باعتبارها مادة معدنية هندسية ارتفعت بسرعة في السنوات الأخيرة، تم استخدام سبائك الألومنيوم على نطاق واسع في مجال الطيران والسيارات والسفن وغيرها من المجالات بسبب كثافتها المنخفضة وقوتها النوعية العالية وصلابتها النوعية ومقاومتها الجيدة للتآكل.
ومع ذلك، فإن سلسلة من المشاكل مثل ضعف قابلية اللحام وضعف أداء طبقة التشكيل في اللحام تحد من تطوير أجزاء الهياكل المصنوعة من سبائك الألومنيوم. لذلك، أصبحت تقنية لحام سبائك الألومنيوم أحد الاتجاهات البحثية الرئيسية للعديد من العلماء في الداخل والخارج.
نظرة عامة على خصائص سبائك الألومنيوم
الألومنيوم مادة معدنية خفيفة للغاية بكثافة 2.7 جرام/سم3 فقط، أي حوالي 36% من كثافة الفولاذ. إن استخدام سبائك الألومنيوم في تصنيع الأجزاء الميكانيكية يمكن أن يقلل الوزن بشكل كبير ويحقق تأثير الوزن الخفيف وتوفير الطاقة وتقليل الانبعاثات.
إن القوة النوعية والصلابة النوعية لسبائك الألومنيوم أعلى من الفولاذ 45 والبلاستيك ABS. إن استخدام مواد سبائك الألومنيوم يساعد في تصنيع المكونات المتكاملة ذات متطلبات الصلابة العالية.
تتمتع سبيكة الألومنيوم بموصلية حرارية وكهربائية ومقاومة ممتازة للتآكل. تظهر معلمات أداء سبيكة الألومنيوم A380 والمواد الأخرى في الجدول 1.
تتمتع سبائك الألومنيوم بقابلية جيدة للتصنيع وإعادة التدوير. إذا افترضنا أن معامل مقاومة القطع لسبائك المغنيسيوم الأكثر قابلية للتصنيع يساوي 1، فإن مقاومة القطع للمعادن الأخرى موضحة في الجدول 2. يمكن ملاحظة أن مقاومة القطع لسبائك الألومنيوم أصغر من مقاومة النحاس والحديد والمواد الأخرى، وأن عملية القطع أسهل.
خصائص لحام سبائك الألومنيوم
تتأثر عملية اللحام بالخصائص الفيزيائية والكيميائية لسبائك الألومنيوم، وتواجه عملية اللحام الحالية لسبائك الألومنيوم المشاكل التالية بشكل أساسي: الإجهاد الحراري، وتبخر التآكل، والشوائب الصلبة، وانهيار المسام، وما إلى ذلك:
الإجهاد الحراري
تتمتع سبائك الألومنيوم بمعامل تمدد حراري أعلى ومعامل مرونة أقل. أثناء عملية اللحام، بسبب التشوه الكبير ومعامل التمدد الخطي الكبير لسبائك الألومنيوم، فإن معدل الانكماش الحجمي أثناء التصلب يبلغ حوالي 6٪، ومعدل التبريد ومعدل التبلور الأساسي لحوض المنصهر سريعان، مما يؤدي إلى إجهاد داخلي للحام وصلابة المفصل الملحوم. أكبر، من السهل توليد إجهاد داخلي كبير في مفصل سبائك الألومنيوم، مما يتسبب في إجهاد لحام كبير وتشوه، وتشكيل شقوق وتشوه موجي وعيوب أخرى.
التبخر الاستئصالي
نقطة انصهار الألومنيوم هي 660 درجة ونقطة الغليان هي 2647 درجة، وهي أقل من العناصر المعدنية الأخرى مثل النحاس والحديد. أثناء عملية اللحام، إذا كانت درجة حرارة اللحام مرتفعة للغاية، فمن السهل أن تنفجر وتتشكل تناثر، خاصة في لحام الشعاع عالي الطاقة، كما هو موضح في الشكل 1. بالإضافة إلى ذلك، فإن بعض عناصر السبائك المضافة إلى سبيكة الألومنيوم لها نقطة غليان منخفضة، والتي من السهل أن تتبخر وتحترق عند درجة حرارة اللحام العالية اللحظية، كما أن الرذاذ الناتج عن الانفجار سيأخذ أيضًا جزءًا من القطرات، مما يغير حتماً منطقة اللحام. التركيب الكيميائي غير مواتٍ لتنظيم أداء المفاصل الملحومة. لذلك، من أجل التعويض عن التآكل الناتج عن درجات الحرارة العالية، غالبًا ما يتم استخدام أسلاك اللحام أو مواد اللحام الأخرى ذات محتوى عنصر نقطة الغليان أعلى من المعدن الأساسي أثناء اللحام.
شوائب صلبة
الخصائص الكيميائية للألمنيوم نشطة للغاية وتتأكسد بسهولة. أثناء عملية اللحام، يتأكسد سطح سبيكة الألومنيوم لتكوين Al2O3 بنقطة انصهار عالية (حوالي 2050 درجة، بينما نقطة انصهار الألومنيوم هي 660 درجة، وهي مختلفة جدًا). الأكاسيد كثيفة ولها صلابة عالية، وتختلط في سائل السبائك المنصهرة بكثافة منخفضة في منطقة حوض المنصهر، مما يسهل تكوين شوائب خبث صلبة صغيرة يصعب تفريغها، مما لا يؤثر فقط على البنية الدقيقة للحام، ولكنه أيضًا عرضة للتآكل الكهروكيميائي، مما سيؤدي إلى انخفاض الخصائص الميكانيكية للمفاصل الملحومة، ويغطي Al2O3 حوض المنصهر والأخدود، مما يؤثر بشكل خطير على لحام السبائك ويقلل من البنية الدقيقة وخصائص المفاصل الملحومة.
انهيار الفغرة
نقطة انصهار سبائك الألومنيوم أقل بكثير من نقطة انصهار أكسيدها، وهي نشطة للغاية وسهلة الأكسدة. أثناء عملية اللحام، تذوب سبائك الألومنيوم عند درجة حرارة عالية لتكوين بركة منصهرة. يتأكسد الألومنيوم الموجود على سطح البركة المنصهرة لتكوين فيلم أكسيد، يغطي البركة المنصهرة في شكل صلب. نظرًا لأن لون فيلم أكسيد المنصهر لا يختلف كثيرًا عن الحالة المنصهرة لسبائك الألومنيوم، وبسبب تغطية فيلم الأكسيد، فمن الصعب ملاحظة درجة ذوبان البركة المنصهرة لسبائك الألومنيوم أثناء عملية اللحام، لذلك من السهل أن تكون درجة الحرارة مرتفعة للغاية وتسبب حرارة اللحام. الانهيارات الكبيرة في المنطقة تدمر شكل وخصائص معدن اللحام.
تحت تأثير الطاقة العالية اللحظية لمصدر حرارة اللحام، يتم إذابة كمية كبيرة من الهيدروجين في سائل السبائك. بعد اكتمال اللحام، مع انخفاض درجة حرارة حوض المنصهر، تقل قابلية ذوبان الغاز تدريجيًا، مما يصبح السبب الرئيسي للمسام أثناء عملية اللحام. السبب. نظرًا لمعدل التصلب السريع والكثافة المنخفضة لسبائك الألومنيوم، تتشكل مسام الهيدروجين بأحجام مختلفة أثناء التصلب السريع للحام. ستستمر هذه المسام في التراكم والتوسع أثناء عملية اللحام، مما يؤدي في النهاية إلى تكوين مسام مرئية وتقليل الخصائص البنيوية للمفصل. بالطبع، لا يتشكل تكوين المسام بالضرورة أثناء عملية اللحام. نظرًا لتأثير تقنية الصب، فإن المعدن الأساسي نفسه سيولد أيضًا مسامًا أثناء عملية الصب. أثناء اللحام، يتسبب التغيير المستمر في مدخلات الحرارة والضغط الداخلي في تمدد المسام الأصلية في المعدن الأساسي بالحرارة أو تتحد مع بعضها البعض لتشكيل مسام اللحام. مع زيادة مدخلات حرارة اللحام، ستزداد المسام أيضًا. لذلك، من أجل التحكم في مصدر الهيدروجين، يجب أن تخضع مادة اللحام لمعالجة تجفيف صارمة قبل الاستخدام. أثناء اللحام، يجب زيادة التيار بشكل مناسب لإطالة مدة وجود حوض المنصهر والسماح بوقت كافٍ لترسيب الهيدروجين، وبالتالي التحكم في تكوين المسام.
تصنيف تكنولوجيا لحام سبائك الألومنيوم
مع توسع نطاق تطبيق سبائك الألومنيوم، تبرز المزيد والمزيد من المشاكل. مع تقدم البحث، أحرزت تقنية لحام سبائك الألومنيوم تقدمًا كبيرًا. في الوقت الحاضر، هناك بشكل أساسي لحام قوس التنغستن والأرجون (TIG)، ولحام الغاز الخامل المنصهر (MIG)، ولحام الليزر (LBW)، ولحام التحريك الاحتكاكي (FSW).
لحام TIG
لحام الغاز الخامل بالتنغستن (TIG) هو لحام قوسي نموذجي بالغاز الخامل وهو طريقة اللحام الأكثر استخدامًا. أثناء اللحام، يتم استخدام قطب التنغستن وسطح اللحام كأقطاب كهربائية، ويتم تمرير غاز الهيليوم أو الأرجون بين القطبين كغاز واقي لحماية القوس، ويتم إذابة السلك والمعدن الأساسي عن طريق التفريغ اللحظي عالي الجهد، ويتم لحام أجزاء سبائك الألومنيوم وتشكيلها، وإصلاح اللحام وإصلاح عيوب الصب.
تتمتع بشكل أساسي بالخصائص التقنية التالية:
سهلة التشغيل، ومرنة وقابلة للتحكم، وقابلة للتكيف مع ظروف العمل المختلفة، وتكلفة منخفضة؛
المنطقة المتأثرة بالحرارة ضيقة، وتشوه المفصل الملحوم صغير في ظل ظروف التغذية السلكية الكافية، والأداء الشامل للمفصل مرتفع؛
أداء عملية اللحام جيد ومستقر، كما أن خط اللحام كثيف وجميل.
لحام MIG
MIG (لحام قوس معدني بالغاز GMA) وTIG هما كلاهما لحام محمي بالغاز الخامل، والفرق هو أن لحام TIG يستخدم قطب التنغستن كقطب ثابت، بينما يستخدم لحام MIG مادة سلك الحشو نفسها كقطب.
ومع ذلك، فإن عملية تطبيق لحام MIG من سبائك الألومنيوم محدودة للغاية، لأن سلك الألومنيوم الناعم يؤدي إلى تغذية سلكية رديئة، ويميل الألومنيوم المنصهر إلى تكوين ظاهرة "التعليق بدون تنقيط" أثناء اللحام، مما يتسبب بسهولة في تناثر القطرات. الميزة هي أن لحام MIG أسرع من لحام TIG، ونطاق حركة اللحام صغير عند لحام قطع العمل الكبيرة. من خلال ضبط سرعة تغذية السلك، يمكن أن تصل كفاءة اللحام إلى عدة أمتار في الدقيقة.
اللحام بالليزر
تستخدم تقنية لحام شعاع الليزر (Laser Beam Welding LBW) نبضات ليزر عالية الطاقة لتسخين المادة محليًا في منطقة صغيرة. تنتشر طاقة إشعاع الليزر إلى داخل المادة من خلال التوصيل الحراري، وتذوب المادة لتكوين بركة منصهرة محددة. بعد التصلب، يتم توصيل المادة كوحدة واحدة.
تتمثل مزايا اللحام بالليزر في أن نقطة عمل اللحام صغيرة، ومصدر الحرارة عالي الطاقة مركّز، ولديه القدرة على لحام ألواح سميكة، مع منطقة ضيقة متأثرة بالحرارة وتشوه لحام صغير. ومع ذلك، في الوقت نفسه، يتطلب اللحام بالليزر متطلبات عالية لتحديد موضع اللحام، ومعدات لحام باهظة الثمن، وتكلفة لحام عالية. بالنسبة للمواد المعدنية مثل الألومنيوم والمغنيسيوم، فإن انعكاس الليزر مرتفع، واللحام المباشر صعب.
يُظهر تشعيع المواد بالليزر بكثافات طاقة مختلفة أنه عندما تصل كثافة الطاقة على قطعة العمل إلى أكثر من 107 وات / سم 2، فإن المعدن في منطقة التسخين سيتبخر في وقت قصير جدًا، وسيتقارب الغاز في ثقب صغير في حوض المنصهر، هذه الفتحة الصغيرة هي مركز نقل الحرارة، وتتشكل بركة منصهرة بالقرب من الفتحة الصغيرة، وهو تأثير "ثقب المفتاح" في اللحام العميق بالليزر. لتجنب مشكلة حوض المنصهر غير المتساوي الناجم عن هذه الظاهرة، من الممكن تقليل طاقة الليزر أو زيادة سرعة اللحام أو التحكم في إعادة صهر منطقة الكتلة لإزالة الفقاعات في منطقة الانصهار وتقليل تكوين المسام.
اللحام بالاحتكاك والتحريك
لحام التحريك الاحتكاكي (FSW) هو تقنية جديدة لربط الطور الصلب تعتمد على تقنية اللحام الاحتكاكي التقليدية. عند الواجهة المراد لحامها، عندما يتقدم رأس التحريك على طول اللحام، ترتفع درجة حرارة مادة اللحام، ويتعرض المعدن الملدن لتشوه بلاستيكي قوي تحت تأثير التحريك الميكانيكي والانزعاج، ويشكل اتصالاً كثيفًا بالطور الصلب بعد الانتشار وإعادة التبلور.
بالمقارنة مع طرق اللحام التقليدية، تتمتع تقنية FSW بالمزايا التالية:
درجة حرارة لحام منخفضة وتشوه لحام صغير؛
الخصائص الميكانيكية للحام جيدة؛
عملية اللحام بسيطة، واقتصادية، وصديقة للبيئة.
