Как приварить алюминий к железу

Трудности при сварке алюминия и стали и способы их сваривания

Из-за сильных различий в физико-химических свойствах алюминия и алюминиевых сплавов и стали, их сваривание чрезвычайно затруднено. Для их сварки можно использовать контактную сварку, сварку диффузионно-вакуумную и сварку плавлением, но только в среде аргона.
При сварке плавлением возникают сплавы алюминия и железа. Они представляют собой твёрдые, но очень хрупкие межкристаллические соединения. В этой связи контактная сварка сопротивлением даёт лучшие результаты. Но при контактной сварке оплавлением возникают тугоплавкие примеси, которые не вытесняются при осадке стыка. Поэтому, для такого вида сварки следует подбирать такие режимы, при которых свариваемые металлы не будут прогреваться.

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:

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.

Как избежать гальванической коррозии

Выбирать в пару алюминию или его сплаву металл, который как можно более ближе к нему в гальваническом ряду для рассматриваемой коррозионной среды (см. рисунок 10).
Применять «катодный» крепеж. Избегать комбинаций с неблагоприятным (большим) отношением площадей катода к аноду (рисунок 3).
Обеспечивать полную электрическую изоляцию двух соединяемых металлов. Это может быть выполнено с помощью изолирующих прокладок, втулок, шайб и т.п. (рисунок 12).
Если применяется окраска, всегда нужно красить катод. Если покрасить только анод, любая царапина на нем даст неблагоприятное отношение поверхностей катода к аноду и приведет к коррозии царапины.
Увеличивать толщину анода или устанавливать в соединение заменяемые массивные прокладки из анодного металла.
По возможности размещать гальванический контакт вне коррозионной среды.
Избегать резьбовых соединений из металлов, образующих гальваническую пару. Заменять их паяными или сварными соединениями.
Если возможно, применять ингибиторы коррозии, например, в системах с циркуляцией жидкости, которая может играть роль электролита для гальванической коррозии.
В случаях, когда металлы должны оставаться в электрическом контакте через наружную электрическую цепь, нужно разнести их как можно дальше друг от друга для увеличения сопротивления жидкой цепи (электролита).
При необходимости и там, где это возможно, применять катодную защиту с цинковым или магниевым жертвенными анодами.
В наиболее агрессивных средах только цинк, кадмий и магний могут быть в контакте с алюминием без возникновения гальванической коррозии. Заметим, что применение кадмиевых покрытий в значительной степени ограничено из-за их экологической небезопасности.

Рисунок 11 [1]

Рисунок 12 [1]

Источники:

TALAT 5104.
Corrosion of Aluminum and Aluminum Alloys. Edited by J.R. Davis. – ASM International, 1999.
Corrosion of Aluminium / Christian Vargel – ELSEVIER, 2004
TALAT 1252

Сварка алюминия со сталью через биметаллические вставки

Способ сварки алюминия со сталью путём нанесения металлических покрытий на стальные кромки технологически достаточно сложен. Поэтому, подобные способы целесообразно применять в случае сварки мелких изделий. На практике наибольшее распространение получил способ сварки с использованием промежуточных вставок из биметалла. Примеры таких соединений указаны на рисунке:
Биметаллические вставки изготавливаются из крупногабаритных биметаллических пластин, из углеродистой стали и хромоникелевой, при помощи сварки взрывом. Впервые такой метод был предложен Раздуем Ф.И. и Ситаловым В.П.

Аргонодуговая сварка алюминия со сталью

Технология аргонодуговой сварки алюминия со сталью показана на рисунке слева. Для её выполнения на стальные кромки наносят комбинированное покрытие, состоящее из слоя меди и слоя цинка. Сварочная горелка устанавливается таким образом, чтобы дуга между вольфрамовым электродом и изделием возбуждалась на расстоянии 1-2мм от кромки стыка, на котором установлен присадочный пруток.

Также рекомендуется выполнять предварительное покрытие стали слоем алюминия, т.е. алитирование при помощи т.в.ч. В этом случае, в момент нагрева при флюсовании расплавляется алюминий и покрывает стальные кромки слоем, толщиной 0,5-1,5мм. Кроме этого, допускается непосредственное нанесение алюминия на сталь в виде валиков, на которые в дальнейшем укладывается сварной шов.

Приблизительные режимы сварки алюминия со сталью для вольфрамового электрода диаметром 2-3мм, составляют: сила тока 80-130А, скорость сварки 6-12м/ч, диаметр присадочной проволоки 2-3мм. Если сварку производят по заранее уложенным алюминиевым валикам, то сила сварочного тока может быть увеличена до 160-180А, при диаметре электрода 3мм.

Сварку алюминия со сталью часто применяют в радиоэлектронике, авиации и производстве бытовой техники.

Пошаговая инструкция по сварке алюминия для новичков

на примере сварочного инвертора Aurora PRO INTER TIG 200 AC/DC PULSE

• Чтобы качественно сварить алюминий поверхность металла нужно зачистить. Некоторые люди этого не знают и даже от краски не очищают. А алюминий имеет оксидную пленку, которая тяжело разрушается. Можно это делать металлической щеткой, но если есть болгарка, лучше ей. На болгарку ставим щетку, либо лепестковый диск, либо, на худой конец, зачистной и зачищаем поверхность до чистого металла, металлического блеска.

• Еще один важный момент – это заточка электрода и длина его выхода из сопла горелки. Затачивают так, чтобы он был как иголка, острый и перед сваркой зажигают на любой металлической пластине (назовем ее настроечной), которая завалялась в хозяйстве. После такого поджига кончик электрода из игольчатой, должен приобрести сферическую форму. Лучше всего, если он будет блестящим – это значит, что с ним все хорошо. Если он матовый и имеет неправильную геометрию, значит что-то пошло не так:

Либо ток большой,
либо газовая защита недостаточная,
окончательная продувка газом неправильно выставлена.

Выход электрода определяется в зависимости от положения горелки, конфигурации детали и вида соединения: если угловое, нужно чтобы он выходил побольше, если сварка встык – миллиметра два. Если сварщик пользуется линзой, электрод можно вывести и на 5 мм. Линза помогает забраться в труднодоступные места и проводить боле качественную сварку.

• Затем с помощью главной панели аппарата переводим его в режим АС-переменный ток (клавиша АС/DC на картинке №13). Выставляем силу тока интуитивно. Чтобы подобрать правильный параметр надо несколько раз попробовать, либо заранее знать, какую назначить силу тока для определенной толщины металла.

• Настройка двухтактного или четырехтактного режима. Эту настройку обычно выбирают исходя из личных предпочтений. Кому-то удобен первый, кому-то второй. В двухтактном мы нажимаем кнопку горелки, у нас срабатывает поджиг и сварщик работает все-время, держа эту кнопку «пуска». В конце сварщик убирает палец с кнопки – сварочный процесс закончился. В четырехтактном режиме циклограмма следующая. Мы нажимаем кнопку: пока держим ее – срабатывает стартовый ток, это регулировка на аппарате под обозначением «старт А» (на картинке №1), затем отпускаем кнопку – у нас основной ток, который мы выставили с помощью ручки свободной регулировки «Welding A» (см. под №2). Ориентировочно, для электрода 1,6 ставьте 120А, если ток больше, понадобится электрод диаметром 2,4 – выдерживает уже до 200 -210А, если еще больше – берите диаметр 3,2.

• По окончанию сварки включается функция заварки кратера, регулируется с помощью ручки Down Slope (№4) и работает только в четырехтактном режиме. Фактически это регулировка времени – сколько будет секунд происходить заварка кратера.

• Одна из важнейших настроек -это AC Balance (№8), так называемая зачистка. Если мы переводим ручку в плюс – очистка алюминия происходит лучше. Если вы варите грязный алюминий, эту настройку можно изменять в зависимости от полученных результатов. Обычно ручку Баланса ставят 50/50 на середине. Все эти настройки важны для работы в обычном режиме без использования специальных навыков.

Сам процесс сварщик ведет визуально его контролируя: горелка в правой руке, пруток в левой. Для начало нужно выполнить самый простой шов – прямолинейный. Горелка движется справа –налево, вы поджигаете дугу и видите как плавится основной материал, как только образовался жидкое пятнышко металла, добавляете немного металла с прутка и двигаетесь дальше. Процедура повторяется снова и снова пока вы не закончите шов.

Особенности сварки алюминия со сталью

Соединение этих металлов позволяет изделиям из них совмещать их преимущества. Если нужно получить качественный сварной шов, обязательна подготовка металлов перед сварочным процессом и соблюдение технологии сварки.

Сварка алюминия и его сплавов со сталью имеет свои нюансы:

Качественное сварное соединение должно обладать пластичностью не ниже, чем у стали, и прочностью не ниже, чем у алюминия.

Для соединения алюминия и стали чаще всего используются аргонодуговая сварка с неплавящимся электродом или сварка через биметаллические вставки. В промышленности также используют сварку взрывом, диффузионную, лазерную, электронно-лучевую и точечную сварки.

Сварка алюминия со сталью аргонодуговым способом

Перед началом сварочного процесса кромки металлов рекомендуется очистить и нанести на них защитное покрытие. Самое доступное по цене из них — цинковое.

Присадочный материал в этом случае — проволока марки АД1 из алюминия с присадкой кремния (он хорошо влияет на формирование диффузионной прослойки стабильного качества) или проволока из сплава АК-5.

Важно! АМг-6 не рекомендуют применять, поскольку эта присадка дает низкую прочность сварного шва.

Чтобы подготовить стальную деталь к сварке, для стыкового соединения нужно скосить кромки под углом 70° для максимальной прочности соединения.

Кромки нужно тщательно очистить пескоструем или механически обработать, затем нанести поверхностный слой.

Аргонодуговую сварку алюминия и стали отличает расположение дуги: в начале сварки первого прохода оно удерживается на присадочном прутке, а в процессе сварки последующих проходов — на присадочном прутке и образующемся валике. Это обезопасит покрытие от преждевременного выгорания.

Во время сварочного процесса важно последовательно накладывать валики шва (зависит от вида соединения).

сварка МИГ — происходит на постоянном сварочном токе обратной полярности;
сварка ВИГ — бывает и на переменном сварочном токе, и на постоянном токе прямой полярности.

Величина сварочного тока должна зависеть от толщины свариваемого металла:

до 3 мм: 110-130 А;
6-8 мм: 130-160 А;
9-10 мм: 180-250 А.

Технология ручной электродуговой сварки алюминия

Для выполнения сварочных работ по алюминию требуется постоянный ток с обратной полярностью (меняем разъемы на инверторе местами). Важно соблюдать соотношение мощности и диаметра электрода и регулировать силу тока по следующей формуле: 30 ампер на каждый миллиметр диаметра.
Свариваемые детали необходимо предварительно нагреть. При средней толщине заготовку нагревают до +200…+300 °С. Крупные части нуждаются в более высоком нагреве (до +400 °С).
Несмотря на обычное формирование дуги, особенностью работы с алюминием будет более высокая скорость горения электродов. Соответственно потребуется большая скорость при формировании шва.
Обязательно планируйте длину шва из расчета на плавление одного электрода. Сварочный процесс обрывать нельзя. Корка шлака, образующаяся в конце шва, не позволит зажечь дугу снова в этом месте.
По сравнению с варкой стальных заготовок запрещается делать поперечные движения во время соединения алюминиевых деталей.
При завершении работы сразу удалите шлак в месте соединения. Зачистите все металлической щеткой и промойте горячей водой.

Техника выполнения сварных швов

Для соединения алюминия и стали нужно выбирать способ техники сварки углом вперёд, с углом наклона электрода от вертикали вдоль оси сварного шва 40-45 градусов.

Важно правильно выбрать скорость сварки, поскольку от неё зависит, сколько между собой будут взаимодействовать жидкий алюминий и сталь. Это напрямую влияет на толщину и стабильность соединительного слоя.

Скорость сварки необходимо выбирать максимально возможной: не менее 7 м/ч для сварки первых проходов многопроходных сварных швов и не менее 12 м/ч для однопроходных и последующих проходов многопроходных сварных швов. На это есть причины:

интенсивное образование интерметаллидов во время длительного контакта стали и алюминия на высоких температурах;
интенсивное образование корунда и рост зоны слабины;
интенсивное выгорание цинка.

Сварочные и наплавочные швы нужно выполнять без поперечных и возвратно-поступательных колебательных движений. Присадку в сварочную ванну нужно подавать со стороны оцинкованной стали для уменьшения выгорания цинка.

Горелку нужно смещать относительно стыка сварного шва в сторону алюминия или алюминиевого сплава на 1-3 мм. Это связано не только с уменьшением выгорания цинка, но и с тем, что, обладая высокой теплопроводностью, алюминий нагревается и расплавляется значительно медленнее, чем сталь и цинк, который её покрывает.

Послесварочная термическая обработка сварного соединения нежелательна, температура его эксплуатации не должна превышать 270 градусов. В противном случае, толщина прослойки может увеличиться, что приведёт к снижению динамической прочности или разрушению сварного шва.

Критерии выбора аппарата для сварки алюминия

Al обладает высокой теплопроводностью и электропроводностью, потому для листов толщиной 4 мм необходим сварочный ток более 200А. Для полноценной работы понадобится инвертор, который работает если не на высоких, то хотя бы на средних токах. Оборудование с максимальным током 250 А на выходе подойдет для этих целей. Лучше, конечно, 300А.

Оборудование для сварки алюминия

Но даже если у вас маломощный «агрегат», а вам приходится заниматься наплавкой, крупногабаритных деталей, можно компенсировать недостаток мощности предварительным подогревом. Приобретите электропечь для прогрева деталей до температуры 300-350 градусов.

Если все еще сомневаетесь, какой аппарат выбрать великолепный вариант — TELWIN SUPERIOR TIG 242 AC/DC -HF/LIFT , либо AuroraPRO INTER TIG 200 AC/DC PULSE, оба прекрасно подойдут для Al, так же, для стали, нержавеющей стали, титана, меди, никеля, магния.

Сварка через биметаллические вставки

Биметаллические переходные материалы (вставки) — это алюминиевые элементы, к которым уже прикреплен другой материал.

Для сварки вставок чаще применяют стандартные технологии — GMAW и GTAW.

Стальную сторону вставки нужно приварить к стали, алюминиевую — к алюминию. В процессе важно не перегреть вставки, иначе образуется хрупкое интерметаллическое соединение на стыке стали и алюминия внутри вставки.

Разрушение сварного шва, содержащего интерметаллиды происходит, как правило, ещё во время горения сварочной дуги. Но даже если шов не разрушится в процессе или в конце сварки, он напомнит о себе, когда изделие будут эксплуатировать.

Сначала лучше варить алюминий с алюминием. Это позволит увеличить отвод тепла при сварке стали со сталью и не допустит перегрева на участке соединения стали с алюминием.

Этот способ часто применяют, когда хотят получить качественные сварные швы. Подобную технологию используют в судостроении.

История открытия

Первые попытки применения сплавов алюминия и железа были предприняты Фарадеем в 1820 году. Были попытки использовать сплав алюминия в качестве легирующего элемента для получения высокопрочной стали, но они оказались неэффективными.

Тщательные исследования были возобновлены после 1918 года в СССР, Германии, Англии. Было показано, что при добавлении Al возрастают жаропрочные свойства чугуна. Образцы обладают повышенной прочностью, хрупкостью, стойко переносят контакт с кислыми средами, не склонны к образованию окалин.

Было обнаружено, что появление окалин зависит от толщины оксидной плёнки на образцах: чем она толще, однороднее, тем выше защита поверхности. Важно, чтобы окислы не формировали эвтектическую фазу и не подвергались возгонке, а их ионная проводимость была минимальной.

Условием жаростойкости образца являются потери с окалиной в пределах 2-10-3–4-10-3 г/см2/ч.

Множество проведённых исследований сплавов Fe и Al закончились определением их химических и физических свойств. Это связано с проблемами газового насыщения образцов, угаром алюминия, формированием внутренних оксидных плёнок, разрушением образцов при нормальных условиях.

Наиболее перспективными оказались сплавы с содержанием от 16 до 20% Al и 3% углерода, получившие название «чугаль». Именно их начали выплавлять в СССР.

Позже группа изобретателей во главе с З. Эмингером разработала технологию производства качественных отливок железоалюминиевых образцов. Благодаря этому были получены новые данные.

Другие способы сварки алюминия со сталью

Лазерным способом пользуются не только для создания миниатюрных соединений, но и для того, чтобы получить длинные швы, например, в автомобильной промышленности. Этот способ позволяет тонко управлять тепломощностью импульсного лазерного излучения.

Чтобы получилось нахлёсточное соединение, нагрев лазером нужно вести со стороны стали. Она нагреется до температуры, когда алюминий уже расплавится, но останется твёрдой.

Прочность швов можно повысить с помощью присадки на основе алюминия.

Диффузионная

В этом сварочном процессе соединяемые детали не расплавляются. Но из-за их продолжительного контакта на высокой температуре образуются интерметаллидные фазы.

Электронно-лучевая

На сталь наносят буферные покрытия из титана, никеля и циркония: тогда сварочный процесс будет успешен.

Точечная контактная

Хорошее точечное соединение стали и алюминия получается не всегда, даже если варить на конденсаторных машинах с жестким режимом разряда.

Этого можно избежать, применив промежуточную биметаллическую ленту. Полученные точечные соединения по прочности можно сравнить с клепаными.

Сварка взрывом

Соединения алюминия и стали, которые получаются при взрывном сварочном процессе, применяют на верфях Японии, Польши, США, Великобритании, Франции и других стран в качестве промежуточного элемента, который потом приваривают к основным материалам изделия.

Пути достижения инновационного соединения

Три основных фактора, обеспечивающих образование бездефектного соединения:

две заготовки, которые необходимо соединить
технология соединения

присадочный металл

Помимо слоя цинка, толщина которого должна быть не менее 10 мкм, еще одним фактором, влияющим на качество и упругость соединения, является подготовка кромок стальных листов. Геометрические характеристики кромки, разработанные для листов, подлежащих соединению, запатентованы. Удовлетворительные результаты были достигнуты при использовании стандартных марок особо мягкой стали. Алюминиевые листы изготавливаются из материалов серии AW5xxx или 6xxx. Так же, как и в случае использования традиционной технологии сварки плавящимся электродом в среде защитных газов, поверхность алюминия достаточно просто очистить. Поскольку IMP между двумя соединенными материалами ведет себя аналогично керамике, она чувствительна к нормальным нагрузкам и менее чувствительна к нагрузкам, направленным по касательной. В процессе проектирования необходимо учитывать эти свойства.

Специальная технология дуговой сварки в среде защитного газа CMT отвечает важнейшим требованиям к используемой здесь технологии соединения: низкое тепловложение и хорошая управляемость. Эта технология «холодной» сварки защищена несколькими патентами, выданными компании Fronius. При соединении стали и алюминия, присадочный металл и алюминий смачивают лист оцинкованной стали, а присадочный металл сплавляется с алюминием. На стороне стали получается паяный шов, к которому затем приваривается алюминий. Таким образом, для описания получаемого шва используется термин «паяно-сварное соединение». Для гибридных листов также оказалось предпочтительнее использовать сварные системы, которые обеспечивают «синхронную» пайку-сварку листов с использованием технологии CMT с обеих сторон.

Рис. 3: Технология пайки-сварки CMT характеризуется сочетанием сварки на алюминиевой стороне и пайки на стальной стороне.

Третьим определяющим фактором является присадочный металл. Компания Fronius также является обладателем патента на особый сплав алюминия, используемый в процессе пайки-сварки. Для получения оптимального шва важно обеспечить правильное позиционирование присадочного металла в процессе пайки-сварки.

Рис. 4: Учет всех различных воздействующих факторов обеспечивает возможность для создания плотного металлургического соединения листов алюминия (справа) и стали (слева).

Рис. 5: Гибридные листы также отвечают практическим требованиям к дальнейшему изменению формы.

Где применяется алюминий

Благодаря хорошей электро- и теплопроводности этот металл популярен при изготовлении электротехники и теплового оборудования. Так как алюминий мало подвержен коррозии, то алюминиевые конструкции просто незаменимы в строительстве. Используют этот металл и в пищевой промышленности – в качестве посуды, столовых приборов, упаковки, фольги для запекания.

Наиболее широко алюминий и его сплавы представлены в авиа- и судостроении. Поскольку этот металл довольно легкий, из него изготавливают корпусы транспортных средств, надстройки на палубу и прочие детали. Алюминий быстро возгорается, и его активно используют для производства взрывчатых веществ. Также металл входит в состав твердого топлива для ракет. Кроме того, из него изготавливают архитектурные элементы, скульптуры, барельефы; фурнитуру для одежды и мебели; корпусы для всевозможной техники; и многое другое.

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.

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.

Особенности сваривания алюминия

Сварка алюминия в домашних условиях должна начинаться с подробного изучения свойств материала. Без этого металла не обойтись во многих сферах жизни, однако сварка и пайка сопряжены с некоторыми трудностями.Чтобы соединение было прочным и прослужило не одно десятилетие, нужно обратить внимание на особенности сварки алюминия и его сплавов.

Окисная пленка, которая находится на металле, плавится при температуре 20440 градусов по Цельсию. Сам же металл плавится при 660 градусах по Цельсию. Эта пленка не позволяет получить качественный шов, поэтому сварочные работы по алюминию должны происходить в среде защитных газов.
Довольно трудно формировать сварные ванны, поскольку металл имеет высокую текучесть. Для облегчения работы стоит использовать подкладки, отводящие тепло.
Кремний и водород, содержащиеся в алюминии, ухудшают качество шва: при малейшем нарушении технологии могут возникнуть такие дефекты, как поры и трещины.
Сваривание алюминия газовой горелкой должно проводиться при высоких значениях тока, поскольку он имеет высокую теплопроводность.
Сварка алюминиевых сплавов сложна тем, что не всегда удается точно определить их марку и выбрать соответствующий режим.
При застывании металл усаживается, что ведет к деформации деталей.

Чтобы разрушить прочную оксидную пленку, сварка алюминия постоянным током должна проводиться на обратной полярности. Только в этом случае можно достичь катодного распыления, необходимого для уничтожения тугоплавкой пленки.

Автоматическая сварка алюминия при помощи плазмы позволяет добиться более качественных результатов, которые не может гарантировать сваривание алюминия газовой горелкой. Присадка в этом случае производится проволокой, а дуга образована ионизированным газом. С помощью плазматрона возможна как сварка алюминия дома,так и соединение алюминиевых поверхностей на СТО, в монтажном цехе, на строительной площадке и т.д. Технология сварки алюминиевых сплавов плазмой позволяет присоединять к алюминию тонкие детали (не толще 0,2 – 1,5 мм), при этом вероятность прожога шва минимальна.

Сварка алюминия в домашних условиях: методы

Бытовая сварка алюминия может проводиться не только стандартным методом ММА, но и другими способами. Наиболее популярные и доступные для домашних мастеров технологии мы рассмотрим далее.

Сварка алюминия газовой горелкой

Такой метод предполагает использование энергии газа в качестве температурной силы, расплавляющей металл. Газ является более надежным средством защиты рабочей зоны от воздействия атмосферного воздуха, чем покрытие электрода. Данный способ является одним из самых доступных для сваривания алюминия дома. Оборудование и присадочные материалы обладают приемлемой стоимостью, процесс характеризуется достаточной простотой.

Полуавтоматом (DC MIG)

Несмотря на высокую эффективность сварки полуавтоматом (DC MIG), используется данный метод значительно реже. Объясняется это достаточно значительной стоимостью оснащения. Импульсное оборудование выдает всплеск высокого напряжения, которое разрушает пленку на поверхности металла. Каждая частица расплавленного стержня электрода вгоняется в сварочную ванну. Современный агрегат выполняет точечное сваривание, обеспечивающее качественное, надежное, прочное и эстетически привлекательное соединение. Некоторые особенности:

необходимо проводить сваривание только током с обратной полярностью;
чтобы избежать застревания проволоки в подающем механизме, необходимо использовать специальные наконечники с маркировкой “Al” или стандартные модели, но с увеличенным диаметром;
алюминиевый пруток может создавать петли, чтобы избежать этого следует приобрести особое устройство подачи с четырьмя роликами, маленьким рукавом и вкладышем из тефлона;
нужно придерживать ускоренного темпа подачи проволоки, что позволит избежать частой смены наконечника.

С целью экономии денежных средств некоторые мастера научились модифицировать стандартные типы полуавтоматов для работы с алюминием.

Аргоном (AC TIG)

В качестве расходных материалов выступают вольфрамовые электроды (стержни диаметром 1,6-5 мм.), способные выдерживать температуру в 3000°С, и присадочная проволока с поперечным сечением в 1,6-4 мм. Они обеспечивают высокое качество шва. Для защиты сварочной зоны используются газы: аргон или гелий. Таким образом, исполнителю также понадобится баллон с газом. Специально для бытовой сварки производители выпускают компактные резервуары, объема которых будет достаточно для небольшого ремонта.

Питание дуги осуществляется от источника с переменным током. Аргонодуговая сварка является достаточно затратным способом для работы с алюминием. К тому сварочный процесс характеризуется технической сложностью. Поэтому сваривание методом TIG применяется в домашних условиях довольно редко.

Инвертором и покрытым плавящимся электродом

Шов, полученный электродом ОЗАНА-2.

Самым простым и удобным способом является сварка алюминия инвертором с помощью плавящихся электродов следующих марок: УАНА, ОЗАНА, ОЗА. Специальные стержни с покрытием и соответствующее оборудование позволяет сваривать изделия как из чистого алюминия, так и из сплавов данного материала. Работы выполняются постоянным током обратной полярности. Величина тока рассчитывается следующим образом: на 1 мм. следует принимать ток в 25 А.

Дополнительными средствами, выступающими для обеспечения высокого уровня защиты, являются баллон с газом и шланги. Горелка применяется как инструмент для подогрева металла. Данный способ используется, когда к соединению не предъявляются особые требования по прочности и надежности. Оснащение и расходные материалы обладают довольно низкой стоимостью.

Технология сварки

Сварку алюминиевых конструкций можно проводить разными способами:

При помощи вольфрамовых электродов в среде инертных газов;
Полуавтоматической сваркой в инертных газах;
С помощью покрытых плавящихся электродов;
Методом контактной сварки.

Для сваривания ответственных участков используют аргонодуговой способ. Технология сварки алюминия и его сплавов при помощи тугоплавких вольфрамовых электродов предполагает, что присадочная проволока будет перемещаться только вдоль шва, перед электродом. Длина дуги должна быть минимальной, а подача проволоки — плавной. Для сварки по алюминию следует использовать максимальную скорость, иначе соединение будет иметь дефекты. Как правило, сваривают во всех положениях. Масса аргона гораздо больше, чем у воздуха, поэтому лучшее качество шва будет у горизонтальных соединений. Для сварки алюминия в потолочном и вертикальном положениях лучше смешать аргон с гелием.

Технология сварки алюминия: подготовка материалов и деталей

Чтобы создать сварное соединение высокого качества, необходимо в полной мере позаботиться о том, чтобы зона сварки была максимально защищена от всевозможных загрязнений:

Для газоэлектрической сварки алюминия следует выделить чистое, сухое, не пыльное помещение.
Скорость движения воздуха не должна превышать 0,2 м/сек.
Обрабатываемые детали и присадочную проволоку необходимо тщательно очистить предусмотренными технологией способами.
В качестве защитных газов можно применять лишь чистый аргон марки А по ГОСТу 10157–62 и гелий ВЧ (высокой чистоты) по МРТУ 51-04-23-64.
Газоподводящую арматуру, шланги и сварочную горелку до начала сварочных работ тщательно промывают спиртом и в дальнейшем по ходу работы периодически повторно очищают и промывают.

Технология качественной очистки сварочной проволоки включает в себя смывание растворителем или горячей водой консервационной смазки, снятие окисной пленки химической обработкой.

Рекомендуем статьи по металлообработке

Марки сталей: классификация и расшифровка
Марки алюминия и области их применения
Дефекты металлический изделий: причины и методика поиска

Для выполнения вышеперечисленных работ необходимо организовать специальное место, отдельно от зоны сварочных работ. Технология химической обработки предполагает несколько способов очистки. Наиболее популярный метод химической очистки представляет собой следующую последовательность:

Травление в 5%-ном растворе каустической соды NOH при температуре +60…+65 °С в течение 2-3 мин;
Промывка в горячей (+45…+50 °С) воде, а затем в холодной проточной воде.
Осветление в 15–30%-ном растворе азотной кислоты HN03 при температуре +60…+65 °С в течение 2-3 мин;
Промывка в горячей (+45…+50 °С) воде, а затем в холодной проточной воде.
Сушка при температуре не ниже +60° С до полного удаления влаги.

Если у вас нет возможности сразу использовать сварочную проволоку после сушки, то храните ее в специально предназначенном месте. Для этого подходит ящик или шкаф с плотно закрывающимися дверцами.

Обработанная проволока может храниться не более 12 часов в том случае, если это присадочная проволока малого диаметра (до 1,6 мм) для работы на малых токах неплавящимся электродом.

Если речь идет о более толстой проволоке (4-5 мм) для работы плавящимся электродом на токах свыше 400 ампер, то допускается более длительный срок хранения (до полутора суток). При этом качество сварного шва не пострадает. Важно лишь соблюдать правила хранения обработанной проволоки и технологию сварки алюминия. Во время работы подготовленную проволоку нельзя брать руками без перчаток, так как это может привести к попаданию жировых частиц на ее поверхность.

Саму деталь и ее кромку желательно тщательно обрабатывать перед сварочными работами. Преимущество при сварке отдается химической обработке деталей, технология которой приведена выше. Небольшие по объему изделия обрабатываются полностью, а крупные заготовки целиком обезжиривают, химической обработке подвергают только кромки и до 10 см поверхности от стыка.

При небольших сварных соединениях зачистку кромок делают шабером, непосредственно, перед сварочными работами. Также необходимо снять окисную пленку в месте токопровода. Это можно сделать с помощью шабера или стальной проволочной щетки.

Если у вас нет возможности сделать химическую обработку большой по размеру детали, то допускается зачистка кромки стальными проволочными щетками. При этом желательно до и после обработки кромки протереть ее поверхность спиртом или ацетоном.

Щетину стальной проволочной щетки изготавливают из нержавеющей стали. Лучше всего использовать щетку с щетинками размером не более 2 мм в диаметре. Она позволит более качественно обрабатывать кромку, не оставляя слишком глубоких царапин и дефектов. Во время обработки детали щетку периодически промывают в растворителе.

Обработанные детали необходимо хранить в теплом сухом месте, закрыв кромку чистым чехлом. В таком виде допускается хранить детали столько же, сколько и обработанную присадочную проволоку.

Если по технологии сварки алюминия предполагаются длительные работы (монтажные, проверочные и пр.) между зачисткой деталей и их сваркой, то в этом случае используют сварку плавящимся электродом большого диаметра. Кроме этого, необходимо обеспечить защиту кромок от загрязнения на всех промежуточных этапах.

Если сварка выполняется в несколько проходов, то на каждом этапе необходимо зачищать поверхность шва и разделки при помощи щеток и ацетона.

Алюминий не только хорошо проводит тепло, но и обладает большой теплотой плавления (96 кал/г). Это свойство заложено в основе технологии сварки алюминия, поскольку для создания качественного шва понадобится непосредственное воздействие сварочной дуги на всю область контакта жидкой и твердой фаз сварочной ванны.

Если для соединения используется неплавящийся электрод, то ванна жидкого металла получится лишь в зоне горения дуги. При этом в основном она образуется из-за плавки основного металла (обычно в ней не более 30 % присадочного материала). Отличается плавным переходом к основному металлу.

Соединяя алюминий при помощи плавящегося электрода, вы получите большее углубление основного металла за счет более концентрированной дуги. Соответственно, размер сварочной ванны будет больше, в ней будет более 50 % наплавленного металла. Периферийная часть ванны в этом случае не попадает под влияние дуги, следовательно, могут возникнуть несплавления.

Важно, чтобы форма разделки кромок давала возможность те места, где возможно появление несплавления, заново переплавлять дугой при наложении последующих валиков. Соблюдение технологии разделки кромок позволяет достичь высокого качества сварного шва. В любом случае наилучшее соединение получается при осуществлении двухсторонней сварки.

Если нет возможности воспользоваться двусторонним методом, то необходимо принять меры к предотвращению и устранению дефектов в корне шва.

Соединение алюминия и железа

Если соединение между собой алюминиевых деталей не вызывает вопросов, то многие начинающие сварщики задаются вопросом — можно ли приварить алюминий к железной поверхности? Ведь сплавы алюминия с железом, где последнего содержится более 12 %, имеют низкую степень ковкости, а показатели теплоемкости, теплопроводимости и теплового расширения у этих металлов настолько различны, что при сварке трудно избежать термических напряжений.

Приварить алюминий к железу можно двумя способами:

Используя биметаллические переходные вставки, состоящие из железа и алюминия. Соединение при этом формируется дуговой сваркой. Железная сторона вставки приваривается к железной детали, алюминиевая – к детали алюминиевой.

биметаллическая пластина

Покрыв поверхность железной детали металлом, который совместим с алюминием. Для этой цели отлично подойдет цинк. Сваривать стоит также дуговым способом.

Проблемы и ограничивающие условия

Долгое время считалось, что прочное соединение стали и алюминия невозможно обеспечить при использовании термических средств. Основную трудность представляет различие точек плавления, составляющих 1 500°C и 660°C соответственно, и, в частности, формирование интерметаллических фаз (IMP). Это происходит из-за ограниченной взаимной растворимости железа и алюминия при комнатной температуре. IMP образуется в процессе диффузии и, как правило, характеризуется высокой твердостью и чрезвычайно низкой ударной вязкостью. Для примера, твердость сплава Fe2Al5 по Виккерсу составляет около 1 050 HV, а сплава FeAl3 около 900 HV. Чем больше тепловложение в шов, тем меньше IMP — и тем хуже механические и конструкционные свойства шва. Слой IMP должен быть как можно более тонким, и не должен превышать 10 мкм. Дальнейшие сложности вызваны значительно отличающимися коэффициентами теплового расширения, составляющими около 1,2 мм/100°C для стали и 2,34 мм/100°C для алюминия. Еще одним фактором является изменение электрохимического потенциала, равного ок. 1,22 В при использовании стали/алюминия и ок. 0,9 В при использовании цинка/алюминия.

В свете этих физических факторов, специалисты в сфере металлургии и эксперты по сварке определили следующие необходимые условия для сварки алюминия и стали:

Используемая технология должна обеспечивать наименьшее возможное тепловложение;
Поверхность стального листа должна быть оцинкована;
Величина интерметаллической фазы должна быть минимизирована, а ее свойства должны использоваться по максимуму.

Поиск технологии теплового соединения предопределил использование технологии CMT (холодный перенос металла). Данная технология дуговой сварки была выбрана во многом благодаря великолепным результатам, демонстрировавшимся на протяжении десяти лет ее использования экспертами по сварке из компании Fronius.

Рис. 2: Прочность паяно-сварного соединения настолько велика, что при проведении испытания на разрыв, разрыв происходит не в районе шва, а в алюминиевой части элемента.

Как сварить алюминий и нержавеющую сталь

Сварка алюминия и нержавейки необходима прежде всего при монтаже сложного промышленного оборудования, которое эксплуатируется в агрессивной среде, поэтому высокие требования к качеству сварного шва вполне обоснованы. Сварка алюминия со сталью может быть проведена как с помощью биметаллических вставок, так и благодаря покрытию деталей разнородными материалами.

В первом случае сварка алюминия постоянным током должна начаться с алюминиевых поверхностей, чтобы обеспечить существенный отвод тепла при соединении стальных поверхностей. Вставка из стали и алюминия не должна быть перегрета в процессе, иначе интерметаллическое соединение в ней станет хрупким и ненадежным.

Электросварка может проводиться в случае, если сталь будет покрыта тонким слоем алюминия. После того, как будет нанесено покрытие, сталь можно приваривать к алюминию дуговой сваркой. В процессе обязательно следите за тем, чтобы дуга не соприкасалась со стальной поверхностью. Сварка алюминиевых сплавов со сталью может быть проведена и в случае, если сталь будет покрыта серебряным припоем. Сваривать нужно присадочным сплавом из алюминия, не нарушая целостность слоя, образованного серебряным припоем.

Получения новых сочетаний материалов с помощью дуговой сварки

При любом сравнении стали и алюминия, как конструкционных материалов, необходимо учитывать многочисленные технические и экономические критерии. К ним относятся: масса, прочность, жесткость, предел текучести или обрабатываемость, а также доступность ресурсов, стоимость сырья, производственные затраты и последующие расходы. В частности, в сфере производства легких конструкций предпочтительнее выбирать оптимальную комбинацию обоих материалов: твердую сталь для конструкций с тяжелыми условиями работы, в сочетании с легким алюминием для конструкций, испытывающих меньшие напряжения. До недавнего времени, тем не менее, использование дуговой сварки для таких соединений не представлялось возможным, несмотря на многочисленные технические и экономические достоинства технологии. Компании Fronius удалось решить эту проблему.

Легкие конструкции обеспечивают существенные преимущества при использовании в автомобилестроении, например, при создании эксклюзивных автомобилей, в кровельных конструкциях промышленных предприятий или на ветросиловых установках. В автомобилестроении легкие конструкции играют особенно важную роль. Масса кузова составляет большую часть от общей массы автомобиля (порядка 40%). Если транспортному сектору необходимо сократить выбросы CO2, снижение веса и внедрение новых идей — это первое, с чего можно начать. Снижение веса на 100 кг может обеспечить снижение расхода топлива до 0,3 л/100 км, что в свою очередь снизит выбросы CO2 на 700 г/100 км.

Учитывая необходимость обеспечивать приемлемую массу и ёмкость аккумулятора, масса кузова — критически значимый параметр для электромобилей. Значительное сокращение массы таким образом продолжает оставаться основной целью современного кузовостроения.

Это означает, что технология соединения материалов играет значимую роль в сфере производства легких конструкций, в частности в плане соединения стали и алюминия. Для решения данной задачи компания Fronius заключила партнерство с австрийской сталелитейной компанией Voestalpine. Цель проекта состояла в разработке заготовок из стали и алюминия с высокой способностью к формообразованию, причем заготовки из обоих металлов соединяются с использованием технологии термического соединения.

Рис. 1: Элементы, изготовленные из гибридных листов из металлов, способны систематически поглощать, например, энергию удара, возникающего в результате аварии.

Сварка алюминия и меди

Сварка меди и алюминия широко распространена в электропромышленности (соединение проводов) и холодильной промышленности (сварка труб). С помощь плавления соединять эти металлы проблематично: чем выше содержание меди в сварном шве, тем более хрупким и склонным к образованию трещин он будет. Сварка алюминия с медью обычно проводится двумя способами:

“Замковое” соединение. На алюминиевую поверхность приваривается медная накладка. Затем производится наплавка, соединяющая все сварные швы.

Сварка при помощи графитовых электродов. Сила сварного тока при этом должна находиться в пределах 500 – 550 А, длина дуги – не превышать 20-25 мм при напряжении 50-60 В.

Сварка меди и алюминия может проводиться как электродуговым способом,так и аргонодуговым, и газовым. Не менее распространено холодное сваривание.

Гальваническая коррозия алюминия

Наиболее частые ошибки проектирования алюминиевых конструкций связаны с гальванической коррозией. Гальваническая или электрохимическая коррозия происходит, когда два разнородных металла образуют электрическую цепь, замыкаемую жидким или пленочным электролитом или коррозионной средой. В этих условиях разность потенциалов между разнородными металлами создает электрический ток, проходящий через электролит, который (ток) и приводит к коррозии в первую очередь анода или менее благородного металла из этой пары.

Сущность гальванической коррозии

Когда два различных металла находятся в прямом контакте с электропроводящей жидкостью, то опыт показывает, что один из них может корродировать, то есть подвергаться коррозии. Это называют гальванической коррозией.

Другой металл не будет корродировать, наоборот, он будет защищен от этого вида коррозии.

Этот вид коррозии отличается от тех видов коррозии, которые могли бы возникнуть, если бы оба эти металлы были помещены раздельно в ту же самую жидкость. Гальваническая коррозия может случиться с любым металлом, как только два различных металла будут находиться в контакте в электропроводящей жидкости.

Внешний вид гальванической коррозии

Внешний вид гальванической коррозии является очень характерным. Эта коррозия не раскидывается по всей поверхности изделия, как это бывает с точечной – питтинговой – коррозий. Гальваническая коррозия плотно локализована в зоне контакта алюминия с другим металлом. Коррозионное воздействие на алюминий имеет равномерный характер, он развивается в глубь в виде кратеров, которые имеют более или менее округлую форму [3[.

Все алюминиевые сплавы подвергаются идентичной гальванической коррозии [3].