СВАРКА РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

СВАРКА АЛЮМИНИЯ СО СТАЛЬЮ

Получение сварных соединений алюминия и его сплавов со сталями наталкивается на большие трудности. Они за­ключаются: в большом различии температур плавления алю­миния и стали (алюминий расплавляется и становится жид­ким прежде, чем сталь успевает как следует прогреться); в большом различии коэффициентов линейного расшире­ния соединяемых металлов, что обусловливает возникнове­ние значительных термических напряжений по линии пере­хода от стали к алюминию; в значительном различии тепло­проводности и теплоемкости соединяемых металлов, что также способствует возникновению термических напряже­ний; в наличии тугоплавкой окисной пленки, создающей включения в сварном шве. Для их растворения применяют специальные флюсы, так как флюсы, которые применяются при сварке алюминия, легкоплавки, жидкотекучи, плохо смачивают поверхность шва на стали, и поэтому непригодны для данного металла. Соответственно стандартные флюсы, ис­пользуемые для сварки стали, реагируют с жидким алюми­нием, резко нарушая его состав. В результате они также не могут быть непосредственно использованы при сварке стали с алюминием.

Однако, основным препятствием получения сварных со­единений алюминия и его сплавов со сталями является хи­мическое взаимодействие этих металлов, приводящее к не­обратимому образованию интерметаллических соединений по линии перехода.

В соответствии с диаграммой состояния (рис. 35, а), алюминий с железом образует твердые растворы, интерме­таллические соединения и эвтектику. Растворимость желе­за в твердом алюминии весьма незначительна, граница твер­дого раствора железа в алюминии при температурах 225-— 600° находится при содержании железа в пределах 0,01—• 0,022%. Растворимость железа в алюминии при эвтекти­ческой температуре (654°) составляет 0,053%. При комнат­ной температуре железо в алюминии совсем не растворяется.

При затвердевании в структуре сплавов алюминия с же­лезом уже при незначительных количествах введенного же­леза появляются кристаллы соединения FeAl3 (59,18% AI). При содержании до 1,8% железа и при 654° С образуется эвтектика А1 + FeAl3. При дальнейшем увеличении содер­жания железа в сплавах появляются химические соедине­ния следующих составов: Fe2Al7 (62,93% Al), Fe2Al6 (54,71 %А1), FeAl2 (49,13% Al), FeAl (32,57% Al) и др.

Присутствующее в сплавах алюминия железо всегда на­ходится в виде химических соединений, что и определяет

механические свойства и обрабатываемость их. Введение железа вызывает повышение предела прочности и твердости и резкое снижение пластичности алюминия (рис. 33, б, е). Железоалюминиевые сплавы, содержащие 8—10% Fe, об­ладают незначительной пластичностью, а еще более бога­тые железом весьма хрупки, из-за чего они до настоящего времени не получили практического применения.

Соединение сваркой алюминия и алюминиевых сплавов со сталями с применением одного или нескольких металлов, обладающих промежуточными физико-химическими свой­ствами (по аналогии, например, сварки титана со сталью), невозможно. Анализ двойных и тройных диаграмм состояния показывает, что элементы, применяющиеся для легирова­ния алюминия (Mg, Si, Си и др.), либо имеют ничтожную растворимость в железе, либо образуют одну или несколько интерметаллических фаз с ним.

В связи с этим для сварки алюминия с другими метал­лами необходима разработка такого метода сварки, при ко­тором на границе контакта исключается появление интер­металлических соединений. В этом смысле заслуживают вни­мания сварка давлением, ультразвуковая, диффузионная, контактная оплавлением (с последующим выдавливанием хрупких составляющих из стыка).

В связи с этим для соединения алюминия со сталью широко используют различные методы холодной сварки (в твердом состоянии). Соединения алюминия со сталью, вы­полненные холодной сваркой, сейчас широко распростране­ны, а для многих видов изделий холодная сварка является, пожалуй, единственным практически осуществимым спо­собом.

Однако, все эти методы имеют недостаток, который за­ключается в том, что сфера их применения узка из-за огра­ниченности форм свариваемых деталей.

Проблемы, связанные со сваркой плавлением алюминия со сталью, удалось решить за счет использования следующих факторов: покрытия поверхности стали металлом, который

хорошо совместим с алюминием; использования переход­ной вставки алюминий — сталь, полученной другим спо­собом соединения.

Предложенные способы сварки плавлением стали с алю­минием характеризуются общими признаками нанесения на сталь промежуточных прослоек из одного или нескольких металлов, которые, однако, не исключают образования ин - терметаллидных фаз на границе. При этом можно полу­чать вполне удовлетворительную статическую прочность. Однако, такие соединения ненадежны для конструк­ций, подвергающихся при эксплуатации ударным на­грузкам.

В связи с этим сталеалюминиевые конструкции можно создавать, применяя прокладки из биметалла сталь — алю­миний (или его сплав), который представляет собой двух­слойный металл, полученный прокаткой. При таком способе производится сварка однородных металлов, например, алю­миниевой детали с плакировкой биметалла из алюминиево­го сплава и стальной детали со стальной основой биме­талла.

Применение такого биметалла представляет собой до­вольно простое решение проблемы сварки алюминия со сталью. Однако, нагревание двухслойной (многослойной) металлической пластины движущимся источником при свар­ке этих пластин или наплавке на их поверхность каких - нибудь деталей вызывает образование температурного поля внутри пластины. Это температурное поле во многих слу­чаях необходимо знать заранее, чтобы подобрать такие ре­жимы сварки, которые не вызывали бы перегрева линии перехода от алюминия к стали, образования хрупких интер­металлических фаз и, как следствие, полной потери дефор­мационной способности биметалла.

Способ сварки стали с алюминием с помощью биметал­лической вставки является достаточно простым и техноло­гичным, однако для его применения необходимо иметь в наличии полосы или листы из биметалла сталь — алюминий,

которые могут изготавливаться только на металлургиче­ских заводах.

В работе [39] подробно изложены вопросы теории и прак­тики выполнения сваркой плавлением соединений алюми­ния и его сплавов со сталями различных классов.

Поэтому рассмотрим подробно сварку алюминия со сталью с помощью биметалла.