Teräksen ja alumiinin liitosta on kehitetty paljon viimeisen kymmenen vuoden aikana.
Lähes jokaisella kaarihitsausmuodolla tai laser-sovelluksella on saatu aikaiseksi jonkinlainen toimiva, eli lujuudeltaan riittävä liitos. Lämmöntuonnin pienentäminen on merkittävässä osassa alumiinin ja teräksen välille syntyvän faasikerroksen hallitsemisessa, ja pitämisenä ohuena. MIG/MAG-menetelmästä on kehitetty uusia kylmäkaarimenetelmiä, joista tunnetuin on Cold Metal Transfer- menetelmä, jolla lämmöntuontia on voitu pienentää merkittävästi. Myös lasertekniikan sovellukset ovat mahdollistaneet lämmöntuonnin pitämisen pienenä. Niiden etuna on mahdollisuus suureen hitsausnopeuteen.
Perinteisemmissä menetelmissä, kuten MIG- ja TIG-hitsauksessa käytetään pulssivirtaa, jolla lämmöntuonti pienenee. Lisäksi juoksutteita ja kuparisia taustalevyjä käytetään lämpöä sitomaan, ja edesauttamaan faasikerroksen hallintaa.
Menetelmistä löytyy melko hyvin valinnanvaraa moneen eri tarkoitukseen. Laitteiston koko- ja hintahaarukka on laaja MIG-virtalähteestä lasertekniikkaan, tai FSW-koneistoon. Hitsausnopeudet vaihtelevat 0,4m/min-6m/min välillä. Liitoksen riittävän lujuuden perusteena pidetään yleisesti 70 % liitettävän alumiiniseoksen lujuudesta, sillä lämmöntuonti materiaaliin saattaa laskea alumiiniseoksen lujuutta likimain tuon 30 %.
Osassa menetelmiä käytetään lisäainetta, osassa ei. Yleisin käytettävä lisäaine on alumiiniseos, joka on seostettu piillä, eli 4XXX-sarjan alumiinit. Tällä seoksella sulamislämpötila on 577 oC. Lisäksi lisäaineena on käytetty puhdasta 1XXX-sarjan alumiinia, sekä sinkkipitoista lisäainetta, jossa on 15 % alumiinia, ja sulamispiste 440
oC. Lisäaineelliset menetelmät, kuten kylmäkaari-MIG ja laser-hybridi ovat railotoleranssien suhteen väljempiä kuin lisäaineettomat menetelmät. Lisäksi päittäisliitokset onnistuvat, kun lisäaineettomat menetelmät ovat limittäisliitoksia.
Friction Stir Welding eroaa muista prosesseista, sillä siinä pysytellään koko ajan materiaalien sulamispisteen alapuolella, noin 400-500 oC tasossa. Niinpä mikorakenne on tällaisessa liitoksessa hyvin erilainen ja liitoksen ominaisuudet ovat hyvät. Haittapuolena ovat menetelmän käytettävyysominaisuudet.
6. YHTEENVETO
Alumiinin ja teräksen liitoksen ongelmia aiheuttavia tekijöitä ovat erilainen mikrorakenne, suuri ero sulamislämpötilassa, erot lämpölaajenemisessa ja lämmönjohtumisessa, sekä metallien liukoisuus toisiinsa on erittäin huono.
Alumiinin ja teräksen liitoksen lujuus riippuu oleellisesti AlxFey –faasikerroksen muodostumisesta metallien välille. Faasikerroksen paksuuden ollessa pienempi kuin 10 µm, liitoksen lujuusominaisuuksia voidaan pitää kelvollisina.
Faasikerroksen riittävän ohut rakenne saavutetaan pitämällä lämmöntuonti liitokseen mahdollisimman pienenä. Erityisesti sulan teräksen ja sulan alumiinin kohtaamista pyritään välttämään, koska siitä aiheutuu kova ja hauras seos.
Liitoksen teko on mahdollista monin eri menetelmin. Kaarimenetelmistä onnistuneita liitoksia on tehty ainakin MIG/MAG –tekniikalla sekä TIG:llä. Lasertekniikoista käytetään lisäaineellista juottoa, sekä lisäaineetonta key-hole-menetelmää. Lisäksi FSW- kitkahitsaus on varsin erilainen tekniikka, jolla saavutetaan hyviä liitosominaisuuksia. Näitä, ja monia muitakin menetelmiä yhdistellään onnistuneesti, esimerkkeinä tässä tutkimuksessa ovat laser-MIG-hybridihitsaus ja laseravusteinen kitkahitsaus.
LÄHTEET:
Agudo, L., Eyidi, D., Schmaranzer, C., Arenholz, E., Jank, N., Bruckner, J. & Pyzalla, A. 2007. Intermetallic FexAly-phases in a steel/Al-alloy fusion weld. Journal of the Material Science. Vol. 42. pp. 4205–4214
Chen, T. P. & Lin, W. B.2010. Optimal FSW process parameters for interface and welded zone toughness of dissimilar aluminium–steel joint. Science and Technology of Welding and Joining. Vol 15. No 4. pp. 279-285.
Elrefaey, A., Gouda, M. Takahashi, M., & K. Ikeuchi K. 2005 Characterization of Aluminum/Steel Lap Joint by Friction Stir Welding. Journal of Materials Engineering and Performance. Vol 14. pp. 10-17
Esab –Hitsaustietoa, Kitkahitsaus. 2006 [Verkkodokumentti]. [Lainattu 08.12.2010].
Saatavilla www.esab.com/fi/fi/education/processes-fsw.cfm.
Fellman, A. &Salminen, A. 2004. Laserhitsauksen sovellusalue laajenee hybridihitsauksen avulla. Hitsaustekniikka. No 6. pp 24-31.
Feng, J., Zhang, H., & He, P. 2009. The CMT short-circuiting metal transfer process and its use in thin aluminium sheets welding. Materials and Design Vol 30. pp. 1850–
1852.
Furukawa, K., 2006 New CMT arc welding process - welding of steel to aluminium dissimilar metals and welding of super-thin aluminium sheets. Welding International, vol 20. No 6, pp. 440-445.
Lakshminarayanan, A., Balasubramanian, V. K. & Elangovan K., 2009 Effect of welding processes on tensile properties of AA6061aluminium alloy joints.
International Journal of Advanced Manufacturing Technology Vol 40. pp.286–296.
Lin, S., Song, J., Ma, G. & Yang, C. 2009 Dissimilar metals TIG welding-brazing of aluminum alloy to galvanized steel. Frontiers of Mechanical Engineering in China China. Vol 3(1): pp. 78–83.
Lu, Z., Huang, P., Gao, W., Li, Y., Zhang, H. & Yin, S. 2009. ARC welding method for bonding steel with aluminum. Frontiers of Mechanical Engineering in China, Vol 4(2), pp. 134–146
Mathers, G. 2002. The welding of aluminium and its alloys. Cambridge: Abington Hall
Mathieu, A., Shabadi, R., Deschamps, A., Suery, M., Matteı, S.,Grevey, D. & Cicala, E. 2007. Dissimilar material joining using laser (aluminum to steel using zinc-based filler wire). Optics & Laser Technology, vol. 39, pp 652–661.
Merklein, M. & Giera A. 2008. Laser assisted Friction Stir Welding of drawable steel-aluminium tailored hybrids. International Journal of Material Forming. No 1. pp.
1299–1302.
Murakami, T., Nakata, K., Tong, H., &Ushio M. 2003. Dissimilar metal Joining of Steel to Aluminum by lap joint MIG arc brazing. Transactions of Joining and Research Institute. Vol 32. No 1. pp. 35-37.
Saida, K., Woohyun Song, W. & Nishimoto, K. 2005. Diode laser brazing of aluminium alloy to steels with aluminium filler metal. Science and Technology of Welding and Joining. Vol 10. No 2. pp. 227-235
Sierra, G., Peyreb, P., Deschaux-Beaume, F., Stuart, D. & Fras, G. 2007. Galvanized steel to aluminium key-hole laser welding. Materials Science and Engineering A. Vol 447. pp. 197–208
Sierra, G., Wattrisse, B. & Bordreuil C. 2008. Structural analysis of steel to aluminum welded overlap joint by digital image correlation. Experimental Mechanics . Vol 48.
pp.213–223
Thomy, C. & Vollertsen, F. 2009. Laser-MIG hybrid welding of aluminium to steel – Effect of parameters on joint properties.[verkkodokumentti]. [Viitattu 07.12.2010].
Saatavilla www.iiwindia.com/pdf/XII-1958-09.pdf.