СВАРКА РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

СВАРКА ТИТАНА СО СТАЛЬЮ

Применение сварных конструкций из титана и стали обеспечивает снижение веса изделий, что в ряде случаев имеет решающее значение. В последние годы проводились многочисленные исследования по сварке титана со сталью

разного класса. В работе [23] имеются данные о положи­тельном решении вопросов точечной сварки тонколистого титана со сталью. Однако задача сварки плавлением тита­на со сталью, в частности со сталью аустенитного класса, до сих пор не решена.

Как видно из диаграммы состояния системы титан — железо (рис. 27), растворимость железа в а-титане крайне

SHAPE * MERGEFORMAT

мала и при нормальной температуре лежит в пределах 0,05—0,1%. При концентрациях более 0,1% Fe в сплаве образуются интерметаллические соединения типов TiFe и TiFe2.

Наличие интерметаллидов в сплаве титана с железом значительно повышает прочность соединения и резко сни­жает его пластичность: сплав титана с 0,14% Fe имеет твер­
дость Hv 199, с 2,2% Fe превышает Hv 450; пластичность сплава снижается соответственно с 18,5% до 2,5%.

При дуговой сварке титана со сталью невозможно полу­чить сварной шов с содержанием железа в пределах раство­римости его в титане. Поэтому при непосредственном со­единении титана со сталью методом сварки плавлением швы чрезвычайно хрупки, в них образуются трещины. Задача еще больше усложняется при сварке титана с хромо-нике­левыми сталями аустенитного класса. В этом случае обра­зуются сложные интерметаллические соединения титана с железом, хромом и никелем, которые еще в большей степени, чем при сварке титана с углеродистой сталью, делают шов хрупким.

В микроструктуре металла шва сварного соединения ти­тана со сталью видны темные включения на светлом поле. Измерение микротвердости дает основание полагать, что эти включения представляют собой интерметаллические сое­динения титана с железом, хромом и никелем (микротвердость до 600 • 10~7 Н/м2). Светлое поле имеет микротвердость не более 370 • 10-7 Н/м2 и вероятнее всего является твердым раствором железа, хрома и никеля в титане. Наблюдаются трещины в шве, связанные с высокой хрупкостью металла из-за наличия интерметаллидов.

Выделение интерметаллидов есть также и по линии сплав­ления металла шва с титаном. Чтобы избежать обра­зования интерметаллидов и получить достаточно пластич­ные сварные соединения титана со сталью, необходимо устранить перемешивание расплавленных металлов при сварке.

Избежать перемешивания свариваемых металлов можно двумя путями: сваркой — пайкой, когда один из металлов (более легкоплавкий) растекается по соответствующему по­крытию, нанесенному на другой металл (при этом непосред­ственное сплавление металлов не происходит, а образуется сварно-паянное соединение); ступенчатым методом с при­менением промежуточных металлов-вставок. Опыты по

ном интервале концентрации возможно выпадение в-фазы, изоморфной ст-фазы.

С. М. Гуревич и В. Н. Замков нашли способ создания комбинированной вставки из двух сваривающихся между собой металлов — тантала или ниобия и бронзы [12]. Так как тантал хорошо сваривается с титаном, а бронза со ста­лями различных классов, то такая комбинированная вставка является надежным связывающим звеном при соединении этих разнород­ных металлов.

В результате проведен­ных опытов была установ­лена принципиальная воз­можность сварки техниче­ского ванадия с титаном и сталью, в том числе аусте - нитного класса. При сварке неплавящимся электродом в среде аргона швы форми­ровались хорошо, не имели дефектов. Структура свар­ного соединения ванадие­вого сплава со сталью Х18Н10Т приведена на рис. 29. Однако во многих случаях, вследствие неиз­бежного образования е-фазы в швах в широком интервале концентраций ванадия сварные соединения ванадий — сталь обладают низкой пластичностью. Так, например, угол загиба сварного соединения ванадия со сталью 20 не пре­восходит 30—35°. Это приводит к снижению пластических свойств и соединения титан — ванадий — сталь.

Хорошие результаты удалось получить при исполь­зовании комбинированной вставки, включающей бронзу.

При разработке технологии следовало прежде всего исходить из необходимости получения соединения, равнопрочного свариваемому металлу. С этой целью был применен техни­ческий тантал, имеющий предел прочности до 70 х X10-7 Н/м2, опробованы высокопрочные бронзы Бр. ОФб, 5— •—0,15 (ств до 65 • 10~7 Н/м2), Бр. КМцЗ—1 (ов до 75 X X 10-7 Н/м2), Бр. Б2 (ав до Н 66 • 10“7Н/м2), Бр. ОЦС4— —4—2,5 (ав до 52 • 10~7 Н/м2) и др.

Наилучшие свойства сварных соединений технического титана и некоторых низколегированных титановых сплавов с углеродистой и аустенитной сталью были получены при применении бронзы с пределом прочности до 70 • 10~7 Н/м2, воспринимающей нагартовку и термическую обработку.

Автоматическая сварка образцов толщиной 1—1,5 мм на медной подкладке производилась неплавящимся воль­фрамовым электродом в среде аргона в камере с контроли­руемой атмосферой. Швы формируются удовлетворитель­но, дефекты в швах не наблюдались.

Таблица 17

Механические свойства соединений титанового сплава ОТ4 со сталью Х18Н10Т толщиной 1,5 мм приведены в табл. 17. Применение нагартованной бронзы не обеспечива­ет равнопрочности сварного соединения стали Х18Н10Т. В этом случае под воздействием термического цикла сварки происходит разупрочнение бронзы, что подтверждает изме­нение твердости бронзовой вставки в состоянии поставки (твердая бронза) и после сварки.

Предварительная закалка бронзы (в воду от температуры 800°) заметно повышает прочность сварного соединения благодаря частичному состариванию вставки в процессе сварки. Это приводит к увеличению твердости бронзы. Структура швов и характер их границ у сварного соедине­ния сплава ОТ4 со сталью Х18Н10Т показывают, что ме­таллы удовлетворительно сплавляются, образуя прочно­плотные соединения.

При диффузионной сварке титана со сталью как и при сварке плавлением, приходится применять промежуточные прослойки, исключающие образование хрупких слоев в зоне контакта. В качестве прослоек могут быть использо­ваны ниобий — медь, тантал — медь, ванадий — медь и

др. [51 ],

Некоторые данные, характеризующие механические свойства соединений низколегированных титановых сплавов со сталью, приведены в табл. 18.

Таблица 18

Из таблицы видно, что прочность сварного соединения высокая и может превосходить прочность наиболее мягкой прослойки — меди в несколько раз. Такая прочность со­единения обеспечивается в результате так называемого кон­тактного упрочнения мягких прослоек.

„ 800 ^15 700

S3 600

| 500 <§ ООО «ё 300

| 200 j 100

о / 23 4 5671234 5 678

Я Расстояние, мкц О

Рис. 30. Характер распределения микротвердости граничной зоны биметалла титан—стал_:

а без подслоя; б — с подслоем ванадия.

Изменение предела прочности сварного соединения с мягкой прослойкой подчиняется зависимости

огв = — kbMy • 102,

где о в — предел прочности основного менее прочного ме­талла; 6м—относительное удлинение материала слоя;

о в — предел прочности материала прослойки; От —1 пре­дел текучести материала прослойки; k —■ коэффициент, зависящий от параметра наклепываемости прослойки;

и = - т— относительная толщина прослойки; —толщина

прослойки; Ь'— толщина свариваемого металла.

Если в зоне контакта имеются две прослойки, то расчет ведут для наименее прочной.

Исследования показали, что при х С 0,1 для меди и 0,25 для ванадия прочность соединения низколегированных титановых сплавов с нержавеющей сталью близка к проч­ности стали.

Одним из путей решения проблемы соединения титана со сталью является применение при сварке переходников, изготовленных из биметаллических полос с соотношени­ем толщин слоев 1:1. Технология прокатки таких полос разработана в УкрНИИМЕТ [47] и других организа­циях.

Наиболее перспективным способом получения биметалла титан — сталь является способ горячей прокатки в ваку­уме при соответствующем подборе величин обжатий и тем­ператур, если заготовки под прокатку обладают прочным соединением слоев по всей площади соединения. Такая од­нородность заготовок достигается с помощью сварки взры­вом, а в ряде случаев —• использованием металла промежу­точных слоев, например, ванадия. Биметалл с подслоем ванадия имеет более стабильные свойства в исходном состоянии, чем биметалл без подслоя; кроме того ва­надий способствует получению более вязкой граничной зоны.

Характер распределения микротвердости граничной зо­ны биметалла без подслоя и с подслоем ванадия приведены на рис. 30.

В биметалле без подслоя наблюдается повышение мик­ротвердости до (600—700) • 10~7 Н/м2 в граничной зоне на очень узком участке шириной менее 0,01 мм. В биметал­ле с подслоем ванадий предотвращает образование твер­дой и хрупкой прослойки. Структура и твердость ос­тальных участков биметалла без подслоя и с подслоем ванадия одинаковы. В граничной зоне наблюдается обез­углероживание стали на глубину 0,02—0,05 мм. Изменений в структуре титана не обнаружено,

При оценке возможности использования биметалличе­ских вставок в качестве переходников в соединении титана со сталью весьма важно знать влияние термического цикла сварочной дуги на граничные зоны биметалла.

Такие исследования показали, что наблюдается боль­шая нестабильность прочности сцепления слоев биметалла без подслоя. После наплавки валика на титан, т, е. при тер­мическом воздействии дуги, в граничной зоне образуется новая фаза — эвтектика Fe—TiFe2. Она приводит к резкому снижению прочности сцепления слоев биметалла,

Исследования влияния термического цикла сварки на свойства граничной зоны на биметалле с подслоем ванадия показали, что кратковременный нагрев до 900° С не вызы­вает никаких изменений в структуре и твердости граничной зоны. Повышение температуры от 900° до 1200° С приводит к образованию диффузионного слоя ванадия в железе с микротвердостью порядка 300 • 10~7 Н/м2, Ширина диф­фузионного слоя зависит от температуры нагрева и времени выдержки при температуре выше температуры аллотропи­ческого превращения. Чем меньше скорость нагрева и выше температура, тем шире диффузионная зона. Приближенно можно считать, что увеличение времени пребывания биме­талла при такой температуре в два раза вызывает увеличе­ние ширины диффузионной прослойки также вдвое, Твер­дость прослойки при этом не изменяется.

Нагрев граничной зоны биметалла выше температуры 1185—1200° С вызывает образование новой фазы на границе ванадия и железа. Эта фаза характеризуется высокой мик­ротвердостью (до 900 • 10~7 Н/м2) и хрупкостью. Таким образом, нагрев граничной зоны биметалла свыше 1200° С недопустим, так как при этом образуется твердая и хрупкая фаза с трещинами, что может привести к расслоению би­металла.

Исследованиями установлено, что при сварке биметалла

титан—сталь с полным проплавлением основного слоя тем­пература граничной зоны свыше 1200° С, когда возможно

образование хрупкой и твердой фаз, распространяется на ширину до 3 мм от центра шва. Поэтому для получения ка­чественного сварного соединения необходимо при подготов­ке кромок удалять плакирующий слой на ширину не менее 6 мм.

В литературе имеется мало сведений о коррозионной стойкости сварных соединений титана с другими металлами, в частности, титана со сталью. Некоторые результаты ис­следований показывают, что в растворах соляной, серной и щавелевой кислот при комнатной температуре титан имеет потенциал более отрицательный, чем потенциал нержавею­щей стали. Поэтому в паре с нержавеющей сталью скорость коррозии титана значительно снижается. При этом скорость коррозии нержавеющей стали остается без изменений. Это явление анодной защиты наблюдается также в кипящих растворах указанных кислот,