Алюмінієві сплави мають чудові властивості, такі як низька щільність, хороша стійкість до корозії та висока електро- та теплопровідність. Використання алюмінієвих сплавів замість сталі дозволяє значно зменшити вагу зварних конструкцій. З іншого боку, сталь має хорошу зварюваність і механічні властивості, тому алюмінієві-сталеві зварні конструкції широко використовуються в таких галузях, як автомобілебудування та суднобудування.
Алюміній має температуру плавлення 660 градусів, що на 700-900 градусів нижче, ніж сталь. Під час зварювання алюміній з нижчою температурою плавлення спочатку плавиться, поки сталь ще тверда. Через значну різницю в щільності між алюмінієм і сталлю, алюміній у розплавленому резервуарі має тенденцію плавати поверх сталі, що може спричинити нерівномірний склад зварного шва після охолодження. Велика різниця в коефіцієнтах лінійного розширення між алюмінієм і сталлю також призводить до високої залишкової напруги в зварному з’єднанні, що може призвести до появи зварювальних тріщин.
Щоб отримати надійне з’єднання алюмінієвої-сталі, необхідно подолати бар’єрний ефект оксидного шару на поверхні алюмінію та алюмінієвих сплавів, а також запобігти або зменшити утворення крихких інтерметалічних сполук на межі алюмінієвої-сталі. Існуючі способи зварювання:
1. Зварювання тиском
Зварювання тиском — це метод зварювання, при якому до заготовок прикладається тиск (з нагріванням або без) під час процесу зварювання для завершення зварювання. Під час зварювання алюмінію та сталі зазвичай використовуються такі методи, як зварювання вибухом, магнітно-імпульсне зварювання, зварювання тертям із перемішуванням і дифузійне зварювання.
2. Пайка плавленням
Пайка плавленням різнорідних матеріалів із алюмінію-сталі поєднує в собі функції як зварювання плавленням, так і пайки. Під час процесу зварювання алюмінієвий сплав і присадний метал плавляться і після затвердіння з’єднуються разом, утворюючи зварний шов; тим часом сталь не плавиться, а розплавлений присадний метал втягується та заповнює щілину між твердими сталевими частинами завдяки капілярній дії. Рідкий наповнювач і сталь дифундують і розчиняються один в одному, а після застигання утворюють міцне паяне з’єднання, що забезпечує з’єднання алюмінієвого сплаву та сталі різнорідних металів.
3. Пайка
Пайка різнорідних матеріалів із алюмінію-сталі передбачає розміщення присадочного металу в щілині з’єднання та нагрівання його до розплавлення, у той час як основні метали не розплавляються. Потім рідкий присадний метал просочується в щілину твердих заготовок і після охолодження та затвердіння утворює міцне з’єднання.
Серед трьох методів зварювання різнорідних матеріалів із алюмінієвої-сталі пресове зварювання та паяння можуть досягти з’єднання алюмінієвої-сталі, але вони мають певні обмеження щодо розміру та форми заготовок, а ефективність виробництва низька. Пайка плавленням може контролювати крихкі інтерметалічні сполуки між алюмінієм і сталлю через наповнювач. Зокрема, пайка плавленням із лазерним-подаванням дроту відрізняється низьким нагріванням, високою швидкістю зварювання та простотою автоматизації, що забезпечує високо-якісні та ефективні паяні з’єднання з широкими перспективами застосування.
