Cómo soldar piezas de aleación de aluminio
Varios procesos avanzados para la soldadura de aleaciones de aluminio: soldadura por fricción-agitación, soldadura láser, soldadura híbrida por arco láser y soldadura por haz de electrones. Se proponen soluciones efectivas para aleaciones con poca soldabilidad y aleaciones que alguna vez se pensaron que no eran soldables. Varios procesos tienen ventajas y pueden soldar aleaciones de aluminio de placas gruesas.
Palabras clave: Soldadura por fricción y agitación de aleación de aluminio Soldadura láser Soldadura híbrida por arco láser Soldadura por haz de electrones
1 Características de la soldadura de aleación de aluminio
La aleación de aluminio es liviana , alta resistencia específica, buena resistencia a la corrosión, no magnético, buena formabilidad y buen rendimiento a bajas temperaturas, se usa ampliamente en diversos productos estructurales soldados. Al utilizar aleación de aluminio en lugar de material de placa de acero para soldar, el peso estructural se puede reducir en más. del 50%.
Existen varias dificultades en la soldadura de aleaciones de aluminio:
① Las uniones soldadas de aleación de aluminio están muy blandas y tienen un coeficiente de resistencia bajo, lo que también es el mayor obstáculo para la aplicación de aluminio. aleaciones
② La superficie de la aleación de aluminio es propensa a producir una película de óxido refractario (Al2O3, su punto de fusión es 2060 ℃), lo que requiere el uso de un proceso de soldadura de alta densidad de potencia; > ③ La soldadura de aleación de aluminio es propensa a la formación de poros;
④La soldadura de aleación de aluminio es propensa a grietas térmicas
⑤El coeficiente de expansión lineal es grande y es fácil producir deformación de la soldadura; /p>
⑥La conductividad térmica de la aleación de aluminio es grande (aproximadamente la del acero) 4 veces), a la misma velocidad de soldadura, la entrada de calor es de 2 a 4 veces mayor que la del acero soldado.
Por lo tanto, la soldadura de aleaciones de aluminio requiere el uso de métodos de soldadura eficientes con alta densidad de energía, pequeño aporte de calor de soldadura y alta velocidad de soldadura.
2 Procesos avanzados de soldadura para aleaciones de aluminio
Ante las dificultades en la soldadura de aleaciones de aluminio, en los últimos años se han propuesto varios procesos nuevos que se han utilizado hasta cierto punto en el transporte, Aeroespacial, aviación y otras industrias, varios procesos nuevos pueden resolver las dificultades de la soldadura de aleaciones de aluminio. El rendimiento de la junta después de la soldadura es bueno y las aleaciones de aluminio que anteriormente tenían poca soldabilidad o no se podían soldar se pueden soldar.
2.1 Soldadura por fricción-agitación de aleaciones de aluminio
La soldadura por fricción-agitación FSW (Friction Stir Welding) es una nueva tecnología propuesta por el Instituto Británico de Soldadura TWI (The Welding Institute) en 1991 Tecnología de conexión de plástico sólido [1～2]. La Figura 1 es un diagrama esquemático de la soldadura por fricción-agitación [3]. Su principio de funcionamiento es insertar un tipo especial de cabezal agitador en la parte de la pieza a soldar. A través de la fricción de agitación entre la rotación de alta velocidad del cabezal agitador y la pieza de trabajo, la fricción genera calor para que el metal en el. La pieza está en un estado termoplástico, y el metal en la pieza está en un estado termoplástico bajo la presión del cabezal agitador. Su extremo frontal fluye plásticamente hacia la parte trasera, lo que hace que las piezas soldadas se suelden a presión. La Figura 2 muestra el proceso de soldadura por fricción-agitación [4]. Dado que no se funde el metal durante la soldadura por fricción y agitación y es un proceso de conexión de estado sólido, no hay diversos defectos de la soldadura por fusión durante la soldadura. Se pueden soldar materiales metálicos no ferrosos que son difíciles de soldar con soldadura por fusión, tales como. como aluminio y aleaciones de aluminio de alta resistencia, aleaciones de cobre, aleaciones de titanio, materiales disímiles, soldadura de materiales compuestos, etc. En la actualidad, la soldadura por fricción y agitación se utiliza ampliamente en la soldadura de aleaciones de aluminio. Las aleaciones de aluminio que se han soldado con éxito por fricción y agitación incluyen la serie 2000 (Al-Cu), la serie 5000 (Al-Mg), la serie 6000 (Al-Mg-Si), la serie 7000 (Al-Zn), la serie 8000 (Al-Li). ) et al. Los países extranjeros han entrado en la etapa de producción industrial. En Noruega, esta tecnología se ha utilizado para soldar piezas estructurales de 20 m de largo en lanchas rápidas. Lockheed Martin Aerospace Company en los Estados Unidos ha utilizado esta tecnología para soldar estructuras de cohetes de contenedores criogénicos de aleación de aluminio. almacenar piezas de oxígeno líquido.
La costura de soldadura por fricción y agitación de aleación de aluminio se forma mediante deformación plástica y recristalización dinámica. Los granos en el área de soldadura se refinan, no hay dendritas en la soldadura, la estructura es fina y se ve afectada por el calor. La zona es más pequeña que la de la soldadura por fusión. Estrecha, sin defectos como quemado de elementos de aleación, grietas y poros, y buen rendimiento general.
En comparación con los métodos tradicionales de soldadura por fusión, no tiene salpicaduras, humo, no es necesario agregar alambre de soldadura ni gas protector, y el rendimiento de la unión es bueno. Debido a que es un proceso de soldadura en fase sólida, la temperatura de calentamiento es baja y la microestructura de la zona afectada por el calor de la soldadura cambia poco. Por ejemplo, la fase metaestable permanece básicamente sin cambios, lo cual es muy beneficioso para las aleaciones de aluminio reforzadas con tratamiento térmico. y aleaciones de aluminio reforzadas por precipitación. La tensión residual y la deformación después de la soldadura son muy pequeñas y básicamente no hay deformación después de la soldadura para aleaciones de aluminio delgadas. En comparación con la soldadura por fricción ordinaria, no está limitada por las piezas del eje y puede soldar soldaduras rectas y soldaduras en ángulo. El proceso de soldadura tradicional para soldar aleaciones de aluminio requiere que la película de óxido se retire de la superficie y se procese dentro de las 48 horas, mientras que el proceso de soldadura por fricción y agitación solo necesita eliminar las manchas de aceite antes de soldar y no tiene altos requisitos de ensamblaje. Además, la soldadura por fricción y agitación ahorra energía y causa menos contaminación que la soldadura por fusión.
La soldadura por fricción y agitación de aleaciones de aluminio también tiene ciertas desventajas:
① La velocidad de la soldadura por fricción y agitación de aleaciones de aluminio es menor que la de la soldadura por fusión
; ② Sujeción de la pieza soldada Los requisitos son altos y se requiere una cierta cantidad de presión sobre la pieza soldada durante el proceso de soldadura, y se requiere una placa de respaldo en el reverso
③ Después de soldar, se formará el extremo; un agujero dejado por el cabezal agitador, que generalmente debe repararse o eliminarse mecánicamente;
④ La adaptabilidad del cabezal mezclador es deficiente. Las placas de aleación de aluminio de diferentes espesores requieren cabezales mezcladores con diferentes estructuras, y el los cabezales mezcladores se desgastan rápidamente;
⑤ La tecnología aún no está madura y actualmente se limita a componentes con estructuras simples, como estructura recta y estructura circular. Los parámetros del proceso de soldadura por fricción y agitación son simples e incluyen principalmente la velocidad de rotación del cabezal agitador, la velocidad de movimiento del cabezal agitador, la presión sobre las piezas soldadas y el tamaño del cabezal agitador.
2.2 Soldadura láser de aleaciones de aluminio
La tecnología de soldadura láser de aluminio y aleaciones de aluminio (Laser Welding) es una nueva tecnología desarrollada en la última década que, en comparación con los procesos de soldadura tradicionales, tiene las siguientes ventajas: características de función fuerte, alta confiabilidad, sin necesidad de condiciones de vacío y alta eficiencia. Tiene las ventajas de alta densidad de potencia, bajo aporte total de calor, gran profundidad de penetración para el mismo aporte de calor, pequeña zona afectada por el calor, pequeña deformación de la soldadura, alta velocidad y facilidad de automatización industrial. Tiene grandes ventajas de aplicación, especialmente para el calor. -aleaciones de aluminio tratadas. Puede aumentar la velocidad de procesamiento y reducir en gran medida el aporte de calor, aumentando así la eficiencia de producción y mejorando la calidad de la soldadura. Al soldar aleaciones de aluminio de alta resistencia y gran espesor, es imposible que los métodos de soldadura tradicionales logren una penetración de una sola pasada. Sin embargo, cuando la soldadura de penetración profunda con láser forma un ojo de cerradura de gran profundidad, se puede lograr el efecto de ojo de cerradura.
La soldadura láser de aleaciones de aluminio tiene las siguientes ventajas:
①Alta densidad de energía, bajo aporte de calor, pequeña deformación térmica, zona de fusión estrecha y zona afectada por el calor y gran profundidad de penetración;
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② La velocidad de enfriamiento es alta para obtener una estructura de soldadura fina y el rendimiento de la unión es bueno
③ En comparación con la soldadura por contacto, la soldadura láser no utiliza electrodos; , por lo que reduce las horas de mano de obra y los costos;
④ No hay necesidad de una atmósfera de vacío durante la soldadura por haz de electrones, y el gas protector y la presión no se pueden seleccionar. afectado por el electromagnetismo y no se generan rayos X
⑤ Se puede utilizar en objetos sellados y transparentes Los materiales metálicos internos están soldados
⑥ El láser se puede transmitir a largas distancias; Fibras ópticas, lo que hace que el proceso sea adaptable. Con computadoras y manipuladores, se puede realizar la automatización y el control de precisión del proceso de soldadura.
Los láseres utilizados actualmente son principalmente láseres de CO2 y YAG. Los láseres de CO2 tienen una gran potencia y son más adecuados para la soldadura de placas gruesas que requieren una gran potencia. Sin embargo, la tasa de absorción del rayo láser de CO2 en la superficie de la aleación de aluminio es relativamente pequeña, lo que provoca una gran pérdida de energía durante el proceso de soldadura. La potencia del láser YAG es generalmente relativamente baja. La tasa de absorción del rayo láser YAG en la superficie de la aleación de aluminio es mayor que la del láser de CO2. Puede transmitirse mediante fibra óptica, tiene una gran adaptabilidad y una disposición de proceso simple.
Al soldar aleaciones de aluminio de gran espesor, es imposible que los métodos de soldadura tradicionales logren una penetración de una sola pasada. Sin embargo, cuando la soldadura de penetración profunda con láser forma un ojo de cerradura de gran profundidad, se puede lograr el efecto de ojo de cerradura. La Figura 3 muestra la forma del pequeño orificio durante la soldadura láser. La Figura 4 es un diagrama esquemático de la soldadura láser de penetración profunda [5].
La dificultad en la soldadura láser de aluminio y aleaciones de aluminio es que el aluminio y las aleaciones de aluminio tienen una absorción muy débil de energía radiante. Para el rayo láser de CO2 (la longitud de onda es de 10, 6 μm), la tasa de absorción de la superficie inicial es. 1, 7; para láser YAG La tasa de absorción del haz (la longitud de onda es de 1, 06 μm) es cercana a 5. La Figura 5 muestra las tasas de absorción del láser de diferentes metales. Es relativamente complicado. La ignición del arco de alta frecuencia provoca que el electrodo se queme y la estabilidad del arco no sea fuerte. Al mismo tiempo, bajo el estado de alta temperatura del arco, el electrodo se quema rápidamente. Sin embargo, la combinación de láser y arco de plasma puede aumentar significativamente la profundidad de penetración y la velocidad de soldadura