Zwei wichtige Faktoren, die das Schweißen von Stahl und Aluminium beeinflussen

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Stahl und Aluminium haben unterschiedliche chemische und physikalische Eigenschaften wie Schmelzpunkt, Wärmeausdehnungskoeffizient, Elastizitätsmodul usw. Beim Schweißen von Stahl und Aluminium im Warmumformschweißverfahren treten viele Probleme auf, dh Aluminium und Stahl sind anfällig für bilden sehr harte und spröde IMP-Phasen (intermetallische Phase), je größer der Schweißwärmeeintrag ist, desto mehr IMP-Phasen werden erzeugt. Diese spröde Phase zerstört die statische und dynamische Festigkeit der Verbindung erheblich und verringert die Plastizität der Verbindung. Ihre wichtigsten physikalischen Unterschiede sind wie folgt:

Stahl kann einen Teil des Aluminiums in festem Zustand schmelzen, aber wenn der Aluminiumgehalt 12% überschreitet, ändert sich die Kristallstruktur grundlegend und bildet eine sehr harte (250-520 hv) und zerbrechliche Mischung aus FeAL (Netzwerk) und Fe3Al (Netzwerk). Wenn der Aluminiumgehalt in der Mischung aus Fe2Al, Fe2Al5 und FeAl3 weiter erhöht wird, werden eine höhere Härte (600-1100 HV) und eine höhere Sprödigkeit bereitgestellt. Dieses zerbrechliche Material ist das Ergebnis der Diffusion von Stahl in Aluminium oder Aluminium in Stahl. Wenn die elektrochemischen Potentiale zweier verschiedener Materialien unterschiedlich sind, tritt eine molekulare Diffusion auf, um die Potentialdifferenz zu kompensieren. Je größer die Potentialdifferenz (E ~ 1.22 V von Stahl und Aluminium) ist, desto größer ist die Diffusionstendenz.

Wenn jedoch die Dicke der IMP-Sprödphase der Schweißverbindung weniger als 10 m beträgt, wird ihre Sprödigkeit weniger wichtig und offensichtlich. Zu diesem Zeitpunkt hängt die Leistung des Werkstücks hauptsächlich von der Duktilität des Substrats ab. Korrosion ist ein weiteres großes Problem, da das elektrochemische Potential dieser beiden Materialien völlig unterschiedlich ist und zur Elektrolyse führt (entspricht einer Batterie), während das Potential von Aluminium sehr gering ist und die negative Elektrode bei der Elektrolyse korrodiert. Zusammenfassend muss das Schweißen von Stahl und Aluminium zwei Anforderungen erfüllen:

  1. IMP-Phasendicke an der Verbindungsstelle <10 m
  2. Korrosion des Grundmetalls nach dem Schweißen verhindern

Um diese beiden Anforderungen zu erfüllen, ist ein Prozess mit geringem Wärmeeintrag erforderlich, und dann ist eine spezielle Schweißdraht- oder Schweißnaht-Korrosionsschutzbehandlung erforderlich.

Die CMT-Technologie (Cold Metal Transfer) wurde auf der Grundlage der Kurzschlussübertragung entwickelt und ihr Wärmeeintrag ist viel geringer als beim normalen GMAW-Schweißen. Der Prozess ist: Der Lichtbogen brennt und der Draht wird nach vorne gedrückt, bis das Tröpfchen verkürzt ist. Zu diesem Zeitpunkt wird die Drahtvorschubgeschwindigkeit umgekehrt, der Draht wird nach hinten gezogen und der Strom und die Spannung sind nahezu Null. Nachdem die nächste Schleife gebildet wurde, wird der Lichtbogen erneut gezündet und die Tröpfchenübertragung beginnt erneut, bevor der Draht wieder angeschlossen wird. Die durchschnittliche Frequenz dieser Rückkopplungs- / Rückzugsbewegung beträgt bis zu 70 Hz.

Ein erfolgreiches Beispiel ist das Schweißen von verzinktem Stahl und Aluminium. Das Schweißversuch ist wie folgt: Die Dicke von Aluminium beträgt 0.83 mm, der Füllstoff besteht aus Aluminium-Silizium-Material und die Hartlotnaht wird auf der Oberfläche des Stahls durch Schmelzen von Aluminium und Zink gebildet. An der Verbindungsstelle von Stahl und Aluminium wurde ein 1 mm Basistest durchgeführt. Die folgende Tabelle zeigt die durchschnittliche Intensität des Tests.

Der Festigkeitsverlust der Wärmeeinflusszone während des Kaltmetallübertragungsprozesses ist unvermeidlich. Während des Schweißens und der Wärmebehandlung einer Aluminiumlegierung verliert die Festigkeit der Wärmeeinflusszone 30-40% aufgrund der Ausfällung von Kristallen unter Bildung einer gemischten Kristallstruktur. Daher ist die Wärmeeinflusszone der Verbindung der schwächste Teil der Verbindung, und die Mindestzugfestigkeit beträgt etwa 60% derjenigen von Materialien auf Aluminiumbasis. Bei natürlich gehärteten Aluminiumlegierungen wird durch die Rekristallisation auch die Festigkeit der Wärmeeinflusszone verringert. Die Verringerung der Festigkeit hängt mit dem Wärmeeintrag während der Vorbehandlung und des Schweißens zusammen, und der Bruch tritt hauptsächlich in der Wärmeeinflusszone auf.

Testdaten zeigen, dass das Schweißen von Stahl und Aluminium möglich ist, Stahl jedoch verzinkt werden muss und ein spezielles energiesparendes Schweißverfahren eine Voraussetzung für den Erfolg ist. Schweißverbindungen weisen eine gute Zugfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Ermüdungsbeständigkeit auf, und die IMP-Sprödphase beträgt weniger als 2.5 m. Dies ist der Schlüssel zur Verhinderung des Sprödbruchs von Stahl-Aluminium-Verbindungen.

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