BẠN CÓ THỂ HÀN NHÔM VỚI THÉP?

Có thể dễ dàng nối nhôm với hầu hết các kim loại bằng cách sử dụng liên kết cơ học hoặc liên kết dính. Tuy nhiên, để hàn nhôm với thép đòi hỏi các kỹ thuật khác như hồ quang và hàn ma sát sẽ được giải thích thêm bên dưới.

Tại sao cần hàn nhôm với thép?

Nhôm (và các hợp kim của nó) nhẹ hơn nhiều so với thép, có mật độ khoảng 2,70 g/cm ³ so với khoảng 7,75 đến 8,05 g/cm ³ đối với thép. Điều này có nghĩa là một khối lượng tương đương của thép nặng hơn nhôm khoảng ba lần.

Nhiều ngành công nghiệp sử dụng thép cho một loạt các ứng dụng kết cấu. Tuy nhiên, do mật độ của thép, có một hình phạt trọng lượng đáng kể liên quan đến việc sử dụng nó. Các luật môi trường mới đang buộc các ngành vận tải phải tuân theo các giới hạn nghiêm ngặt về phát thải khí nhà kính. Một cách để hỗ trợ giảm phát thải là giảm trọng lượng của cấu trúc phương tiện. Việc thay thế các kết cấu thép khác nhau bằng hợp kim nhôm hiện có tầm quan trọng lớn trong công nghiệp. Trong nhiều ứng dụng, không nhất thiết phải thay thế toàn bộ kết cấu thép bằng hợp kim nhôm, do đó cần phải kết hợp hai vật liệu.

Hợp kim nhôm có thể được nối với thép tương đối dễ dàng bằng cách sử dụng các kỹ thuật như liên kết dính, ốc vít cơ học hoặc hàn, nhưng khi yêu cầu tính toàn vẹn cấu trúc cao hơn, thì hàn được ưu tiên hơn. Tuy nhiên, hàn hợp kim nhôm với thép là khó khăn.

Vì sao nhôm khó ghép với thép?

Hợp kim nhôm và thép rất khác nhau về tính chất luyện kim và vật lý, chẳng hạn như tính dẫn nhiệt và nhiệt độ nóng chảy. Nói chung, nhiệt độ nóng chảy của thép là khoảng 1370°C, cao hơn gấp đôi so với nhôm nóng chảy ở khoảng 660°C. Ngoài điểm nóng chảy rất khác nhau, mỗi kim loại này hầu như không hòa tan trong kim loại kia. Ở trạng thái nóng chảy, chúng phản ứng tạo thành các pha liên kim giòn. Rõ ràng là các vấn đề trên có thể gây ra những thách thức trong hàn nóng chảy, chẳng hạn như hàn hồ quang thép và nhôm. Các mối hàn kết quả sẽ có các đặc tính không đạt yêu cầu và do tính chất giòn của chúng, thường không được mong muốn đối với nhiều ứng dụng công nghiệp. 

Làm thế nào để bạn nối nhôm với thép?

Việc áp dụng các quy trình hàn nóng chảy để nối thép với nhôm nổi tiếng là khó khăn do các điểm nóng chảy, độ dẫn nhiệt, hệ số giãn nở và xu hướng hình thành các hợp chất liên kim giòn không giống nhau. Vì độ hòa tan của Fe trong Al rất thấp (khoảng 0,04% trọng lượng), ở nhiệt độ >350°C, khi sự khuếch tán của Fe vào Al trở nên đáng kể, sự kết tủa của các hợp chất liên kim Fe-Al bắt đầu. Sự kết tủa đáng kể giữa các kim loại có thể xảy ra ngay dưới nhiệt độ nóng chảy của nhôm (660°C đối với Al nguyên chất). Mức độ kết tủa giữa các kim loại chính xác được điều khiển bởi sự khuếch tán và phụ thuộc vào lịch sử thời gian và nhiệt độ của giao diện Fe và Al tương tác.

Việc sử dụng tia laser để tạo ra mối nối hàn kiểu hàn giữa thép và nhôm là một bước hợp lý, vì cường độ nhiệt cao trong một khu vực nhỏ do tia laser tạo ra có nghĩa là môi trường hàn ổn định có thể được tạo ra cục bộ và nhanh chóng di chuyển để tạo ra mối nối. với thời gian khuếch tán tối thiểu để thúc đẩy sự hình thành hợp chất liên kim quá mức. Biểu đồ pha Fe-Al cho thấy phạm vi của các pha liên kim loại cứng có thể được hình thành, cụ thể là; Fe3Al (892HV), FeAl (470HV), FeAl2 (1060HV), Fe2Al5 (1013HV) và FeAl3 (892HV). Các pha này được đặc trưng bởi độ cứng cực cao, độ dẻo gần bằng không và độ bền đứt gãy rất kém. Do đó, nếu mối nối được tạo ra bằng nhiệt giữa thép và nhôm phải chứa một số hoặc tất cả các pha này, thì độ dày của lớp hợp chất liên kim loại phải càng mỏng càng tốt nếu muốn đạt được tính năng cơ học tốt trong mối nối. Phải thực hiện một số phương pháp nhất định để hàn hồ quang thép và nhôm, với mục đích tránh hình thành hợp chất liên kim loại. Đầu tiên là sử dụng một lớp phủ nhôm trên thép. Điều này có thể đạt được bằng cách nhúng thép vào nhôm nóng chảy (nhúng nhôm nóng). Sau khi được phủ, nhôm có thể được hàn hồ quang với lớp phủ nhôm. Phải cẩn thận để ngăn hồ quang làm nóng lớp nhôm phủ đến nhiệt độ quá cao, nếu không sẽ có khả năng hình thành hợp chất liên kim. Đầu tiên là sử dụng một lớp phủ nhôm trên thép. Điều này có thể đạt được bằng cách nhúng thép vào nhôm nóng chảy (nhúng nhôm nóng). Sau khi được phủ, nhôm có thể được hàn hồ quang với lớp phủ nhôm. Phải cẩn thận để ngăn hồ quang làm nóng lớp nhôm phủ đến nhiệt độ quá cao, nếu không sẽ có khả năng hình thành hợp chất liên kim. Đầu tiên là sử dụng một lớp phủ nhôm trên thép. Điều này có thể đạt được bằng cách nhúng thép vào nhôm nóng chảy (nhúng nhôm nóng). Sau khi được phủ, nhôm có thể được hàn hồ quang với lớp phủ nhôm. Phải cẩn thận để ngăn hồ quang làm nóng lớp nhôm phủ đến nhiệt độ quá cao, nếu không sẽ có khả năng hình thành hợp chất liên kim.

Chèn chuyển tiếp lưỡng kim là một phương tiện khác để giảm sự hình thành liên kim khi hàn nóng chảy. Các hạt dao bao gồm một phần nhôm và một phần thép khác, được liên kết với nhau bằng cách cán, hàn nổ, hàn ma sát, hàn chớp nhoáng hoặc hàn áp lực nóng. Mối nối chuyển tiếp lưỡng kim sau đó được hàn riêng lẻ với nhôm và thép số lượng lớn. Thông thường, nhôm khối trước tiên được hàn vào phần nhôm của phần chèn chuyển tiếp, vì điều này tạo ra một bộ tản nhiệt lớn hơn khi thép khối được hàn hồ quang với nửa thép của phần chèn chuyển tiếp.

Mục đích chính khi nối các vật liệu này là giữ cho nhiệt độ hàn càng lạnh càng tốt và giảm thiểu thời gian tiếp xúc của mối hàn với nhiệt độ cao. Đây là lý do tại sao các quy trình như hàn ma sát (hàn ma sát quay chủ yếu) được sử dụng để tạo ra các miếng chèn chuyển tiếp lưỡng kim giữa hợp kim nhôm và các thành phần khối thép.

Hàn ma sát quay là một quá trình nối trạng thái rắn hoạt động bằng cách quay một phôi so với phôi khác trong khi chịu lực nén dọc trục. Ma sát giữa các bề mặt tạo ra nhiệt, làm cho vật liệu giao diện dẻo lại. Lực nén đẩy vật liệu hóa dẻo ra khỏi giao diện, thúc đẩy cơ chế nối luyện kim. Bằng cách không đi vào trạng thái lỏng, các mối hàn ma sát vẫn mát hơn nhiều trong quá trình xử lý. Hơn nữa, hàn ma sát diễn ra nhanh chóng, tránh thời gian tiếp xúc lâu của mối hàn với nhiệt độ cao. Do đó, hàn ma sát được sử dụng thương mại để nối nhiều loại vật liệu khác nhau, vì sự hình thành hợp chất giữa các kim loại giảm đáng kể.

Mặc dù hàn ma sát có những lợi ích trong việc giảm sự hình thành liên kim giữa hợp kim nhôm và thép, nhưng vẫn phải cẩn thận khi lựa chọn tham số. Thông thường, khi hàn thép và thép không gỉ với hợp kim nhôm, một lớp xen kẽ của nhôm nguyên chất được sử dụng, giúp giảm đáng kể sự hình thành liên kim. Các hợp chất liên kim loại giữa thép hàn ma sát và hợp kim nhôm đều dựa trên sắt-nhôm, do đó, người ta cho rằng các hợp chất giòn cũng sẽ được hình thành giữa thép và nhôm nguyên chất, nhưng thực tế không phải vậy. Nhôm nguyên chất mềm hơn nhiều so với hợp kim nhôm. Điều này có nghĩa là nhiệt độ cần thiết để nhôm nguyên chất mềm hơn chảy ra và tạo thành mối hàn thấp hơn nhiều so với nhiệt độ của hợp kim nhôm. Nhiệt độ thấp hơn giúp giảm sự hình thành hợp chất giòn.

Do khó tạo ra các mối hàn chắc chắn giữa các vật liệu này, nhiều ứng dụng thương mại để nối hợp kim nhôm với thép liên quan đến các chốt cơ học. Khi sử dụng ốc vít cơ học, và tùy thuộc vào ứng dụng, phải cẩn thận để tránh ăn mòn điện . Ăn mòn điện hóa tốt nhất xảy ra trên hợp kim nhôm. Để ngăn chặn điều này, cần phải cách nhiệt hợp kim nhôm với thép, điều này thường xảy ra bằng cách sử dụng lớp phủ hoặc sơn cách điện.

CÔNG TY CỔ PHẦN DIMEC

Hotline: 0966.92.0404

Email: info@dimec.vn

Website: dimec.vn

Trụ sở chính: Số 285 Phúc Lợi, P. Phúc Lợi, Q. Long Biên, TP. Hà Nội

CN Đà Nẵng: Lô 11, Khu A4, đường Nguyễn Sinh Sắc, P. Hòa