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 (табл. ИЗ).

зуемых при сварке разнородных металлов

Сплавы алюминия

Сплавы меди

12Х18Н9Т

А Ми

АМг5В

АМгб

БрАМц 9-2

БрКМц 3—1

ЬрЕ2

7,9

1450

2,73

650

2,65

570—640

2,65

630

8,2

1С50

8,4

1080

8,2

1050

16,6

23,2

23,9

24,0

17,0

15,8

16,6

0,04

58—65

24—30

55—70

20,3

0,45

30

10—15

5.0 20

7.1

0,30

65

28—30

15,0

18

7,0

0,29

70

32—38

16—18

15—20

7,2

0,17

80—100

45—50

15—20

20—35

9,2

0,11

75—90

35—40

22—26

30—40

10,4

0,2

100/330* 50/125* 25/115* 35/24 * 13,0

Для таких металлов, как титан, ниобий, тантал, молибден, дополнительные трудности возникают в связи с тем, что при иагреве 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 (табл. 114).

Таблица 114. Основные варианты свариваемых пар разнородных металлов

Основные особенности физико-химиче­ского взаимодействия

Соединяемые

металлы

Применяемые способы сварки плавлением

Образование растворов

Образование стойких интср — металлических соединений

Сталь -!- алюминий, сплавы алюминия

А ргонодуговая

До 33% А1 в a — Fe

FeAl3; Fe2A1D; Fe2Al7; FeAl

Сталь —j— медь, спла­вы меди

Аргоиодуговая, под флюсом. штектро — гн л а копая, плаз­менной струей, эле­ктронным лучом

До 8% Си и у — Fe До 1.4% Си в а — Fe

Сталь+титан

Аргонодуговая

0,5% Fe в а — Ті До 25% Fe в (3 — Ті

FeTi;

Fc, Ti

Сталь-f-молибден

г

До 6,7% Мо в а—Fe

FeMo; Fe2Mo8

Сталь + ниобий

До 1.8% Nb в а —Fe До 1% Nb в у — Fe

FeNb; Fo„Nb; Fc6Nbs

Алюминий + медь

Аргонодуговая, по слою флюса

До 9.8 А1 в Си

CuA12

Алюминий — j — титан

Аргоподуговая

До 6% А! в а —Ті

TiAl: TiAl3

Титан + тантал

г>

Непрерывный ряд

Медь+титан

»

2.1% Си в к—Ті До 17% Си в (З — ТЇ

TiCu; Ti2Cu; Ti2Cu3

Медь + молибден

Электронным лу­чом

Ограниченная раст­воримость

Так, к паре Fe — А] образуются соединения FeAla, Fe2Al5, Fe2Al7, FeAl, которые имеют микротвердость порядка 800— 900 кгс/мм2. Наиболее хрупкая фаза Fe2Al6. В паре Al — Ni при сварке сталей 18-8 и алюминия образуются интерметаллиды NiAl и NisА], обладающие большой Хрупкостью.

Пластичность фазы NiAl может быть увеличена, напри­мер, нагревом и гомогениза­цией фазы при температуре 1150° С 48 ч, либо при темпе­ратуре 1315° С 6 ч, а также за счет измельчения зерна этой фазы при добавке 0,5% Мо. На рис. 167 в качестве примера показаны некоторые типовые прослойки, получающиеся при сварке алюминия со сталью и алюминия с никелем.

Рис. 167. Прослойки интерметал­лидов при сварке алюминия со сталью:

В паре Fe — Ті образуются хрупкие фазы FeTi и Fe2Ti, а в паре Ті — А1 — хрупкие фазы TiAl и ТіА13. Эти фазы представляют собой химические соединения и резко отличаются от соединяемых металлов по всем характеристикам. Напри­мер, фаза FeAlg обладает ромби­ческой решеткой с параметра­ми а = 47,43 А; Ъ — 15,46 А; с = 6,08 А, совершенно отлич­ной от структуры Fe и А1.

а — при сварке но алитированиой стали; б — то же, по оцинкованной стали; в — при наплавке алюминия на никель

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 интерметаллических хруп­ких фаз легированием метал­ла шва некоторыми компо­нентами. В ряде случаев подавить рост интерметалли­ческих фаз удается легирова­нием металла шва такими компонентами, как кремний, цинк, никель.

Рис. 168. Изменение прочности свар­ного соединения н процессе физического (Л ) и химического (Б) взаимодействия контактирующих поверхностей н при дальнейшем контакте этих поверх­ностей (В):

1 — процесс растворения; 2 — процесс обра­зования химического соединения

Процесс образования прочных связей в сварном соединении можно разбить па две стадии; 1) подгото­вительная стадия — сближе­ние соединяемых металлов на расстояния, при которых может возникнуть междуатомпоо взаимодействие, что достига­ется: а) в процессе смачивания твердой поверхности жидкой фазой; б) за счет совместной пластической деформации двух твердых веществ; в) за счет диффузионных процессов;

2) конечная стадия — образование прочного соединения, когда определяющую роль играют квантовые процессы электронного взаимодействия, приводящие к возникновению либо металличе­ской связи (чистые металлы), либо ковалентной связи (металлы, химические соединения, окислы).

Для первой фазы характерны физическое взаимодействие (этап А на рис. 1(58) и химическое взаимодействие (этап В на рис. 168), длительность и условия протекания которых опреде­ляют прочность сварного соединения, а также возможность появ­ления химических соединений.

Протекание в контакте соединяемых элементов процессов электронного взаимодействия указанных типов требует опреде­ленной энергии для активации поверхности. Эта энергия может быть тепловой (термическая активация), механической (механи­ческая активация) или радиационной (радиационная акти­вация).

При сварке плавлением разнородных металлов сближение атомов происходит в результате смачивания менее тугоплавким металлом и активации поверхности более тугоплавкого металла за счет тепловой энергии источника нагрева.

В случае соединения разнородных металлов из-за периода релаксации энергии процессы диффузии затруднены, и химиче­ское взаимодействие происходит с 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, вызванного дру­гими свойствами окружающей среды. Это приводит к повы­шению энергии поверхности слоя Еп (рис. 169, я) по сравне­нию с энергией Е0, 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 Ет (рис. 169, б), так как переход атомной системы в новое состоя­ние осуществляется не мгновенно, а за некоторый конечный промежуток времени. Указанное явление и определяет период ретардации.

а)

1 ^

7———————————————-

V®4—

W

J-

-W-

Рис. 169. Изменение потенциальной энергии системы атомов:

я — у поверхности кристалла; б — на гра­нице твердой и жидкой фаз в начальный период их контакта

Если длительность контактирования жидкого и твердого металлов в разнородном соединении меньше периода ретардации (замедления), вполне возможно получение соединения разнород­ных металлов с ограниченной растворимостью без промежуточ­ных хрупких прослоек. Время ретардации можно рассчитать но формуле

Т -_т CXD Г ‘

Тр — То exp [ 2кГ j,

где Тр — время ретардации (т. е. время жизни атома перед потен­

циальным барьером), с; т0 — время инкубационного периода для пеактивпруемого процесса (Ет -+- Ет = 0), с; е — заряд электрона; ЕТ, Ет — энергии активации диффузии в твердой и жидкой фазах; к — постоянная Больцмана; Т — темпера­тура, К

При сварке пары Al Ті, при взаимодействии жидкого алю­миния с твердым нагретым титаном, период ретардации (при котором в соединении отсутствуют хрупкие фазы) составит: при температуре алюминия 700° С 170 с, при температуре алюминия 800° С 9 с, при 900° 1 с. Для пары Al Т Fe при температуре

700° С это время составит 4 с. Указанные расчеты осложнены

отсутствием надежных данных о величине необходимой энергии активации поверхности для различных металлов.

Практическое осуществление сварки без хрупких фаз во мно­гих случаях затруднено темл что в реальных сварных соедине-
пнях площади контакта велики и сам контакт происходит не по всей поверхности одновременно, в результате чего, если исхо­дить только из так называемого периода ретардации и стремле­ния избежать хрупких фаз, практически можно получить соеди­нение с «разрывным» контактом, т. е. имеющим связи только в отдельных местах. Прочность такого соединения может быть совершенно неудовлетворительной. Поэтому в ряде случаев, особенно при крупногабаритных деталях, приходится выбирать время контактирования, когда заведомо образуется плотный и равномерный слой интерметаллидов, осуществляющий достаточно надежную связь соединяемых металлов, по с пониженным уров­нем прочности.

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

Для осуществления быстрого и равномерного контакта сва­риваемых жидкого легкоплавкого металла и нагретого тугоплав­кого металла важное значение имеет состояние поверхности пос­леднего. Невозможно получить соединение-, если поверхность тугоплавкого металла загрязнена, окислена и т. п. Предохраняет поверхность от окисления при нагреве, уменьшает зиергию акти­вации, улучшает смачиваемость и стабилизирует контакт между жидким легкоплавким металлом и нагретой поверхйостью пред­варительное покрытие этой поверхности поверхностно активным слоем.

При сварке стали и алюминия могут быть применены покры­тия: цинковое толщиной 30—50 мкм, наносимое гальваническим путем либо горячим цинкованием; алюминиевое из чистого алю­миния толщиной 0,1—0,2 мм, наносимое алитированием; комби­нированное медно-цинковое; комбинированное никель-цинковое.

Важное значение для регулирования толщины соединитель­ных прослоек, имеющих в своем составе пнтермоталлиды, и регу­лирования прочности всего соединения имеет способ, связанный с легированием металла шва некоторыми элементами. Эффектив­ность этого способа показана для сварных соединений из алюми­ниевых сплавов АМц и АМгб и оцинкованной стали.

Так, при введении через присадочную проволоку легирующих элементов толщина прослойки интерметаллидов в соединитель­ном слое составила: при 1 % Si 18—20 мкм, при 4—5% Si 3—5 мкм; при 1 % Си 28—30 мкм, при 2,5% Си 10—12 мкм; введение 1—3% Ni не изменило толщину прослойки, которая составляла 16— 22 мкм; при 2% Zn 28—30 мкм, при 7% Zn 10—12 мкм; при даль­нейшем увеличении содержания цинка толщина прослойки ра­стет, а ее прочность резко падает Зависимость прочности свар­ного соединения от толщины интерметаллической прослойки показана на рис. 170.

J*

-%J

р

Ш

н

Ч’чр

ч,

д

а)

б/.КПС/нМ*

ЗО

20

10

70

10

1,0 2,0 3,0 0,0 5,0 6,0 7,0 %

бе, кгфмг Содержание легирующих элементов

02

36

30

О

0. мкм tig. к£с/мм*

С

1

6

s’.

•V

— с

rv„

О, МММ

0.10

0,05

О 6

10 12 1ч 16 18 20vcSh/4 В)

0,15

— —

а

ГА

I

bSb

^ ‘1

г

05° 50° 55° 60 65° 70° 75°

Угол сноса кромок ‘ б)

60° 85°

Рис 170. Влияние па проч­ность сварного соединения стали и алюминия:

о — толщины 6 интср мета л ли д — пой прослойки; б — угла а раз­делки кромки стальной детали; <? — толщины интерметаллидпой прослойки и скорости сварки

SHAPE * MERGEFORMAT

Практически регулировать длительность нагрева и контак­тирования свариваемых металлов можно смещением источника теплоты на один из элементов, обычно легкоплавкий (см. рис. 171, б) применением теплоотводов и т. п.

С точки зрения надежной защиты металлов от действия окру­жающего воздуха наиболее универсальным для многих металлов оказался способ аргонодуговой сварки, но для таких металлов, как титан, ниобий, тантал, молибден, наилучшие условия обес­печивает сварка в вакууме электронным лучом.