Сварка стали с алюминием и алюминиевыми сплавами

Алюминий с железом способен давать твердые растворы, интерметаллидные соединения (Fe₂Al₄—62,93 % Al; Fe₂Al₅— 54,71 % Al; FeAl₂ —49,13% Al; FeAl —32,57 % Al и др.) и эвтектику (Al + FeAl₃, Т_пл = 654 °С, содержание железа в металле 1,8%). Растворимость железа в твердом состоянии ограничивается 0,053 % при эвтектической температуре. Растворимость алюминия в железе порядка 32%, т. е. в 600 раз выше. При затвердевании в структуре сплавов алюминия и железа выпадают кристаллы соединения FeAl₅ (59,18 %).

Для условий сварки характерно появление FeAl₃ и Fe₂Al₅. Они обладают низким пределом временного сопротивления (15—17 МПа). Твердость Fe₂Al₅, FeAl₃ и FeAl₂ лежит в диапазоне μv = 9600—11500 МПа. С увеличением содержания железа и с повышением температуры твердость снижается. Для Fe₃Al μv = 2700 МПа. Разупрочнение FeAl₃ и Fe₂Al₅ начинается при температуре 0,45 Т_пл. Для Fe₂Al₅ характерно аномально высокое значение удельного электрического сопротивления.

Интерметаллиды химически стойки. Последующая термическая обработка соединений может привести только к росту протяженности зоны интерметаллидов. В соединении имеют место три характерных участка: железо (сталь)—интерметаллидная зона — алюминий (алюминиевый сплав). Механические свойства соединений зависят от промежуточной зоны — ее состава. количества интерметаллидов, их формы, протяженности, характера расположения и сплошности.

На алюминии образуется химически стойкая тугоплавкая окисная пленка (Аl₂O₃ имеет T_пл = 2047 °С), что при сварке плавлением может привести к дефекту в виде включений этой пленки в металл шва. Использование флюсов не дает положительных результатов: флюсы для сварки алюминия легкоплавки, жидкотекучи, плохо смачивают стали; флюсы для стали активно реагируют с расплавленным алюминием.

Характер диффузионных процессов при сварке в твердой фазе алюминия с железом и сталью на начальной стадии взаимодействия и в дальнейшем отличается. Показано, что в начальный период имеет место диффузия железа в алюминий. В результате в пограничной зоне образуется слой из смеси фаз FeAl₃ + Fe₂Al₅. В дальнейшем при температуре, соответствующей рекристаллизации стали, наблюдается интенсивная диффузия алюминия в сталь. Скорость этого процесса зависит от химического состава материала контактирующих заготовок и условий нагрева. Для твердофазного взаимодействия при определенных температурно-временных условиях сварки может отсутствовать сплошной фронт интерметаллидов.

Реакционная диффузия в системе алюминий — железо наблюдается при температуре >400 °С. Рост интерметаллидного слоя подчиняется параболическому закону: у² = 2k₁τ, где k₁ — величина, пропорциональная коэффициенту диффузии алюминия через слой.

Легирование материалов алюминиевой заготовки Si, Мn и другими элементами, а стали — V, Ti, Si и Ni ведет к повышению энергии активации реакционной диффузии. Их влияние связано с затруднением образования зародышей в промежуточной фазе. Противоположное влияние оказывает С и Мn в стали. Повышенное содержание в определенных пределах в стали свободного кислорода и азота ведет к росту температуры начала образования интерметаллидов. Возникновение интерметаллидного слоя для каждой температуры начинается после некоторого критического времени, т. е. имеет место латентный период (τ₀), по прошествии которого идет интенсивное образование интерметаллидов. Его зависимость от температуры имеет вид

τ₀ = 6,0 10^-13ехр (192,3/RT).

При ведении процесса в твердо-жидком состоянии (с расплавлением алюминия) со стороны железа (стали) образуется Fe₂Al₅, а со стороны алюминия — FeAl₃.

При сварке хромоникелевых нержавеющих сталей с алюминиевыми сплавами интерметаллидная прослойка имеет более сложный характер и в ее образовании участвует Сr и Ni.

Биметаллическое соединение имеет удовлетворительные механические свойства лишь до образования сплошного слоя интерметаллидной фазы. Работоспособность соединения сохраняется при определенном температурно-временном воздействии. Верхний температурный порог для биметаллических изделий из рассматриваемого сочетания материалов составляет 500— 520 °С.

Основными путями получения работоспособного соединения алюминиевых сплавов со сталями являются следующие:

ограничение протяженности слоя интерметаллидных прослоек. Высокая прочность может быть получена при ширине зоны с 10 мкм;

легирование алюминия элементами, сдерживающими образование промежуточной фазы, прежде всего кремнием, а также применение стали с низким содержанием углерода и марганца, что позволяет поднять температуру образования интерметаллидов на 40—60 °С выше температуры рекристаллизации стали. Этот путь может быть с успехом использован при сварке в твердой фазе.

Различия в пластических свойствах и твердости позволяют успешно применять для рассматриваемого сочетания материалов клинно-прессовую сварку при изготовлении биметаллических стержней, трубчатых переходников и т. п. Температура нагрева стальной заготовки, имеющей в продольном сечении форму клина, до 500—600 °С. Предусматривают меры по защите стали от окисления. Высокие механические свойства соединения получаются при использовании покрытий из цинка на поверхности клина.

Диффузионная сварка ведется при температуре 425—495 °С (время до 10 мин, сварочное давление 210—310 Па). Поверхность заготовки из стали покрывается слоем Ni и W. Последний с алюминием способен образовывать эвтектику. При этом температура сварки должна быть ниже температуры образования эвтектики.

Ультразвуковая сварка позволяет получать нахлесточные, точечные и шовные соединения на тонких заготовках. Колебания подаются со стороны алюминия. Толщина алюминия ограничивается величиной порядка 1,0—1,25 мм.

Сварка трением позволяет получать высокого качества соединения, равнопрочные алюминиевому сплаву в отожженном состоянии. В процессе сварки температура в стыке быстро достигает своего максимума и затем стабилизируется. При сварке аустенитной стали 12Х18Н10Т с АД1 продолжительность латентного периода для температуры 660 °С, что близко к развиваемой в стыке, составляет 100—120 с. Продолжительность сварки ~ 10 с. Поэтому интерметаллидная фаза не успевает образоваться в сколько-нибудь значительных количествах. С другой стороны, непрерывно идущая осадка (главным образом за счет алюминия) способствует получению чистого от интерметаллидов шва (суммарная осадка ~14 мм).

При наличии в алюминиевом сплаве магния продолжительность латентного периода резко сокращается. Поэтому алюминиевые магниевосодержащие сплавы сваривают на режимах, обеспечивающих температуру в стыке не выше 500 °С.

Сварка взрывом таких материалов требует применения барьерного слоя, который наносится на стальную заготовку. Этим способом получают слоистые листы и ленты.

Широкое применение получила сварка прокаткой, которая позволяет регламентировать температуры нагрева зоны соединения. Таким способом в промышленных масштабах сваривается 12Х18Н10Т +АМг6; армко-железо +АМг5 и другие сочетания.

При сварке плавлением и сварко-пайке процессы зарождения и роста интерметаллидной прослойки идут значительно интенсивнее. При формировании соединения существенным является смачивание твердой стали алюминием. Для улучшения смачивания и тем самым сокращения времени контакта расплава со сталью прибегают к легированию шва и нанесению покрытий на поверхность стальной заготовки (цинковое, цинко-никелевое — как наиболее технологичное и недорогое). После смачивания идет процесс растворения железа в жидком алюминии. Установлено, что образующаяся в процессе растворения фаза Fe₂Al₅ может переходить в расплав в виде кристаллов и растворяться. Причем скорость роста промежуточного слоя больше скорости растворения, что делает невозможным получение соединения без интерметаллидных прослоек. Снижения отрицательного действия этого фактора можно добиться увеличением объема расплава алюминия (предварительная разделка кромки), оптимизацией режима с целью ограничения температуры расплава, легированием ванны через присадочный материал элементами, влияющими на скорость роста и состав интерметаллидной прослойки. Введение в шов Si (4—5%), Zn (6,5—7%), Ni (3—3,5%) позволяет уменьшить толщину интерметаллидного слоя и получать соединения с прочностью на уровне 300—320 МПа.

С учетом отмеченных особенностей в практике нашли применение два варианта технологии соединений методами плавления алюминия со сталью: 1) сварка-пайка с предварительным нанесением на стальную кромку покрытия с использованием аргонодуговых аппаратов с неплавящимся электродом и 2) автоматическая дуговая сварка плавящимся электродом по слою флюса АН-А1. Покрытия (цинковые, алюминиевые) имеют толщину 30-40 мкм и наносятся гальваническим способом или алитированием. При сварке необходимо вести дугу по кромке алюминиевого листа на расстоянии 1—2 мкм от линии стыка и соблюдать определенную скорость (при малых скоростях наблюдается перегрев и выгорание покрытий, при больших — несплавления).

При сварке под флюсом роль флюса сводится к улучшению смачиваемости и торможению образования интерметаллидов. Необходимо не допускать прямого воздействия дуги на кромку стали, а разделку кромки на стали делать возможно ближе к очертанию профиля ванны. Таким способом сваривают толщины 15—30 мм.