СВАРКА РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

СВАРКА КОНСТРУКЦИОННОГО БИМЕТАЛЛА СТАЛЫ-МЕДЬ

Конструкционный биметалл сталь + медь различной толщины является перспективным материалом для хими­ческой аппаратуры благодаря сочетанию высокой коррози­онной стойкости меди плакирующего слоя и прочности (и жесткости) стальной основы. Такой биметалл может быть широко использован для трубных решеток и корпусов аппаратов, цистерн в производстве синтетического каучука, смол, для хранения и перевозки различных агрессивных сред, в целлюлознобумажной промышленности и др.

Применение биметалла сталь + медь целесообразно и по экономическим соображениям, так как стоимость 1 т биметалла в зависимости от толщины составляет от 485 до 573 рублей против 740—850 рублей за 1 т медного прока­та. При этом достигается также значительное снижение веса конструкций.

Для ряда отраслей промышленности необходим биме­талл общей толщиной от 8 до 25 мм при толщине плакирую­щего слоя от 10 до 25% общей толщины, но не менее 2 мм. В качестве основного слоя берутся стали марок 10, 20К, 16ГС, 09Г2С. Плакирующий слой— хорошо сваривающаяся медь марки МЗС.

При сварке стального и медного слоев биметалла воз­можны следующие процессы:

1. Переход меди в стальной шов при частичном оплав­лении медных кромок и, как результат, повышение проч­ности, твердости и снижение ударной вязкости металла шва при содержании меди от 1 % и более,

2. Адсорбционное снижение прочности стального слоя и шва стального слоя биметалла при воздействии жидкой меди, которая является адсорбционно-активным металлом по отношению к твердой стали. Количественная сторона этого явления зависит от многих факторов, поэтому в ряде случаев предпочитают избегать непосредственного контакта жидкой меди со сталью.

3. Переход железа в медный шов плакирующего слоя и снижение пластичности, технологической прочности и кор­розионной стойкости этого шва, что можно объяснить огра­ниченной растворимостью меди и железа в твердом состоя­нии и характером кристаллизации металла шва: в сплавах, богатых железом (от 40 до 94%) более тугоплавкое железо,
кристаллизуясь в первую очередь, образует твердую ос­нову, между кристаллитами которой находятся жидкие прослойки нерастворившейся меди, нарушающие проч­ность шва.

Медь, содержащая малые количества железа (в виде раз­общенных дендритов железосодержащей фазы), не склонна

а

Рис. 16. Типы сварных соединений биметалла сталь — медь.

к трещинам в процессе кристаллизации, однако коррози­онная стойкость такого металла снижается.

Рекомендации по сварке биметалла сталь + медь сво­дятся к применению следующих типов сварных соединений (рис. 16):

а) в которых отсутствует металлическая связь между
стальным слоем (швом стального слоя) и швом плакирующе­го слоя (рис. 16, а);

б) в которых шов плакирующего слоя отсутствует и за­менен медной накладкой, которая приваривается угловыми швами к плакирующему слою (рис. 16, б);

в) отличающихся наличием металлической связи между стальным слоем (швом стального слоя) и швом плакирующе­го слоя (рис. 16, Ь);

г) с разделительным слоем из специального сплава, наплавленного на стальной слой (шов стального слоя), назначение которого — препятствовать контакту медного шва плакирующего слоя со сталью (рис. 16, г); ■

д) с разделительным слоем и медными накладками (рис. 16, д).

Соединения биметалла, в которых отсутствует металли­ческая связь между медными и стальными элементами и с накладками, свободны от взаимодействия жидкой и твердой фаз меди и железа. Тем не менее эксплуатационная надеж­ность их невелика по следующим причинам: при наличии даже незначительного сквозного дефекта в медных швах рабочая агрессивная среда может вызвать разрушение сталь­ного слоя по всему периметру; биметаллические листы с на­кладками трудно штамповать; наличие накладки способ­ствует налипанию продуктов реакций и поэтому недопусти­мо в химических аппаратах. Все это свидетельствует об ог­раниченном применении соединений биметаллов такого типа.

В сварных соединениях биметалла, отличающихся ме­таллической связью между всеми элементами, следует раз­личать:

а) шов основного стального слоя, выполненный материа­лами, сходными по составу и свойствам со сталью основного слоя;

б) шов плакирующего медного слоя, который на площади между кромками плакирующего слоя представляет собой наплавку на сталь; этот шов (наплавка) выполняется с при­менением материалов, близких по составу и свойствам

с медью плакирующего слоя (обычно медь, содержащая не более 4—6% легирующих добавок и раскислителей);

в) разделительная наплавка на стальной слой, применя­емая в некоторых случаях для предохранения стального слоя от контакта с жидкой медью при сварке облицовочного шва; разделительная наплавка выполняется с применением сплавов, хорошо сваривающихся со сталью и медью.

Для оценки и выявления. преимуществ способов сварки разнородных металлов с разделительной наплавкой и без нее во Всесоюзном научно-исследовательском проектно­технологическом институте производилось сравнение ка­чества наплавок меди на сталь и на медный плакирующий слой [4]. Оказалось, что наплавка меди на сталь может выполняться с применением весьма малой погонной энергии (50,16 Дж/м и менее). Например, при плазменной наплавке с токоведущей присадкой сцепление меди со сталью проте­кает без заметного расплавления стальной поверхности, но с нагревом, достаточным для смачивания стали жидкой ме­дью. При подогреве стальной поверхности до температуры 1450° С теплосодержание наплавленной меди достаточно для прочной связи со сталью, так как теплоотвод в нижние слои стали и в направлениях, радиальных по отношению к под­вижному источнику нагрева, незначительны. Переход желе­за в медную наплавку, проникновение жидкой меди по гра­ницам зерен стали при этих условиях сведены до минимума.

В отличие от процесса наплавки меди на сталь, при ко­тором тепловая мощность дуги расходуется прежде всего на подогрев стальной детали и расплавление наплавленной ме­ди, сварка медного плакирующего слоя происходит с более сложным распределением тепла.

На основании выполненных экспериментов установлено, что режимы сварки шва плакирующего слоя биметалла ха­рактеризуются значениями погонной энергии, несколько превышающими соответствующие величины для сварки ме­ди толщиной, равной толщине плакирующего слоя. Это можно объяснить дополнительным отводом тепла в стальной

слой, который имеет металлическую связь с медным плаки­рующим слоем. Иными словами, биметалл сталь + медь представляет собой не простое сочетание разнородных ме­таллов, а материал с совершенно новыми, присущими толь­ко ему одному теплофи - зическими свойствами^

Учитывая невозмож­ность удовлетворитель­ного формирования швов плакирующего слоя би­металла на режимах, при которых диффузион­ными процессами на гра­нице сталь—медь мож­но пренебречь, был ис­следован способ сварки биметалла с раздели­тельной наплавкой (рис.

17). На рис. 17 приведе­на характерная макро­структура полученного соединения, из рассмотрения которой видны последователь­ность сварки и особенности строения шва.

К присадочному металлу для наплавки разделительного слоя предъявляется ряд требований: химический состав его должен быть сходным с медью плакирующего слоя; в него должны входить элементы, тормозящие межк ристал л ит - ную диффузию меди в сталь. Сплав разделительного слоя должен в равной степени хорошо свариваться как со сталью, так и с медью и иметь достаточную технологическую и ме­ханическую прочность, так как разделительный слой при­нимается во внимание при расчете прочности сварного со­единения биметалла.

В качестве металла для наплавки были использованы Бр. КМцЗ-1; Бр. АМц9-2; сплав МНЖКТ5-1-0;2-0-2; мель­хиор МНЖМц30-0,8-1; монель-металл НМЖМц28-2,5-1,5;

электроды В-56, никель Н1 и алюмель НМцАК2-2-1. На металл наплавок затем наплавляли также Бр. КМцЗ-1 и сплав МНЖКТ5-1-0, 2-0-2, которые предполагалось ис­пользовать для облицовочных швов биметалла.

Наплавки выполнялись на режимах, характеризующих­ся погонной энергией, достаточной §іля хорошего формиро­вания металла в условиях сварки биметалла, а также на по­вышенной погонной энергии (83—271 Дж/м). Наплавки исследовались с помощью светового микроскопа на попереч­ных шлифах, приготовленных по стандартной методике.

Было установлено, что Бр. КМцЗ-1, Бр. АМц9-2, сплав МНЖКТ5-1-0,2-0-2 проникают по границам зерен стали на глубину, зависящую при прочих равных условиях от по­гонной энергии наплавки. Глубина прослоек достигла 0,3—• 3 мм.

При наплавке монель-металла, мельхиора, никеля и алюмеля проникновение по границам зерен не было обна­ружено. В связи с тем, что указанные медно-никелевые спла­вы содержат значительное количество никеля, были иссле­дованы наплавки на сталь медно-никелевых сплавов, со­держащих от 10 до 18% никеля. Отсутствие межзеренных проникновений наблюдалось при содержании никеля от 16 до 18%. Сплавы, содержащие менее 16% никеля, уже склон­ны к проникновению меди по границам зерен стали.

При наплавке Бр. КМцЗ-1, сплава МНЖКТ5-1-0,2-0-2 на металл наплавок исследуемых сплавов, диффузии меди по границам зерен этих наплавок обнаружено не было.

Следовательно, никель, неограниченно растворимый в жидком и твердом состоянии как в меди, так и в железе, тормозит проникновение меди по границам зерен стали. При малом содержании никеля в меди (около 16%) никель в незначительной степени препятствует проникновению ме­ди по границам зерен.

Алюминий в количестве до 9% (Бр. АМц9-2) также незна­чительно снижает диффузионные процессы на границе сталь — медь.

В наплавках стандартных медно-никелевых сплавов монель-металла и мельхиора, алюмеля, никеля, выполнен­ных без дополнительного легирования марганцем, алюми­нием, титаном (аргоно-дуговая наплавка неплавящимся электродом), наблюдается склонность к образованию горя­чих трещин.