СВАРКА РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

АНАЛИЗ ПРОЦЕССА СВАРКИ РАЗНОРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПО ДИАГРАММАМ СОСТОЯНИЯ

Определенная температура и иногда давление, необхо­димые и достаточные для сварки однородных материалов, при сварке разнородных материалов также необходимы, но еще недостаточны. В этом случае материалы обладают различными физико-химическими свойствами, и свойства сварного шва будут определяться свойствами нового мате­риала, который образовался в зоне шва в результате про­шедших процессов. Поэтому основная цель при сварке разнородных материалов заключается в направленном ре­гулировании этих процессов [30].

О характере физико-химического взаимодействия между двумя материалами можно судить по соответствующим диа­граммам состояния. Эти диаграммы построены для равно­весных условий и отвечают стабильному состоянию, между тем как процесс сварки метастабилен. Это обстоятельство необходимо учитывать при пользовании диаграммами со­стояния, с помощью которых можно представить только первую приближенную схему процесса сварки.

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

Многие свариваемые материалы образуют непрерывный ряд твердых растворов. Металлическими сочетаниями, ко­торые образуют непрерывные ряды твердых растворов яв­ляются: медь — никель, серебро — золото, никель — пла­тина, хром — молибден, кадмий — магний и др.

Одна из возможных диаграмм такой пары представлена на рис. 1. Пусть материал А плотно под давлением сопри­касается с материалом В, и температура на границе сопри­касания их постепенно повышается. Вначале, когда темпе­ратура нагрева не достигла еще значения температуры плавления, но превысила температуру рекристаллизации, в местах контакта соприкасающихся выступов будет про­
исходить объединение, срастание зерен обоих материалов с образованием твердого раствора за счет взаимной диффу­зии материалов А и Б, т. е. начинается процесс сваривания. В создании сварного соединения начнет принимать участие и жидкая фаза, когда температура нагрева достигнет тем­пературы плавления более легкоплавкого материала. По мере повышения температуры количество жидкой фазы уве­личивается, и содержание в ней более тугоплавкого мате­риала повышается. Жидкой фазы при некоторой темпера­туре будет вполне достаточ­но для обеспечения сварки без приложения давления. Глуби­на области твердого раствора и, следовательно, градиент концентраций будет опреде­ляться для данных условий временем и температурой про­цесса.

Если бы материалы А и ровными поверхностями, то для получения полного соеди­нения достаточен был бы одноатомный слой диффузионной зоны. В действительности, из-за неровностей соприкасаю­щихся поверхностей глубина диффузионной зоны гораздо больше.

В пограничных слоях химический состав твердого рас­твора вследствие продолжающейся диффузии будет несколь­ко отличаться от его состава в средней зоне. При медленной кристаллизации из расплава шов приобретает состав, соот­ветствующий диаграмме на рис. 1. Качество получае­мого сварного соединения будет определяться полнотой протекания диффузии соединяемых металлов, т. е. каче­ством полученного твердого раствора на границе соприка­сания.

Несколько иная картина наблюдается при сварке — пайке разнородных металлов. Определяющую роль здесь имеет процесс смачивания — его продолжительность и тем­пературные условия. При кратковременном смачивании в принципе возможно получение качественного соединения. При длительном смачивании протекают сопутствующие про­цессы — растворение и взаимная диффузия соединяемых металлов, которые не оказывают вредного действия.

Более разнообразная картина получается при сварке плавлением разнородных металлов. Состав и структура шва зависит от соотношения расплавляемых металлов в металле шва, характера перемешивания и скорости остыва­ния жидкого металла. Если при сварке жидкая смесь со­стоит в основном из более легкоплавкого металла А, то при затвердевании у границ свариваемых металлов будет от­лагаться послойно твердый раствор в в противном слу­чае — у границ свариваемых металлов будет отлагаться послойно твердый раствор А в Б переменного состава. В каждом случае сначала выделяется твердый раствор обо­гащенный более тугоплавким элементом, а затем менее ту­гоплавким. Быстрое, но недостаточное перемешивание и за­тем большая скорость охлаждения металла (например, при электроннолучевой сварке) приводят к существенному усложнению структуры шва. Наряду с указанными слоями кристаллизации в металле шва обнаруживаются вихревые образования, слоистая и ячеистая неоднородность [57].

Свариваемые материалы зачастую образуют твердые растворы с ограниченной растворимостью. Как известно, возможны два случая ограниченной растворимости компо­нентов в твердом состоянии: с образованием эвтектики и с образованием перитектики.

Наиболее характерным является первый случай, для которого типичные сочетания — это сталь — медь (брон­за), медь — цинк и др.

При сварке металлов, обладающих ограниченной рас­творимостью в твердом состоянии, на первом этапе нагрева

протекают также диффузионные процессы. Как только тем­пература достигнет эвтектической, в зонах, расположенных непосредственно на границе, появится жидкая фаза —* эв­тектика a - f - (З (рис. 2). При дальнейшем повышении темпе­ратуры количество жидкой фазы увеличивается и состав ее изменяется.

При сварке — пайке такой пары металлов на границе сплавления фиксируется прослойка, представляющая со­бой твердый раствор на осно­ве более тугоплавкого метал­ла. В случае сварки плавле­нием обоих металлов струк­тура шва весьма неоднородна*

Наряду с диффузионными участками можно заметить на­личие структурно свободных участков более тугоплавкого материала. Для такого типич­ного сочетания, каким являет­ся сталь—медь (бронза), воз­можны следующие варианты процесса сварки:

а) с направлением источника нагрева на медь (бронзу) —» сварка — пайка. Образующаяся прослойка характеризует­ся четкими границами (рис. 3, а). Сварное соединение тако­го типа обладает низкими прочностными и пластическими свойствами и разрушается по диффузионной прослойке;

б) с направлением источника нагрева на сталь—'свар­ка плавлением. Образующаяся в области сплавления обоих металлов диффузионная прослойка не имеет четких границ с медью, а прорастает в нее в виде вытянутых кристаллов (рис. 3, б).

Наличие переходного слоя с проросшими в бронзу кри­сталлитами стали препятствует возникновению сплошной диффузионной прослойки, а наличие самых кристаллитов на границе сплавления создает дополнительную механическую

Рис. 3. Микроструктура (х 300) аргонодуговой наплавки бронзы Бр. АМц 9-2 на сталь марки СтЗ:

а — с направлением источника на бронзу; б —* с направлением источника на сталь.

связь меди (бронзы) со сталью. Механические свойства прослойки такого типа намного выше, чем при сварке — пайке. Следует иметь в виду, что для обеспечения высоких механических свойств соединений сварка плавлением меди со сталью должна обеспечивать содержание стали в шве не более 10%.

Многие свариваемые материалы образуют химическое соединение. Образование химического соединения явля­ется основным препятствием для получения качественного соединения. Пусть свариваемые материалы образуют спла­вы, диаграмма состояния которых изображена на рис. 4. В этом случае кроме твердых растворов а и р в сварном шве образуются химическое соединение эвтектики а + и (3 + у. В условиях сварки образование твердых растворов, а также химического соединения происходит с определен­ной скоростью и в большой степени зависит от температуры и выдержки. Типичная картина зависимости начала обра­зования химических соединений (интерметаллидов) в твер­

до-твердом состоянии для ряда сочетаний металлов (А1—Fe, А1—Ті, Nb—Fe и др.) на примере композиции алюми­ний — сталь показана на рис. 5. Из этого примера следу­ет, что получение композицион­ного соединения без прослой­ки, состоящей из химического соединения, возможно при сравнительно небольших тем­пературах его нагрева. Для этой цели обычно использует­ся давление штамповкой, про­каткой, взрывом и другими ме­тодами. При повышении темпе­ратуры контакта период време­ни до образования химических соединений резко сокращается.

В этих условиях получить ка­чественное соединение удается только при сварке—пайке, а в случае значительного проплавления обоих соединяемых

наблюдается при сварке— пайке сочетаний металлов никель — алюминий, алю­миний — сталь, никель *—• цинк, олово — медь и др. Не все соединяемые ма­териалы могут вступать между собой во взаимодей­ствие с образованием на границе соприкосновения 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. В этом случае можно обеспечить процесс сварки, применяя проме­жуточный материал. Этот третий материал подбирают так, что он может вступить в физико-химическое взаимодействие как с одним, так и с другим соединяемым материалом, или так, что он вступает во взаимодействие с одним материалом, а полученный продукт в свою очередь вступает в реакцию с другим соединяемым материалом.

металлов образуется большое количество химических соединений, повышающих хрупкость шва. Свойства ком­позитного соединения, получаемого при сварке — пайке, во многом определяется толщиной интерметаллидной про­слойки, образующейся в стыке. Характерная зависимость скорости роста подобной прослойки приведена на рис. 6

— цинк. Аналогичная зако­номерность роста прослой - 530 °с ки химических соединений

510 °С

* Этот промежуточный материал («переходное соединение») готовится методами порошковой металлургии таким обра­зом, что концентрация свариваемых материалов в нем мо­нотонно возрастает (и соответственно снижается для друго­
го материала) при переходе от одного края стыка к дру­гому [58].

Используя этот метод, изделия из двух материалов со­единяют посредством непрерывного ряда сплавов с целью получения постепенного переходного соединения от одного материала к другому.

Необходимо отметить, что применимость диаграмм со­стояния для целей сварки ограничена. Диаграмма показы­вает лишь, какие фазы могут образоваться в равновесных условиях. Однако она не может предсказать, какие фазы появятся в условиях, отличных от равновесных, и в какой форме данная фаза будет присутствовать в сплаве.

Хрупкая компонента может быть совершенно безвредна (или даже действовать как упрочнитель) в случае, если она распределена между зернами сплава в виде мелких включе­ний. Она же может создать угрозу разрушения материала, если присутствует в виде непрерывных полос-строчек по границам зерен или в виде прослойки между двумя метал­лами,