СВАРКА разнородных металлов и сплавов

ПОЛУЧЕНИЕ ТРУБЧАТЫХ ПЕРЕХОДНИКОВ ИЗ МЕТАЛЛОВ РАЗЛИЧНЫХ СОЧЕТАНИЙ

Сварные соединения труб или оболочек из разнородных метал­лов — один из распространенных узлов^в^ современных конструк­циях, в которых к ним, как правило, предъявляются весьма высокие требования по работоспособности.

Соединение труб из разнородных металлов осуществляют сваркой давлением (взрывом, совместным прессованием, трением, диффу­зионной, магнитно-импульсной), а также дуговой (плавящимся и неплавящимся электродом в среде защитных газов, под флюсом), электронно-лучевой. Применяют и комбинированные методы, на­пример с помощью биметаллических переходников, предварительно полученных прокаткой, штамповкой. Требования к трубопроводам самые разнообразные: работа при низких и высоких температурах, вакуумная плотность, повышенное давление, вибрационные и удар­ные нагрузки, коррозионная стойкость и др. Различным аспектам расчета, изготовления и эксплуатации разнородных труб посвящена работа [160].

На рис. 80 приведены обобщенные сведения о наиболее характер­ных металлах и применяемых дополнительных элементах (прослой­ках, вставках, переходниках) в соединениях труб из разнородных металлов [160]. Наиболее часто в промышленности встречаются соединения типа А, а также соединения с одним или двумя дополни­тельными элементами (типа Б и В), диаметром 10—300 мм с тол­щиной стенки 0,5—20 мм.

Наметившаяся в последнее время тенденция сварки разнородных металлов с помощью переходников заслуживает серьезного внима­ния. При использовании переходников сварщику приходится свари­вать только однородные материалы, так как разнородные уже за-

А

Б

В

Г

Д

благовременно соединены в переходнике. Преимущество этого спо­соба особенно проявляется при монтаже конструкций. Важно то, что переходник изготовляют в цеховых условиях отдельно от кон­струкции, поэтому можно выполнить его качественно с применением новых способов сварки, использование которых в монтажных усло­виях затруднено, проконтролировать соединение на наличие дефек­тов, подвергнуть термической и механической обработке, испытаниям И т. д.

Соединительные переходники могут быть получены различными способами сварки давлением — прессованием, трением, диффузион­ной и др.

В работе [107] исследовали возможности применения тепло­прессовой сварки для получения биметаллических переходников

Рис. 81. Схема теплопрессовой сварки:

1 — стол пресса; 2 — пресс-форма; 3 — заготовка из бронзы; 4 — заготовка из стали; 5 — приспособление для сварки; 6 — ползун

сталь — бронза (рис. 81). Внутренняя деталь из­готовлена из стали ЗОХГСА в закаленном состоя­нии, наружная — из бронзы БрОФ7-02, облада­ющей высокими антикоррозионными, антифрик­ционными и механическими свойствами при нор­мальной и повышенных температурах. Заготовку из бронзы в виде цилиндра нагревали до задан­ной температуры в электропечи и устанавливали на стол пресса. Стальная заготовка состояла из рабочей части в виде усеченного конуса с а =

— 25°, высотой 20 мм и основания диаметром 10 мм и цилиндрического хвостовика диаметром 20 мм и высотой 15 мм. Согласно эксплуатаци­онным требованиям стальную заготовку подвергали термообработке до ав = 1200 ± 100 МПа. Стальную заготовку закрепляли на пуансоне и впрессовывали в бронзовую заготовку при усилии 60 кН. Охлаждение соединения происходило на воздухе.

Механическими испытаниями на разрыв установлено, что опти­мальной температурой нагрева (с точки зрения получения макси­мальной прочности соединения) является 800 °С. Дальнейшее по­вышение температуры нагрева бронзовой заготовки приводило к вы­жиманию ее из пресс-формы и растрескиванию.

Металлографическими исследованиями в зоне соединения бронзы со сталью обнаружена окисная пленка, снижающая прочность. Для предотвращения попадания окислов на поверхность торец бронзовой заготовки никелировали. Применение прослойки никеля при сварке железа с медью и их сплавами оказалось весьма эффективным. Со­гласно диаграмме состояния Fe — Ni — Си никель значительно увеличивает растворимость железа в меди и меди в железе. При температуре 750—800 °С в контакте железа с никелем образуется прослойка эвтектоидного типа, состоящая из смеси твердых раство­ров меди в железе и никеля с железом в меди. В результате металло­графических исследований образцов из стали ЗОХГСА и бронзы, выполненных теплопрессовой сваркой через прослойку никеля толщиной 10 мкм, нанесенную гальваническим способом, окисных пленок не обнаружено. Прочность соединения при этом увеличилась в 2,5 раза.

На основе проведенных исследований разработан технологиче­ский процесс и проведена теплопрессовая сварка кронштейнов из закаленной стали ЗОХГСА с бронзой БрОФ7-02. Коническую по­верхность кронштейнов и рабочий торец бронзовых заготовок по­крывали гальванически никелем. Бронзовую заготовку, помещен­ную в пресс-форму, нагревали в электропечи в течение 140 мин до 800 °С. Сварку осуществляли на прессе при усилии 240 кН. Ре­зультаты испытаний показали, что суммарный максимальный износ бронзы после 200 циклов нагружения практически остается неизмен-

Рис. 82. Биметаллическая кулачковая втулка:

1 — корпус втулки; 2 — наплавленный слой цветного сплава

ным и составляет не более 0,10 мм, а после 400 циклов — 0,11 мм. Отслоения бронзового слоя от стальной основы во время испытаний не наблюдалось. Темпе­ратура трущихся поверхностей повыша­лась незначительно.

Для получения переходников широко используют сварку трением [140]. Этим способом изготовляют как сплошные за­готовки, из которых затем механическим путем получают переходники необходи­мой конструкции, так и трубчатые пере­ходники. Для работы переходников при низких температурах це­лесообразно торцы стальной заготовки обрабатывать на конус.

Оригинальный способ наплавки трением предложен в работах [3, 63]. При изготовлении биметаллических деталей значительна снижается расход цветного металла и трудоемкость. При наплавке по этому методу один из соединяемых металлов (основной) в течение всего процесса остается в твердом состоянии, а другой (наносимый) расплавляется, т. е. соединение двух металлов происходит в твердо­жидком состоянии.

Для изготовления биметаллических заготовок для кулачковых втулок (рис. 82) методом наплавки трением разработана установка ВНТ-5 [3]. Процесс изготовления биметаллической заготовки за­ключается в следующем. Стальную заготовку устанавливают в за­жимном приспособлении, в подготовленное отверстие засыпают необходимое количество стружки цветного сплава, стружку пред­варительно уплотняют, поднимая стол до определенного положения. После этого осуществляют вращательное движение рабочего инстру­мента (пуансона) и медленный подъем стола для создания необходи­мого давления пуансона на брикет стружки. Режим наплавки (ча­стота вращения пуансона, рабочее давление, продолжительность процесса) определяют экспериментально. По достижении столом крайнего верхнего положения, что соответствует окончанию процесса наплавки, стол опускают, не прекращая вращения шпинделя, в ре­зультате чего пуансон выходит из биметаллической заготовки. Затем прекращают вращение шпинделя. Заготовку извлекают из зажимного приспособления. Заводские испытания биметаллических кулачковых втулок показали их высокие механические свойства.

Разработаны [106] способы изготовления из разнородных мате­риалов качественных переходников, в том числе и крупногаба­ритных.

Способ, основанный на использовании электрошлакового пере­плава. По этому способу переходники в виде трубы, стержня, листа изготовляют горячей (прошивкой, прессованием, высадкой, ковкой, прокаткой) или холодной (сверлением, точением, строганием) обра-

боткой специальных слитков-заготовок, выполненных из разно­родных металлов А и Б, подлежащих сварке. Слитки-заготовки изготовляют электрошлаковым переплавом в водоохлаждаемую из­ложницу составного расходуемого электрода из разнородных метал­лических материалов Л и Б. Эти слитки-заготовки в зависимости от формы переходников могут иметь круглое, квадратное или прямо­угольное сечение, а также форму гильзы (рис. 83, а).

Подбирая длину и сечение составного расходуемого электрода* удается предотвратить образование хрупких прослоек в зоне спла­вления разнородных металлов. Способ позволяет получать переход­ники с плавным переходом от одного металла к другому. Благодаря этому в них отсутствует сильно выраженная структурная неоднород­ность, а напряженное состояние в соединении заметно ослаблено.

Способ, основанный на применении автовакуумной сварки дав­лением. В этом способе используется явление самопроизвольной очистки свариваемых поверхностей от окислов и адсорбированных газов при нагреве их до высоких температур без доступа воздуха. При изготовлении переходников по этому способу заготовки ив разнородных металлов накладывают друг на друга кромками, под­лежащими сварке. Чтобы исключить доступ воздуха в зазор между свариваемыми кромками, заготовки обваривают по контуру (рис. 83, б).

Последующий нагрев до высокой температуры и необходимое давление, способное вызвать пластическую деформацию металла* обеспечивают качественную сварку разнородных металлов по всей поверхности их контакта. Переходники по этому способу можно изготовлять прессованием, осадкой, прошивкой, прокаткой* экстру­зией ит. п. в виде стержня, трубы, листа (полосы).

Введение между свариваемыми поверхностями специальной не - расплавляемой вставки позволяет в ряде случаев предотвратить или заметно ослабить структурную неоднородность на границе кон­такта разнородных металлов. Например, в переходниках из аусте - нитной 12Х18Н10Т и неаустенитной 20Х2М стали использование jb качестве такой вставки тонкого слоя никеля заметно тормозит диффузию углерода из неаустенитной стали в аустенитную. Важное преимущество таких переходников — возможность сварки разно­родных металлов по очень развитой поверхности, благодаря чему удается в несколько раз увеличить расчетное сечение соединения, я в ряде случаев снизить в нем напряжения. Переходники могут иметь различные размеры и формы.

Способ, основанный на применении прессовой сварки-пайки. По этому способу сварка производится в вакууме, а между сварива­емыми кромками помещают тонкий слой расплавляемого в процессе сварки припоя. Сварочный зазор в этом случае не обваривают. Еще в процессе сварки при последующей термообработке припой может частично или полностью раствориться. Этот способ целесообразно применять преимущественно для изготовления переходников не­больших размеров.

За последние годы широкое распространение получил способ соединения разнородных металлов путем их совместной пластиче­ской деформации — прокатка биметаллов. Биметаллы являются самостоятельной группой промышленных материалов, позволяющих сочетать наиболее ценные свойства металлов, из которых они со­стоят (высокую пластичность с высокой сопротивляемостью действию агрессивных сред, высокую прочность с хорошей электропроводи­мостью и т. д.).

Прокатка биметаллов — одно из весьма перспективных направле­ний получения композитных материалов. Применение биметаллов позволяет соединять металлы с крайне ограниченной раствори­мостью, такие, как титан со сталью, алюминий с медью и многие другие. Переходники могут быть кольцевыми плоскими со стыковым соединением, вырезанными из биметаллического листа; трубчатыми с нахлесточным соединением, полученными штамповкой из листо­вого биметалла (для трубопроводов диаметром более 40 мм); трубча­тыми (обечайки) с продольным швом.

В работе [54] приведены результаты экспериментального иссле­дования прочности биметаллического соединения тонкостенных ци­линдров при двух видах механического нагружения в условиях повышенной, нормальной и низкой температур. Рассмотрен также вопрос о влиянии режима термообработки на прочностные характе­ристики сварного соединения.

Исследования проводили на образцах с наружным диаметром 25 мм и толщиной стенки 2 мм. Форма образца для испытаний и его основные размеры приведены на рис. 84.

Разнородные металлы (бронзу БрАФ9-4 со сталью 12Х18Н10Т) соединяли сваркой трением. Известно, что качество сварных соеди­нений, выполненных сваркой давлением, в том числе и сваркой

Рис. 84. Образец для испытаний:

1— бронза; 2 сталь

трением, определяется температу­рой и степенью пластической де­формации контактных поверхно­стей [69 ]. Бронзу со сталью соеди­няли при температуре —1000 °С в течение 13 с. Такая продолжитель­ность процесса объясняется тем, что БрАЖ9-4 обладает достаточна высоким сопротивлением пластической деформации (а0>2 = 300 МПа). Результаты испытаний сварных соединений бронзы со сталью при растяжении после сварки в интервале температур от 300 до —196 °С представлены на рис. 85. Прочность биметаллического элемента в исследованном температурном диапазоне определялась свойствами менее прочного металла. Все испытанные образцы разрушались не по стыку, а по основному металлу — бронзе БрАЖ9-4.

Большинство сварных конструкций как из однородных, так; из разнородных металлов в процессе изготовления и эксплуатации подвергаются нагреву и охлаждению до различных температур. Представляло интерес исследовать прочностные характеристики указанных соединений после предварительного нагрева, поскольку исследуемые металлы резко отличаются по кристаллохимическим: свойствам. Кроме того, в составе бронзы БрАЖ9-4 присутствуют’ 10 % А1, а как известно, при нагреве алюминий практически со - всеми металлами образует интерметаллические соединения, что* при определенных температурно-временных условиях может при­вести к охрупчиванию соединения. С этой целью часть образцов после сварки подвергали нагреву до температуры 730 °С в течение 40 мин, а затем испытывали на растяжение при той же температуре. Времен­ное сопротивление термообработанных образцов оказалось на 100— 140 МПа ниже временного сопротивления образцов, не подвергнутых, нагреву. С понижением температуры это различие увеличивается* причем образцы после термообработки при всех температурах раз­рушались хрупко по сварному стыку.

Металлографический анализ сварных соединений бронзы БрАЖ9-4 со сталью 12Х18Н10Т показал, что образование зародышей в виде сплошной цепочки новой фазы происходит уже в процессе сварки. Последующие нагревы до температуры 730 °С резко увели­чивают ширину интерметаллического слоя при том же уровне твер-

Рис. 85. Зависимость временно­го сопротивления сварного сое­динения от температуры после сварки (/) и после нагрева до 730 °С (2) при растяжении (спло­шная линия) и внутреннем дав­лении (штриховая линия)

дости, что и в состоянии после сварки. Это, очевидно, существенно сказывается на прочности сварного соединения.

Прочность биметаллического образца зависит от вида нагруже­ния. В случае повышенных температур временное сопротивление при неравномерном двухосном растяжении ниже, чем при одно­осном, на 130 МПа. По мере снижения температуры эта разница уменьшается, а при температуре —196 °С временное сопротивление при одноосном растяжении на 50 МПа ниже временного сопротивле­ния при испытаниях внутренним давлением. Поскольку заготовки под сварку изготовляли из прутка диаметром 30 мм, то металл, оче­видно, обладал трансвер сальной анизотропией свойств, чем, веро­ятно, и объясняются разные значения временного сопротивления бронзы в продольном и тангенциальном направлениях при темпе­ратурах 20 и 300 °С.

Для большинства металлов с понижением температуры степень анизотропии уменьшается, т. е. происходит выравнивание механи­ческих свойств. По-видимому, к таким металлам относится и бронза БрАЖ9-4, в связи с чем при температуре —196 °С разрушение происходило при напряжениях больших, чем в случае одноосного растяжения. Испытания, проведенные при различных видах нагру­жения в диапазоне температур —196-f-+300 °С, показали, что свар­ные соединения бронзы со сталью, полученные сваркой трением, в указанных условиях практически равнопрочны с менее прочным металлом—бронзой.

Сварка плавлением разнородных труб. Соединение труб из разнородных металлов с применением вставки из третьего ме­талла рассмотрим на примере сварки плавлением титана со сталью [146].

При сварке плавлением титана и его сплавов с коррозионно - стойкими сталями с применением вставки из ванадия и его сплавов важным моментом является правильный выбор композиций сварива­емых материалов. При выборе стали необходимо учитывать характер взаимодействия ванадия с основными легирующими элементами стали {Ni, Cr) и высокую активность ванадия к карбидообразованию. Для сварки плавлением наиболее применимы стали типа 08Х15Н5Д2Т, 09Х16Н4Б и титановые сплавы ВТ1-0, ОТ4, ОТ4-1, ТС5, в качестве вставки — ванадиевые сплавы, легированные воль­фрамом или хромом [113].

Для подготовки поверхности перед сваркой применяют травление или механическую зачистку свариваемых кромок с последующей протиркой их ацетоном. Ванадиевый сплав применяют в отожженном состоянии. Отжиг производят в вакууме (0,0133 Па при нагреве и 0,665 Па при выдержке и охлаждении) при температуре 1050 °С и выдержке 1 ч. Подготовка кромок заготовок из металлов указан­ных сочетаний должна обеспечивать тщательную стыковку сварива­емых кромок по всей длине шва с минимальным зазором, который не должен превышать 0,1 мм. Сборка заготовок под сварку реко­мендуется с помощью зажимных приспособлений без прихваток. Условия защиты соединений при сварке титана и стали с ванадиевым

Рис* 86. Сопротивление усталости сты­ковых сварных соединений:

J 08Х15Н5Д2Т + V8W + ОТ4; 2 — 08Х18Н10Т + V8W + ОТ4

сплавом должны быть та­кими же, как и в случае сварки титановых и ванадие­вых сплавов.

Результаты испытания плоских стыковых сварных соединений толщиной 1 мм, выполненных автоматиче­ской аргонодуговой свар­кой, на выносливость при осевом растяжении по пульсирующему диклу с частотой 41,6 Гц при трех уровнях повторных напряжений {221,6 и 110 МПа) приведены на рис. 86. График построен в полу­логарифмических координатах о — N, где сг — максимальное напря­жение цикла; N — среднеарифметическое число циклов до разруше­ния. Сравнение результатов испытаний на одинаковой базе 106— 2-Ю7 циклов показывает, что усталостная прочность сварных соеди­нений 08Х15Н5Д2Т - f V8W + ОТ4 в 1,5—2 раза выше усталостной прочности сварных соединений 08Х18Н10Т -(-V8W _j_ ОТ4.

Сварка трубопровода выполнялась автоматом АСНК-5Т для арго­нодуговой сварки неповоротных стыков из титановых сплавов. Усталостные испытания трубопроводов проводили на базе 107 цик­лов при частоте колебаний 60—200 Гц. Усталостная прочность сварных трубопроводов из титанового сплава ОТ4 и стали 08Х15Н5Д2Т, выполненных с применением кольцевой вставки из сплава V8W (0 50 X 0,5 мм и 0 50 X 1 мм), составляла 250 МПа.

Конструктивную прочность сварных разнородных соединений коррозионно-стойкая сталь ванадиевый сплав V8W + титано­вый сплав ОТ4 определяли на сварных трубопроводах и емкостях. Трубы из сталей 08Х15Н5Д2Т и 08Х18Н10Т (0 35 X 1 мм и 0 50 X X 1 мм) и сплава ОТ4 сваривали ручной аргонодуговой сваркой в камере с защитной атмосферой с применением кольцевой вставки из сплава V8W. Герметизацию сварных элементов трубопроводов из стали и титана обеспечивали путем приварки донышек со шту­церами.

Цилиндрические сосуды из стали 08Х15Н5Д2Т +V8W ОТ4 диаметром 200 мм при толщине стенки 1 мм сваривали автомати­ческой аргонодуговой сваркой. При этом стальную и титановую обечайки изготовляли с одним продольным швом, выполненным автоматической аргонодуговой сваркой, а ванадиевое кольцо свари­вали электронно-лучевой сваркой. Сосуды герметизировали установкой заглушек на торцы цилиндров при испытании.

Для определения конструктивной прочности сварные изделия подвергали гидравлическим нагружениям до разрушения.

Конструктивную прочность рассчитывали по формуле

сгк = pDl(26 — 100),

Рис. 87. Сварные трубчатые соединения (08Х15Н5Д2Т - f V8W -{- ОТ4):

а — до испытания; б — испытания на сплющивание

где р — разрушающее давление, МПа; D — диаметр обечайки, мм; б — толщина стенки, мм.

Для сварных трубчатых элементов 08Х15Н5Д2Т - f-V8W + + ОТ4 (0 35 X 1 мм), 08Х18Н10Т + V8W + ОТ4 (0 50 X 1 мм), выполненных ручной аргонодуговой сваркой, соответственно ак = = 350 МПа и ак = 320—370 МПа; для сварных изделий 08Х15Н5Д2Т + V8W + ОТ4 (0 200 X 1 мм), выполненных автома­тической аргонодуговой сваркой, ак = 4804-600 МПа. Разрушение изделия при испытании происходило по продольному шву кольца из ванадиевого сплава V8W. Общую прочность обечаек оценивали по отношению конструктивной прочности (ак) к временному сопро­тивлению сварных соединений при' одноосном нагружении (сгв), определенному при испытании образцов-свидетелей. Сопоставле­ние временного сопротивления сварных соединений сталь 08Х15Н5Д2Т - J-V8W + ОТ4 при двухосном растяжении с времен­ным сопротивлением соединений при осевом растяжении показывает, что oJgb = 1,1 ч-1,4.

Плотность сварных швов изделий и трубчатых элементов 08Х15Н5Д2Т + V8W +ОТ4 и 08Х18Н10Т + V8W + ОТ4 оце­нивали гидравлическими испытаниями. Как правило, сварные швы были плотными. Для оценки пластичности сварные трубчатые образцы подвергали сплющиванию. После сплющивания до просвета, равного х/2 диаметра, в сварных швах трещин не наблюдалось (рис. 87).

Титановые сплавы с жаропрочными сталями и никелевыми спла­вами сваривали с помощью двух вставок из ванадия и низкоугле­родистой хромистой или малоникелевой стали. Сварка плавлением титана и его сплавов со сталями с применением промежуточной вставки из ванадиевого сплава с учетом изложенной выше техноло­гии обеспечивает получение прочных и плотных сварных соеди­нений.