Сталь с алюминием, медью, титаном и их сплавами

Сварка стали с алюминием и его сплавами. Процесс затруднен физико-химическим» свойствами алюминия. Выполняется в основ­ном аргонодуговая сварка вольфрамовым электродом. Подготовка стальной детали иод сварку предусматривает для стыкового соединения двусторонний скос кромок с углом 70°, так как при таком угле скоса прочность соединения достигает максимальной величины (см. рис. 170, б). Свариваемые кромки тщательно очищают механически или пескоструйным способом, или хими­ческим травлением, затем иа них наносят активирующее покры­тие. Недопустимо применение дробеструйной очистки, так как на поверхности металла остаются окисные включения. Наиболее дешевое покрытие — цинковое, наносимое после механической обработки.

Процессу гальванического и горячего цинкования должны предшествовать обезжиривание детали, промывка и сушка, трав­
ление в растворе серной кислоты с последующей промывкой и суш­кой. При горячем цинковании, перед опусканием детали в цин­ковую ванну, имеющую температуру 470—520° С, необходимо флюсование детали в насыщенном растворе флюса. Простейший флюс состоит из двух компонентов: 50% KF +50% КС1. Совер­шенно недопустимо нанесение цинкового или алюминиевого покры­тия по методу шоопирования, так как при этом частицы покры­тия успевают окислиться и удовлетворительно сварить алюминий со сталью не удается.

При гальваническом нанесении покрытия слой цинка должен достигать 30—40 мкм, при горячем цинковании 60—90 мкм. В последнем случае значительно облегчается процесс нанесения слоев алюминия, особенно на мелких деталях. Для сталей аусте­нитных (12Х18Н9Т и т. и.) алитирование возможно после меха­нической очистки без применения флюса. Оптимальный (по прочности соединения) режим алитирования — температура алю­миниевой ванны 750—800е С. Время выдержки при алитирова­нии — до 5 мни в зависимости от размеров детали. Возможно также алитирование стальных деталей с применением токов вы­сокой частоты.

Технология сварки предусматривает использование стандарт­ных сварочных установок типа УД Г-300 с применением лантани - рованных 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 обычным процессом аргонодуговой сварки алюминиевых спла­вов является расположение дуги; в начале наплавки первого шва — на присадочном прутке, а в процессе сварки — па приса­дочном прутке и образующемся валике (рис. 171, я), так как

при длительном воздействий теплоты дуги па поверхность стили происходит преждевременное выгорание покрытия, ЧТО II pollin' ствует дальнейшему процессу сварки. После появления начали ной части валика дугу нужно зажигать вновь (после перерыва) на алюминиевом валике. При сварке встык дугу ведут но кромке алюминиевой детали, а присадку — по кромке стальной детали таким образом, что жидкий алюминий натекает на поверхности стали, покрытой цинком или алитированной (рис. 171, б).

При толщине свариваемого металла до 3 мм сила сварочною тока 110—130 Л, при толщине стали 6—8 мм 130—160 А, при толщине 9—10 мм 180—200 А; только в этом случае обеспечива­ется достаточный разогрев деталей и образование необходимой соединительной прослойки.

В качестве присадочного материала применяется проволока марки АД1 (чистый алюминий с небольшой присадкой кремния, благоприятно влияющего на формирование стабильного качества диффузионной прослойки). Присадку из сплава ЛМгб применять не следует, так как в этом случае в формировании пнтерметаллид - ного слоя принимает участие магний, снижающий прочность соединения. По-видимому, наличие атомов магния вместо атомов алюминия в кристаллической решетке одной из фаз обсуловлпваст наличие слабых связей — магний практически нерастворим в же­лезе. Магний резко ускоряет рост прослойки из хрупких интер - металлидов, интенсифицирует развитие процессов реактивной диффузии.

В зависимости от типа соединения при сварке необходимо соблюдать последовательность наложения валиков шва, показан­ную на рис. 171, в, г и д, 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 сталыо, т. е. определяет толщину и стабильность иитерметал - лидной прослойки (см. рис. 170, в). Для первых слоев скорость сварки назначают в интервале 7—10 м/ч, для последующих (когда сталь достаточно разогрета) в пределах 12—15 м/ч. При рас­смотренных условиях сварки статическая прочность соединения при разрыве соответствует прочности технического алюминия (10 кге/мм2).

Повысить прочность соединения можно увеличением рабочего сечения шва либо применением комбинированных покрытий. Получающиеся сварные соединения пригодны для восприятия статической нагрузки и имеют высокую усталостную прочность при действии знакопеременной изгибающей нагрузки (рис. 172). Предел выносливости образцов при базе 107 циклов равен 5— 6 кге/мм2, т. е. на уровне, обычном для сплава АМгб. Разруше­ние образцов, как правило, происходит на сплаве АМгб у внеш­

него концентратора. Только нрн высоких напряжениях отдель­ные образцы разрушаются по шву. Сварные соединения имеют также высокую плотность при гидравлических, пневматических и вакуумных испытаниях, а также высокие коррозионные свойства в морской воде при наличии на их поверхности лакокрасочных покрытий.

Применение комбинированных покрытий стали — медно-цин­кового и никель-циикового повышает прочностные свойства свар­ного соединения. В этом случае наносят слой меди или никеля толщиной 4—5 мкм и второй слой цинка толщиной 30—40 мкм. Соединительная прослойка иитерметаллидов сложного состава получается несколько меньшей толщины и твердости. Статиче­ская прочность сварного соединения (при наличии усиления шва) 14—22,3 кге/мм2.

При сварке высоколегированной стали тина 18-8 с алюминием, если на стали имеется только цинковое покрытие толщиной 50 мкм, достигается прочность соединения 21,3—28,7 кге/мм2. Если же по подслою цинка толщиной 25—30 мкм производят алитирование по указанной ранее технологии, достигается проч­ность соединения 29,5—32,8 кге/мм2.

Процесс аргонодуговой сварки алюминия и его силанов со сталью может быть легко механизирован.

Сварка 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 иптерметаллидов 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% Ге структурно-свободное железо не обна­руживается. Граница сплавления между сталыо 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. Микро - твердость зоны сплавления достигает 580—620 кге/мм2.

Ухудшает взаимную растворимость железа и меди наличие в стали углерода, а улучшает марганец и кремний. Марганец снижает критическую точку As и расширяет область «-твердого раствора, в котором медь растворяется в значительно большем количестве, а кремний раскисляет сварочную ванну и упрочняет зерна твердого раствора.

Затруднения при сварке и наплавке меди на сталь связаны с ее физико-химическими свойствами, высоким сродством меди к кислороду, низкой температурой плавления меди, значительным поглощением жидкой медыо газов, различными величинами коэф­фициентов теплопроводности, линейного расширения и т. д. Одним из основных возможных дефектов при сварке следует считать образование в стали под слоем меди трещин, заполнен­ных медыо пли ее сплавами (рис. 173, а). Указанное явление объясняют расклинивающим действием жидкой меди, проникаю­щей в микронадрывы в стали по границам зерен при одновремен­ном действии термических напряжений растяжения.

I — наплавка плазменной струей с токоведущей присадочной проволокой и двойной независимой дугой; 11 — наплавка расплавлением облицовки (вольфра­мовым электродом); 111 — автоматическая наплавка ленточным электродом под флюсом; IV — наплавка лежачим электродом под слоем флюса; V — наплавка покрытым электродом типа «Комсомолец»; VI — автоматическая наплавка элект­родной проволокой под флюсом

В углеродистых п низколегированных сталях (СтЗ, 10ХСНД п т. п.) трещин мало и размеры их невелики, а в сталях, имею­щих аустенитную структуру, в частности типа 18-8, количество и размеры трещин резко возрастают. Для сталей типа 18-8 эффек­тивным барьером для упомянутых трещин является введение ферритной фазы. При содержании феррита свыше 30% в стали типа 18-8 проникновение меди в сталь не наблюдается; это объяс­няется тем, что феррит не смачивается медью и проникновения меди в микронадрывы не происходит.

Для уменьшения опасности образования указанных трещин рекомендуется вести сварку на минимальной погонной энергии, в качестве присадочпого металла применять никелевый сплав МНЖ 5-1 или бронзу БрАМц 9—2. Наличие никеля и алюминия снижает активность воздействия жидкого металла в микронад­рывах на стали, что уменьшает опасность образования глубоких трещин в стали.

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 пли ее сплавов.

Для сварки меди, бронз БрАМц 9—2, БрКМц 3—1, латуни Л90 со сталями типа СтЗсн; Ст4сп; 10; 09Г2 применяют: а) для ручной сварки — электроды с покрытием типа «Комсомолец»; б) для сварки под флюсом — флюсы ОСЦ-45, АН-26 и др. и проволоку марки Ml, М2 и БрКМц 3—1 и др.; в) для сварки в среде инертных защит­ных газов — проволоки марок БрКМц 3—1, БрАМц 9—2, МНЖ

5- 1. В ряде случаев необходим предварительный подогрев изделия.

Сплав МНЖ 5-1 сваривается с углеродистыми и низколеги­рованными сталями электродами со стержнем из сплава МНЖ 5-1 с покрытием ЗТ, а при сварке под флюсом ОСЦ-45 или в защит­ных газах — электродной проволокой марки МНЖ 5-1.

При сварке обеспечивается равнопрочность сварного соеди­нения (по цветному металлу) при действии статической нагрузки. Сварные соединения обладают удовлетворительной пластич­ностью. Так, для соединения меди МЗр или сплава МНЖ 5-1 со сталью Ст4сп при ручной сварке угол изгиба составляет 40— 85°, а при аргонодуговой 110—180°.

Более высокое качество сварных соединений при аргоно­дуговой сварке сплавами МНЖ 5-1 объясняется тем, что в этом случае в металле шва содержание железа не превышает 8—10%, а при ручной сварке достигает 50—55%.

На рис. 173, б показано содержание железа в наплавленном металле при различных способах наплавки. Оптимальные усло­вия наплавки меди па сталь требуют, чтобы не было расплавле­ния стали, чтобы она хорошо смачивалась (для этого ее темпера­тура превышала 1100° С) и длительность контактирования меди со сталью при этой температуре была бы не менее 0,01—0,015 с.

Для соединения меди и ее сплавов со сталью рекомендуется применять аргонодуговую сварку вольфрамовым электродом, а для наплавки цветных металлов па сталь — наплавку плазменной струей с токоведущей присадочной проволокой. Сварные соеди­нения имеют достаточно высокую усталостную прочность.

Сварка стали с титаном. Одной из основных задач при сварке титана со сталями является выбор таких сварочных материалов, методов и режимов сварки, при которых предотвращалось бы или резко подавлялось образование хрупких интерметалличе­ских фаз ГеТі и FeaTi.

Непосредственная сварка титана со сталью не дает положи­тельных результатов. Практическое применение находит сварка в аргоне вольфрамовым электродом и сварка через промежуточ­ные вставки. Хорошие результаты получены при использовании комбинированной вставки, состоящей из технического тантала (ов = 70 кге/мм2) и термообрабатываемой бронзы БрБ2 (см. табл. ИЗ).

Бронза сваривается с углеродистой или аустенитной сталью аргонодуговой сваркой иеплавящимся электродом, а тантал с титаном — в камерах с контролируемой атмосферой. Предел прочности соединения по бронзе 49 кге/мм®, при закалке бронзы

60,5 кге/мм2 (закалка до сварки).

Комбинированные вставки из бронзы БрБ2 и ниобия исполь­зуют для аргонодуговой сварки вольфрамовым электродом в ка­мере с контролируемой атмосферой титана ОТ4-1 толщиной 0,8 и 2 мм. Прочность соединения при толщине 0,8 мм сгв = = 53-г-66 кге/мм2, угол изгиба 72—180°; при толщине 2 мм сгв = = 40-1-45 кге/мм®, угол изгиба 41—61°.