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 срариваемостыо 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 AI (различие в параметрах ~ 22%) и близость атомных радиусов при резко от­личных значениях атомного веса объясняют ограниченную взаимную растворимость этих металлов. Так, растворимость Fe в AI ничтожна и при температуре 655° С составляет всего лишь 0,052%, а при 400°С близка к нулю. Разницей в электрохимических свойствах алю­миния и железа можно объяснить способность этих металлов обра­зовывать интерметаллические соединения. Кроме интерметаллида

'FeAlg, с увеличением в системе железа появляются соединения Fe2AI7, Fe2Al6, 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 1 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; Fe2AI5 + FeAl3; FeAi3; Ai. При этом интерметаллид Fe2Alb (55% AI) — наиболее твердый (ЯР 1000—1100) и хрупкий, а у FeAl3 (59% Ai) твердость и хрупкость несколько ниже (HV 820—980).

В результате многочисленных испытаний на прочность стале­алюминиевых 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 сталеалю­миниевые сварные соединения нужной прочности так не удается,

40У

поскольку и в этом случае успевают сформироваться прослойки из интерметаллидов той или иной толщины. Наиболее удовлетвори­тельные результаты получены при нанесении комбинированных медно-цинкового и особенно никелево-цинко:ого покрытий.

Менее изучено влияние легирующих добавок. Известно, например, что если стальная поверхность оцинкована, то внесение в сварочную ванну Си, Zn, и особенно Si, позволяет значительно уменьшить ширину иитерметаллидного слоя за счет снижения диффузионной подвижности атомов алюминия в железе. Наличие же Mg отрица­тельно влияет на свариваемость алюминия со сталью, так как маг­ний резко увеличивает рост выпавших интерметаллидов.

Предотвратить образование хрупких интерметаллидных фаз можно лишь используя для соединения алюминия со сталью вставки из прокатанного биметалла (рис. 243). В этом случае свариваются между собой однородные металлы — сталь / со сталью и алюминий 2 с алюминием, но так, чтобы степень проплавления металла вставки не приближалась к границе схватывания более, чем это допустимо. Существенный недостаток таких соединений— неконструктивность сварных узлов.