Современные способы сварки алюминиевых сплавов со сталями (Обзор)

Проанализированы современные способы сварки алюминиевых сплавов со сталью. Отмечены технологические приемы минимизации толщины интерметаллидной прослойки в соединениях, включающие нагрев металла соединения ниже температуры плавления стали, ускоренное охлаждение соединения, использование демпфирующих...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2012
Автор:	Калеко, Д.М.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2012
Назва видання:	Автоматическая сварка
Теми:	Производственный раздел
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/101298
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Современные способы сварки алюминиевых сплавов со сталями (Обзор) / Д.М. Калеко // Автоматическая сварка. — 2012. — № 10 (714). — С. 29-36. — Бібліогр.: 48 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-101298
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1012982016-06-02T03:02:44Z Современные способы сварки алюминиевых сплавов со сталями (Обзор) Калеко, Д.М. Производственный раздел Проанализированы современные способы сварки алюминиевых сплавов со сталью. Отмечены технологические приемы минимизации толщины интерметаллидной прослойки в соединениях, включающие нагрев металла соединения ниже температуры плавления стали, ускоренное охлаждение соединения, использование демпфирующих покрытий или прокладок. Modern methods of welding aluminium alloys to steel were analyzed. Techniques of minimizing the thickness of intermetallic interlayer in the joints were noted which include heating of the joint metal below the steel melting temperature, accelerated cooling of the joint, and application of damping coatings or inserts. 2012 Article Современные способы сварки алюминиевых сплавов со сталями (Обзор) / Д.М. Калеко // Автоматическая сварка. — 2012. — № 10 (714). — С. 29-36. — Бібліогр.: 48 назв. — рос. 0005-111X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/101298 621.791:669.71 ru Автоматическая сварка Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Производственный раздел Производственный раздел
spellingShingle	Производственный раздел Производственный раздел Калеко, Д.М. Современные способы сварки алюминиевых сплавов со сталями (Обзор) Автоматическая сварка
description	Проанализированы современные способы сварки алюминиевых сплавов со сталью. Отмечены технологические приемы минимизации толщины интерметаллидной прослойки в соединениях, включающие нагрев металла соединения ниже температуры плавления стали, ускоренное охлаждение соединения, использование демпфирующих покрытий или прокладок.
format	Article
author	Калеко, Д.М.
author_facet	Калеко, Д.М.
author_sort	Калеко, Д.М.
title	Современные способы сварки алюминиевых сплавов со сталями (Обзор)
title_short	Современные способы сварки алюминиевых сплавов со сталями (Обзор)
title_full	Современные способы сварки алюминиевых сплавов со сталями (Обзор)
title_fullStr	Современные способы сварки алюминиевых сплавов со сталями (Обзор)
title_full_unstemmed	Современные способы сварки алюминиевых сплавов со сталями (Обзор)
title_sort	современные способы сварки алюминиевых сплавов со сталями (обзор)
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2012
topic_facet	Производственный раздел
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/101298
citation_txt	Современные способы сварки алюминиевых сплавов со сталями (Обзор) / Д.М. Калеко // Автоматическая сварка. — 2012. — № 10 (714). — С. 29-36. — Бібліогр.: 48 назв. — рос.
series	Автоматическая сварка
work_keys_str_mv	AT kalekodm sovremennyesposobysvarkialûminievyhsplavovsostalâmiobzor
first_indexed	2025-07-07T10:42:45Z
last_indexed	2025-07-07T10:42:45Z
_version_	1836984530112610304
fulltext	УДК 621.791:669.71 СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ СВАРКИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ СО СТАЛЯМИ (Обзор) Д. М. КАЛЕКО, канд. техн. наук (Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины) Проанализированы современные способы сварки алюминиевых сплавов со сталью. Отмечены технологические приемы минимизации толщины интерметаллидной прослойки в соединениях, включающие нагрев металла соединения ниже температуры плавления стали, ускоренное охлаждение соединения, использование демпфирующих покрытий или прокладок. К л ю ч е в ы е с л о в а : способы сварки, алюминиевые спла- вы и стали, сварные соединения, интерметаллидная прос- лойка, технологические приемы, тепловложение, гибридная сварка, электронно-лучевая сварка Конструкторы и архитекторы постоянно в своей работе сталкиваются с дилеммой высокой проч- ности и малой массы. Решить ее можно путем комбинации прочных и легких материалов. В час- тности, соединение стальных и алюминиевых эле- ментов получило широкое использование в ав- томобиле-, судостроении, при изготовлении пас- сажирских железнодорожных вагонов, а также легких строительных конструкций и декоратив- ных элементов фасадов. При этом объединяются такие качества материалов, как прочность и кор- розионная стойкость, низкая масса и легкая де- формируемость. В автомобилестроении тенденция замены ста- ли алюминиевыми сплавами наметилась уже 25 лет назад. Подсчитано [1], что снижение массы автомобиля на 100 кг в среднем экономит 0,3 л бензина на 100 км пробега. Кроме того, при об- легчении автомобиля и уменьшении соответству- ющих энергозатрат можно выполнить норму Ев- ропейского Союза на 2012 г. — выброс CO2 не более 130 г/км [2]. По данным работы [3] потен- циал экономии веса при использовании алюминия вместо стали составляет до 42 %. Однако факти- чески вследствие использования современных вы- сокопрочных сталей эта цифра снижается до 24 %. При массовом изготовлении автомобилей сталь дает экономию стоимости, и, учитывая ее хоро- шую деформируемость и прочность, остается важ- нейшим материалом в автомобилестроении. Европейские автомобилестроители взяли обя- зательство уменьшить потребление красителей, что привело к изменению конструкции кузова Audi А2 и А8, в которых он составляет почти 24 % массы автомобиля [4]. Так, в современном автомобиле из алюминия делают отдельные де- тали или целые узлы, как, например, моторный отсек в BMW. В Audi TT только задняя часть кузова стальная, остальная часть выполнена из алюминиевого сплава (рис. 1). В судостроении замена стали алюминиевыми сплавами позволяет уменьшить массу судна и по- низить центр тяжести, к тому же дает такие важ- ные преимущества, как ненамагничиваемость и коррозионная стойкость. Из алюминиевых спла- вов изготовляют корпусные конструкции (преи- мущественно, легких судов), а также надстройки, рубки, мосты, кожухи дымовых труб, переборки, выгородки и др. [5]. Широкое применение алю- миниевые сплавы нашли и в производстве под- вижного железнодорожного состава. Так, в Евро- пе из алюминиевых сплавов изготавливают около 80 % железнодорожных вагонов [6]. В автомобилестроении главным образом ис- пользуют сплавы системы Al–Mg–Si серии 6000 с хорошими свойствами горячей окраски (сохра- няют прочностные свойства при нагреве до 300 °С) [6]. В Европе для наружных деталей кор- пуса преимущественно применяют хорошо дефор- мируемый сплав EN AW 6016 (Si — 1,0…1,5 %; Mg ≤ 0,25…0,6 %; Mn ≤ 0,2%; Fe ≤ 0,5%; Ti ≤ 1,15 %; остальное Al), в США — сплавы ANSI 6111 (Si — 0,9 %; Cu — 0,7 %; Mn — 0,2 %; Mg — 0,7 %; остальное — Al) и 6061 (Si — 0,6 %; Cu — 0,23 %; Mn — 0,15 %; Mg — 1,0 %; Cr — © Д. М. Калеко, 2012 Рис. 1. Конструкция корпуса Audi TT из разнородных метал- лов [4] 10/2012 29 0,2 %; остальное Al) [6]. Для опорных рам авто- мобиля и других деталей, изготовляемых с при- менением дуговой сварки, в настоящее время ис- пользуют сплавы системы Al–Mg с содержанием магния 2…3 % [7]. Известно, что главным препятствием при со- единении сталей с алюминиевыми сплавами яв- ляется ничтожно малая (0,025 ат. %) раствори- мость железа в алюминии. При этом проблема возникает при образовании хрупких интерметал- лидных фаз различного состава как при взаимо- действии жидких металлов, так и в результате диффузии элементов при нагреве соединения до температур 350…400 °С, т. е. ниже температуры плавления алюминия. Заметная толщина интер- металлидного слоя играет отрицательную роль уже при охлаждении соединения из-за значитель- ной разницы коэффициента термического рас- ширения (1,2 — сталь, 2,3 мм/100 °С — алюми- ний), приводящей к появлению значительных внутренних напряжений и нередко к образованию трещин. Высокая твердость интерметаллидного слоя (до HV 1200) и низкая вязкость химического соединения металлов препятствуют релаксации термических напряжений. Большинство проблем, связанных со сваркой алюминиевых сплавов с другими металлами, и методы их решения изложены в работе [8]. Од- нако за 30 лет, прошедших с момента ее написа- ния, сварочные наука и техника предложили це- лый ряд технологических процессов, позволив- ших приблизиться к удовлетворению требований промышленности при создании гибридных сое- динений стали и алюминия. Некоторые из них освещены в настоящем обзоре. Выше уже было упомянуто, что влияние хруп- кой интерметаллидной зоны тем меньше, чем она тоньше. В соответствии с [9, 10] толщина этой зоны не должна превышать 10 мкм. Очевидно, что обеспечить такую толщину можно только пу- тем ограничения нагрева стыка соединения. Все современные способы основаны на соблюдении этого условия. Дуговая сварка. Большое внимание при из- готовлении сталеалюминиевых деталей уделяется традиционным способам сварки в новом вопло- щении. Сварка неплавящимся электродом соединений стали с алюминиевыми сплавами сейчас приме- няется редко, хотя есть сведения [11] о хороших результатах при использовании стали DC05 (C ≤ ≤ 0,06, Mn ≤ 0,35) толщиной 0,8 мм со сплавом EN AW 6016 толщиной 1,15 мм. Заготовки диа- метром 9,5 мм показали коэффициент вытяжки 7,9. При большей деформации появляются тре- щины, зарождающиеся в алюминии. Значительные успехи достигнуты при дуговой сваркопайке плавящимся электродом в инертном газе (МИГ). Сваркопайка стали с алюминием, ос- нованная на существенной разнице температур плавления алюминия (~ 660 °С) и стали (~ 1500 °С), позволяет создавать со стороны алюминиевого сплава сварное соединение с закристаллизовавшим- ся присадочным металлом, а со стороны стали — паяное. При этом процесс, естественно, следует вес- ти таким образом, чтобы деталь нагревалась выше температуры плавления алюминиевого сплава, но ниже температуры плавления стали. Наиболее простая форма соединений, выпол- няемых сваркопайкой плавящимся электродом, нахлесточная. При этом деталь из алюминиевого сплава находится со стороны плавящегося элек- трода, а стальная деталь преимущественно нагре- вается за счет теплоотвода от алюминиевой. В работе [11] показано, что при удалении оси дуги от кромки алюминиевой детали на 3 мм образо- вание интерметаллидных фаз удается уменьшить до толщины 2…3 мкм в центральной части шва и менее 1 мкм на границе. Для достижения оп- тимальных свойств стыковых и нахлесточных сое- динений усиление шва, а также длина выхода дол- жны соответствовать 2,5-кратной толщине листа. Статическая прочность такого соединения нахо- дится на уровне слабейшего из партнеров. Сма- чиваемость стали алюминием улучшается цинко- вым покрытием на стали, что было отмечено еще В. Р. Рябовым в 1969 г. [12]. При этом жидкий алюминий растворяет цинк [13]. Влияние состава присадочных материалов на характеристики сварнопаяного соединения алю- миния со сталью изучали многие эксперимента- торы. Эти исследования включали испытания про- волок из материала на цинковой и алюминиевой основе [10]. Показано, что применение проволоки из цинкового сплава усложняет подачу присадки и управление геометрией сварного соединения из- за низких твердости и температуры плавления ма- териала. В то же время при этом типе присадочной проволоки уменьшалась толщина слоя интерме- таллидной фазы и увеличивалась коррозионная стойкость соединения. В итоге лучшей компози- цией была признана проволока из AlSi3Mn1. Этот же металл применяли и в исследованиях [11], ре- зультаты которых приведены выше. Ранее [14] в качестве присадочного материала использовали высококремнистую проволоку из эвтектического сплава AlSi12. Однако незначительная разница между температурой плавления AlSi12 (577 °С) и температурой испарения цинка (907 °С) требует чрезвычайно точного тепловложения в шов во из- бежание испарения цинка с поверхности стали и соединения чистой стали с алюминием с образо- ванием Fe2Al5 или FeAl3. Здесь также была учтена способность кремния тормозить образование ин- терметаллидной фазы [12, 13]. 30 10/2012 В настоящее время присадочный материал AlSi3Mn1 применяют при сварке Cold Metal Tran- sfer (CMT), разработанной фирмой «Фрониус» [2, 15, 16]. Система управления короткодуговым про- цессом обеспечивает почти бестоковый переход присадочного материала на основной алюминие- вый сплав, а расплав смачивает оцинкованную сталь. Инновация этого процесса не только в том, что, благодаря очень точному управлению током короткого замыкания, может быть снижен ввод теплоты, но и в том, что, вследствие периодичес- кого изменения направления движения плавящей- ся проволоки, происходит хороший капельный пе- реход расплавленного металла и может быть ре- ализована сварка без брызг. Были испытаны [1] сварнопаяные соединения из стали DC05 с цинковым покрытием 140 г/см2 толщиной 0,8 и 1,0 мм и сплава AW 6016T4, тол- щина которого варьировалась от 1,15 до 1,2 мм. В качестве присадочного материала применяли сплав AlSi5, процесс вели в чистом аргоне. Оба листа располагали в одной плоскости и смещение по высоте не превышало 0,35 мм вдоль стыка. Статическая прочность соединения была равна прочности основного металла, и при толщине ста- ли 0,8 мм соединение разрушалось по стали, а при толщине стали 1,0 мм — по ЗТВ алюмини- евого сплава. В первом случае расчетное напря- жение разрыва составляло 190 МПа (основной ме- талл имел предел прочности 210 МПа у алюми- ниевого сплава и 280 МПа у стали), а во втором — 210 МПа. В полученных соединениях средняя толщина интерметаллидной каемки сверху, снизу и по торцу листов не превышала 5 мкм, которую авторы статьи считают некритичной. Существенное влияние на геометрию шва и характеристики соединения имеет покрытие по- верхности стального листа. Были проверены пять различных покрытий — цинк, никель, титан, алю- мокремний и алюмоцинк [3]. Термостойкие пок- рытия из титана и никеля после соединения час- тично или полностью сохраняются. Титановый слой полностью препятствует образованию хруп- ких железоалюминиевых фаз [17], но требует по- вышенного тепловложения, что создает над по- верхностью стали высокое усиление шва, что ухудшает условия деформируемости изделия. Никелевое покрытие также препятствует росту интерметаллидных фаз. Благодаря применению флюсующих средств удалось улучшить смачива- емость поверхности стальной детали и получить плоскую геометрию шва. Все соединения с нике- левым покрытием при испытании на растяжение разрушились по основному материалу алюмини- евого листа. При алюмосиликатном покрытии, позволяю- щем работать без флюсующих средств, образуется очень равномерная интерметаллидная фаза со средней толщиной 5 мкм. Как отмечают авторы [3], такое покрытие не имеет преимуществ перед горячим цинкованием, однако создает хорошо смачиваемые поверхности и плавный переход от шва к стальному листу, что заметно улучшает механические показатели. Микрофотографии соединений алюминия со сталью и разными покрытиями, полученных с по- мощью СМТ [10] (рис. 2), показывают диффу- зионный характер образования интерметаллидно- го слоя. Одним из способов получения удовлетвори- тельного соединения между сталью и алюминием может быть покрытие стали медью таким обра- зом, чтобы при импульсной сварке в инертной среде получить алюминиевую бронзу со стороны алюминия [18]. Снижение плотности тепловой мощности, вкладываемой в стык, была достигнута при сты- ковой дуговой сварке в инертной среде давлением 600…1000 Па при соединении сталеалюминие- вых трубчатых переходников в криогенном ма- шиностроении [19, 20]. Отличительной особен- ностью этого процесса является диффузная форма дуги, а также относительно низкая температура катода и его интенсивное испарение при темпе- ратурах, не превышающих температуру плавле- ния при атмосферном давлении более чем на 100…300 °С. Это создает возможность получения соединений по схеме сварка–пайка без сущест- венного проявления диффузии соединяемых ме- таллов. Рис. 2. Микроструктуры соединений алюминия со сталью с цинковым (а) и алюмосиликатным (б) покрытиями 10/2012 31 Во многих конструкциях, где дуговая сварка не может быть успешно заменена более «деликат- ными» способами, для соединения стали и алю- миния используют биметаллические переходни- ки, получаемые различными способами, которые рассматриваются ниже. Лазерная сварка. В настоящее время этот спо- соб находит все более широкое применение в мас- совом и серийном производстве не только при создании миниатюрных соединений, но и протя- женных швов в автомобилестроении. Учитывая возможность тонкого управления тепловой мощ- ностью импульсного лазерного излучения, иссле- дователи не обошли вниманием и этот способ сварки плавлением для соединения стали с алю- минием. При создании нахлесточных соединений наг- рев неодимовым лазером ведется со стороны ста- ли [21]. При этом стальной лист нагревается до температуры плавления алюминия, оставаясь твердым. Статическая прочность таких соедине- ний достигает 70…90 % прочности алюминия. Как и при сварке плавящимся электродом, сое- динение носит сварнопаяный характер. Прочность лазерных сварнопаяных соедине- ний может быть повышена за счет применения присадочного металла на алюминиевой основе и предварительного подогрева стального оцинко- ванного листа вторым лазерным лучом для по- вышения смачиваемости поверхности расплав- ленной присадкой [22]. При статическом испы- тании на растяжение нахлесточное соединение разрушалось по алюминиевому листу. Толщина интерметаллидной каемки на стальном листе не превышала критического значения (рис. 3). Фир- ма «Corus RD & T» (Нидерланды) назвала такой процесс бесфлюсовой лазерной пайкой (Fluxless Laser Brasing) [23]. Разработчики технологии соединения стали с алюминием видят большие преимущества гибрид- ной лазерно-дуговой сварки (рис. 4). Повышение скорости процесса СМТ при опережающем ла- зерном нагреве позволяет минимизировать обра- зование интерметаллидных фаз и охрупчивание зоны соединения [4]. Однако при этом вступают в противоречие необходимость хорошего нагрева стали для достаточной ее смачиваемости и сни- жение тепловвода во избежание роста интерме- таллидной фазы. В Бремерском институте прик- ладной лучевой техники (Bremer Institut fuеr an- gewandte Strahltechnik) удалось подбором режима излучения CO2-лазера и сварки МИГ получить стыковые соединения листов толщиной до 3 мм с прочностью 140 МПа [24]. Скорость сварки стыкового соединения тол- щиной 1 мм при мощности лазера 4 кВт состав- ляла более 100 мм/с [25]. Процесс гибридной лазерно-дуговой сварки нашел применение при изготовлении специаль- ных биметаллических емкостей и изделий авто- и судостроения [17]. При простом изгибе харак- теристики таких соединений не критичны, но при глубокой вытяжке — еще не вполне удовлетво- рительны. Особое место занимает другой вид гибридной сварки — лазерная сварка с приложением давления (рис. 5), которая объединяет преимущества сварки плавлением и сварки давлением [26]. В частности, можно управлять температурой поверхности разде- ла путем сканирования лучом. Соединение форми- руется в процессе сжатия лент роликами. В экспериментах с полосами толщиной 1 мм из сплава А6061 (0,8…1,2 мас. % Mg, 0,4…0,8 мас. % Si, остальное Al) с пределом проч- ности более 295 МПа и холоднокатанной листо- вой стали SPCC (< 0,12 мас. % C, 0,5 мас. % Mn, < 0,04 мас. % P, < 0,045 мас. % S) с пределом прочности 270 МПа лазерный луч направлялся между свариваемыми полосами, прокатываемыми через ролики, и сканировался с одной поверхнос- ти на другую или только по одной из поверхнос- тей, параллельно линии соединения. Этот прием позволил управлять составом металла стыка и в значительной мере подавить образование хрупких интерметаллидных соединений с помощью тер- Рис. 3. Схема лазерной сваркопайки при производстве авто- мобилей [23] Рис. 4. Схема гибридной лазерно-дуговой сварки [17]: 1 — сварочная горелка; 2 — присадочная проволока; 3 — свароч- ная ванна; 4 — сварной шов; 5 — луч лазера 32 10/2012 мического цикла из быстрого лучевого нагрева и резкого охлаждения при сдавливании роликами [27, 28]. При облучении тонколистового соедине- ния со стороны черного металла происходит оп- лавление алюминиевого сплава путем теплопере- дачи [26]. Исследование указанных выше соеди- нений [29] показало, что они достаточно прочные и могут использоваться при изготовлении капота и крыши автомобиля. Нахлесточное соединение оцинкованной ста- ли и алюминиевого сплава, полученное роли- ковой лазерной сваркой при мощности луча 1200…1400 Вт и давлении роликов около 3 кН [30], при испытании на срез разрушилось по алю- миниевому листу. Толщина промежуточного слоя между сталью и алюминием составляла от 7 до 20 мкм. В ходе электронно-микроскопических ис- следований [31] установлено, что главная фаза в промежуточном слое была твердым раствором Al–Zn. По дифракции электронов в нем обнару- жены интерметаллидные соединения FeAl, Fe2Al, Fe4Al13 и Fe2Al5Zn0,4. Авторы пришли к выводу о нагреве свариваемых полос выше температуры плавления, а прочность соединения с относитель- но толстым интерметаллидным слоем определя- ется образованием фазы Al+Zn с тонкодисперги- рованными интерметаллидными включениями. Электронно-лучевая сварка. Успешные сое- динения алюминиевых и стальных деталей уда- лось достигнуть при нанесении на сталь буферных покрытий из титана [18], никеля и циркония [32]. Точечная контактная сварка. Соединение при точечной контактной сварке, как и при всех рассмотренных выше способах, происходит при совместной кристаллизации расплавленного ме- талла соединяемых деталей. Из-за известных и упомянутых ранее причин не удается получить удовлетворительное точечное соединение стали и алюминиевых сплавов даже при сварке на кон- денсаторных машинах с жестким режимом раз- ряда [33]. Выход из положения был найден благодаря применению промежуточной биметаллической ленты, полученной совместной прокаткой стали и алюминия [34]. При сварке создаются два раз- дельных ядра на границах алюминий–алюминий и сталь–сталь. При ограничении тепловложения можно избежать диффузионного образования ин- терметаллидного слоя на внутренней границе би- металлической вставки. Статические и динами- ческие испытания таких соединений показали, что точечные соединения по прочности сравнимы с клепаными. Прессовая сварка. Этот способ сварки был исследован применительно к соединению алюми- ниевых шин со стальными элементами токоввода электролизера для производства алюминия [35]. Для уменьшения вероятности образования интер- металлидных соединений авторы использовали добавки мелкодисперсных порошков кремния, ме- ди или цинка, которые обеспечивали создание эв- тектической фазы с температурой плавления ниже температуры плавления алюминия. Наименьшая тол- щина (3…5 мкм) интерметаллидной прослойки была достигнута при использовании кремниевого порошка. При этом также наблюдалось наиболь- шее напряжение разрушения — 55…60 МПа. Диффузионная сварка. Несмотря на то что про- цесс соединения идет без расплавления соединяе- мых деталей, из-за продолжительного времени кон- такта свариваемых материалов при высокой темпе- ратуре диффузия алюминия в сталь приводит к об- разованию богатых алюминием (FeAl3 и Fe2Al5) хрупких интерметаллидных фаз [36]. Сварка взрывом. Биметаллические соедине- ния, полученные сваркой взрывом, широко ис- пользуют на верфях Японии, Польши, США, Ве- ликобритании, Франции и других стран, как уже было замечено выше, в качестве промежуточного элемента, свариваемого известными способами (уже в однородном сочетании) с основным мате- риалом конструкции. Настоящее состояние тех- ники ограничивает применение сталеалюминие- вых профилей простой формы с прочностью 120 МПа [24]. Нержавеющая сталь 12Х18Н10Т была успешно сварена взрывом со сплавом АМг6 через проме- жуточный слой АД1 [37, 38]. Граница между АД1 и нержавеющей сталью не имела типичных приз- наков интерметаллидных соединений, хотя и бы- ли обнаружены фазы FeAl3 и Fe2Al5. Напряжение при отрыве также составило 120 МПа. Рис. 5. Схема гибридной лазерно-прессовой сварки 10/2012 33 Результаты испытаний сварки сталеалюмини- евых корпусных конструкций с применением би- металлических переходников позволили разрабо- тать ЦНИИ «Прометей» (С.-Петербург, Россия) технологические рекомендации по сварке стыко- вых, тавровых и нахлесточных соединений в про- изводстве надводных судов малого водоизмеще- ния, обеспечивающих требования, предъявляемые к судокорпусным материалам [5]. Сварка трением. Сварка трением чистого алюминия А0 со сталями Ст.3 и 1Х18Н9Т диа- метром 16 и 20 мм уже 50 лет назад [39] проде- монстрировала возможность получения удовлет- ворительных сварных соединений благодаря про- ковке, приводящей к выдавливанию возможных реактивных фаз алюминия и стали (трущаяся по- верхность алюминия во время сварки находится в расплавленном состоянии) и схватыванию чис- тых поверхностей основных металлов. Это пока- зали также наблюдения в электронном и рентге- новском облучении [40]. Свариваемость трением алюминиевых сплавов со сталью находится в прямой зависимости от твердости сплава. Так, сплав АМг6 практически не сваривается трением со сталью, в то время как сплав АМг3 дает со сталью вполне удовлетвори- тельные соединения [41]. К ограничениям, предъявляемым традицион- ной сваркой трением, относится и требование ци- линдрической формы, по крайней мере, одной из свариваемых деталей. Для соединения же листов оказался вполне подходящим способ Friction Stir Welding (FSW), который в русскоязычной сварочной литературе получил не совсем точное название сварки тре- нием с перемешиванием [42]. При точечной сварке трением с перемешива- нием алюминиевого сплава А5052 с низкоугле- родистой сталью несмотря на относительно низ- кую температуру нагрева (ниже температуры плавления алюминиевого сплава) между соединя- емыми металлами наблюдался слой интерметал- лидов [43]. Однако прочность соединения на срез была относительно высокая. Покрытие стали цин- ком, если последний выдавливался из зоны сое- динения, повышало прочность [44]. Хороший результат получен при сварке FSW алюминиевого сплава с нержавеющей сталью [45]. В переходной зоне также наблюдался слой ин- терметаллидов, но его толщина ограничивалась лишь несколькими микрометрами. Способы FSW и CMT сравнивали в рамках проекта JOIN B1 [46] при сварке алюминия со сталью. Исследование металлографических шли- фов энергодисперсионной рентгеновской спект- роскопией показало, что во всех сварных точках, как и швах, полученных при СМТ, соединения происходят через интерметаллидную фазу. При сварке по методу Фрониуса эта фаза имела очень неравномерную толщину, в то время, как при FSW, толщина была почти неизменной. Правда, она сильно зависит от положения по отношению к оси инструмента. Вблизи наконечника толщина интерметаллидной фазы относительно мала — 2,5, а на удалении достигает 12 мкм. Способ FSW был запатентован TWI (ранее UK Welding Insti- tute) в 1991 г. В последние годы там же был раз- работан способ Stir-lock [47], принцип которого понятен из рис. 6. В более твердом материале (в нашем обзоре — это сталь, но способ успешно опробован для соединения алюминия с магнием, титаном и медью) делается раззенкованное отверстие, через которое вращающимся инструментом нагревается мягкий металл. Нагретый металл под давлением выжимается в отверстие, создавая головку в сво- бодной полости стального листа, подобную го- ловке заклепки. Рис. 6. Пример соединения стального и алюминиевого листов способом Stir-lock Рис. 7. Защемление способом Stir-lock перфорированного стального листа в алюминиевом 34 10/2012 Способом Stir-lock соединение также может быть создано при использовании перфорирован- ных вставок, как показано на рис. 7. В данном обзоре не затронуты способы сое- динения стали с алюминием совместным дефор- мированием — прокаткой, экструзией, протяжкой и т. п., поскольку они в достаточной мере тра- диционны и хорошо известны читателю. Заключение Как показывает настоящий обзор современных способов сварки алюминиевых сплавов со сталью, полностью избежать образования интерметаллид- ной прослойки между соединяемыми металлами при способах, использующих тепловое преобра- зование металлов, не удается. Однако техноло- гически можно создавать условия, при которых толщина этой прослойки будет минимальна, и ее влияние на характеристики соединения, таким об- разом, будет некритичным. К таким приемам тех- ники сварки относятся нагрев соединения ниже температуры плавления стали (сваркопайка), ус- коренное охлаждение соединения и применение промежуточных демпфирующих покрытий или прокладок. В итоге все определяется значением тепловложения, или, иными словами, температу- рой нагрева и временем, в течение которого де- тали находятся при высокой температуре. Примером успешной сварки алюминиевой проволоки со стальными пластинами может слу- жить ударная конденсаторная сварка [48], при ко- торой нагретый до температуры плавления металл соединяемых материалов удаляется при осадке, а при скорости охлаждения, достигающей 106 К/с, температура соединений падает настолько быст- ро, что взаимная диффузия металлов через гра- ницу соединения практически отсутствует. 1. Schwingverhalten von mit modifiziertem MSG-Kurzlichtbo- genprozess gefuеgten Stahl-Aluminium-Mischverbindungen / U. Reisgen, L. Stein, M. Steiners et al. // Schweiβen und Schneiden. — 2010. — 62, № 7/8. — S. 396–399. 2. Realisierte Vision: Schweiβen, was nicht zu schweiβen // Schweiss- und Pruеftechnik. — 2011. — № 11. — S. 155. 3. Reisgen U., Stein L., Steiners M. Stahl-Aluminium-Misch- verbindungen: Schweiβen oder Loten? Die Kombination zweier etablierter Fuеgetechnologien macht Unmoеgliches moеglich // Schweiβen und Schneiden. — 2010. — 62, № 5. — S. 278–284. 4. Fuеgen von Stahl-Aluminium-Mischverbindungen mit ener- giereduzierten MSG-Verfahren und Zusatzwerkstoffen auf Aluminium- und Zinkbasis / M. Staubach, S. Juеttner, U. Fu- еssel, M. Dietrich // Ibid. — 2007. — 59, № 6. — S. 302– 313. 5. Биметаллические сталеалюминиевые соединения в су- достроительных корпусных конструкциях / А. С. Оры- щенко, Е. П. Осокин, В. И. Павлова, С. А. Зыков // Авто- мат. сварка. — 2009. — № 10. — С. 43–47. 6. Алюминиевые сплавы — перспективный материал в ав- томобилестроении / И. Н. Фридляндер, В. Г. Систер, О. Е. Грушко и др. // Металловедение и терм. обработка. — 2002. — № 9. — С. 3–9. 7. Sasabe S. Welding properties of aluminium alloys for auto- motive structures // Welding in the World. — 2004. — 48, Special issue. — P. 53–64. 8. Рябов В. Р. Сварка алюминия и его сплавов с другими металлами. — Киев: Наук. думка, 1983. — 264 с. 9. Brukner J. Der Cold Metal Transfer (CMT) — Prozess von Stahl–Alu Verbindungen und seine Moеglichkeiten // Schwe- iss- und Pruеfftechnik. — 2005. — № 10. — S. 147–149. 10. Guеngoеr Oе. E., Gerritsen C. Effect of filler wire composi- tion and metallic coating on the joint performance of alumi- nium/steel braze-welds // Welding and Cutting. — 2008. — 7, № 5. — P. 303–312. 11. Dilthey U., Brandenburg A., Hoеcker F. Lichtbogenfuеgen und Umformen von Verbindungen aus Stahl und Aluminium // Schweiβen und Schneiden. — 2006. — 58, № 1. — S. 23–28. 12. Рябов В. Р. Сварка плавлением алюминия со сталью. — Киев: Наук. думка, 1969. — 232 с. 13. Fuеssel U., Zschetsche J., Juеttner S. Worum nicht Alumini- um mit Stahl durch Metall-Inertgasloеten verbinden? // Prak- tiker. — 2003. — № 4. — S. 120–121. 14. Kiesche M., Prietzel H., Thomas W. Verbindungsschweiβen von Stahl mit Aluminium // ZIS-Mitteilungen. — 1973. — № 5. — S. 536–545. 15. Bruckner J. Cold metal transfer has a future joining steel to aluminium // Welding J. — 2005. — 84, № 6. — S. 38–40. 16. Trommer G. Das Beste aus zwei Werkstoffen // Praktiker. — 2012. — № 3. — S. 58–61. 17. Esser-Ayertey C. Hamburg ganz in Zeichen der Fuege-, Trenn- und Beschichtungstechnik // Schweiβen und Schnei- den. — 2011. — 63, № 12. — S. 728–737. 18. Heinz E. Zwei Konkurrenten verbinden sich // Ibid. — 2009. — № 4. — S. 214–215. 19. Сидякин В. А., Арбузов В. М., Хорстов В. С. Стыковая сварка разнородных металлов в инертной среде низкого давления // Мир техники и технологий. — 2009. — № 10. — С. 40–45. 20. Структура переходной зоны соединений стали 12Х18Н10Т с алюминиевым сплавом АД1 при сварке дугой низкого давления / А. Н. Муравейник, И. Я. Дзы- кович, В. А. Веселов, В. А. Андриенко // Сварка разно- родных, композиционных и многослойных материалов: Сб. науч. тр. — Киев: ИЭС им. Е. О. Патона, 1990. — С. 58–62. 21. Schweiβtechnische Einfluβfaktoren bei Festigkeitsnachwei- sen von Druckbechaltung // Schweiβen und Schneiden. — 2005. — 57, № 3. — S. 71–94. 22. Heinz E. Laserstrahlschweiβ-Loeten von Stahl-Aluminium- Mischverbindungen: mechanisch-technologisches Eigensc- haftsprofil und mikrostrukturelle Charakterisierung // Ibid. — 2010. — 62, № 11. — S. 649–650. 23. Corus develops new steel-to-aluminium welding technique // Welding and Cutting. — 2007. — 6, № 2. — P. 64. 24. Kubanek M., Janssen A. Die Verbindungs Spezialisten 2007 — Bericht ueber die Vortraege der Groβen Schweβtechnisc- hen Tagung des DVS im September 2007 in Basel Teil 2 // Praktiker. — 2008. — № 1. — S. 32–44. 25. Vollertsen F., Thomy C. Laser-MIG hybrid welding of alu- minium to steel. — A straightforward analytical model for wetting length. — S. l., [2009]. — (Intern. Inst. of Welding; Doc. IIW-2041–09). 26. Nishimoto K., Fujii H., Katoyama S. Laser pressure welding of aluminium alloy and low carbon steel // Quarterly J. Jap. Weld. Soc. — 2004. — 22, № 4. — P. 572–579. 27. Kutsuma M., Rathod M., Ammar A. A laser roll bonding of mild steel to aluminium and control of intermetallic compo- und layer // Proc. of ICALEO, 2002. 28. Rathod M., Kutsuma M. Laser roll bonding of A5052 alumi- nium alloy and SPCC steel // Quarterly J. Jap. Weld. Soc. — 2003. — № 2. — P. 282–294. 29. A laser roll welding for joining of low-carbon steels to alu- minium alloys / M. Kutsuma, N. Yamagami, M. J. Rathod, H. Y. Ammar // Welding Intern. — 2006. — 20, № 6. — P. 446–450. 30. Mechanical properties of laser-pressure-welded joint be- tween dissimilar galvannealed steel and pure aluminium / 10/2012 35 K. Nishimoto, T. Harano, Y. Okumoto et al. // Ibid. — 2009. — 23, № 11. — P. 817–823. 31. HR-TEM observation of laser pressure weld of galvanneale- ad steel and pure aluminium / K. Nishimoto, Y. Okumoto, T. Harano et al. // Ibid. — 2009. — 23, № 11. — P. 824– 829; Laser pressure welding of aluminium and galvanneale- ad steel // Welding of Light Metals. — 2008. — 46, № 10. — P. 23–33. 32. Бондарев А. А., Ищенко А. Я. Технология электронно-лу- чевой сварки соединений нержавеющая сталь — алюми- ниевый сплав // Автомат. сварка. — 2006. — № 12. — C. 32–35. 33. Моравский В. Э., Ворона Д. С. Технология и оборудова- ние для точечной и рельефной конденсаторной сварки. — Киев: Наук. думка, 1985. — 272 с. 34. Resistance spot welding of aluminium alloy to steel with transition material — from process to performance. Pt 1. Ex- perimental study / X. Sun, E. V. Stephens, M. A. Khaleel et al. // Welding J. — 2004. — № 6. — P. 188s–195s. 35. Корінець І.П., Сахацький В.А., Наконечний А. А. Контак- тне зварювання алюмінію зі сталлю з застосуванням композитного прошарку // Зварювання та споріднені процеси і технології: Матеріали конф. — К.: НТТУ «КПІ», 2011. — С. 29–32. 36. Rathod M. J., Kutsuma M. Joining of aluminium alloy 5052 and low-carbon steel by laser roll welding // Welding J. — 2004. — № 1. — P. 16s–26s. 37. Мангур С. И., Шаповалова О. М., Джур Е. А. Взаимо- действие нержавеющей стали и алюминиевых сплавов при сварке взрывом // Космічна наука і технологія. — 2003. — 9, № 1. — С. 48–49. 38. Гульбин В. Н., Николаев В. Б. Исследование структуры и свойств сваренных взрывом биметаллических соедине- ний // Сварка разнородных, композиционных и многос- лойных материалов: Сб. науч. тр. — Киев: ИЭС им. Е. О. Патона, 1990. — С. 92–99. 39. Гинзбург С. К., Прокофьев С. Н., Штернин Л. А. Усло- вия образования прочного соединения при сварке трени- ем алюминия со сталью // Свароч. пр-во. — 1962. — № 12. — С. 12–14. 40. Scott M. H,, Squires I. F., Met B. Metallurgical examination of aluminium-stainless steel friction welds // British Welding J. — 1966. — 13, № 3. — P. 151–164. 41. Вилль В. И. Сварка металлов трением. — М.: Машиност- роение, 1970. — 176 с. 42. Третяк Н. Г. Сварка трением с перемешиванием алюми- ниевых сплавов // Автомат. сварка. — 2002. — № 7. — С. 12–21. 43. Spot welding between aluminium alloy and low-carbon steel by friction stirring / K. Miyagawa, M. Tsubaki, T. Yasui, M. Fukamoto // Welding Intern. — 2009. — 23, № 8. — P. 559–564. 44. Spot welding between aluminium alloy and Zn-coated steel by friction welding / K. Miyagawa, M. Tsubaki, T. Yasui, M. Fukamoto // Ibid. — 2009. — 23, № 9. — P. 648–653. 45. Anders J. Verbindungen Al–Al, Al–Ti und Al-Stahl mittels Ruеhrreibschweiβen // Schweiβen und Schneiden. — 2010. — 62, № 7/8. — S. 440–441. 46. Schweiβ- und Prueftechnik // JOIN Sonderband. — 2009. — S. 25–29. 47. Trabsition joints between dissimilar materials / W. M. Tho- mas, D. J. Staines, I. M. Norris et al. // Sudura. — 2006. — 16, № 4. — S. 17–21. 48. Калеко Д. М., Моравский В. Э., Чвертко Н. А. Ударная конденсаторная сварка. — Киев: Наук. думка, 1984. — 200 с. Modern methods of welding aluminium alloys to steel were analyzed. Techniques of minimizing the thickness of intermetallic interlayer in the joints were noted which include heating of the joint metal below the steel melting temperature, accelerated cooling of the joint, and application of damping coatings or inserts. Поступила в редакцию 06.07.2012 НОВАЯ КНИГА Металлургия дуговой сварки и сварочные материалы. — Киев: Академпериодика, 2012. — 526 с. — Твердый переплет, 200×290 мм. Сборник включает 120 статей сотрудников отдела исследований физико-химических процессов в сварочной дуге Института элект- росварки им. Е.О. Патона НАН Украины, опубликованных ранее, преимущественно в журнале «Автоматическая сварка», которые обоб- щают полувековой опыт научно-исследовательской деятельности отдела. Представленные статьи охватывают широкий круг вопросов металлургии дуговой сварки плавлением и разработки сварочных материалов. Сборник предназначен для широкого круга специалистов, занимающихся изучением металлургии дуговой сварки, разработкой сварочных материалов и технологий их производства. По вопросам реализации просьба обращаться в редакцию журнала «Автоматическая сварка» 36 10/2012

Современные способы сварки алюминиевых сплавов со сталями (Обзор)

Репозитарії

Схожі ресурси