§ 62. СВАРИВАЕМОСТЬ СТАЛИ С АЛЮМИНИЕМ И ЕГО СПЛАВАМИ

Применение комбинированных сварных узлов из стали и алюминия или его сплавов в конструкциях различного назначения (в судостроении, авиационной и химической промышленности, машиностроении, вагоностроении, кислородном аппаратостроении и пр.) весьма перспективно, так как этим достигается наибольшая эффективность работы конструкции при одновременном значительном снижении веса. Однако промышленного способа непосредственного соединения сваркой стали с алюминием или его сплавами пока нет. Существующие методы сварки обеспечивают прочность такого сварного соединения лишь на уровне прочности чистого алюминия. Это объясняется плохой свариваемостью алюминия со сталью.

Ниже приведены химико-физические свойства железа и алюминия:

Сопоставление кристаллохимических и физических свойств алюминия и железа свидетельствует о значительной их разнице. Несоответствие типов кристаллических решеток Fe-a и Al (различие в параметрах ~ 22%) и близость атомных радиусов при резко отличных значениях атомного веса объясняют ограниченную взаимную растворимость этих металлов. Так, растворимость Fe в Al ничтожна и при температуре 655° С составляет всего лишь 0,052%, а при 400°Сблизка к нулю. Разницей в электрохимических свойствах алюминия и железа можно объяснить способность этих металлов образовывать интерметаллические соединения. Кроме интерметаллида

'FeAls, с увеличением в системе железа появляются соединения ге2А17, Fe2AlB, FeAl2, FeAl и другие , а на основе FeAls — эвтектика Al+FeAls с температурой плавления 655° С. По мере введения железа в алюминий непрерывно повышается предел прочности и твердость; пластичность сплавов резко снижается и при 12% Fe падает до нуля.

Разница в физических свойствах алюминия и железа также весьма существенна: большое различие температур плавления, коэффициентов линейного расширения, теплопроводности и теплоемкости, наличие окисной пленки А1203, создающей включения в сварном шве, ухудшают свариваемость этих металлов.

Однако основной проблемой свариваемости алюминия со сталью следует считать образование в зоне сплавления диффузионного слоя из хрупких и твердых интерметал-лидных фаз типа Fe„Alm, снижающих технологическую и эксплуатационную прочность, а также коррозионную стойкость сварного соединения.

Исследования фазового состава диффузионных слоев, возникающих в зоне сплавления стали с алюминием, показали, что по мере рис. 243. Сварное сталеалюминиевое удаления от стали в глубь алюми- соединение, полученное с помощью ниевого шва последовательность вставки из биметалла, расположения фаз такая; Fe-a;

FeAl6; Fe2Al5 4- FeAl3; FeAl3; Al. При этом интерметаллид Fe2Al6 (55% Al) — наиболее твердый (ЯУ 1000—1100) и хрупкий, а у FeAl я (59% Al) твердость и хрупкость несколько ниже (HV 820—980).

В результате многочисленных испытаний на прочность стале-алюминиевых соединений выяснилось, что их прочность тем выше, чем меньше толщина интерметаллидного слоя. Из этих соображений иногда допускают наличие слоя из интерметаллидных фаз, но не глубже 5 мкм, так как в более толстых слоях возникают поры и трещины, резко снижающие его прочность.

Пути решения сложной проблемы свариваемости стали с алюминием и его сплавами такие:

1)предварительно покрывать стальную составляющую алюминием, цинком или другими металлами, чтобы разобщить алюминиевую ванну со сталью;

2)легировать алюминиевую ванну различными добавками, замедляющими развитие диффузионных процессов в зоне ее контакта со сталью;

3)использовать для соединения алюминия со сталью вставки из биметалла (рис. 243).

Предварительно покрыть сталь некоторыми металлами можно гальванически или горячим погружением. Но получить сталеалю-миниевые сварные соединения нужной прочности так не удается,