Как сваривать алюминий со сталью?

Почему нужно сваривать алюминий со сталью?

Алюминий (и его сплавы) намного легче, чем стали, с плотностью около 2,70 г / см 3 по сравнению с диапазоном от 7,75 до 8,05 г / см 3 для сталей. Это означает, что сопоставимый объем стали примерно в три раза тяжелее алюминия.

Во многих отраслях промышленности сталь используется для различных структурных применений. Однако из-за плотности стали существует значительная потеря веса, связанная с ее использованием.

Новые природоохранные законы вынуждают транспортные отрасли соблюдать строгие ограничения на выбросы парниковых газов. Одним из способов снижения выбросов является, к примеру, снижение веса конструкции автомобиля. Замена различных стальных конструкций алюминиевыми сплавами в настоящее время имеет большое промышленное значение. Во многих случаях не всегда возможно заменить всю стальную конструкцию алюминиевыми сплавами, поэтому необходимо объединить эти два материала.

Алюминиевые сплавы могут быть сравнительно легко соединены со сталями с использованием таких методов, как клеевое соединение, механическое крепление или пайка.

Но когда требуется превосходная структурная целостность, сварка предпочтительна. Однако приварка алюминиевых сплавов к стали затруднена.

Почему алюминий трудно соединить со сталью?

Алюминиевые сплавы и сталь сильно различаются по металлургии и физическим свойствам, таким как теплопроводность и температура плавления. Как правило, температура плавления стали составляет около 1370 ° С, что более чем в два раза выше, чем у алюминия, который плавится при температуре около 660 ° С.

Помимо их широко различающихся температур плавления, каждый из этих металлов практически нерастворим в другом. В расплавленном состоянии они реагируют с образованием хрупких интерметаллических фаз. Понятно, что вышеуказанные проблемы могут представлять проблемы при сварке плавлением, такой как дуговая сварка стали и алюминия.

Получающиеся сварные соединения будут иметь неудовлетворительные свойства и из-за их хрупкой природы часто нежелательны для многих промышленных применений.

Практичные и проверенные — гибридные листы из стали и алюминия

Для выяснения и документирования пригодности продукта для фактического применения, как партнеры компании, так и внешние организации провели обширные испытания гибридных листов из стали и алюминия, соединенных методом пайки-сварки.

Основное исследование: Отправным пунктом здесь являются материалы AW5182-H111 и DX54D, а также присадочный материал Z200, изготовленный из сплава AlSi3Mn1. Институт исследований металлов им. Макса Планка (MPIE) определил размер зерен в околошовной зоне, а также оптимальный присадочный металл. Размер зерен в зоне плавления алюминиевого образца представлен на Рис. 12. Цвета иллюстрируют гранулометрический состав и рост зерен.

Предел прочности на разрыв: Два различных образца имитируют подходящую комбинацию материалов для крыш автомобилей и оконных рам. Ключевым результатом испытания на разрыв стал окончательный разрыв образца в области алюминиевого листа, при этом шов, созданный методом пайки-сварки, не получил никаких повреждений в ходе испытаний. Основные значения указаны в Таблице 1 и на соответствующих фотографиях.

Коррозионные свойства и испытания в солевой камере: Коррозионная стойкость незащищенного гибридного листа из стали и алюминия проверялась в солевой камере (SST). Даже после 300 часов пребывания, следов местной коррозии/коррозии под напряжением или межкристаллитной коррозии не было обнаружено. Легкие следы коррозии были заметны лишь на поверхности.

Способность к деформации: Способность листов к деформации играет ключевую роль в кузовостроении. Гибридные листы из стали и алюминия подходят для неоднократной обработки листового металла только в случае, если они могут удовлетворить данным требованиям. О пригодности листов свидетельствует возможность осуществления различных процессов деформации. Соответствующие данные представлены в Таблице 2. Пример «испытания на вытяжку» наглядно демонстрирует, что даже в пограничной зоне при глубокой вытяжке все равно достигаются положительные результаты.

Испытание на удар: Когда гибридные листы из материалов изначально проектируются как элементы, обеспечивающие безопасность, они могут систематически поглощать энергию удара. При использовании амортизатора ударной нагрузки из гибридных материалов, поглощение происходит практически полностью в алюминиевой части элемента. Как паяно-сварной шов, так и стальная часть элемента остаются нетронутыми. В противоположность этому, элемент, состоящий только из стали и поглощающий то же количество энергии, получает более серьезные повреждения. Надлежащим образом спроектированные элементы из гибридных материалов отвечают требованиям к поглощению энергии, когда это необходимо, обеспечивая при этом соответствие требованиям к геометрическим характеристикам и безопасным расстояниям. Подробная информация содержится в Таблице 3.

Рис. 6: «Испытание на вытяжку» ясно демонстрирует, что даже в пограничной зоне рассматриваемая технология обеспечивает хорошие результаты.

Рис. 7: Паяно-сварной шов остается неповрежденным даже в ходе испытания элемента на удар.

Рис. 8: Гибридные листы размером 300 × 220 мм, толщиной 1,2 / 1,5 мм подвергаются пайке-сварке на скорости 78 см/мин. перед формовкой по модели паяно-сварных несущих конструкций крыши.

Как вы присоединяете алюминий к стали?

Хорошо известно, что применение процессов сварки плавлением для соединения стали с алюминием затруднено из-за различий в точках плавления, теплопроводности, коэффициентах расширения и тенденции к образованию хрупких интерметаллических соединений. Поскольку растворимость Fe в Al очень низкая (около 0,04 мас.%), При температурах> 350 ° C, когда диффузия Fe в Al становится значительной, начинается осаждение интерметаллических соединений Fe-Al. Значительные интерметаллические осадки могут происходить значительно ниже точки плавления алюминия (660 ° C для чистого Al). Точная степень осаждения интерметаллидов определяется диффузией и зависит от временного и температурного предела взаимодействия взаимодействующих границ Fe и Al.

Газ

Алюминий на воздухе не варят. Сварочная ванна должна быть защищена инертным газом. Для «черной» стали это необязательно, достаточно флюса, которым покрыт плавящийся электрод, но для алюминия это обстоятельство играет важную роль.

Обычно применяют аргон, реже гелий, который великолепно действует на весь процесс, особенности плавления, но и стоит гораздо дороже. Аргон применяют чаще, но, обратите внимание, что он должен быть технически чистым, содержание сторонних примесей минимальное. Плохой аргон даст грязный шов с включениями.

Использование лазеров для создания паяного соединения

Использование лазеров для создания паяного соединения между сталью и алюминием является логичным шагом, так как высокая интенсивность тепла в небольшой области, генерируемой лазером, означает, что стабильная среда для пайки может быть создана локально и быстро перемещена для создания соединения с минимальным временем для диффузии, чтобы управлять чрезмерным образованием интерметаллических соединений.

Фазовая диаграмма Fe-Al показывает диапазон твердых интерметаллических фаз, которые могут быть сформированы, а именно; Fe3Al (892HV), FeAl (470HV), FeAl2 (1060HV), Fe2Al5 (1013HV) и FeAl3 (892HV).

Эти фазы характеризуются чрезвычайно высокой твердостью, почти нулевой пластичностью и очень низкой вязкостью разрушения. Следовательно, если термически произведенное соединение между сталью и алюминием должно содержать некоторые или все эти фазы,

Толщина слоя интерметаллического соединения должна быть настолько малой, насколько это возможно, для достижения хороших механических характеристик в соединении. Проверить сварку тут можно с помощью рентгеновской пленка Agfa D7 от компании , на тонких деталях можно использовать рентгеновскую пленку Agfa D2.

Должны быть приняты определенные подходы к дуговой сварке стали и алюминия, чтобы избежать образования интерметаллического соединения. Первый заключается в использовании алюминиевого покрытия на стали. Это может быть достигнуто погружением стали в расплавленный алюминий (горячее алюминирование). После нанесения алюминия алюминий может быть приварен к алюминиевому покрытию. Необходимо следить за тем, чтобы дуга не нагревала покрытый алюминий до чрезмерной температуры, в противном случае возможно образование интерметаллического соединения. Первый заключается в использовании алюминиевого покрытия на стали. Это может быть достигнуто погружением стали в расплавленный алюминий (горячее алюминирование).

После нанесения алюминия алюминий может быть приварен к алюминиевому покрытию. Необходимо следить за тем, чтобы дуга не нагревала покрытый алюминий до чрезмерной температуры, в противном случае возможно образование интерметаллического соединения.

Первый заключается в использовании алюминиевого покрытия на стали. Это может быть достигнуто погружением стали в расплавленный алюминий (горячее алюминирование). После нанесения алюминия алюминий может быть приварен к алюминиевому покрытию. Необходимо следить за тем, чтобы дуга не нагревала покрытый алюминий до чрезмерной температуры, в противном случае возможно образование интерметаллического соединения.

Сварка алюминия и стали с покрытием стальных кромок промежуточным металлом

Для улучшения протекания процесса сварки используют технологические приёмы, которые обеспечивают расплавление алюминия, а не стали. Например, перед началом сварки кромки стали покрывают различными металлами, которые наносятся горячим, или гальваническим способом. Аргонодуговую сварку вольфрамовым электродом выполняют по этим покрытиям с использованием присадочной проволоки. Хорошие результаты сварки получаются, также, при электрометаллизации кромок.

Наиболее простым способом покрытия кромок промежуточным металлом является способ горячего алитирования. Суть его состоит в окунании стальных кромок в расплавленный алюминий, выдержкой в нём в течение 40мин и последующем медленном охлаждении. Но практические опыты, проведённые Ленинградским корабельным институтом (ныне Санкт-Петербургский государственный морской технический университет) и институтом электросварки имени Е.О. Патона показали целесообразность других металлов, или применение биметаллических вставок.

Выбор покрытия зависит от требований прочности, предъявляемых к сварному соединению. Кроме того, учитываются и экономическая целесообразность. Наиболее дорогим способом является метод гальванического покрытия.

Для аргонодуговой сварки (АДС) сплава АД1 со сталью, в качестве покрытия для стальных кромок наиболее хорошо подходит олово, которое наносится гальваническим способом или методом горячего погружения.

Для АДС сплава АМц в качестве покрытия для стальных кромок лучше выбирать алюминий или цинк и наносить их гальваническим способом. Цинк, нанесённый методом горячего погружения, обеспечивает более низкую прочность стыка.

Для АДС сплава АМг неплохие результаты обеспечивает покрытие стальных кромок оловом или латунью, нанесённых горячим погружением, цинком, нанесённом гальваническим способом или горячим погружением, или, сварка без покрытия. Но более удачным будет выбор двухслойного покрытия из меди и цинка, нанесённого гальваническим способом. Покрытие из серебра, сплавов АМг3 и АМг показывает удовлетворительные результаты.

Биметаллические переходные вставки

Биметаллические переходные вставки являются еще одним средством уменьшения интерметаллического образования при сварке плавлением. Вставки состоят из одной алюминиевой части и другой стальной детали, скрепленных между собой прокаткой, сваркой взрывом, сваркой трением, сваркой под давлением или сваркой горячим давлением. Биметаллическое переходное соединение затем индивидуально приваривается к алюминию и стали. Обычно объемный алюминий сначала приваривают к алюминиевой части переходной вставки, так как это создает больший радиатор, когда объемную сталь подвергают дуговой сварке со стальной половиной переходной вставки.

Основной целью при соединении этих материалов является поддержание максимально низкой температуры сварки и минимизация времени воздействия сварного шва на высокие температуры. Вот почему такие процессы, как сварка трением (в основном, ротационная сварка трением), используются для изготовления биметаллических переходных вставок между алюминиевыми сплавами и стальными объемными компонентами.

Подготавливаем металл к свариванию

Подготовка алюминия к сварке состоит из ряда манипуляций. Среди них:

Тщательная очистка. Перед тем как приварить алюминий к любому металлу, все поверхности следует отчистить от масляных и жирных пятен, пыли. Это можно сделать с помощью растворителей.
Обработка кромок. Алюминий в листах толщиной до 1, 5 мм проходит отбортовку торцов. В деталях толщиной более 20 мм, свариваемых электродами, выполняют разделку кромок. Если сварка производится неплавящимся электродом или присадочной проволокой, а толщина детали превышает 4 мм, также проводят разделку кромок.
Удаление оксидной пленки. Перед сваркой алюминия в домашних условиях газовой горелкой кромки обрабатывают бензином либо каустической содой. Последнюю обязательно смывают водой. Ликвидировать пленку также можно напильником или стальной щеткой.
Проверка целостности металла. Для этого его поверхность обрабатывают проникающим составом, который позволяет выявить дефекты и место, подходящее для того, чтобы сформировать шов.

Ротационная сварка трением

Ротационная сварка трением — это процесс соединения в твердом состоянии, который работает путем вращения одной детали относительно другой, находясь под действием осевой силы сжатия. Трение между поверхностями производит тепло, в результате чего материал интерфейса пластифицируется. Сжимающее усилие вытесняет пластифицированный материал с поверхности раздела, способствуя металлургическим механизмам соединения. Не входя в жидкое состояние, сварные швы трения остаются намного более холодными во время обработки.

Кроме того, сварка алюминия, быстрым трением, предотвращая длительное время воздействия сварного шва на высокие температуры. Следовательно, сварка трением коммерчески используется для соединения ряда разнородных материалов, поскольку образование интерметаллических соединений значительно снижается.

Несмотря на преимущества сварки трением для уменьшения интерметаллического образования между алюминиевыми сплавами и сталями, все же следует позаботиться о выборе параметров.

Достоинства и недостатки

Преимущество сплава железа с алюминием — механические характеристики, которые сравнимы с некоторыми титановыми и никелевыми суперсплавами. Предел прочности при растяжении составляет до 100 МПа.

Другим достоинством является стойкость к окислению и коррозии при температурах до +7000С. При более высоких температурах допустимо применение таких конструкций, но без значительных механических нагрузок.

К недостаткам относят:

хрупкость, проявляемую при определённых условиях эксплуатации и зависящую от температуры и нагрузок;
при концентрации алюминия менее 12% сплав подвержен окислению, коррозии снижению пластичности;
сложность получения стабильной фазы с заданными характеристиками;
низкая прочность на растяжение.

Сплав легко расплавляется, что позволяет снизить расходы на его производство. Допустимо использование вторсырья, которое прошло соответствующие этапы очистки от примесей.

Сварка нержавеющей стали с алюминиевым сплавом

Часто при сварке стали и нержавеющей стали с алюминиевым сплавом используется промежуточный слой из чистого алюминия, что резко снижает образование интерметаллидов. Интерметаллические соединения между сталью, сваренной трением, и алюминиевыми сплавами основаны на железо-алюминии, следовательно, можно ожидать, что хрупкие соединения также будут образовываться между сталью и чистым алюминием, но это не так. Чистый алюминий намного мягче, чем алюминиевый сплав.

Это означает, что температура, необходимая для протекания мягкого чистого алюминия и образования сварного шва, намного ниже, чем у алюминиевого сплава. Более низкие температуры помогают уменьшить образование хрупких соединений.

Сваривать алюминий со сталью

Из-за сложности изготовления прочных сварных швов между этими материалами во многих коммерческих применениях для соединения алюминиевых сплавов со сталью используются механические крепежные элементы. При использовании механических крепежей и в зависимости от применения необходимо соблюдать осторожность, чтобы предотвратить гальваническую коррозию.

Гальваническая коррозия преимущественно происходит на алюминиевом сплаве. Чтобы предотвратить это, требуется изоляция алюминиевого сплава от стали, что обычно происходит при использовании изолирующего покрытия или краски.

Состав и структура

Структура сплава алюминия с железом представляет собой пересыщенный раствор Al в α-Fe с упорядочением структуры FeAl (тип В2), наличием включений Fe3AlCx. Свойства определяются упорядочением альфа-фазы и пересыщением. Чтобы сформировать однородный состав, необходим отжиг при температуре выше упорядочения состава с последующим регулируемым охлаждением.

При количестве Al 8–14% формируется столбчатая матричная структура. В процессе отжига структура немного упорядочивается: включения длиной до 150 мкм находятся вдоль границы зёрен. Выделение включений происходит при охлаждении из твёрдой фазы.

Метастабильное состояние фазы определяется количеством включений. Отжиг позволяет их сократить до 2%. Чем больше в составе алюминия, тем больше создаётся негомогенных областей, в результате чего понижается микротвёрдость матрицы до 0,4 ГПа и износостойкость образца.

С увеличением скорости отжига при водяном или воздушном охлаждении количество карбидных включений снижается.

14-20% сплав алюминия с железом имеет также матричную структуру, но карбидная фаза обеднена по Al и структура FeAl не упорядочена. При отжиге на воздухе количество карбидных включений возрастает, за счёт чего повышаются свойства износостойкости и прочности. Если проводить охлаждение в воде, то такого эффекта не наблюдается и образец получается хрупким.

При повышенном содержания в сплаве Al от 20 до 30% карбидной фазы становится меньше, при охлаждении образцов данная фаза отсутствует в структуре или не более 3%. За счёт большого количества алюминия образец приобретает высокую прочность и пластичность. Воздушное охлаждение после отжига стимулирует образование твёрдых износостойких фаз.

Увеличение содержания алюминия в расплаве становится причиной формирования интерметаллида Fe4Al13, который не устраняется после отжига, а образец становится непригодным для какого-либо практического применения.

Для улучшения свойств расплава в состав вводятся следующие легирующие элементы:

0,1–10% Cr;
0,1–0,2% Nb;
0,1–2,0% Si;
0,1–5% B;
от 50 до 200 мг/кг Zr.

Содержание углерода — от 100 до 500 мг/кг.

Температура плавления