Свариваемость материалов

лов, полученных методами твердофазного компактирования по­ рошков или препрегов с порошковой или напыленной матрицей, возможна пористость по границе сплавления и примыкающим к ней межфазным границам, ухудшающая не только прочност­ ные свойства, но и герметичность сварного соединения.

В зоне 4 (сварном шве) можно выделить 3 участка:

— участок 4', примыкающий к оси шва, где из-за сильного перегрева под дугой металлического матричного расплава и наи­ большей длительности пребывания металла в расплавленном состоянии происходит полное растворение армирующей фазы;

—участок 4", характеризующийся более низкой температу­ рой нагрева расплава и меньшей длительностью контактирова­ ния армирующей фазы с расплавом. Здесь эта фаза лишь ча­ стично растворяется в расплаве (например, уменьшается диа­ метр волокон, на их поверхности появляются раковины; нарушается однонаправленность армирования);

—участок 4"', где заметного изменения размеров армирую­ щей фазы не происходит, но развивается интенсивное взаимо­ действие с расплавом, образуются прослойки или островки хрупких продуктов взаимодействия, снижается прочность арми­ рующей фазы. В итоге зона 4 становится зоной максимального повреждения композиционного материала при сварке.

III. Из-за различий в тепловом расширении материала мат­ рицы и армирующей фазы в сварных соединениях композици­ онных материалов возникают дополнительные термоупругие на­ пряжения, вызывающие образование различных дефектов: растрескивание, разрушение хрупких армирующих фаз в наи­

более нагретой зоне 4 соединения, расслоения по межфазным границам в зоне 3.

Для обеспечения высоких свойств сварных соединений ком­ позиционных материалов рекомендуется следующее.

Во-первых, из известных методов соединения следует отдать предпочтение методам сварки в твердой фазе, при которых вследствие меньшей подводимой энергии можно достичь мини­ мальной деградации свойств компонентов в зоне соединения.

Во-вторых, режимы сварки давлением должны быть вы­ браны так, чтобы исключить смещение или дробление армирую­ щего компонента.

В-третьих, при сварке плавлением композиционных материа­ лов следует выбирать способы и режимы, обеспечивающие ми­ нимальное тепловложение в зону соединения.

В-четвертых, сварку плавлением следует рекомендовать для

термостойкими наполнителями, например волокнами карбида кремния, или наполнителями с барьерными покрытиями, напри­

мер волокнами бора с покрытиями карбида бора или карбида кремния.

В-пятых, электродный или присадочный материал или мате­ риал промежуточных прокладок для сварки плавлением или пайки должен содержать легирующие добавки, ограничиваю­ щие растворение армирующего компонента и образование хрупких продуктов межфазного взаимодействия в процессе сварки и при последующей эксплуатации сварных узлов.

38.5.1. Сварка композиционных материалов

Волокнистые и слоистые композиционные материалы чаще всего соединяют внахлестку. Отношение длины перекрытия к толщине материала обычно превышает 20. Такие соединения могут быть дополнительно усилены заклепочными или болто­ выми соединениями. Наряду с нахлесточными соединениями возможно выполнение стыковых и угловых сварных соединений в направлении армирования и, реже, поперек направления ар­ мирования. В первом случае при правильном выборе способов и режимов сварки или пайки возможно достижение равнопрочности соединения; во втором случае прочность соединения обычно не превышает прочности матричного материала.

Композиционные материалы, армированные частицами, ко­ роткими волокнами, нитевидными кристаллами, сваривают с использованием тех же приемов, что и дисперсионно-твердею- щие сплавы или порошковые материалы. Равнопрочность свар­

изготовлен методами жидкофазной технологии, армирован тер­ мостойкими наполнителями и при выборе соответствующих ре­ жимов сварки и сварочных материалов. В ряде случаев элек­ тродный или присадочный материал может быть аналогичен или близок по композиции основному материалу.

38.5.2. Дуговая сварка в среде защитных газов

Метод используют для сварки плавлением композиционных ма­ териалов с матрицей из химически активных металлов и спла­ вов (алюминия, магния, титана, никеля, хрома). Сварку осуще­ ствляют неплавящимся электродом в атмосфере аргона или смеси с гелием. Для регулирования теплового воздействия сварки на материалы целесообразно применение импульсной дуги, сжатой дуги или трехфазной дуги.

Для повышения прочности соединений рекомендуют выпол­ нять швы композиционными электродами или присадочными проволоками с объемным содержанием армирующей фазы 15—20 %. В качестве армирующих фаз применяют короткие во­ локна бора, сапфира, нитрида или карбида кремния.

38.5.3. Электронно-лучевая сварка

Преимущества метода — в отсутствии окисления расплав­ ленного металла и армирующего наполнителя, вакуумной дега­ зации металла в зоне сварки, высокой концентрации энергии в пучке, позволяющей получить соединения с минимальной ши­ риной зоны плавления и околошовной зоны. Последнее преиму­ щество особенно важно при выполнении соединений волокнис­ тых композиционных материалов в направлении армирования. При специальной подготовке соединений возможна сварка с ис­ пользованием присадочных проставок.

38.5.4. Контактная точечная сварка

Наличие армирующей фазы в композиционном материале снижает его тепло- и электропроводность по сравнению с мате­ риалом матрицы и препятствует формированию литого ядра. Удовлетворительные результаты получены при точечной сварке тонколистовых композиционных материалов с плакирующими слоями. При сварке листов различной толщины или компози­ ционных листов с однородными металлическими листами для того, чтобы вывести ядро сварной точки в плоскость соприкос­ новения листов и сбалансировать разницу в электропроводно­ сти материала, подбирают электроды с разной проводимостыр, с обжатием периферийной зоны, изменяют диаметр и радиус закругления электродов, толщину плакирующего слоя, приме­ няют дополнительные прокладки [11].

Средняя прочность сварной точки при сварке одноосноармцрованных боралюминиевых пластин толщиной 0,5 мм (с объем­ ной долей волокон 50%) составляет 90% от прочности боралюминия эквивалентного сечения. Прочность соединения листов боралюминия с перекрестным армированием выше, чем листов с одноосным армированием.

38.5.5. Диффузионная сварка

Процесс проводят при высоком давлении без использования припоя. Так, детали из боралюминия, подлежащие соединению, нагревают в герметичной реторте до температуры 480 °С при давлении до 20 МПа.и выдерживают в этих условиях в течение 30—90 минут. Технологический процесс диффузионной точечной сварки сопротивлением боралюминия с титаном почти не отли­ чается от точечной сварки плавлением. Разница в том, что ре­ жим сварки и форма электродов подобраны так, чтобы темпера­ тура нагрева алюминиевой матрицы была близка к температуре плавления, но ниже ее. В результате в месте контакта образу­ ется диффузионная зона толщиной от 0,13 до 0,25 мкм.

Образцы, сваренные внахлестку диффузионной точечной свар­ кой, при испытании на растяжение в интервале температур 20—120 °С разрушаются по основному материалу с вырывом вдоль волокон. При температуре 315 °С образцы разрушаются сдвигом по месту соединения.

38.5.6. Клинопрессовая сварка

Для соединения законцовок из обычных конструкционных

•сплавов с трубами или корпусами из композиционных материа­ лов разработан способ сварки разнородных металлов, резко различающихся по твердости, который можно назвать микро-

клинопрессовым. Давление впрессовывания получают за счет термических напряжений, возникающих при нагреве оправки и обоймы приспособления для термокомпрессионной сварки, выполненных из материалов с различными коэффициентами термического расширения (КТР). Элементы законцовки, на контактную поверхность которых нанесена клиновая резьба, со­ бирают с трубой из композиционного материала, а также с оп­ равкой и обоймой. Собранное приспособление нагревают в за­ щитной среде до температуры 0,7—0,9 от температуры плавле­ ния наиболее легкоплавкого металла. Оправка приспособления имеет больший КТР, чем обойма. В процессе нагрева расстоя­ ние между рабочими поверхностями оправки и обоймы сокра­ щается, и выступы («клинья») резьбы на законцовке впрессо­ вываются в плакировочные слои трубы. Прочность твердофаз­ ного соединения не ниже прочности матричного или плакировочного металла.

38.5.7. Сварка взрывом

Сварку взрывом применяют для соединения листов, профи­ лей и труб из металлических композиционных материалов, ар­ мированных металлическими волокнами или слоями, имеющими достаточно высокие пластические свойства, чтобы избежать дробления армирующей фазы, а также для соединения компо­ зиционных материалов с законцовками из различных металлов и сплавов. Прочность соединений обычно равна или даже выше (за счет деформационного упрочнения) прочности наименее прочного матричного материала, применяемого в соединяемых деталях. Для повышения прочности соединений применяют промежуточные прокладки из других материалов.

В соединениях обычно отсутствуют поры или трещины. Оп­ лавленные участки в переходной зоне, особенно при сварке взрывом разнородных металлов, представляют собой смеси фаз эвтектического типа.

38.6. Пайка композиционных материалов

Процессы пайки весьма перспективны для соединения компози­ ционных материалов, поскольку могут осуществляться при тем­ пературах, не оказывающих влияния на армирующий наполни­ тель и не вызывающих развития межфазного взаимодействия.

Пайка выполняется обычными техническими приемами, т. е. погружением в припой или в печи. Весьма важен вопрос о ка­ честве подготовки поверхности под пайку. Соединения, выпол­ ненные твердыми припоями с применением флюсов, подвер­ жены коррозии, поэтому флюс должен быть полностью удален из зоны соединения.

Пайка твердыми и мягкими припоями

Разработано несколько вариантов пайки боралюминия. Оп­

А1— для рабочих температур до 315 °С. Для улучшения смачи­ вания и растекания припоя на соединяемые поверхности нано­ сят слой никеля толщиной 50 мкм. Высокотемпературную пайку производят с использованием эвтектических припоев системы алюминий — кремний при температурах порядка 575—615 °С. Время пайки должно быть сведено к минимуму из-за опасно­ сти деградации прочности борных волокон.

Основные трудности при пайке углеалюминиевых компози­ ций как между собой, так и с алюминиевыми сплавами связаны с плохой смачиваемостью углеалюминия припоями. Лучшими

10 мин. Для соединения боралюминия и углеалюминия с тита­ ном могут быть применены припои системы алюминий — крем­ ний— магний. Для повышения прочности соединения рекомен­ дуют на поверхность титана наносить слой никеля.

Эвтектическая диффузионная пайка. Метод состоит в нане­ сении на поверхность свариваемых деталей тонкого слоя вто­ рого металла, образующего эвтектику с металлом матрицы. Для матриц из сплавов алюминия используют слои из Ag, Си, Mg, Ge, Zn, температура эвтектики которых с алюминием соот­ ветственно 566, 547, 438, 424 и 382 °С. В результате диффузион­ ного процесса концентрация второго элемента в зоне контакта постепенно снижается, и температура плавления соединения повышается, приближаясь к температуре плавления матрицы. Таким образом, паяные соединения могут работать при темпе­ ратурах, превышающих температуру пайки.

39.2.1. Проблемы свариваемости ППМ

Для изготовления сварных конструкций ii3 ППМ используют шовную контактную сварку, электроннолучевую, лазерную, аргоно-дуговую и диффузионную. Эффективное использование шовной контактной сварки высокопоцистых ППМ из коррози­ онностойких сталей Х18Н15 и Х18Н9 снижается из-за высокой склонности этих материалов к образованию в шве сквозных по­ перечных трещин [3,4]. Причинами тре1цин являются низкая прочность и малая деформационная способность высокопори­ стых сталей из нержавеющих порошков, высокий коэффициент, термического расширения и наличие на поверхности частиц стойких и прочных оксидов с большим содержанием хрома.

С увеличением пористости и размера частиц порошка меха­ нические свойства ППМ понижаются, а диапазоны режимов сварки, характеризующиеся трещинообрззованием, расширя­ ются. Уровень свойств, обеспечивающих стойкость нахлесточных соединений против трещинообразованця, может быть гарантиро­ ван при создании в шве непрерывной литой структуры. В кон­ струкциях, допускающих использование цювно-точечных соеди­ нений, повышение технологической прочности целесообразно осуществлять снижением остаточных напряжений путем обес­ печения расстояния между точками равным 5—б мм [4].

При сварке плавлением ППМ, вследствие наличия в них за­ крытых пор, основным дефектом являются сквозные свищи в шве, образующиеся в результате выброса металла в процессе расплавления кромок.

39.2.2. Способы сварки и пайки ППМ

Шовная контактная сварка. Нахлесточные соединения листо­ вых пористых элементов осуществляют шовной контактной сваркой на стандартном оборудовании. Режимы сварки приве­ дены в табл. 39.2. Для получения стыковых соединений разрабо­ тан метод контактной шовной сварки с раздавливанием кромок, при котором наблюдается значительная деформация частиц [3]. Она вызывает более интенсивное, чем у нахлесточных соедине­ ний, разрушение оксидных пленок на поверхности частиц поро­ шка и способствует расширению области режимов без образова­ ния трещин. Увеличение дисперсности порошка и пористости ос­ новного материала облегчает формирование соединения при сварке с раздавливанием кромок. В то же время качество сое­ динений исследуемых материалов в первую очередь зависит от величины сварочной нахлестки, которая при толщине Ап> 1 Мм не должна превышать 1,5 h„, а с уменьшением толщины может быть увеличена до (2 — 3) hn. Режимы сварки приведены в табл. 39.3.

Лазерная сварка и ЭЛС пористых элементов, осуществляе­ мая с использованием стандартного оборудования, позволяют получать соединения равнопрочные основному пористому мате­ риалу с минимальной шириной шва.

39.3. Пористые сетчатые материалы

ПСМ производят на основе трикотажных (вязаных) и тканых сеток [1]. Для изготовления сварных конструкций применяют листовые ПСМ из стали 12Х18Н10Т, получаемые сваркой про­ каткой брикета фильтровых сеток и сеток с квадратными ячей­ ками [5]. Свойства ПСМ на основе тканых сеток из стали 12Х18Н10Т приведены в табл. 39.5.

39.3.1. Проблемы свариваемости ПСМ

Отличием ПСМ от ППМ является их значительная анизотро­ пия свойств, поэтому помимо пористости и свойств структуро­ образующих элементов (проволок) существенное влияние на условия формирования сварных соединений оказывает соотно­ шение коэффициентов эффективной теплопроводности по тол­ щине (А.л) и в направлении перпендикулярном движению источ­ ника (A,w). С уменьшением пористости и увеличением соотно­ шения %h/Xw качество сварных соединений возрастает.

При сварке плавлением высокопористых ПСМ (П > 0,3),для которых характерна низкая теплопроводность по толщине, в за­ висимости от величины Xw возможно образование прожогов и подрезов в зоне сплавления. Относительная прочность свар­ ных соединений, полученных сваркой плавлением, уменьша­ ется с увеличением пористости основного металла. Повышение качества соединений может быть достигнуто предварительным холодным обжатием кромок либо электрогальваническим нане­ сением покрытия в результате уменьшения их пористости и уве­ личения теплопроводности по толщине.

39.3.2. Способы сварки ПСМ

Аргонодуговая сварка. Автоматическая сварка стыковых соеди­ нений со скоростью более 30 м/ч требует осуществления про­ цесса на больших токах, что для заготовок с П>0,3 приводит к образованию подрезов в зоне сплавления, а при осв<10 м/ч возрастает ширина шва. Скорость сварки следует устанавливать в интервале от 10 до 30 м/ч, причем с увеличением пористости основного материала значение vCB следует уменьшать. Сварку заготовок с П>0,15 целесообразно выполнять с присадочной проволокой аналогичного химического состава [6]. Режимы ручной и автоматической аргонодуговой сварки приведены в табл. 39.6, 39.7.

Электронно-лучевая сварка. ЭЛС заготовок из ПСМ может осуществляться на стандартном оборудовании. Увеличение ка­ чества сварных соединений с П>0,25 достигается в результате расфокусирования луча и уменьшения скорости сварки. Ши­ рина получаемых швов на образцах толщиной 2,8—3,8 мм со­ ставляет 2,5—3 мм [7]. Исследование влияния термического цикла сварки на изменение гидравлических и структурных ха­ рактеристик показало, что снижение проницаемости сварных соединений пропорционально площади шва, а увеличения раз­ мера пор в зоне сплавления не происходит.

Диффузионная сварка. ДС пористых элементов осуществля­ ется на тех же режимах, что и компактных материалов анало­ гичного химического состава. Величина давления при сварке выбирается из условия обеспечения требуемого обжатия загото­ вок в местах их соединения.