Материал: Технология сварки различных металлов и сплавов
1.6. Технология сварки различных металлов и сплавов
1.6.1. Свариваемость металлов и сплавов
Ряд сталей, цветных и тугоплавких металлов обладает пониженной свариваемостью, которая проявляется в изменении механических или физико-химических свойств металла в зоне сварного соединения по сравнению с основным металлом и в образовании сварочных дефектов в виде трещин, пор и т. п.
Прочность и твердость шва, как правило, ниже, чем у основного металла. Это объясняется тем, что для предотвращения дефектов в сварном шве сварку многих сталей и сплавов выполняют менее легированными сварочными материалами, чем основной металл. Крупнозернистая литая структура обусловливает пониженную пластичность шва. Пониженная пластичность может быть также связана с повышенным содержанием газов.
Зона термического влияния (з. т. в.) представляет собой участок сварного соединения, прилегающий к шву, в котором под действием нагрева происходят структурные изменения: укрупняется зерно, оплавляются границы зерен, в сплавах с полиморфными превращениями возможно образование микроструктуры закалочного типа. В результате этих изменений возможно резкое повышение твердости и снижение пластичности (рис. 35).
Для металлов с пониженной свариваемостью характерно образование горячих или холодных трещин в шве и з. т. в. (рис. 36). Причины возникновения трещин: снижение прочности и пластичности, как в процессе формирования сварного соединения, так и в послесварочный период вследствие особенностей агрегатного состояния, полиморфных превращений и насыщения газами; развитие сварочных деформаций и напряжений, вызывающих разрушение металла, если они превышают его пластичность и прочность.
Рис. 35. Неоднородность механических свойств различных зон сварного соединения легированной стали:
1 — основной металл; 2 — шов; 3 — зона термического влияния; HV — твердость; δ — пластичность (относительное удлинение)
Рис. 36. Вид трещин в сварных соединениях;
а — горячих; б — холодных; 1 — столбчатые кристаллиты;
2 — расположение жидких прослоек при завершении кристаллизации шва; 3 — трещины
Возникновение собственных сварочных напряжений (т. е. без приложения внешних сил) происходит следующим образом. Вследствие неравномерного разогрева изделия при сварке (рис. 37, а) температурные деформации шва и з. т. в. ограничиваются реакцией менее нагретых зон основного металла. Вместо удлинения отдельных слоев свариваемого металла в соответствии с зависимостью + αТТ (αТ —- температурный коэффициент металла; Т — максимальная температура нагрева слоя) происходит равномерное удлинение всей свариваемой пластины, в результате чего грань пластины 1 в момент максимального разогрева занимает положение 2. Поэтому шов и прилегающая к нему зона металла при нагреве претерпевают местную пластическую деформацию сжатия, пропорциональную заштрихованной площади 3. Таким образом, к началу охлаждения эти зоны кажутся укороченными (рис. 37, б). После охлаждения и обратной температурной деформации они должны были бы занять положение в соответствии с зависимостью -αТТ. Однако их температурная деформация снова ограничивается реакцией основного металла. В результате произойдет равномерное укорочение всей пластины и грань пластины 1 займет положение 4, Поскольку шов и зона термического влияния связаны с основным металлом, то они претерпевают внутреннюю упругопластическую деформацию растяжения, пропорциональную заштрихованной площади 5. Соответствующие упругой деформации растягивающие напряжения (+) в шве и зоне термического влияния уравновешиваются сжимающими напряжениями (—) в основном металле (рис. 37, б).
Внешние наблюдаемые деформации сварных заготовок (например, укорочение пластины после сварки, соответствующее смещение ее грани 1 в положение 4) не совпадают с внутренними упругопластическими деформациями, а их величины противоположны: чем больше внешние деформации, тем меньше внутренние деформации. Величина и знак собственных сварочных напряжений определяются внутренними деформациями.
Снижение внутренних деформаций и напряжений — один из путей предупреждения трещин. Для этого необходимо уменьшить реакцию основного металла на разогреваемые до высоких температур шов и зону термического влияния. Следует уменьшить геометрическую жесткость свариваемых заготовок, исключить их закрепление при сварке, а также применить предварительный подогрев для выравнивания температур по объему заготовки. Сварочные напряжения снимаются также немедленным после сварки высоким отпуском. В то же время методы снижения внутренних деформаций и напряжений (кроме отпуска) приводят к увеличению внешних деформаций сварной заготовки. Для устранения последних, наоборот, необходимо увеличение жесткости заготовок (постановка ребер, мембран и т. п.) или закрепление их при сварке. Выбор условий сварки определяется тем, что в данном случае опасней — трещины или коробление заготовки.
Рис. 37. Процесс возникновения сварочных напряжений при сварке пластин встык, Т = f(у) — распределение температуры по оси оу; σx = f(х) и σу = f(у) — распределение остаточных продольных напряжений по осям Ох и Оу соответственно
Горячие трещины образуются в период кристаллизации сварного шва, когда металл находится в двухфазном твердожидком состоянии. В этом состоянии металл имеет очень малые прочность и пластичность. В результате развития внутренних сварочных деформаций растяжения возможно разрушение по незатвердевшим жидким прослойкам между кристаллитами. Как правило, горячие трещины образуются вдоль оси сварных швов в зоне стыка столбчатых кристаллитов, где завершается кристаллизация шва (рис. 37, а). Склонность к горячим трещинам повышается при наличии, в металле шва вредных примесей, которые обладают повышенной способностью к ликвации и образованию легкоплавких соединений. Последнее равносильно увеличению интервала кристаллизации, т. е. времени пребывания металла в двухфазном состоянии.
Холодные трещины чаще всего возникают в з. т. в. после полного затвердевания сварного шва в период окончания охлаждения или последующего вылеживания сварной конструкции в течение нескольких суток (рис. 37,6). Холодные трещины характерны для сплавов, претерпевающих при сварке закалку, усиленный рост зерна, повышенное насыщение газами, особенно водородом. Эти процессы проводят к понижению прочности и пластичности металла, т. е. к его охрупчиванию. Если сварочные напряжения превышают прочность металла в указанном состоянии, то образуются холодные трещины.
Поры в сварных швах образуются в процессе кристаллизации сварного шва в результате выделения газов из пересыщенного газами затвердевающего металла. Причины появления пор: насыщение жидкого металла сварочной ванны газами вследствие повышенной влажности электродных покрытий, флюсов, защитных газов (водородом), нарушения защиты (азотом) и интенсивных окислительных процессов в шве (оксидом углерода); охлаждение сварных швов при кристаллизации с большой скоростью, вследствие чего затрудняется выход пузырьков газа из кристаллизующегося шва в атмосферу.
1.6.2. Сварка углеродистых и легированных сталей
Низкоуглеродистые и низколегированные стали обладают хорошей свариваемостью и соединяются большинством способов сварки без особых трудностей.
Углеродистые и легированные стали с содержанием углерода более 0,3 % (стали 45, ЗОХГСА, 40ХНМА и др.) при типовых режимах сварки претерпевают закалку в з. т. в.
Соответствующие этим режимам скорости охлаждения для указанных сталей достаточно высоки и приводят к образованию мартенситной микроструктуры. Поэтому для сварных соединений этих сталей характерны повышенная твердость и пониженная пластичность в з. т. в.
В жестких сварных узлах, в которых образуются высокие сварочные напряжения, в закаленной з. т. в. возможно образование холодных трещин. Склонность к холодным трещинам повышается при насыщении металла водородом, который снижает пластичность закаленного металла. Источником водорода служит влага в покрытиях электродов, флюсах и защитных газах, которая разлагается в дуге, и атомарный водород насыщает жидкий металл сварочной ванны. В результате диффузии водорода им насыщается также з. т. в.
Для обеспечения хорошей свариваемости при дуговой сварке этих сталей рекомендуют следующие технологические мероприятия: предварительный и последующий подогрев заготовок до температуры 100 — 300 °С в целях замедленного охлаждения и исключения закалки з. т. в.; прокалка электродов, флюсов при температуре 400 — 450 °С в течение 3 ч и осушение защитных газов для предупреждения попадания водорода в металл сварного соединения; низкий (300 — 400 °С) или высокий (600 — 700 °С) отпуск сварных соединений сразу после окончания сварки в целях повышения пластичности закалочных структур и удаления водорода.
Контактную точечную сварку углеродистых и легированных сталей выполняют на мягких режимах, т. е. длительным нагревом током и быстрым удалением заготовок из машины для избежания отвода теплоты электродами. В результате обеспечивается замедленное охлаждение заготовок. Контактную стыковую сварку этих сталей выполняют с прерывистым оплавлением, при котором обеспечиваются подогрев заготовок перед сваркой и замедленное охлаждение.
1.7. Пайка металлов и сплавов
1.7.1. Сущность процесса и материалы для пайки
Пайкой называется процесс получения неразъемного соединения заготовок с нагревом ниже температуры их автономного расплавления путем смачивания, растекания и заполнения зазора между ними расплавленным припоем и сцепления их при кристаллизации шва. Образование соединения без расплавления основного металла обеспечивает возможность распая изделия.
По прочности паяные соединения уступают сварным. Паять можно углеродистые и легированные стали всех марок, твердые сплавы, цветные металлы, серые и ковкие чугуны. При пайке металлы соединяются в результате смачивания и растекания жидкого припоя по нагретым поверхностям и затвердевания его после охлаждения. Прочность сцепления припоя с соединяемыми поверхностями зависит от физико-химических и диффузионных процессов, протекающих между припоем и основным металлом.
По условию заполнения зазора пайку можно разделить на капиллярную и некапиллярную. По механизму образования шва капиллярная пайка подразделяется на пайку с готовым припоем, когда затвердевание шва происходит при охлаждении; контактно-реактивную пайку; реактивно-флюсовую; диффузионную. К некапиллярным способам относятся пайка-сварка и сварка-пайка.
При капиллярной пайке припой заполняет зазор между соединяемыми поверхностями и удерживается в нем за счет капиллярных сил (рис. 38) Соединение образуется за счет растворения основы в жидком припое и последующей кристаллизации раствора. Капиллярную пайку используют при соединении внахлестку.
При диффузионной пайке соединение образуется за счет взаимной диффузии компонентов припоя и паяемых материалов, причем возможно образование в шве твердого раствора или тугоплавких хрупких интерметаллидов. Для диффузионной пайки необходима продолжительная выдержка при температуре образования паяного шва, и после завершения процесса — при температуре ниже солидуса припоя.
Рис. 38. Схема капиллярной пайки:
а — перед пайкой; 6 — после пайки; 1 — припой
При контактно-реактивной пайке между соединяемыми металлами или соединяемыми металлами и прослойкой промежуточного металла в результате контактного плавления образуется сплав, который заполняет зазор и при кристаллизации образует паяное соединение (рис. 39).
Рис. 39. Схема контактно-реактивной пайки:
а — перед пайкой; б — после пайки; 1 — медь; 2 — серебро;
3 — эвтектический сплав меди с серебром
При реактивно-флюсовой пайке припой образуется за счет реакции вытеснения между основным металлом и флюсом. Например, при пайке алюминия с флюсом
3ZnCl2 + 2Аl ↔ 2АlСl3 + 3Zn восстановленный цинк служит припоем. Реактивно-флюсовую пайку можно вести без припоя и с припоем.
При пайке-сварке соединение образуется так же, как при сварке плавлением, но в качестве присадочного металла применяют припой (рис. 40).
Рис. 40. Схема пайки-сварки:
а — без оплавления кромок деталей; б — с оплавлением кромок одной детали; 1 — до пайки; 2 — после пайки
При сварке-пайке соединяют разнородные материалы с применением местного нагрева, при котором более легкоплавкий материал нагревается до температуры плавления и выполняет роль припоя.
Наибольшее применение получили капиллярная пайка и пайка-сварка. Диффузионная и контактно-реактивная пайки более трудоемки, но обеспечивают высокое качество соединения.
Качество паяных соединений (прочность, герметичность, надежность и др.) зависят от правильного выбора основного металла, припоя, флюса, способа нагрева, величины зазоров, типа соединения.
Припой — должен хорошо растворять основной металл, обладать смачивающей способностью, быть дешевым и недефицитным. Припои представляют собой сплавы цветных металлов сложного состава. Все припои по температуре плавления подразделяют на особо легкоплавкие (температура плавления ≤ 145 °С), легкоплавкие (температура плавления 145 ≤ 450 °С), среднеплавкие (температура плавления 450 ≤ 1100 °С) и тугоплавкие (температура плавления > 1050 °С). К особолегкоплавким и легкоплавким припоям относятся оловянно-свинцовые, на основе висмута, индия, кадмия, цинка, олова, свинца. К среднеплавким и высокоплавким припоям относятся медные, медно-цинковые, медно-никелевые, с благородными металлами (серебром, золотом, платиной). Припои изготовляют в виде прутков, проволок, листов, полос, спиралей, дисков, колец, зерен и т. д., укладываемых в место соединения.
Изделия из алюминия и его сплавов паяют с припоями на алюминиевой основе с кремнием, медью, оловом и другими металлами. Магний и его сплавы паяют припоями на основе магния с добавками алюминия, меди, марганца и цинка. Изделия из коррозионно-стойких сталей и жаропрочных сплавов, работающих при высоких температурах (выше 500 °С), паяют тугоплавкими припоями на основе железа, марганца, никеля, кобальта, титана, циркония, гафния, ниобия и палладия.
Флюсы паяльные применяют для очистки поверхности паяемого металла, а также для снижения поверхностного натяжения и улучшения растекания и смачиваемости жидкого припоя. Флюс (кроме реактивно-флюсовой пайки) не должен химически взаимодействовать с припоем. Температура плавления флюса должна быть ниже температуры плавления припоя. Флюс в расплавленном и газообразном состояниях должен способствовать смачиванию поверхности основного металла расплавленным припоем. Флюсы могут быть твердые, пастообразные и жидкие. Для пайки наиболее применимы флюсы: бура Na2B4О7 и борная кислота Н2ВО3, хлористый цинк ZnCl2, фтористый калий KF и др.