Tổng quan về Hàn nhôm và hợp kim nhôm theo Gene Mathers

• Tác giả: Gene Mathers
• Chuyên ngành: Kỹ thuật hàn
• Đề tài: Hàn nhôm và các hợp kim của nó
• Loại tài liệu: Sách kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2002
• Địa điểm: Cambridge

Tóm tắt

I. Tổng quan về hàn nhôm và hợp kim nhôm Gene Mathers

Hàn nhôm và hợp kim nhôm là lĩnh vực kỹ thuật phức tạp, đòi hỏi kiến thức chuyên sâu về cả quá trình hàn lẫn luyện kim. Cuốn sách "The Welding of Aluminium and Its Alloys" của Gene Mathers, xuất bản năm 2002 bởi Woodhead Publishing, là tài liệu tham khảo quan trọng dành cho các kỹ sư. Tác phẩm hướng đến những người có kiến thức hạn chế về luyện kim và quy trình hàn, cung cấp nền tảng thực tiễn thay vì lý thuyết thuần túy. Gene Mathers nhấn mạnh rằng hàn là nghệ thuật nhiều hơn khoa học, nơi kinh nghiệm và trực giác đóng vai trò quyết định. Cuốn sách bao gồm nhiều chủ đề: luyện kim hàn, kiểm soát khí bảo vệ, lựa chọn vật liệu hàn và xử lý khiếm khuyết. Đây là nguồn tài liệu không thể thiếu cho kỹ sư làm việc với nhôm trong môi trường công nghiệp hiện đại.

1.1. Bối cảnh và mục đích của cuốn sách

Cuốn sách "The Welding of Aluminium and Its Alloys" được Gene Mathers biên soạn nhằm thu hẹp khoảng cách giữa lý thuyết luyện kim và thực hành hàn trên sàn sản xuất. Tác giả nhận thấy nhiều kỹ sư gặp khó khăn do thiếu kiến thức cơ bản về tính chất kim loại và sự biến đổi vi cấu trúc trong quá trình hàn. Cuốn sách không cố gắng trở thành giáo trình luyện kim hay quy trình hàn hoàn chỉnh. Thay vào đó, nó cung cấp kiến thức nền tảng, giúp kỹ sư hiểu nguyên nhân sâu xa của các vấn đề thường gặp. Từ đó, người đọc có thể đưa ra quyết định kỹ thuật chính xác hơn trong môi trường sản xuất thực tế.

1.2. Vai trò của hàn nhôm trong kỹ thuật hiện đại

Nhôm và hợp kim nhôm được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp nhờ tỷ trọng thấp, khả năng chống ăn mòn tốt và tính dẫn nhiệt cao. Các lĩnh vực sử dụng phổ biến bao gồm hàng không vũ trụ, đóng tàu, chế tạo ô tô và xây dựng. Tuy nhiên, hàn nhôm phức tạp hơn đáng kể so với hàn thép do nhiệt độ nóng chảy của oxit nhôm cao gấp ba lần kim loại cơ bản. Đặc tính dẫn nhiệt lớn cũng gây khó khăn trong việc duy trì hồ quang ổn định. Những thách thức này đòi hỏi kỹ sư phải hiểu rõ đặc tính luyện kim của từng loại hợp kim nhôm để lựa chọn phương pháp hàn phù hợp và đạt chất lượng mối hàn tối ưu.

II. Phân tích vấn đề kỹ thuật trong hàn hợp kim nhôm

Hàn hợp kim nhôm đối mặt với nhiều vấn đề kỹ thuật phức tạp liên quan đến ô nhiễm khí bảo vệ và biến đổi cấu trúc vi mô. Gene Mathers chỉ ra rằng độ tinh khiết của khí bảo vệ có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố trong hệ thống cấp khí. Các mối nối bu-lông hoặc mặt bích ren là nguồn ô nhiễm và rò rỉ tiềm ẩn. Khuyến nghị sử dụng hệ thống ống đồng hoặc thép hàn kín thay vì kết nối cơ khí. Vật liệu ống dẫn khí cũng ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng khí. Bảng dữ liệu trong sách cho thấy neoprene có độ thấm ẩm cao nhất, trong khi polytrifluoro-chloroethylene có độ thấm thấp nhất. Về mặt luyện kim, vùng ảnh hưởng nhiệt trải qua biến đổi cấu trúc phức tạp. Tại vùng nhiệt độ khoảng 250°C, hợp chất Mg₂Al₃ tiếp tục hình thành và bắt đầu kết tụ. Khi nhiệt độ接近400°C, một phần Mg₂Al₃ hòa tan lại vào dung dịch. Gần mối hàn, nhiệt độ trên 560°C gây ra hiện tượng nóng chảy cục bộ và hình thành lỗ co ngót. Kim loại hàn có cấu trúc đúc với dung dịch bão hòa quá mức magiê trong nhôm và các hạt liên kim không hòa tan như Mg₂Si.

2.1. Ô nhiễm khí bảo vệ và ảnh hưởng của ống dẫn khí

Ô nhiễm khí bảo vệ là vấn đề nghiêm trọng trong hàn nhôm, đặc biệt khi sử dụng khí trơ như argon hoặc heli. Gene Mathers khuyến nghị nguồn cung cấp khí từ bồn chứa lớn thay vì bình khí rời để đảm bảo chất lượng đồng đều hơn. Hệ thống phân phối khí nên sử dụng ống đồng hoặc thép với mối hàn kín, tránh các kết nối ren hoặc bu-lông. Một phát hiện quan trọng từ nghiên cứu là độ thấm hơi nước qua vật liệu ống dẫn khí ảnh hưởng trực tiếp đến độ tinh khiết khí. Nhiều loại nhựa dùng làm ống khí có tính thấm đối với hơi nước trong không khí, dẫn đến ngưng tụ hơi ẩm bên trong ống. Chỉ một số hạn chế vật liệu ống có khả năng duy trì độ tinh khiết khí ở mức chấp nhận được cho hàn nhôm chất lượng cao.

2.2. Biến đổi cấu trúc vi mô trong vùng ảnh hưởng nhiệt

Vùng ảnh hưởng nhiệt trong hàn hợp kim nhôm trải qua những thay đổi cấu trúc vi mô phức tạp tùy theo nhiệt độ đạt được. Kim loại cơ có cấu trúc hạt mịn gồm nền dung dịch rắn magiê trong nhôm, được tăng cường phân tán bằng kết tinh mịn Mg₂Al₃ và các hạt thô hơn Al-Fe-Si-Mn. Trong vùng ảnh hưởng nhiệt, hợp chất Mg₂Al₃ tiếp tục hình thành ở nhiệt độ khoảng 250°C và bắt đầu kết tụ thô hóa. Gần mối hàn hơn, khi nhiệt độ trên 560°C, hiện tượng nóng chảy cục bộ xảy ra tạo ra lỗ co ngót. Kim loại hàn là cấu trúc đúc với dung dịch bão hòa quá mức. Tốc độ làm nguội nhanh thường ngăn chặn được sự kết tủa Mg₂Al₃, nhưng điều này cũng có nghĩa là tính chất cơ học khác biệt so với kim loại cơ đã qua xử lý nhiệt.

III. Giải pháp và phương pháp hàn hợp kim nhôm hiệu quả

Gene Mathers đề xuất nhiều giải pháp cụ thể để cải thiện chất lượng hàn hợp kim nhôm. Về kiểm soát khí bảo vệ, hệ thống cấp khí từ bồn chứa lớn phân phối qua ống hàn hoặc hàn kín giúp giảm thiểu ô nhiễm. Chỉ sử dụng các loại ống dẫn khí có độ thấm hơi nước thấp, tránh neoprene và PVC. Về lựa chọn vật liệu hàn, việc chọn kim loại hàn phù hợp đóng vai trò quyết định đối với chất lượng mối hàn. Đối với hợp kim có hàm lượng magiê trên 4%, mối nối hàn đôi khi có cường độ thấp hơn kim loại cơ ở trạng thái ủ. Trong hàn MIG, hiện tượng mất magiê trong hồ quang là nguyên nhân chính. Giải pháp là sử dụng kim loại hàn có hàm lượng hợp kim cao hơn, chẳng hạn 5556 (AlMg5) cho hợp kim 5083. Việc hiểu rõ tính chất luyện kim của từng loại hợp kim giúp kỹ sư đưa ra quyết định chính xác về thông số hàn và vật liệu bổ sung.

3.1. Kiểm soát chất lượng khí bảo vệ trong hàn nhôm

Để đảm bảo chất lượng khí bảo vệ, Gene Mathers khuyến nghị hệ thống cấp khí từ bồn chứa lớn thay vì bình khí rời. Khí từ nguồn bulk thường có chất lượng vượt trội hơn đáng kể. Hệ thống phân phối nên sử dụng ống đồng hoặc thép với mối hàn hoặc hàn kín, loại bỏ hoàn toàn các kết nối ren hoặc bu-lông. Cần lựa chọn vật liệu ống dẫn khí có độ thấm hơi nước thấp. Dựa trên dữ liệu nghiên cứu, polytrifluoro-chloroethylene và Teflon là lựa chọn tốt nhất. Ngược lại, neoprene và cao su tự nhiên có độ thấm cao nhất, gây ngưng tụ hơi ẩm bên trong ống. Kiểm tra định kỳ hệ thống cấp khí và thay thế ống dẫn cũ là biện pháp cần thiết để duy trì chất lượng mối hàn nhôm ổn định.

3.2. Lựa chọn vật liệu hàn phù hợp cho từng hợp kim

Lựa chọn kim loại hàn phù hợp là yếu tố then chốt quyết định chất lượng mối hàn hợp kim nhôm. Đối với hợp kim 5083, thường sử dụng kim loại hàn có thành phần tương tự. Tuy nhiên, hàm lượng magiê cao làm tăng nguy cơ ăn mòn ứng suất. Với hợp kim có hơn 4% magiê, mối nối hàn đôi khi cho cường độ thấp hơn kim loại cơ ở trạng thái ủ. Trong hàn MIG, sự mất magiê trong hồ quang là nguyên nhân chính gây giảm cường độ. Giải pháp hiệu quả là sử dụng kim loại hàn hợp kim hóa cao hơn, ví dụ loại 5556 (AlMg5). Việc hiểu mối quan hệ giữa thành phần hợp kim, thông số hàn và tính chất cơ học giúp kỹ sư tối ưu hóa quy trình và đạt cường độ mối hàn ít nhất tương đương trạng thái ủ của kim loại cơ.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của hàn nhôm hợp kim

Cuốn sách "The Welding of Aluminium and Its Alloys" của Gene Mathers là tài liệu tham khảo giá trị cho kỹ sư làm việc với hàn nhôm trong môi trường công nghiệp. Tác phẩm cung cấp kiến thức nền tảng về luyện kim hàn, giúp người đọc hiểu nguyên nhân sâu xa của các vấn đề thường gặp trên sàn sản xuất. Những hiểu biết về biến đổi cấu trúc vi mô trong vùng ảnh hưởng nhiệt, kiểm soát khí bảo vệ và lựa chọn vật liệu hàn cho phép kỹ sư đưa ra quyết định chính xác hơn. Cường độ mối hàn hợp kim nhôm-magiê nói chung接近trạng thái ủ của kim loại cơ cùng thành phần. Việc đạt cường độ mối nối ít nhất tương đương điều kiện ủ là khả thi với quy trình hàn phù hợp.Ứng dụng thực tiễn của kiến thức này trải rộng trên nhiều ngành: hàng không, đóng tàu, chế tạo ô tô và xây dựng kết cấu nhẹ. Hướng phát triển tương lai tập trung vào tối ưu hóa quy trình tự động hóa và kiểm soát chất lượng bằng công nghệ số.

4.1. Ứng dụng trong các ngành công nghiệp hiện đại

Kiến thức về hàn hợp kim nhôm được áp dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp then chốt. Ngành hàng không vũ trụ sử dụng nhôm hợp kim cho thân máy bay, cánh và các bộ phận cấu trúc nhờ tỷ trọng thấp và cường độ cao. Ngành đóng tàu ứng dụng kỹ thuật hàn nhôm cho thân tàu cao tốc và tàu quân sự. Công nghiệp chế tạo ô tô ngày càng sử dụng nhiều nhôm hơn để giảm trọng lượng xe và cải thiện hiệu suất nhiên liệu. Ngành xây dựng áp dụng hàn nhôm cho kết cấu mái, cầu và hệ thống cửa. Trong mỗi ứng dụng, hiểu biết sâu sắc về luyện kim hàn và kiểm soát quy trình là yếu tố quyết định chất lượng và độ tin cậy của sản phẩm cuối cùng.

4.2. Hướng phát triển và cải tiến kỹ thuật hàn nhôm

Kỹ thuật hàn nhôm đang phát triển theo nhiều hướng nhằm nâng cao chất lượng và hiệu quả sản xuất. Công nghệ tự động hóa và robot hàn giúp kiểm soát chính xác hơn các thông số quan trọng như tốc độ cấp dây, điện áp và góc hàn. Hệ thống giám sát chất lượng trực tuyến sử dụng cảm biến và trí tuệ nhân tạo để phát hiện khuyết tật trong thời gian thực. Nghiên cứu về vật liệu hàn mới tập trung vào phát triển kim loại hàn có thành phần tối ưu cho từng loại hợp kim cụ thể. Công nghệ hàn laser và hàn ma sát khuấy mở ra khả năng hàn nhôm với biến dạng tối thiểu. Các tiến bộ này đều dựa trên nền tảng kiến thức luyện kim vững chắc, như những nguyên tắc Gene Mathers trình bày trong cuốn sách của mình.

Trích đoạn nội dung tài liệu

org The welding of aluminium and its alloys Gene Mathers Cambridge England www.org Published by Woodhead Publishing Limited, Abington Hall, Abington Cambridge CB1 6AH, England www.com Published in North America by CRC Press LLC, 2000 Corporate Blvd, NW Boca Raton FL 33431, USA First published 2002, Woodhead Publishing Ltd and CRC Press LLC © 2002, Woodhead Publishing Ltd The author has asserted his moral rights. This book contains information obtained from authentic and highly regarded sources. Reprinted material is quoted with permission, and sources are indicated. Reasonable efforts have been made to publish reliable data and information, but the author and the publishers cannot assume responsibility for the validity of all materials. Neither the author nor the publishers, nor anyone else associated with this publication, shall be liable for any loss, damage or liability directly or indirectly caused or alleged to be caused by this book. Neither this book nor any part may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, microfilming and recording, or by any information storage or retrieval system, without permission in writing from the publishers. The consent of Woodhead Publishing and CRC Press does not extend to copying for general distribution, for promotion, for creating new works, or for resale. Specific permission must be obtained in writing from Woodhead Publishing or CRC Press for such copying. Trademark notice: Product or corporate names may be trademarks or registered trademarks, and are used only for identification and explanation, without intent to infringe. British Library Cataloguing in Publication Data A catalogue record for this book is available from the British Library. Library of Congress Cataloging in Publication Data A catalog record for this book is available from the Library of Congress. Woodhead Publishing ISBN 1 85573 567 9 CRC Press ISBN 0-8493-1551-4 CRC Press order number: WP1551 Typeset by SNP Best-set Typesetter Ltd., Hong Kong Printed by TJ International, Padstow, Cornwall, England www.org Preface Engineering is not an exact science and, of the many disciplines within engi- neering, welding is probably one of the most inexact – rather more of an art than a science. Much of the decision-making is based on experience and a ‘gut feel’ for what is or is not acceptable. When the difficulties of shop floor or site control are taken into account and the occasional vagaries of the welder and the sometimes inadequate knowledge of supervisory staff are added, the problems of the practising shop floor engineer can appear overwhelming. I hope that some of this uncertainty can be dispelled in this book, which is aimed at those engineers with little or no knowledge of metallurgy and perhaps only the briefest acquaintance with the welding processes. It does not purport to be a metallurgical or processes textbook and I make no apology for this. Having lectured fairly extensively on welding technology, I have come to realise that most engineers think of metals as being composed of a large number of small billiard balls held together by some form of glue. I have attempted to describe the metallur- gical aspects of the aluminium alloys in these terms. I have therefore kept the contents descriptive and qualitative and have avoided the use of mathematical expressions to describe the effects of welding. The book provides a basic understanding of the metallurgical principles involved in how alloys achieve their strength and how welding can affect these properties. I have included sections on parent metal storage and prepa- ration prior to welding and have also described the more frequently encoun- tered processes. There are recommendations on welding parameters that may be used as a starting point for the development of a viable welding pro- cedure. Also included are what I hope will be useful hints and tips to avoid some of the pitfalls of welding these sometimes problematic materials. I would like to thank my colleagues at TWI, particularly Bob Spiller, Derek Patten and Mike Gittos, for their help and encouragement during the writing of this book – encouragement that mostly took the form of ‘Haven’t you finished it yet?’. Well, here it is. Any errors, inaccuracies or omissions are mine and mine alone. Gene Mathers ix www.org Contents Preface ix 1 Introduction to the welding of aluminium 1 1.2 Characteristics of aluminium 4 1.4 Welding: a few definitions 6 2 Welding metallurgy 10 2.3 Aluminium weldability problems 18 2.4 Strength loss due to welding 31 3 Material standards, designations and alloys 35 3.3 CEN designation system 36 3.4 Specific alloy metallurgy 40 3.5 Filler metal selection 46 4 Preparation for welding 51 4.2 Storage and handling 51 4.3 Plasma-arc cutting 52 4.4 Laser beam cutting 58 4.5 Water jet cutting 63 4.7 Cleaning and degreasing 66 v www.org vi Contents 5 Welding design 69 5.2 Access for welding 70 5.5 Edge preparation and joint design 72 5.7 Rectification of distortion 88 5.8 Fatigue strength of welded joints 89 6 TIG welding 97 6.3 Mechanised/automatic welding 114 6.4 TIG spot and plug welding 115 7 MIG welding 116 7.4 Welding procedures and techniques 135 7.5 Mechanised and robotic welding 141 7.6 Mechanised electro-gas welding 143 7.7 MIG spot welding 144 8 Other welding processes 147 8.2 Plasma-arc welding 147 8.4 Electron beam welding 155 8.5 Friction welding 160 9 Resistance welding processes 166 9.3 Surface condition and preparation 169 9.6 Flash butt welding 176 www.org Contents vii 10 Welding procedure and welder approval 181 10.3 Welder approval 191 11 Weld defects and quality control 199 11.2 Defects in arc welding 199 11.3 Non-destructive testing methods 205 Appendix A British and ISO standards related to welding and aluminium 216 Appendix B Physical, mechanical and chemical properties at 20 °C 226 Appendix C Principal alloy designations: cast products 227 Appendix D Alloy designations: wrought products 228 Bibliography 230 Index 235 www.org 1 Introduction to the welding of aluminium 1.1 Introduction The existence of aluminium (Al) was postulated by Sir Humphrey Davy in the first decade of the nineteenth century and the metal was isolated in 1825 by Hans Christian Oersted. It remained as somewhat of a labora- tory curiosity for the next 30 years when some limited commercial pro- duction began, but it was not until 1886 that the extraction of aluminium from its ore, bauxite, became a truly viable industrial process. The method of extraction was invented simultaneously by Paul Heroult in France and Charles M. Hall in the USA and this basic process is still in use today. Because of its reactive nature aluminium is not found in the metallic state in nature but is present in the earth’s crust in the form of different compounds, of which there are several hundreds. The most important and prolific is bauxite. The extraction process consists of two separate stages, the first being the separation of aluminium oxide, Al2O3 (alumina), from the ore, the second the electrolytic reduction of the alumina at between 950 °C to 1000 °C in cryolite (Na3AlF6). This gives an aluminium, containing some 5–10% of impurities such as silicon (Si) and iron (Fe), which is then refined either by a further electrolytic process or by a zone-melting technique to give a metal with a purity approaching 99. At the close of the twentieth century a large proportion of aluminium was obtained from recovered and remelted waste and scrap, this source alone supplying almost 2 million tonnes of aluminium alloys per annum in Europe (including the UK) alone. The resulting pure metal is relatively weak and as such is rarely used, particularly in constructional applications. To increase mechanical strength, the pure aluminium is generally alloyed with metals such as copper (Cu), manganese (Mn), magnesium (Mg), silicon (Si) and zinc (Zn). One of the first alloys to be produced was aluminium–copper. It was around 1910 that the phenomenon of age or precipitation hardening in this family of alloys was discovered, with many of these early age-hardening 1 www.org 2 The welding of aluminium and its alloys alloys finding a ready use in the fledgling aeronautical industry. Since that time a large range of alloys has been developed with strengths which can match that of good quality carbon steel but at a third of the weight. A major impetus to the development of aluminium alloys was provided by the two World Wars, particularly the Second World War when aluminium became the metal in aircraft structural members and skins. It was also in this period that a major advance in the fabrication of aluminium and its alloys came about with the development of the inert gas shielded welding processes of MIG (metal inert gas) and TIG (tungsten inert gas). This enabled high- strength welds to be made by arc welding processes without the need for aggressive fluxes. After the end of the Second World War, however, there existed an industry that had gross over-capacity and that was searching for fresh markets into which its products could be sold. There was a need for cheap, affordable housing, resulting in the production of the ‘prefab’, a prefabricated aluminium bungalow made from the reprocessed remains of military aircraft – not quite swords into ploughshares but a close approxi- mation! At the same time domestic utensils, road vehicles, ships and struc- tural components were all incorporating aluminium alloys in increasing amounts. Western Europe produces over 3 million tonnes of primary aluminium (from ore) and almost 2 million tonnes of secondary or recycled aluminium per year. It also imports around 2 million tonnes of aluminium annually, resulting in a per capita consumption of approximately 17 kg per year. Aluminium now accounts for around 80% of the weight of a typical civil- ian aircraft (Fig.1) and 40% of the weight of certain private cars. If pro- duction figures remain constant the European automotive industry is expected to be consuming some 2 million tonnes of aluminium annually by the year 2005. It is used extensively in bulk carrier and container ship super- structures and for both hulls and superstructures in smaller craft (Fig. The new class of high-speed ferries utilises aluminium alloys for both the super-structure and the hull. It is found in railway rolling stock, roadside furniture, pipelines and pressure vessels, buildings, civil and military bridg- ing and in the packaging industry where over 400 000 tonnes per annum is used as foil. One use that seems difficult to rationalise in view of the general perception of aluminium as a relatively weak and soft metal is its use in armoured vehicles (Fig.3) in both the hull and turret where a combina- tion of light weight and ballistic performance makes it the ideal material for fast reconnaissance vehicles. This wide range of uses gives some indication of the extensive number of alloys now available to the designer. It also gives an indication of the difficulties facing the welding engineer. With the ever-increasing sophis- tication of processes, materials and specifications the welding engineer must have a broad, comprehensive knowledge of metallurgy and welding www.org Introduction to the welding of aluminium 3 1.1 BAC 146 in flight. Courtesy of TWI Ltd.2 A Richardson and Associates (Australia) Ocean Viewer all- aluminium vessel. The hull is 5 mm thick A5083. Courtesy TWI Ltd.org 4 The welding of aluminium and its alloys 1.3 Warrior armoured fighting vehicle (AFV) utilising Al-Zn-Mg alloys. Courtesy of Alvis Vehicles. It is hoped that this book will go some way towards giving the practising shop-floor engineer an appreciation of the problems of welding the aluminium alloys and guidance on how these problems may be over- come. Although it is not intended to be a metallurgical textbook, some metallurgical theory is included to give an appreciation of the underlying mechanisms of, for instance, strengthening and cracking.2 Characteristics of aluminium Listed below are the main physical and chemical characteristics of aluminium, contrasted with those of steel, the metal with which the bulk of engineers are more familiar.