Jak działa metoda osadzania drutu wiązką elektronów w przypadku stopów aluminium?

W procesie druku 3D ze stopów aluminium stosuje się osadzanie drutu wiązką elektronową. Stopy aluminium łączą w sobie niską masę i wysoką wytrzymałość z dobrą plastycznością, przewodnością elektryczną i cieplną oraz odpornością na korozję. Te właściwości fizyczne, chemiczne i mechaniczne sprawiają, że znajdują one zastosowanie w przemyśle lotniczym i kosmicznym, produkcji samochodów, transporcie kolejowym, uzbrojeniu, zbiornikach magazynowych, sprzęcie AGD, budownictwie oraz w materiałach budowlanych. Od lat 60. XX wieku stopy aluminium są szeroko stosowane w masowej produkcji kolejowej i motoryzacyjnej.

Stopy aluminium można klasyfikować na kilka sposobów. Ze względu na podstawową metodę obróbki dzielą się one na stopy odlewane i kute. Ze względu na zastosowanie obejmują one czyste aluminium, aluminium odporne na korozję, duraluminium, superduraluminium oraz aluminium specjalnego przeznaczenia. Ze względu na reakcję na obróbkę cieplną dzielą się one na stopy poddające się obróbce cieplnej i niepoddające się obróbce cieplnej. Ze względu na główne pierwiastki stopowe dzieli się je na osiem serii. Osobny dokument opisuje osiem serii stopów aluminium.

Właściwości materiału i spawalność

Ponieważ osadzanie wiązką elektronów polega na dodawaniu materiału w postaci drutu, przebieg tego procesu przypomina spawanie, a zwłaszcza spawanie z użyciem drutu spawalniczego. Przed rozpoczęciem osadzania należy zatem ocenić spawalność materiału. Stopy aluminium są zasadniczo spawalne, jednak niektóre właściwości mogą utrudniać spawanie i osadzanie drutu.

Silne utlenianie

Aluminium łatwo wchodzi w reakcję z tlenem zawartym w powietrzu oraz podczas spawania, tworząc Al₂O₃ warstwa. Tlenek glinu charakteryzuje się wysoką temperaturą topnienia, jest stabilny chemicznie i fizycznie, trudno go usunąć oraz silnie wchłania wilgoć. Ta warstwa powierzchniowa utrudnia topienie metalu podstawowego i może powodować wtrącenia żużlu, brak stopienia oraz niepełne wtopienie. Wchłonięta wilgoć może przedostać się do spoiny i spowodować porowatość.

Przed spawaniem powierzchnię należy dokładnie oczyścić poprzez szlifowanie mechaniczne lub metodami chemicznymi w celu usunięcia Al₂O₃. Strefa spawania również wymaga skutecznej ochrony. W spawaniu metodą TIG zazwyczaj stosuje się prąd przemienny, dzięki czemu czyszczenie katodowe usuwa warstwę tlenku.

Właściwości termofizyczne

Stopy aluminium charakteryzują się wyższą przewodnością cieplną i wyższą ciepłotą właściwą niż stal. Ciepło jest szybko przewodzone do podłoża i odprowadzane ze strefy spawania, dlatego może być konieczne wstępne podgrzanie. Ich wysoki współczynnik rozszerzalności liniowej sprzyja również powstawaniu pęknięć termicznych i odkształceń. Skład drutu można dostosować w celu ograniczenia pęknięć termicznych, natomiast wstępne podgrzanie może pomóc w kontrolowaniu odkształceń.

Porowatość

Ciekłe aluminium może rozpuszczać znacznie więcej wodoru niż aluminium w stanie stałym; różnica w rozpuszczalności wodoru między stanem ciekłym a stałym wynosi 17,5 razy. Niska temperatura topnienia aluminium i wysoka przewodność cieplna powodują szybkie krzepnięcie jeziorka spawalniczego, co nie pozostawia wystarczającej ilości czasu na ulotnienie się wodoru i sprzyja powstawaniu porów wodorowych. Al₂O₃ Po oczyszczeniu folia niemal natychmiast ulega zmianom, a zaabsorbowana wilgoć staje się głównym źródłem wodoru. Dlatego też źródła wodoru muszą być rygorystycznie kontrolowane.

Tworzenie się spoiny

Powstawanie kropel jest utrudnione z dwóch powodów. Aluminium nie wykazuje żadnych wyraźnych zmian koloru przed stopieniem, co utrudnia ocenę warunków formowania, a jego niska wytrzymałość w wysokich temperaturach zapewnia stopionemu metalowi niewielkie podparcie, co zwiększa ryzyko przepalenia.

Zmiany właściwości połączeń

1. Odparowanie i utrata Mn, Mg i Zn w temperaturach spawania zmniejszają ilość pierwiastków dostępnych do tworzenia faz wzmacniających oraz obniżają właściwości mechaniczne spoiny.
2. Rekrystalizacja w strefie wpływu ciepła powoduje spadek wytrzymałości stopów utwardzonych odkształceniem lub poddanych starzeniu rozpuszczalnikowemu.
3. Aluminium ma sieć krystaliczną typu sześciennego z centrą na ścianie i nie występują w nim alotropy, więc cykl termiczny nie powoduje przemiany fazowej, która mogłaby doprowadzić do zmniejszenia wielkości ziaren; w związku z tym ziarna spawu pozostają stosunkowo grube.

Spawanie wiązką elektronową odbywa się w próżni, co eliminuje kontakt aluminium z powietrzem podczas spawania. Dokładne czyszczenie przed spawaniem w celu usunięcia Al₂O₃ nadal ma zasadnicze znaczenie, a oczyszczenie drutu aluminiowego przed osadzaniem jest szczególnie ważne. Wybór składu drutu może również zapobiegać pękaniu na gorąco i związanym z tym wadom. Drut spawalniczy ze stopu 2219 jest szeroko stosowany do osadzania drutu wiązką elektronową.