7. Физические и механические свойства некоторых цветных металлов, используемых при сварке разнородных пар

-§ -а

г н а

о о

Примечание. Механические свойства даны для технически чистых металлов в отожженном состоянии.

8. Пары свариваемых металлов и применяемые способы сварки

§

a ca о

характерным этапом является физическое взаимодействие (этап А на рис. 12, а), а для второго этана химическое взаимодействие (этан Б на рис. 12, б), длительность и условия протекания которых определяют прочность сварного соединения,

Рис. 11. Типовые прослойки интерметаллидов при сварке алюминия со сталью и никелем:

а - при алитироваини стали н последующей сварке; 6 - при сварке по стали (слой алюминия нанесен при нагреве с помощью ТВЧ); в - при наплавке алюминия на никель

Рис. 12. Схемы изменения:

а - прочности сварного соединения в процессе физического {А) и химического (Б) взаимодействия контактирующих поверхностей (/ - процесс растворения: 2 - процесс образования химического соединения); б и в - потенциальной энергии системы атомов у поверхности кристалла (б), на границе твердой и жидкой фаз в начальный период их контакта (в)

а также возможность появления химических соединений. Для протекания в контакте соединяемых металлов процессов электронного взаимодействия требуется определенная энергия. Эта энергия может быть тепловой (термическая активация), механической (механическая активация) или радиационной (радиационная активация). При сварке плавлением атомы сближаются в результате смачивания жидким (менее тугоплавким) металлом более тугоплавкого, твердого или частично

! 1-. i ♦

оплавленного металла, с активацией его поверхности и последующим образованием металлических связей, т. е. за счет тепловой энергии источника нагрева; при сварке давлением - за счет механической энергии давления статического (сварка давлением) либо ударно-импульсного (сварка взрывом).

При соединении разнородных металлов, из-за периода релаксации энергии, процессы дис{х})узии затруднены и химическое взаимодействие происходите опозданием (замедлением или ретардацией). Это замедление обусловлено тем, что на свободной поверхности твердого или жидкого металла атомы оказываются неуравновешенными из-за отсутствия связи (вакуум) или ослабления связи, обусловленной другими свойствами окружающей среды. Это приводит к повышению энергии Еп поверхностного слоя (рис. 12, б) по сравнению с энергией Е, необходимой атому для перемещения внутри тела. Аналогичное явление возникает и при сварке разнородных металлов, когда из-за быстрого образования физического контакта жидкого металла с твердым, более тугоплавким (стадия А), на границе фаз образуется пик межфазной энергии (рис. 12, е), так как переход атомной системы в новое состояние осуществляется не мгновенно, а за некоторый конечный промежуток времени; указанное явление и определяет период ретардации. Если длительность контактирования жидкого и твердого металлов в разнородном соединении меньше периода ретардации, то можно получить соединение разнородных металлов с ограниченной растворимостью без промежуточных хрупких прослоек.

Время рЛардации (т. е. жизни атома перед потенциальным барьером), с [21]

Тр = То ехр

е {£., + £ж) 2kT

где Tq - время инкубационного периода для неактивируемого процесса [Е + + Ey! - 0), с; е - постоянная величина (заряд электрона); Е энергия активации диффузии в твердой фазе. В; - энергия активации диффузии в жидкой фазе, В; k - постоянная Больцмана, эВ/(ат-К); Т - температура, К-

Если длительность контактирования жидкого и твердого металлов в разнородном соединении меньше периода ретардации, то можно получить соединения разнородных металлов с ограниченной растворимостью без промежуточных хрупких прослоек. Расчеты показывают, что при сварке пары Ti и А1 при взаимодействии жидкого алюминия с твердым нагретым титаном период ретардации (при котором в соединении отсутствуют хрупкие фазы) составит: 170 с при температуре алюминия 700° С; 9 с при 800° С; 1 с при 900° С.

Способы сварки разнородных металлов и сплавов указаны в табл. 8. Сварка без хрупких фаз затруднена тем, что в реальных сварных соединениях площади контакта велики, а контактирование происходит не по всей поверхности одновременно. Если исходить только из периода ретардации и стремления получить соединение без хрупких фаз, то можно получить соединение с разрывным контактом, т. е. такое соединение, когда связь устанавливается только в отдельных местах. Для соединения алюминия со сталью избежать образования хрупкой прослойки интерметаллидов при их непосредственной сварке вообще нельзя. Кроме того, прочность такого соединения может быть неудовлетворительной. Поэтому в некоторых случаях, особенно при крупногабаритных деталях, приходится выбирать такое время контактирования, когда заведомо образуется плотный и равномерный слой интерметаллидов, надежно связывающий соединяемые металлы, но с более низкой прочностью [1, 2].

Наиболее успешно удается сваривать отдельные пары металлов способами и приемами, при которых обеспечиваются: 1) минимальное время контактирования соединяемых металлов в жидком состоянии, что уменьшает размеры прослоек хрупких интерметаллидов либо даже предотвращает их возникновение; 2) надежная защита металла при сварке от взаимодействия с окружающим воздухом; 3) предотвращение образования хрупких интерметаллидов подбором промежуточных однородных или комбинированных из разных металлов вставок, хорошо сваривающихся с любым металлом свариваемой пары; 4) подавление роста интер-

металлических хрупких фаз легированием металла шва некоторыми компонен-

При сварке плавлением тонкое регулирование нагрева более тугоплавкого металла свариваемой пары и степени нагрева легкоплавкого металла достигается при электронно-лучевой сварке и при нагреве независимым источником, т. е. плазменной сваркой, либо сваркой или наплавкой дугой косвенного действия [8, 18, 30].

Быстрый и равномерный контакт свариваемых жидкого легкоплавкого металла и нагретого тугоплавкого металла зависит от состояния поверхности тугоплавкого металла. Если поверхность тугоплавкого металла загрязнена, окислена и т. п., получить соединение нельзя. Предварительное покрытие этой поверхности поверхностно-активным слоем предохраняет ее от окисления при нагреве, уменьшает

бмнн

1,0 2,0 3,0 и,0 5,0 6.0 Легирующие элементы а)

12 т Wvct,n/4

Рис. 13. Зависимость прочности сварного соединения стали и алюминия от:

а - толщины интерметаллической прослойки (по экспериментальным данным); б - толщины прослойки и скорости сварки

энергию активации, улучшает смачиваемость и стабилизирует контакт между жидким легкоплавким металлом и нагретой поверхностью. Могут быть применены покрытия [1, 19J: 1) цинковое, толщиной 30-50 мкм, наносимое гальваническим путем либо горячим цинкованием; 2) алюминиевое из чистого алюминия, толщиной 0,1-0,2 мм, наносимое алитированием; 3) комбинированное медно-цинковое; 4) комбинированное никель-цинковое; 5) расплавляемые прокладки при электронно-лучевой и диффузионной сварке [13].

На регулирование толщины соединительных прослоек, имеющих интерметаллиды, и регулирование прочности всего соединения влияет способ легирования металла шва некоторыми элементами. Например, при сварке аюминиевых сплавов АМц и АМгб и оцинкованной стали толщина прослойки интерметаллидов значительно уменьшается при введении через присадочную проволоку до 5% Si, до 2,5% Си и до 7% Zn.

Прочность сварного соединения зависит от толщины интерметаллической прослойки для соединения стали с алюминием (рис. 13, а) [1]. При сварке плавлением длительность нагрева и контактирования свариваемых металлов регулируют смещением источника тепла на один из металлов (более теплопроводный или легкоплавкий), а при контактной сварке - использованием электродов разного размера и сечения, применением теплоотводов и т. п. [19].

Для защиты металлов от действия окружающего воздуха наиболее универсальным оказался способ аргонодуговой сварки, но для тугоплавких и химически активных металлов (титана, ниобия, тантала, молибдена и др.) наилучшие условия обеспечиваются при электронно-лучевой и диффузионной сварке.

Сварка стали с цветными металлами и их сплавами

Сварка стали с алюминие1и и его сплавами. Аргонодуговая сварка. Подготовка стальной детали под сварку предусматривает для стыкового соединения двусторонний скос кромок под углом 70° к вертикали, так как при таком угле скоса прочность соединения достигает максимальной величины. Свариваемые кромки очищают механической обработкой, пескоструйным способом, химическим травлением, детали подают на операцию нанесения покрытия (поверхностно-активного слоя). Недопустимо применять дробеструйную очистку, так как на поверхности металла остаются окисные включения. Для углеродистых и низколегированных сталей лучшим покрытием является цинковое, наносимое на сталь гальваническим способом. Для аустенитных сталей (12Х18Н9Т и т. п.) лучшее покрытие алюминиевое; оно получается алитированием детали в месте сварки, после очистки с флюсом (50% KF+50% КС1). Алитирование для углеродистых и низколегированных сталей применять не следует, так как в процессе алитировання растущие интерметаллиды оттесняют углерод и под прослойкой интерметаллидов образуется науглероженная зона, что снижает прочность сварного соединения [19]. Недопустимо наносить цинковое или алюминиевое покрытие по методу шоопирования, так как при этом частицы покрытия успевают окисляться, и удовлетворительно сварить алюминий со сталью не удается [1].

Сварку производят на переменном токе с использованием стандартных установок, вольфрамовых электродов диаметром 2-5 мм и аргона 1-го и 2-го сортов по ГОСТ 10157-73. Особенностью сварки алюминия со сталью, по сравнению с процессом аргонодуговой сварки алюминиевых сплавов, является расположение дуги, которое должно в начале сварки первого шва удерживаться на присадочном прутке, а в процессе сварки - на присадочном прутке и образующемся валике (рис. 14, а); этим предупреждается преждевременное выгорание покрытия [1]. Возможен и другой вариант, когда дуга ведется но кромке алюминиевой детали (рис. 14, б), а присадка - по кромке стальной детали таким образом, что жидкий алюминий натекает на поверхность стальной детали, покрытой цинком или али-тированной [19]. При сварке, в зависимости от типа соединения, необходимо соблюдать последовательность наложения валиков шва, показанную на рис. 14, е. Наложение слоев в порядке, указанном на рис. 14, в, обеспечивает необходимое покрытие, а их чередование с лицевой и обратной стороны предотвращает перегрев стальной детали и преждевременное выгорание цинка с ее поверхности.

Сварочный ток зависит от толщины свариваемого металла.

Толщина металла, мм Сила тока, А.....

110-130

6-8 130-160

9-10 180-200

В качестве присадочного материала применяют сварочную проволоку марки СвА97 (чистый алюминий с небольшой присадкой кремния), благоприятно влияющую на формирование диффузионной прослойки стабильного качества. Присадку из проволоки СвАМгб применять не следует, так как она обеспечивает соединение меньшей прочности. В этом случае в формировании интерметаллического слоя принимает участие магний (до 1-2%). Атомы магния вместо атомов алюминия в кристаллической решетке одной из фаз обусловливают слабые связи, так как магний практически нерастворим в железе. При диффузионной сварке магний также препятствует сварке алюминия со сталью. Магний резко ускоряет рост прослойки из хрупких интерметаллидов в связи с тем, что он интенсифицирует развитие процессов реактивной диффузии.

Скорость сварки определяет время взаимодействия жидкого алюминия со сталью, т. е. толщину и стабильность соединительного диффузионного слоя (см. рис. 13, б). Для первых слоев скорость сварки назначают 7- О м/ч, для последующих (когда сталь достаточно разогрета) 12-15 м/ч [1].

При сварке по гальванически оцинкованным кромкам стальной детали статическая прочность соединения при разрыве соответствует прочности алюминия (40 кгс/мм). При нанесении на кромки слоя алюминия (путем алитировання или

12 п/р. Акулова А. И., т. 2