כחומר מתכת הנדסי שעלה במהירות בשנים האחרונות, נעשה שימוש נרחב בסגסוגת אלומיניום בתעופה וחלל, רכב, ספינות ותחומים אחרים בשל הצפיפות הנמוכה שלה, חוזק ספציפי גבוה וקשיחות ספציפית ועמידות טובה בפני קורוזיה. .
עם זאת, סדרה של בעיות כגון יכולת ריתוך לקויה וביצועים גרועים של השכבה היוצרות בריתוך מגבילות את הפיתוח של חלקי מבנה מסגסוגת אלומיניום. לכן, טכנולוגיית ריתוך סגסוגת אלומיניום הפכה לאחד מכיווני המחקר העיקריים של חוקרים רבים מבית ומחוץ.
סקירת ביצועים של סגסוגת אלומיניום
אלומיניום הוא חומר מתכת קל מאוד עם צפיפות של 2.7 גרם/סמ"ק בלבד, שהם כ-36 אחוז מצפיפות הפלדה. סגסוגת אלומיניום משמשת לייצור חלקים מכניים, שיכולים להפחית משמעותית משקל ולהשיג את ההשפעות של משקל קל, חיסכון באנרגיה והפחתת פליטות.
החוזק הספציפי והקשיחות הספציפית של סגסוגת אלומיניום גבוהים מ-45 פלדה ופלסטיק ABS. השימוש בחומרי סגסוגת אלומיניום תורם לייצור רכיבים אינטגרליים בעלי דרישות קשיחות גבוהות.
לסגסוגת אלומיניום מוליכות תרמית מעולה, מוליכות חשמלית ועמידות בפני קורוזיה. פרמטרי הביצועים של סגסוגת אלומיניום A380 וחומרים אחרים מוצגים בטבלה 1.
לסגסוגת אלומיניום יש יכולת עיבוד טובה ומיחזור. אם מניחים שמקדם התנגדות החיתוך של סגסוגת המגנזיום הכי קלה לחתוך הוא 1, התנגדות החיתוך של מתכות אחרות מוצגת בטבלה 2. ניתן לראות שהתנגדות החיתוך של סגסוגת אלומיניום קטנה מזו של נחושת וברזל. וחומרים אחרים, ותהליך החיתוך קל יחסית.
מאפייני ריתוך מסגסוגת אלומיניום
מושפע מהתכונות הפיזיקליות והכימיות של סגסוגות אלומיניום, ישנם קשיים מסוימים בתהליך הריתוך. לריתוך סגסוגת האלומיניום הנוכחי יש בעיקר את הבעיות הבאות: מתח תרמי, אידוי אבלציה, תכלילים מוצקים, קריסת נקבוביות וכו':
מתח תרמי
לסגסוגות אלומיניום יש מקדם התפשטות תרמית גבוה יותר ומודול גמישות קטן יותר. במהלך תהליך הריתוך, בשל העיוות הגדול ומקדם ההתפשטות הליניארי הגדול של סגסוגת האלומיניום, קצב התכווצות הנפח במהלך ההתמצקות הוא כ-6 אחוזים, וקצב הקירור וקצב ההתגבשות העיקרי של הבריכה המותכת מהירים, וכתוצאה מכך מתח פנימי של הריתוך והקשיחות של המפרק המרותך. גדול יותר, קל לגרום ללחץ פנימי גדול יותר במפרק סגסוגת האלומיניום, מה שגורם ללחץ ועיוות ריתוך גדולים יותר, ויוצרים פגמים כגון סדקים ועיוות גל.
אידוי אבלציה
לאלומיניום יש נקודת התכה של 660 מעלות ונקודת רתיחה של 2647 מעלות, שהיא נמוכה יותר מיסודות מתכת אחרים כמו נחושת וברזל. במהלך תהליך הריתוך, אם טמפרטורת הריתוך גבוהה מדי, קל לגרום לפיצוץ וליצור ניתזים, במיוחד בריתוך קרן באנרגיה גבוהה, כפי שמוצג באיור 1. בנוסף, חלק ממרכיבי הסגסוג הוספו לסגסוגת האלומיניום בעלי נקודת רתיחה נמוכה, שקל מאוד לאידוי ולצריבה בטמפרטורה הגבוהה המיידית של הריתוך, וההתזה שנוצרת מהפיצוץ גם תסיר חלק מטיפות הנוזל, מה שמשנה בהכרח את אזור הריתוך. ההרכב הכימי אינו תורם לוויסות הביצועים של המפרק המרותך. לכן, על מנת לפצות על אבלציה בטמפרטורה גבוהה, משתמשים לעתים קרובות בחוטי ריתוך או חומרי ריתוך אחרים בעלי נקודת רתיחה גבוהה יותר מאשר המתכת הבסיסית במהלך הריתוך.
הכללה מוצקה
התכונות הכימיות של האלומיניום פעילות מאוד ומתחמצנות בקלות. במהלך תהליך הריתוך, פני השטח של סגסוגת האלומיניום מתחמצנים ליצירת Al2O3 עם נקודת התכה גבוהה (כ-2050 מעלות צלזיוס, בעוד שנקודת ההיתוך של האלומיניום היא 660 מעלות צלזיוס, וזה שונה מאוד). התחמוצות צפופות ובעלות קשיות גבוהה, והן מעורבות בנוזל הסגסוגת המותכת בצפיפות נמוכה באזור הבריכה המותכת, שקל ליצור סיגים מוצקים עדינים וקשה לפרוק, מה שלא רק משפיע על מבנה הריתוך, אלא גם מייצר בקלות קורוזיה אלקטרוכימית, שתגרום לירידה בתכונות המכניות של המפרקים המרותכים, ו-Al2O3 מכסה את הבריכה והחריץ המותכים, מה שמשפיע באופן רציני על ריתוך סגסוגות ומפחית את המבנה המיקרו ואת המאפיינים של המפרקים המרותכים.
קריסת סטומטלית
נקודת ההיתוך של סגסוגת האלומיניום נמוכה בהרבה מזו של התחמוצת שלה, והטבע שלה תוסס וקל לחמצן. במהלך תהליך הריתוך, סגסוגת האלומיניום יוצרת בריכה מותכת עקב התכה בטמפרטורה גבוהה. האלומיניום על פני הבריכה המותכת מתחמצן ליצירת סרט תחמוצת, המכסה את הבריכה המותכת במצב מוצק. מכיוון שצבעו של סרט התחמוצת לאחר ההמסה אינו שונה בהרבה מזה של סגסוגת האלומיניום המותכת, ובגלל הכיסוי של סרט התחמוצת, קשה לראות את מידת ההיתוך של בריכת סגסוגת האלומיניום המותכת במהלך תהליך הריתוך. , כך שקל לגרום לטמפרטורה להיות גבוהה מדי, מה שגורם להשפעת חום הריתוך עיקר השטח מתמוטט, והורס את הצורה והמאפיינים של מתכת הריתוך.
תחת פעולת הכוח הגבוה המיידי של מקור החום הריתוך, כמות גדולה של גז מימן מומסת בנוזל הסגסוגת. לאחר סיום הריתוך, ככל שטמפרטורת הבריכה המותכת יורדת, גם מסיסות הגז יורדת בהדרגה, מה שהופך לגורם העיקרי לנקבוביות בתהליך הריתוך. סיבה. מכיוון שמהירות ההתמצקות של סגסוגת האלומיניום מהירה מדי והצפיפות נמוכה, נוצרות נקבוביות מימן בגדלים שונים במהלך ההתמצקות המהירה של הריתוך. נקבוביות אלו ימשיכו להצטבר ולהתרחב במהלך תהליך הריתוך, ובסופו של דבר יוצרות נקבוביות גדולות גלויות ויפחיתו את התכונות המבניות של המפרק. כמובן, הנקבוביות לא בהכרח נוצרות במהלך תהליך הריתוך. בשל השפעת טכנולוגיית תהליך היציקה, מתכת הבסיס עצמה תייצר גם נקבוביות במהלך תהליך היציקה. במהלך הריתוך, כניסת החום והלחץ הפנימי משתנים ללא הרף, מה שגורם לנקבוביות המקוריות במתכת הבסיס להתרחב או להתאחד אחת עם השנייה ליצירת נקבוביות ריתוך. ככל שכניסת חום הריתוך תגדל, גם הנקבוביות יגדלו. לכן, על מנת לשלוט במקור המימן, יש לייבש את חומר הריתוך בקפדנות לפני השימוש. במהלך הריתוך, הזרם גדל בצורה מתאימה כדי להאריך את זמן קיום הבריכה המותכת ולתת מספיק זמן למימן לזרז, ובכך לשלוט על היווצרות הנקבוביות.
תְמוּנָה
איור 2 היווצרות והתכנסות של סטומטה
סיווג טכנולוגיית ריתוך סגסוגת אלומיניום
עם הרחבת מגוון היישומים של סגסוגות אלומיניום, יותר ויותר בעיות מודגשות. עם התקדמות המחקר, טכנולוגיית הריתוך של סגסוגת אלומיניום פותחה מאוד. כיום, יש בעיקר ריתוך ארגון טונגסטן (TIG), ריתוך גז אינרטי מותך (MIG), ריתוך לייזר (LBW), ריתוך בחיכוך (FSW) המתן.
ריתוך קשת טונגסטן גז
ריתוך גז אינרטי (Tungsten Inert Gas Welding) הוא ריתוך גז אינרטי טיפוסי והוא שיטת הריתוך הנפוצה ביותר. בעת ריתוך, אלקטרודת הטונגסטן ומשטח הריתוך משמשים כאלקטרודות, וגז הליום או ארגון מועבר בין שתי האלקטרודות כגז מגן להגנה על הקשת, והתיל והמתכת הבסיסית נמסים על ידי פריקה מיידית במתח גבוה, וחלקי סגסוגת האלומיניום מרותכים ונוצרים, וריתוך ותיקון פגמי יציקה.
יש לו בעיקר את המאפיינים הטכניים הבאים:
קל לתפעול, גמיש וניתן לשליטה, התאמה לתנאי עבודה וסביבות שונות, ובעלות נמוכה;
האזור מושפע החום צר, והעיוות של המפרק המרותך קטן בתנאי הזנת תיל מספקת, והביצועים המקיפים של המפרק גבוהים;
ביצועי תהליך הריתוך טובים ויציבים, ותפר הריתוך צפוף ויפה.
ריתוך MIG
גם MIG (GMA-Gas Metal Arc Welding) וגם TIG הם ריתוך מוגן גז אינרטי. ההבדל הוא שריתוך TIG משתמש באלקטרודות טונגסטן כאלקטרודות קבועות, בעוד שריתוך MIG משתמש בחומר החוט המלא עצמו כאלקטרודות.
בתהליך ריתוך מוגן גז אינרטי מתכתי של סגסוגת אלומיניום, המתח והזרם פועלים על קצה האלקטרודה של חוט הריתוך, ונוצר לחץ גבוה מיידי בין האלקטרודה למתכת הבסיס, הממיס את המתכת הבסיסית ואת חריץ, והטיפה בקצה החוט נושרת ועוברת אנכית למתכת הבסיס. על הבריכה המותכת של החומר נוצר אזור ריתוך.
עם זאת, תהליך היישום של ריתוך MIG מסגסוגת אלומיניום מוגבל יחסית, מכיוון שהרכות של חוט האלומיניום מובילה להזנת חוט לקויה, והאלומיניום המותך נוטה ליצור תופעה של "תלוי אך לא טפטוף" במהלך הריתוך, וזה קל. לגרום לטיפות להתיז. היתרון הוא שריתוך MIG מהיר יותר מאשר ריתוך TIG, וטווח תנועת הריתוך קטן בעת ריתוך חלקי עבודה גדולים. על ידי התאמת מהירות הזנת החוט, יעילות הריתוך יכולה להגיע למספר מטרים בדקה.
ריתוך לייזר
ריתוך קרן לייזר (Laser Beam Welding LBW) משתמש בפולסי לייזר באנרגיה גבוהה לחימום מקומי של החומר בשטח קטן. אנרגיית קרינת הלייזר מתפזרת אל פנים החומר באמצעות הולכת חום, והחומר מותך ליצירת בריכה מותכת ספציפית. לאחר ההתמצקות, החומר מחובר לאחד.
היתרון של ריתוך לייזר הוא שנקודת פעולת הריתוך קטנה, מקור החום בעל ההספק הגבוה מרוכז, הוא מסוגל לרתך לוחות עבים, האזור המושפע מחום צר ועיוות הריתוך קטן. אך יחד עם זאת, לריתוך בלייזר דרישות גבוהות למיצוב ריתוך, ציוד ריתוך יקר ועלויות ריתוך גבוהות. עבור חומרי מתכת כגון אלומיניום ומגנזיום, רפלקטיביות הלייזר גבוהה, וריתוך ישיר קשה.
הקרנת חומרים בלייזרים עם צפיפות הספק שונה מראה שכאשר צפיפות ההספק על חומר העבודה מגיעה ליותר מ-107W/cm2, המתכת באזור החימום תתגזם תוך זמן קצר מאוד, והגז יתכנס לחור קטן ב-. בריכה מותכת ויוצרים החור הקטן הוא המרכז להעברת חום, ובריכת מותכת נוצרת ליד החור הקטן, שהוא אפקט "חור המנעול" של ריתוך חדירה עמוקה בלייזר. על מנת למנוע את אי אחידות הבריכה המותכת הנגרמת כתוצאה מתופעה זו, ניתן להפחית את אנרגיית הלייזר, להגביר את מהירות הריתוך או לשלוט בהתכה מחדש של אזור הגוש כדי להסיר את הבועות באזור ההיתוך ולהפחית את יצירת הנקבוביות. .
ריתוך בחיכוך
Friction stir welding (Friction stir Welding, FSW) הוא סוג חדש של טכנולוגיית חיבור פאזה מוצקה המבוססת על טכנולוגיית ריתוך חיכוך מסורתית. בממשק המיועד לריתוך, כאשר ראש הערבול מתקדם לאורך תפר הריתוך, טמפרטורת חומר הריתוך עולה, והמתכת המפלסטיק עוברת דפורמציה פלסטית חזקה בפעולת ערבוב מכאני והפרעה, ויוצרת חיבור צפוף לשלב מוצק. לאחר דיפוזיה והתגבשות מחדש.
בהשוואה לשיטות ריתוך מסורתיות, לטכנולוגיית FSW יש את היתרונות הבאים:
טמפרטורת ריתוך נמוכה ועיוות ריתוך קטן;
תכונות מכניות טובות של הריתוך;
תהליך הריתוך פשוט, חסכוני וידידותי לסביבה.
הבעיות העיקריות והתמקדות המחקר
עם היישום של סגסוגות אלומיניום ביותר ויותר תעשיות, בעיית חיבור התיקון שלו משכה גם את תשומת לבם של יותר ויותר חוקרים. באמצעות בדיקות ריתוך שונות בסגסוגות אלומיניום, מתגלה כי בשלות טכנולוגיית התיקון טרם ענתה על צורכי הפיתוח של התעשייה, ועדיין קיימות בה בעיות שונות.
ריתוך קשת טונגסטן בגז וריתוך מוגן גז אינרטי מתכת הן שתי שיטות הריתוך הנפוצות ביותר כיום, אך לשתי הטכנולוגיות הללו יש אזור רחב מושפע חום, ויש להמיס את מתכת הריתוך ולאחר מכן להתמצק, מה שיש לו השפעה על המבנה. גדול יותר, והמתח השיורי גבוה, וכתוצאה מכך השפעה רצינית על התכונות המכניות של המפרק. צפיפות קרן האנרגיה של ריתוך לייזר גבוהה, ויחס העומק לרוחב של הריתוך גדול, אך קל מאוד ליצור נקבוביות, והעלות היקרה שלו מגבילה גם את הפופולריות של יישומים. ריתוך בחישה בחיכוך נותנת פתרון לבעיית החום, אך ריתוך חיכוך מצריך לחץ מתערער וכוח הנעה קדימה גדולים יחסית, והציוד בדרך כלל מסובך ומגושם, מה שמגביל את התפתחותו.
המיקוד של מחקר עתידי בנושאים קשורים צריך להיות בהיבטים הבאים:
החל מהבסיס של ריתוך היתוך, התאם את נוסחת חוטי הריתוך, הוסף אלמנטים של אדמה נדירה או בחר כמות מתאימה של מפעיל ריתוך כדי לשלוט בעיוות הריתוך, להפחית את הלחץ ולהפחית את היווצרות הנקבוביות.
בשל הרחבת ההיקף והיישום של סגסוגות, הם משמשים בדרך כלל בשילוב עם חומרים שונים, ולכן יש צורך לבצע ניסויים בריתוך בין מתכות שונות כדי להשיג חיבורים באיכות גבוהה.
בצעו מחקר על יכולת הריתוך של מקורות חום מרוכבים, כגון ריתוך היברידי בלייזר TIG, ריתוך ריתוך מרוכב בלייזר, על מנת לקבל את ביצועי הריתוך האופטימליים.
