Свариваемость материалов

Сварочные материалы на никелевой основе должны приме­ няться для сварки между собой стали X группы со сплавами XIII группы. Если зона соединения нагрета в рабочих условиях ниже 500 °С, то термическая обработка может не произво­ диться.

Г л а в а 33. 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 сущест­ венным различием физических и химических свойств соединяе­ мых материалов. К числу таких особенностей необходимо от­ нести следующие:

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

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

несовпадение диапазонов сварочных температур одного ма­ териала с допускаемой температурой, при которой не проис­ ходит ухудшения характеристик другого металла;

отличие в природе оксидов, их химической стойкости, тем­ пературах 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, про­ являющаяся в способности образовывать между собой твердые растворы и химические соединения (интерметаллиды). Для двойных металлических систем Юм-Розери сформулировал об­ щие правила, определяющие растворимость в твердом состоя­ нии, образование и стабильность промежуточных фаз. Со­

гласно этим правилам:

растворимость в твердом состоянии ограничена, если раз­ личия в размерах атомов компонентов, участвующих в образо­

вании сплава, превышают 14—15%. При превышении значений атомного диаметра растворяемого элемента указанного пре­ дела растворимость в твердом состоянии будет уменьшаться пропорционально увеличению разницы в атомных диаметрах взаимодействующих элементов, т. е. размерный фактор явля­ ется неблагополучным. При малом различии (менее 14—15%) размерный фактор имеет второстепенное значение и на раство­ римость в твердом состоянии влияют другие факторы;

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

взаимная растворимость двух элементов в твердом состоя­

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 об­ ласть твердых растворов.

Указанное правило, сформулированное Юм-Розери, легло в основу методики анализа возможности образования твердых растворов, предложенной Л. Даркеном и Г. Гури, в основу ко­ торой положено построение эллипсов растворимости (диа­ граммы растворимости) [1]. Методика предполагает графиче­ ское изображение зависимости максимальной растворимости в твердом состоянии различных легирующих элементов от атом­ ного радиуса и электроотрицательности. Электроотрицатель­ ность— количественная характеристика способности атомов химического элемента поляризовать образуемые им ковалент­ ные связи. Электроотрицательность (х) характеризуют срод­ ство атома металла к электрону и является функцией элек­ тронного состояния:

где п — число валентных электронов; г — радиус атома. Диаграмма растворимости строится в координатах электро­

отрицательность— атомный радиус. Оценка растворимости оп­ ределяется по сопоставлению взаимного расположения вспомо­ гательных эллипсов, построенных для конкретных элементов, Участвующих в образовании шва.

На рис. 33.1 приведены эллипсы растворимости для берил­ лия и меди. На диаграмме координаты меди и бериллия ле­ жат 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, обла­ стей твердых растворов какого-либо из компонентов в другом металле наряду с возможным образованием зон твердых рас­ творов, интерметаллидов. Экспериментально подтверждено также

новные методы сварки по мере их ухода от условий, соответ­ ствующих условиям построения диаграмм, можно расположить в следующем порядке: шлаковые, газовые, дуговая, плазмен­ ная, электронно-лучевая, лазером, контактная точечная и шов­ ная, пайка, контактная стыковая, высокочастотная, трением, ультразвуком, диффузионная, взрывом, магнитно-импульсная холодная. Последовательность их расположения носит в оп­ ределенной степени условный характер, так как при одном и том же методе, но при разных режимах можно иметь сильно различающиеся картины металлургического взаимодействия.

32.2. Сварка стали с металлами

исплавами других групп

33.2.1.Сварка стали с алюминием

иалюминиевыми сплавами

Алюминий с железом способен давать твердые растворы, интерметаллидные соединения (Fe2AU—62,93 % Al; Fe2Al5 54,71 % Al; FeAl2 — 49,13% Al; FeAl — 32,57% Al и др.) и эв­

тектику (Al + FeAl3, 7\u,= 654 °C, содержание железа в металле 1,8%). Растворимость железа в твердом состоянии ограничи­ вается 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 выпа­ дают кристаллы соединения FeAls (59,18 %).

Для условий сварки характерно появление FeAl3 и Fe2Ab. Они обладают низким пределом временного сопротивления (15—17 МПа). Твердость Fe2AU, FeAl3 и FeAl2 лежит в диа­ пазоне ри = 9600—11500 МПа. С увеличением содержания же­

тивления.

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

На алюминии образуется химически стойкая тугоплавкая окисная пленка (А120 3 имеет 7’Пл = 2047 °С), что при сварке плавлением может привести к дефекту в виде включений этой пленки в металл шва. Использование флюсов не дает положи­ тельных результатов: флюсы для сварки алюминия легко­ плавки, 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 вза­ имодействия и в дальнейшем отличается. Показано, что в на­ чальный период имеет место диффузия железа в алюминий. В результате в пограничной зоне образуется слой из смеси фаз FeAl3+Fe2Al5 . В дальнейшем при температуре, соответствую­ щей рекристаллизации стали, наблюдается интенсивная диф­ фузия алюминия в сталь [3, 8]. Скорость этого процесса зави­ сит от химического состава материала контактирующих заго­ товок и условий нагрева. Для твердофазного взаимодействия при определенных температурно-временных условиях сварки может отсутствовать сплошной фронт интерметаллидов.

Реакционная диффузия в системе алюминий — железо на­ блюдается при температуре >400 °С. Рост интерметаллидного слоя подчиняется параболическому закону: у2 = 2k\xy где k\ — величина, пропорциональная коэффициенту диффузии алюми­ ния через слой.

Легирование материалов алюминиевой заготовки Si, Мп и другими элементами, а стали —V, Ti, Si и Nj ведет к повыше­ нию энергии активации реакционной диффузии, pix влияние связано с затруднением образования зародышей и промежу­

в стали свободного кислорода и азота ведет к росту темпера­ туры начала образования интерметаллидов. Возникновение ин­ терметалл идного слоя для каждой температуры начинается после некоторого критического времени, т- е. имеет место ла­ тентный период (то), по прошествии которого идет интенсив­ ное образование интерметаллидов. Его зависимости от темпе­ ратуры имеет вид [8]

т0 = 6,0-10-13 ехр (192,3/ДГ).

При ведении процесса в твердо-жидком состоянии (с рас­ плавлением алюминия) со стороны железа (стали) образуется ЕегАЦ, а со стороны алюминия — FeAl3.

При сварке хромоникелевых нержавеющих сталей с алю­ миниевыми сплавами интерметаллидная прослойка имеет бо­ лее сложный характер и в ее образовании участвует Сг и Ni.

Биметаллическое соединение имеет удовлетворительные ме­ ханические свойства лишь до образования сплошного слоя интерметаллидной фазы. Работоспособность соединения сохраня­ ется 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 про­ слоек. Высокая прочность может быть получена при ширине зоны с 10 мкм;

легирование алюминия элементами, сдерживающими обра­ зование промежуточной фазы, прежде всего кремнием, а также применение стали с низким содержанием углерода и марганца, что позволяет поднять температуру образования интерметал­ лидов 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 материа­ лов клинно-прессовую сварку при изготовлении биметалличе­ ских стержней, трубчатых переходников и т. п. Температура нагрева стальной заготовки, имеющей в продольном сечении форму клина, до 500—600 °С. Предусматривают меры по за­ щите 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). Поверх­ ность заготовки из стали покрывается слоем Ni и W. Послед­ ний с алюминием способен образовывать эвтектику. При этом температура сварки должна быть ниже температуры образо­ вания эвтектики.

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

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

При наличии в алюминиевом сплаве магния продолжитель­ ность латентного периода резко сокращается. Поэтому алюми­ ниевые 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 соеди­ нения. Таким способом в промышленных масштабах сварива­ ется 12Х18Н10Т + АМг6; армко-железо+АМг5 и другие соче­ тания.

При сварке плавлением и сварко-пайке процессы зарожде­ ния и роста интерметаллидной прослойки идут значительно интенсивнее. При формировании соединения существенным яв­ ляется смачивание твердой стали алюминием. Для улучшения смачивания и тем самым сокращения времени контакта рас­ плава 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 раство­ рения фаза ИегАи 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. Сниже­ ния 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

интерметаллидного слоя и получать соединения с прочностью на уровне 300—320 МПа.

С учетом отмеченных особенностей в практике нашли при­ менение два варианта технологии соединений методами плав­ ления алюминия со сталью: 1) сварка-пайка с предваритель­ ным нанесением на стальную кромку покрытия с использова­ нием 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 спо­ собом или алитированием. При сварке необходимо вести дугу по кромке алюминиевого листа на расстоянии 1—2 мкм от ли­ нии 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 тол­ щины 15—30 мм.

33.2.2. Сварка стали с медью и медными сплавами

При нормальной температуре сплавы железа с медью пред­ ставляют собой твердые растворы железа в меди (е-фаза, со­ держание 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-же­ лезе растворяется менее 0,3 % Си. При 850 °С максимальная растворимость меди в б-, у- и a-железе составляет соответст­ венно 6,5; 8 и 1,4%. Растворимость железа в меди уменьша­ ется с понижением температуры с 4 % при 1094 °С до 0,4 % при 750 °С, при 650 °С падает до 0,2 % и с дальнейшим сни­ жением температуры изменяется незначительно.

Введение углерода в железомедные сплавы несколько сни жает растворимость меди. Марганец и кремний улучшают рас­

творимость. Марганец расширяет область у-твердого раствора, в котором медь растворяется интенсивнее.

физико-химические свойства Си и Fe близки (строение кри­ сталлической решетки, атомные радиусы и т. д.), что дает воз­ можность получения непосредственного соединения меди (мед­ ных 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 порис­ тости, появление эвтектики Си + СигО, охрупчивающей металл.

Типичным дефектом, сопровождающим сварку стали с медью (медными сплавами), наплавку, пайку сталей медь­ содержащими припоями, т. е. процессы, в которых имеет место контакт стали с жидкой медью, является межкристаллитное проникновение меди в сталь (МКП). Дефект представляет со­ бой трещины в виде «клиньев», заполненных медью, часто охватывающей группу зерен. Его глубина от 0,01 до 40 мм. Ло­ кализация в районе действия напряжения растяжения, у кон­ центраторов напряжений. Частота появления дефекта от еди­ ниц до десятков на одном квадратном сантиметре. Дефект су­ щественно снижает механические свойства стали (оод, ов, а_ь 6) и особенно пластические. Трудно или вовсе невозможно об­ наружить 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 прочно­ сти, межзеренной коррозии и диффузии под напряжением, рас­ клеивающего действия жидкой меди. Исследования [4] пока­ зали общность условий образования МКП меди в сталь и горя­ чих трещин (ГТ) в стали.

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

Сокращение времени контакта жидкой меди со сталью, ве­ дение процесса в твердой фазе при возможно более низкой температуре, легирование металла шва элементами, повышаю­ щими стойкость ГТ, применение барьерных подслоек и подста­ вок, повышение содержания ферритной фазы в стали способст­ вуют предотвращению появления этого дефекта.

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

Сварка взрывом дает соединение высокой прочности. Появ­ ления пор и микротрещин в зоне сварки крайне редки. Поверх­ ность контакта имеет чаще всего типичные для сварки взры-

вом волнообразный характер. Вблизи границы имеет место на­ клеп, а на стороне стали возможно появление в узкой зоне закалочных структур вследствие высокой скорости охлажде­ ния. Толщина плакирующего слоя (медный сплав) обычно 4—10 мм. Отжиг при температуре 700—900 °С сваренных би­ металлических листов приводит к росту пластических свойств, некоторому снижению предела прочности и уменьшению ани­ зотропии свойств по площади листа. Метод применяется для получения слоистых листов и лент.

Сваркой прокаткой применяется для получения биметалли­ ческих листов и лент сталь + медь, сталь + латунь, сталь + мо­ нель-металл и других сочетаний. В большинстве случаев со­ единение равнопрочно основному металлу. В результате терми­ ческой обработки (нормализация при 750 °С в течение 30 мин) биметалла сталь — медь в углеродистой стали наблюдается скопление углерода непосредственно у медного слоя, а вблизи

еенаходится зона, обедненная углеродом.

Диффузионная сварка позволяет получать сварные соеди­

нения 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 + армкожелезо 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 7=1000 °С. Этот температурный режим при соединении БрОСНЮ-2-3 со сталью 40Х вследст­ вие наличия в сплаве свинца приведет к оплавлению поверхно­ сти уже при температуре 760—780 °С. В таких случаях целе­

кладкой при предварительном нанесении на медь слоя никеля (200 мкм) повышает качество соединения и позволяет произ­ водить закалку стали. К применению прослойки никеля прибе­ гают тогда, когда необходимо добиться повышения прочности соединения.

Контактная сварка ведется с применением подкладок под

стовой 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 электро­ дами, полуавтоматическая и автоматическая сварка под флю­ сом и в среде аргона, электронно-лучевая, газопламенная

и др.

Для получения качественных соединений используются раз­ личные приемы: процесс ведут с преимущественным плавле­ нием медного сплава (смещение пятна нагрева на м’ёдь), используют концентрированный источник тепла, применяет на­ плавки и проставки из материалов, не склонных к образова­

стойкости биметалла. Для предотвращения этих нежелательных явлений прибегают к использованию специальной конструкции сварного соединения (рис. 33.2).

При сварке биметалла и его использовании в качестве про­ ставки в результате нагрева в зоне перехода сталь — медь мо­ жет иметь место снижение прочности. Термическая обработка

не оказывают существенного влияния на механические свой­ ства биметалла. Это необходимо учитывать при выборе разме­ ров проставки.

33.2.3. Сварка стали с титановыми сплавами

Титан с железом образует систему ограниченной растворимо­ сти 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