло и электричество примерно в шесть раз лучше, чем сталь, а его более высокая теплопроводность играет решающую роль при сварке и ремонте пресс-форм, в результате чего сварные швы затвердевают быстрее.Это также способствует более «практичному» сварному шву, лучшему удержанию металла на месте и упрощению ремонта на месте. Высокая теплопроводность означает, что тепловая энергия, приложенная к одному участку металла, быстро передается другим участкам. Это позволяет материалу сохранять стабильность, выдерживая более высокие температуры. Однако, чтобы избежать ухудшения качества деталей, алюминий требует сварки с более интенсивным нагревом и с большей скоростью, поскольку тепло отводится быстро.

Варианты сплавов
Если вы решите использовать алюминий для следующего проекта пресс-формы, важно выбрать соответствующий алюминиевый сплав.Сплавы создаются, когда к основному алюминию добавляются такие элементы, как медь, магний и цинк. Каждый добавленный элемент придает индивидуальные полезные свойства, улучшающие алюминий.

Есть две основные классификации алюминиевых сплавов: деформируемые и литые. Деформируемые сплавы сначала отливают в виде заготовок, а затем подвергают механической обработке горячими или холодными методами, такими как прокатка, ковка, экструзия и формование, для достижения желаемых форм. Прокатка используется для производства алюминиевых листов, фольги или пластин; ковка используется для производства сложных форм с превосходными свойствами, а экструзия используется для производства труб или стержней.Литые сплавы непосредственно отливаются в желаемую форму, что делает их хорошо подходящими для применений, связанных со сложными формами.

Деформируемые и литые сплавы далее подразделяются на термически обрабатываемые и нетермообрабатываемые. Термообрабатываемые сплавы содержат легирующие элементы, которые увеличивают прочность и растворимость материала за счет термической обработки, но зона термического влияния (ЗТВ) обычно не будет полностью отожжена, что может повлиять на прочность любого сварного шва. Сплавы без термической обработки упрочняются методами холодной обработки.

Эти классификации являются важными факторами, влияющими на свариваемость и ремонт пресс-формы из алюминиевого сплава. Некоторые материалы лучше подходят для определенных сварочных процессов, поэтому необходимо учитывать и метод сварки, поскольку производитель пресс-форм выбирает оптимальный материал.

Некоторые из наиболее часто используемых в производстве алюминиевых сплавов относятся к семейству 7000. Эти сплавы привлекательны для формовщиков, поскольку они обычно обладают высокой прочностью, сравнимой со сталью, и более долговечны, чем другие серии.Цинк является основным легирующим элементом в этих алюминиевых сплавах, и это в сочетании с другими элементами, такими как магний и медь, способствует тому, что они становятся одними из самых прочных сплавов при температуре окружающей среды. Добавление цинка также делает алюминий поддающимся термообработке, что позволяет проводить дисперсионное твердение — метод нагрева, используемый для увеличения предела текучести. Посредством дисперсионного твердения сплавы серии 7000 могут достигать предела прочности на разрыв до 700 МПа (мегапаскалей), что является самым высоким показателем среди всех алюминиевых сплавов.Термическая обработка наиболее эффективна после того, как легирующие элементы были диспергированы посредством прокатки и ковки. Комбинация всех трех процессов создаст свойства, необходимые для высокопрочного алюминия. Хотя сплавы серии 7000 обладают хорошей усталостной прочностью и обрабатываемостью, они менее устойчивы к коррозии, чем другие алюминиевые сплавы, что делает их подверженными коррозионному растрескиванию под напряжением и, в свою очередь, трудными для сварки.

Другим популярным выбором для изготовления пресс-форм являются сплавы серий 2000, 5000 и 6000.Сплавы серии 2000, как и серия 7000, могут быть подвергнуты дисперсионному упрочнению до прочности, аналогичной стали, за счет добавления меди, но сплавы серии 2000 обладают более низкой коррозионной стойкостью, что делает их еще более уязвимыми к коррозионному растрескиванию под напряжением, чем те, что в серии 7000. Многие сплавы серии 2000 считаются несвариваемыми из-за этой уязвимости.

серии 5000 имеют добавку магния, которая обеспечивает упрочнение твердого раствора и улучшенное деформационное упрочнение, что придает им наивысшую прочность без термической обработки среди алюминиевых сплавов.Однако из-за этих качеств сплавы серии 5000 являются одними из самых сложных и дорогих для экструзии. В основном они изготавливаются в виде листов и пластин и лишь изредка используются в качестве опции для формования.

Алюминий серии 6000 легирован магнием и кремнием, образуя поддающиеся термообработке, прочные и легко экструдируемые сплавы с хорошей коррозионной стойкостью. В то время как сплавы серии 6000 являются одними из наиболее часто используемых для универсального применения, они не могут достичь высокой прочности сплавов серий 2000 и 7000.

Эти другие семейства сплавов обычно производятся на тех же заводах, которые производят заготовки для семейств сплавов серии 7000, однако они не подвергаются прокатке, ковке и термообработке для повышения прочности. Вместо этого эти сплавы непосредственно отливают в их окончательную форму, что позволяет им определять свои свойства, в том числе прочность и свариваемость, на основе состава сплава, а не в процессе производства. Поскольку литые сплавы не нужно сначала подвергать прокатке или ковке в пластины или листы, их можно более экономично использовать для изделий сложной формы.Однако они не будут обладать таким же уровнем прочности, как их свернутые или кованые аналоги. Литые сплавы — популярный выбор для изготовления прототипов, потому что они стоят примерно вдвое дешевле сплава серии 7000, а для прототипа приемлем более слабый сплав. Модифицированный сплав серии 2000 также доступен в катаной или кованой форме, предлагая хороший баланс между прочностью и сварочными характеристиками. Обе формы сплавов легко свариваются в соответствии с их индивидуальными свойствами.

Желательные качества, присущие каждой серии сплавов, будут определять производственные области, для которых они лучше всего подходят.Из-за своей высокой прочности сплавы серии 7000 чаще всего используются для высокопроизводительных применений, таких как аэрокосмическая промышленность, бронетехника и спортивное оборудование. Сравнительно прочные сплавы серии 2000 чаще всего используются в самолетах или аэрокосмической отрасли, в то время как сплавы серии 5000 более свариваются и обладают прочностью, не поддающейся термической обработке, что делает их полезными для различных структурных применений, таких как мосты, здания, грузовики. или составы поездов, судостроение и сосуды под давлением. Сплавы серии 6000 являются самыми легкими и наиболее экономичными для экструзии, что делает их пригодными для сварки, а также для изготовления широкого спектра экструдированных форм.

Варианты сварочной проволоки
Для успешной сварки для разных алюминиевых сплавов требуются разные сварочные проволоки. Характеристики проволоки должны соответствовать характеристикам конкретного сплава, к которому она будет свариваться, а также следует учитывать способность проволоки к сопоставлению цветов, прочность и влияние на ЗТВ. Кроме того, сварочная проволока должна иметь температуру плавления, аналогичную температуре плавления ее основного материала, чтобы сварка была наиболее эффективной.Например, алюминиевые сплавы с более высокой концентрацией магния следует сваривать с присадочным сплавом, который также содержит более высокие уровни магния. Каждая категория сварочной проволоки имеет свой собственный динамический химический состав, который дает более эффективные результаты с алюминиевым сплавом со схожими характеристиками. Помимо повышения эффективности производства, сварочная деформация должна уменьшиться.

Ремонт производственных форм, изготовленных из нескольких сплавов серии 7000, является сложной задачей, поскольку их склонность к горячему растрескиванию или коррозионному растрескиванию под напряжением делает эти сплавы несвариваемыми с использованием методов дуговой сварки.Исключением из этого правила являются экструзионные сплавы 7003 и 7005 и пластинчатый сплав 7039. Сварка подходящих сплавов серии 7000 может быть выполнена с использованием сварочной проволоки из сплава 5356 или 2319, причем обе из них могут создавать беспористые сварные швы приемлемой прочности, которые могут соответствовать целостности алюминиевого сплава. Из этих сварочных проволок чаще всего используется проволока 5356, поскольку она жесткая, обеспечивает приемлемую прочность и непрерывную подачу, а проволока 2319 поддается термообработке и обеспечивает высокую прочность и хорошую пластичность. Проволока 5356 также имеет наполнитель с содержанием магния 5%, который снижает чувствительность к растрескиванию сварных швов.Чем выше количество магния, тем меньше риск растрескивания.

Два завода по производству алюминиевых сплавов серии 7000 помогли разработать запатентованную сварочную проволоку для сплавов, которая предназначена для работы со сплавами серии 7000. Эти продукты еще не широко доступны, но все первые результаты тестирования показывают улучшенное соответствие цветов по сравнению с проводами 2319 и 5356. Однако ЗТВ вокруг зоны ремонта сварного шва, которая является общей для всех термообработанных сплавов во время ремонта, остается проблемой для этих новых проволок.

Проволока 2319 лучше всего подходит для сварки форм из сплавов серии 2000. Деформируемые сплавы серии 2000 могут подвергаться термообработке для достижения их высокой прочности на разрыв, которая может достигать примерно 448 МПа. Они легированы медью, что позволяет улучшить сварочные характеристики. Испытания показали, что проволока 2319 обеспечивает превосходное качество сварки и соответствие цветов, что делает ее наиболее популярным вариантом, когда подбор цвета имеет большое значение. Сплавы серии 2000 из-за их высокого старения и отпуска также более устойчивы к термической усталости, чем их аналоги серии 7000, а это означает, что тепло от сварного шва не приведет к потере прочности свариваемого материала.

Сплавы серии 6000 — это деформируемые термически обрабатываемые сплавы, которые имеют ЗТВ вокруг сварных участков. Подходящей проволокой для сварки алюминиевых сплавов серии 6000 является проволока 4043, которая является одной из наиболее удобных в обращении, имеет более низкую температуру плавления и лучшую текучесть, что делает ее менее чувствительной к растрескиванию сварных швов. Этот тип проволоки подходит для применений, в которых прочность зоны сварки и соответствие цвета наиболее важны. Однако, если основной материал будет анодирован после ремонта, сварочная проволока 5356 является лучшим вариантом и будет обеспечивать гораздо более точное соответствие цвета, потому что 4043 станет темно-серым после анодирования.

Поскольку литые сплавы имеют более прочную структуру зерна, а деформируемые сплавы более пористые, они с большей вероятностью будут демонстрировать более прочный ремонт при сварке. Хорошим выбором для алюминиевых сплавов серии 5000 является сварочная проволока 5356, в то время как проволока 2319 подходит для сплавов серии 2000. Эти проволоки лучше всего сочетаются по цвету со сплавами, потому что они имеют более низкое содержание кремния, сохраняя анодированный серебристый цвет, который хорошо сочетается, а не черный цвет, который является очевидным и непривлекательным. В качестве изделий без термической обработки литые сплавы не имеют ЗТВ вокруг сварного шва, поэтому область сварки не видна на готовой поверхности формы.

Методы ремонта
После выбора правильной проволоки необходимо переключиться на правильную технику сварки сплава для литейной формы. Это самый большой вклад в успешный ремонт сварного шва. Правильная техника требует большего, чем просто сварка; он также должен учитывать условия окружающей среды и предварительный нагрев материала, который удалит конденсат и повысит его свариваемость.

Обычно для сварки алюминия используется переменный ток (AC), однако постоянный ток (DC) может дать лучшие результаты при ремонте литейных сплавов.Переменный и постоянный ток относятся к полярности электрического тока, протекающего через электрод. Выбор электрода с соответствующей полярностью существенно повлияет на прочность и качество сварного шва.

Как упоминалось ранее, когда алюминий подвергается воздействию воздуха, образуется тонкий слой оксида алюминия. Если этот оксидный слой не удалить, это отрицательно повлияет на правильное плавление и текучесть сварного шва. Для удаления этого слоя требуется гораздо более высокая температура, чем температура, необходимая для плавления основного алюминия.Переменный ток течет в одном направлении половину времени, а в другом — вторую половину. Поскольку переменный ток меняет полярность так часто (120 раз в секунду при токе 60 Гц), сначала удаляется оксидный слой, что позволяет основному металлу затем плавиться и плавиться быстрее. Для достижения наилучших результатов необходим равный и сбалансированный ток в обоих направлениях.

Постоянный ток течет только в одном направлении, обеспечивая постоянную полярность. Импульсная сварка постоянным током, при которой дуга колеблется между высоким пиковым и низким фоновым током, сужает ЗТВ и тепло, прикладываемое к основному материалу, сохраняя исходные свойства металла.Использование импульсной сварки на переменном токе делает зону сварки более пористой, а также приводит к плохому цветовому соответствию. Пористость возникает, когда газы захватываются завихрением при сварке при слишком низком сварочном токе. На алюминии сварку следует выполнять быстро, чтобы предотвратить проникновение тепла в основной блок. Если его выполнять слишком медленно, возрастает риск чрезмерного прожога.

По мере увеличения использования алюминиевой оснастки стоимость отдельных деталей будет снижаться, что, в свою очередь, сделает использование алюминиевой оснастки еще более распространенной.Выбор оптимальной сварочной проволоки и методов облегчит потенциально сложные процессы и обеспечит превосходные результаты сварки.

Точная сварка

Clinton Алюминий и нержавеющая сталь

7 вещей, которые следует учитывать при выборе алюминия марки

Опубликовано: 19 января 2015 г.

Алюминий бывает разных форм и марок.Тип сплава алюминия, который вы выберете, в конечном итоге зависит от того, как вы собираетесь его использовать. Ваше предполагаемое использование позволяет ранжировать характеристики каждой степени от наиболее важных до наименее важных. Это поможет вам сузить список подходящих сортов. Например, если свариваемость наиболее важна для вашего проекта, а прочность — нет, возможно, имеет смысл выбрать сплав 1100, поскольку этот сорт алюминия имеет отличную свариваемость, но обычно не используется для высокопрочных приложений или приложений с высоким давлением.

Воспользуйтесь краткой справочной таблицей в конце этой статьи, чтобы быстро и легко найти марку алюминия, которая подходит именно вам.

При выборе марки алюминия учитывайте следующие факторы:

• Формуемость или обрабатываемость
• Свариваемость
• Обработка
• Коррозионная стойкость
• Термическая обработка
• Прочность
• Типовые приложения для конечного использования

Является ли формуемость или технологичность (детализация путем механической деформации) важным фактором?

Является ли свариваемость алюминия важным фактором?

Является ли обработка алюминия важным фактором?

• Сплав 1100 — Хорошая обрабатываемость (лучше всего при закалке)
• Сплав 2011 — отличная обрабатываемость
• Сплав 2024 — удовлетворительная обрабатываемость (лучшее состояние в отожженном состоянии)
• Сплав 3003 — Хорошая обрабатываемость
• Сплав 5052 — Хорошая обрабатываемость (лучше при твердом закалке)
• Сплав 6061 — хорошая обрабатываемость (только температуры T4 и T6)
• Сплав 6063 — удовлетворительная обрабатываемость
• Сплав 7075 — удовлетворительная обрабатываемость (лучшее состояние в отожженном состоянии)

Является ли коррозионная стойкость алюминия важным фактором?

Является ли термообработка алюминия важным фактором?

Является ли прочность алюминия важным фактором?

Типичные области конечного использования алюминия марок:

Краткая справочная таблица — выбор марки алюминия

Заявление об ограничении ответственности: обратите внимание, что эта информация не должна использоваться в целях проектирования, и ни при каких обстоятельствах MSFFC не несет ответственности за любой ущерб, возникший в результате неправильного использования этой информации.

Металлические Супермаркеты

Metal Supermarkets — крупнейший в мире поставщик мелкосерийного металла с более чем 100 магазинами в США, Канаде и Великобритании. Мы эксперты по металлу и обеспечиваем качественное обслуживание клиентов и продукцию с 1985 года.

В Metal Supermarkets мы поставляем широкий ассортимент металлов для различных областей применения. В нашем ассортименте: низкоуглеродистая сталь, нержавеющая сталь, алюминий, инструментальная сталь, легированная сталь, латунь, бронза и медь.

У нас в наличии широкий ассортимент форм, включая стержни, трубы, листы, пластины и многое другое. И мы можем разрезать металл в точном соответствии с вашими требованиями.

Посетите одно из наших 100+ офисов по всей Северной Америке сегодня.

(PDF) Свариваемость алюминиевых сплавов с помощью мощного диодного лазера

161-с

WELDING JOURNAL

ИССЛЕДОВАНИЕ СВАРКИ

Таблица 1, можно установить, что содержание кремния

умеренно способствует увеличению проплавление шва.Таким образом, сплавы 6082 и

2017 имеют более низкое содержание магния

и более высокое содержание кремния, чем 2024. Pro-

Учитывая, что сплавы 6082, 2017 и 2024 имеют одинаковую свариваемость, вычитается, что

меньше Содержание магния компенсируется повышенным содержанием кремния

. Однако, как и влияние содержания цинка

, Si, по-видимому, оказывает гораздо меньшее влияние

, чем магний, на свариваемость алюминиевых сплавов

минимум.

В итоге, порядок свариваемости ob-

для шести алюминиевых сплавов был

следующим образом: 5083> 7075> 2017 = 2024 =

6082> 1050. Магний был

, как считается наиболее влиятельный легирующий элемент на улучшение свариваемости алюминиевых сплавов

минимум. Цинк и кремний

также улучшают свариваемость, хотя

влияние этих последних легирующих элементов кажется ниже, чем магния.

Об этих элементах обычно сообщается, что

уменьшают теплопроводность и температуру плавления

, причем оба эффекта

благоприятны для повышения свариваемости.

Выводы

В данной работе шесть алюминиевых сплавов (1050,

2017, 2024, 5083, 6082 и 7075) были сварены в режиме проводимости

с использованием мощного лазерного диода. Стыковые соединения с высоким проплавлением

могли быть достигнуты

в каждом сплаве при оптимизации экспериментальных условий

.Фактически, были получены сварные швы шести сплавов

с более высоким проплавлением, чем у тех

, о которых ранее сообщалось в режиме проводимости

.

Глубина и ширина полученных

сварных швов были подогнаны к простому математическому уравнению, предложенному авторами. Выражение

позволило оценить глубину сварного шва

для каждого сплава при различных условиях лазерной сварки

, принимая во внимание ac-

, считая только входные значения мощности лазера

и скорости сварки, обеспечивая приемлемую подгонку

к измеренным экспериментальным значениям проницаемости

.

Наконец, свариваемость шести алюминиевых сплавов

minum была сравнена с учетом глубины, формы и объема плавления

, измеренных на сварных швах между валиком и пластиной,

. Порядок свариваемости

, учитывающий как

проникающую способность сварного шва, так и склонность к образованию трещин при затвердевании, составил

: 5083> 7075> 2017 = 2024 = 6082>

1050. Содержание магния. Наблюдается, что

является наиболее влиятельным легирующим элементом

на свариваемость алюминиевых сплавов.Цинк

и кремний также улучшают свариваемость

, хотя и в меньшей степени, чем магний

. Эти элементы уменьшают теплопроводность

и температуру плавления, тем самым повышая сварочную способность алюминиевых сплавов.

Благодарности

Настоящая работа финансово поддержана

Министерством образования и науки

(проект DELATIAL, ссылка MAT2008-

06882-C04-02 и проект LENTEC, исх.PTQ-

09-01-00629) и Хунта Андалусии (pro-

ject SOLDATIA, Ref. TEP-6180). Авторы

хотели бы поблагодарить студентов Xavier Bouchon и

Maëlys Le Coz из Политехнической школы

l’université de Nantes за их активное сотрудничество в этих проектах.

Ссылки

1. Санчес-Амая, Дж. М., Дельгадо, Т.,

Гонсалес-Ровира, Л., и Ботана, Ф. Дж. 2009.

Лазерная сварка алюминиевых сплавов 5083 и 6082

в режиме проводимости.Прил. Серфинг. Sci.

255 (23): 9512–9521.

2. Санчес-Амая, Дж. М., Дельгадо, Т., Де

Дамборенеа, Дж. Дж., Лопес, В., и Ботана, Ф. Дж.

2009. Лазерная сварка образцов AA 5083 диодным лазером высокой мощности

. Sci. Technol. Сварка. Присоединиться. 14 (1):

78–86.

3. Дин Р. Г., Оджо О. А. и Чатурведи,

М. С. 2007. Микроструктура металла сварного шва лазерным лучом в модифицированном иттрием сплаве на основе Ni3Al

с направленной твердостью.Интерметаллиды 15: 1504–1510.

4. Ахтер, Р., Иванчев, Л., и Бургер, Х. П.

2007. Влияние термообработки до / после Т6 на механические свойства

сваренного лазером литого алюминиевого сплава SSM

A356. Мат. Sci. Англ. A – Struct.

447: 192–196.

5. Куо Т. Ю. и Линь Х. С. 2006. Влияние уровня импульса

Nd-YAG-лазера на свойства при растяжении

и формуемость лазерных сварных деталей в автомобильных алюминиевых сплавах

.Мат. Sci. Англ. A – Struct. 416:

281–289.

6. Ян, Дж., Цзэн, X., Гао, М., Лай, Дж., И Лин,

T. 2009. Влияние сварочной проволоки на микроструктуру

и механические свойства 2А12 из алюминиевого сплава

в гибридной сварке CO2-лазером-MIG. Прил.

Прибой. Sci. 255 (16): 7307–7313.

7. Кампана Г., Аскари А., Фортунато А.,

и Тани Г. 2009. Гибридная лазерная сварка MIG

алюминиевых сплавов: влияние защитных газов

.Прил. Серфинг. Sci. 255 (10): 5588–5590.

8. Tobar, MJ, Lamas, IM, Yáñez, A.,

Sánchez-Amaya, JM, Boukha, Z., and Botana,

FJ 2010. Экспериментальные и имитационные исследования

лазерной кондуктивной сварки AA5083 alu-

сплавов. Физика 5: 299–308.

9. Duley, W. W. 1998. Laser Welding, Chapter

3 и 4. Нью-Йорк, Нью-Йорк: John Wiley & Sons.

10. Окон, П., Дирден, Г., Уоткинс, К., Шарп,

М., and French, P. 2002. Proc. 21-е межд. Конг. on

Applications of Lasers and Electro-Optics (ICA-

LEO 2002). Скоттсдейл, Аризона, октябрь 2002 г.,

Laser Institute of America, стр. 233–241.

11. Чжао, Х., Деброй Т. 2001. Сварка

Изменение состава металла во время проводимости

Режим лазерной сварки алюминиевого сплава 5182. Met-

все. Матер. Пер. В 32В: 163–172.

12. Ши, Й., Чжонга, Ф., Ли, Х., Гонг, С., и

Чен, Л.2007. Влияние лазерной сварки на разрывную вязкость

листа из алюминиевого сплава 1420 толщиной

. Мат. Sci. Англ. A – Struct. 465: 153–159.

13. Бассани П., Капелло Э., Коломбо Д., Pre-

Витали Б. и Ведани М. 2007. Влияние параметров процесса

на свойства валика A359 / SiC

ГМК сваренные лазером. Compos. Часть A-Прил. С.

38: 1089–1098.

14. Spina, R., Tricarico, L., Basile, G., и

Sibillano, T.2007. Термомеханическое моделирование

лазерной сварки листов АА5083. J. Mater.

Процесс. Tech. 191: 215–219.

15. Ancona, A., Sibillano, T., Tricarico, L.,

Spina, R., Lugara, PM, Basile, G., and Schi-

avone, S. 2005. Сравнение двух различных noz-

zles для лазерной сварки сплава алюминия

АА5083. J. Mater. Процесс. Tech. 164–165: 971–977.

16. Сибиллано, Т., Анкона, А., Берардия, В.,

Шингаро, Э., Basilea, G., и Lugara, P. M.

2006. Исследование влияния защитного газа на лазерную сварку

алюминиевых сплавов AA5083

с помощью спектроскопических исследований в процессе. Опт.

Лазеры Eng. 44: 1039–1051.

17. Tricarico, L., Spina, R., Sorgente, D., An-

cona, A., Sibillano, T., and Basile, G. 2007. Ex-

, периментальный анализ стыковых соединений AA5083. сваренный

СО2лазером. Key Eng. Мат. 344: 745–750.

18.Haboudou, A., Peyre, P., Vannes, A. B.,

и Peix, G. 2003. Снижение пористости

, возникающей при лазерной сварке Nd: YAG алюминиевых сплавов A356

и AA5083. Мат. Sci. Англ. A–

Struct. 363: 40–52.

19. Абэ Н., Цукамото М., Маеда К.,

Намба К. и Моримото Дж. 2006. Сварка алюминиевого сплава

с использованием мощного прямого диодного лазера

. J. Laser Appl. 18 (4): 289–293.

20. Ховард К., Лоусон, С., и Чжоу, Ю.

2006. Сварка алюминиевого листа с использованием диодного лазера высокой мощности

. Сварочный журнал 85 (5):

101–110.

21. Мартуканиц, Р. П., Ян, Р., Армао, Ф. Г.,

Пикеринг, Э. Р., и Балдантони, А. 1994. Лазерная сварка

лучевой сваркой алюминиевых сплавов для автомобилей

. Труды Международного конгресса автомобильных инженеров

и позиция Ex-

, Общество автомобильных инженеров, SAE

, технический документ 940158.

22. Мартуканиц Р. П. и Смит Д. Дж. 1995.

Разработка процесса лазерной сварки

алюминиевых сплавов. Труды 6-й международной конференции по сварке алюминия

ments. Американское сварочное общество, стр. 309–323.

23. Мартуканиц, Р. П., Альтшуллер, Б.,

Армао, Ф. Г., и Пикеринг, Э. Р. 1996. Проп-

свойства и характеристики лазерных сварных швов

автомобильных сплавов.Материалы Международного конгресса

инженеров автомобильной промышленности

и выставка Общества инженеров автомобильной промышленности

neers, Технический документ SAE 960168.

24. Ван Хорн, К. Р. 1978. Алюминий. Met-

als Park, N.Y .: ASM, pp. 167–177.

25. Сакамото, Х., Шибата, К., и

Даусингер, Ф. 2003. Влияние легирующих элементов

на свойства сварных швов при лазерной сварке СО2 алюминиевых сплавов

минимум. Сварочный журнал 82 (7): 509–513.

26. Луиджендийк Т. 2000. Сварка алюминиевых сплавов диссими-

лар. J. Mater. Процесс. Tech. 103:

29–35.

27. Чен Б. К., Томсон П. Ф. и Чой С.

К. 1992. Компьютерное моделирование микроструктуры

во время горячей плоской прокатки алюминия. Матер. Sci.

Тех. 8: 72–77.

28. Ahmed, H., Wells, MA, Maijer, DM,

Howes, BJ, and van der Winden, MR 2005.

Моделирование эволюции микроструктуры во время

горячей прокатки AA5083 с использованием внутреннего состояния

вариативный подход, интегрированный в модель FE.

Мат. Sci. Англ. A – Struct. 390 (1-2): 278–290.

29. Чжао, Х., Уайт, Д. Р., и Деброй, Т.

1999. Текущие проблемы и проблемы лазерной сварки

автомобильных алюминиевых сплавов. Int.

Матер. Ред. 44 (6): 238–266.

30. www.esabna.com/us/en/education/knowl-

edge / qa /. Как и почему в алюминий добавляют легирующие элементы

. Автор: Т. Андерсон, ESAB,

2010.

31. Чжан Ю., Ван X. и Ву Дж.2009.

Международная конференция по электронной упаковке —

ing Technology & High Density Packaging

(ICEPT-HDP), стр. 708–712.

Sanchez-Amaya Май 2012 автор corr_Layout 1 4/13/12 9:32 AM Страница 161

Контроль фазы с помощью наночастиц для дуговой сварки несвариваемого алюминиевого сплава 7075

Результаты дуговой сварки

Присадочный пруток AA7075, обработанный нанотехнологиями, был изготовлен путем включения 1,7 об.% наночастиц TiC 40–60 нм в AA7075 с использованием включения наночастиц с помощью соли и горячей экструзии (см. Методы).Основным преимуществом этого процесса производства перед присадочными стержнями с покрытием из частиц или присадочными трубками с ядром из наночастиц является состояние, в котором наночастицы вводятся в ванну расплава во время сварки. За счет включения диспергированных наночастиц в алюминиевую матрицу до фактического процесса сварки переход арматуры в зону плавления становится более эффективным. В целях сравнения мы провели эксперименты по дуговой сварке с использованием стандартного наполнителя AA5356 (Al-5Mg), чистого наполнителя AA7075 и нашего обработанного нанотехнологиями стержня AA7075 для сплавления двух листов AA7075 размером 152.4 × 76,2 × 3,175 мм каждый, как показано на рис. 1а (см. Методы). Сварные швы, выполненные с использованием этих трех различных присадочных материалов, показаны на рис. 1b – d. Следует отметить, что параметры сварного шва с относительно высоким подводимым теплом и относительно низкой скоростью сварки были выбраны для увеличения термического напряжения, а также усадки при затвердевании и, таким образом, демонстрируют влияние присадочных материалов на склонность к трещинам затвердевания.

Дуговая сварка вольфрамовым электродом в газовой среде (GTAW) AA7075. a Два листа AA7075 152,4 × 76,2 × 3,175 мм были сварены дуговой сваркой с использованием трех различных типов присадочных материалов для сварного шва (фиолетовый). b и c Макроскопические трещины затвердевания в зонах плавления валика в сварных швах, выполненных с использованием обычных присадочных материалов AA7075 и ER5356, соответственно. d При использовании AA7075 + 1,7 об.% TiC в качестве присадочного материала сварной шов получается ровный сварной шов без признаков растрескивания. Шкала 10 мм

На рис. 1b показан сварной шов, выполненный с использованием чистого присадочного материала AA7075.Непрерывная макроскопическая трещина на центральной линии соединения указывает на склонность AA7075 к растрескиванию при затвердевании при сварке плавлением. Сварка, выполненная с использованием ER5356, показана на рис. 1c. Этот тип наполнителя обычно используется для уменьшения возникновения трещин при затвердевании при сварке материалов, менее подверженных растрескиванию, таких как AA6061 и AA7005. Тем не менее, в нашем эксперименте эффект этого присадочного материала был неудовлетворительным и не подавлял растрескивание при затвердевании в AA7075.Соединение показало ту же картину ошибок, что и на рис. 1b. Третий сварной шов, выполненный с наноразмерным присадочным материалом AA7075, показал удивительно иную картину. Шайба, показанная на рис. 1d, не имела макроскопических дефектов и была сварена с теми же параметрами, что и два обычных присадочных материала.

Влияние наночастиц на морфологию зерен в зоне плавления

Чтобы лучше понять эти результаты, мы провели исследования микроструктуры с использованием оптической микроскопии (ОМ) и реагента Века, чтобы выявить морфологию зерен различных зон плавления.На рис. 2а очевидны недостатки сварки AA7075 с аналогичным присадочным материалом.

Оптический микроскоп: характеристика горизонтальных поперечных сечений сварных швов в плоскости свариваемых опорных пластин, как показано на рис. 1. a , c и e Морфология зерна выполненных сварных швов с AA7075, ER5356 и наночастицами AA7075 в качестве наполнителя соответственно. Черные пунктирные линии обозначают линию сплавления зоны плавления (MZ) и зоны частично плавления (PMZ), а белые пунктирные линии указывают на переход криволинейного роста зерна, прилегающего к линии сплавления, и столбчатый, следящий за ростом зерна в центре сварного шва. . b Дендрит произошел от линии слияния. d Столбчатые зерна в центральной части сварного шва. f Шаровидные зерна в MZ нанообработанного сварного шва AA7075. Шкала 200 мкм для a , c , e , 50 мкм для b , d , 10 мкм для f

Из-за широкой полутвердой зоны сплава и нелинейности кривая зависимости твердой фракции от температуры, зона плавления затвердевает в виде больших дендритов, следуя за подводимым теплом.На вставке рис. 2b показаны изогнутые дендритные зерна, прилегающие к линии сплавления, со средним размером 116,5 ± 68,7 мкм, в то время как ближе к центральной линии сильно дендритные зерна достигают длины в сотни микрометров. Во время затвердевания эти дендриты образуют канавки с жидкостью, в которые должна поступать жидкость из МЗ, постепенно переходя из жидкого состояния в твердое. Если эти канавки путем самопроизвольного зарождения на входе или слияния фронтов затвердевания отсекаются от MZ, оставшаяся жидкая фракция образует карман.Объемная усадка захваченной жидкости вызовет перпендикулярное напряжение относительно направления сварки. Если давление внутри этой траншеи падает ниже давления кавитации, образуется пустота, инициирующая трещину, которая следует за MZ. Было обнаружено, что это явление сильно зависит от скорости затвердевания производственного процесса ²⁶ .

На рис. 2с показана зона плавления, приваренная присадочным прутком ER5356. Было обнаружено, что размер зерна, прилегающего к линии плавления, уменьшается в среднем до 70.5 ± 44,5 мкм, в то время как столбчатый рост дендритных зерен, показанный на вставке рис. 2d, остается аналогичным сварному шву, выполненному с присадочным материалом AA7075. Целью сварки с разными присадочными материалами является сильное разбавление чувствительного к трещинам основного материала менее чувствительным к трещинам присадочным материалом. Однако при таком подходе необходимо пойти на несколько компромиссов. При разбавлении зоны плавления разнородными присадочными сплавами концентрация упрочняющих компонентов сплава AA7075 уменьшается. Это приводит к снижению прочности после сварки, а также к снижению чувствительности к термообработке после сварки.Кроме того, использование этих присадочных стержней увеличивает вероятность ликвационного растрескивания. Kou et al. обнаружили, что обычные алюминиевые сплавы-наполнители, такие как ER5356, вызывают затвердевание зоны плавления раньше, чем зона частично плавления, прилегающая к ванне расплава. Точнее, твердая фракция состава ванны расплава становится больше, чем твердая фракция чистого AA7075 в зоне частично расплавленного металла при той же температуре. Это вызывает растяжение ослабленного PMZ по направлению к центру ванны расплава и в конечном итоге приводит к ликвационным трещинам ²⁷ .Этот режим разрушения не наблюдался в этом исследовании из-за снятия напряжения, вызванного растрескиванием при затвердевании.

С нашим нанообработанным присадочным материалом был успешно реализован альтернативный подход, который потенциально может коренным образом изменить механизмы затвердевания материала, что позволяет выполнять сварку плавлением AA7075 без каких-либо из вышеупомянутых недостатков. На рис. 2д показано горизонтальное поперечное сечение шва, сваренного с использованием AA7075, обработанного присадочным прутком с 1,7 об.% TiC.Рисунок 2e показывает однородную морфологию зерна по всей MZ, сильно отличающуюся от ранее представленных традиционных сварных швов. Зерна сильно равноосны, средний размер 9,4 ± 5,0 мкм, границы зерен гладкие. Однако при добавлении наночастиц эпитаксиальное зародышеобразование на границе раздела жидкость-твердое тело остается благоприятным. В процесс затвердевания вводятся несколько полезных механизмов, вызывающих эту особую морфологию зерна. Во-первых, присутствие TiC замедляет фронт затвердевания и, следовательно, снижает скорость роста дендритных зерен, происходящих на границе раздела жидкость-твердое тело.Замедленный рост зерен делает возможным образование области, прилегающей к границе раздела, с повышенным переохлаждением, где присутствие наночастиц добавляет гетерогенное зародышеобразование к процессу затвердевания. Этот эффект усиливается для алюминия и TiC, имеющих фактор рассогласования решеток 5,8%, что указывает на полную эпитаксию зерна алюминия, зарождающегося на поверхности наночастиц ²⁸ . Наконец, наночастицы изменяют внешний вид этих неоднородно зародышевых зерен. Как недавно было показано Guo et al., наночастицы оказывают сильное влияние на рост равноосных дендритных зерен ¹⁹ . Авторы заметили, что наночастицы SiC модифицировали структуру α-зерен в сплаве Mg-25Zn-7Al, давая почти глобулярные зерна, похожие на внешний вид зерен, показанный на вставке рис. 2f. Это отсутствие направленного роста дендритных зерен является важным показателем преимуществ, которые наносыпученные присадочные материалы привносят в процесс сварки алюминиевых сплавов, подверженных образованию горячих трещин. Кроме того, использование аналогичного наполнителя исключает возникновение ликвационного крекинга.

Модификация вторичной фазы AA7075

Чтобы лучше понять влияние наночастиц TiC на поведение затвердевания AA7075, были использованы сканирующая электронная микроскопия (SEM) и просвечивающая электронная микроскопия (TEM) для исследования морфологии вторичной фазы зон плавления, сваренных с чистый AA7075 и наноразмерный наполнитель AA7075. На рис. 3а показано типичное распределение вторичной фазы в зоне плавления чистого AA7075. Как видно на изображениях ОМ, появление вторичной фазы в чистом алюминиевом сплаве указывает на дендритное затвердевание зерен α-алюминия.В центре сварного шва этот режим затвердевания приводит к относительно длинным и непрерывным сегрегациям на границах зерен в направлении сварки.

СЭМ-характеристика горизонтальных поперечных сечений сварных швов, представленных на рис. 2, зон плавления чистого AA7075 и наночастиц AA7075. a и c Микроструктура вторичной фазы зоны плавления, сваренной с присадочным материалом AA7075. b , d и e Модифицированная вторичная фаза из сплава AA7075, сваренная с нанообработанным присадочным материалом. f Образец просвечивающего электронного микроскопа, показывающий поперечное сечение модифицированной вторичной фазы с помощью наночастиц наполнителя. г Типичное электронно-микроскопическое изображение границы раздела между наночастицей TiC и вторичной фазой (обозначено как MgZn ₂ ) с высоким разрешением. ч Фурье-фильтрованное изображение ПЭМ высокого разрешения, соответствующее g . Масштабные линейки, 10 мкм в a , b , 1 мкм в c , d , e , f и 2 нм в g , h

Как указано ранее, рост дендритных зерен нежелателен, так как он может вызвать макроскопические или микроскопические полости и трещины.Кроме того, такие непрерывные продольные особенности вторичной фазы приводят к тому, что MZ имеет низкую прочность на растяжение перпендикулярно направлению сварки. При большем увеличении на рис. 3с наблюдается, что вторичная фаза чистого сплава затвердевает в больших эвтектических областях Mg (Zn, Cu, Al) ₂ , особенно в тройных стыках границ зерен. На рис. 3б показана типичная вторичная фаза в присутствии наночастиц TiC. Здесь вторичная фаза сегментирована, а ее фрагменты ориентированы случайным образом, более мелкие и более короткие, чем ее аналоги в чистом сплаве.На рис. 3d показаны области локально более крупных интерметаллидов в зоне плавления, обработанной наночастицами. Здесь продвигающиеся границы зерен накапливают TiC на конечных стадиях затвердевания, что приводит к локально более высокому объемному процентному содержанию наночастиц во вторичной фазе. Таким образом, возникновение и размер эвтектических особенностей резко сократились. На вставке рис. 3д показана одна из немногих пластинчатых фаз Mg (Zn, Cu, Al) ₂ , образующихся во время затвердевания. Наночастицы изменили его регулярный пластинчатый узор, разорвав связи внутри структуры.Эти данные согласуются с пониженной склонностью к растрескиванию в зоне плавления. Более мелкие, беспорядочно ориентированные сегрегации и уменьшенный размер разделенных эвтектических элементов в сочетании с круглыми и равноосными зернами предполагают высокую текучесть вторичной фазы вплоть до конечной стадии затвердевания. Следовательно, захват жидких карманов вторичной фазы, которые ответственны за растрескивание при затвердевании, маловероятен.

Чтобы четко выявить границу раздела между наночастицами TiC и вторичными фазами Mg (Zn, Cu, Al) ₂ , был использован анализ ПЭМ в атомном масштабе.На рис. 3f показано СЭМ-изображение образца ПЭМ, вырезанного из наночастиц эвтектики Mg (Zn, Cu, Al) ₂ , содержащих наночастицы TiC. Как показано на рисунке, наблюдается, что большинство наночастиц TiC остается либо внутри вторичной фазы, либо на границе между матрицей Al и фазой Mg (Zn, Cu, Al) ₂ . Это указывает на то, что наночастицы TiC предпочитают оставаться в фазах Mg (Zn, Cu, Al) ₂ во время затвердевания и эффективно изменять размер, форму и распределение вторичных фаз в MZ.На рисунке 3g показана типичная граница раздела между наночастицами TiC и вторичной фазой. Рисунок 3h — это ПЭМ-изображение с атомным разрешением, прошедшее фильтр Фурье, соответствующее рисунку 3g. Наблюдаемая вторичная фаза была идентифицирована как фаза MgZn ₂ по ее атомной структуре. Как показано на рис. 3h, плоскости (11 \ (\ bar 20 \)) и (1 \ (\ bar 2 \) 10) MgZn ₂ были идентифицированы под углом 120 °. Фаза MgZn ₂ ориентирована по направлению к оси зоны [0001]. Кроме того, плоскости (111), (\ (\ bar 1 \) 11) и (200) наночастиц TiC идентифицированы и отмечены в атомной структуре.Наблюдаемая наночастица TiC ориентирована по направлению к оси зоны \ ([01 \ bar 1] \). Плоскости (111) TiC параллельны плоскостям (11 \ (\ bar 20 \)) MgZn ₂ . Плоскости (\ (\ bar 1 \) 11) TiC имеют угол примерно 10 ° между плоскостью (1 \ (\ bar 2 \) 10) MgZn ₂ . Планарные расстояния (\ (\ bar 1 \) 11) TiC и (1 \ (\ bar 2 \) 10) MgZn ₂ составляют 0,2499 нм и 0,2609 нм соответственно. Таким образом, рассогласование на границе раздела TiC-MgZn ₂ рассчитано приблизительно равным 5.6%, что указывает на полукогерентный интерфейс. Хорошее соответствие решеток также объясняет, почему наночастицы TiC имеют тенденцию присоединяться к вторичной фазе MgZn ₂ и эффективно изменять MgZn ₂ для улучшения качества сварки.

Термический анализ процесса затвердевания

Чтобы лучше интерпретировать изменения, которые наночастицы TiC вносят в морфологию α-зерна AA7075 и морфологию вторичной фазы, образцы зон плавления соединений, сваренных с использованием чистого и наночищенного присадочного стержня AA7075, были проанализированы с использованием дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК). ).При сравнении двух кривых охлаждения на рис. 4а пики тепловыделения при зарождении α-зерен существенно различаются. Кривая, представляющая чистый материал, показывает крутое увеличение и крутое уменьшение до и после достижения его первого минимума. Это указывает на хорошо изученный взрывной рост α-зерен после их успешного зарождения. Напротив, амплитуда α-пика наноразмерного образца примерно на 20% ниже, в то время как наклон после достижения максимума оказывается менее крутым. Это говорит о том, что рост альфа-зерен наноразмерного сплава замедлился, как предполагалось ранее, что привело к более непрерывному зародышеобразованию.

Анализ ДСК зон плавления чистого AA7075 и наночастиц AA7075. a Кривые охлаждения ДСК, показывающие нормированный тепловой поток образцов зоны плавления, взятых из соединений, сваренных с использованием присадочного материала AA7075 и нанообработанного присадочного материала AA7075. b Кривые зависимости твердой фракции от температуры, полученные из результатов ДСК

Сравнивая кривые твердой фракции, полученные из кривой теплового потока, показанной в 4b , это явление становится более очевидным.Резкая точка поворота на кривой твердой фракции чистого образца характерна для неблагоприятных механизмов затвердевания материала. Для образца, сваренного с наполнителем, содержащим 1,7 об.% TiC, эта точка оборота сглаживается и показывает непрерывный рост зерна до критических конечных стадий затвердевания, на которых начинается растрескивание при затвердевании. Кроме того, начало зародышеобразования вторичной фазы задерживается почти на 12 ° C для сплава, обработанного наночастицами. Эта задержка в сочетании с закрепленным и ограниченным ростом α-зерен подтверждает теорию улучшенной текучести жидкого расплава в процессе затвердевания в зоне плавления.

Механические свойства

Для демонстрации влияния нанообработанного присадочного материала AA7075 на механические свойства сварного шва были проведены испытания на микротвердость и растяжение. Чтобы подчеркнуть превосходные характеристики этого присадочного материала по сравнению с обычным присадочным материалом ER5356, карты микротвердости поперечного сечения для сварных швов, выполненных с использованием присадочного материала ER5356 и наночастиц AA7075, показаны на рис. 5a. Высокая микротвердость зоны плавления последнего в состоянии после сварки по сравнению с обычным присадочным прутком может быть объяснена измененным химическим составом и общеизвестными механизмами упрочнения в нанокомпозитах с металлической матрицей, такими как эффект Холла-Петча ²⁹ и Орован усиление ³⁰ .Поскольку параметры поддерживались постоянными для всех экспериментов по сварке, следует также отметить, что деградация PMZ и HAZ снижается при сварке с наноразмерным присадочным материалом. Объяснение этому можно найти в исследовании Ма нанокомпозитов никеля, обработанных лазером ¹⁸ . Несмотря на то, что в текущем исследовании только зона плавления содержит наночастицы, ожидается, что изменение вязкости и теплопроводности зоны плавления приведет к изменению теплового потока в системе.

Механические свойства нанообработанных сварных швов AA7075. a Испытания на микротвердость проводились по средней линии поперечных вертикальных сечений. На графике сравниваются значения твердости по Виккеру сварных швов, выполненных с присадочным материалом ER5356 и нанообработанным присадочным материалом AA7075 в условиях термообработки после сварки и после сварки. b слева направо, синие полосы показывают выбор обычно сваренных GTAW высокопрочных алюминиевых сплавов ^{36, 37} , AA7075, сваренных с присадочным материалом ER5356. ¹¹ и AA7075, сваренных с нанообработанным присадочным материалом AA7075.Красные столбцы показывают модифицированную непрямую электродуговую сварку AA7075 (MIEA) с ER5356 в качестве присадочного материала ³⁸ и AA7075, сваренные с наноразмерным присадочным материалом AA7075 после такой же PWHT. Полосы ошибок показывают s.d. из 4 испытанных образцов

Дополнительное важное преимущество нанообработанного присадочного материала AA7075 становится очевидным при сравнении результатов микротвердости двух образцов после термообработки после сварки (см. Методы). Поскольку стержень из нанокомпозитного наполнителя имитирует химический состав основного материала, зона плавления становится полностью термообработанной и даже превышает уровень твердости основного материала из-за армирования наночастицами.Кроме того, закрепляющий эффект наночастиц ограничивает рост зерна в зоне плавления во время термообработки, в результате чего размер зерна после термообработки составляет 13 ± 6,2 мкм. Напротив, при сварке обычного ER5356 в виде V-образной канавки только около 20% упрочняющих легирующих компонентов основного материала растворяется в зоне плавления. Следовательно, увеличение твердости в пределах MZ после термообработки гораздо менее значимо.

Для дальнейшего изучения применимости этого присадочного материала из сварного шва были вырезаны поперечные растягивающие стержни и испытаны в состоянии после сварки и после термообработки.На рис. 5b показан выбор сварных высокопрочных алюминиевых сплавов, а также результаты настоящего исследования. Для случая после сварки предел прочности на разрыв достиг максимума 392 МПа (в среднем 376 ± 15 МПа) при удлинении на 1,5%, что значительно выше, чем свойства при растяжении, указанные при использовании обычного ER5356.

Хотя PMZ могла бы быть обозначенной зоной разрушения, учитывая ее твердость, образец разрушился в зоне плавления. Улучшение механических характеристик можно ожидать, если уменьшить количество сварочных дефектов и оптимизировать общие параметры сварки.

Как уже указывалось на микротвердости поперечного сечения, истинное достоинство наноразмерного наполнителя в отношении механических свойств становится очевидным при термообработке стержней на растяжение до состояния Т6. Испытания на растяжение термообработанного образца достигли предела прочности при растяжении 551 МПа (в среднем 531 ± 19 МПа), что находится в пределах 93% от деформируемого значения ³¹ AA7075-T6 при удлинении 5,21%. Примечательно, что образец, демонстрирующий наивысшие свойства при растяжении, разрушился в начале калибра стержня на растяжение на большом расстоянии от MZ и PMZ.Это указывает на то, что при термообработке полученное сварное соединение, возможно, будет таким же прочным, как и исходный деформируемый материал. Сводные данные о пределе прочности на растяжение в поперечном направлении сварных швов AA7075, подвергнутых нанообработке, по сравнению с сваркой AA7075, сваренной с присадочным материалом ER5356 и другими обычно свариваемыми алюминиевыми сплавами, можно найти на рис. 5b.

Сварка алюминиевых сплавов

Особые свойства, влияющие на сварку, — это его оксид. характеристики, его тепловые, электрические и немагнитные характеристики, отсутствие изменения цвета при нагревании и широкий диапазон механических свойств и температур плавления, который в результате сплавления с другими металлами…

Алюминий и его сплавы можно соединить большим количеством способов, чем любой другой металл, но алюминий имеет несколько химических и физических свойств, которые необходимо понять при использовании различных процессов соединения.

Специфические свойства, влияющие на сварку, — это его оксидные характеристики, тепловые, электрические и немагнитные характеристики, отсутствие изменения цвета при нагретый, а также широкий диапазон механических свойств и температур плавления, которые в результате сплавления с другими металлами.

Оксид. Оксид алюминия плавится примерно при 2050 ° С ^o ° C, что намного выше чем температура плавления основного сплава. Если оксид не удален или не вытеснен, результат — неполное слияние. В некоторых процессах соединения хлориды и фториды используются для удаления оксида. Хлориды и фториды должны быть удаляется после операции соединения, чтобы избежать возможной проблемы с коррозией в услуга.

Растворимость в водороде. Водород очень быстро растворяется в расплавленном алюминии. Однако водород почти не растворяется в твердом алюминии, и он был определено как основная причина пористости в сварных швах алюминия. Высокие температуры сварочной ванны позволяют абсорбировать большое количество водорода, а также затвердевает, растворимость водорода сильно снижается. Водород, превышающий эффективный предел растворимости образует газовую пористость, если он не выходит из затвердевающий сварной шов.

Электропроводность. Для дуговой сварки важно, чтобы алюминий сплавы обладают высокой электропроводностью — у чистого алюминия 62% от чистого алюминия. медь. Высокая электропроводность позволяет использовать пистолеты с длинными контактными трубками, потому что резистивный нагрев электрода не происходит, как это происходит с электроды из черных металлов.

Тепловые характеристики. Теплопроводность алюминия около 6 раз больше стали.Хотя температура плавления алюминиевых сплавов составляет значительно ниже, чем у ферросплавов, требуются более высокие тепловыделения для сваривать алюминий из-за его высокой удельной теплоемкости.
Высокая теплопроводность делает алюминий очень чувствительным к колебаниям тепла. ввод сварочного процесса.

Формы алюминия. Большинство форм алюминия можно сваривать. Все кованые формы (листы, плиты, штампы, поковки, стержни, стержни и ударные штампы), а также можно сваривать как в песчаные формы, так и в постоянные формы.Сварка на обычных литье под давлением создает чрезмерную пористость как в сварном шве, так и в основном металле рядом со сварным швом из-за внутреннего газа. Однако вакуумное литье под давлением была сварена с отличными результатами. Детали порошковой металлургии (P / M) также могут пострадать от пористости при сварке из-за внутреннего газа.
Состав сплава — гораздо более важный фактор, чем форма в определение свариваемости алюминиевого сплава.

Критерии выбора присадочного сплава

При выборе оптимального присадочного сплава необходимо учитывать область применения (конечное использование) сварного деталь и ее желаемые характеристики должны быть первоочередными соображениями.Многие сплавы и Комбинации сплавов могут быть соединены с использованием любого из нескольких присадочных сплавов, но только один наполнитель может быть оптимальным для конкретного применения.

При выборе присадочного сплава для сварки обычно учитываются следующие основные факторы:

• Легкость сварки
• Прочность сварного шва на растяжение или сдвиг
• Пластичность сварного шва
• Рабочая температура
• Коррозионная стойкость
• Соответствие цвета сварного шва и основного сплава после анодирования
• Чувствительность к растрескиванию сварного шва.

Простота сварки — это первое, на что обращают внимание на большинство сварочных работ. В Как правило, нетермообрабатываемые алюминиевые сплавы можно сваривать с присадочным сплавом. того же основного состава, что и базовый сплав.

Термически обрабатываемые алюминиевые сплавы несколько более сложны в металлургическом отношении и более чувствителен к «горячим коротким» трещинам, возникающим в зоне термического влияния (HAZ) ликвидация при сварке.Как правило, разнородный сплав наполнитель с более высоким содержанием растворенных веществ (например, медь или кремний) используется в Это дело.

• Высокочистые сплавы серий 1ххх и 3003 легко свариваются с основным сплавом. наполнитель, сплав 1100 или наполнитель из сплава алюминия и кремния, например 4043.
• Сплав 2219 демонстрирует лучшую свариваемость среди основных сплавов серии 2ххх и является легко сваривается с присадками 2319, 4043 и 4145.
• Алюминий-кремний-медный присадочный сплав 4145 обеспечивает наименьшую восприимчивость к растрескивание сварных швов деформируемыми медными подшипниковыми сплавами серии 2ххх, а также отливки из алюминиево-медных и алюминиево-кремний-медных алюминиевых сплавов
• Растрескивание сварных швов из алюминиево-магниевого сплава уменьшается по мере того, как магний содержание сварного шва увеличивается выше 2%.
• Базовые сплавы серии 6xxx легче всего свариваются с алюминиево-кремниевым сплавом. типа присадочных сплавов, таких как 4043 и 4047. Однако алюминиево-магниевый тип присадочные сплавы также могут удовлетворительно использоваться с подшипником с низким содержанием меди 6xxx сплавы, когда требуются более высокая прочность на сдвиг и пластичность металла шва.
• Сплавы серии 7xxx (алюминий-цинк-магний) демонстрируют широкий диапазон трещин. чувствительность при сварке. Сплавы 7005 и 7039 с низким содержанием меди (

  Сварочные процессы

  Процесс GTAW (газовая дуговая сварка) использовался для сварки толщиной от От 0,25 до 150 мм и может использоваться во всех положениях сварки.Потому что это относительно медленный, он очень маневренный для сварки труб, трубопроводов различной формы. Это обеспечивает превосходный контроль проплавления и позволяет производить сварные швы с отличной прочностью. Кратеры окончания сварки могут быть легко заполнены, поскольку ток снижается с помощью ножная педаль или электронное управление.

  Процесс ac — GTAW обеспечивает действие дуговой очистки для удаления поверхности оксида во время положительного электрода половины цикла и проникающей дуги, когда электрод работает с отрицательной полярностью.

  Постоянный ток — процесс GTAW. Постоянный ток отрицательной полярности может быть применяется для сварки алюминия ручным и механизированным способом.

  Другие процессы дуговой сварки включают дуговую сварку в среде защитного металла (SMAW), т.к. а также электрошлаковая и электрогазовая сварка (ESW, EGW). SMAW со стержнями, покрытыми флюсом был в значительной степени заменен процессом GMAW.

  В процессе кислородно-газовой сварки (OFW) используется флюс или оксиацетилен. или пламя кислородно-водородного газа.Когда используется кислородно-ацетиленовое пламя, немного снижается требуется пламя, которое вызывает углеродистые отложения, закрывающие сварной шов и замедляет скорость движения.

  Электронно-лучевая сварка (EBW) в вакуумной камере дает очень глубокую, узкий проплав при высоких скоростях сварки.