МАТЕРИАЛЫ И ИХ ПОВЕДЕНИЕ ПРИ СВАРКЕ

Сварка плавлением стали с цветными металлами

21.2.1. Сварка стали с алюминием и его сплавами

Получение требуемого уровня эксплуатационных ха­рактеристик в таких соединениях затруднено различи­ем температур плавления и ограниченной взаимной ра­створимостью алюминия и железа. Аргонодуговая сварка вольфрамовым электродом с присадкой, электронно­лучевая и лазерная сварка являются наиболее приемле­мыми способами получения соединений используемых в судостроении (трапы, трубы, надстройки и т. п ).

Подготовка под сварку предусматривает для стыко­вого соединения двусторонний скос кромок под углом а = 70° к вертикали. Поверхность стальной кромки за­чищается механическим (стальные щетки) или дробе­струйным способами, а для высоколегированных сталей часто используется химическое травление. Свариваемые кромки из углеродистых и легированных сталей гальва­ническим способом покрываются цинком, а кромки из высоколегированных аустенитных сталей целесообраз­нее алитировать (покрывать тончайшим слоем чистого алюминия). Свариваемые кромки из алюминиевых сплавов подвергаются химическому травлению.

Аргонодуговую сварку ведут на переменном токе вольфрамовым электродом Ж2—5 мм со смещением его на алюминиевую кромку на 1—3 мм от стыка, а приса­дочную проволоку (Св А97, Св АМгб) подают впереди дуги со стороны стальной детали (рис. 21.2). Дуга как бы покрывает присадку, что предохраняет цинковое или алюминиевое покрытие на стали от преждевременного выгорания. Заполнение разделки, как правило, выпол­няют валиками с двух стороны стыка.

Скорость сварки, определяющую время взаимодей­ствия жидкого алюминия со сталью, т. е. возможно большую толщину промежуточного интерметаллидного слоя, выбирают в пределах не более 10—15 м/ч. Ток свар­ки ориентировочно выбирается из соотношений:

Толщина меташта, мм 3 6—8 9—10

Сила тока, А 110-130 130-160 180-200

Статическая прочность сварных соединений алюми­ния с оцинкованной стальной кромкой практически соответствует прочности чистого алюминия (сгв = 70— 85 МПа), а при алитировании стальной кромки она до-

a 6

Рис. 21.2. Схемы аргонодуговой сварки алюминия со сталью - а) смешение дуги при сварке встык (1 — горелка, 2 — W-эл-д,

3 — газ защитный, 4 — присадка)', 6) ориентировочная последовательность наложения валиков (цифры — эго номера накладываемых слоев)

стигает 120—180 МПа. Повысить прочность соединения можно за счет увеличения рабочего сечения шва. Пре­дел выносливости на базе 10 циклов таких соединений составляет 50—60 МПа, т. е. такой же как и у сплава АМгб. Сварные соединения коррозионностойкие в мор­ской воде и на воздухе.

Лучшие результаты свойств соединений получают, когда в качестве покрытия для стальной кромки исполь­зуют комбинированные медноцинковые (5—35 мкм) и никельмедноцинковые (5—35 мкм) покрытия, обеспечи­вающие снижение толщин и твердости интерметаллид - ных прослоек и повышение прочности шва (с усилени­ем) до а„ = 185—200 МПа.

21.2.2. Сварка стали с медью и ее сплавами

Физико-химические свойства меди и железа (строение кристаллической решетки, атомные радиусы) довольно близки, что обеспечивает некоторый минимальный уро­вень их взаимной растворимости при нормальной тем­пературе (железа в меди <0,2%, меди в железе <0,3%) и несколько облегчает получение сварного соединения с требуемыми свойствами. Наличие в стали углерода сни­жает растворимость меди в железе, а следовательно, ухудшает свариваемость, а присутствие Мп и Si — улуч­шают ее. Основными осложняющими факторами при сварке являются различие в температурах плавления (ТплСи= 1083 °С, Тпл Ст = 1525 °С), значительная разни­ца в теплопроводности и теплоемкости, высокое срод­ство меди к кислороду и газам, ее большая жидкотеку - честь, появление эвтектики Cu+Cu20, охрупчивающей шов, и повышенная в сравнении со сталью склонность меди к пористости. Специфическим дефектом при свар­ке (наплавке) стали с медью и ее сплавами является межкристаллитное проникновение жидкой меди в сталь (МКП), проявляющееся в появлении у линии сплавле­ния со сталью трещин в виде «клиньев» по границам зерен стали, заполненных медью. Глубина таких дефек­тов достигает 0,01—40 мм, что в сочетании с локализа ■ цией термических напряжений приводит к горячим тре­щинам. Чем более легированной является сталь, тем больше таких дефектов и тем больше их глубина. Нали­чие таких дефектов существенно снижает прочность, пластичность и сопротивление усталости сварных со­единений.

Медь и ее сплавы (латунь, бронза) свариваются со сталью на таких же режимах сварки, как и стальные со­единения соответствующих толщин. Дугу рекомендует­

ся смещать в сторону меди с тем, чтобы несколько ог­раничить температуру перегрева расплавляемой кромки стали (Т < 1100 °С) и сократить время контактирования жидкой меди со сталью при этой температуре (tK < 0,01— 0,015 с). Поэтому концентрированные источники теп­ла (электронный и лазерный луч) предпочтительнее и обеспечивают лучшее качество шва.

Для ручной дуговой сварки меди, бронз марок БрАМц 9—2, БрКМи 3—1, латуней типа ЛК62—0,5 с низ­коуглеродистыми и низколегированными сталями ВСтЗ, СтЮ, 09Г2 широко применяют электроды типа «Комсомолец», а при сварке под флюсами ОСЦ-45, АН—26 используют проволоки из бронз БрКМц 3-1, БрХ0,7.

При наплавке или сварке меди или ее сплавов со ста­лью в среде защитных газов плавящимися и неплавящи - мися электродами рекомендуется использовать проволо­ки БрАМц9—2, БрКМцЗ—1 и МНЖ5—1. Использование при механизированных способах сварки керамических флюсов эффективно при наплавочных работах, что по­зволяет получать требуемую твердость (НВ = 90—180) и износостойкость.

Указанные сварочные материалы и способы сварки обеспечивают при статических нагрузках прочность (по цветному металлу) сварного соединения в пределах 220— 360 МПа и достаточную пластичность (угол загиба от 40 до 180°). При этом аргонодуговая сварка W-электродом, как правило, дает более высокие механические свойства в сравнении с другими видами сварки.

21.2.3. Сварка стали с титаном и его сплавами

Титан с железом обладает ограниченной взаимной растворимостью и наличием эвтектоидного распада вы-

290

сокотемпературнои р-фазы титана. При кристаллизации такого сплава в интервале температур Т = 1250—1150 “С образуются интерметаллиды (TiFe, TiFe2, TbFe) и эвтек­тики р-фаза+TiFe, TiFe+TiFe2 и др., резко снижающие пластичность металла. Учитывая высокие скорости ох­лаждения, характерные для сварочной ванны, очевид­ной является основная проблема их свариваемости — образование горячих трещин в шве и особенно по ли­нии сплавления.

Решение этой проблемы возможно за счет соответ­ствующего выбора сварочных материалов, способов и режимов сварки, предотвращающих или существенно снижающих концентрацию образовавшихся хрупких интерметаллидных фаз TiFe и TiFe2 и указанных эвтек­тик Практическое применение находит сварка через промежуточные вставки из металлов, удовлетворитель­но сваривающихся с соединяемой парой металлов. Единственным элементом, не образующим со сталью и титаном интерметаллидов, является ванадий, который и используется в качестве промежуточной вставки при сварке этих металлов. Однако наличие углерода в стали способствует образованию карбидов ванадия, несколь­ко снижающих пластичность соединения. Известны [15, 19] также комбинированные (биметаллические) встав­ки из технического тантала (со стороны титана) и бери - лиевой бронзы БрБ2 (со стороны стали), а также из ни­обия (со стороны титана) и бронзы (со стороны стали). Однако их применение существенно осложняет техно­логию сборки и технику выполнения швов и ужесточа­ет требования к качеству защитной атмосферы. Основ­ными видами сварки таких пар металлов являются аргонодуговая неплавящимся электродом, электронно­лучевая и лазерная. Сварка в камерах с контролируемой атмосферой обеспечивает более высокую пластичность и практически полное отсутствие дефектов в шве. Наи­более частыми сочетаниями свариваемых материалов являются высокопрочные (ВНС—2) и высоколегирован­ные стали и сплавы (I2X18H ЮТ, ХН65ВМТЮ) с терми­чески неупрочняемыми сплавами ОТ4—1, ВТ5— I. Тех­ника ведения процесса такова, что при использовании промежуточных вставок источник тепла (дуга, луч) в стыке сталь-ванадий смещается на 1,0—1,5 мм в сторо­ну стали, а в стыке титан-ванадий — в сторону титана.

Статическая прочность сварных сталетитановых со­единений со вставкой из ванадия достигает ои = 470— 530 М Па, что сравнимо с прочностью титановых сплавов.

21.2.4. Сварка стали с ниобием, молибденом и ванадием

Сварка стали с ниобием, молибденом и ванадием ус­ложняется обязательным и жестким выполнением усло­вия: источник тепла должен расплавлять сталь и не до­пускать интенсивного перегрева более тугоплавкого металла, обеспечивая хорошую его смачиваемость рас­плавом стали. При этом свариваемые кромки не должны контактировать с газами атмосферы, это предупреждает трещино - и парообразование в сварном соединении. Бо­лее подробную информацию о материалах и особенно­стях технологии сварки этих сплавов можно получить в литературе [19].