СВАРКА разнородных металлов и сплавов

ПРИМЕНЕНИЕ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

Необходимость сварки разнородных металлов возникает при изготовлении самых разнообразных объектов: сосудов химического машиностроения, летательных аппаратов, в судостроении, в стро­ительной индустрии, в электротехнике и приборостроении, на транс­порте, при электролизе цветных металлов, при изготовлении товаров широкого потребления и во многих других областях техники.

На смену соединений разнородных материалов при помощи резьбы, клепки, фланцев пришла сварка, которая на­ряду с обеспечением требуемого сочета­ния материалов способствует снижению трудоемкости, металлоемкости, повы­шению разнообразных свойств соеди­нений. Например, сварка практически незаменима при изготовлении вакуум­ных систем из разнородных металлов для криогенной техники, в реакторо - и ракетостроении. Применение комби­нированных сварных узлов позволяет также создать принципиально новые виды конструкций, ранее не применявшиеся.

Рассмотрим ряд примеров промышленного применения техноло­гий сварки разнородных металлов. При изготовлении фурм кислород­ного дутья (рис. 93) необходимо соединять медь (толщиной 6—10 мм) со сталью (толщиной 3,5—4 мм), а также заваривать технологиче­ские отверстия в медной головке. Отработана технология полу­автоматической сварки плавящимся электродом в аргоне кольцевых швов меди со сталью [95]. Технология выполнения нахлесточных соединений меди со сталью и заварки отверстий отрабатывалась на плоских образцах. Сварка производилась полуавтоматом А-920, питание от выпрямителя ВС-600 (полярность обратная). Для сварки фурм выбрана проволока из кремниймарганцевой бронзы БрКМцЗ-1 (ГОСТ 18175—78). Наличие в ней эффективных раскислителей (кремния, марганца) предупреждает образование пор в швах. Опыты показали, что аргонодуговая сварка меди толщиной до 6 мм со сталью возможна без предварительного подогрева. При большей толщине желателен подогрев медной кромки.

Предложена следующая технология полуавтоматической сварки фурм. Внутренние кольцевые швы, соединяющие головку со сталь­ными патрубками, сваривают без предварительного подогрева. Затем медную головку подогревают газовым пламенем до 500—550 °С, заваривают технологические отверстия и накладывают наружный кольцевой шов. Кольцевые швы сваривают при вертикальном поло­жении фурмы.

Сварку меди со сталью и заварку технологических отверстий выполняют проволокой 0 1,6 мм на одном и том же режиме: /св = = 280-т-300 А, t/д = 26-т-28 В, расход аргона 13—15 л/мин. Техно­логия полуавтоматической аргонодуговой сварки фурм обеспечи­вает получение хорошо сформированных прочноплотных швов. При гидравлических испытаниях на герметичность при давлении до

1,5 МПа течи в швах не обнаружено. Технология механизированной сварки кислородных фурм мартеновских печей внедрена на металлур­гических заводах.

В настоящее время для электролитического рафинирования цвет­ных металлов получили широкое распространение титановые ма­трицы. Около 50 зарубежных предприятий, производящих эти металлы, применяют до 60 тысяч таких матриц, основными достоин­ствами которых являются высокая коррозионная стойкость, лег­кость съема осажденного металла и его высокое качество.

Токопровод к титановым матрицам выполняется из меди. Однако существующие методы сварки плавлением не позволяют получать качественного соединения титана с медью. Поэтому титановая ма­трица соединяется с медным токопроводом при помощи заклепок или болтов. Срок службы таких катодов ограничен, так как на со­прикасающихся поверхностях осаждаются продукты коррозии, что приводит к росту электросопротивления соединения, потере мощ­ности и недопустимому повышению температуры.

В последнее время фирма «Империэл метал индастриз» (Велико­британия) начала производство катодов с композиционными медно­титановыми токопроводами. Однако изготовление шганг-токо - проводов связано с большим объемом механической обработки. Для изготовления сварной конструкции катода были использованы ти­таномедные переходники-проушины, полученные методом сварки металлов давлением, предложенным в ИЭС им. Е. О. Патона [138], и позволяющие соединять титан с медью без применения промежу­точных прослоек. Сварные биметаллические титаномедные проушины позволили надежно соединить между собой все конструктивные элементы катода с помощью ручной аргонодуговой сварки, при этом медная шина токоподвода сваривается с медной частью проушины, а титановый лист — с титановой частью. Проушины обладают малым контактным электросопротивлением и прочностью меди.

В электролизное производство меди внедрен сварной катод (рис. 94), который отличается рядом преимуществ: электросопроти­вление его не превышает 10 мкОм и остается неизменным в процессе работы, возрастает выход по току на 10—15 %. Стоимость предло-

женного катода ниже, чем клепаного; срок его службы определяется длительностью непрерывной работы медной штанги [138].

За последнее десятилетие в судостроении большое применение нашли алюминиевые сплавы. Несмотря на более высокую стоимость алюминиевых сплавов по сравнению со сталью, судовые конструк­ции из алюминиевых сплавов быстро окупаются благодаря ряду преимуществ их перед сталью: легкости, немагнитное™, высокой коррозионной стойкости и достаточно высокой удельной прочности.

Наибольшее применение алюминиевые сплавы нашли при изго­товлении судов малого и среднего водоизмещения — рыболовных траулеров, катеров, яхт, пассажирских судов на подводных крыльях, спасательных шлюпок, судов и барж для мелководья и др. Цельно­алюминиевые конструкции изготовляют, как правило, с помощью сварки; соединение алюминиевых деталей и конструкций с таковыми из стали раньше выполняли с помощью клепки.

Снижение массы судна — один из основных путей повышения грузоподъемности морского транспорта. Оно может быть достигнуто путем замены некоторых крупных стальных узлов, например палуб­ной надстройки, на узлы из алюминиевых сплавов [129]. Надстройка представляет собой незамкнутую пространственную конструкцию и состоит из палубы надстройки (крыши), наружных и внутренних стенок.

Разработанная технология сварки алюминиевых сплавов со сталью с использованием биметалла алюминий — сталь внедрена при приварке выгородок надстройки к стальной палубе судна [136].

Для сварки биметаллической вставки со стальной и алюминиевой деталями применяют: со стороны стали — полуавтоматическую сварку в защитной среде углекислого газа (аппарат А-547); со сто­роны алюминиевой детали —аргонодуговую сварку неплавящимся (вольфрамовым) электродом. В качестве переходника применяют биметалл, полученный как прокаткой, так и сваркой взры­вом [193].

Технология освоена рядом судостроительных заводов. Выпу­скаются рыболовные траулеры (рис. 95) с палубной надстройкой из сплава АМгб, приваренной с помощью биметалла к палубе из стали Ст4сп. Композитные конструкции с применением биметал­лических вставок по сравнению с клепаными имеют лучший вид (рис. 95), трудоемкость их изготовления меньше, расход металла снижается. Масса судовых конструкций снижается на 20— 40 т на одно судно среднего водоизмещения. По данным [193], при изготовлении эсминца, в котором применены биметаллические пере­ходники, выполненные сваркой взрывом, масса снижена на 100 т.

Биметаллические листы сталь 12Х18Н10Т +-сплав АМц широко применяют для изготовления сосудов Дьюара, используемых в сель­ском хозяйстве для хранения биопродуктов, а также кислорода, ар­гона, азота и воздуха [167 ]. Сосуды изготовляют из алюминия с гор­ловиной из стального тонкостенного сильфона; соединение стальных и алюминиевых деталей осуществляется наиболее технологичным и надежным способом — сваркой однородных металлов, обеспечива-

Рис. 96. Схема сосуда СДС-20: Рис. 97. Сталеалюминиевые переходники,

1 — внутренний сосуд; 2 — кожух; 3 — установленные в кислородном регенераторе

горловина; 4— биметаллическая бортшайба

ющей необходимую герметичность. Сосуды имеют малые массу и га­бариты при небольшой испаряемости и повышенной устойчивости к тряске и вибрации (рис. 96). Благодаря технологичности биметал­лического листа появилась возможность организовать крупносерий­ное производство сосудов Дьюара.

В криогенной технике применяются изделия с большим количе­ством трубопроводов из разнородных металлов. В качестве примера рассмотрим сварку сталеалюминиевых переходников в кислородных регенераторах, выпускаемых для металлургической и химической промышленности.

Кислородный регенератор представляет собой конструкцию для удаления влаги и углеводородов из воздуха, переохлажденного до температуры —180 °С. Габариты регенератора —диаметр 3 мм, длина 9 м. Регенератор —это кожухотрубчатый аппарат, в котором концы алюминиевых труб вварены в трубные доски из коррозионно - стойкой стали (рис. 97). Соединение осуществляют через стале­алюминиевые переходники, представляющие собой резьбосварное соединение, в котором шов обеспечивает плотность, а резьба — прочность соединения. Неалитированный конец трубки-переход­ника приваривают к трубной решетке, а втулку переходника — к развальцованному концу трубки из сплава АМц. Для получения сварного сталеалюминиевого соединения на поверхность переход­ника, изготовленного из стали 12Х18Н10Т, путем алитирования наносят слой алюминия А995. Алитирование производят в распла­вленном алюминии (740—820 °С), покрытом слоем флюса АН-А1 (криолит 35 %, хлористый калий 50 %, хлористый натрий 15 %). Время выдержки трубок в ванне 1,5—2 мин.

Отметим, что из всех методов алитирования как подготовитель­ной операции перед сваркой с алюминием (в порошкообразных смесях, в ваннах с расплавленным алюминием, металлизацией стали алюминием с последующим диффузионным отжигом, в аэрозолях, электролизное в ваннах с расплавленными солями алюминия, газо­вое) для сварных изделий приемлемо лишь алитирование в ваннах с расплавленным алюминием. Это объясняется тем, что толщина ин­терметаллического слоя, возникающего при алитировании в рас­плавленном алюминии, на порядок меньше толщины такого же слоя, возникающего при алитировании в порошках или газовых смесях.

Процесс жидкостного алитировании можно рекомендовать только для хромоникелевых сталей. На поверхность сталей других классов рекомендуется наносить цинковые гальванические покры­тия, обеспечивающие хорошее растекание алюминия по стали. Меха­нически обработанные, протравленные и собранные переходники обваривали в специальном вращателе в среде аргона. Сварку вели при /св = 90 - г-95 А (диаметр вольфрамового электрода 3 мм) при­садочной проволокой Св АМц диаметром 3 мм. В качестве источника питания служила установка УДАР-300. Переходники, сваренные по такой технологии, были подвергнуты вибрационным, тепловым и коррозионным испытаниям. Спроектирована и изготовлена уста­новка (ОБ-1198) для автоматической сварки указанных переход­ников.

Для изготовления трубопроводов в бытовых и промышленных холодильниках применяется магнитно-импульсная сварка [22, 44], особенности технологии которой приведены в гл. II. Сваренные магнитно-импульсным способом переходники проходили термоцик­лические испытания жидким азотом (—196 °С) с последующим нагре­вом до 95—100 °С и проверкой через 100 термоударов гелиевым течеискателем.

В электротехнической промышленности также все более возра­стает применение алюминия. Высокая электропроводимость, кор­розионная стойкость, хорошая обрабатываемость и малая плотность позволяют ему успешно конкурировать с медью в строительстве электрических машин и в особенности трансформаторов. Одним из факторов, влияющих на надежность работы трансформатора, яв­ляется качественное выполнение различных соединений в обмотках и отводах. Непосредственное присоединение алюминиевых электри­ческих выводов к разъемным зажимам невозможно из-за быстрого окисления алюминия, что сопровождается обгоранием контактов и выходом их из строя. Поэтому в силовых трансформаторах особо важное значение имеет получение неразъемных соединений алюми­ниевых проводов и шин с медными. Такие соединения должны ра­ботать при температуре до 100 °С, а при коротком замыкании воз­можен кратковременный нагрев до 200 °С.

Холодная стыковая сварка применяется при изготовлении медно­алюминиевых трансформаторных отводов круглого сечения (0 8, 12, 14, 16 и 20 мм). Холодная сварка производится в штамповом блоке на вертикальном гидропрессе усилием 600 кН. Медная за­готовка перед сваркой проходит отжиг при 800 °С с последующим охлаждением в воде. Зачистка свариваемых торцов производится механическим путем в приспособлении с вращающимся дисковым напильником. Режим холодной сварки, например, для сечения 0 20 мм: длина вылета по меди 14 мм, по алюминию 11 мм, усилие осадки 600 кН.

Соединения алюминиевых проводов с медными, выполненные стыковой холодной сваркой, обладают высокой вибрационной стой­костью, а временное сопротивление сварного соединения выше временного сопротивления алюминия. Электропроводимость свар­ного соединения на 15—18 % выше электропроводимости равно­великого участка целого алюминиевого провода. При приварке медно-алюминиевых соединений к алюминиевым обмоткам до­пускается нагрев стыка до 275 °С без ухудшения его качества. Вы­пущены трансформаторы с сотнями тысяч соединений. Замена меди на алюминий в силовых трансформаторах обеспечила безаварийную работу последних.