Hoe vervorming bij het lassen van dik aluminium te beperken

In de lucht- en ruimtevaart, de scheepsbouw, het spoorvervoer, de sector voor speciale voertuigen en die voor grote machines is er steeds meer vraag naar lichtgewicht constructies met een hoge sterkte, een lange levensduur en corrosiebestendigheid. Aluminiumlegeringen zijn belangrijke constructiematerialen omdat ze een hoge sterkte, een laag gewicht, een goede vervormbaarheid en een goede corrosiebestendigheid combineren.

Het Amerikaanse onderzoek naar hoogsterkte-aluminium begon in de jaren ’40. In 1956 werd op proef 5083 Al-Mg-Mn-plaat geproduceerd die door vervorming was verhard. Omdat de gecombineerde prestaties ervan in sommige toepassingen waarbij hoge sterkte vereist was beperkt waren, volgde begin jaren zestig de warmtebehandelbare 7039 Al-Zn-Mg-legering. Door de grote gevoeligheid voor spanningscorrosiescheuren was langdurige blootstelling aan zeewater of zoutnevel echter ongeschikt. In de jaren tachtig ontwikkelden de Verenigde Staten, de voormalige Sovjet-Unie en andere landen een nieuwe generatie hoogsterkte legeringen. De in de VS ontwikkelde 2519-T87 Al-Cu-legering biedt een hoge sterkte, evenwichtige mechanische eigenschappen, weerstand tegen spanningscorrosie en lasbaarheid.

Hoogwaardige legeringen van de nieuwe generatie, met name Al-Cu 2xxx-legeringen, bieden een grotere constructieve sterkte en een verbeterde weerstand tegen spanningscorrosie voor grote constructies in veeleisende omgevingen. Lassen leidt echter nog steeds tot verzachting van de lasnaad en een lage lasnaadsterkte. Bij grote precisieconstructies moet bovendien de lasvervorming worden beperkt tot minder dan een derde van die welke bij conventioneel lassen ontstaat.

Uitdagingen op het gebied van producten en processen

De belangrijkste problemen zijn ernstige vervorming van de verbindingen en een lage sterktekoëfficiënt; een vuurvaste oppervlaktelaag van Al₂O₃ met een smeltpunt van 2.060 °C; de hoge energie-inbreng die nodig is voor dik, zeer sterk materiaal; de gevoeligheid voor warmtescheuren en poriën; en vervorming als gevolg van een hoge warmtegeleiding en een grote lineaire uitzettingscoëfficiënt. Vervorming is vooral bij een dikte van meer dan 20 mm moeilijk te beheersen, dus moeten de maatregelen technisch verantwoord en praktisch uitvoerbaar zijn voor de productie op de werkvloer.

Maatregelen ter beperking van vervorming

1. Selecteer het lasproces

Een dikke aluminiumplaat geleidt warmte snel en is geschikt voor een proces met een hoge vermogensdichtheid. Uit tests met MIG-lassen met één en twee draden, elektronenstraallassen, wrijvingsroerlassen en hybride laser-MIG-lassen is gebleken dat lassen met twee draden het meest geschikt is als productieproces.

Bij MIG-lassen met één draad werd gebruikgemaakt van laagfrequente samengestelde pulsen. De trillingen van het smeltbad versterkten het roeren, bevorderden heterogene nucleatie tijdens het stollen, verfijnden de lasstructuur en verbeterden de sterkte en ductiliteit door middel van elektromagnetisch roeren. De lasverbinding voldeed aan de streefwaarde voor treksterkte of overtrof deze zelfs. Uit tests bleek dat er een gunstige combinatie bestaat van lasvoortsnelheid, stroomsterkte en laagfrequente modulatiepulsen.

Het lassen met twee draden op hoge snelheid leverde een zeer sterke lasverbinding op. Uit een vergelijking tussen MIG-lassen met twee draden bij hoge stroomsterkte in twee lasgangen en bij lage stroomsterkte in vier lasgangen bleek dat de parameters voor meerdere lasgangen bij hoge stroomsterkte de voordelen van beide methoden combineerden. De treksterkte van de verbinding bedroeg 296 MPa, ofwel 62% van het basismetaal, en de slagtaaiheid bedroeg 13 J/cm², ofwel 42% van het basismetaal.

Er werden drie methoden met elkaar vergeleken: conventioneel lassen met een Y-groef, lassen met een X-groef en trillingslassen met een X-groef. De X-groef beperkte de vervorming tot een vijfde van het resultaat bij conventioneel lassen, terwijl trillingslassen deze nog verder verminderde.

2. De lasvolgorde berekenen en optimaliseren

Bij een grote constructie met veel lasnaden moet u elke lasnummeren en een beginvolgorde vaststellen op basis van de constructiekenmerken. Een constructie met bijvoorbeeld 16 hoofdlasnaden gebruikte aanvankelijk de nummers 1, 3, 4, 2, 5, 6, 7, …, 16. Met eindige-elementenanalyse kunnen mogelijke volgordes worden vergeleken en kan een volgorde worden geïdentificeerd met minder vervorming en een gunstigere spanningsverdeling.

Analyseer eerst de lasvolgorde binnen een afzonderlijke naad met meerdere lasgangen, omdat deze zowel de grootte als de verdeling van de restspanning beïnvloedt. Door vóór het lassen in de werkplaats een lasvolgorde met lage spanning vast te stellen, kan de uiteindelijke restspanning worden beperkt.

Optimaliseer vervolgens de algemene volgorde van de naden. Door de openingsvolgorde te wijzigen van 1, 3, 4, 2 naar 1, 3, 2, 4 veranderde de spanningsverdeling aanzienlijk. De tweede volgorde zorgde voor een vermindering van het gebied met een spanning boven 300 MPa, wat de weerstand tegen spanningscorrosiescheurtjes kan verbeteren.

3. Gebruik trillingsontspanning om spanningen en afmetingen te stabiliseren

Dynamische spanning is een belangrijke parameter bij spanningsverlichting door trillingen. De exciter oefent een dynamische spanning uit die overeenkomt met een cyclische wisselbelasting. Wanneer deze spanning samengaat met de oorspronkelijke restspanning en lokale of algemene plastische vervorming veroorzaakt, kan de restspanning zich ontladen, gelijkmatiger worden en afnemen, terwijl de metalen matrix beter bestand wordt tegen vervorming.

De algemene criteria zijn σ_dynamisch + σ_restwaarde ≥ σ_s, waarbij σ_s is de vloeispanning die nodig is om plastische vervorming te laten voortschrijden en macroscopische vervorming te veroorzaken; σ_dynamisch/σ_restwaarde = 0,1–0,3; en de amplitude van de dynamische spanning moet één derde tot twee derde van de bedrijfsspanning van het onderdeel bedragen. Binnen een geschikt bereik zorgt een grotere dynamische spanning voor meer rek en wordt de spanning effectiever afgebouwd. Een te hoge dynamische spanning kan het werkstuk beschadigen of de vermoeidheidslevensduur verkorten.

Bij de tests werd gebruikgemaakt van een WZ-86A-trilapparaat voor spanningsverlichting, vervaardigd door Hailun Vibratory Stress Relief Equipment Co., Ltd. Het proces beperkte de restspanning in de las tot binnen 0,3σ._s.

Tijdens de proeven zijn de productspecifieke parameters voor het wegnemen van trillingsspanningen vastgesteld en toegepast.

Controleresultaat

Een productiecompatibel lasproces, vergelijkende proeven met verschillende groefvormen, parameters en lasvolgordes, en trillingsontspanning zorgden voor een vermindering van de restspanning en vervorming zonder dat dit ten koste ging van de mechanische eigenschappen of de corrosiebestendigheid. Dankzij het geoptimaliseerde proces bleef de vervorming beperkt tot een derde van het resultaat bij conventioneel lassen, waarmee werd voldaan aan de ontwerp- en productie-eisen voor grote, hoogsterke constructies.

Naast de lucht- en ruimtevaart, schepen, het spoorvervoer en grote machines is de methode ook geschikt voor bepaalde speciale voertuigen, lichtgewicht beschermingsconstructies en andere zeer sterke aluminium onderdelen.