Владимир Рафаилович Рябов
Даниил Маркович Рабкин
Руслан Сергеевич Курочко
Людмила Григорьевна Стрижевская
СВАРКА РАЗНОРОДНЫХ
МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
*** 1984 ***
|
ФPAГMEHT КНИГИ (...) Коррозионная стойкость соединений разнородных сталей изучена на материалах с коррозионно-стойким плакирующим слоем. Одной из основных причин, сдерживающих широкое применение таких биметаллов, является большая трудоемкость получения сварного соединения с необходимым комплексом свойств, и в первую очередь с высокой коррозионной стойкостью в агрессивных средах со стороны плакирующего слоя.
Определение коррозионной стойкости сварного шва со стороны антикоррозионного плакирующего слоя сопряжено со значительными трудностями. Специфические условия сварки биметалла требуют получения информации о градиенте коррозионной стойкости шва по всей глубине плакирующего слоя. Существующие способы оценки коррозионной стойкости сварных соединений биметаллических материалов, предусматривающие испытания пластины плакирующего слоя со сварным швом при полном удалении основного некоррозионно-стойкого слоя, непригодны для определения градиента коррозионной стойкости сварного шва. Авторы работы 160 предложили способ испытаний сварных соединений биметаллических материалов, позволяющий на одном образце получать информацию о коррозионной стойкости сварного шва по всей глубине плакирующего слоя. В разработанной конструкции образца плакирующий слой вместе со швом срезан вдоль шва под углом от внутренней поверхности к наружной. Наличие среза на образце позволяет при небольшой толщине плакирующего слоя свести градиент коррозионной стойкости материала сварного шва по его глубине к изменению коррозионной способности по длине образца. Разработаны конструкции устройств, позволяющих без удаления основного слоя производить коррозионные испытания плоских и трубных сварных образцов. Приведены результаты коррозионных испытаний сварных образцов из биметаллического соединения 12Х18Н10Т + Х40Н50М. Плакирующим слоем в указанном сочетании является сплав Х40Н50М. Плакирование стали 12Х18Н10Т сплавом Х40Н50М производили сваркой взрывом и путем выполнения шестислойной наплавки при ручной аргонодуговой сварке с присадочным материалом из сплава Х40Н50М. Биметаллические пластины сваривали встык с V-образной разделкой кромок ручной аргонодуговой сваркой по двум вариантам: вариант I — заполнение 2/3 толщины основного слоя стали 12Х18Н10Т проволокой Св-02Х19Н9, наложение переходного слоя заподлицо с нижними кромками плакирующего слоя проволокой Св-10Х16Н25АМ6, окончательное заполнение разделки со стороны сплава Х40Н50М проволокой Х40Н50М6Г2; вариант II — сквозное заполнение разделки проволокой Х40Н50М6Г2. Из сваренных пластин вырезали диски диаметром 50 мм, на которых со стороны сплава Х40Н50М выполняли срез с уклоном 1: 12 при толщине плакирующего слоя 4 мм. Изготовленные диски зажимали во фторопластовую обойму и испытывали в кипящем азотно-фторидном растворе в специальном сосуде из сплава Х40Н50М. Показано, что использование при сварке биметалла разнотипных присадочных проволок создает заметный градиент распределения компонентов по высоте сварного шва и, как следствие этого, приводит к неравномерной коррозии сварного шва по глубине плакирующего слоя со значительными разрушениями при приближении к основному слою. Сварка биметалла с применением однородной проволоки практически исключает образование градиента распределения легирующих компонентов по высоте шва, что и способствует сохранению повышенной коррозионной стойкости шва по всей глубине плакирующего слоя. ПРИМЕНЕНИЕ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ Необходимость сварки разнородных металлов возникает при изготовлении самых разнообразных объектов: сосудов химического машиностроения, летательных аппаратов, в судостроении, в строительной индустрии, в электротехнике и приборостроении, на транспорте, при электролизе цветных металлов, при изготовлении товаров широкого потребления и во многих других областях техники. На смену соединений разнородных материалов при помощи резьбы, клепки, фланцев пришла сварка, которая наряду с обеспечением требуемого сочетания материалов способствует снижению трудоемкости, металлоемкости, повышению разнообразных свойств соединений. Например, сварка практически незаменима при изготовлении вакуумных систем из разнородных металлов для криогенной техники, в реакторо- и ракетостроении. Применение комбинированных сварных узлов позволяет также создать принципиально новые виды конструкций, ранее не применявшиеся. Рассмотрим ряд примеров промышленного применения технологий сварки разнородных металлов. При изготовлении фурм кислородного дутья (рис. 93) необходимо соединять медь (толщиной 6 — 10 мм) со сталью (толщиной 3,5 — 4 мм), а также заваривать технологические отверстия в медной головке. Отработана технология полуавтоматической сварки плавящимся электродом в аргоне кольцевых швов меди со сталью 95. Технология выполнения нахлесточных соединений меди со сталью и заварки отверстий отрабатывалась на плоских образцах. Сварка производилась полуавтоматом А-920, питание от выпрямителя ВС-600 (полярность обратная). Для сварки фурм выбрана проволока из кремниймарганцевой бронзы БрКМцЗ-1 (ГОСТ 18175 — 78). Наличие в ней эффективных раскислителей (кремния, марганца) предупреждает образование пор в швах. Опыты показали, что аргонодуговая сварка меди толщиной до 6 мм со сталью возможна без предварительного подогрева. При большей толщине желателен подогрев медной кромки. Предложена следующая технология полуавтоматической сварки фурм. Внутренние кольцевые швы, соединяющие головку со стальными патрубками, сваривают без предварительного подогрева. Затем медную головку подогревают газовым пламенем до 500 — 550 °С, заваривают технологические отверстия и накладывают наружный кольцевой шов. Кольцевые швы сваривают при вертикальном положении фурмы. Сварку меди со сталью и заварку технологических отверстий выполняют проволокой 0 1,6 мм на одном и том же режиме: /св = = 280-т-300 А, t/д = 26-т-28 В, расход аргона 13 — 15 л/мин. Технология полуавтоматической аргонодуговой сварки фурм обеспечивает получение хорошо сформированных прочноплотных швов. При гидравлических испытаниях на герметичность при давлении до 1,5 МПа течи в швах не обнаружено. Технология механизированной сварки кислородных фурм мартеновских печей внедрена на металлургических заводах. В настоящее время для электролитического рафинирования цветных металлов получили широкое распространение титановые матрицы. Около 50 зарубежных предприятий, производящих эти металлы, применяют до 60 тысяч таких матриц, основными достоинствами которых являются высокая коррозионная стойкость, легкость съема осажденного металла и его высокое качество. Токопровод к титановым матрицам выполняется из меди. Однако существующие методы сварки плавлением не позволяют получать качественного соединения титана с медью. Поэтому титановая матрица соединяется с медным токопроводом при помощи заклепок или болтов. Срок службы таких катодов ограничен, так как на соприкасающихся поверхностях осаждаются продукты коррозии, что приводит к росту электросопротивления соединения, потере мощности и недопустимому повышению температуры. В последнее время фирма «Империэл метал индастриз» (Великобритания) начала производство катодов с композиционными меднотитановыми токопроводами. Однако изготовление шганг-токопроводов связано с большим объемом механической обработки. Для изготовления сварной конструкции катода были использованы титаномедные переходники-проушины, полученные методом сварки металлов давлением, предложенным в ИЭС им. Е. О. Патона 138, и позволяющие соединять титан с медью без применения промежуточных прослоек. Сварные биметаллические титаномедные проушины позволили надежно соединить между собой все конструктивные элементы катода с помощью ручной аргонодуговой сварки, при этом медная шина токоподвода сваривается с медной частью проушины, а титановый лист — с титановой частью. Проушины обладают малым контактным электросопротивлением и прочностью меди. В электролизное производство меди внедрен сварной катод (рис. 94), который отличается рядом преимуществ: электросопротивление его не превышает 10 мкОм и остается неизменным в процессе работы, возрастает выход по току на 10 — 15 %. Стоимость предложенного катода ниже, чем клепаного; срок его службы определяется длительностью непрерывной работы медной штанги 138. За последнее десятилетие в судостроении большое применение нашли алюминиевые сплавы. Несмотря на более высокую стоимость алюминиевых сплавов по сравнению со сталью, судовые конструкции из алюминиевых сплавов быстро окупаются благодаря ряду преимуществ их перед сталью: легкости, немагнитное, высокой коррозионной стойкости и достаточно высокой удельной прочности. Наибольшее применение алюминиевые сплавы нашли при изготовлении судов малого и среднего водоизмещения — рыболовных траулеров, катеров, яхт, пассажирских судов на подводных крыльях, спасательных шлюпок, судов и барж для мелководья и др. Цельноалюминиевые конструкции изготовляют, как правило, с помощью сварки; соединение алюминиевых деталей и конструкций с таковыми из стали раньше выполняли с помощью клепки. Снижение массы судна — один из основных путей повышения грузоподъемности морского транспорта. Оно может быть достигнуто путем замены некоторых крупных стальных узлов, например палубной надстройки, на узлы из алюминиевых сплавов 129. Надстройка представляет собой незамкнутую пространственную конструкцию и состоит из палубы надстройки (крыши), наружных и внутренних стенок. Разработанная технология сварки алюминиевых сплавов со сталью с использованием биметалла алюминий — сталь внедрена при приварке выгородок надстройки к стальной палубе судна 136. Для сварки биметаллической вставки со стальной и алюминиевой деталями применяют: со стороны стали — полуавтоматическую сварку в защитной среде углекислого газа (аппарат А-547); со стороны алюминиевой детали — аргонодуговую сварку неплавящимся (вольфрамовым) электродом. В качестве переходника применяют биметалл, полученный как прокаткой, так и сваркой взрывом 193. Технология освоена рядом судостроительных заводов. Выпускаются рыболовные траулеры (рис. 95) с палубной надстройкой из сплава АМг5, приваренной с помощью биметалла к палубе из стали Ст4сп. Композитные конструкции с применением биметаллических вставок по сравнению с клепаными имеют лучший вид (рис. 95), трудоемкость их изготовления меньше, расход металла снижается. Масса судовых конструкций снижается на 20 — 40 т на одно судно среднего водоизмещения. По данным 193, при изготовлении эсминца, в котором применены биметаллические переходники, выполненные сваркой взрывом, масса снижена на 100 т. Биметаллические листы сталь 12Х18Н10Т сплав АМц широко применяют для изготовления сосудов Дьюара, используемых в сельском хозяйстве для хранения биопродуктов, а также кислорода,аргона, азота и воздуха 167 Сосуды изготовляют из алюминия с горловиной из стального тонкостенного сильфона; соединение стальных и алюминиевых деталей осуществляется наиболее технологичным и надежным способом — сваркой однородных металлов, обеспечивающей необходимую герметичность. Сосуды имеют малые массу и габариты при небольшой испаряемости и повышенной устойчивости к тряске и вибрации (рис. 96). Благодаря технологичности биметаллического листа появилась возможность организовать крупносерийное производство сосудов Дьюара. В криогенной технике применяются изделия с большим количеством трубопроводов из разнородных металлов. В качестве примера рассмотрим сварку сталеалюминиевых переходников в кислородных регенераторах, выпускаемых для металлургической и химической промышленности. Кислородный регенератор представляет собой конструкцию для удаления влаги и углеводородов из воздуха, переохлажденного до температуры — 180 °С. Габариты регенератора — диаметр 3 мм, длина 9 м. Регенератор — это кожухотрубчатый аппарат, в котором концы алюминиевых труб вварены в трубные доски из коррозионно-стойкой стали (рис. 97). Соединение осуществляют через сталеалюминиевые переходники, представляющие собой резьбосварное соединение, в котором шов обеспечивает плотность, а резьба — прочность соединения. Неалитированный конец трубки-переходника приваривают к трубной решетке, а втулку переходника — к развальцованному концу трубки из сплава АМц. Для получения сварного сталеалюминиевого соединения на поверхность переходника, изготовленного из стали 12Х18Н10Т, путем алитирования наносят слой алюминия А995. Алитирование производят в расплавленном алюминии (740 — 820 °С), покрытом слоем флюса АН-А1 (криолит 35 %, хлористый калий 50 %, хлористый натрий 15 %). Время выдержки трубок в ванне 1,5 — 2 мин. Отметим, что из всех методов алитирования как подготовительной операции перед сваркой с алюминием (в порошкообразных смесях, в ваннах с расплавленным алюминием, металлизацией стали алюминием с последующим диффузионным отжигом, в аэрозолях, электролизное в ваннах с расплавленными солями алюминия, газовое) для сварных изделий приемлемо лишь алитирование в ваннах с расплавленным алюминием. Это объясняется тем, что толщина интерметаллического слоя, возникающего при алитировании в расплавленном алюминии, на порядок меньше толщины такого же слоя, возникающего при алитировании в порошках или газовых смесях. Процесс жидкостного алитировании можно рекомендовать только для хромоникелевых сталей. На поверхность сталей других классов рекомендуется наносить цинковые гальванические покрытия, обеспечивающие хорошее растекание алюминия по стали. Механически обработанные, протравленные и собранные переходники обваривали в специальном вращателе в среде аргона. Сварку вели при /св = 90 -г-95 А (диаметр вольфрамового электрода 3 мм) присадочной проволокой Св АМц диаметром 3 мм. В качестве источника питания служила установка УДАР-300. Переходники, сваренные по такой технологии, были подвергнуты вибрационным, тепловым и коррозионным испытаниям. Спроектирована и изготовлена установка (ОБ-1198) для автоматической сварки указанных переходников. Для изготовления трубопроводов в бытовых и промышленных холодильниках применяется магнитно-импульсная сварка 22, 44, особенности технологии которой приведены в гл. II. Сваренные магнитно-импульсным способом переходники проходили термоциклические испытания жидким азотом ( — 196 °С) с последующим нагревом до 95 — 100 °С и проверкой через 100 термоударов гелиевым течеискателем. В электротехнической промышленности также все более возрастает применение алюминия. Высокая электропроводимость, коррозионная стойкость, хорошая обрабатываемость и малая плотность позволяют ему успешно конкурировать с медью в строительстве электрических машин и в особенности трансформаторов. Одним из факторов, влияющих на надежность работы трансформатора, является качественное выполнение различных соединений в обмотках и отводах. Непосредственное присоединение алюминиевых электрических выводов к разъемным зажимам невозможно из-за быстрого окисления алюминия, что сопровождается обгоранием контактов и выходом их из строя. Поэтому в силовых трансформаторах особо важное значение имеет получение неразъемных соединений алюминиевых проводов и шин с медными. Такие соединения должны работать при температуре до 100 °С, а при коротком замыкании возможен кратковременный нагрев до 200 °С. Холодная стыковая сварка применяется при изготовлении медноалюминиевых трансформаторных отводов круглого сечения (0 8, 12, 14, 16 и 20 мм). Холодная сварка производится в штамповом блоке на вертикальном гидропрессе усилием 600 кН. Медная заготовка перед сваркой проходит отжиг при 800 °С с последующим охлаждением в воде. Зачистка свариваемых торцов производится механическим путем в приспособлении с вращающимся дисковым напильником. Режим холодной сварки, например, для сечения 0 20 мм: длина вылета по меди 14 мм, по алюминию 11 мм, усилие осадки 600 кН. Соединения алюминиевых проводов с медными, выполненные стыковой холодной сваркой, обладают высокой вибрационной стойкостью, а временное сопротивление сварного соединения выше временного сопротивления алюминия. Электропроводимость сварного соединения на 15 — 18 % выше электропроводимости равновеликого участка целого алюминиевого провода. При приварке медно-алюминиевых соединений к алюминиевым обмоткам допускается нагрев стыка до 275 °С без ухудшения его качества. Выпущены трансформаторы с сотнями тысяч соединений. Замена меди на алюминий в силовых трансформаторах обеспечила безаварийную работу последних. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ Качество сварных соединений разнородных металлов и сплавов определяется совокупностью ряда свойств, таких как надежность, степень работоспособности, прочность, структура металла шва и около-шовной зоны, коррозионная стойкость, отсутствие дефектов и т. п. Создание работоспособных сварных конструкций из разнородных металлов и сплавов, как правило, связано с определенными трудностями. что вызвано неизбежностью образования в процессе сварки металлов с различными теплофизическими свойствами химической и структурной неоднородности, а также значительных напряжений и деформаций. В связи с этим для получения стабильного качества сварных конструкций из разнородных металлов и сплавов необходима высокая культура производства, строгое соблюдение всех инструкций и требований технических условий на сварку, а также более строгая система контроля, чем при сварке изделий из однородных металлов. Для контроля сварных соединений применяют традиционные методы разрушающего и неразрушающего контроля. Разрушающие испытания проводят на образцах — свидетелях, натурных образцах и моделях. Образцы — свидетели сваривают из того же материала и по той же технологии, что и сварные соединения изделий. Разрушающий контроль позволяет получить количественные данные, характеризующие прочность, качество или надежность сварных разнородных соединений. Согласно ГОСТ 6996 — 66 механические испытания соединения и металла шва проводят на растяжение, изгиб, сплющивание. В ряде случаев для контроля макро-и микроструктуры металла шва и зоны сплавления устанавливают эталонные образцы рекомендуемых структур. |
