МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ И ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ

Композиционные материалы (КМ). Самым распространенным композитным материалом является железобетон, широко используемый в строительстве. В нем металлические стержни являются армирующими наполнителями, а бетон связующим компонентом - матрицей. В машино­строении используются композиционные материалы, в которых связую­щими компонентами являются металлы (МКМ), керамика (ККМ), поли­меры (ПКМ). В данном разделе рассмотрены вопросы сварки МКМ. В качестве наполнителей в металлических композитах используют: спла­вы алюминия, магния, меди, никеля, титана и т.д. В качестве армирую­щих материалов - высокопрочные материалы: углеродные, борные, кар-бидокремниевые волокна, нитевидные кристаллы, металлическую прово­локу. Армирующие материалы в композитах находятся в виде частиц различной дисперсности (дисперсионно-упрочненные ДУКМ), волокон длинной или короткой резки или слоев (рис. 15.1).

КМ, армированные нитевидными кристаллами, по своим свойствам находятся между композитами, упрочненными длинными волокнами и порошком. МКМ позволяют получать герметичные и высокопрочные сварные соединения при различных комбинациях сплавов, экономить дефицитные и дорогостоящие металлы, существенно упрощать конст­рукции ответственных узлов, повышать надежность и долговечность ра­боты изделий. Эти материалы обладают комплексом совершенно новых (по сравнению с металлами и сплавами) характеристик. Использование

Рис 15.1. Схема композиционных материалов. Армирующий материал в виде:

а - частиц; б - волокон; в - слоев

548 ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 549

композиционных материалов позволяет повысить прочность, жесткость, сопротивление ударным нагрузкам, снизить массу конструкций, дает возможность регулировать в широких пределах тепло- и электропровод­ность, магнитные, ядерные и другие свойства.

Изготовление деталей из МКМ проводится по двум схемам. При пер­вой схеме совмещается изготовление КМ и формирование детали. При второй схеме вначале с помощью прокатки, прессования, диффузионной сварки и т.д. получают полуфабрикаты (листы, профили, трубы и т.п.), из которых изготовляются детали. Например, подобным образом изготов­ляют детали из МКМ, армированных непрерывными волокнами (из бор-алюминия и углеалюминия с матрицей из алюминиевого сплава или без­зольного клея). Волокна могут собираться в жгуты, составляющие основу, которые переплетаются поперечными жгутами из того же или другого ма­териала (проволока и др.). Матрица наносится пропиткой, плазменным напылением и другими способами. Полученные монослойные полуфабри­каты соединяются в блоки различными способами, в том числе и сваркой.

При производстве теплообменников широко используется слоистая композиция из слоев высокотеплопроводного алюминия и низкотепло­проводного многокомпонентного сплава оксидов свинца, бора цинка и т.д., являющихся соединительной, силовой и теплоизолирующей компо­нентой. В результате теплопроводность вдоль алюминиевых слоев со­хранена, а в ортогональном направлении уменьшена в десятки раз.

Для сварки композитных материалов применяются лучевые способы (электронно-лучевая и лазерная сварка) и дуговая сварка плавящимся и неплавящимся электродом в среде аргона или гелия. Основные трудности сварки этих материалов связаны с различными теплофизическими свой­ствами наполнителя и матрицы. При воз­действии источника тепла в большинстве случаев в первую очередь плавится металл матрицы, как имеющий более низкую температуру плавления. Наполнитель может расплавиться частично (рис. 15.2).

При лучевых способах сварки в верхней части шва армирующий ма­териал полностью расплавляется. Значительные изменения свойств ком­позита происходят при дуговой сварке в зоне термического влияния. Из­менения в шве и зоне термического влияния неблагоприятно сказывают­ся на свойствах сварного соединения.

Рис. 15.2. Схема образования сварного соединения

При сварке плавлением требуется расплавляемый элемент (присадоч­ная вставка), а в некоторых случаях и присадочная проволока (рис. 15.3), материалом которых заполняются зазоры стыка. Расплавляемый элемент может быть прямоугольной, тавровой или двутавровой формы (рис. 15.4).

Сварку композитов дугой выполняют в среде аргона или смеси ар­гона с гелием с минимальным тепловложением. При использовании вольфрамового электрода рекомендуется применять импульсный режим сварки, что позволяет регулировать длительность воздействия дуги на металл сварочной ванны, т.е. температурный режим плавления основного и присадочного материалов. Опасность расплавления армирующих воло­кон устраняется увеличением длительности пауз. Этот способ рекомен­дуется для композиционных материалов с термодинамическими совмес­тимыми компонентами (Cu-W, Cu-Mo, Sb-W) или армированных термо­стойкими наполнителями, например, волокнами карбида кремния, бора

Рис. 15.3. Схема сварки композита с присадочным расплавляемым элементом и присадочной проволокой:

/ - свариваемые заготовки; 2 - прижимы; 3 - формирующая подкладка; 4 - присадочная вставка; 5 - присадочная проволока; б - горелка

Рис. 15.4. Формы расплавляющихся присадочных вставок

550 ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

(покрытиями карбида бора или кремния). В качестве присадочного мате­риала используют проволоки или прутки с объемным содержанием арми­рующей фазы 15 ... 20 %. При сварке соединения образуются в основном по металлической матрице. Более благоприятными свойствами обладают сварные соединения при сварке вдоль армирования.

Сложной является проблема сварки композиционных материалов системы алюминий - бор между собой и с алюминиевыми сплавами типа Д16Т; 1420. Объемное содержание нитей бора в этих материалах 30 ... 55 %, толщина 0,8 ... 2,0 мм, условный плакирующий слой 50 ... 200 мкм. Подготовку поверхности под сварку производят только химическим пу­тем, включая операции травления, осветления и пассивирования. Наи­лучшие результаты достигаются при сварке вращающимся вольфрамо­вым электродом, на переменном токе в смеси аргона и гелия (20:80) при использовании технологических проставок из алюминиевых сплавов типа АМг, 1420, 1201.

При электронно-лучевой и лазерной сварке малая протяженность зоны термического влияния позволяет получать сварные соединения с более высокими свойствами, чем при дуговой сварке.

При сварке алюминиевых композиционных материалов, армирован­ных борными и стальными волокнами, возникают две проблемы. Первая -это трудность образования сварного соединения без повреждения воло­кон и снижения их прочности при расплавлении алюминиевой матрицы. Прямое воздействие источника нагрева (дуги, луча при ЭЛС) приводит к разрушению и плавлению волокон. Второе - это то, что наличие волокон изменяет перемещение теплоты в сварочной ванне и затрудняет переме­щение в ней расплавленного металла. Основными дефектами швов явля­ются пористость, несплавление, повреждение волокон. Устранению де­фектов при аргонодуговой и электронно-лучевой сварке способствует применение импульсных режимов и использование тавровых и двутавро­вых проставок из матричного алюминиевого сплава между свариваемыми кромками. Этим способом можно изготовлять элементы конструкций типа балок, труб и т.п.

Пористые материалы на металлической основе могут быть по­рошковыми (ППМ) и сетчатыми (ПСМ) на основе коррозионно-стойких сталей. Получают их холодным прессованием или прокаткой с после­дующим спеканием в контролируемой газовой среде. Их свойства опре­деляются химическим составом, способом изготовления и величиной образующейся пористости. Основное назначение - фильтроэлементы, смесители, глушители шума и т.д.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Образующаяся при сварке литая структура шва значительно отлича­ется по свойствам от структуры основного металла. Основным дефектом при сварке (особенно ППМ) материалов является пористость. При сварке ПСМ ввиду низкой теплопроводности по толщине возможно образование прожогов и подрезов у линии сплавления. Сварку осуществляют вольф­рамовым электродом в среде аргона с присадочной проволокой (для ППМ - Св-04Х19Н9, а ПСМ - металла, аналогичного сетке). Возможна электронно-лучевая и лазерная сварка.

Контрольные вопросы

1. Структура композиционных материалов.

2. Производство изделий из композиционных материалов.

3. Сложности при сварке изделий из композиционных материалов.

4. Способы и техника сварки композиционных материалов.

5. Способы получения пористых материалов.

6. Способы и техника сварки пористых материалов.

Глава 16