Сварка разнородных металлов (стали с алюминием, медью, цветных металлов)

[Andrew]

Сварка стали с алюминием

 

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 град, 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.

 

Процессу гальванического и горячего цинкования должны предшествовать обезжиривание детали, промывка и сушка, травление в растворе серной кислоты с последующей промывкой и сушкой. При горячем цинковании, перед опусканием детали в цинковую ванну, имеющую температуру 470-520 град. С, необходимо флюсование детали в насыщенном растворе флюса. Простейший флюс состоит из двух компонентов: 50% KF +50% КСl. 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. п.) алитирование возможно после механической очистки без применения флюса. Оптимальный (по прочности соединения) режим алитирования — температура алюминиевой ванны 750-800 град. С. Время выдержки при алитировании — до 5 мин в зависимости от размеров детали. Возможно также алитирование стальных деталей с применением токов высокой частоты.

 

Технология сварки предусматривает использование стандартных сварочных установок типа УДГ-300 с применением лантанированных 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 — 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.

 

При толщине свариваемого металла до 3 мм сила сварочного тока 110-130 А, 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 АМг6 применять не следует, так как в этом случае в формировании интерметаллидного слоя принимает участие магний, снижающий прочность соединения. По-видимому, наличие атомов магния вместо атомов алюминия в кристаллической решетке одной из фаз обуславливает наличие слабых связей — магний практически нерастворим в железе. Магний резко ускоряет рост прослойки из хрупких интерметаллидов, интенсифицирует развитие процессов реактивной диффузии.

 

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 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 кгс/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. Предел выносливости образцов при базе 10^7 циклов равен 5- 6 кгс/мм2, т. е. на уровне, обычном для сплава АМг6.

 

Разрушение образцов, как правило, происходит на сплаве АМг6 у внешнего концентратора. Только при 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-цинкового 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 кгс/мм2.

 

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

 

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

 

---

Дополнительная информация:

Материал перенесен с сайта websvarka.ru «как есть». Если найдутся желающие внести правки в содержание статьи (исправить ошибки, неточность, внести актуальные дополнения), то сообщите - выдам права модератора на тему.

 

Изменено 28 января, 2015 пользователем Andrew

[Andrew]

Сварка стали с медью и ее сплавами

 

В равновесном состоянии при комнатной температуре медь растворяется в alfa — Fe в количестве до 0,3 %, a 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 сплавления 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 сплавления достигает 580-620 кгс/мм2.

 

Ухудшает взаимную растворимость железа и меди наличие в стали углерода, а улучшает марганец и кремний. Марганец снижает критическую точку А3 и расширяет область а-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 медью 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 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 (СтЗ, 10ХСНД и 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 присадочного 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 или ее сплавов.

 

Для сварки меди, бронз БрАМц 9-2, БрКМц 3-1, латуни Л90 со сталями типа СтЗсп; 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 град., а при аргонодуговой 110-180 град.

 

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%.

 

Оптимальные условия наплавки меди на сталь требуют, чтобы не было расплавления стали, чтобы она хорошо смачивалась (для этого ее температура превышала 1100 град. 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 на 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 FeTi и Fe2Ti.

 

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 (sigmaВ = 70 кгс/мм2) и термообрабатываемой бронзы БрБ2.

 

Бронза сваривается с углеродистой или аустенитной сталью аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом, а тантал с титаном — в камерах с контролируемой атмосферой. Предел прочности соединения по бронзе 49 кгс/мм2, при закалке бронзы 60,5 кгс/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 sigmaв = 53 — 66 кгс/мм2, угол изгиба 72-180 град.; при толщине 2 мм sigmaв = 40 — 45 кгс/мм2, угол изгиба 41-61 град.

[Andrew]

Сварка разнородных цветных металлов

 

Сварка 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 меди алюминием. 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.

 

Прочность соединения равна прочности технического алюминия (8-10 кгс/мм2), удельное электросопротивление шва несколько выше (0,037 Ом-мм2/м), чем у алюминия (0,0313 Ом-мм2/м). Сварные соединения не меняют свою прочность при длительном нагреве до температуры 150 град. С. При более высоком нагреве прочность соединения падает в связи с резким увеличением слоя хрупких интерметаллидов.

 

На границе соединения со стороны меди образуется прослойка интерметаллидов (GuAl2) толщиной 3-10 мкм, со стороны алюминия полоска твердого раствора меди в алюминии такого же размера. Микротвердость прослойки интерметаллидов, примыкающих к меди, достигает 450-550 кгс/мм2. Наличие этой зоны обусловливает относительно низкую прочность соединения. Если толщина интерметаллидной прослойки меньше 1 мкм, она не влияет на прочность соединения.

 

Прочность соединения, так же как и в сталеалюминиевых соединениях, повышается при легировании металла шва кремнием (4-5%) и цинком (6-8%), так как эти элементы подавляют рост интерметаллидной прослойки.

 

Для обеспечения стабильной прочности сварных соединений по свариваемой кромке меди необходим скос под углом 45-60 град. При сварке меди Ml с аллюминием марки А5 по слою стандартного флюса, применяемого для сварки алюминия (АН-А1) при толщине металла до 20 мм, используют проволоку марки АД1 диаметром 2,5 мм. При сварке электрод необходимо смещать от скоса на 5-7 мм в сторону меди. При сварке по слою флюса прочность сварного соединения равна 7-8 кгс/мм2, электропроводность сохраняется на уровне электропроводности алюминия.

 

Сварка алюминиевого сплава с титаном ОТ4

Обычно применяют аргонодуговую сварку вольфрамовым электродом, перед которой кромки титана очищают от а-слоя и загрязнений и алитируют в чистом алюминии при температуре алюминия 800- 830 град. С в течение 1-3 мин. В этом случае период образования соединения между алюминием и титаном меньше, чем период ретардации, и хрупкие интерметаллиды по линии соединения не успевают образоваться.

Кромки предварительно разделывают(V — образная разделка) До сварки на алитированные кромки наплавляют слой чистого алюминия (5-8 мм) с использованием проволоки марки AB00 диаметром 5-8 мм. 

 

Соединение сваривают обычным методом, как алюминиевый сплав. Предел прочности сварного соединения сплавов ОТ4 + АМг6 зависит от слоя алюминия и составляет 11-27 кгс/мм2, угол изгиба 17-30 град.

 

Сварка титана с медью и ее сплавами

 

Сварка затруднена большим различием свойств и образованием хрупких интерметаллидов. Наиболее успешна сварка плавлением при использовании промежуточных вставок из специально выплавленных сплавов титана, легированного молибденом, ниобием или титаном, которые понижают температуру превращения al;P и обеспечивают получение однородного титанового сплава со стабильной структурой, не очень отличающейся от структуры меди. Можно использовать комбинированные вставки из сплавов Ti + 30% Nb и сплавов ВТ15.

 

Эти сплавы при сварке с медью МЗ обеспечивают предел прочности соединения 22-22,5 кгс/мм2 и угол изгиба 140-180 град., а при сварке с бронзой 26-28 кгс/мм2 и угол изгиба 100-160Q. В прослойке по линии соединения твердость достигает 470- 480 кгс/мм2 при твердости бронзы БрХ 0,8 120 кгс/мм2.

 

Сварка ниобия, тантала и молибдена со сталью и сплавами цветных металлов

 

Принципиальная возможность сварки ниобия, тантала и молибдена со сталями и цветными сплавами частично показана выше, так как эти металлы используют в качестве промежуточных вставок при сварке титана со сталью, алюминием и медью.

 

Тантал и ниобий по свойствам близки к титану и при сварке с ним образуют твердые растворы без хрупких соединений. Ниобий также удовлетворительно сваривается с медью и медными сплавами, с которыми образует ограниченные растворы. Тантал с медью растворов и соединений не образует. Обычно применяют бериллиевую бронзу БрБ2. Сварку выполняют вольфрамовым электродом в среде инертных защитных газов, часто в камерах с контролируемой атмосферой и электронным лучом.

 

Сварка биметаллов

В настоящее время известно применение биметаллических заготовок из углеродистой и коррозионно-стойкой стали с алюминиевыми сплавами, из стали и медно-никелевого сплава МНЖ 5-1, из стали 12Х18Н9Т и титанового сплава ОТ4, ОТ4-1 для сварки разнородных металлов.

 

В биметаллическом прокате из углеродистой и низколегированной стали и алюминиевых сплавов АМг3 и АМг6 соотношение толщин в пакете 1 : 1 и 1,5 : 1. Алюминиевый сплав соединяется со сталью при прокате по подслою из чистого алюминия. Предел прочности биметалла на срез 7-9 кгс/мм2 и на отрыв 10-15 кгс/мм2.

 

Прочность сварного соединения в большой степени зависит от прочности сцепления слоев биметалла и, следовательно, от площади биметаллической вставки. Однако неконструктивность узлов соединения и отсутствие средств контроля качества сцепления слоев биметалла часто приводят к тому, что соединения этого типа не обладают вакуумной плотностью.

 

Для предотвращения появления хрупких интерметаллидов внутри биметалла при нагреве в процессе сварки необходимо строго выдержать режим сварки. Для биметалла толщиной 10- 12 мм рекомендуется следующий режим: со стороны алюминиевого сплава аргонодуговая сварка вольфрамовым электродом на режиме I = 140 −160 А; Uд = 14 — 18 В; v св = 6 −7м/ч; со стороны стали сварка в СО2 на режиме I= 100 — 130 A, Uд = 18 — 20 В, v св = 17- 20 м/ч.

 

Наиболее вероятно образование хрупких интерметаллидов в биметалле СтЗсп, 12Х18Н9Т и сплава АМг6 при нагреве линии соединения выше температуры 450 град. С. При нагреве до температуры 550 град. С и выше биметалл расслаивается. Рекомендуется сварку начинать со стороны алюминия и после охлаждения всего узла — со стороны стали.