Соединение разнородных материалов

Несмотря на значительные трудности сварки, конструкции из разнородных материалов и сплавов в современной технике изготовляют во все большем объеме. Это обусловлено значительными техническими и экономическими преимуществами, которые имеют конструкции из разнородных металлов и сплавов в некоторых технических сооружениях (криогенная техника, энергетические установки, ракетная техника, судостроение, радиоэлектроника).

В конструкциях либо элементах конструкций используют различные комбинации из стали, меди и ее сплавов, алюминия и его сплавов, титана и его сплавов, молибдена, ниобия, тантала.

Для различных пар металлов применяют сварку плавлением и наплавку: дуговую в среде защитных газов неплавящимся и плавящимся электродом, плазменной струёй, толстопокрытыми электродами, под слоем флюса, электронно-лучевую, лазерную.

Для большинства свариваемых пар разнородных металлов или сплавов характерны существенные различия в температуре плавления, плотности, коэффициентах теплофизических свойств, особенно, в коэффициентах линейного расширения. Отличаются также и кристаллографические характеристики - тип решетки и ее параметры.

Для таких металлов, как титан, ниобий, тантал, молибден дополнительные трудности возникают в связи с тем, что при нагреве эти металлы активно взаимодействуют с газами атмосферы. При поглощении газов резко ухудшаются свойства сварных соединений. В большинстве случаев при ограниченной взаимной растворимости для основных комбинаций свариваемых металлов чрезвычайно трудно избежать образования стойких интерметаллических фаз, обладающих высокой твердостью и хрупкостью

В связи с отмеченными особенностями и трудностями сварки разнородных металлов и их сплавов успешно сварить удается отдельные пары металлов способами и приемами, при которых:

1) обеспечивается минимальное время контактирования соединяемых металлов в жидком состоянии, что уменьшает размеры прослоек хрупких интерметаллидов либо даже предотвращает их возникновение;
2) создается надежная защита металла при сварке плавлением от взаимодействия с окружающим воздухом;
3) предотвращается образование хрупких интерметаллидов подбором промежуточных, однородных или комбинированных из разных металлов вставок, хорошо сваривающихся с каждым элементом пары, например, ванадия, тантала, ниобия, бронзы;
4) подавляется рост хрупких интерметаллических фаз легированием металла шва некоторыми компонентами. В ряде случаев подавить рост интерметаллических фаз удается легированием металла шва такими компонентами, как кремний, цинк, никель.

Наиболее тонкое регулирование нагрева более тугоплавкого металла свариваемой пары и степени нагрева легкоплавкого металла достигается только при использовании нагрева независимым источником; плазменной струёй и дугой косвенного действия (наплавкой независимой дугой).

Для осуществления быстрого и равномерного контакта свариваемых жидкого и легкоплавкого и нагретого тугоплавкого металлов важное значение имеет состояние поверхности последнего. Невозможно получить соединение, если поверхность тугоплавкого металла загрязнена, окислена, и т.п.

Соединение высоколегированных сталей со средне- или низколегированными и обычными углеродистыми. При сварке таких сталей возникает несколько трудностей. Первая из них заключается в том, что в процессе изготовления сварного соединения или при его эксплуатации в шве часто образуются трещины, которые проходят по его середине или у границы сплавления. Вторая заключается в том, что в зоне оставления может происходить изменения структуры с образованием прослоек, существенно отличающихся от структуры сплавляемых металлов.

Во многих случаях, даже при минимальном проваре, для обеспечения допустимого разбавления наплавленного металла необходимо применять соответствующие сварочные материалы. Для предотвращения трещин, возникающих в металле шва у линии сплавления, разнородные стали необходимо сваривать так, чтобы ширина переходного слоя была минимальной. Это достигается снижением силы сварочного тока и напряжения дуги, а также увеличением скорости сварки.

Одним из основных подходов, направленных на решение вопросов сварки разнородных сталей является получение аустенитного металла шва с высоким содержанием никеля, который обеспечивает вполне стабильную зону сплавления. Преимущество высоконикелевого металла состоит также в близости его коэффициента линейного расширения к этому коэффициенту низко- и среднелегированных сталей. В связи с тем, что никель является дефицитным и довольно дорогим элементом, а также элементом, способствующим образованию горячих трещин в сварном шве, в металле последних целесообразно иметь лишь то количество никеля, которое необходимо для предупреждения образования структурной неоднородности в зоне сплавления с менее легированной сталью.

При сварке перлитных сталей с аустенитными всегда следует применять аустенитные сварочные материалы, обеспечивающие получение наплавленного металла с таким запасом аустенитности, чтобы с учетом расплавления и участия в формировании шва низколегированных составляющих (перлитной стали) обеспечить в высоколегированном шве аустенитную структуру. Приблизительно необходимый состав наплавленного металла для получения шва, обладающего такой структурой может быть определен по диаграмме Шефлера с учетом участия в формировании шва доли основного и дополнительного металлов.

Большой запас аустенитности металла шва позволяет предотвратить образование малопластичных участков с мартенситной структурой в корневых швах и слоях, примыкающих к перлитной стали. Разнородные соединения из перлитной и аустенитной сталей термообработке, как правило, не подвергают, так как режимы термообработки, улучшающие свойства зоны термического влияния одной из свариваемой сталей не оказывают положительного влияния на другую сталь или ухудшают те или иные ее свойства.

Кроме того, из-за разности коэффициентов линейного расширения в перлитной и аустенитной стали высокий отпуск приведет лишь к перераспределению остаточных напряжений, а не к их снятию.

Если сваривается перлитная закаливающаяся сталь с аустенитной, то на кромки закаливающейся стали проводят наплавку аустенитными электродами с предварительным или сопутствующим подогревом, обеспечивающим необходимую скорость охлаждения околошовной зоны. При этом сварочные материалы должны обеспечить получение наплавленного металла с повышенным содержанием никеля. Затем проводят отпуск деталей с наплавленными кромками для устранения закалки в околошовной зоне. После этого детали из перлитной стали с наплавленными кромками сваривают с аустенитной сталью на режимах, оптимальных для последней без предварительного подогрева. При такой технологии отпадает необходимость в последующем отпуске.

При сварке перлитных сталей с 12%-ми хромистыми сталями с целью обеспечения наибольшей пластичности шва применяют сварочные материалы перлитного класса. В этом случае в переходных участках со стороны высоколегированных сталей с содержанием до 5% хрома сохраняется высокая пластичность и вязкость. Для снижения размеров диффузионных прослоек перлитный наплавленный металл должен легироваться определенным количеством карбидообразующих элементов. Температуру предварительного подогрева соединения следует выбирать по характеристикам высоколегированной (12%-ной хромистой) стали также, как и режим термообработки, но для уменьшения размеров диффузионных прослоек, температура отпуска должна быть принята минимально возможной.

При сварке перлитных сталей с 17 ... 28%-ми хромистыми сталями использование электродов перлитного класса нецелесообразно из-за чрезмерного легирования хромом из высокохромистой стали и потери им вследствие этого пластичности. Поэтому наиболее подходящими будут сварочные материалы ферритно-аустенитного класса, обеспечивающие достаточную стабильность металла шва даже при наличии значительного проплавления перлитной стали. При таких сочетаниях сталей могут быть также допущены аустенитные электроды, однако при этом следует учитывать структурную неоднородность соединения.

Соединение стали одного структурного класса. В практике производства сварных конструкций из сталей одного структурного класса, но разного легирования, к швам не предъявляются требования повышенной прочности или особых свойств, характерных для более легированной стали. Поэтому при выборе сварочных материалов и технологии сварки следует отдать предпочтение материалам и технологии, обычно применяемым для менее легированной стали. Технологические режимы сварки и температуру подогрева следует выбирать по свойствам более легированной стали. При необходимости исключить подогрев можно также производить предварительную наплавку кромок деталей из более легированной стали.

При сварке между собой высокохромистых мартенситных, ферритных и ферритно-аустенитных сталей выбор сварочных материалов должен основываться на необходимости получения швов без трещин и без хрупких участков в них. Так как в этих сталях содержится большое количество энергичного карбидообразователя - хрома ожидать заметного развития диффузионных прослоек в зоне линий сплавления не следует. Режим подогрева выбирают по характеристикам более закаливающейся стали из входящих в рассматриваемое сочетание.

При связке 12%-ных хромистых мартенситных сталей с высокохромистыми ферритными и ферритно-аустенитными предпочтительнее выбирать сварочные материалы ферритно-аустенитного класса, т.к. применение ферритных сварочных материалов приводит к получению швов с крупным зерном и низкой пластичностью в исходном состоянии после сварки. В ходе термообработки следует принимать меры к ускоренному охлаждению для предупреждения 475 градусной хрупкости. Так как коэффициенты линейного расширения высокохромистых сталей различных марок и ферритно-аустенитных швов близки, то термообработка приводит к почти полному устранению сварочных напряжений.

При сварке разнородных аустенитных сталей следует иметь в виду повышенную склонность аустенитных швов к образованию горячих трещин. Поэтому при выборе сварочных материалов следует прежде всего исходить из необходимости надежного предотвращения возникновения горячих трещин в шве. Технология сварки этих сталей зависит от соотношения содержания в металле хрома и никеля (запаса аустенитности). Если сваривают разнородные стали с малым запасом аустенитности то можно использовать материалы, рекомендуемые для сварки как одной, так и другой стали. При этом, предупреждение образования в шве горячих трещин обеспечивается получением металла шва с аустенитно-ферритной структурой с регламентированным количеством феррита.

При сварке между собой сталей с большим запасом аустенитности необходимо использовать сварочные материалы, позволяющие получить в шве однородную аустенитную или аустенитно-карбидную структуру при обязательном дополнительном легировании элементами, повышающими стойкость против образования трещин.

Соединение стали с алюминием и его сплавами. Процесс затруднен физико-химическими свойствами алюминия. Выполняется в основном аргонодуговая сварка вольфрамовым электродом. Подготовка стальной детали под сварку предусматривает для стыкового соединения двусторонний скос кромок с углом 70°, так как при таком угле скоса прочность соединения достигает максимальной величины. Свариваемые кромки тщательно очищают механически или пескоструйным способом, или химическим травлением, затем на них наносят активирующее покрытие. Недопустимо применение дробеструйной очистки, так как на поверхности металла остаются окисные включения. Наиболее дешевое покрытие - цинковое, наносимое после механической обработки.

Особенностью сварки алюминия со сталью, по сравнению с обычным процессом аргонодуговой сварки алюминиевых сплавов, является расположение дуги; в начале наплавки первого шва - на присадочном прутке, а в процесс сварки - на присадочном прутке и образующемся валике, так как при длительном воздействии теплоты дуги на поверхность стали происходит преждевременное выгорание покрытия, что препятствует дальнейшему процессу сварки.

После появления начальной части валика дугу нужно зажигать вновь (после перерыва) на алюминиевом валике. При сварке встык дугу ведут по кромке алюминиевой детали, а присадку - по кромке стальной детали, таким образом, что жидкий алюминий натекает на поверхность стали, покрытой цинком или алитированной.

В зависимости от типа соединения при сварке необходимо соблюдать последовательность наложения валиков шва, обеспечивающую необходимое перекрытие. Чередование валиков с лицевой и обратной стороны предотвращает перегрев стальной детали и преждевременное выгорание цинка с ее поверхности.

Важное значение имеет правильный выбор скорости сварки, так как она определяет время взаимодействия жидкого алюминия со сталью, т.е. определяет толщину и стабильность интерметаллидной прослойки. Для первых слоев скорость сварки меньше, чем для последующих, когда сталь достаточно разогрета.

Соединение стали с медью и ее сплавами. В равновесном состоянии при комнатной температуре медь растворяется в а - Fe в количестве до 0,3%, а железо в меди в количестве до 0,2%. Хрупких интерметаллидов не образуется. В связи с большими скоростями охлаждения при сварке в переходном слое образуется пересыщенный твердый раствор меди с железом, но при содержании до 2...2,5% Fe структурно свободное железо не обнаруживается. Граница оплавления между сталью и медью - резкая, с включениями фазы обогащенной железом различного размера Со стороны стали, примыкающей ко шву, размер зерна увеличивается в пределах зоны шириной 1,5... 2,5 мм. Микротвердость зоны оглавления достигает 58... 62 МПа.

Затруднения при сварке и наплавке меди на сталь связаны с ее физико-химическим свойствами, высоким сродством меди к кислороду, низкой температурой плавления меди значительным поглощением жидкой медью газов, различными величинами коэффициентов теплопроводности, линейного расширения и т.д.

Одним из основных возможных дефектов при сварке следует считать образование в стали подслоя меди, трещин заполненных медью или ее сплавами. Указанное явление объясняют расклинивающим действием жидкой меди проникающей в микронадрывы в стали по границам зерен при одновременном действии термических напряжений растяжения.

В углеродистых и низколегированных сталях трещин мало и размеры их невелики, а в сталях, имеющие аустенитную структуру, количество и размеры трещин резко возрастают. Для аустенитных сталей эффективным барьером для упомянутых трещин является введение ферритной фазы. При содержании феррита свыше 30% в хромоникелевой аустенитной стали не наблюдается проникновение меди в сталь. Это объясняется тем, что феррит не смачивается медью и проникновение меди в микронадрывы не происходит.

Медь, латунь и бронза успешно свариваются со сталью всеми способами сварки плавлением на тех же режимах что и стальные детали соответствующих сечений, но дугу со стыка несколько смещают в сторону меди или ее сплавов.

Для соединений меди и ее сплавов со сталью рекомендуется применять аргонодуговую сварку вольфрамовым электродом, а для наплавки цветных металлов на сталь - наплавку плазменной струёй с токоведущей присадочной проволокой. При сварке обеспечивается равнопрочность сварного соединения (по цветному металлу) при действии статической нагрузки. Сварные соединения имеют так же высокую усталостную прочность.

Соединение алюминия и его сплавов с медью. Кроме значительного различия физико-химических свойств алюминия и меди сварка этих металлов затруднена образованием хрупкой интерметаллидной фазы. Обычно сварку выполняют вольфрамовым электродом в аргоне и по слою флюса. Для улучшения процесса сварки на медь после ее очистки необходимо наносить слой покрытия, который активирует поверхность более тугоплавкого металла, улучшает смачиваемость поверхности мели, алюминия. Наилучшим является цинковое покрытие толщиной 50 ... 60 мкм, наносимое гальваническим методом. Технология сварки алюминия с медью такая же, как и алюминия со сталью, т.е. дугу смещают на более теплопроводный металл, в данном случае на медь, на 0,5 ... 0,6 толщины свариваемого металла. Для обеспечения стабильной прочности сварных соединений по свариваемой кромке меди необходим скос под углом 45 ... 60°.