En tant que matériau métallique d'ingénierie qui a augmenté rapidement ces dernières années, les alliages d'aluminium ont été largement utilisés dans l'aérospatiale, l'automobile, les navires et d'autres domaines en raison de leur faible densité, de leur résistance spécifique élevée et de leur rigidité spécifique, ainsi que de leur bonne résistance à la corrosion. .
Cependant, une série de problèmes tels qu'une mauvaise soudabilité et une mauvaise performance de la couche de formage lors du soudage limitent le développement de pièces structurelles en alliage d'aluminium. Par conséquent, la technologie de soudage des alliages d'aluminium est devenue l'une des principales directions de recherche de nombreux chercheurs nationaux et étrangers.
Aperçu des propriétés de l'alliage d'aluminium
1. L'aluminium est un matériau métallique très léger avec une densité de seulement 2,7 g/cm3, soit environ 36 % de la densité de l'acier. L'utilisation d'alliage d'aluminium pour fabriquer des pièces mécaniques peut réduire considérablement le poids et obtenir l'effet de légèreté, d'économie d'énergie et de réduction des émissions.
2. La résistance spécifique et la rigidité spécifique de l'alliage d'aluminium sont supérieures à celles de l'acier 45 et du plastique ABS. L'utilisation de matériaux en alliage d'aluminium est propice à la fabrication de composants intégraux avec des exigences de rigidité élevées.
3. L'alliage d'aluminium a une excellente conductivité thermique, conductivité électrique et résistance à la corrosion. Les paramètres de performance de l'alliage d'aluminium A380 et d'autres matériaux sont indiqués dans le tableau 1.
4. L'alliage d'aluminium a une bonne usinabilité et recyclabilité. Si le coefficient de résistance à la coupe de l'alliage de magnésium le plus usinable est supposé être de 1, la résistance à la coupe des autres métaux est indiquée dans le tableau 2. On peut voir que la résistance à la coupe de l'alliage d'aluminium est inférieure à celle du cuivre, du fer et d'autres métaux. matériaux, et le processus de coupe est plus facile.
Caractéristiques de soudage des alliages d'aluminium
Affecté par les propriétés physiques et chimiques des alliages d'aluminium, le processus de soudage présente certaines difficultés. Le soudage actuel des alliages d'aluminium présente principalement les problèmes suivants : contraintes thermiques, évaporation par ablation, inclusions solides, effondrement des pores, etc. :
Contrainte thermique
Les alliages d'aluminium ont un coefficient de dilatation thermique plus élevé et un module d'élasticité plus faible. Pendant le processus de soudage, en raison de la grande déformation et du grand coefficient de dilatation linéaire de l'alliage d'aluminium, le taux de retrait volumique pendant la solidification est d'environ 6%, et le taux de refroidissement et le taux de cristallisation primaire du bain fondu sont rapides, ce qui entraîne le la contrainte interne de la soudure et la rigidité du joint soudé. S'il est grand, il est facile de générer une contrainte interne importante dans le joint en alliage d'aluminium, provoquant une contrainte et une déformation de soudage importantes, et formant des défauts tels que des fissures et une déformation des vagues.
Évaporation ablative
Le point de fusion de l'aluminium est de 660 degrés et le point d'ébullition est de 2647 degrés, ce qui est inférieur à celui d'autres éléments métalliques tels que le cuivre et le fer. Pendant le processus de soudage, si la température de soudage est trop élevée, il est facile d'exploser et de former des éclaboussures, en particulier dans le soudage par faisceau à haute énergie, comme le montre la figure 1. De plus, certains des éléments d'alliage ajoutés à l'alliage d'aluminium ont un point d'ébullition bas, facile à évaporer et à brûler à la température élevée instantanée du soudage, et les éclaboussures générées par l'explosion enlèveront également quelques gouttelettes, ce qui modifiera inévitablement la zone du cordon de soudure. La composition chimique n'est pas propice à la régulation des performances des joints soudés. Par conséquent, afin de compenser l'ablation à haute température, des fils de soudage ou d'autres matériaux de soudage avec une teneur en éléments à point d'ébullition plus élevée que le métal de base sont souvent utilisés pendant le soudage.
Inclusions solides
Les propriétés chimiques de l'aluminium sont très actives et facilement oxydées. Pendant le processus de soudage, la surface de l'alliage d'aluminium est oxydée pour former Al2O3 avec un point de fusion élevé (environ 2050 degrés, alors que le point de fusion de l'aluminium est de 660 degrés, ce qui est très différent). Les oxydes sont denses et ont une dureté élevée, et ils sont mélangés dans le liquide d'alliage fondu à faible densité dans la zone du bain fondu, ce qui permet de former facilement de petites inclusions de scories solides difficiles à évacuer, ce qui affecte non seulement la microstructure de la soudure, mais est également sujette à la corrosion électrochimique, ce qui entraînera une diminution des propriétés mécaniques des joints soudés, et Al2O3 recouvre le bain de fusion et la rainure, ce qui affecte gravement le soudage des alliages et réduit la microstructure et les propriétés des joints soudés.
Effondrement de la stomie
Le point de fusion de l'alliage d'aluminium est bien inférieur à celui de son oxyde, et il est très actif et facile à oxyder. Pendant le processus de soudage, l'alliage d'aluminium est fondu à haute température pour former un bain fondu. L'aluminium à la surface du bain de fusion est oxydé pour former un film d'oxyde qui recouvre le bain de fusion sous une forme solide. Étant donné que la couleur du film d'oxyde fondu n'est pas très différente de l'état fondu de l'alliage d'aluminium, et en raison de la couverture du film d'oxyde, il est difficile d'observer le degré de fusion du bain de fusion d'alliage d'aluminium pendant le processus de soudage. , il est donc facile de provoquer une température trop élevée et de provoquer une chaleur de soudage. De grands effondrements dans la zone détruisent la forme et les propriétés du métal fondu.
Sous l'action de la forte puissance instantanée de la source de chaleur de soudage, une grande quantité d'hydrogène est dissoute dans le liquide d'alliage. Une fois le soudage terminé, à mesure que la température du bain de fusion diminue, la solubilité du gaz diminue progressivement, ce qui devient la principale cause de pores pendant le processus de soudage. raison. En raison de la vitesse de solidification rapide et de la faible densité des alliages d'aluminium, des pores d'hydrogène de différentes tailles se forment lors de la solidification rapide de la soudure. Ces pores continueront à s'accumuler et à se dilater pendant le processus de soudage, formant éventuellement des pores visibles et réduisant les propriétés structurelles du joint. Bien sûr, la génération de pores n'est pas nécessairement formée pendant le processus de soudage. En raison de l'influence de la technologie de coulée, le métal de base lui-même générera également des pores pendant le processus de coulée. Pendant le soudage, le changement constant de l'apport de chaleur et de la pression interne fait que les pores d'origine du métal de base se dilatent par la chaleur ou se combinent les uns avec les autres pour former des pores de soudure. Avec l'augmentation de l'apport de chaleur de soudage, les pores augmenteront également. Par conséquent, afin de contrôler la source d'hydrogène, le matériau de soudage doit subir un traitement de séchage strict avant utilisation. Pendant le soudage, le courant doit être augmenté de manière appropriée pour prolonger la durée d'existence du bain de fusion et laisser suffisamment de temps à l'hydrogène pour précipiter, contrôlant ainsi la formation de pores.
Classification de la technologie de soudage des alliages d'aluminium
Avec l'élargissement du domaine d'application des alliages d'aluminium, de plus en plus de problèmes sont mis en évidence. Avec les progrès de la recherche, la technologie de soudage des alliages d'aluminium a fait de grands progrès. À l'heure actuelle, il existe principalement le soudage à l'arc tungstène-argon (TIG), le soudage sous gaz inerte fondu (MIG), le soudage laser (LBW), le soudage par friction-malaxage (FSW).
Soudage TIG
Le soudage au gaz inerte au tungstène (TIG) est un soudage à l'arc sous gaz inerte typique et est la méthode de soudage la plus couramment utilisée. Pendant le soudage, l'électrode de tungstène et la surface de soudage sont utilisées comme électrodes, et de l'hélium ou de l'argon gazeux est passé entre les deux électrodes comme gaz de protection pour protéger l'arc, et le fil et le métal de base sont fondus par décharge haute tension instantanée, et les pièces en alliage d'aluminium sont soudées et formées, et réparation par soudure et réparation des défauts de moulage.
Ont principalement les caractéristiques techniques suivantes :
1. Facile à utiliser, flexible et contrôlable, adaptable à diverses conditions et environnements de travail, à faible coût ;
2. La zone affectée par la chaleur est étroite, la déformation du joint soudé est faible lorsque l'alimentation en fil est suffisante et les performances globales du joint sont élevées.
3. Les performances du processus de soudage sont bonnes et stables, et le cordon de soudure est compact et beau.
Soudage MIG
MIG (GMA-Gas Metal Arc Welding) et TIG sont tous deux des soudages sous protection gazeuse inerte, la différence est que le soudage TIG utilise une électrode de tungstène comme électrode fixe, tandis que le soudage MIG utilise le matériau du fil d'apport lui-même comme électrode.
Dans le processus de soudage sous protection gazeuse inerte à pôles fondus d'alliages d'aluminium, la tension et le courant agissent sur l'extrémité de l'électrode du fil de soudage, et une haute tension instantanée est générée entre l'électrode et le métal de base, ce qui fait fondre le métal de base et la rainure, et la gouttelette à l'extrémité du fil de soudage tombe et passe verticalement au métal de base. Sur le bain de matière en fusion, une zone de soudure se forme.
Cependant, le processus d'application du soudage MIG en alliage d'aluminium est très limité, car le fil d'aluminium mou conduit à une mauvaise alimentation du fil, et l'aluminium fondu a tendance à former un phénomène de "suspension sans gouttes" pendant le soudage, ce qui est facile à provoquer des gouttelettes à éclaboussure. L'avantage est que le soudage MIG est plus rapide que le soudage TIG et que la plage de mouvement de soudage est réduite lors du soudage de grandes pièces. En ajustant la vitesse d'alimentation du fil, l'efficacité de soudage peut atteindre plusieurs mètres par minute.
La soudure au laser
Le soudage au laser (Laser Beam Welding LBW) utilise des impulsions laser à haute énergie pour chauffer localement le matériau dans une petite zone. L'énergie du rayonnement laser se diffuse à l'intérieur du matériau par conduction thermique, et le matériau est fondu pour former un bain de fusion spécifique. Après solidification, le matériau est connecté comme un seul.
Les avantages du soudage au laser sont que le point d'action de soudage est petit, la source de chaleur à haute puissance est concentrée et il a la capacité de souder des plaques épaisses, avec une zone affectée par la chaleur étroite et une petite déformation de soudage. Cependant, dans le même temps, le soudage au laser a des exigences élevées en matière de positionnement du soudage, un équipement de soudage coûteux et un coût de soudage élevé. Pour les matériaux métalliques tels que l'aluminium et le magnésium, la réflectivité laser est élevée et le soudage direct est difficile.
L'irradiation de matériaux avec des lasers de différentes densités de puissance montre que lorsque la densité de puissance sur la pièce atteint plus de 107 W/cm2, le métal dans la zone de chauffage sera vaporisé en très peu de temps et le gaz convergera dans un petit trou dans le bain de fusion, ce petit trou est le centre de transfert de chaleur, et un bain de fusion se forme près du petit trou, ce qui est l'effet "trou de serrure" du soudage laser à pénétration profonde. Afin d'éviter le problème de bain de fusion inégal causé par ce phénomène, il est possible de réduire l'énergie du laser, d'augmenter la vitesse de soudage ou de contrôler la refusion de la zone de pépite pour éliminer les bulles dans la zone de fusion et réduire la génération de pores. .
Soudage par friction malaxage
Le soudage par friction-malaxage (Friction Stir Welding, FSW) est une nouvelle technologie d'assemblage en phase solide formée sur la base de la technologie traditionnelle de soudage par friction. A l'interface à souder, lorsque la tête d'agitation avance le long de la soudure, la température du matériau de soudage augmente, et le métal plastifié subit une forte déformation plastique sous l'action de l'agitation mécanique et du refoulement, et forme une connexion en phase solide dense après diffusion et recristallisation.
