СВАРКА РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

ОСОБЕННОСТИ СВАРКИ МЕДИ И ЕЕ СПЛАВОВ СО СТАЛЬЮ

Диаграмма состояния бинарной системы железо — медь (рис. 11) показывает, что максимальная растворимость меди в б-железе составляет 6,5%, в у-железе 8%, в а-желе - зе—1,4% при 850° С. При комнатной температуре в усло­виях равновесия a-железо растворяет менее 0,3% меди. В свою очередь медь растворяет в себе железо в следующих

количествах: при температуре 1094° С—4%; при темпе­ратуре 750° С— 0,4%; при температуре 650° С— 0,2%.

При дальнейшем понижении температуры растворимость железа в меди изменяется незначительно.

Таким образом, при комнатной температуре в равновес­ном состоянии сплавы меди с железом представляют собой:

твердый раствор железа (а) при содержании меди меньше 0,30%; твердый раствор железа в меди (є) при содержании железа менее 0,2%; смесь твердых растворов а + е при всех других соотношениях железа и меди.

Практически же речь идет о сварке меди со сталью, а не с железом. Рассмотрение тройной диаграммы железо — медь — углерод показывает, что добавка углерода к желе - зо-медным сплавам, не меняя общей картины, несколько

уменьшает растворимость меди в твердом железе и создает ограниченную растворимость в жидком состоянии.

Известно, что соединение металлов при сварке осущест­вляется за счет межатомного взаимодействия, при этом не­обходимо приблизить атомы одного металла к атомам друго­го на расстояние, равное параметру кристаллической ре­шетки металла соединяемых частей. Для у-железа параметр кристаллической решетки составляет 3—63 • 10~10 м, для меди —• 3,61 • 10-10 м, для а-железа 2,86 • 10-10 м; наи­меньшее межатомное расстояние для железа 2,476 * 10~10м, для меди 2,551 • 10~10 м.

Следовательно, для получения сварного соединения

медь *— сталь необходимо сблизить их атомы на расстояние порядка (2,5—3,6) • 10~10 м. При таком сближении в со­ответствии с идеальной теоретической схемой внешние элек­троны атомов железа (два) и меди (один) образуют общую (коллективную) электронную систему, за счет которой образуется металлическая связь, то есть достигается сварка.

Образованию прочной металлической связи между медью и железом способствуют и ряд близких, важных для полу­чения прочного соединения физико-химических свойств ме­ди и железа: в периодической системе элементов Менделеева медь (атомный номер 29) стоит в одном ряду с железом (атом­ный номер 26); пространственная решетка меди и у-железа одинаковая — куб с центрированными гранями; параметры кристаллических решеток и атомные объемы меди (7,100) и железа (7,089) также довольно близки друг другу.

До недавнего времени соединение медных деталей со стальными осуществлялось, как правило, газовой пайкой или, в отдельных случаях, электродуговой сваркой. Для нанесения цветных металлов на сталь применяются газовая наплавка и электродуговая (автоматическая наплавка под слоем флюса с применением в качестве электродного метал­ла проволоки или ленты и наплавка расплавлением об­лицовок),

Проведенные работы показали, что хороших результатов можно добиться как при электродуговой сварке меди и ее сплавов со сталью, так и при наплавке цветных металлов на сталь [81. При этом диапазон свариваемых толщин ме­таллов может находиться в пределах от 1 мм до не­скольких десятков милли­метров.

По работам зарубежных и отечественных исследова­телей известно, что при сварке меди с нержавею­щей сталью возникают су­щественные трудности из - за образования горячих трещин в металле шва. При­чем с увеличением содержа­ния меди в аустенитном ме­талле шва более 3% [8] склонность к образованию горячих трещин резко воз­растает. В этом случае, при кристаллизации металла шва, медь из-за ограничен­ной растворимости в стали выделяется по границам зерен и под действием растягивающих напряжений и рас­клинивающего эффекта Ребиндера образуются трещины (рис. 12). Кроме трещин в обычном понимании для наплавки меди на сталь характерными являются дефекты типа «зале­ченных» трещин — полностью заполненных медью или мед­ным сплавом. Такие дефекты, разумеется, менее опасны, чем полые трещины.

Для получения удовлетворительных по качеству свар­ных соединений меди со сталью необходимо применять спе­циальные технологические приемы и способы сварки: элек-
тродуговую сварку неплавящимся электродом в среде инертных газов с ведением дуги по меди, что позволяет уменьшить перемешивание меди со сталью; применение спе­циальных проставок или наплавок на кромки стальной или медной детали из более совместимых с ними материалов; применение локальных источников нагрева, резко умень­шающих объем расплавленного металла шва.

Применение того или иного технологического приема зависит от конструкции изделий, условий работы сваривае­мого соединения и требований, предъявляемых к ним. На­дежным является соединение меди со сталью, выполненное с достаточно большой долей участия расплавленной стали в металле шва. При этом в отличие от сварно-паянного соединения, здесь переходная зона имеет зубчатую форму, которая обеспечивает, кроме металлической связи также механическое зацепление. Получение такого вида соедине­ния, как показывает производственный опыт, обеспечивает получение более высоких свойств сварных соединений. В этом отношении сочетание медь — сталь существенно от­личается от многих других пар свариваемых металлов, где, как правило, стремятся получить минимальное пооплавле - ние более тугоплавкого металла [13].