Sebagai bahan logam teknik yang meningkat pesat dalam beberapa tahun terakhir, paduan aluminium telah banyak digunakan di ruang angkasa, mobil, kapal, dan bidang lainnya karena kepadatannya yang rendah, kekuatan spesifik yang tinggi dan kekakuan spesifik, serta ketahanan korosi yang baik. .
Namun, serangkaian masalah seperti kemampuan las yang buruk dan kinerja lapisan pembentuk yang buruk dalam pengelasan membatasi pengembangan bagian struktural paduan aluminium. Oleh karena itu, teknologi pengelasan paduan aluminium telah menjadi salah satu arah penelitian utama banyak sarjana di dalam dan luar negeri.
Ikhtisar kinerja paduan aluminium
Aluminium adalah bahan logam yang sangat ringan dengan kerapatan hanya 2,7g/cm3, yaitu sekitar 36 persen dari kerapatan baja. Paduan aluminium digunakan untuk memproduksi komponen mekanis, yang dapat mengurangi berat secara signifikan dan mencapai efek bobot yang ringan, hemat energi, dan pengurangan emisi.
Kekuatan spesifik dan kekakuan spesifik paduan aluminium lebih tinggi dari baja 45 dan plastik ABS. Penggunaan bahan paduan aluminium kondusif untuk pembuatan komponen integral dengan persyaratan kekakuan tinggi.
Paduan aluminium memiliki konduktivitas termal yang sangat baik, konduktivitas listrik dan ketahanan korosi. Parameter kinerja paduan aluminium A380 dan bahan lainnya ditunjukkan pada Tabel 1.
Paduan aluminium memiliki kemampuan mesin dan daur ulang yang baik. Jika diasumsikan koefisien tahanan potong paduan magnesium yang paling mudah dipotong adalah 1, maka tahanan potong logam lain ditunjukkan pada Tabel 2. Terlihat bahwa tahanan potong paduan aluminium lebih kecil dibandingkan dengan tembaga, besi dan bahan lainnya, dan proses pemotongannya relatif mudah.
Karakteristik pengelasan paduan aluminium
Dipengaruhi oleh sifat fisik dan kimia paduan aluminium, ada kesulitan tertentu dalam proses pengelasan. Pengelasan paduan aluminium saat ini terutama memiliki masalah berikut: tekanan termal, penguapan ablasi, inklusi padat, keruntuhan pori, dll.:
Stres Termal
Paduan aluminium memiliki koefisien ekspansi termal yang lebih tinggi dan modulus elastisitas yang lebih kecil. Selama proses pengelasan, karena deformasi yang besar dan koefisien ekspansi linier yang besar dari paduan aluminium, laju penyusutan volume selama pemadatan sekitar 6 persen, dan laju pendinginan dan laju kristalisasi primer dari kolam cair cepat, menghasilkan tegangan internal las dan kekakuan sambungan las. Lebih besar, mudah untuk menyebabkan tekanan internal yang lebih besar pada sambungan paduan aluminium, menyebabkan tegangan dan deformasi pengelasan yang lebih besar, membentuk cacat seperti retakan dan deformasi gelombang.
Penguapan ablasi
Aluminium memiliki titik leleh 660 derajat dan titik didih 2647 derajat, yang lebih rendah dari unsur logam lainnya seperti tembaga dan besi. Selama proses pengelasan, jika suhu pengelasan terlalu tinggi, mudah terjadi ledakan dan percikan, terutama pada pengelasan balok energi tinggi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Selain itu, beberapa elemen paduan ditambahkan ke paduan aluminium memiliki titik didih yang rendah, yang sangat mudah menguap dan terbakar pada suhu pengelasan yang tinggi seketika, dan percikan yang dihasilkan oleh ledakan juga akan menghilangkan sebagian tetesan cairan, yang mau tidak mau mengubah area las. Komposisi kimia tidak kondusif untuk pengaturan kinerja sambungan las. Oleh karena itu, untuk mengkompensasi ablasi suhu tinggi, kawat las atau bahan las lainnya dengan kandungan elemen titik didih yang lebih tinggi daripada logam dasar sering digunakan selama pengelasan.
inklusi yang solid
Sifat kimia aluminium sangat aktif dan mudah teroksidasi. Selama proses pengelasan, permukaan paduan aluminium teroksidasi menjadi Al2O3 dengan titik leleh yang tinggi (sekitar 2050 derajat C, sedangkan titik leleh aluminium adalah 660 derajat C, yang sangat berbeda). Oksida padat dan memiliki kekerasan tinggi, dan dicampur dalam cairan paduan cair dengan kepadatan rendah di area kolam cair, yang mudah membentuk terak padat halus dan sulit untuk dibuang, yang tidak hanya mempengaruhi struktur lasan, tetapi juga dengan mudah menghasilkan korosi elektrokimia, yang akan menyebabkan sifat mekanik sambungan las menurun, dan Al2O3 menutupi kolam cair dan alur, yang secara serius mempengaruhi pengelasan paduan dan mengurangi struktur mikro dan sifat sambungan las.
Keruntuhan stomata
Titik leleh paduan aluminium jauh lebih rendah daripada oksidanya, dan sifatnya hidup dan mudah teroksidasi. Selama proses pengelasan, paduan aluminium membentuk kolam cair karena pencairan suhu tinggi. Aluminium pada permukaan kolam cair dioksidasi untuk membentuk film oksida, yang menutupi kolam cair dalam keadaan padat. Karena warna film oksida setelah peleburan tidak jauh berbeda dengan paduan aluminium cair, dan karena cakupan film oksida, sulit untuk mengamati tingkat leleh kolam cair paduan aluminium selama proses pengelasan. , sehingga mudah menyebabkan suhu menjadi terlalu tinggi, menyebabkan pengaruh panas pengelasan Sebagian besar area runtuh, merusak bentuk dan sifat logam las.
Di bawah pengaruh kekuatan tinggi sesaat dari sumber panas pengelasan, sejumlah besar gas hidrogen dilarutkan dalam cairan paduan. Setelah pengelasan selesai, karena suhu kolam cair menurun, kelarutan gas juga berangsur-angsur berkurang, yang menjadi penyebab utama pori-pori dalam proses pengelasan. alasan. Karena kecepatan pemadatan paduan aluminium terlalu cepat dan densitasnya rendah, pori-pori hidrogen dengan ukuran berbeda terbentuk selama pemadatan las yang cepat. Pori-pori ini akan terus menumpuk dan mengembang selama proses pengelasan, akhirnya membentuk pori-pori besar yang terlihat dan mengurangi sifat struktural sambungan. Tentu saja, pori-pori belum tentu terbentuk selama proses pengelasan. Karena pengaruh teknologi proses pengecoran, logam dasar itu sendiri juga akan menghasilkan pori-pori selama proses pengecoran. Selama pengelasan, input panas dan tekanan internal terus berubah, menyebabkan pori-pori asli pada logam dasar mengembang atau bergabung satu sama lain untuk membentuk pori las. Saat masukan panas pengelasan meningkat, pori-pori juga akan meningkat. Oleh karena itu, untuk mengontrol sumber hidrogen, bahan las harus benar-benar dikeringkan sebelum digunakan. Selama pengelasan, arus dinaikkan dengan tepat untuk memperpanjang waktu keberadaan kolam cair dan memberikan waktu yang cukup bagi hidrogen untuk mengendap, dengan demikian mengendalikan pembentukan pori-pori.
gambar
Gbr.2 Pembentukan dan konvergensi stomata
Klasifikasi teknologi pengelasan paduan aluminium
Dengan perluasan jangkauan aplikasi paduan aluminium, semakin banyak masalah yang disorot. Dengan kemajuan penelitian, teknologi pengelasan paduan aluminium telah berkembang pesat. Saat ini, ada las busur argon tungsten (TIG), las gas lembam cair (MIG), las laser (LBW), las aduk gesekan (FSW).
Pengelasan busur tungsten gas
Tungsten Inert Gas Welding (TIG) adalah pengelasan terlindung gas inert yang khas dan merupakan metode pengelasan yang paling umum digunakan. Saat pengelasan, elektroda tungsten dan permukaan pengelasan digunakan sebagai elektroda, dan gas helium atau argon dilewatkan di antara dua elektroda sebagai gas pelindung untuk melindungi busur, dan kawat dan logam dasar dilebur oleh pelepasan tegangan tinggi sesaat, dan bagian paduan aluminium dilas dan dibentuk, dan Pengelasan dan perbaikan cacat pengecoran.
Ini terutama memiliki karakteristik teknis berikut:
Mudah dioperasikan, fleksibel dan dapat dikontrol, dapat beradaptasi dengan berbagai kondisi dan lingkungan kerja, dan berbiaya rendah;
Zona yang terkena panas sempit, dan deformasi sambungan las kecil di bawah kondisi pengumpanan kawat yang cukup, dan kinerja sambungan yang komprehensif tinggi;
Kinerja proses pengelasannya bagus dan stabil, dan lapisan lasnya rapat dan indah.
pengelasan MIG
Baik MIG (GMA-Gas Metal Arc Welding) dan TIG adalah las berpelindung gas inert. Perbedaannya adalah las TIG menggunakan elektroda tungsten sebagai elektroda tetap, sedangkan las MIG menggunakan bahan kawat pengisi itu sendiri sebagai elektroda.
Dalam proses pengelasan terlindung gas inert logam dari paduan aluminium, tegangan dan arus bekerja di ujung elektroda kawat las, dan tekanan tinggi sesaat dihasilkan antara elektroda dan logam dasar, yang melelehkan logam dasar dan logam dasar. alur, dan tetesan di ujung kawat jatuh dan bertransisi secara vertikal ke logam tidak mulia. Di kolam cair material, zona las terbentuk.
Namun, proses penerapan pengelasan MIG paduan aluminium relatif terbatas, karena kelembutan kawat aluminium menyebabkan kemampuan umpan kawat yang buruk, dan aluminium cair cenderung membentuk fenomena "menggantung tetapi tidak menetes" selama pengelasan, yang mudah menyebabkan droplet memercik. Keuntungannya adalah pengelasan MIG lebih cepat daripada pengelasan TIG, dan rentang gerakan pengelasan kecil saat mengelas benda kerja yang besar. Dengan menyesuaikan kecepatan pengumpanan kawat, efisiensi pengelasan dapat mencapai beberapa meter per menit.
pengelasan laser
Pengelasan sinar laser (Laser Beam Welding LBW) menggunakan pulsa laser berenergi tinggi untuk memanaskan material secara lokal di area kecil. Energi radiasi laser berdifusi ke bagian dalam material melalui konduksi panas, dan material tersebut dilelehkan untuk membentuk kolam cair tertentu. Setelah pemadatan, bahan tersebut terhubung menjadi Satu.
Keuntungan dari pengelasan laser adalah bahwa titik aksi pengelasan kecil, sumber panas berdaya tinggi terkonsentrasi, mampu mengelas pelat tebal, zona yang terkena panas sempit, dan deformasi pengelasan kecil. Tetapi pada saat yang sama, pengelasan laser memiliki persyaratan tinggi untuk posisi pengelasan, peralatan las yang mahal, dan biaya pengelasan yang tinggi. Untuk bahan logam seperti aluminium dan magnesium, reflektivitas lasernya tinggi, dan pengelasan langsung sulit dilakukan.
Bahan iradiasi dengan laser dengan kepadatan daya yang berbeda menunjukkan bahwa ketika kepadatan daya pada benda kerja mencapai lebih dari 107W/cm2, logam di zona pemanasan akan menjadi gasifikasi dalam waktu yang sangat singkat, dan gas akan menyatu menjadi lubang kecil di kolam cair dan membentuk lubang kecil adalah pusat perpindahan panas, dan kolam cair terbentuk di dekat lubang kecil, yang merupakan efek "lubang kunci" dari pengelasan penetrasi dalam laser. Untuk menghindari ketidakrataan kolam cair yang disebabkan oleh fenomena ini, dimungkinkan untuk mengurangi energi laser, meningkatkan kecepatan pengelasan atau mengontrol peleburan kembali area nugget untuk menghilangkan gelembung di zona fusi dan mengurangi pembentukan pori-pori. .
pengelasan adukan gesek
Pengelasan adukan gesekan (Friction stir Welding, FSW) adalah jenis baru dari teknologi sambungan fase padat berdasarkan teknologi pengelasan gesekan tradisional. Pada antarmuka yang akan dilas, ketika kepala pengaduk maju di sepanjang lapisan las, suhu bahan las naik, dan logam plastisisasi mengalami deformasi plastis yang kuat di bawah aksi pengadukan dan gangguan mekanis, dan membentuk koneksi fase padat yang padat setelah difusi dan rekristalisasi.
Dibandingkan dengan metode pengelasan tradisional, teknologi FSW memiliki keunggulan sebagai berikut:
Suhu pengelasan rendah dan deformasi pengelasan kecil;
Sifat mekanik yang baik dari las;
Proses pengelasan sederhana, ekonomis dan ramah lingkungan.
Masalah utama dan fokus penelitian
Dengan penerapan paduan aluminium di semakin banyak industri, masalah sambungan perbaikannya juga menarik perhatian lebih banyak sarjana. Melalui berbagai pengujian pengelasan pada paduan aluminium, ditemukan bahwa kematangan teknologi perbaikan tersebut belum sesuai dengan kebutuhan perkembangan industri, dan masih terdapat berbagai permasalahan di dalamnya.
Pengelasan busur tungsten gas dan pengelasan pelindung gas inert logam adalah dua metode pengelasan yang paling banyak digunakan saat ini, tetapi kedua teknologi ini memiliki zona yang terpengaruh panas yang luas, dan logam las perlu dilebur dan kemudian dipadatkan, yang berdampak pada struktur. Lebih besar, dan tegangan sisa tinggi, mengakibatkan dampak serius pada sifat mekanik sambungan. Kepadatan berkas energi pengelasan laser tinggi, dan rasio kedalaman-ke-lebar lasan besar, tetapi sangat mudah untuk membentuk pori-pori, dan biayanya yang mahal juga membatasi popularitas aplikasi. Pengelasan aduk gesek memberikan solusi untuk masalah panas, tetapi pengelasan aduk gesek membutuhkan tekanan yang relatif besar dan gaya penggerak ke depan, dan peralatan umumnya rumit dan besar, yang membatasi pengembangannya.
Fokus penelitian masa depan pada topik terkait harus pada aspek-aspek berikut:
Mulai dari dasar las fusi, sesuaikan formula kawat las, tambahkan elemen tanah jarang atau pilih aktivator las dalam jumlah yang sesuai untuk mengontrol deformasi las, mengurangi tegangan, dan mengurangi pembentukan pori.
Karena perluasan ruang lingkup dan penerapan paduan, mereka biasanya digunakan bersamaan dengan bahan yang berbeda, sehingga perlu dilakukan percobaan las putaran antara logam yang berbeda untuk mendapatkan sambungan berkualitas tinggi.
Melakukan penelitian tentang kemampuan las sumber panas komposit, seperti las hibrida TIG-laser, las aduk gesekan komposit laser, untuk mendapatkan kinerja las yang optimal.
