СВАРКА РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

СВАРКА ТИТАНА С АЛЮМИНИЕМ

диапазон концентраций Ті в А1, в котором образование хо­тя бы одной из этих фаз возможно, превышает 50%. Рас­плавляя титан при сварке, невозможно избежать хрупкос­ти шва. Ограничить это явление можно сваркой титана без расплавления при наличии жидкой ванны из алюминия, В этом случае вследствие кратковременности взаимодейст­вия жидкого алюминия с титаном концентрация последнего недостаточна для образования у-фазы, а количество TiAls может быть существенно уменьшено.

Вероятность образования интерметаллидов и их коли­чество определяются скоростями диффузионного обмена и химической реакции, которые зависят от регулируемых температурно-временных условий взаимодействия металлов в процессе сварки.

Опытные данные [49] показывают, что при взаимодей­ствии жидкого алюминия с титаном, несмотря на сравни­тельно высокую растворимость А1 в Ті (около 26% в интер­вале температур от комнатной до 1100° С), в твердом титане алюминий не обнаруживается, что связано с малой ско­ростью диффузии А1 в Ті по сравнению со скоростью реак­ции образования интерметаллидов.

Для количественной оценки процесса образования интер­металлидов в алюминиевом шве при различных температур­но-временных условиях для пары титан — алюминий были получены опытные данные [49 ]. Выполненные опыты пока­зали, что при каждой температуре существует некоторый промежуток времени (период ретардации), в течение кото­рого реакция заметным образом не развивается. Этот про­межуток времени прогрессивно уменьшается с увеличением температуры. При температурах 450 и 500° С выдержка в течение 5 ч не вызвала выделения TiAls.

На рис. 24 представлена зависимость периода ретардации процесса образования фазы ТіА13 от температуры, получе­ния опытным и расчетным путем.

Учитывая сравнительно высокий темп охлаждения ме­талла при сварке, можно считать, что температуры ниже
500° С безопасны с точки зрения образования интерметалли­ческих фаз между титаном и алюминием.

При сварке титана с алюминием без расплавления тита­на развитие реакции образования ТіАІ3 вполне реально вследствие высокой температуры сварочной ванны. Даль­нейшие опыты по сварке подтвердили, что на границе сплав­ления металлов возмож­но образование просло­ек. Даже при очень тонких прослойках, не обнаруживаемых метал­лографически, измерени­ем потенциала растворе­ния удалось установить наличие ТіА13 [49].

Предварительные опы­ты выполняли наплав­кой дугой в аргоне на поверхность алитирован - ного сплава ОТ4 сплавов АМгб, Д20 и чистого алюминия по режиму: ток 180—200 А, напря­жение 16—18 В, элек­трод вольфрамовый. Ти­тан не проплавляется. Образцы размером 25 X 15 X 150 мм с продольным ва­ликом испытывали на изгиб.

Во всех образцах, наплавленных сплавами АМгб и Д20, произошло отслоение валика при углах загиба 10—15е. Валики, наплавленные чистым алюминием (АВ00 и АВ000), не отслаивались до образования трещин в титане.

Металлографическое исследование показало (рис. 25), что в пограничном слое между алюминиевым и титановым сплавами образуется, кроме незначительного количества ТіА13, вторая фаза, кристаллизующая на ТіА13 и на участ­

ках поверхности титана. Наличие этой второй фазы неиз­менно сопровождается хрупким разрушением соединения титан-алюминиевый сплав по граничному слою.

Совершенно аналогичный результат был получен в опы­тах по соединению сплавов ОТ4 с АМгб и сплавом АЛ-8У заливкой этих сплавов на алитированную поверх­ность сплава ОТ4.

Таким образом, опыты показали, что сварка плав­лением непосредственно ти­тана с указанными алюми­ниевыми сплавами дает хрупкие и непрочные со­единения. При сварке ти­тана с технически чистым алюминием можно избе­жать хрупкости соеди­нения. Это обстоятель­ство явилось основанием

ДЛЯ разработки техноло - Рис. 25. Микроструктура соедине - ГИИ аргонодуговой сварки ния ОТ4— АМгб; сварка внахлест-

V 10(У>

с предварительной нап - ку ілши;.

лавкой кромок титана технически чистым алюминием. Наплавка алюминия АВОО или АВ000 на подлежащие сварке поверхности титана может производиться с предва­рительным алитированием титана и без него. При неболь­ших деталях целесообразнее производить алитирование. Во всех случаях наплавляемые поверхности должны быть тщательно очищены от альфированного слоя, любых за­грязнений и обезжирены. При толщине титана более 3 мм соединения встык осуществляются при V - или Х-образной подготовке кромок. Угол скоса кромок на титане 40—45°, на алюминиевом сплаве—35°. Величина притупления должна быть достаточной для удобного выполнения наплав­ки без проплавления титана.

Алитирование производится погружением всей детали или ее части в расплав технически чистого алюминия с тем­пературой 800—830° С. Время выдержки зависит от раз­мера детали и объема ванны. Ориентировочно оно составля­ет 1—3 мин. Охлаждение производится на воздухе.

При наплавке без алитирования применяют флюс Ф-320. Наплавку в этом случае выполняют с ограничивающими алюминиевыми полосками, предупреждающими стекание флюса. Наплавка осуществляется в аргоне вольфрамовым электродом. Режим наплавки при толщине титана не более 8 мм: ток 170—180 А, напряжение 18—20 В; расход аргона 16—18 л/мин, присадочная алюминиевая проволока диа­метром 5—8 мм. Толщина слоя наплавки (5—8 мм) выбира­ется в зависимости от глубины проплавления при сварке; непроплавленная часть алюминия должна быть не менее 2—3 мм.

Сварка подготовленных указанным способом деталей осуществляется дугой в аргоне плавящимся электродом. Присадочную проволоку и режимы сварки выбирают, исходя из марки свариваемого с титаном алюминиевого сплава.

Предел прочности сварных соединений ОТ4 + АМгб, определенный при испытаниях плоских образцов, зависит от толщины слоя алюминия в соединении и изменяется от 11 • 10~7до27 • 10~7 Н/м2. Большие значения относятся к соединениям с толщиной слоя 1—1,5 мм. Такие соедине­ния обладают меньшей пластичностью. Углы загиба образ­цов толщиной 20 мм изменяются соответственно от 30 до 17°.

Разрушение сварных соединений происходит либо по алюминиевой прослойке, либо по зоне шва, обедненной маг­нием. Сварные соединения хорошо противостоят ударным нагрузкам. Так, например, образцы Шарпи сечением 20 X X 20 мм без надреза, вырезанные из сварных соединений, не разрушались при испытании на копре с энергией 294 Дж. Усталостная прочность определялась путем испытания на

60-тонном пульсаторе сваренных встык пластин размером 400 X 400 мм (цикл от 0 до максимальной нагрузки). Па­раллельно испытывали сварные пластины из сплава АМгб той же толщины и пластины АМгб без сварного шва. Со­единение титана с АМгб выдержали до разрушения от 50 до 79,7 тыс. циклов, сварные пластины АМгб — от 27 до 50 тыс., пластины из основного металла АМгб—- 168 тыс, циклов.

К числу возможных способов сварки титана с алюминие­выми сплавами относится соединение этих разнородных металлов с использованием биметаллических переходников титан — алюминий. Получение биметалла ВТ1—АМгб рассмотрено в работе [42]. Была применена технология сов­местной прокатки с промежуточным слоем из алюминия АДО. Биметалл, полученный по такой технологии, в ис­ходном состоянии при толщине промежуточного слоя АДО, равной 0,2—0,5 мм, обладает прочностью сцепления слоев на отрыв порядка (15—17) • 10~7 Н/м2, на срез — (7—8) X X 10—7 Н/м2. Биметалл отличается высокой стабильностью прочностных характеристик и высокими пластическими свойствами. Разрушение образцов на отрыв и срез всегда происходит по промежуточному слою АДО.

Одной из важнейших характеристик биметаллического соединения является чувствительность его к термическому воздействию. Термообработку биметалла проводили при температуре 400° С в течение 15 суток, при 500° С — 25 ч и при 550° С — 5 ч. При этих режимах термообработки об­разования интерметаллидов в зоне соединения ВТ1—АД1 не обнаружено; в зоне соединения АДО—АМГ6 наблюда­ется диффузия магния из сплава АМгб в слой АДО. Проч­ность соединения изменяется мало: в зависимости от вре­мени она сначала уменьшается, что, очевидно, связано со снятием нагартовки в слое АДО, а затем несколько увеличи­вается; это можно объяснить уменьшением толщины мягкого промежуточного слоя в результате диффузии магния и за­труднением условий деформирования,

Для соединения деталей из титана и алюминия может быть применена сварка трением. Эксперименты показали, что качественные соединения, равнопрочные основному, ме­нее прочному металлу в соединении, и обладающие высо­кими пластическими свойствами, могут быть получены при сварке трением низколегированных титановых сплавов (на­пример ВТ5-1) с алюминием марки АДО. При сварке тре­нием сплавов АМгб и АЦМ с ти­таном положительных результа­тов не получено: прочность со­единений хотя и составляет (20-5- -5- 30) • 10-7 Н/м2, но такие со­единения обладают низкими пластическими свойствами. Со­единения алюминиевых сплавов с титаном, обладающие достаточ­ными пластическими свойствами, могут быть получены сваркой трением через промежуточный слой АДО.

Для сочетания материалов ВТ1—АДО исследованы тем­пературно-временные условия сварки в интервале 400—600° С и при времени сварки, не пре­вышающем 30 мин (рис. 26). Соединения равнопрочные основному металлу — алюми­нию, получаются, если сварка выполняется при тем­пературе 600° С; в случае уменьшения температуры значи­тельно увеличивается время сварки. Соединения, сварен­ные на оптимальных режимах, имеют стабильные проч­ностные характеристики, разрушение образцов всегда про­исходит по основному металлу.

Металлографические исследования показали, что струк­тура зоны соединения при сварке на всех указанных режи­мах качественно примерно одинакова и характеризуется

наличием одной диффузионной зоны со стороны алюминия.

Качественные соединения других алюминиевых сплавов (например АМгб или АЦМ) могут быть получены при помощи промежуточной прокладки из алюминия АДО.

При сварке титана с высокопрочными алюминиевыми сплавами большой интерес представляет вопрос о влиянии на свариваемость легирующих элементов и, в частности, влияние магния, как наиболее эффективного легирующего компонента. Магний оказывает сильное влияние на свари­ваемость алюминиевых сплавов с титаном. Достаточно ука­зать, что сплав АМгб практически не сваривается с титаном ни сваркой трением, ни диффузионной сваркой, ни прокат­кой. При диффузионной сварке в вакууме на свариваемость влияют даже незначительные добавки магния: с увеличени­ем содержания магния от 0,5 до 2% прочность соединения снижается примерно на 40%.

В настоящее время вопрос о влиянии магния на сварива­емость алюминиево-магниевых сплавов с титаном еще не ясен. Магний не взаимодействует с титаном и способствует образованию на поверхности алюминиевых сплавов рых­лой и окисной пленки, чем и объясняется, в частности, не­удовлетворительное смачивание алюминиево-магниевых сплавов припоями. Но в этом случае на свариваемость не оказывало бы влияние время сварки. Однако, исследования показали, что при диффузионной сварке титана ВТ1 со спла­вом, содержащим около 2% Mg, при температуре 600° С в течение 15 мин прочность соединения составляет (6—7) X X 10-7 Н/м2, а при увеличении времени сварки до 30 мин прочность соединения равна нулю.