СВАРКА И СВАРИВАЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

РАЗНОРОДНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ

(Гирш В. И.)

33.1. Общие проблемы сварки и возможные пути решения

Особенности сварки разнородных материалов и вызываемые при этом трудности связаны в большинстве случаев с сущест­венным различием физических и химических свойств соединяе­мых материалов. К числу таких особенностей необходимо от­нести следующие:

резкое различие в химическом составе материалов. Это приводит во многих случаях к появлению новых нежелатель­ных с позиций формирования эксплуатационных свойств соеди­нения фаз, изменению свойств металла в околошовной зоне и изменениям в структуре в результате диффузии компонентов парного металла;

различие в теплофизических свойствах (температуре плав­ления, теплопроводности, теплоемкости, коэффициента терми­ческого расширения), что ведет к асимметрии теплового поля, возникновению остаточных напряжений и деформаций;

несовпадение диапазонов сварочных температур одного ма­териала с допускаемой температурой, при которой не проис­ходит ухудшения характеристик другого металла;

отличие в природе оксидов, их химической стойкости, тем­пературах плавления, способности к растворению в основном металле, защитных свойствах и т. п.;

различия электрических и магнитных свойств материалов; неодинаковая способность растворять газы; несовпадение диапазонов режимов термической обработки, требуемой в ряде случаев для снятия остаточных напряжений.

На свариваемость разнородных материалов определяющее влияние оказывает их физико-химическая совместимость, про­являющаяся в способности образовывать между собой твердые растворы и химические соединения (интерметаллиды). Для двойных металлических систем Юм-Розери сформулировал об­щие правила, определяющие растворимость в твердом состоя­нии, образование и стабильность промежуточных фаз. Со­гласно этим правилам:

растворимость в твердом состоянии ограничена, если раз­личия в размерах атомов компонентов, участвующих в образо­вании сплава, превышают 14—15%. При превышении значений атомного диаметра растворяемого элемента указанного пре­дела растворимость в твердом состоянии будет уменьшаться пропорционально увеличению разницы в атомных диаметрах взаимодействующих элементов, т. е. размерный фактор явля­ется неблагополучным. При малом различии (менее 14—15%) размерный фактор имеет второстепенное значение и на раство­римость в твердом состоянии влияют другие факторы;

для многих металлических систем устойчивость фаз и рас­творимость в твердом состоянии связаны с электронной кон­центрацией (число всех валентных электронов, приходящихся на элементарную ячейку при условии, что все узлы в кристал­лической решетке заняты, или число валентных электронов к числу атомов, т. е. как величина е/а);

взаимная растворимость двух элементов в твердом состоя­нии связана с их валентностью — растворимость в элементе с меньшей валентностью оказывается больше, чем в элементе с большей валентностью (эффект относительной валентности). Этот эффект не является общим правилом. При сплавлении компонентов с высокой валентностью нельзя предсказать, на основе какого из них будет образовываться более широкая об­ласть твердых растворов.

Указанное правило, сформулированное Юм-Розери, легло в основу методики анализа возможности образования твердых растворов, предложенной JT. Даркеном и Г. Гури, в основу ко­торой положено построение эллипсов растворимости (диа­граммы растворимости) [1]. Методика предполагает графиче­ское изображение зависимости максимальной растворимости в твердом состоянии различных легирующих элементов от атом­ного радиуса и электроотрицательности. Электроотрицатель­ность—количественная характеристика способности атомов химического элемента поляризовать образуемые им ковалент­ные связи. Электроотрицательность (х) характеризуют срод­ство атома металла к электрону и является функцией элек­тронного состояния:

х = 0,31 + О-5 >

где п — число валентных электронов; г — радиус атома.

Диаграмма растворимости строится в координатах электро­отрицательность— атомный радиус. Оценка растворимости оп­ределяется по сопоставлению взаимного расположения вспомо­гательных эллипсов, построенных для конкретных элементов, участвующих в образовании шва.

На рис. 33.1 приведены эллипсы растворимости для берил­лия и меди. На диаграмме координаты меди и бериллия ле­жат за пределами соответствующих больших эллипсов, но

большой эллипс каждого из этих металлов пересекает площадь малого эллипса другого металла. Этот факт позволяет сделать предположение, что в двойной системе этих металлов воз­

можно существование интерметаллических соединений, обла­стей твердых растворов какого-либо из компонентов в другом металле наряду с возможным образованием зон твердых рас­творов, интерметаллидов. Экспериментально подтверждено также наличие в системе Си — Be твердого раствора бериллия

в меди (a-фаза), у-фаза (СиВе), СиВе2, СиВе3 (6-фаза), твер­дый раствор в меди в бериллии (е-фаза).

Подобный анализ целесообразно проводить при отсутствии диаграммы состояния или при поиске материала для промежуточных слоев в сварном соединении разнородных металлов. В остальных случаях анализ диаграмм состояния более целесообразен, так как дает больший объем информации.

Металлургическая совместимость оценивается, как правило, на основе

анализа двойных диаграмм состояния

для компонентов, входящих в сваривае­мый материал. Возможность того, что 0,8 1,0 ц 1,4 1,6 о в реальных условиях процесса сварки

Атомный радиус А успеют реализоваться закономерности,

Рис. ззл. эллипсы растао - следующие из равновесных диаграмм

римости меди И бериллия СОСТОЯНИЯ, ЗЭВИСИТ В ОПрЄДЄЛЄННОЙ СТЄ-

пени от способа и режима сварки. Ос­новные методы сварки по мере их ухода от условий, соответ­ствующих условиям построения диаграмм, можно расположить в следующем порядке: шлаковые, газовые, дуговая, плазмен­ная, электронно-лучевая, лазером, контактная точечная и шов­ная, пайка, контактная стыковая, высокочастотная, трением, ультразвуком, диффузионная, взрывом, магнитно-импульсная холодная. Последовательность их расположения носит в оп­ределенной степени условный характер, так как при одном и том же методе, но при разных режимах можно иметь сильно различающиеся картины металлургического взаимодействия.

33.2. Сварка стали с металлами и сплавами других групп

33.2.1. Сварка стали с алюминием и алюминиевыми сплавами

Алюминий с железом способен давать твердые растворы, ин- терметаллидные соединения (Fe2AU—62,93 % Al; Fe2Als— 54,71 % Al; FeAl2 —49,13% Al; FeAl —32,57 % Al и др.) и эв­
тектику (Al + FeAU, Тпл = 654 °С, содержание железа в металле 1,8%). Растворимость железа в твердом состоянии ограничи­вается 0,053 % при эвтектической температуре. Растворимость алюминия в железе порядка 32%, т. е. в 600 раз выше. При затвердевании в структуре сплавов алюминия и железа выпа­дают кристаллы соединения FeAls (59,18 %).

Для условий сварки характерно появление FeAl3 и Fe2Als. Они обладают низким пределом временного сопротивления (15—17 МПа). Твердость Fe2Al5, FeAl3 и FeAl2 лежит в диа­пазоне р,« = 9600—11500 МПа. С увеличением содержания же­леза и с повышением температуры твердость снижается. Для Fe3Al jiio = 2700 МПа. Разупрочнение FeAl3 и Fe2Al5 начи­нается при температуре 0,45 Тпл - Для Fe2Als характерно аномально высокое значение удельного электрического сопро­тивления.

Интерметаллиды химически стойки. Последующая термиче­ская обработка соединений может привести только к росту протяженности зоны интерметаллидов. В соединении имеют место три характерных участка: железо (сталь)—интерметал- лидная зона — алюминий (алюминиевый сплав). Механические свойства соединений зависят от промежуточной зоны — ее со­става. количества интерметаллидов, их формы, протяженности, характера расположения и сплошности.

На алюминии образуется химически стойкая тугоплавкая окисная пленка (А1203 имеет 7ПЛ = 2047 °С), что при сварке плавлением может привести к дефекту в виде включений этой пленки в металл шва. Использование флюсов не дает положи­тельных результатов: флюсы для сварки алюминия легко­плавки, жидкотекучи, плохо смачивают стали; флюсы для стали активно реагируют с расплавленным алюминием.

Характер диффузионных процессов при сварке в твердой фазе алюминия с железом и сталью на начальной стадии вза­имодействия и в дальнейшем отличается. Показано, что в на­чальный период имеет место диффузия железа в алюминий. В результате в пограничной зоне образуется слой из смеси фаз FeAl3 + Fe2Al5. В дальнейшем при температуре, соответствую­щей рекристаллизации стали, наблюдается интенсивная диф­фузия алюминия в сталь [3, 8]. Скорость этого процесса зави­сит от химического состава материала контактирующих заго­товок и условий нагрева. Для твердофазного взаимодействия при определенных температурно-временных условиях сварки может отсутствовать сплошной фронт интерметаллидов.

Реакционная диффузия в системе алюминий — железо на­блюдается при температуре >400 °С. Рост интерметаллидного слоя подчиняется параболическому закону: у2 — 2k%, где k — величина, пропорциональная коэффициенту диффузии алюми­ния через слой.

Легирование материалов алюминиевой заготовки Si, Мп и другими элементами, а стали — V, Ті, Si и Ni ведет к повыше­нию энергии активации реакционной диффузии. Их влияние связано с затруднением образования зародышей в промежу­точной фазе. Противоположное влияние оказывает С и Мп в стали. Повышенное содержание в определенных пределах в стали свободного кислорода и азота ведет к росту темпера­туры начала образования интерметаллидов. Возникновение ин - терметаллидного слоя для каждой температуры начинается после некоторого критического времени, т. е. имеет место ла­тентный период (то), по прошествии которого идет интенсив­ное образование интерметаллидов. Его зависимость от темпе­ратуры имеет вид [8]

То = 6,0 10-13ехр (192,3/ЯГ).

При ведении процесса в твердо-жидком состоянии (с рас­плавлением алюминия) со стороны железа (стали) образуется ЕегАІ5, а со стороны алюминия — FeAb.

При сварке хромоникелевых нержавеющих сталей с алю­миниевыми сплавами интерметаллидная прослойка имеет бо­лее сложный характер и в ее образовании участвует Сг и Ni.

Биметаллическое соединение имеет удовлетворительные ме­ханические свойства лишь до образования сплошного слоя ин - терметаллидной фазы. Работоспособность соединения сохраня­ется при определенном температурно-временном воздействии. Верхний температурный порог для биметаллических изделий из рассматриваемого сочетания материалов составляет 500— 520 °С.

Основными путями получения работоспособного соединения алюминиевых сплавов со сталями являются следующие:

ограничение протяженности слоя интерметаллидных про­слоек. Высокая прочность может быть получена при ширине зоны с 10 мкм;

легирование алюминия элементами, сдерживающими обра­зование промежуточной фазы, прежде всего кремнием, а также применение стали с низким содержанием углерода и марганца, что позволяет поднять температуру образования интерметал­лидов на 40—60 °С выше температуры рекристаллизации стали. Этот путь может быть с успехом использован при сварке в твердой фазе.

Различия в пластических свойствах и твердости позволяют успешно применять для рассматриваемого сочетания материа­лов клинно-прессовую сварку при изготовлении биметалличе­ских стержней, трубчатых переходников и т. п. Температура нагрева стальной заготовки, имеющей в продольном сечении форму клина, до 500—600 °С. Предусматривают меры по за­щите стали от окисления. Высокие механические свойства со­

единения получаются при использовании покрытий из цинка на поверхности клина.

Диффузионная сварка ведется при температуре 425—495 °С (время до 10 мин, сварочное давление 210—310 Па). Поверх­ность заготовки из стали покрывается слоем Ni и W. Послед­ний с алюминием способен образовывать эвтектику. При этом температура сварки должна быть ниже температуры образо­вания эвтектики.

Ультразвуковая сварка позволяет получать нахлесточные, точечные и шовные соединения на тонких заготовках. Колеба­ния подаются со стороны алюминия. Толщина алюминия огра­ничивается величиной порядка 1,0—1,25 мм.

Сварка трением позволяет получать высокого качества со­единения, равнопрочные алюминиевому сплаву в отожженном состоянии. В процессе сварки температура в стыке быстро до­стигает своего максимума и затем стабилизируется. При сварке аустенитной стали 12Х18Н10Т с АД1 продолжитель­ность латентного периода для температуры 660 °С, что близко к развиваемой в стыке, составляет 100—120 с. Продолжитель­ность сварки ~ 10 с. Поэтому интерметаллидная фаза не успе­вает образоваться в сколько-нибудь значительных количествах. С другой стороны, непрерывно идущая осадка (главным об­разом за счет алюминия) способствует получению чистого от интерметаллидов шва (суммарная осадка ~14 мм).

При наличии в алюминиевом сплаве магния продолжитель­ность латентного периода резко сокращается. Поэтому алюми­ниевые магниевосодержащие сплавы сваривают на режимах, обеспечивающих температуру в стыке не выше 500 °С.

Сварка взрывом таких материалов требует применения барьерного слоя, который наносится на стальную заготовку. Этим способом получают слоистые листы и ленты.

Широкое применение получила сварка прокаткой, которая позволяет регламентировать температуры нагрева зоны соеди­нения. Таким способом в промышленных масштабах сварива­ется 12Х18Н10Т + АМг6; армко-железо +АМг5 и другие соче­тания.

При сварке плавлением и сварко-пайке процессы зарожде­ния и роста интерметаллидной прослойки идут значительно интенсивнее. При формировании соединения существенным яв­ляется смачивание твердой стали алюминием. Для улучшения смачивания и тем самым сокращения времени контакта рас­плава со сталью прибегают к легированию шва и нанесению покрытий на поверхность стальной заготовки (цинковое, цин- ко-никелевое — как наиболее технологичное и недорогое). После смачивания идет процесс растворения железа в жидком алюминии. Установлено, что образующаяся в процессе раство­рения фаза Fe2AU может переходить в расплав в виде кристал­

лов и растворяться. Причем скорость роста промежуточного слоя больше скорости растворения, что делает невозможным получение соединения без интерметаллидных прослоек. Сниже­ния отрицательного действия этого фактора можно добиться увеличением объема расплава алюминия (предварительная разделка кромки), оптимизацией режима с целью ограничения температуры расплава, легированием ванны через присадочный материал элементами, влияющими на скорость роста и состав интерметаллидной прослойки. Введение в шов Si (4—5%), Zn (6,5—7%), Ni (3—3,5%) позволяет уменьшить толщину интерметаллидного слоя и получать соединения с прочностью на уровне 300—320 МПа.

С учетом отмеченных особенностей в практике нашли при­менение два варианта технологии соединений методами плав­ления алюминия со сталью: 1) сварка-пайка с предваритель­ным нанесением на стальную кромку покрытия с использова­нием аргонодуговых аппаратов с неплавящимся электродом и 2) автоматическая дуговая сварка плавящимся электродом по слою флюса АН-А1. Покрытия (цинковые, алюминиевые) имеют толщину 30—40 мкм и наносятся гальваническим спо­собом или алитированием. При сварке необходимо вести дугу по кромке алюминиевого листа на расстоянии 1—2 мкм от ли­нии стыка и соблюдать определенную скорость (при малых скоростях наблюдается перегрев и выгорание покрытий, при больших — несплавления).

При сварке под флюсом роль флюса сводится к улучшению смачиваемости и торможению образования интерметаллидов. Необходимо не допускать прямого воздействия дуги на кромку стали, а разделку кромки на стали делать возможно ближе к очертанию профиля ванны. Таким способом сваривают тол­щины 15—30 мм.

33.2.2. Сварка стали с медью и медными сплавами

При нормальной температуре сплавы железа с медью пред­ставляют собой твердые растворы железа в меди (е-фаза, со­держание Fec0,2%), меди в а-железе (<0,3% Си) и смеси этих растворов (а + е). Растворимость меди в a-железе меньше, чем. в у-железе. При 20 °С при равновесных условиях в а-же­лезе растворяется менее 0,3 % Си. При 850 °С максимальная растворимость меди в 6-, у и a-железе составляет соответст­венно 6,5; 8 и 1,4%. Растворимость железа в меди уменьша­ется с понижением температуры с 4 % при 1094 °С до 0,4 % при 750 °С, при 650 °С падает до 0,2 % и с дальнейшим сни­жением температуры изменяется незначительно.

Введение углерода в железомедные сплавы несколько сни­жает растворимость меди. Марганец и кремний улучшают рас­творимость Марганец расширяет область у-твердого раствора, в котором медь растворяется интенсивнее.

физико-химические свойства Си и Fe близки (строение кри­сталлической решетки, атомные радиусы и т. д.), что дает воз­можность получения непосредственного соединения меди (мед­ных сплавов) с железом (сталью). Осложняющим фактором является различие в температурах плавления, сильная разница в теплопроводности и теплоемкости, высокая сродство меди к кислороду, ее высокая жидкотекучесть, склонность к порис­тости, появление эвтектики Си + Си20, охрупчивающей металл.

Типичным дефектом, сопровождающим сварку стали с медью (медными сплавами), наплавку, пайку сталей медь­содержащими припоями, т. е. процессы, в которых имеет место контакт стали с жидкой медью, является межкристаллитное проникновение меди в сталь (МКП). Дефект представляет со­бой трещины в виде «клиньев», заполненных медью, часто охватывающей группу зерен. Его глубина от 0,01 до 40 мм. Ло­кализация в районе действия напряжения растяжения, у кон­центраторов напряжений. Частота появления дефекта от еди­ниц до десятков на одном квадратном сантиметре. Дефект су­щественно снижает механические свойства стали (оо,2, Ов, о-ь

б) и особенно пластические. Трудно или вовсе невозможно об­наружить его неразрушающими методами контроля. Избежать появления дефекта для многих марок сталей без применения специальных методов не удается. Механизм МКП объясняется на основе представлений об адсорбционном понижении прочно­сти, межзеренной коррозии и диффузии под напряжением, рас­клеивающего действия жидкой меди. Исследования [4] пока­зали общность условий образования МКП меди в сталь и горя­чих трещин (ГТ) в стали.

Все пути и приемы, способствующие предотвращению появ­ления ГТ в стали, способствуют и предотвращению МКП меди.

Сокращение времени контакта жидкой меди со сталью, ве­дение процесса в твердой фазе при возможно более низкой температуре, легирование металла шва элементами, повышаю­щими стойкость ГТ, применение барьерных подслоек и подста­вок, повышение содержания ферритной фазы в стали способст­вуют предотвращению появления этого дефекта.

Сварка трением дает сварные соединения с прочностью на уровне основного материала в отожженном состоянии. Нет МКП меди в ста-ль, что связано со спецификой процесса: мак­симальные температуры развиваются на соединяемых поверх­ностях и обычно составляют 700—800 °С (ниже температуры плавления более легкоплавкого металла).

Сварка взрывом дает соединение высокой прочности. Появ­ления пор и микротрещин в зоне сварки крайне редки. Поверх­ность контакта имеет чаще всего типичные для сварки взры­вом волнообразный характер. Вблизи границы имеет место на­клеп, а на стороне стали возможно появление в узкой зоне закалочных структур вследствие высокой скорости охлажде­ния. Толщина плакирующего слоя (медный сплав) обычно

4— 10 мм. Отжиг при температуре 700—900 °С сваренных би­металлических листов приводит к росту пластических свойств, некоторому снижению предела прочности и уменьшению ани­зотропии свойств по площади листа. Метод применяется для получения слоистых листов и лент.

Сваркой прокаткой применяется для получения биметалли­ческих листов и лент сталь + медь, сталь + латунь, сталь + мо- нель-металл и других сочетаний. В большинстве случаев со­единение равнопрочно основному металлу. В результате терми­ческой обработки (нормализация при 750 °С в течение 30 мин) биметалла сталь — медь в углеродистой стали наблюдается скопление углерода непосредственно у медного слоя, а вблизи ее находится зона, обедненная углеродом.

Диффузионная сварка позволяет получать сварные соеди­нения медных сплавов со сталями на большой номенклатуре пар (БрОЦСб—5—5 + сталь 20ХНР, бронза БрОЦЮ—10 + + сталь 10, бронза БрОЦ8—12+сталь 12ХНЗА, бронза БрХ0,8 + сталь Э, латунь Л59 + сталь, константан+12Х18Н10Т, бронза БрАЖМЦЮ-З—1,5 + сталь ЗОХГСА, медь М1 + армко - железо и т. д.).

Температура сварки зависит от состава медного сплава и лежит в диапазоне 700—1000 °С. Сварка меди МБ, МОБ, Ml с армко-железом ведется при Т—1000 °С. Этот температурный режим при соединении БрОСНЮ-2-3 со сталью 40Х вследст­вие наличия в сплаве свинца приведет к оплавлению поверхно­сти уже при температуре 760—780 °С. В таких случаях целе­сообразна предварительная наварка на сталь медной про­кладки малой толщины (порядка 1 мм) при температуре 900 °С, а затем сваркой получают заготовки с бронзой БрОСН 10-2-3 при 7 = 750 °С. Сварка стали с медной про­кладкой при предварительном нанесении на медь слоя никеля (200 мкм) повышает качество соединения и позволяет произ­водить закалку стали. К применению прослойки никеля прибе­гают тогда, когда необходимо добиться повышения прочности соединения.

Контактная сварка ведется с применением подкладок под электрод, обеспечивающих интенсификацию тепловыделения в зоне сварки и высокие градиенты температур (например, ли­стовой молибден толщиной 0,6 мм со стороны медного сплава при сварке стали 10 с латунью Л63).

Возможна ультразвуковая сварка деталей малых толщин. Колебания подводятся со стороны меди.

Сварка плавлением выполняется различными методами —

ручная электродуговая плавящимся и неплавящимся электро­дами, полуавтоматическая и автоматическая сварка под флю­сом и в среде аргона, электронно-лучевая, газопламенная и др.

Для получения качественных соединении используются раз­личные приемы: процесс ведут с преимущественным плавле­нием медного сплава (смещение пятна нагрева на медь), используют концентрированный источник тепла, применяют на­плавки и проставки из материалов, не склонных к образова­нию трещин и т. п.

При изготовлении из­делий из листового би­металла, получаемого сваркой взрывом и про­каткой, соединения вы­полняются послойно.

В случае, если глубина ванны превосходит тол­щину свариваемого слоя, возможен переход меди в стальной шов и ста­ли— в медный. В ме­стах расплава контакта меди со сталью может иметь место МКП меди.

Все это ведет к ухуд­шению механических свойств и коррозионной стойкости биметалла. Для явлений прибегают к использованию специальной конструкции сварного соединения (рис. 33.2).

При сварке биметалла и его использовании в качестве про­ставки в результате нагрева в зоне перехода сталь — медь мо­жет иметь место снижение прочности. Термическая обработка такого материала показала, что кратковременный нагрев до 5 мин вплоть до 950 °С и длительный до температуры 250°С не оказывают существенного влияния на механические свой­ства биметалла. Это необходимо учитывать при выборе разме­ров проставки.

33.2.3. Сварка стали с титановыми сплавами

Титан с железом образует систему ограниченной растворимо­сти с эвтектоидным распадом p-фазы'. Предел растворимости титана в железе снижается от 12 % при 1200 °С до 4 % при 300 °С. Растворимость железа в а-титане составляет 0,5 и 0,05—0,1 % соответственно при 615 и 20 °С. Титан и железо
образуют химические соединения (TiFe, TiFe2> Ti2Fe) и эвтек­тики р-фаза + TiFe (1100 °С), TiFe + TiFe2 (1280 °С), TiFe2 + + а-фаза (1298 °С), содержащие 32; 62,5 и 82,5 % железа соот­ветственно. Поэтому при затвердевании расплава уже при со­держании железа порядка 0,1 % будут образовываться интер - металлиды TiFe и TiFe2, которые резко снижают пластические свойства материала.

Титан и железо имеют существенное различие в кристалли­ческом строении и физических свойствах (гл. 1, табл. 1.5).

Сварка взрывом осуществляется с промежуточными про­кладками и без прокладок. В последнем случае может иметь место появление интерметаллидов TiFe и TiFe2 в местах вкрап­ления литого металла и перемешивания. При отжиге таких соединений идет дальнейший рост интерметаллидной фазы, вы­деление карбидов титана. В зоне контакта может наблюдаться появление пор. В качестве прокладок используют ниобий, ва­надий, никель, медь, серебро, железо и сплавы из тугоплавких материалов.

Диффузионной сваркой получают удовлетворительные ме­ханические характеристики, когда ширина слоя интерметалли­дов не превышает 3—5 мкм, а в переходной зоне имеет место a-твердый раствор железа в титане. При испытаниях зона разрушения в переходе титан—железо (сталь). На проч­ность соединения влияет ширина зоны, обогащенной угле­родом.

Механические характеристики стыковых соединений, выпол­ненных диффузионной сваркой в вакууме, на материалах ВТ1-0+ 12Х18Н9Т и ОТ4+ 12Х18Н9Т (температура 750—840 °С, время сварки 15 мин), оказываются ниже прочности основного материала. Применение прокладок из V и Си при сварке ВТ6, ВТ5-1 со сталью 12Х18Н9Т позволило получить предел проч­ности вплоть до 530—570 МПа. В соединении не обнаружива­ется интерметаллидных фаз даже после длительного нагрева при высокой температуре (1000 °С в течение 10 ч). Слой Си при сварке предотвращает образование карбидов ванадия, охрупчивающих соединения. В соединении V—Си легкоплав­кие соединения и интерметаллиды не образуются. Соединения, выполненные через комбинированные прокладки меди (тол­щина 0,01 мм) и ванадия (0,07 мм), дают предел прочности 489—503 МПа при 450 °С, удельная вязкость 350 кДж/м2, угол загиба 50—60°.

Для получения стабильных результатов целесообразно в качестве прокладочного материала использовать тонкую мно­гослойную ленту (V + Cu + Ni), полученную методом горячей прокатки в вакууме. С использованием такой ленты соедине­ния ВТ5-1 и АТЗ с 12Х18Н10Т дают предел прочности при рас­тяжении 500—590 МПа.

При сварке титана с низкоуглеродистыми сталями хорошие результаты дают прослойки из серебра.

Положительные результаты дает нагрев при диффузионной сварке в расплаве солей (70% ВаСЬ+ЗО % NaCl). При этом обеспечивается быстрый и равномерный нагрев, хорошая за­щита металла в процессе сварки и охлаждения.

Контактная и ультразвуковая сварка листовых заготовок производится с применением промежуточных прокладок. При контактной сварке не допускается подплавления поверхности титана и стали. Наилучшие результаты дает контактная сварка через прослойку ниобия, а ультразвуковая — через слой се­ребра.

Клинопрессовой сваркой в среде аргона титановых сплавов со сталью 12Х18Н9Т получают положительные результаты че­рез прокладку А1 или через Си [5]. Нагрев при использовании алюминия 350 °С, при меди 850 °С. Толщина прослойки 0,1— 0,2 мм.

Из способов сварки плавлением наибольшее распростране­ние получила электронно-лучевая и аргонодуговая сварка ти­тана со сталью с применением вставок из ванадия и его сплавов.

33.3. Сварка меди и медных сплавов с металлами и сплавами других групп

33.3.1. Сварка меди с алюминием

Диаграмма состояния алюминий — медь свидетельствует, что в этой системе существует ряд устойчивых при комнатной тем­пературе химических соединений: 0-фаза (А12Си), ц-фаза

(AlCu), |2-фаза, б-фаза (Al2Cu3), у2-фаза (A1Cu2), у-фаза (АЦСиэ). Они имеют высокую твердость и низкую пластич­ность [8]. При комнатной температуре медь обладает сравни­тельно малой растворимостью в алюминии, несмотря на сход­ство в кристаллическом строении этих металлов.

В сравнении с сочетанием алюминия с другими металлами (например, Ni, Fe) для взаимодействия А1 с Си характерны большие скорости роста прослоек интерметаллидов и малая продолжительность латентного периода. Для каждого способа существует достаточно узкий диапазон значений технологиче­ских параметров режимов сварки и температурно-временных условий эксплуатации биметаллического соединения. Работа биметалла АІ + Cu допускается при температуре, не превышаю­щей 400 °С во избежание интенсивного роста диффузионного слоя и резкого ухудшения механических свойств. При нагреве выше указанной температуры в соединении алюминий+ Л96 по мере ее роста и продолжительности выдержки образца идет образование 6-фазы, которая диффундирует в латунь, в ре­зультате чего появляется у2-фаза и a-твердый раствор. Насы­щение 6-фазы с другой стороны алюминия ведет к образова­нию 0-фазы.

В связи с тем, что существуют достаточно пластичные сплавы системы А1—Си, содержащие до 7 % Си, и бронзы с содержанием А1 до 10 %, является перспективным такое ве­дение процесса сварки плавлением, когда содержание меди в сварном шве не будет превышать 6—8 %.

Холодная сварка применяется главным образом для мест­ного плакирования алюминиевых деталей медью (токоведущие элементы трансформаторов, шинопроводы, токоподводы к элек­тролизерам) точечной сваркой, получения стыковых соедине­ний проводов, шин и других элементов компактных сечений. Материал заготовок — технически чистая медь и алюминий.

Методом холодной прокатки получают биметаллические ли­сты, полосы (карточная и рулонная прокатка). Степень об­жатия при сварке прокаткой 60—75 %.

В связи с необходимостью создания в зоне соединения на­правленного течения металла эта специфика процесса накла­дывает определенные ограничения на соотношения толщин ис­ходных заготовок. В связи с этим получить листовой материал при толщине больше 4 мм и малой толщине плакирующего слоя затруднительно или вовсе не представляется возможным. Для электротехнической промышленности получают слоистый материал с минимальной толщиной медного покрытия 0,1 — 0,8 мм.

Принципиальных ограничений на размеры сечений при сварке встык, кроме возможностей самого оборудования, нет. Реально сваривают элементы с площадью сечения до 1000 мм2. Техника подготовки и сварки не отличается от общих техноло­гических закономерностей холодной сварки.

При этом способе сварки образование интерметаллидов ис­ключено, так как процесс идет без предварительного нагрева.

Сварка трением и ультразвуковая применяется для более широкой номенклатуры свариваемых алюминиевых и медных сплавов. Основная особенность, присущая этим методам, со­стоит в том, что в силу их специфики из зоны соединения не­прерывно идет эвакуация нежелательных продуктов взаимо­действия материалов (интерметаллидов). При сварке трением меди со сплавом АМц на шлифах наблюдается прерывистая узкая ( — 1,5 мкм) зона интерметаллидов.

При ультразвуковой сварке соединение выполняется вна­хлестку точками или непрерывным швом. В силу специфики процесса толщина заготовки, со стороны которой подводятся колебания, ограничена величиной порядка 1,2—1,5 мм из-за гистерезисных потерь в толще материала.

Диффузионная сварка дает доброкачественные соединения при сварке Си с А1 и некоторыми его сплавами при макси­мально возможном ограничении температуры нагрева, времени сварки и при использовании барьерных подслоев и покрытий. В качестве материала таких слоев могут быть использованы Zn, Ag, Ni.

Сварка плавлением может осуществляться только в том случае, когда обеспечивается в основном плавление алюминия. Это может позволить получать в шве металл с ограниченным (6—8%) содержанием меди, что обеспечивает оптимальное со­четание свойств соединений. Основные пути решения задачи: применение рюмкообразной разделки кромок, снижение опас­ности перегрева металла в корне шва, легирование металла шва Si, Zn, использование барьерных подслоев.

Нанесение на медную кромку электролитическим путем слоя цинка толщиной порядка 60 мкм при аргонодуговой сварке позволяет снизить содержание меди в шве до 1 % и в 3—5 раз уменьшить протяженность интерметаллидной про­слойки со стороны меди (до 10—15 мкм). Кромка медной за­готовки при этом разделывается под углом 60°. Введение Zn через присадку при аргонодуговой сварке под флюсом приво­дит к тому, что содержание меди не превышает 12%, а коли­чество цинка в шве может достигать 30 %. Соединения, полу­чаемые в таких случаях, разрушаются при испытании по алю­минию вдали от шва.

Электролитическое нанесение на медную кромку слоя олова или цинка при сварке металла малой толщины (3—8 мм) поз­воляет получать доброкачественные соединения, так как слой покрытия, выполняющий роль барьера, кроме того, создает перед движущейся волной жидкого металла прослойку, облег­чающую смачивание поверхности расплавом алюминия.

Применение более жестких режимов сварки (больших, чем необходимо для сварки алюминия) способствует получению удовлетворительного качества соединения. С уменьшением ско­рости сварки увеличивается переход меди в шов, растет время пребывания зоны контакта материалов при температуре интен­сивного роста интерметаллидов. Рекомендуется [3] выбирать погонную энергию из соотношения ^/и=(18,8—20,9)6, где 6 — толщина свариваемого материала.

Смещение электрода в сторону более теплопроводной меди должно составлять (0,5—0,6)6.

33.3.2. Сварка меди с титаном

Особенностью металлургического взаимодействия Ті с Си, ока­зывающего влияние на условия и саму возможность получения соединений между ними и качество соединения, является способность этих металлов вступать в химическое взаимодействие с образованием интерметаллидов состава Ti2Cu (39,88 % Си), ТіСи (57,0% Си), ТіСи3 (79,92 % Си), давать легкоплавкие эвтектики при концентрации меди 66 и 43 % с температурой плавления соответственно 855 и 955 °С. Титан и медь образуют систему с ограниченной растворимостью и эвтектоидным рас­падом p-фазы. Максимальная растворимость меди в а-титане и р-титане составляет 2,1 и 13,4 % при 990 °С. Растворимость Ті в Си при 400 °С 0,4 %. Поэтому в условиях сварки плавле­нием, когда материал обеих заготовок находится в жидком состоянии, в металле шва при кристаллизации будут неиз­бежно появляться интерметаллиды и легкоплавкие эвтектики. Последнее обстоятельство сопряжено с опасностью возникно­вения трещин. Рассматриваемые материалы резко отличаются по температурам плавления и другим теплофизическим харак­теристикам.

В связи с указанными металлургическими и физическими особенностями для этой пары материалов наибольшие перспек­тивы имеют процессы сварки давлением. Применение методов сварки в жидкой фазе возможно при условии плавления только медной заготовки (режим сварко-пайки) с ограничением про: должительности контакта расплава с твердым металлом или с использованием промежуточных вставок, играющих роль барьера.

Диффузионная сварка без применения промежуточных барьерных слоев возможна в узком диапазоне режимов и дает соединения с низкой прочностью. Для получения равнопроч­ного соединения используют прослойки из ванадия, молибдена, ниобия.

При сварке ОТ4, ВТ14 с медью Ml и бронзой БрХ0,8 ис­пользуются прослойки из Мо и Nb толщиной 0,1—0,2 мм в виде фольги или напыленного слоя. В последнем случае после на­пыления на Ті проводят отжиг в вакууме при температуре 1300 °С в течение 3 ч. Применение этих материалов обуслов­лено тем, что они с Ті образуют твердые растворы, а с Си не дают хрупких фаз. При диффузионной сварке лучшие резуль­таты получены при использовании радиационного (печного) нагрева. Температура нагрева 950—980 °С. Продолжитель­ность 0,5—5 ч. Более высокие температуры и продолжитель­ность относятся к печному нагреву.

Сварка плавлением ведется с расплавлением только меди. Использование жестких режимов способствует сокращению времени контакта расплава с твердым титаном.

Электронно-лучевая сварка на жестких режимах дает со­единения с удовлетворительными механическими свойствами только на тонких листовых заготовках. При аргонодуговой сварке предварительное напыление плазменным методом мед - ного покрытия толщиной 0,15—0,25 мм на титановую кромку, смещение электрода от оси стыка в сторону Си на 2,5—4,5 мм и разделка титановой заготовки под углом 45° несколько улуч­шают условия формирования шва, но не предотвращают пол­ностью появления интерметаллидов. При последующем нагреве такого соединения до 400—500 °С резко снижается прочность и пластичность.

Радикальным решением при сварке плавлением является применение вставок из Nb или Та. При электронно-лучевой сварке получают соединения с высокой пластичностью (угол загиба 180°). При АДС этот показатель составляет 120—160°. Ударная вязкость на уровне 700—800 кДж/мм2. Разрушение при испытании сварных соединений происходит по границе с медным сплавом.

33.3.3. Сварка меди с тугоплавкими металлами

Медь с молибденом взаимно нерастворимы, но жидкая медь способна смачивать его поверхность. Поэтому для получения соединения этого сочетания материалов нашли применение сварко-пайка, диффузионная и электронно-лучевая сварка. В электронной промышленности получил распространение спо­соб заливки в специальные оправки в вакууме расплавом меди молибденового стержня с последующим изготовлением из по­лученной заготовки деталей механической обработки.

Сварка Си с Nb осложнена значительным различием в тем­пературах плавления и теплопроводности и различной реак­цией на присутствие водорода. Поэтому для сварки плавле­нием пригоден только Nb с низким содержанием водорода. Nb с Си образует ограниченные растворы. При 950 °С в Ni растворяется 2,2 % меди.

При аргонодуговой сварке вольфрамовый электрод распо­лагают над медной кромкой при небольшом ее превышении над кромкой второй заготовки (порядка 0,2—0,25 мм). При элек­тронно-лучевой луч смещают в сторону медной заготовки по­рядка 0,75 ее диаметра. Процесс сварки критичен к точности сборки и расположению пятна нагрева на изделии. В случае отклонения — непровары, прожоги, подрезы. Из-за высокой теплопроводности расплав быстро кристаллизуется и в шве могут фиксироваться выделяющиеся пузырьки газа. Этот де­фект устраняется при повторном переплаве.

Сварные соединения, выполненные аргонодуговой и элек­тронно-лучевой сваркой, равнопрочны основному материалу (разрушение при испытании идет по меди) и достаточно пла­стичны (угол загиба 120—180°).

Сварные соединения W с Си, выполненные диффузионной сваркой непосредственно, имеют низкую прочность. Подслой

Ni позволяет получать сварные соединения с уровнем прочно­сти до 133 МПа (температура сварки 700 °С, сварочное дав­ление порядка 15 МПа, время сварки 15 мин). При этом зна­чительно увеличивается усталостная прочность соединения в условиях термоциклирования.

33.4. Сварка титана с алюминием

Основные трудности получения непосредственного сварного со­единения этого сочетания металлов связаны с образованием химических соединений TiAl при 1460 °С (содержание А1 36,03 %) и ТіАІз при 1340 °С (содержание А1 60—64%) в ре­зультате перитектической реакции. Предельная растворимость Ті в А1 мала и составляет 0,26—0,28 % при 665 °С. При 20 °С эта величина снижается до 0,07%- Алюминий в титане обра­зует ограниченные области а - и p-растворов. Технически чи­стый А1 и Ті обладают высокой пластичностью. Эти материалы сильно отличаются по температуре плавления и другим тепло­физическим величинам. Сплавы титана имеют значительно бо­лее высокую прочность и твердость.

В связи с отмеченными особенностями получить соединение при расплавлении обеих заготовок с получением металла шва, представляющего твердый раствор, практически невозможно. Шов всегда будет содержать интерметаллиды, сильно охруп - чивающие соединение.

Из методов сварки в твердой фазе получила применение холодная сварка технически чистых алюминия и титана. Тех­ника холодной сварки принципиально не отличается от сварки других сочетаний металлов. Полученные соединения равно­прочны основному металлу.

Диффузионной сваркой удается сваривать достаточно боль­шую номенклатуру сочетаний титановых и алюминиевых спла­вов при высоком качестве соединения. Сварка ведется при тем­пературе 560—720 °С и продолжительности нагрева порядка 10 мин. Термическая обработка таких соединений при 500 °С в течение 10 ч и при 600 °С в течение 1 ч не приводит к сни­жению механических свойств и вакуумной плотности. Интен­сивный рост интерметаллида (А13Ті) начинается после 2-ч вы­держки при 600 °С. Толщина прослойки интерметаллида при диффузионной сварке достигает 12 мкм, что существенно не отражается на механических свойствах. Разрушение образцов, полученных диффузионной сваркой, при испытаниях идет по алюминиевой заготовке.

Сварка методами плавления возможна в случае, когда бу­дет обеспечено расплавление только А1 при минимальном пе­регреве и при ограничении времени контакта расплава с по­верхностью титановой заготовки, т. е. в режиме сварки-пайки,

При этом время контакта с расплавом должно быть меньше времени ретардации образования интерметаллидов. При тем­пературе 700—800 °С и выдержке 15 с интерметаллиды еще не образуются. Повышение температуры до 900 °С и выше приводит к появлению в зоне контакта соединения ТіА13. Та­ким образом, техника сварки должна быть такой, чтобы в зоне контакта температура не превышала 850 °С. Такие условия можно получить, расплавляя только алюминий.