Трудностью получения соединения тугоплавких металлов с другими металлами сваркой плавлением являются ограниченность их взаимной растворимости, существенная разница в температуре их плавления и высокая химическая активность тугоплавких металлов с атмосферными газами в нагретом и расплавленном состояниях. Для ряда тугоплавких металлов (ниобий, молибден, тантал, вольфрам) кислород, азот и углерод являются примесью внедрения с низким пределом взаимной растворимости. Образующиеся в металле шва оксиды, карбиды и нитриды в значительной степени повышают температуру перехода сварного соединения к хрупкому разрушению и снижают механические свойства сварных соединений.
Методы сварки разнородных металлов:
- сварка с расплавлением соединяемых поверхностей,
- сварка с расплавлением одного из соединяемых металлов,
- сварка с промежуточной вставкой из третьего металла.
Элементы, образующие при взаимодействии непрерывный ряд твердых растворов (Nb—Mo, Ti—Nb, Nb—V и др.), но имеющие существенное различие в теплофизических свойствах, и элементы с ограниченной взаимной растворимостью (Fe—Си, Fe—V, Ti—V н др.) могут быть сварены между собой с расплавлением соединяемых поверхностей, однако концентрация элементов в расплаве должна быть строго регламентирована.
Заданную концентрацию соединяемых элементов в металле шва можно получить смещением источника теплоты в сторону одного из расплавляемых металлов или другими технологическими приемами. Например, при электронно-лучевой сварке в вакууме молибденового сплава ЦМ-6 с ниобиевым сплавом НВ-4 толщиной 1 мм сварные соединения с удовлетворительными механическими свойствами получают при доле участия в металле шва до 20 % Nb и до 36 % Мо, что достигается смещением электронного луча в процессе сварки в сторону сплава молибдена. При соединении в стык сталей Х15Н5Д2Т и 12Х19Н10Т с ванадием методами аргонодуговой или электронно-лучевой сварки в вакууме источник теплоты смещают в сторону более тугоплавкого металла — ванадия с целью повышения в металле шва содержания ванадия до 40 %. При сварке сплава титана ОТ4 с ванадием или сплавом ниобия ВН-2АЭ источник теплоты смещают в сторону более тугоплавких металлов, чтобы содержание в металле шва ванадия или ниобия составляло не менее 40 %.
Одним из перспективных направлений сварки разнородных металлов может быть сварка в твердожидком состоянии, т. е. с расплавлением одного из соединяемых металлов, имеющего более низкую температуру плавления. Химически прочностные связи в таком соединении образуются в процессе смачивания жидким металлом поверхности твердого металла и последующей диффузии. В процессе взаимодействия жидкого металла с твердым на границе сплавления в металле шва могут возникать интерметаллидные соединения (NbFe2, Nb3Fe2, NbNi3, NbCr2) в виде сплошных прослоек, резко снижающих механические свойства сварных соединений.
Поэтому при выборе технологических процессов сварки разнородных металлов следует исходить из возможностей получения сварных соединений без сплошных интерметаллидных прослоек в металле шва. В конструкциях из разнородных металлов находят применение сварные соединения из ниобиевых сплавов с коррозионно-стойкой сталью типа 18—8 с расплавлением последней. Сварка указанной пары металлов может быть обеспечена различными методами: сваркой электронным сфокусированным лучом в вакууме и сваркой электронным расфокусированным лучом в вакууме. Характерные типы сварных соединений для указанных методов сварки: встык с отбортовкой кромки стали, внахлестку с отбортовкой стали и встык с вставкой из свариваемой стали (рис. 15.1). Толщины свариваемых листов 0,3—6 мм.
Рис. 15.1. Типы соединений при сварке ниобля со сталью: 1 — источник теплоты; 2 - ниобий; 3 — сталь; 4 - шов
Рассмотрим особенности каждого из указанных методов сварки разнородных металлов.
Получение сварных соединений электронным с фокусированным лучом без образования сплошных прослоек интерметаллидных соединений по границе сплавления определяется в основном двумя параметрами: температурой нагрева подложки (нерасплавляемого металла) и продолжительностью контакта жидкого металла с твердым. Допустимая продолжительность контакта соединяемых металлов на границе раздела жидкой и твердой фаз — основная характеристика, позволяющая определить диапазон толщин соединяемых металлов и установить оптимальные параметры термического цикла сварки, исключающие или ограничивающие образование в сварном соединении интермета ллидных прослоек.
При сварке сплава ВН-2АЭ с коррозионно-стойкой сталью 12Х19Н10Т прочность сварных соединений при t = 20 °С определяется прочностью ниобия в рекристалли зова ином состоянии; разрушение происходит по зоне термического влияния тугоплавкого сплава. Однако при отклонении параметров процесса сварки от оптимальных значений в соединениях на границе тугоплавкого сплава в металле шва могут образоваться интерметаллидные прослойки, отличающиеся высокой твердостью (рис. 15.2) и склонностью к растрескиванию. С повышением температуры нагрева соединений более 700 °С наблюдается увеличение толщины прослойки в металле шва и снижение прочности сварного соединения (рис. 15.3). Поэтому сварные соединения указанных разнородных металлов можно применять в условиях высоких температур при кратковременных нагрузках или при длительных нагрузках, когда сварное соединение работает при температурах, не превышающих 600 °С.
Рис. 15.2. Микротвердость сварного соединения ВН-2АЭ-12Х19Н10Т: а - шов со сплошной прослойкой химических соединений; п.х.с. - прослойка химических соединений в металле шва; б - шов без прослойкой химических соединений
Рис. 15.3. Влияние температуры нагрева на толщину интерметаллидной прослойки и прочность сварных соединений (ВН-2АЭ+ 12Х19Н10Т, толщиной 1 мм) при электронно-лучевой сварке (выдержка температуры нагрева образца постоянная в течение 3 ч)
Сварка разнородных металлов с расплавлением одного из них возможна при
условии строгого соблюдения параметров режима, определяющих время контакта между
жидким и твердым металлами. Нанесение на поверхность твердого металла покрытой,
увеличивающих допустимое время контакта между твердым и жидким металлами,
позволяет расширить диапазон режимов.
Покрытия, наносимые на поверхность
нерасплявлаемого металла, должны состоять из элементов, не образующих химических
соединений с элементами свариваемых металлов, и способствовать торможению
диффузионных процессов на границе контакта соединяемых металлов или повышать
пределы взаимной растворимости элементов, влияющих на образование химических
соединений.
Такой метод сварки позволяет расширить номенклатуру соединяемых в разнородном сочетании металлов и расширить допуски на колебания параметров режима сварки.
При сварке сплава ВН-2АЭ с коррозионно-стойкой сталью расплавлением последней с нанесением на поверхность ниобия слоя ванадия толщиной 2—3 мкм возможно расширение допуска отклонения силы тока от заданных значений более чем в 2 раза и увеличение толщины свариваемых металлов.
Одним из перспективных методов сварки ниобиевых сплавов с коррозионно-стойкой сталью является электронно-лучевая сварка в вакууме расфокусированным лучом. Применение менее концентрированного источника нагрева позволяет снизить температуру нагрева расплавляемой стали и температуру смачиваемой поверхности тугоплавкого сплава, а также увеличить объем расплавленной стали на единицу длины шва, что понижает концентрацию ниобия в расплавленном металле и снижает вероятность образования сплошных интерметаллидных прослоек по границе сплавления. Для получения сварных соединений без хрупких прослоек температура расплавленной стали должна быть в пределах 1430—1480 °С и удельный объем расплавленной стали, взаимодействующей с ниобием, должен быть не менее 3—4 мм3 на 1 мм2 поверхности ниобия.
Данный способ сварки позволяет снизить жесткость требований по отклонению параметров режима сварки, расширить толщину свариваемых металлов до 6 мм и получить стабильную прочность сварных соединений, равную прочности ниобиевого сплава в рекристаллизованном состоянии.
Металлы, образующие при взаимодействии хрупкие химические соединения и эвтектики, можно сваривать через промежу-точные вставки из третьего металла, хорошо сваривающегося с соединяемой парой металлов. В качестве примера можно указать на применение сварки титана со сталью с применением промежуточной вставки из ванадия. При сварке стали ВНС-2 с ванадием ограничение содержания ванадия в металле шва до 5— 15 % осуществляется смещением источника теплоты (дуги или электронного луча) в сторону стали. При сварке титана с ванадием источник теплоты смещают в сторону ванадия с целью получения в металле шва высокого содержания ванадия (40 %).
Прочность комбинированного соединения определяется прочностью ванадия (σв ≈ 420 МПа). При соединении титана со сталью применяют также промежуточные вставки из меди со стороны стали и ниобия со стороны титана с последующей сваркой меди с ниобием. В конструкциях из разнородных металлов в сварных соединениях можно применять промежуточные биметаллические вставки из соединяемых металлов. Такие вставки могут быть изготовлены прокаткой или сваркой взрывом. Соединения с биметаллическими вставками применяют при изготовлении трубчатых элементов и емкостей.
