СВАРКА РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

ТРУДНОСТИ, ВОЗНИКАЮЩИЕ ПРИ СОЕДИНЕНИИ РАЗНОРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Основными трудностями, возникающими при сварке раз­нородных материалов, являются металлургическая несо­вместимость, т. е. различие в структуре, а также различия в коэффициентах линейного расширения, тепло - и электро­проводности, в окислении наплавленного металла.

Физические свойства металлов, от которых зависит их свариваемость, могут существенно отличаться друг от дру­га. В табл. 1 приведены некоторые физические свойства металлов, наиболее часто встречающихся в комбинирован­ных соединениях. Если коэффициенты линейного расши­рения соединяемой пары близки по значению, то техноло­гия сварки упрощается. Если же имеется значительное раз­личие между ними, то более высокому предварительному нагреву подвергают материал с меньшим коэффициентом линейного расширения. Для компенсации тепловых

потерь во время сварки необходимо нагревать материал, ко­торый имеет большую теплопроводность.

Слой окислов всегда препятствует соединению любых двух металлов независимо от того, являются они разнород­ными или однородными. Перед сваркой должна быть прове­дена предварительная очистка, например, травление, обез­жиривание или очистка проволочной щеткой. Неблагопри­ятное влияние окисления может быть предотвращено при условии надлежащей защиты (аргоном, гелием или ваку­умом) от окисления металла в результате контакта с атмо­сферой.

Сварка затруднена при большом различии температур плавления и кипения (железо — цинк, вольфрам — сви­нец). Решающее влияние на свариваемость разнородных металлов оказывает металлургическая совместимость, ко­торая определяется взаимной растворимостью соединяемых металлов как в жидком, так и в твердом состоянии, а также образованием хрупких химических соединений — интер- металлидов. Практически не свариваются плавлением ме­таллы и сплавы, которые не могут взаимно растворяться в жидком состоянии, например, чистые свинец и медь; железо и магний; железо и свинец и др. При расплавлении таких пар металлов образуются несмешивающиеся слои, которые при последующем затвердевании могут быть сравни­тельно легко отделены друг от друга. Легко образуют сварные соединения металлы и сплавы, в состав которых входят элементы, обладающие неограниченной взаимной растворимостью не только в жидком, но и в твердом состоя­ниях, т. е. образующие непрерывный ряд твердых растворов.

Основные условия, необходимые для получения свар­ного соединения разнородных металлов, следующие: ме­таллы должны иметь однотипные кристаллические решетки; атомные радиусы металлов, образующих твердый раствор, не должны отличаться более чем на 10—15%; электрохими­ческие свойства не должны сильно различаться, так как в противном случае возможно образование хрупких интер­

металлических соединений в зоне сварки. Это условие обыч­но выполняется, если свариваемые металлы принадлежат к одной и той же группе или к смежным группам периоди­ческой системы элементов.

Непрерывные твердые растворы могут образовывать сле­дующие пары металлов:

Fe—Ni; Fe—V (выше 1234° С); Fe—Сг (выше 920° С); Fe (у) —Со (Р); Ni—W; Ni—Mn (у); Ni—Cu; Ni—Co; Cr— —Ті (p) (выше 1350 °С); Cr—Mo; Cr—V; Cr—W; Mn (y)— —Cu; Mn (у) — Co (P); Ті—Zr; Ті (p) —W;Ti (p)—V; Ті (P) — Та; Ті (P) —Mo; Ті (P) —Nb; Nb—Mo; Nb—Та; Nb—W; Mo—Та; Mo—W; W—Та [49]. При сварке таких металлов как плавлением, так и давлением в указанных сочетаниях образуются соединения с наиболее однородными свойствами. Ограничения в выборе способов сварки этих металлов и сплавов определяются в основном активностью по отношению к кислороду, азоту и водороду; температурой плавления, пластическими свойствами при температуре образования сварного соединения, склонно­стью к охрупчиванию вследствие собирательной рекристал­лизации (роста зерна).

При сварке разнородных металлов с ограниченной раство­римостью в твердом состоянии или сплавов, содержащих ограниченно растворимые легирующие элементы и примеси, возможность образования качественного соединения зави­сит от степени развития вн утр икр иста ллической ликва­ции в процессе первичной кристаллизации металла шва и от характера последующих фазовых и структурных превра­щений в нем в твердом состоянии. Для сварки таких метал­лов и сплавов часто приходится применять промежуточные прокладки или покрытия из металлов, обладающих неогра­ниченной взаимной растворимостью с каждым из элементов, входящих в состав свариваемых сплавов, или с каждым из соединяемых металлов.

Некоторые фазовые и структурные превращения, про­текающие в полиморфных металлах и сплавах в процессе

охлаждения твердого раствора, могут приводить при свар­ке к образованию холодных трещин. Как правило, такие превращения сопровождаются значительными искажениями кристаллической решетки и объемными изменениями (мар- тенситное превращение в сталях перлитного и мартенсит - ного классов, гидридное превращение в титане и его спла­вах). При сварке разнородных металлов существенное влия­ние на напряженное состояние оказывают их различные коэффициенты линейного расширения, а также разница в положении критических точек фазовых превращений.

При сварке разнородных металлов и сплавов с ограни­ченной растворимостью не всегда удается получить соеди­нение с удовлетворительными пластическими свойствами. В ряде случаев возможность предупреждения трещин при сварке целиком определяется условиями кристаллизации, характером фазовых превращений и напряженным состоя­нием. Поэтому при недостаточности металлургических и технологических средств иногда могут возникать ограниче­ния в свариваемости таких металлов. Ограниченная раство­римость иногда является причиной образования химиче­ских соединений и выпадения избыточных компонентов из пересыщенного твердого раствора, зафиксированного вслед­ствие быстрого охлаждения при сварке.

Образование горячих трещин при сварке разнородных металлов является менее специфичным дефектом, так как обычно предусматриваются меры предотвращения их по­явления. При сварке разнородных сплавов неодинаковая растворимость в них отдельных легирующих элементов мо­жет приводить к развитию химической неоднородности. Правильный выбор способа, режимов и технологии сварки в сочетании с металлургическими средствами воздействия в большинстве случаев позволяет полностью устранить или свести к минимуму вредные последствия ограниченной растворимости.

Существуют три основные метода сварки разнородных металлов: когда оба металла находятся в твердом состоя­

ло нии — диффузионная и холодная сварка, сварка взрывом и др.; когда один из металлов находится в жидком состоя­нии, а другой в твердом—сварка—пайка; когда оба металла расплавлены — сварка плавлением.

При выборе того или иного метода исходят из особенно­стей процесса сварки. Сварка является двухстадийным про­цессом: на первой стадии развивается физический контакт до уровня, требуемого для межатомного взаимодействия; на второй — происходит химическое взаимодействие с об­разованием соединения. Наибольшие трудности возника­ют при сварке плавлением, поскольку здесь физический контакт и химическое взаимодействие осуществляются до­статочно быстро и при сварке материалов с ограниченной взаимной растворимостью в твердом состоянии в месте кон­такта легко создаются хрупкие интерметаллические про­слойки. Установлено, что образование этих прослоек полу­чается не мгновенно, а спустя определенный промежуток времени после так называемого периода задержки или ре­тардации. Однако длительность задержки здесь весьма не­велика. После нее рост интерметаллидов идет ускоренно. Отсутствие или образование очень тонкого относительно безвредного слоя интерметаллидов достигается путем ис­пользования источников сварочного нагрева с очень вы­сокой концентрацией энергии.

При сварке двух металлов в твердом состоянии или же при расплавлении только одного более легкоплавкого ме­талла имеется ббльшая возможность для управления про­цессом формирования сварного соединения. При этом дли­тельность стадий образования физического контакта и по­следующего химического взаимодействия существенно вы­ше, чем при сварке плавлением.