Hoe werkt draaddepositie met een elektronenstraal bij aluminiumlegeringen?

Elektronenstraal-draadafsetting wordt toegepast als 3D-printproces voor aluminiumlegeringen. Aluminiumlegeringen combineren een laag gewicht en een hoge sterkte met een goede vervormbaarheid, elektrische en thermische geleidbaarheid en corrosiebestendigheid. Deze fysische, chemische en mechanische eigenschappen maken toepassingen mogelijk in de lucht- en ruimtevaart, de automobielindustrie, het spoorvervoer, wapens, opslagtanks, huishoudelijke apparaten, de bouw en bouwmaterialen. Sinds de jaren zestig worden aluminiumlegeringen op grote schaal gebruikt in de massaproductie van spoorvoertuigen en auto’s.

Aluminiumlegeringen kunnen op verschillende manieren worden ingedeeld. Op basis van de primaire verwerkingsmethode worden ze onderverdeeld in gegoten en gesmede legeringen. Op basis van het gebruik omvatten ze zuiver aluminium, corrosiebestendig aluminium, duraluminium, superduraluminium en aluminium voor speciale doeleinden. Op basis van hun reactie op warmtebehandeling worden ze onderverdeeld in warmtebehandelbare en niet-warmtebehandelbare legeringen. Op basis van de belangrijkste legeringselementen worden ze onderverdeeld in acht series. In een aparte bijlage worden de acht series aluminiumlegeringen behandeld.

Materiaaleigenschappen en lasbaarheid

Omdat bij elektronenstraalafzetting materiaal in de vorm van draad wordt toegevoegd, lijkt het procesverloop op lassen, met name op het lassen met toevoegdraad. De lasbaarheid moet daarom vóór de afzetting worden beoordeeld. Aluminiumlegeringen zijn over het algemeen goed lasbaar, maar verschillende eigenschappen kunnen het lassen en de draadafzetting verstoren.

Sterke oxidatie

Aluminium reageert gemakkelijk met zuurstof in de lucht en tijdens het lassen, waarbij een Al-laag ontstaat₂O₃ film. Aluminiumoxide heeft een hoog smeltpunt, is chemisch en fysisch stabiel, is moeilijk te verwijderen en neemt veel vocht op. De oppervlaktefilm maakt het basismetaal moeilijker te smelten en kan slakinsluitingen, onvolledige versmelting en onvolledige doordringing veroorzaken. Opgenomen vocht kan in de las terechtkomen en porositeit veroorzaken.

Vóór het lassen moet het oppervlak grondig worden gereinigd door middel van mechanisch slijpen of chemische methoden om Al te verwijderen₂O₃. Ook de laszone moet goed worden beschermd. Bij TIG-lassen wordt doorgaans wisselstroom gebruikt, zodat de oxidefilm door kathodische reiniging wordt verwijderd.

Thermofysisch gedrag

Aluminiumlegeringen hebben een hogere warmtegeleidbaarheid en een hogere specifieke warmtecapaciteit dan staal. Warmte wordt snel naar het substraat geleid en uit de laszone afgevoerd, waardoor voorverwarmen nodig kan zijn. Hun hoge lineaire uitzettingscoëfficiënt bevordert bovendien het ontstaan van warmtescheuren en vervorming. De samenstelling van de lasdraad kan worden aangepast om warmtescheuren te voorkomen, terwijl voorverwarmen kan helpen om vervorming te beperken.

Poroosheid

Vloeibaar aluminium kan veel meer waterstof oplossen dan vast aluminium; het verschil in oplosbaarheid van waterstof tussen de vloeibare en vaste toestand bedraagt een factor 17,5. Door het lage smeltpunt en de hoge warmtegeleiding van aluminium stolt het lasbad snel, waardoor er onvoldoende tijd is om waterstof te laten ontsnappen en waterstofporiën ontstaan. Het Al₂O₃ De film droogt vrijwel onmiddellijk na het reinigen, en het geadsorbeerde vocht vormt een belangrijke bron van waterstof. Waterstofbronnen moeten daarom streng worden beheerst.

Vorming van lasnaden

Het vormen van druppels is om twee redenen moeilijk. Aluminium vertoont geen duidelijke kleurverandering voordat het smelt, waardoor de vormomstandigheden moeilijk in te schatten zijn, en de lage sterkte bij hoge temperaturen biedt weinig steun aan het gesmolten metaal, waardoor het risico op doorbranden toeneemt.

Veranderingen in de eigenschappen van verbindingen

1. Verdamping en verbranding van Mn, Mg en Zn bij lastemperaturen verminderen de hoeveelheid elementen die beschikbaar is voor de vorming van versterkende fasen en verlagen de mechanische eigenschappen van de las.
2. Herkristallisatie in de warmtebeïnvloede zone vermindert de sterkte van door vervorming geharde of door oplossingveroudering verouderde legeringen.
3. Aluminium heeft een kubisch vlakgecentreerd rooster en kent geen allotropen, waardoor de thermische cyclus geen faseovergang veroorzaakt die de korrels zou kunnen verfijnen; de laskorrels blijven daarom relatief grof.

Bij elektronenstraallassen vindt het lasproces plaats in vacuüm, waardoor er tijdens het lassen geen contact is tussen het aluminium en de lucht. Grondige reiniging vóór het lassen om Al te verwijderen₂O₃ blijft van essentieel belang, en het reinigen van aluminiumdraad vóór het afzetten is bijzonder belangrijk. Ook de keuze van de samenstelling van de draad kan hete scheurvorming en daarmee samenhangende defecten voorkomen. Lasdraad van legering 2219 wordt op grote schaal gebruikt voor het afzetten van draad met behulp van een elektronenstraal.