СВАРКА разнородных металлов и сплавов

ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

Сварка разнородных металлов, как правило, связана с рядом дополнительных технологических трудностей и поэтому требует весьма глубокой разработки технологического процесса, применения различных способов и технологических приемов, обеспечивающих направленное регулирование тепловых и диффузионных процессов с целью получения сварных соединений с требуемыми для эксплуата­ции свойствами. Помимо металлургической совместимости, при сварке разнородных металлов необходимо уделять внимание физи-

4 B# Р. Рябов и др.

ческим свойствам металлов: их теплопроводности и теплоемкости, электромагнитным свойствам.

Рассмотрим некоторые особенности сварки разнородных метал­лов более подробно. Уже небольшое различие (30—50 °С) в темпе­ратурах плавления соединяемых металлов, например алюминиевых сплавов, приводит к тому, что даже при строгом ведении электрода вдоль стыка в большей степени обычно расплавляется тот металл, который обладает меньшим коэффициентом теплопроводности [194].

При выборе режимов сварки необходимо учитывать, что глубина проплавления, например, для свариваемых сплавов никель НП2 + + сталь 12Х18Н10Т больше, чем у свариваемых сплавов НП2 + + СтЗ при одинаковых режимах сварки, так как коррозионно - стойкая сталь обладает более низкой теплопроводностью и концен­трирует у своей кромки большее количество теплоты [53]. Для того чтобы предотвратить тепловые потери во время сварки, необходимо вводить большее количество теплоты к металлу, который имеет лучшую теплопроводность. Одним из путей реализации этого может быть предварительный подогрев одной из деталей, хотя в процессе сварки источник теплоты может быть расположен таким образом, чтобы теплота в большей степени концентрировалась на материале, являющемся лучшим ее проводником. Например, при соединении ниобия с медью высокая теплопроводность последней, превышающая теплопроводность ниобия примерно в 9 раз, обусловливает необхо­димость концентрации большей части теплоты источника нагрева на медном сплаве. Поэтому при сварке этих металлов (близких толщин) источник нагрева смещают в сторону медного сплава. При соедине­нии ниобиевого сплава ВН2А встык с хромистой бронзой БрХ0,8 для толщин 1—1,5 мм удовлетворительное формирование шва обес­печивает аргонодуговая сварка при смещении вольфрамового элек­трода от линии стыка на 1 мм в сторону медного сплава [93 ].

При электронно-лучевой сварке проплавляющая способность луча зависит как от химического состава металла шва (соотношения различных металлов в шве), так и от теплофизических свойств соеди­няемой пары [53]. В связи со значительными различиями в темпе­ратуре плавления и теплопроводности отмечается неравномерное сплавление соединяемых металлов при сварке, что обусловливает необходимость правильного распределения мощности источника нагрева при соединении этих металлов. При электронно-лучевой сварке встык разнородных металлов естественным было бы ожидать, что мощность электронного луча будет средней между мощностями, необходимыми для проплавления каждого из двух металлов в от­дельности. Однако в некоторых случаях для полного проплавления металлов достаточной оказывается мощность меньшая, чем это необ­ходимо для сварки наиболее легко проплавляемого металла. При этом существенно изменяется и геометрия сварного шва.

На неизменном режиме электронно-лучевой сваркой проплавляли составные образцы (рис. 42), в средней части которых пластина переменной толщины из бронзы БрХ0,8 была плотно прижата к пла­стине из стали 12Х21Н5Т. Составной образец имел плоскую гори-

Рис. 42. Формы сварного шва в поперечном сече­нии при проплавлении: а — тали; б — бронзы со сталью (толщина брон­зовой накладки 2 мм); в — бронзы

зонтальную поверхность для того, чтобы при его проплавлении по­ложение фокуса электронного пучка оставалось неизменным относи­тельно поверхности образца. Если имеет место проплавление бронзы и стали, параметры шва мало зависят от толщины бронзовой накладки. Причем для появления рассматриваемого эффекта доста­точны очень малые добавки как бронзы в сталь, так и стали в бронзу.

Не вдаваясь в анализ явлений, сопутствующих электронно­лучевой сварке, отметим, что авторы работы [53 ] объясняют наблю­даемое при сварке сужение швов и увеличение проплавляющей способности пучка электронов его дополнительной фокусировкой* В работе [142] в процессе электронно-лучевой сварки меди Ml со сталью 20 наблюдалось явление смещения электронного пучка на сталь (скачки электронного пучка) в случае установки электрон­ного пучка на медь. При электронно-лучевой сварке меди с никелем отмечено колебание пучка электронов в поперечном направлении, вызванное, по утверждению авторов [196], остаточным магнетизмом никеля и неизвестным внешним электромагнитным эффектом.

По литературным данным, снижение эффективного КПД нагрева изделия при аргонодуговой сварке меди МІ б с железом (низкоугле­родистой сталью) по отбортовке объясняется отклонением дуги к железу, характерным для сварки указанного сочетания металлов.

При сварке толстолистовых разнородных соединений сталей 12Х18Н10Т + 09Г2С вследствие действия электромагнитных сил проплавление перлитной стали вдвое больше, чем стали 12Х18НГ0Т (немагнитной); формирование швов при этом неудовлетворительное (широкий шов с неровной поверхностью и шлаковыми включениями). Для компенсации магнитного дутья рекомендуется [85] при автома­тической и ручной сварке смещать электрод на одну треть от центра соединения в сторону аустенитной стали, чтобы обеспечить ее спла­вление с металлом шва. Для сварки характерно также то, что вслед­ствие значительного различия в коэффициентах линейного расшире­ния между соединяемыми металлами возникают большие напря­жения. Если для однородных соединений снятие напряжений после сварки возможно путем термообработки, то для большинства сварных соединений из разнородных металлов такой способ неприемлем.

Коэффициенты линейного расширения двух металлов, подлежа- щих~соединению друг с другом, должны быть известны и сравнены. Если установлено, что коэффициенты линейного расширения соеди­няемой пары близки друг к другу, то какое-либо особое затруднение во Івремя сварки отсутствует. Если же имеется значительное разли­чие между ними, то эту трудность можно преодолеть более высоким предварительным подогревом металла, обладающего меньшим коэф­фициентом линейного расширения. Другой путь — применение

Рис. 43. Технологические схемы получения сварных соединений между разнородными ме­таллами:

а — наплавки на свариваемые кромки металлов А и В промежуточного металла; б — на­плавка на плоскость; в — металлическая вставка; г — наложение проволоки; д — введение металлического порошка или флюса; е — распыление металла или плакирование*, он — переходники плоские и з — трубчатые вставки

промежуточных металлов-компенсаторов (наплавка на кромки, вставки и т. п.) [128]. В решении проблемы сварки разнородных металлов в настоящее время наметился ряд направлений. Рассмотрим некоторые технологические аспекты сварки разнородных металлов [90]. Сварка разнородных металлов может быть осуществлена по различным технологическим схемам (рис. 43).

Наплавка на свариваемые кромки промежуточного металла. Если при непосредственном соединении под действием теплоты сварки и термических напряжений образуются трещины, то предварительно на кромки металла с низкой вязкостью наплавляют промежуточный материал с высокой вязкостью, после чего разнородные металлы сваривают как одноименные. Такой метод успешно применяют, на­пример, при сварке разнородных сталей, чугуна со сталью и др.

На рис. 44 приведена схема облицовки свариваемых кромок [32]. Наиболее приемлема облицовка при расположении кромки под углом ~15° по отношению к вертикали и при таком же угле наклона элек­трода, только в другую сторону. Для придания коррозионной стой­кости определенному участку детали или изделия, износостойкости или других функциональных свойств часто необходимо наплавить

металл 'с особыми свой­ствами на другой металл, такими свойствами не

Рис. 44. Схема облицовки сваривае­мой кромки в вертикальном положе­нии:

а — выполнение первого валика; б — второго валика; в — последо­вательность выполнения последую­щих валиков

обладающим. Для этого требуется применять такие режимы ^ сварки, чтобы глубина проплавления была минимальной (рис. 43, а, б).

Применяют также следующий метод наплавки: на основной ме­талл накладывают заготовку из легкоплавкого металла. Между за­готовкой и электродом возбуждается электрическая дуга, теплота которой плавит заготовку. В результате между дугой и изделием создается слой расплавленного металла заготовки, предохраня­ющий поверхность детали от прямого действия на нее дуги.

При определенных режимах наплавки расплавление поверхности детали из черного металла отсутствует, но поверхность нагревается до температуры, равной температуре плавления металла заготовки или несколько превышающей ее. В этих условиях процесс смачива­ния стали расплавленным цветным металлом протекает успешно, и получается качественное сварное соединение.

Металлические вставки. Одним из примеров вставки между соеди­няемыми металлами служит припой, применяемый при пайке. Но в данном случае под металлической вставкой подразумевается тре­тий металл, хорошо совместимый с обоими соединяемыми металлами и вставляемый между ними в случае, если непосредственное соеди­нение выполнить не удается из-за образования интерметаллидов и сварочных дефектов.

При сварке ниобия со сталью давлением, например, применяют прослойки из меди, ванадия, никеля. Кроме обычного способа, за­ключающегося в том, что полосообразную металлическую вставку зажимают между кромками (рис. 43, в), существуют также способы наложения проволоки на верхние края кромок, введения металли­ческого порошка или флюса в зазор между кромками, покрытия поверхности кромок при помощи плакирования или распыления металла.

Промежуточный слой применяют, например, при диффузионной сварке и сварке трением с целью избежания образования интерметал­лидов. Этот метод весьма перспективен при соединении разнородных металлов. Один из методов применения промежуточной вставки заключается в использовании специально выплавленного сплава (например, никелида титана или бронзы при сварке алюминиевых сплавов со сталями, ванадиевого сплава V8W при сварке титана со сталью и др.), сваривающегося с обоими соединяемыми металлами.

Имеются примеры сварки с помощью промежуточных металлов таких сочетаний: алюминий + никель + сталь типа 18-8 и сталь типа 18-8 + ванадий + кобальт + сплав ZrSn2 [196]. В первом слу­чае предварительно осуществили соединение алюминия и никеля, а уже затем к нему была приварена сталь типа 18-8. Во втором слу­чае последовательно сваривали хорошо совместимые с металлурги­ческой точки зрения металлы: сплав ZrSn2 + титан; титан + ко­бальт; кобальт + ванадий; ванадий + сталктипаЧв-в.

Успешное соединение алюминия и стали типажі8-8 одной проме­жуточной вставкой, а той же стали и cmiaBa? ZnSn2 тремя промежу­точными металлами продемонстрировало пригодность подобной тех-

ники с применением электронно-лучевой сварки для соединения разнородных металлов, которые не могут быть приварены непосред­ственно друг к другу.

Переходные соединения. В случае, если непосредственное соеди­нение затруднено предварительно одним из способов сварки, обла­дающим высокой надежностью (например, сваркой взрывом), вы­полняют соединение разнородных металлов А я В. Такой переходник вставляют в виде промежуточного между металлами А и В и вы­полняют сварку между ними и промежуточным соединением как сварку одноименных металлов. Такое промежуточное соединение называется переходным соединением, или переходной вставкой. Оно может быть плоским (рис. 43, ж) и объемным (трубчатым).

В работе [32] приведен пример соединения труб из разнородных сталей с помощью специального переходного элемента — вставки «келкаллой». Сплавление разнородных сталей производится автома­тической наплавкой или заливкой высоколегированного (аустенит - ного) металла на сточенный на конус отрезок трубы из менее леги­рованной (перлитной) стали. Фирма «Маннесман» предложила изго­товлять такие соединения прессовой сваркой труб, предварительно расточенных на конус. Вставки могут быть получены методами порошковой металлургии. Они имеют переменный химический состав при переходе от одного металла к другому.

Расплавление более легкоплавкого из соединяемых металлов. Одним из способов сварки разнородных металлов может быть сварка в твердожидком состоянии, т. е. с расплавлением одного из соединя­емых металлов, имеющего более низкую температуру плавления. Иногда такой процесс называют сварка-пайка.

Химически прочные связи в таком соединении образуются в про­цессе смачивания жидким металлом поверхности твердого металла и последующей диффузии. Такой метод сварки возможен для соеди­нения металлов с большой разницей в температурах плавления [166]. Например, разработан способ сварки разнородных металлов внахлестку [А. с. № 484059 (СССР)]. Для упрощения оборудования по предлагаемому способу подогрев более тугоплавкого металла и плавление легкоплавкого осуществляют одновременно одним источником теплоты, располагаемым со стороны более легкоплав­кого металла.

В работе [196] приведены результаты электронно-лучевой сварки 33 сочетаний разнородных металлов. Толщина соединяемых элемен­тов 2 и 3 мм. Шов стыковой без скоса кромок. Многие соединения сварены посредством смещения электронного луча на 0,5 мм относи­тельно стыка с целью достичь расплавления металла с более низкой температурой плавления при незначительном расплавлении другого металла. Таким способом создано соединение, ранее получавшееся посредством сварки-пайки. При этом один из металлов пары вы­ступал в роли присадочного металла. Способность методом элек­тронно-лучевой сварки точно определять место сварного шва и удобная форма зоны проплавления позволяют хорошо регулировать относительные количества обоих металлов в металле шва.

рис. 45. Cxetfa электроМно-лучевой сварки разнор одных металлов:

1 — основной металл; 2 — медный экран;

3 — медная прижимная планка; 4 — кром­ка медного экрана; 5 — смещение элект­ронного луча; 6 — угол отклонения пуч­ка; 7 — пучок электронов; 8 — канавка в планке; 9 — подкладная планка

Схема электронно-лучевой сварки в вакууме при дав­лении 6,66 МПа, максималь­ной мощности 3 кВт, потен­циале пучка электронов 150 кВ

и сварочном токе 20 мА показана на рис. 45 [196]. Если

свариваются «совместимые» металлы, то медный экран 2 не приме­няют, а пучок электронов устанавливают перпендикулярно плоско­сти листа в месте соединения металлов, как показано на рис. 46, а. Для разнородных металлов, образующих хрупкие, склонные к обра­зованию трещин сварные швы, пучок электронов смещают главным образом в сторону металла В (рис. 46, б) с целью ограничения пла­вления металла А. Если расплавленный верхний угол металла А ухудшает качество сварного шва, плавление его полностью устра­няют, используя медный экран, как показано на рис. 46, в. Наблю­даемый в некоторых случаях непровар корня шва (рис. 46, г) пред­отвращают изменением угла наклона пучка электронов к поверх­ности листа (рис. 46, д). В большинстве случаев пучок электронов смещают в направлении того металла, у которого температура пла­вления ниже.

Расплавление более легкоплавкого металла и нанесение покрытий на поверхность более тугоплавкого металла. Сварка разнородных металлов с расплавлением одного из них возможна при условии строгого соблюдения параметров режима, определяющих время кон­такта между жидким и твердым металлами. Нанесение на поверх­ность твердого металла покрытий, увеличивающих допустимое время контакта между твердым и жидким металлами, позволяет расширить диапазон режимов [166]. Покрытия, наносимые на поверхность

7.

/ — пучок электронов; 2 — медный экран; 3 — смещение со стыка пучка электронов; 4 —

угол наклона пучка электронов

нерасплавляемого металла, должны состоять из элементов, не обра - зующих химических соединений с элементами свариваемых металлов, и способствовать торможению диффузионных процессов на границе контакта соединяемых металлов или повышать пределы взаимной растворимости элементов, влияющих на образование химических соединений. Такой метод позволяет расширить номенклатуру соеди­няемых в разнородном сочетании металлов и расширить допуски на колебания параметров режима сварки.

Расплавление соединяемых поверхностей. Металлы, образующие при взаимодействии непрерывный ряд твердых растворов (ниобий — молибден, титан — ниобий, ниобий — ванадий и др.), но имеющие существенное различие в теплофизических свойствах, и металлы с ограниченной взаимной растворимостью (железо — медь, железо — ванадий и др.) могут быть сварены между собой с расплавлением соединяемых поверхностей, однако концентрация элементов в рас­плаве должна быть строго регламентирована.

Заданную концентрацию соединяемых элементов в металле шва можно получить смещением источника теплоты в сторону одного из расплавляемых металлов или другими технологическими при­емами. Необходимую концентрацию элементов в металле шва можно получить также, расплавляя отбортованную кромку одного из сва­риваемых разнородных металлов (см. рис. 48).

Разделка кромок. Для сварки разнородных металлов применяют те же виды соединений, что и для однородных: встык, внахлестку, в угол. Однако в конкретных случаях соединения различных пар металлов имеются особенности, определяемые требованиями к кон­струкции узла. Для максимального уменьшения количества теплоты, вводимого в зону сварки, угол разделки кромок уменьшают и ста­раются выполнять стыковые швы. Это требование противоречит необходимости максимальной разделки кромки со стороны более тугоплавкого металла, например при непосредственной сварке стали с алюминием, которая делается в этом случае с тем, чтобы до мини­мума свести растворение и переход стали (железа)-в алюминий.

Рассмотрим соединение стальных труб с алюминиевыми. Часто для труб из разнородных металлов выбирают телескопические со­единения. Недостаток такого соединения состоит в том, что какая - либо механическая его обработка невозможна, так как нарушается его прочность и плотность.

С целью обеспечения возможности двусторонней механической обработки, позволяющей получить трубное соединение (переходник) с гладкой внутренней и внешней поверхностью, а также для увели­чения прочности, улучшения работоспособности и вакуумной плот­ности сварного соединения предложена несимметричная разделка кромок с углом скоса стальной детали в 1,5—2 раза больше, чем у детали из другого сплава (например, алюминиевой) [А. с. № 484944 (СССР) ]. Толщина алюминиевой детали должна быть в 2 раза больше стальной.

На рис. 47, а показано сваренное трубное соединение (патрубок) с формой разделки кромок, а на рис. 47, б — то же после обработки

(проточки). Сначала стальную деталь (трубу) подвергают механи­ческой очистке и алитированию на длине 100—150 мм, а трубу 2 из алюминиевого сплава обезжиривают, травят и пассивируют. Толщина стенки трубы 2 из алюминиевого сплава в 2 раза больше, чем толщина стенки трубы 1. Таким образом, труба 2 должна иметь наружный диаметр на 4—10 мм больше диаметра трубы У, а внутрен­ний диаметр меньше на 4—10 мм.

После V - или Х-образной разделки кромок под углом скоса 70° для детали У и 40° для детали 2 трубы собирают с зазором 1,5—2 мм на прихватках, расположенных снаружи. Непосредственно перед сваркой трубы из алюминиевого сплава подогревают до 100—200 °С и соединяют многопроходной аргонодуговой сваркой вольфрамовым электродом. Шов 3 сначала выполняют изнутри в последователь­ности а, б, в, а затем снаружи в последовательности г, д, е, ж, з. После сварки внутреннюю и внешнюю поверхности переходника протачивают на токарном станке. Применение различных типов соединений при сварке ниобия со сталью описано в [153]. Опробова­ние при сварке прямолинейных и кольцевых швов показало, что в зависимости от толщины свариваемых металлов наиболее техно­логичны соединения внахлестку (б< 0,5 мм) и встык (б = 0,8 - ь - И мм) с отбортовкой кромки или с применением промежуточных расплавляющихся вставок из стали 12Х18Н10Т (рис. 48).

При сварке со вставками концентрированный источник цагрева направляют на кромку вставки. Благодаря снижению теплоотвода для расплавления вставки требуется меньшее количество тепловой энергии, чем для расплавления отбортованной кромки. За счет вставки погонная энергия при сварке может быть уменьшена на 20 — 25 %, что снижает вероятность образования хрупких прослоек в зоне сварного соединения.

Остановимся на особенностях сварки конструкционных биметал­лов. Для примера рассмотрим сварку стыковых соединений би­металла титан — сталь. В процессе сварки плавлением должно быть исключено перемешивание в металле шва титана со сталью. При­меняют два способа [128]: сварку с накладками и без накладок (с подслоем). По первому способу требуемая механическая прочность достигается за счет сварного шва основного (стального) слоя. На­кладка, привариваемая к плакирующему слою, предназначена только для создания^коррозионной стойкости соединения. Между накладкой и сварным швом основного слоя располагают заполнитель,

предназначенный для увеличения коррозионной стойкости соедине ния в случае проникания агрессивной среды под накладку. В каче­стве заполнителя используют серебро, которое хорошо сплавляется с титаном, легкоплавкие припои или полимеры типа эпоксидных смол, выбор состава которых определяется агрессивной средой.

Цо второму способу технология сварки биметалла предусматри­вает раздельную сварку титана и стали без ухудшения структуры граничной зоны. Для этого в плакирующем (титановом) слое в паз укладывают тонкую прокладку из тугоплавкого металла (ванадия, ниобия), а на нее — присадочную проволоку из титана, диаметр которой зависит от толщины слоя. Сварку основного слоя выпол­няют на режимах, исключающих протекание превращений в гранич­ной зоне биметалла. При сварке плакирующего слоя дугу напра­вляют по оси уложенной проволоки, при расплавлении которой образуется шов. Так как температура тугоплавкого металла (ниобия, ванадия) выше температуры плавления титана и прямое воздействие дуги на прокладку отсутствует, последняя проплавляется лишь ча­стично и тем самым препятствует взаимодействию титана со сталью и образованию хрупких фаз.

Сварку биметалла ВТ 1-0 + СтЗ, прокатанного с подслоем вана­дия в вакууме при толщине слоев: стали 8 мм, титана 2 мм, вы­полняют следующим образом: со стороны стали биметалл сваривают вручную электродами УОНИ 13/45, со стороны титана — аргоно­дуговой сваркой вольфрамовым электродом с присадочной проволо­кой ВТ 1-0 диаметром 4 мм. Для стального слоя (6 = 8 мм) выпол­няют V-образную разделку с углом раскрытия 60°; со стороны пла­кирующего слоя снимают титан на расстоянии 3 мм от оси стыка.

Для предохранения от окисления титана при сварке стального слоя обратную сторону шва защищают аргоном. После сварки сталь­ного слоя места наложения швов со стороны титана зачищают до ме­таллического блеска. Режим сварки: /св = 120-ИЗО А; £/д = 25-^- - г-26 В; диаметр электрода 3 мм; vCB = 7 м/ч. При наложении пер­вого шва со стороны стали требуется строгий контроль режима. Для полного проплавления стального слоя необходима погонная энергия ~ 10,45 кДж/см. При наложении второго шва на сталь каких-либо превращений в граничной зоне биметалла не проис­ходит, так как нагрев в этой зоне не превышает 880 °С. Режим сварки второго шва: /св = 170-s-180 А; t/д = 25-^26 В; vCB = 7 м/ч; диаметр электрода 4 мм. При сварке со стороны титана в граничной зоне би­металла превращений также не происходит. Режим аргонодуговой сварки титана: /св = 160-И 70 А; t/д = 10-М2 В; диаметр вольфра­мового электрода 3 мм; диаметр присадочной проволоки 4 мм; по­гонная энергия 5,4 кДж/см; расход аргона для защиты дуги 8— 10 л/мин, шва — 3—4 л/мин; диаметр сопла горелки 18 мм.

Приведенная технология обеспечивает полное проплавление стального, несущего слоя и неполное — плакирующего. При тол­щине титана 2 мм глубина проплавления плакирующего слоя 1,7— 1,8 мм. Структура шва со стороны стали ферритно-перлитная, мелко­зернистая, со стороны титана — игольчатая. Временное сопротивле­ние сварных соединений биметалла 395—405 МПа при значении временного сопротивления биметалла 435—440 МПа. При испытании на изгиб (диаметр оправки равен двум толщинам биметалла) плаки­рующим слоем внутрь сварные образцы биметалла обеспечивают угол изгиба 180°. Сварные соединения биметалла титан — сталь характеризуются высокой коррозионной стойкостью.