При сварке плавлением наиболее характерными свойствами разнородных металлов, определяющими их взаимную свариваемость, являются предел взаимной растворимости, различия температуры плавления, соотношение коэффициентов теплового расширения, взаимодействие с газами и шлаками и др. С увеличением различия указанных свойств металлов усложняется металлургия их сварки. Область применения конструкций со сварными соединениями тугоплавких металлов с другими металлами достаточно обширная.
Для изготовления конструкций, отдельные элементы которых работают в агрессивных средах или при высоких температурах, перспективно применение тугоплавких металлов в сочетании с жаропрочными сплавами и коррозионно-стойкими сталями. При изготовлении энергетических атомных станций и двигателей широкое применение находят сочетания из тугоплавких металлов (вольфрам, молибден, ниобий, цирконий и др.) с конструкционными аустенитными сталями. Значительное распространение имеют трубопроводы из титана и стали с использованием промежуточных вставок из ванадия, хорошо сваривающегося как со сталью, так и с титаном.
Процесс образования соединений металлов в разнородном сочетании можно условно разделить на три стадии.
- Первая, начальная стадия заключается в сближении соединяемых поверхностей на расстояние, обеспечивающее образование физического контакта, что достигается путем расплавления и растекания жидкого металла по поверхности твердого металла. В зависимости от применяемой технологии расплавляют обе кромки соединяемых металлов или кромку одного более легкоплавкого металла.
- Вторая стадия характеризуется образованием химических прочных связей между атомами соединяемых металлов, образующихся в процессе смачивания жидким металлом поверхности твердого металла, активизированной нагревом. При сварке с расплавлением кромок соединяемых металлов первая и вторая стадии проходят практически одновременно. При сварке с расплавлением одной из соединяемых кромок вторая стадия образования соединения несколько смещена относительно первой на время, необходимое для термической активации поверхности твердого металла.
- Третья, завершающая стадия характеризуется развитием диффузионных и релаксационных процессов в зоне сварного шва, влияющих на образование химических хрупких соединений в металле шва и величину остаточных напряжений в сварном соединении. Процессы, развивающиеся в третьей стадии, в основном определяются температурой и характером взаимодействия соединяемых элементов.
При оценке свариваемости разнородных металлов принято считать, что образование сварных соединений с удовлетворительными свойствами возможно для металлов, обладающих неограниченной взаимной растворимостью в жидком и твердом состояниях. Одним из условий образования между элементами неограниченной взаимной растворимости считается, чтобы различие их атомных диаметров не превышало15 %.
Металлы, образующие ограниченный ряд твердых растворов, эвтектики и химические соединения, снижающие механические и коррозионные свойства сварного соединения, относятся к несвариваемым или плохо свариваемым. На основе анализа бинарных диаграмм состояния в табл. 15.1 представлены данные о взаимодействии элементов, составляющих основу наиболее распространенных конструкционных металлов и сплавов. Только незначительная часть элементов при взаимодействии образует непрерывный ряд растворов, остальные имеют ограниченную взаимную растворимость, и образуют химические соединения.
Физические свойства химических соединений в отличие от аналогичных свойств основных элементов характеризуются высокой твердостью, заметным изменением плотности, существенным изменением коэффициента теплового расширения и температуры плавления. На пределы взаимной растворимости свариваемых металлов и свойства химических соединений существенное влияние оказывают легирующие элементы, примеси и продукты химических реакций, полученные в результате взаимодействия свариваемых сплавов с окружающей средой. Поэтому при оценке возможности получения соединений сплавов в разнородном сочетании необходимо учитывать не только взаимодействие между элементами, составляющими основу, но и влияние легирующих элементов и примесей, имеющихся в соединяемых сплавах.
Таблица 15.1
