И МЕТАЛЛОВ С НЕМЕТАЛЛАМИ

Сварка разнородных металлов занимает особое место в сварочной нау­ке благодаря возможности сочетать в сварных конструкциях разнообразные свойства металлов, необходимые при все более усложняющихся технологи­ческих и эксплуатационных задачах, возникающих в промышленности. Тех­нологические сложности сварки разнородных металлов обусловлены ком­плексом проблем, вызванных различными физическими и химическими свойствами свариваемых материалов, необходимостью создания прочного контакта в месте их соединения, который часто должен обладать особыми механическими, тепловыми, электрическими и другими свойствами.

Несмотря на значительные трудности сварки, конструкции из разно­родных металлов и сплавов изготовляют во все большем объеме. Это обусловлено значительными техническими и экономическими преиму­ществами, которые имеют конструкции из разнородных металлов и спла­вов в некоторых технических сооружениях (криогенная техника, энерге­тические установки, ракетная техника, судостроение, радиоэлектроника).

В конструкциях либо элементах конструкций используют различные комбинации из стали, меди и ее сплавов, алюминия и его сплавов, титана и его сплавов, молибдена, ниобия, тантала.

Наиболее успешно в комбинированных конструкциях используют следующие металлы: стали низкоуглеродистые (типа СтЗ, Ст4), низко­легированные (09Г2, ЮХСНД), высоколегированные (12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т); медь марок МО, Ml, M2, МЗ и бронзы марок БрАМц 9-2, БрКМц 3-1, БрХ0,8; медно-никелевые сплавы типа МНЖКТ; алюминий марок А00, АД1, сплавы алюминия типа АК4, АМц, АМгб, АМг5В, АМг61; титановые сплавы марок ВТ1, ОТ4, ВТ 14, ВТ15; молибден чис­тый и молибденовые сплавы ЦМ2А, ВМ2; ниобий чистый и ниобиевый сплав ВН2; тантал чистый.

Для различных пар металлов применяют сварку плавлением и наплав­ку: дуговую в среде защитных газов неплавящимся и плавящимся электро­дом, плазменной струей, электродами с толстым покрытием (типа Д), под слоем флюса, электронно-лучевую, лазерную.

До настоящего времени технология сварки разнородных металлов в значительной степени носит поисково-экспериментальный характер и

486 ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

описана главным образом в журнальных статьях. По этой причине изло­жение данной главы носит обзорный характер.

13.1. АНАЛИЗ ПРОЦЕССА СВАРИВАНИЯ РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ ПО ДИАГРАММАМ СОСТОЯНИЯ

Поскольку различные материалы обладают различными физико-химическими свойствами, свойства сварного шва будут определяться свойствами материала, который образовался в зоне шва в результате прошедших процессов. Поэтому представляется целесообразным анализ процесса сваривания разнородных материалов начать с рассмотрения простейших случаев образования соединения между элементарными ве­ществами при наличии единичных физико-химических процессов. Эти простейшие предельные случаи являются частными случаями сваривания разнородных материалов.

Физико-химические взаимодействия между двумя элементарными материалами характеризуются соответствующими диаграммами состоя­ний. Эти диаграммы построены для равновесных условий и отвечают стабильному состоянию, между тем как процесс сваривания есть процесс метастабильный. Это обстоятельство необходимо учитывать при пользо­вании диаграммами состояния, с помощью которых можно представить только приближенную схему процесса сваривания.

Рассмотрим наиболее характерные случаи сваривания двух разнород­ных материалов с использованием диаграмм состояния.

Свариваемые металлы образуют непрерывный ряд твердых растворов. Одна из возможных диаграмм такой па­ры представлена на рис. 13.1. Так как на границе контакта при расплавлении будет происхо­дить образование твердого рас­твора, начнется взаимная диф­фузия материалов А и Б. Глуби­на области твердого раствора и, следовательно, градиент кон­центраций будет определяться

Рис. 13.1. Диаграмма и схема структуры

двух свариваемых материалов,

образующих непрерывный ряд

твердых растворов

для данных условий временем и температурой процесса.

При медленной кристалли­зации из расплава материал рас-

АНАЛИЗ ПРОЦЕССА СВАРИВАНИЯ

пределится в соответствии с диаграммой, приведенной на рис. 13.1. Ка­чество сварного соединения будет определятся качеством полученного твердого раствора в диффузионной области на границе соприкасания. При этом концентрация обоих материалов в сварном шве будет изме­няться постепенно от одного материала к другому, что, естественно, по­влияет на свойства материала шва.

Распределение материала в шве схематично представлено в нижней части рис. 13.1.

Свариваемые металлы обра­зуют твердые растворы с ограни­ченной растворимостью. Как из­вестно, возможны два случая ограни­ченной растворимости компонентов в твердом состоянии: с образованием эвтектики (рис. 13.2) и с образовани­ем перитектики. Процесс сваривания в обоих случаях протекает аналогич­но, поэтому ограничимся рассмотре­нием только первого случая.

Как только температура сварки достигнет эвтектической, в зонах, расположенных непосредственно на границе, появится жидкая фаза - эв­тектика. При дальнейшем повышении температуры количество жидкой фа­зы будет увеличиваться и состав ее изменяться, как это следует из диа­граммы (см. рис. 13.2).

Рис. 13.2. Диаграмма и схема

структур двух свариваемых

материалов, образующих

ограниченную область

твердых растворов

При медленном охлаждении сварного соединения начнется кристал­лизация сплава и распределение его компонентов в сварном шве: у гра­ницы материала А будет слой предельного твердого раствора материала Б в А (a), а у границы материала Б - слой предельного твердого раствора материала А в Б (b). Между этими слоями расположится слой эвтектики (a + b). При металлографическом исследовании такого шва можно обна­ружить между основными материалами А и Б полоску эвтектики. Свой­ства такого сварного соединения определяются свойствами твердых рас­творов и эвтектики.

Типичным представителем твердых растворов с ограниченной рас­творимостью является система железо-медь.

488 ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

Сваривание меди с цинком. Граница свариваемости в этой системе про­является очень резко. Переходные слои, как правило, не заметны, поскольку они очень узкие. Способность меди хорошо свариваться с цинком использу­ется при оцинковывании медной проволоки вместо покрытия оловом.

Сваривание свинца с другими металлами. Свинец может свариваться с железом, медью, цинком и никелем. Во всех случаях сваривание произ­водилось с расплавлением свинца; качество соединения вполне удовле­творительное, граница очень извилиста. При большом увеличении места соединения свинец-никель обычно достаточно ясно видны переходные слои, которые, однако, вследствие условий сваривания разорваны и час­тично перемешаны; при спокойном сваривании они образовали бы от­дельные полосы в соответствии с диаграммами состояния.

Свариваемые металлы образуют химическое соединение. В этом случае сваривание усложняется присутствием нового вещества.

Пусть свариваемые материалы обра­зуют сплавы, диаграмма состояния кото­рых изображена на рис. 13.3. В этом слу­чае в сварном шве будут твердые раство­ры a и b, химическое соединение у и эв­тектики a + g и b + g. Если сваривание происходит с расплав плавлением, а ох­лаждение достаточно медленное, все эти компоненты будут расположены отдель­ными слоями, как это схематично пред­ставлено на том же рисунке. При метал­лографическом исследовании между ос­новными материалами А и Б обнаружива­ется эвтектики a + g со стороны материа­ла А и b + g со стороны материала Б, а посредине полоска химического соединения g.

Рис. 13.3. Диаграмма и схема структур двух свариваемых материалов, образующих химическое соединение

. Свойства сварного соединения будут определяться свойствами вновь образованных веществ и их взаимоотношениями.

На практике трудно встретить такие пары металлов, которые обра­зовывали бы только химическое соединение. В том или ином объеме бу­дут образовываться также твердые растворы и даже эвтектики. Ниже приведено несколько примеров сваривания, в которых образование хи­мических соединений имеет большое значение.

АНАЛИЗ ПРОЦЕССА СВАРИВАНИЯ

Сваривание никеля с алюминием. В соответствии с диаграммой состоя­ния при сваривании никеля с алюминием, кроме твердого раствора, должны образовываться следующие химические соединения: NiAl, NiAl₂, NiAl₃. При обычных условиях сваривания с расплавлением алюминия больше всего образуется NiAl3. Это соединение образует переходный слой между никелем и алюминием. Переходный слой обычно довольно заметен. При сваривании более спокойными методами (например, погружение никелевого цилиндра в расплавленный алюминий) переходные слои более заметны. Аналогично происходит и процесс сваривания железа с алюминием.

Сваривание железа с цинком. Вопрос о взаимодействии железа с цинком хорошо изучен в условиях цинкования, когда вследствие свари­вания цинка с железом на поверхности последнего образуется слой цин­ка. При взаимодействии расплавленного цинка с железом сначала обра­зуется слой FeZn₇ + Zn, а при дальнейшем повышении температуры - рез­ко ограниченный и хрупкий слой FeZn₃.

При сваривании обычным методом с расплавлением образующиеся слои перемешаны и выявляются в виде сплошной темной полосы. При цинковании в спокойных условиях слои проявляются достаточно ясно, определяя собой качество сварного соединения.

Сваривание металлов с оловом. Сваривание металлов с оловом хоро­шо изучено благодаря широкому применению покрытия оловом и оловян­ных припоев. Олово с медью образует кроме твердого раствора еще не­сколько химических соединений: Cu₄Sn, CU₃Sn, Cu₆Sn₅. Последнее соеди­нение образуется по перитектической реакции при 410 °С из соединения CU₃Sn с жидким оловом; следовательно, при более высокой температуре оно исчезает. При охлаждении эти три вида соединений располагаются слоями: непосредственно с медью соприкасается Cu₄Sn, а непосредственно с оловом – Cu₆Sn₅; слой Cu₃Sn занимает промежуточное положение. Гра­ница соприкасания олова с медью неровная, с внедрением меди в олово.

Сваривание олова с никелем и железом происходит аналогично.

Свариваемые металлы образуют эвтектическую смесь. Диаграм­ма состояния такой пары материалов изображена на рис. 13.4. Образова­ние сварного соединения в данном случае может произойти только за счет образования эвтектики. Поэтому процесс сваривания из-за отсутст­вия диффузии не может начаться при температуре ниже температуры плавления эвтектики. Иными словами, сваривание может происходить только в присутствии жидкой фазы, т.е. только с расплавлением и пере­мешиванием жидких расплавов А и Б.

490 ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

Рис. 13.4. Диаграмма и

схема структур двух

свариваемых металлов,

образующих эвтектическую смесь

Распределение компонентов по химическому составу схематически представлено на рис. 13.4. При метал­лографическом исследовании в среди­не шва обнаруживается полоска, состав которой изменяется от центра к краям шва.

К этой группе относятся пары ме­таллов: свинец-сурьма, медь-серебро, олово-свинец и др. Предельными слу­чаями соединений этого типа являются соединения: медь-бериллий, олово-алю­миний и др., когда температура плавления их эвтектики почти равна температуре плавления менее тугоплавкого компонен­та. Сварное соединение получается за счет образования промежуточного слоя эвтектики.

При разрыве сварного образца олово-алюминий разрушение проис­ходит вдоль границы сварки при средней прочности 70 МПа, т.е. проч­ность соединения оказалась выше прочности олова.

Получение сварного соединения посредством образования эвтектик имеет большое значение (метод "электродуговой сварки эвтектиками"). Сущность его заключается в том, что для сварки одного металла приме­няется электрод из другого металла, причем эти металлы могут образо­вать эвтектику. Основное преимущество такой сварки заключается в меньшем нагреве свариваемого металла.

Сваривание многокомпонентных материалов. Не все пары со­единяемых материалов в состоянии вступить между собой во взаимодей­ствие с образованием на границе соприкосновений твердого раствора, химического соединения или эвтектики. Может оказаться, что сваривае­мая пара материалов (например, металл-металлоид) обладает настолько различными свойствами, что между ними невозможно образование даже эвтектики. Однако и в этом случае можно обеспечить протекание процес­са сваривания, применяя промежуточный слой из третьего материала. Этот дополнительный материал подбирают так, что он может вступить в физико-химические отношения как с одним, так и с другим соединяемым материалом, или так, что он вступает в физико-химические отношения с одним материалом, а полученный продукт, в свою очередь, вступает в реакцию с другим соединяемым материалом.

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СВАРИВАЕМОСТИ

Применение промежуточного слоя беспредельно расширяет воз­можность получения сварного соединения из любых материалов. Поло­жительное действие промежуточного слоя может проявиться и в способ­ности его влиять на качество получаемого сварного соединения, напри­мер, за счет легирования соединяемых материалов в зоне шва.

Когда одна часть, представляющая многокомпонентный материал, сваривается с другой также многокомпонентной частью, сваривание представляет собой сложную сумму процессов, происходящих на грани­це соприкасания этих частей. Эти сложные явления складываются из бо­лее простых, обеспечивающих в конечном счете образование прочного соединения.

Для правильного анализа происходящих явлений необходимо преж­де всего установить число самостоятельных компонентов, их свойства и способность вступать во взаимоотношения друг с другом в условиях данного метода сваривания. Диаграммы состояний элементарных мате­риалов определяют характер и свойства вновь получаемых веществ. Диа­граммы состояний сплавов этих вновь образованных веществ между со­бой или с первичными веществами определяют следующие производные вещества, их свойства и т.д.

Такой последовательный анализ всех проходящих процессов - от простейших до более сложных, а также исходных и вновь образующихся веществ дает возможность совершенно точно установить, какие вещества должны получиться в конечном счете и какими свойствами будет обла­дать сварной шов.

13.2. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СВАРИВАЕМОСТИ

Для большинства свариваемых пар разнородных металлов или спла­вов характерны существенные различия в температуре плавления, плот­ности, коэффициентах теплофизических свойств, особенно в коэффици­ентах линейного расширения. Отличаются также и кристаллографиче­ские характеристики - тип решетки и ее параметры (табл. 13.1).

Для таких металлов, как титан, ниобий, тантал, молибден, дополни­тельные трудности возникают в связи с тем, что при нагреве эти металлы активно взаимодействуют с газами атмосферы. При поглощении газов резко ухудшаются свойства сварных соединений. В большинстве случаев при ограниченной взаимной растворимости для основных комбинаций свариваемых металлов чрезвычайно трудно избежать образования стой­ких интерметаллических фаз, обладающих высокой твердостью и хруп­костью (табл. 13.2).

492 ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

13.1. Физические и механические свойства некоторых сплавов, используемых при сварке разнородных металлов

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СВАРИВАЕМОСТИ

13.2. Основные варианты свариваемых пар разнородных металлов

494 ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

Так, в паре Fe-Al образуются соединения FeAl₃, Fe₂Al₅, Fe₂Al₇, FeAl, которые имеют микротвердость порядка 8000 ... 9000 HV. Наиболее хруп­кая фаза Fe2Al5. В паре Al-Ni при сварке сталей 18-8 и алюминия образу­ются интерметаллиды NiAl и Ni₃Al, обладающие большой хрупкостью.

Пластичность фазы NiAl может быть увеличена, например, нагревом и гомогенизацией фазы при температуре 1150 °С (48 ч) либо при темпе­ратуре 1315 °С (6 ч), а также за счет измельчения зерна этой фазы при добавке 0,5 % Мо.

В паре Fe-Ti образуются хрупкие фазы FeTi и Fe₂Ti, а в паре Ti-Al -хрупкие фазы TiAl и TiAl₃. Эти фазы представляют собой химические соединения и резко отличаются от соединяемых металлов по всем харак­теристикам. Например, фаза FeAl₃ обладает ромбической решеткой с па­раметрами а = 47,43 А ; b = 15,46 А ; с = 6,08 А, совершенно отличной от структуры Fe и А1.

Сварные соединения из взаимно растворимых сочетаний Ti + Nb, Ti + Та, используемые для изготовления высокотемпературных агрегатов, работающих в агрессивных средах, также могут обладать малой пластич­ностью из-за появления фаз Лавеса (С 14) и наличия остаточного B-Ti. Обычно для этих целей используются чистые металлы и сплавы: ОТ4 (Ti - 5 % А1 - 2 % Мп), 5ВМЦ (Nb - 5 % W - 2 % Мо - 1 % Zn) и ТВ 1-0 (Та- 10 % W). Электронно-микроскопические исследования соединения Ti + Nb показывают, что переходная зона состоит из зоны Р-твердого раствора Nb в Ti, зоны мелкоигольчатой структуры (a + b) Ti; фазы Ла­веса; зоны а-твердого раствора с плавным переходом в структуру сплава ОТ4. Причиной образования фазы Лавеса является совместное присутст­вие в зоне шва Мп и Zn. Это подтверждается исследованиями по сварке чистых металлов. Так, например, в соединении технического титана ВТ1 с монокристаллическим ниобием фаза Лавеса не обнаружена.

В связи с отмеченными особенностями и трудностями сварки разно­родных металлов и их сплавов успешно сварить удается отдельные пары металлов способами и приемами, при которых:

1) обеспечивается минимальное время контактирования соединяе­мых металлов в жидком состоянии, что уменьшает размеры прослоек хрупких интерметаллидов либо даже предотвращает их возникновение;

2) создается надежная защита металла при сварке плавлением от взаимодействия с окружающим воздухом;

3) предотвращается образование хрупких интерметаллидов подбо­ром промежуточных однородных или комбинированных из разных ме-

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СВАРИВАЕМОСТИ

таллов вставок, хорошо сваривающихся с каждым элементом пары, на­пример ванадия, тантала, ниобия, бронзы;

4) подавляется рост интерметаллических хрупких фаз легированием металла шва некоторыми компонентами. В ряде случаев подавить рост интерметаллических фаз удается легированием металла шва такими ком­понентами, как кремний, цинк, никель.

Процесс образования прочных связей в сварном соединении можно разбить на две стадии:

1) подготовительная стадия - сближение соединяемых металлов на расстояния, при которых может возникнуть межатомное взаимодействие, что достигается: а) в процессе смачивания твердой поверхности жидкой фазой; б) за счет совместной пластической деформации двух твердых веществ; в) за счет диффузионных процессов;

2) конечная стадия - образование прочного соединения, когда опре­деляющую роль играют квантовые процессы электронного взаимодейст­вия, приводящие к возникновению либо металлической связи (чистые металлы), либо ковалентной связи (металлы, химические соединения, оксиды).

Для первой фазы характерны физическое взаимодействие (стадия А) на рис. 13.5) и химическое взаимодействие (стадия В), длительность и условия протекания которых определяют прочность сварного соедине­ния, а также возможность появления химических соединений.

Рис. 13.5. Изменение прочности сварного соединения в процессе физического (А) и химического (Б) взаимодействия

контактирующих поверхностей и при дальнейшем контакте этих поверхностей (В):

I - процесс растворения; 2 - процесс образования химического соединения

496 ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

Протекание процессов электронного взаимодействия указанных ти­пов при контакте соединяемых элементов требует определенной энергии для активации поверхности. Эта энергия может быть тепловой (термиче­ская активация), механической (механическая активация) или радиаци­онной (радиационная активация).

При сварке плавлением разнородных металлов сближение атомов происходит в результате смачивания менее тугоплавким металлом и ак­тивации поверхности более тугоплавкого металла за счет тепловой энер­гии источника нагрева.

В случае соединения разнородных металлов из-за периода релакса­ции энергии процессы диффузии затруднены, и химическое взаимодейст­вие происходит с опозданием (замедлением или ретардацией).

Это замедление обусловлено тем, что на свободной поверхности твердого или жидкого металла атомы оказываются неуравновешенными из-за отсутствия связи (вакуум) или ослабления связи, вызванного дру­гими свойствами окружающей среды. Это приводит к повышению энер­гии поверхности слоя Е_п (рис. 13.6, а) по сравнению с энергией Е_о, необ­ходимой атому для перемещения внутри тела. Аналогичное явление воз­никает и при сварке разнородных металлов, когда из-за быстрого образо­вания физического контакта жидкого металла с твердым, более туго­плавким (стадия А), на границе фаз образуется пик межфазной энергии Е_r (рис. 13.6, б), так как переход атомной системы в новое состояние осуще­ствляется не мгновенно, а за некоторый конечный промежуток времени. Указанное явление и определяет период ретардации.

Если длительность контактирования жидкого и твердого металлов в разнородном соединении меньше периода ретардации (замедления),

Рис. 13.6. Изменение

потенциальной энергии

системы атомов:

а - у поверхности кристалла;

б - на границе твердой и жидкой фаз

в начальный период их контакта

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СВАРИВАЕМОСТИ

вполне возможно получение соединения разнородных металлов с огра­ниченной растворимостью без промежуточных хрупких прослоек.

При сварке пары Al + Ti, при взаимодействии жидкого алюминия с твердым нагретым титаном, период ретардации (при котором в соедине­нии отсутствуют хрупкие фазы) составит: 170 с, при температуре алюми­ния 700 °С, 9 с при температуре алюминия 800 °С, 1 с при 900 °С. Для пары Al + Fe при температуре 700 °С это время составит 4 с. Расчеты ос­ложняются отсутствием надежных данных о величине необходимой энергии активации поверхности для различных металлов.

Оптимальную длительность контактирования свариваемых материа­лов можно представить в виде 3 стадий:

I стадия - образование физического контакта, т.е. сближение атомов соединяемых веществ по всей контактной поверхности за счет пластиче­ской деформации или смачивания в случае сварки плавлением;

II стадия - активация контактных поверхностей (образование актив­ных центров, на которых происходит установление прочных химических связей);

III стадия - объемное взаимодействие (рост и слияние очагов взаи­модействия, гетеродиффузия и др.).

Практическое осуществление сварки без хрупких фаз во многих случаях затруднено тем, что в реальных сварных соединениях площади контакта велики и сам контакт происходит не по всей поверхности одно­временно. В результате этого, если исходить только из так называемого периода ретардации и стремления избежать хрупких фаз, можно полу­чить соединение с "разрывным" контактом, т.е. имеющим связи только в отдельных местах. Прочность такого соединения может быть совершенно неудовлетворительной. Поэтому в ряде случаев, особенно при крупнога­баритных деталях, приходится выбирать время контактирования, когда заведомо образуется плотный и равномерный слой интерметаллидов, осуществляющий достаточно надежную связь соединяемых металлов, но с пониженным уровнем прочности.

Наиболее тонкое регулирование нагрева более тугоплавкого металла свариваемой пары и степени нагрева легкоплавкого металла достигается только при использовании нагрева независимым источником: плазмен­ной струей и дугой косвенного действия (наплавкой независимой дугой).

Для осуществления быстрого и равномерного контакта свариваемых жидкого легкоплавкого металла и нагретого тугоплавкого металла важ­ное значение имеет состояние поверхности последнего. Невозможно по-

498 ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

лучить соединение, если поверхность тугоплавкого металла загрязнена, окислена и т.п. Предохраняет поверхность от окисления при нагреве, уменьшает энергию активации, улучшает смачиваемость и стабилизирует контакт между жидким легкоплавким металлом и нагретой поверхностью предварительное покрытие этой поверхности поверхностно активным слоем.

При сварке стали и алюминия могут быть применены покрытия: цинковое толщиной 30 ... 50 мкм, наносимое гальваническим путем либо горячим цинкованием; алюминиевое из чистого алюминия толщиной 0,1 ... 0,2 мм, наносимое актированием; комбинированное медно-цинко-вое; комбинированное никель-цинковое.

Важное значение для регулирования толщины соединительных про­слоек, имеющих в своем составе интерметаллиды, и регулирования прочности всего соединения имеет способ, связанный с легированием металла шва некоторыми элементами. Эффективность этого способа по­казана для сварных соединений из алюминиевых сплавов АМц и АМгб и оцинкованной стали.

Рис. 13.7. Влияние на прочность сварного соединения стали и алюминия:

а - толщины d-интерметаллидной прослойки;

б - угла a разделки кромки стальной детали;

в - толщины интерметаллидной прослойки и скорости сварки

ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИКИ СВАРКИ 499

Так, при введении через присадочную проволоку легирующих эле­ментов толщина прослойки интерметаллидов в соединительном слое со­ставила: при 1 % Si 18 ... 20 мкм, при 4 ... 5 % Si 3 ... 5 мкм; при 1 % Си 28 ... 30 мкм, при 2,5 % Си 10 ... 12 мкм; введение 1 ... 3 % Ni не изме­нило толщину прослойки, которая составляла 16 ... 22 мкм; при 2 % Zn 28 ... 30 мкм, при 7 % Zn 10 ... 12 мкм; при дальнейшем увеличении со­держания цинка толщина прослойки растет, а ее прочность резко падает. Зависимость прочности сварного соединения от толщины интерметалли­ческой прослойки показана на рис. 13.7.

Практически регулировать длительность нагрева и контактирования свариваемых металлов можно смещением источника теплоты на один из элементов, обычно легкоплавкий, применением теплоотводов и т.п.

С точки зрения надежной защиты металлов от действия окружаю­щего воздуха наиболее универсальным для многих металлов оказался способ аргонодуговой сварки, но для таких металлов, как титан, ниобий, тантал, молибден, наилучшие условия обеспечивает сварка в вакууме электронным лучом.

13.3. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИКИ СВАРКИ

Сварка стали с алюминием, медью, титаном и их сплавами

Сварка стали с алюминием и его сплавами. Процесс затруднен фи­зико-химическими свойствами алюминия. Выполняется в основном арго-нодуговая сварка вольфрамовым электродом. Подготовка стальной дета­ли под сварку предусматривает для стыкового соединения двусторонний скос кромок с углом 70°, так как при таком угле скоса прочность соеди­нения достигает максимального значения (см. рис. 13.7, б). Свариваемые кромки тщательно очищают механическим или пескоструйным способом или химическим травлением, затем на них наносят активирующее покры­тие. Недопустимо применение дробеструйной очистки, так как при этом на поверхности металла остаются оксидные включения. Наиболее деше­вое покрытие - цинковое, наносимое после механической обработки.

Процессу гальванического и горячего цинкования должны предше­ствовать обезжиривание детали, промывка и сушка, травление в растворе серной кислоты с последующей промывкой и сушкой. При горячем цинковании, перед опусканием детали в цинковую ванну, имеющую тем­пературу 470 ... 520 "С, необходимо флюсование детали в насыщенном

17*

500 ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

растворе флюса. Простейший флюс состоит из двух компонентов: 50 % KF + 50 % КС1. Совершенно недопустимо нанесение цинкового или алюминиевого покрытия по методу шоопирования, так как при этом час­тицы покрытия успевают окислиться и удовлетворительно сварить алю­миний со сталью не удается.

При гальваническом нанесении покрытия слой цинка должен дости­гать 30 ... 40 мкм, при горячем цинковании 60 ... 90 мкм. В последнем случае значительно облегчается процесс нанесения слоев алюминия, осо­бенно на мелких деталях. Для сталей аустенитных (12Х18Н9Т и т.п.) али-тирование возможно после механической очистки без применения флю­са. Оптимальный (по прочности соединения) режим алитирования - тем­пература алюминиевой ванны 750 ... 800 °С. Время выдержки при алити-ровании - до 5 мин (в зависимости от размеров детали). Возможно также алитирование стальных деталей с применением токов высокой частоты.

Технология сварки предусматривает использование стандартных сварочных установок типа УДГ-300 с применением лантанированных вольфрамовых электродов диаметром 2 ... 5 мм и аргона высшего и пер­вого сортов.

Особенностью сварки алюминия со сталью по сравнению с обыч­ным процессом аргонодуговой сварки алюминиевых сплавов является расположение дуги: в начале наплавки первого шва - на присадочном прутке, а в процессе сварки - на присадочном прутке и образующемся валике (рис. 13.8, а), так как при длительном воздействии теплоты дуги на поверхность стали происходит преждевременное выгорание покрытия, что препятствует дальнейшему процессу сварки. После появления на­чальной части валика дугу нужно зажигать вновь (после перерыва) на алюминиевом валике. При сварке встык дугу ведут по кромке алюминие­вой детали, а присадку - по кромке стальной детали таким образом, что жидкий алюминий натекает на поверхность стали, покрытой цинком или алитированной (рис. 13.8, б).

При толщине свариваемого металла до 3 мм сила сварочного тока НО ... 130 А, при толщине стали 6 ... 8 мм 130 ... 160 А, при толщине 9 ... 10 мм 180 ... 200 А; только в этом случае обеспечивается достаточный разогрев деталей и образование необходимой соединительной прослойки.

В качестве присадочного материала применяется проволока марки АД1 (чистый алюминий с небольшой присадкой кремния, благоприятно влияющего на формирование стабильного качества диффузионной про­слойки). Присадку из сплава АМгб применять не следует, так как в этом

ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИКИ СВАРКИ

Рис. 13.8. Техника аргонодуговой наплавки алюминия на сталь:

а - ведение дуги при аргонодуговой наплавке;

б - то же, при сварке встык;

в - д - последовательность наложения валиков

в зависимости от типа соединения

случае в формировании интерметаллидного слоя принимает участие маг­ний, снижающий прочность соединения. По-видимому, наличие атомов магния вместо атомов алюминия в кристаллической решетке одной из фаз обусловливает наличие слабых связей - магний практически нерастворим в железе. Магний резко ускоряет рост прослойки из хрупких интерметалли-дов, интенсифицирует развитие процессов реактивной диффузии.

В зависимости от типа соединения при сварке необходимо соблю­дать последовательность наложения валиков шва 1-12, показанную на рис. 13.8, в, г и д, обеспечивающую необходимое перекрытие. Чередова­ние валиков с лицевой и обратной стороны предотвращает перегрев стальной детали и преждевременное выгорание цинка с ее поверхности.

Важное значение имеет правильный выбор скорости сварки, так как она определяет время взаимодействия жидкого алюминия со сталью, т.е. определяет толщину и стабильность интерметаллидной прослойки (см. рис. 13.7, в). Для первых слоев скорость сварки назначают 7 ... 10 м/ч, для последующих (когда сталь достаточно разогрета) - 12 ... 15 м/ч. При рассмотренных условиях сварки предел прочности соединения при раз­рыве соответствует прочности технического алюминия (100 МПа).

502 ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

Повысить прочность соединения можно увеличением рабочего се­чения шва либо применением комбинированных покрытий. Получаю­щиеся сварные соединения пригодны для восприятия статической на­грузки и имеют высокий предел выносливости при действии знакопере­менной изгибающей нагрузки (рис. 13.9). Предел выносливости образцов при базе 10⁷ циклов равен 50 ... 60 МПа, т.е. на уровне, обычном для сплава АМгб. Разрушение образцов, как правило, происходит на сплаве АМгб у внешнего концентратора. Только при высоких напряжениях от­дельные образцы разрушаются по шву. Сварные соединения имеют вы­сокую плотность при гидравлических, пневматических и вакуумных ис­пытаниях, а также высокие коррозионные свойства в морской воде при наличии на их поверхности лакокрасочных покрытий.

Применение комбинированных покрытий стали - медно-цинкового и никель-цинкового повышает прочностные свойства сварного соедине­ния. В этом случае наносят слой меди или никеля толщиной 4 ... 5 мкм и

Рис. 13.9. Результаты усталостных испытаний сварных соединений из сплава АМгб и стали

ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИКИ СВАРКИ 503

второй слой цинка толщиной 30 ... 40 мкм. Соединительная прослойка интерметаллидов сложного состава получается несколько меньшей тол­щины и твердости. Предел прочности сварного соединения (при наличии выпуклости шва) 140 ... 223 МПа.

При сварке высоколегированной стали типа 18-8 с алюминием, если на стали имеется только цинковое покрытие толщиной 50 мкм, достига­ется предел прочности соединения 213 ... 287 МПа. Если же по подслою цинка толщиной 25 ... 30 мкм производят алитирование по указанной ранее технологии, достигается прочность соединения 295 ... 328 МПа.

В конструкциях криогенной техники применяется много трубопро­водов малого диаметра из алюминиевых сплавов и стали 12Х18Н10Т. Для изготовления трубопроводов необходимы биметаллические переход­ники из этих металлов. Получают переходники сваркой плавлением алю­миния с предварительно алитированной сталью. Однако этот способ име­ет свои недостатки: трудоемкость процесса, вредные условия труда при алитировании, недостаточная надежность в эксплуатации.

Более перспективным является способ стыковой сварки оплавлением дугой низкого давления тонкостенных труб из разнородных металлов. Пре­имущество этого способа заключается в том, что сварку осуществляют в вакуумной камере в среде инертного газа. В процессе сварки расплавляется лишь один из соединяемых металлов - алюминий. Оксиды с торцов соеди­няемых поверхностей удаляются непосредственно перед сваркой методом катодной очистки. Кроме того, перед сваркой в процессе кратковременного нагрева свариваемые детали не контактируют друг с другом, что позволяет нагревать торцы деталей до любых (в том числе различных) необходимых для сварки температур, не опасаясь процессов взаимодействия.

Соединения формируются в процессе осадки, при которой из зоны соединения выдавливается расплавленный металл, что приводит к быст­рому снижению температуры в месте контакта. Длительность сварки не превышает десятых долей секунды.

В табл. 13.3 представлены режимы сварки трубы из стали 12Х18Н10Т Æ 10 мм с толщиной стенки 1 мм с трубами из алюминия АД1 Æ 12 мм с толщиной стенки 2 мм.

Методами металлографии установлено, что независимо от режима сварки сварные соединения отличаются хорошей плотностью, на границе алюминия со сталью не наблюдали пор, трещин, рыхлот.

На образцах, сваренных на мягком режиме, граница неровная из-за подплавления стали при сварке. В переходной зоне вдоль всей линии

504 ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

13.3. Параметры процесса сварки соединений труб из стали 12Х18Н10Т с трубами из алюминия АД1

Режим	Подогрев	Сварка
ток, А	длитель­ность им­пульса <26272829303132> Дата добавления: 2016-11-29; просмотров: 2889;  Поиск по сайту Узнать еще II. Сварка металлов II. Смазочные масла и пасты, употребляемые при обработке металлов IV. Травление металлов. VI. Гравирование металлов VII. Окрашивание металлов Аморфное состояние металлов Атомно-кристаллическое строение металлов. В скобках указаны данные для металлов, полученных из вторичного сырья (лома). Публикации по технике и механике Публикации по биологии Публикации по информатике Публикации по строительству Публикации по физике Публикации по химии Публикации по электронике Публикации по искусству Публикации по истории Публикации по медицине Публикации по педагогике Разделы публикаций Poznayka.org - Познайка.Орг - 2016-2024 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей. Генерация страницы за: 0.058 сек.