Обработка давлением.

Многие детали и конструкции получают с помощью гибки, вальцовки, холодной и горячей объемной и листовой штамповок и других операций обработки давлением.

При пластической деформации в слоях композиции возникают зоны с разнозначными внутренними напряжениями, которые могут привести к образованию складок, гофр и даже разрывов и расслоений на готовом изделии. Линейное расширение составляющих биметалла в горячем состоянии неодинаково, что может привести к короблению и расслоению изделия.

Биметаллы, полученные методом прокатки, обладают также существенной анизотропией механических свойств вдоль и поперек прокатки. Например, относительное удлинение и сужение образцов из биметаллического листа композиции алюминий Д16 + титан ВТ1-0, вырезанных в продольном направлении в 1,5…2,0 раза выше, чем образцов вырезанных в поперечном направлении. Поэтому при создании технологических процессов обработки биметаллов давлением необходимо знать их механические свойства, а также влияние термомеханических параметров обработки на прочность соединения составляющих.

При изготовлении многих деталей из биметаллов первой заготовительной операцией является правка, которую обычно осуществляют в валковых правильных машинах.

Биметаллы хорошо поддаются пластической деформации в горячем и холодном состояниях. Минимальные (но допустимые) радиусы гибки, зависящие от механических свойств металла, его толщины, а также расположения плакирующего слоя (в сжатой или растянутой зоне сгиба), определяют опытным путем или с помощью аналитических расчетов.

Наиболее сложная операция обработки биметаллов давлением - вытяжка, широко применяемая для получения многих деталей (днищ, стаканов, панелей и др.).

Исследование процесса вытяжки слоистых металлов широкого класса показало их высокие пластические свойства и способность подвергаться деформации и в нагретом и в холодном состояниях. При вытяжке необходимо обеспечивать меры, предохраняющие плакирующий слой от царапин, вмятин, забоин. Рекомендуют покрывать его прокладками из бумаги, картона, тонколистового мягкого металла (меди, алюминия).

Исследована способность слоистых заготовок, состоящих из листов алюминия и латуни различной твердости, к глубокой вытяжке с помощью пуансонов с плоской и полусферической головками. Выяснилось, что эта способность заготовок зависит от соотношения механических свойств составляющих композиции. Для изготовления слоистых композиций рекомендуется использовать составляющие из металлов, обладающих большей разницей в коэффициентах деформационного упрочнения. При использовании пуансона с полусферической головкой не обнаружено влияния взаимного расположения компонентов биметалла на его способность к вытяжке. При использовании пуансона с плоской головкой выбор оптимального сочетания компонентов биметалла имеет большое значение. Если мягкий компонент расположен на наружной стороне, то в качестве внутреннего компонента желательно выбирать твердый металл. Если же внутренний компонент представлен мягким материалом, то наружный слой также должен быть мягким. При наружном компоненте из твердого материала для внутреннего желательно выбирать тонкий лист из мягкого и прочного металла.

Некоторые биметаллы при определенных условиях проявляют лучшую способность к вытяжке, чем каждый из составляющих в отдельности. Это обстоятельство можно использовать как средство для повышения способности к вытяжке материалов, входящих в данную композицию, например, тонколистовой металл (фольга), плохо поддающийся вытяжке, при плакировании его другим тонколистовым металлом приобретает способность к глубокой вытяжке без образования гофров. Кроме того, такой двухслойный материал имеет высокие прочностные свойства.

В ряде случаев (если низка пластичность слоистого металла в холодном состоянии, а также недостаточна мощность прессового оборудования) перед вытяжкой биметалл нагревают. Однако при этом необходимо учитывать влияние температуры и продолжительности нагрева на прочность соединения составляющих композиции.

Остаточные напряжения, возникающие в слоях металла после пластической деформации, могут приводить к искажению размеров и формы изготовляемой из биметалла детали. Особенно это относится к деталям с низкой жесткостью, имеющим одинарную или двойную кривизну (различные панели, облицовки, обшивки и т.п.). Такие детали изготовляют методом штамповки.

Слоистые металлические заготовки можно подвергать прокатке с целью получения нужных потребителю размеров, физико-механических и технологических свойств, а также структуры. Кроме того, горячая прокатка и последующая термическая обработка во многих случаях повышают прочность соединения слоев. При этом следует иметь в виду, что режим деформации при прокатке данной композиции не всегда оказывает однозначное влияние на прочность полученного ранее соединения.

Резка.

Резка слоистых металлов связана с необходимостью принимать меры, чтобы исключить повреждение плакирующего слоя и внедрение в него металла основного слоя и инородных частиц. Перед резкой необходимо тщательно очищать поверхность от возможных загрязнений. Механическую резку, вырубку и пробивку отверстий ведут всегда со стороны плакирующего слоя (заготовку располагают плакирующим слоем вверх). Это предотвращает внедрение металла основного слоя в плакировку и обеспечивает образование легко удаляемого заусенца на кромке основного слоя. Кроме того, такое расположение заготовки снижает вероятность отрыва плакирующего слоя. Резку листов с двусторонней плакировкой различными металлами производят со стороны слоя, обладающего меньшей твердостью.

Листы толщиной более 25 мм обычно подвергают термической резке (газовой, газо-флюсовой, плазменной). Эти способы используют также при удалении местных дефектов металла и вырезке деталей с криволинейными контурами.

Газовую (кислородную) резку применяют для металлов, оксиды которых, образующиеся при нагреве, легко выдуваются из зоны реза кислородной струей. При резке металлов, образующих тугоплавкие оксиды (например, коррозионностойкие стали, легированные хромом), используют флюсы (порошки железа или алюминия), подаваемые вместе со струей кислорода. Образующееся в результате сгорания газо-флюсовой смеси тепло разжижает оксиды, и они удаляются из зоны реза.

Прогрессивный способ разделки слоистых металлов - плазменная резка, которая позволяет разрезать металлические композиции любой толщины и обеспечивать высокое качество кромок.

Сварка.

Многие изделия и элементы конструкций из биметаллов изготовляют с помощью сварки. Слоистые композиции нередко используют в качестве переходников для сварки конструкций из разнородных металлов. При этом составляющие слоистых переходников (вставки) сваривают с соответствующими металлами конструкций. Например, при создании сталеалюминевых конструкций применяют биметаллические вставки, стальной слой которых приваривают к стальной детали с помощью электродуговой сварки, а алюминиевый - к алюминиевой детали методом аргонодуговой сварки.

Операция сварки в технологическом процессе обычно наиболее ответственная, так как от качества сварных соединений зависят эксплуатационные свойства изделия.

Основными факторами, определяющими качество сварного соединения, являются свойства составляющих биметалла и их поведение при температурах сварки, а также форма кромок заготовки, подготовленной к сварке, состав сварочных электродов (проволоки), режим сварки. Существенная разница в свойствах компонентов биметалла вызывает необходимость в их раздельной сварке с применением соответствующих режимов и присадочных материалов, обеспечивающих получение сварных швов со свойствами, близкими к свойствам свариваемого металла. В большинстве случаев при сварке недопустимо взаимное проникновение составляющих металлов, так как это может привести к резкому снижению их качества.

Для сварки биметаллов обычно используют электродуговую сварку (ручную или автоматическую). Ручную сварку применяют для наложения швов небольшой протяженности или когда места сварки недоступны для сварочного аппарата.

Марку электродов и электродной проволоки выбирают применительно к типу свариваемых металлов. Применяют также комбинированный способ сварки – автоматическую для основного слоя и ручную для плакирующего. Для сварки композиции с плакирующим слоем из титана, тантала, ниобия применяют сварку в среде защитного газа (аргона). Для сварки биметаллов большой толщины возможно применение электрошлаковой сварки. Кромки перед сваркой разделывают механическим способом – строганием, фрезерованием, шлифованием и др.

Материалом основного слоя в подавляющем большинстве композиций является низкоуглеродистая сталь, поэтому особенности технологии сварки определяются материалом плакирующего слоя. Можно выделить следующие основные группы материалов плакирующего слоя: 1) высоколегированные коррозионностойкие стали и сплавы на основе железа; 2) сплав на нежелезной основе и цветные металлы, обладающие хорошей свариваемостью со стальной основой и имеющие близкую с ней температуру плавления; 3) цветные металлы, обладающие ограниченной свариваемостью со сталью и имеющие температуру плавления, существенно более низкую, чем температура плавления основного слоя; 4) металлы и сплавы, непосредственное соединение которых со сталью с помощью сварки плавлением затруднено.

Сварка биметаллов с плакирующим слоем из коррозионностойких сталей наиболее изучена и освоена. Сварные соединения таких композиций должны иметь прочность, близкую к прочности металла основного слоя, и такую же коррозионную стойкость, как у плакирующего слоя. Соблюсти эти условия можно лишь при использовании раздельной сварки составляющих и применении присадочных материалов, чтобы обеспечить заданный состав слоев сварного соединения. Необходимо принимать меры, предотвращающие легирование металла основного слоя элементами плакирующего слоя (хромом, никелем и др.), так как это резко снижает пластические свойства соединения и может даже привести к образованию в нем трещин после сварки или во время эксплуатации готового изделия.

Большое значение имеет последовательность наложения сварных швов. В большинстве случаев первоначально выполняют шов на основном слое, принимая меры для предотвращения проплавления плакирующего слоя (используют электроды малого диаметра, частично удаляют плакирующий слой, притупляют кромки на основном слое и т.д.). После завершения сварки основного слоя приступают к сварке плакирующего слоя. Иногда перед сваркой производят со стороны плакирующего слоя разделку корня шва на основном слое с целью удаления дефектной части шва с помощью строжки или шлифования. При сварке плакирующего слоя необходимо ограничивать разбавление металла шва железом основного слоя. Для этого применяют присадочные материалы с высоким содержанием легирующих добавок, сварку ведут электродами малого диаметра при минимальной силе сварочного тока.

В случаях, исключающих возможность раздельной сварки слоев (когда к месту соединения есть доступ только с одной стороны, например при сварке замкнутых сосудов малого диаметра), используют сварку сквозным швом. Если ее предстоит выполнять со стороны основного слоя, то сначала сваривают швы на плакирующем слое, используя присадочные материалы, соответствующие составу плакирующего металла.

Основной слой сваривают электродами из аустенитного материала. Сварку сквозным швом применяют также для листов, толщиной менее 5 мм.

При сварке композиций с плакирующим слоем из цветных металлов и сплавов, обладающих удовлетворительной свариваемостью со сталью основного слоя и имеющие близкую с ней температуру плавления, не допускают разбавления металла шва плакирующего слоя железом основного слоя. К композициям этого класса относятся двухслойные стали с плакирующим слоем из никеля и сплавов на его основе. С целью предотвращения проникновения железа в металл шва сварку плакирующего слоя ведут электродами того же состава, что и свариваемый металл, с низким содержанием примесей. Результат сварки во многом зависит от чистоты наплавленного металла, поэтому необходимо предотвращать проникновение в металл шва серы, кислорода и углерода. Хороший результат дает аргонодуговая сварка электродами малого диаметра при низком значении сварочного тока. Сварку рекомендуется вести, по возможности большим числом слоев, для этого перед наплавкой следующего слоя можно применять частичную сошлифовку наплавленного металла.

К группе композиций с плакирующим слоем из металлов, обладающих ограниченной свариваемостью со сталью и имеющих существенно более низкую температуру плавления, чем сталь, относят сталемедные и сталеалюминевые композиции. Материалом плакирующего слоя служат медь, алюминий, а так же их сплавы (латуни, бронзы и др.).

Сварка сталемедных композиций связана с такими же трудностями, что и сварка меди, а именно: высокой теплопроводностью, сильным сродством к кислороду, большим коэффициентом температурного расширения, значительной усадкой при затвердевании, существенной растворимостью водорода в меди и ее сплавах, их склонностью к образованию пор. При сварке основного слоя надо исключать возможность подплавления плакирующего слоя, а при сварке плакирующего слоя ограничивать время контакта расплавленной меди со стальной основой. С этой целью применяют разные методы подготовки кромок и технологические приемы сварки. Для сварки плакирующего слоя из меди и ее сплавов применяют аргонодуговую и газовую (ацетилено-кислородную) сварки.

В результате сварки биметаллической детали с другими элементами конструкции может снизиться прочность соединения биметалла. Исследовано влияние температуры нагрева (во время сварки) и толщины стального слоя в сваренных взрывом биметаллах сталь + медь на прочность зоны соединения биметалла.

При толщине стального листа более 2 мм последующая дуговая сварка на прочностные свойства биметалла не влияет.

Для стыковой сварки сталемедных переходников следует проводить разделку кромок в зависимости от толщины свариваемого металла.

Для проводов контактной сети железных дорог, воздушных линий электропередач, силовых электрических кабелей применяют сталеалюминевую проволоку. При выполнении монтажных работ и ликвидации обрывов необходима стыковая сварка, которая затруднена из-за большой разницы в физических свойствах оболочки и сердечника. Эффективным оказался способ контактной стыковой сварки с формированием соединения с помощью стыкосварочной машины. Наибольшие трудности вызывает сварка композиций с "плакирующим слоем" из титана, ниобия, тантала и других металлов, образующих при сплавлении со сталью основного слоя хрупкие соединения. Для сварки листов, плакированных титаном, используют несколько способов. Один из них основан на применении вкладных и накладных полосок. Операцию начинают с того, что плакирующий слой в зоне сварки удаляют, металл основного слоя сваривают электродуговой сваркой под флюсом. Затем, на предварительно выровненный шов серебряным припоем напаивают вкладную полоску (из титана, меди или серебра), толщина которой такая же, как плакирующего слоя.

Шов на вкладной полоске зашлифовывают, устанавливают и приваривают накладную полоску из титана. Сварку ведут вольфрамовым электродом в среде инертного газа (аргон).