МАТЕРИАЛЫ И ИХ ПОВЕДЕНИЕ ПРИ СВАРКЕ

СВАРКА РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

Сварные конструкции из разнородных металлов и сплавов применяются в судостроении, химической и нефтехимической, авиационной и энергетической промышленности. В целях снижения веса, улучшения эксплуатационных характеристик изделий, экономии цветных металлов или легированных сталей широко ис­пользуются сталеалюминиевые, сталетитановые, сталь - медные, медноникелевые и другие сварные соединения (трубопроводы, биметаллические переходники, емкости, палубные надстройки, трапы и т. п.), сочетающие в себе высокие механические свойства с хорошей тепло - и элек­тропроводностью, высокой коррозионной или термичес­кой стойкостью и т. п. Достаточно широко используют­ся также сочетания тугоплавких и химически активных металлов (Mo, Nb, Та, Zr) с коррозионностойкими и жаропрочными сталями (узлы двигателей, атомных ре­акторов и т. п.).

Проблемы сварки разнородных металлов и сплавов обусловлены их различными физическими (Тпл, at, у, X и т. д.), механическими (ов. от, 5, НВ) и физико-хими­ческими свойствами (ограниченная взаимная раствори-

Глава 21. Сварка разнородных металлов

мость элементов в сплаве, образование интерметалли - дов из контактируемых элементов, активное и различ­ное по интенсивности взаимодействие с газами Н2, 02 и N2, неодинаковая чувствительность к росту зерна об­разующихся фаз при нагреве и т. д.). Эти факторы суще­ственно усложняют технологию сварки. Наилучшие свойства сварных соединений достигаются, когда ком­поненты свариваемых металлов обладают неограничен­ной взаимной растворимостью, и значительно хуже сва­риваются металлы, которые образуют ограниченный ряд твердых растворов или химические соединения. После­дние, как правило, характеризуются высокой твердо­стью, постоянством температуры плавления, плотностью и различием в термических коэффициентах линейного расширения. Данные о характере взаимодействия эле­ментов при Т = 20 °С, составляющих основу наиболее распространенных свариваемых разнородных металлов, представлены в табл. 21.1. Как видно, только незначи­тельная часть элементов (Ti-Zn) при взаимодействии об­разуют непрерывный ряд твердых растворов, остальные имеют ограниченную взаимную растворимость (Fe-Ti, Mo-AJ) и образуют химические соединения (Mo-W).

По современным представлениям [4, 18], процесс об­разования прочных связей в сварном соединении из од­нородных и разнородных металлов условно разделяют на три стадии, отличающиеся длительностью протека­ния происходящих процессов (рис. 21.1):

I. Подготовительная стадия, заключающаяся в сбли­жении соединяемых поверхностей металла на расстоя­ния, обеспечивающие образование физического контак­та, при котором возникает межатомное взаимодействие. При сварке плавлением это достигается за счет расплав­ления и растекания жидкого металла по поверхности твердого металла, а при контактной сварке — за счет

непрерывный ряд твердых растворов ограниченная раствор имость

ограниченная растворимость и химичес - кие соединения

ХруПКИе ИНТермеТЭЛЛИДЫ не взаимодействуют

пластической деформации твердых металлоЕ На этой стадии за счет вложенной тепловой энергии сварки со­единяемые поверхности лишь активируются, а проч­ность соединения весьма низкая.

2. Вторая стадия — это образование химически проч­ных связей между атомами соединяемых металлов, об­разующихся в процессе смачивания жидким металлом в местах контактирования его с активной поверхностью твердого металла.

При одновременном расплавлении обеих кромок металла первая и вторая стадии практически происхо­дят одновременно, а при расплавлении одной из соеди­няемых кромок (менее тугоплавкой) вторая стадия об­разования соединения (химическое взаимодействие) несколько задерживается относительно первой на вре­мя, необходимое для термической активации поверхно-

сти твердой кромки (кривая на участке Б смещается вправо на рис. 21.1). Эта задержка получила название периода ретардации.

3. Третья, завершающая, стадия (В) характеризуется развитием диффузионных и релаксационных процессов в зоне сварного шва при его остывании, влияющих на количество и размеры химических соединений (хрупких прослоек) в шве, а также на величину остаточных напря­жений. Процессы, протекающие на этой стадии опре­деляются значениями температуры и характером взаи­модействия соединяемых материалов (с учетом времени контактирования, содержание газов и примесей, склон­ность к росту фаз и т. д.).

Из рис. 21.1 следует, что если длительность контак­тирования жидкого и твердого металлов в разнородном соединении меньше периода ретардации, то можно по­лучать надежное соединение металлов даже с ограни­ченной взаимной растворимостью компонентов без значительных по размерам промежуточных хрупких ин- терметаллидных фаз.

Однако в реальных условиях сварки длительность контактирования всегда больше периода ретардации и получение соединения без хрупких фаз затруднено. Во - первых, при относительно больших площадях взаимо­действия фактическое контактирование происходит не по всей поверхности одновременно, а во-вторых, время ретардации увеличивается из-за наличия в соединяемых металлах примесей и легирующих элементов, а также из - за времени, необходимого для протекания реакций вза­имодействия между элементами и окружающей средой. Поэтому при сварке приходится считаться с увеличени­ем времени контактирования, когда заведомо образует­ся плотный и равномерный слой интерметаллидов, связывающий соединяемые металлы, но обладающий более низкой пластичностью Дополнительную труд­ность сварки большинства разнородных металлов вызы­вает их активность по отношению к 02, N2 и С, приво­дящая к образованию в шве оксидов, карбидов и нитридов, охрупчивающих шов.

Решение обозначенных проблем свариваемости раз­нородных металлов и получение необходимого качества соединения с минимальным количеством хрупких хи­мических соединений можно обеспечить технически целесообразными приемами:

1) обеспечением минимального времени контакти­рования соединяемых металлов в жидком состоя­нии, что снижает количество (толщину) или пол­ностью предотвращает образование хрупких интерметалл и дных фаз (прослоек);

2) обеспечением надежной защиты расплавленного металла от взаимодействия с газами, окружающи­ми жидкий металл, путем использования соответ­ствующих электродных покрытий, защитной газо­вой среды или флюсов;

3) подбором и использованием промежуточных ме­таллов (вставок), хорошо или удовлетворительно растворяющихся в обеих соединяемых кромках разнородных металлов и предотвращающих обра­зование хрупких интерметаллидных фаз;

4) подавлением роста интерметаллидных хрупких фаз за счет соответствующего легирования шва или повышением их пластических свойств.

Современные сварочные материалы и оборудование позволяют реализовать эти приемы за счет регулирова­ния состава шва и степени нагрева более тугоплавкого металла (электронно-лучевая, лазерная сварка, дуга кос­венного действия, смещение источника тепла на одну из кромок и т. д.), использования в качестве защиты вакуума или нейтральных газов Аг и Не высокой чистоты, путем тщательной очистки (например, травление) сваривае­мых поверхностей или их предварительного покрытия поверхностно-активным слоем, предохраняющим сва­риваемые кромки от окисления, снижающим энергию активации, улучшающим смачивание между жидким легкоплавким металлом и нагретой поверхностью тугоп­лавкого металла и т. д.

Болес подробную информацию об особенностях свариваемости разнородных металлов и сплавов, при­меняемых сварочных материалах и оборудовании мож­но получить в литературе [7], Особенности техники и технологии сварки разнородных черных и цветных ме­таллов представляется целесообразным рассматривать в двух аспектах:

1) сварка сталей с цветными металлами и их сплавами;

2) сварка разнородных цветных металлов и сплавов.