Как сварить алюминий и сталь

Для чего нужно соединять алюминий со сталью?

Сталь намного прочнее алюминия и его сплавов, её плотность примерно от 7,75 до 8,05 г / см3 по сравнению с 2,7 г / см3 у алюминия. Иначе говоря, если взять одинаковое по плотности количество алюминия и стали, то количество алюминия будет в три раза меньше.

Изделия из стали применяются практически во всех отраслях промышленности для инженерных и строительных проектов широкого спектра. При этом, одним из минусов стальных изделий является их вес: тяжёлые элементы не всегда подходят для тех конструкций, где необходима лёгкость. Поэтому использование сочетания стали и алюминия в различных формах в настоящее время имеет большое промышленное значение. В большинстве случаев заменить всю стальную конструкцию на конструкцию, сделанную только из алюминиевых сплавов, непросто. И поэтому требуется соединить вместе эти два металла.

Изделия из стали могут быть соединены с алюминиевыми сплавами при помощи высокотемпературной пайки или создания механических креплений, например, приварка шпилек или других крепёжных деталей и соединение склеиванием. При этом, когда требуется более высокая прочность и целостность конструкции, сварка - лучший вариант. Однако, сварить сталь с алюминиевым сплавом не так-то просто.

 

Почему сложно соединить сталь и алюминий?

Сталь и алюминиевые сплавы различаются по своим физическим и металлургическим свойствам, таким как температура плавления и теплопроводность. Температура плавления стали составляет около 1370 градусов по Цельсию, что в два раза больше, чем у алюминия, который плавится при температуре около 660 градусов по Цельсию. Кроме того, что их температуры плавления сильно различаются, оба металла практически невозможно растворить друг в друге. Когда два металла реагируют в расплавленном состоянии, они образуют хрупкие интерметаллические фазы. И поэтому, очевидно, что перечисленные выше проблемы могут вызвать сложности при электродуговой сварке алюминия и стали.

В результате подобного соединения металлов сварные швы получаются очень хрупкими и в большинстве случаев они не находят применения в промышленности.

 

Как соединить сталь и алюминий?

В связи с тем, что при применении сварки плавлением для соединения алюминия и стали невозможно добиться отличных результатов из-за неспособности образовывать прочные интерметаллические соединения, можно прибегнуть к использованию лазеров. Это достаточно разумный шаг, поскольку максимальная концентрация тепла в небольшом месте, созданная с помощью лазера, позволяет создать устойчивую среду для образования соединения с небольшим временем диффузии, чтобы ускорить образование интерметаллическое соединения.

Кроме того, использование биметаллических переходных вставок также позволяют уменьшить образование интерметаллического соединения при сварке плавлением. Вставки состоят из стали с одной стороны и из алюминия с другой, соединенных при помощи сварки трением, сварки взрывом, контактной стыковой сварки оплавлением, сварки давлением с подогревом и шовной контактной сварки.

Затем биметаллическая переходная вставка приваривается к изделию из стали и к изделию из алюминию отдельно. Сначала алюминиевый элемент приваривают к алюминиевой части вставки, поскольку это действие позволяет увеличить отвод тепла и не допустить перегрева в зоне соединения стали и алюминия, когда стальной элемент будет привариваться дуговой сваркой к стальной части переходной вставки.

Основная цель при сварке двух металлов с разными свойствами - поддерживать низкую температуру сварки, сводя к минимуму время воздействия высоких температур на сварной шов. Вот почему такие процессы, как сварка трением, необходимы при разработке биметаллических соединений между частями из стали и из алюминиевого сплава.

С другой стороны, существует такой вид сварки, как сварка трением. Она относится к процессу соединения деталей в твердой фазе, без расплавления. Способ сварки трением заключается во вращении одной из соединяемых деталей свариваемой заготовки под воздействием давления продольной силы. От контакта поверхностей вырабатывается тепло, которое заставляет граничащие поверхности изделий становиться пластичным.  При этом сварка трением остаётся довольно холодной. Сварка трением имеет важное значение, когда дело доходит до соединения нескольких различных металлов, поскольку образование интерметаллических соединений крайне низко при таком способе сварки.

При выполнении сварки трением для снижения вероятности образования интерметаллида между сталью и алюминиевыми сплавами, следует соблюдать меры предосторожности. Обычно при соединении алюминиевого сплава с нержавеющей сталью применяется промежуточный слой из чистого алюминия, который резко снижает образование интерметаллида. Все интерметаллические соединения, образующиеся в результате сварки трением между алюминиевыми сплавами и свариваемыми сталями, имеют железо-алюминиевую основу. Поэтому, ожидается, что хрупкие компоненты будут образовываться из чистого алюминия и стали, однако проблема не в этом.

Обычно натуральный алюминий немного прочнее алюминиевого сплава. Другими словами, температура, необходимая для плавления более мягкого и чистого алюминия, чтобы создать сварной шов, должна быть значительно ниже температуры, требующейся для алюминиевого сплава. Эти минимальные температуры очень важны, поскольку они снижают образование хрупких соединений.

В связи со сложностью создания прочных сварных швов между этими металлами, в производстве для соединения стали и алюминиевых сплавов достаточно широко применяются механическое крепление. Однако, применяя имеющиеся в продаже заклёпки (скобы или замки — средство соединения металлов), а также учитывая тип работ, следует соблюдать соответствующие меры предосторожности, чтобы предотвратить появление контактной коррозии, такой как ржавчина, которая возникает на алюминиевом сплаве. Не допустить её образования не сложно. Нужно просто изолировать алюминиевый сплав от стали, например, в качестве изоляции можно нанести металлические или полимерные лакокрасочные покрытия.