เนื่องจากวัสดุโลหะทางวิศวกรรมที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา อะลูมิเนียมอัลลอยจึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมอากาศยาน ยานยนต์ เรือ และงานด้านอื่นๆ เนื่องจากมีความหนาแน่นต่ำ ความแข็งแรงจำเพาะสูงและความแข็งจำเพาะ และทนต่อการกัดกร่อนได้ดี .
อย่างไรก็ตาม ปัญหาหลายประการ เช่น ความสามารถในการเชื่อมที่ไม่ดีและประสิทธิภาพของชั้นการขึ้นรูปที่ไม่ดีในการเชื่อม ได้จำกัดการพัฒนาชิ้นส่วนโครงสร้างโลหะผสมอลูมิเนียม ดังนั้นเทคโนโลยีการเชื่อมอลูมิเนียมอัลลอยด์จึงกลายเป็นแนวทางการวิจัยหลักของนักวิชาการจำนวนมากทั้งในและต่างประเทศ
ภาพรวมคุณสมบัติของอลูมิเนียมอัลลอยด์
1. อลูมิเนียมเป็นวัสดุโลหะที่เบามาก มีความหนาแน่นเพียง 2.7g/cm3 ซึ่งเป็นประมาณ 36 เปอร์เซ็นต์ของความหนาแน่นของเหล็ก การใช้อลูมิเนียมอัลลอยด์ในการผลิตชิ้นส่วนเครื่องจักรกลสามารถลดน้ำหนักได้อย่างมากและบรรลุผลของน้ำหนักเบา การประหยัดพลังงาน และการลดการปล่อยมลพิษ
2. ความแข็งแรงจำเพาะและความแข็งจำเพาะของโลหะผสมอลูมิเนียมสูงกว่าเหล็กกล้า 45 และพลาสติก ABS การใช้วัสดุโลหะผสมอลูมิเนียมจะเอื้อต่อการผลิตส่วนประกอบสำคัญที่มีข้อกำหนดด้านความแข็งแกร่งสูง
3. อลูมิเนียมอัลลอยด์มีการนำความร้อนที่ดีเยี่ยม การนำไฟฟ้า และความต้านทานการกัดกร่อน พารามิเตอร์ประสิทธิภาพของโลหะผสมอลูมิเนียม A380 และวัสดุอื่น ๆ แสดงไว้ในตารางที่ 1
4. อลูมิเนียมอัลลอยด์มีความสามารถในการแปรรูปและรีไซเคิลได้ดี หากค่าสัมประสิทธิ์ความต้านทานการตัดของโลหะผสมแมกนีเซียมที่แปรรูปได้มากที่สุดคือ 1 ความต้านทานการตัดของโลหะอื่น ๆ จะแสดงในตารางที่ 2 จะเห็นได้ว่าความต้านทานการตัดของโลหะผสมอะลูมิเนียมมีขนาดเล็กกว่าทองแดง เหล็ก และอื่นๆ วัสดุและกระบวนการตัดทำได้ง่ายขึ้น
ลักษณะการเชื่อมโลหะผสมอลูมิเนียม
ได้รับผลกระทบจากคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของโลหะผสมอลูมิเนียม มีปัญหาบางอย่างในกระบวนการเชื่อม การเชื่อมโลหะผสมอลูมิเนียมในปัจจุบันส่วนใหญ่มีปัญหาดังต่อไปนี้: ความเครียดจากความร้อน, การระเหยระเหย, การรวมที่เป็นของแข็ง, การยุบรูพรุน ฯลฯ :
ความเครียดจากความร้อน
โลหะผสมอลูมิเนียมมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนที่สูงขึ้นและโมดูลัสความยืดหยุ่นที่ต่ำกว่า ในระหว่างกระบวนการเชื่อม เนื่องจากการเสียรูปขนาดใหญ่และค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้นขนาดใหญ่ของโลหะผสมอะลูมิเนียม อัตราการหดตัวของปริมาตรระหว่างการแข็งตัวอยู่ที่ประมาณ 6 เปอร์เซ็นต์ และอัตราการเย็นตัวและอัตราการตกผลึกหลักของสระหลอมเหลวนั้นรวดเร็ว ส่งผลให้ ความเค้นภายในของรอยเชื่อมและความแข็งแกร่งของรอยเชื่อม หากมีขนาดใหญ่ ก็จะเกิดความเค้นภายในขนาดใหญ่ในข้อต่อโลหะผสมอลูมิเนียมได้ง่าย ทำให้เกิดความเครียดในการเชื่อมและการเสียรูปขนาดใหญ่ และทำให้เกิดข้อบกพร่อง เช่น รอยแตกและการเปลี่ยนรูปคลื่น
ระเหยระเหย
จุดหลอมเหลวของอะลูมิเนียมอยู่ที่ 660 องศา และจุดเดือดอยู่ที่ 2647 องศา ซึ่งต่ำกว่าธาตุโลหะอื่นๆ เช่น ทองแดงและเหล็ก ในระหว่างกระบวนการเชื่อม หากอุณหภูมิการเชื่อมสูงเกินไป จะเกิดการระเบิดได้ง่ายและเกิดการกระเด็น โดยเฉพาะในการเชื่อมด้วยลำแสงพลังงานสูง ดังแสดงในรูปที่ 1 นอกจากนี้ ธาตุผสมบางตัวที่เติมลงในโลหะผสมอะลูมิเนียมยังมี จุดเดือดต่ำซึ่งระเหยและเผาไหม้ได้ง่ายที่อุณหภูมิการเชื่อมสูงในทันที และการกระเด็นที่เกิดจากการระเบิดจะกำจัดละอองน้ำบางส่วนออกไป ซึ่งจะเปลี่ยนพื้นที่รอยเชื่อมอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ องค์ประกอบทางเคมีไม่เอื้อต่อการควบคุมประสิทธิภาพของรอยเชื่อม ดังนั้น เพื่อชดเชยการระเหยที่อุณหภูมิสูง มักใช้ลวดเชื่อมหรือวัสดุเชื่อมอื่นๆ ที่มีปริมาณองค์ประกอบจุดเดือดสูงกว่าโลหะพื้นฐานในระหว่างการเชื่อม
การรวมที่เป็นของแข็ง
คุณสมบัติทางเคมีของอะลูมิเนียมมีปฏิกิริยารุนแรงและออกซิไดซ์ได้ง่าย ระหว่างกระบวนการเชื่อม พื้นผิวของโลหะผสมอะลูมิเนียมจะถูกออกซิไดซ์ให้กลายเป็น Al2O3 ที่มีจุดหลอมเหลวสูง (ประมาณ 2050 องศา ในขณะที่จุดหลอมเหลวของอะลูมิเนียมอยู่ที่ 660 องศา ซึ่งแตกต่างกันมาก) ออกไซด์มีความหนาแน่นและมีความแข็งสูง และผสมในของเหลวโลหะผสมหลอมเหลวที่มีความหนาแน่นต่ำในบริเวณสระหลอมเหลว ซึ่งง่ายต่อการรวมตัวของตะกรันแข็งขนาดเล็กที่ไม่ปล่อยออกง่าย ซึ่งไม่เพียงส่งผลกระทบต่อโครงสร้างจุลภาคของ รอยเชื่อมยังมีแนวโน้มที่จะเกิดการกัดกร่อนทางเคมีไฟฟ้าซึ่งจะทำให้คุณสมบัติทางกลของรอยเชื่อมลดลงและ Al2O3 ครอบคลุมสระหลอมเหลวและร่องซึ่งส่งผลกระทบอย่างรุนแรงต่อการเชื่อมโลหะผสมและลดโครงสร้างจุลภาคและคุณสมบัติของข้อต่อรอย
Stoma ยุบ
จุดหลอมเหลวของโลหะผสมอะลูมิเนียมนั้นต่ำกว่าของออกไซด์มาก และมันทำงานมากและออกซิไดซ์ได้ง่าย ในระหว่างกระบวนการเชื่อม อลูมิเนียมอัลลอยด์จะหลอมที่อุณหภูมิสูงเพื่อสร้างแอ่งหลอมเหลว อลูมิเนียมบนพื้นผิวของสระหลอมเหลวถูกออกซิไดซ์เพื่อสร้างฟิล์มออกไซด์ ซึ่งครอบคลุมสระหลอมเหลวในลักษณะที่เป็นของแข็ง เนื่องจากสีของฟิล์มหลอมเหลวไม่แตกต่างจากสถานะหลอมเหลวของโลหะผสมอลูมิเนียมมากนัก และเนื่องจากการครอบคลุมของฟิล์มออกไซด์ จึงเป็นการยากที่จะสังเกตระดับการหลอมเหลวของสระหลอมเหลวโลหะผสมอลูมิเนียมระหว่างกระบวนการเชื่อม จึงเป็นเรื่องง่ายที่จะทำให้อุณหภูมิสูงเกินไปและทำให้เกิดความร้อนในการเชื่อม การยุบตัวครั้งใหญ่ในพื้นที่ทำลายรูปร่างและคุณสมบัติของโลหะเชื่อม
ภายใต้การกระทำของแหล่งความร้อนจากการเชื่อมที่มีกำลังแรงสูงในทันที ไฮโดรเจนจำนวนมากจะละลายในของเหลวโลหะผสม หลังจากการเชื่อมเสร็จสิ้น เมื่ออุณหภูมิของบ่อหลอมเหลวลดลง ความสามารถในการละลายของก๊าซจะค่อยๆ ลดลง ซึ่งกลายเป็นสาเหตุหลักของรูพรุนในระหว่างกระบวนการเชื่อม เหตุผล. เนื่องจากอัตราการแข็งตัวที่รวดเร็วและความหนาแน่นต่ำของโลหะผสมอลูมิเนียม รูพรุนของไฮโดรเจนที่มีขนาดต่างกันจึงเกิดขึ้นระหว่างการแข็งตัวอย่างรวดเร็วของรอยเชื่อม รูขุมขนเหล่านี้จะสะสมและขยายตัวต่อไปในระหว่างกระบวนการเชื่อม ทำให้เกิดรูพรุนที่มองเห็นได้ในที่สุด และลดคุณสมบัติทางโครงสร้างของข้อต่อ แน่นอนว่าการสร้างรูพรุนไม่จำเป็นต้องเกิดขึ้นระหว่างกระบวนการเชื่อม เนื่องจากอิทธิพลของเทคโนโลยีการหล่อ โลหะพื้นฐานเองก็จะสร้างรูพรุนในระหว่างกระบวนการหล่อ ในระหว่างการเชื่อม การเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องของความร้อนที่ป้อนเข้าและแรงดันภายในทำให้รูพรุนเดิมในโลหะฐานขยายตัวด้วยความร้อนหรือรวมกันเป็นรูเชื่อม ด้วยการเพิ่มขึ้นของความร้อนจากการเชื่อม รูขุมขนก็จะเพิ่มขึ้นเช่นกัน ดังนั้นเพื่อควบคุมแหล่งที่มาของไฮโดรเจน วัสดุเชื่อมต้องผ่านการอบฆ่าเชื้ออย่างเข้มงวดก่อนใช้งาน ในระหว่างการเชื่อม กระแสไฟควรเพิ่มขึ้นอย่างเหมาะสมเพื่อยืดเวลาการดำรงอยู่ของแอ่งหลอมเหลว และให้เวลาเพียงพอสำหรับการตกตะกอนของไฮโดรเจน ซึ่งจะช่วยควบคุมการก่อตัวของรูพรุน
การจำแนกเทคโนโลยีการเชื่อมโลหะผสมอลูมิเนียม
ด้วยการขยายขอบเขตการใช้งานของอะลูมิเนียมอัลลอย ปัญหาต่างๆ จะถูกเน้นมากขึ้นเรื่อยๆ ด้วยความก้าวหน้าของการวิจัย เทคโนโลยีการเชื่อมอลูมิเนียมอัลลอยด์มีความก้าวหน้าอย่างมาก ในปัจจุบันส่วนใหญ่มีการเชื่อมอาร์กอนอาร์กอนทังสเตน (TIG) การเชื่อมก๊าซเฉื่อยหลอมเหลว (MIG) การเชื่อมด้วยเลเซอร์ (LBW) การเชื่อมด้วยแรงเสียดทานกวน (FSW) รอสักครู่
การเชื่อม TIG
Tungsten Inert Gas Welding (TIG) เป็นการเชื่อมอาร์กก๊าซเฉื่อยทั่วไปและเป็นวิธีการเชื่อมที่ใช้กันมากที่สุด ในระหว่างการเชื่อม อิเล็กโทรดทังสเตนและพื้นผิวการเชื่อมถูกใช้เป็นอิเล็กโทรด และก๊าซฮีเลียมหรืออาร์กอนจะถูกส่งผ่านระหว่างอิเล็กโทรดทั้งสองเพื่อเป็นก๊าซป้องกันเพื่อป้องกันอาร์ค และลวดและโลหะฐานจะละลายโดยการปล่อยแรงดันสูงทันที และชิ้นส่วนโลหะผสมอลูมิเนียมถูกเชื่อมและขึ้นรูปและการซ่อมแซมรอยเชื่อมและการซ่อมแซมข้อบกพร่องของการหล่อ
ส่วนใหญ่มีลักษณะทางเทคนิคดังต่อไปนี้:
1. ใช้งานง่าย คล่องตัว ควบคุมได้ ปรับให้เข้ากับสภาพการทำงานและสภาพแวดล้อมต่างๆ ด้วยต้นทุนที่ต่ำ
2. โซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนนั้นแคบ การเสียรูปของรอยเชื่อมมีขนาดเล็กเมื่อป้อนลวดเพียงพอ และประสิทธิภาพโดยรวมของรอยต่อสูง
3. ประสิทธิภาพของกระบวนการเชื่อมนั้นดีและเสถียรและรอยเชื่อมมีขนาดกะทัดรัดและสวยงาม
เครื่องเชื่อม MIG
MIG (GMA-Gas Metal Arc Welding) และ TIG เป็นงานเชื่อมป้องกันแก๊สเฉื่อย ความแตกต่างก็คือการเชื่อม TIG ใช้อิเล็กโทรดทังสเตนเป็นอิเล็กโทรดคงที่ ในขณะที่การเชื่อม MIG ใช้วัสดุลวดเติมเองเป็นอิเล็กโทรด
ในกระบวนการของการเชื่อมด้วยแก๊สเฉื่อยที่หุ้มด้วยแก๊สเฉื่อยของอะลูมิเนียมอัลลอยด์ แรงดันและกระแสที่ปลายอิเล็กโทรดของลวดเชื่อมจะเกิดไฟฟ้าแรงสูงทันทีที่เกิดขึ้นระหว่างอิเล็กโทรดกับโลหะฐาน ซึ่งจะทำให้โลหะฐานละลาย และร่องและหยดที่ปลายลวดเชื่อมจะหลุดออกและเปลี่ยนเป็นโลหะฐานในแนวตั้ง บนวัสดุหลอมเหลวจะเกิดโซนเชื่อม
อย่างไรก็ตาม ขั้นตอนการใช้การเชื่อม MIG ของโลหะผสมอะลูมิเนียมนั้นมีข้อจำกัดอย่างมาก เนื่องจากลวดอลูมิเนียมอ่อนจะทำให้ป้อนลวดได้ไม่ดี และอลูมิเนียมหลอมเหลวมีแนวโน้มที่จะเกิดปรากฏการณ์ "แขวนโดยไม่หยด" ระหว่างการเชื่อม ซึ่งทำให้เกิดการหยดลงได้ง่าย สาด. ข้อดีคือการเชื่อม MIG จะเร็วกว่าการเชื่อม TIG และช่วงการเคลื่อนที่ในการเชื่อมจะมีขนาดเล็กเมื่อเชื่อมชิ้นงานขนาดใหญ่ ด้วยการปรับความเร็วการป้อนลวด ประสิทธิภาพการเชื่อมสามารถเข้าถึงได้หลายเมตรต่อนาที
การเชื่อมด้วยเลเซอร์
การเชื่อมด้วยเลเซอร์ (Laser Beam Welding LBW) ใช้พัลส์เลเซอร์พลังงานสูงเพื่อให้ความร้อนแก่วัสดุในพื้นที่ขนาดเล็ก พลังงานของการแผ่รังสีเลเซอร์จะกระจายเข้าสู่ภายในของวัสดุผ่านการนำความร้อน และวัสดุจะหลอมละลายเพื่อสร้างแอ่งหลอมเหลวเฉพาะ หลังจากการแข็งตัว วัสดุจะเชื่อมต่อเป็นหนึ่งเดียว
ข้อดีของการเชื่อมด้วยเลเซอร์คือจุดเชื่อมมีขนาดเล็ก แหล่งความร้อนกำลังแรงสูงมีความเข้มข้น และมีความสามารถในการเชื่อมแผ่นหนาที่มีพื้นที่รับผลกระทบจากความร้อนที่แคบและการเสียรูปในการเชื่อมขนาดเล็ก อย่างไรก็ตาม ในขณะเดียวกัน การเชื่อมด้วยเลเซอร์มีความต้องการสูงสำหรับการวางตำแหน่งเชื่อม อุปกรณ์เชื่อมที่มีราคาแพง และค่าใช้จ่ายในการเชื่อมที่สูง สำหรับวัสดุที่เป็นโลหะ เช่น อะลูมิเนียมและแมกนีเซียม การสะท้อนแสงด้วยเลเซอร์จะสูงและการเชื่อมโดยตรงทำได้ยาก
วัสดุฉายรังสีด้วยเลเซอร์ที่มีความหนาแน่นของพลังงานต่างกันแสดงให้เห็นว่าเมื่อความหนาแน่นของพลังงานบนชิ้นงานมีค่ามากกว่า 107W/cm2 โลหะในบริเวณที่ให้ความร้อนจะระเหยกลายเป็นไอในเวลาอันสั้น และก๊าซจะรวมตัวกันเป็นรูเล็กๆ ใน บ่อหลอมเหลว รูเล็ก ๆ นี้เป็นศูนย์กลางสำหรับการถ่ายเทความร้อน และสระหลอมเหลวจะก่อตัวขึ้นใกล้กับรูเล็กๆ ซึ่งเป็นผล "รูกุญแจ" ของการเชื่อมแบบเจาะลึกด้วยเลเซอร์ เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาอ่างหลอมเหลวที่ไม่สม่ำเสมอที่เกิดจากปรากฏการณ์นี้ สามารถลดพลังงานเลเซอร์ เพิ่มความเร็วในการเชื่อม หรือควบคุมการหลอมละลายของบริเวณนักเก็ตเพื่อขจัดฟองอากาศในบริเวณฟิวชันและลดการสร้างรูขุมขน .
การเชื่อมแบบกวนแรงเสียดทาน
การเชื่อมแบบกวนด้วยแรงเสียดทาน (Friction stir Welding, FSW) เป็นเทคโนโลยีการเชื่อมแบบโซลิดเฟสแบบใหม่ที่เกิดขึ้นจากเทคโนโลยีการเชื่อมแบบเสียดทานแบบดั้งเดิม ที่ส่วนต่อประสานที่จะเชื่อม เมื่อหัวกวนเคลื่อนไปตามรอยเชื่อม อุณหภูมิของวัสดุเชื่อมจะเพิ่มขึ้น และโลหะที่เป็นพลาสติกจะผ่านการเสียรูปของพลาสติกที่แข็งแรงภายใต้การกระทำของการกวนทางกลและการทำให้เสียโฉม และก่อให้เกิดการเชื่อมต่อเฟสของแข็งที่หนาแน่นหลังจาก การแพร่กระจายและการตกผลึกใหม่
