Клинопрессовая сварка давлением разнородных металлов

Шоршоров М.Х.

Металлургия, 1982 г.

Сущность способа клинопрессовой сварки и обоснование ее технологический схемы

Как уже отмечалось ранее, в процессахсоединенияматериалов в твердой фазе необходимо, с одной стороны, интенсифицировать процесс пластического течения на контактных поверхностях раздела соединяемых материалов, с другой стороны, ограничивать степень пластической деформации и локализации ее на возможно меньшей глубине приповерхностного слоя. При этом у свариваемых материалов должны Минимально изменяться исходные физико-механические свойства (твердость, прочность, минимальная глубина диффузионного взаимодействия, отсутствие интерметаллидов и др.). В то же время следует соблюдать ряд конструктивных и технологических требований (уменьшение коробления и формоизменения конструкции, сокращения ее устойчивости и величины внутренних напряжений и т.п.). С учетом этих двух противоположных тенденций, по-видимому, необходимо стремиться реализовать такую схемупередачи внешнего усилия на свариваемые изделия, при которой отношение сдвиговой компоненты напряжений к компоненте нормальных напряжений было бы максимальным и сдвиговые напряжения были бы направлены под возможно меньшим углом к поверхностям раздела соединяемых деталей или параллельно им. Естественно, что именно при таких схемах нагружения в максимальной степени интенсифицируется пластическое течение в тонких приповерхностных слоях материала и улучшаются условияразрушения и выноса за пределы контакта окисных пленок и загрязнений. Этот принцип и был положен в основу разработанного нами клинопрессового способасварки в различных его технологических вариантах [ 28, 29, 92 — 101]. Указанная особенность схемы нагружения присуща также и большинству других способов твердофазной сварки, в частности сварке сдвигом, трением, взрывом, ультразвуковой, термокомпрессионной и др.1. Естественно, что каждый из перечисленных способовсварки не может быть универсальным и имеет свои определенные ограничения в области применения из-за ряда конструктивных, технологических, прочностных и других требований к сварным соединениям. В некоторых же случаях сочетание этих требований настолько сложно, что не позволяет надежно использовать ни один из существующих способовсваркиматериалов в твердом состоянии. К одному из таких случаев относится, например, сварка трубчатых соединительных элементов (переходников) типа алюминий — сталь при монтаже алюминиевых трубопроводов.

4. Температурно-временная зависимость роста интерметаллидной прослойки

После прохождения третьей стадии процессасваркиметаллов в твердом состоянии и образования прочного сварного соединения в зоне контакта могут протекать диффузионные процессы с образованием химических соединений. При нагреве алюминиево-стального биметалла образуется хрупкое химическое соединение, которое снижает его прочность.

Исследование условий образования и роста интерметаллидных прослоек, а также влияния их на прочность апюминиево-стальных соединений имеют большое практическое значение. Так, например, вследствие кратковременного нагрева при сваркетрубопроводов с алюминиево-стальными переходниками в зоне контакта алюминия со сталью возможен процессдиффузии с образованием интерметаллидных фаз.

Вначале состав и рост интерметаллидного слоя в соединенииалюминия с железом или сталью изучали при взаимодействии с жидким алюминием [111 — 114]. После широкого внедрения в промышленностьсваркиметаллов в твердом состоянии начали изучать процессыдиффузии между алюминием и железом или сталью в твердом состоянии [115 — 121].

В одной из ранних работ [ 122] было установлено, что если к соединениюалюминия и стали приложить давление, то они взаимодействуют уже При температуре 573 К. Авторы работ [ 116, 121], изучая кинетику образования интерметаллидныхсоединений между алюминием и железом, отмечали, что процесс реакционной диффузии между указанными металлами начинает интенсивно протекать при температуре 793 — 823 К.

В работе [ 119] предложена следующая схема образования и роста интерметаллидных фаз между армко-железом и сплавомалюминия АД 1. Вначале в результате взаимной диффузии контактирующих металлов возникают локальные участки пересыщенных твердых растворов вокруг дефектов кристаллического строения с образованием первых центров новой фазы. Затем происходит поперечный рост фазы вдоль плоскости стыка и нормальный рост сплошной интерметаллидной фазы. После этого наряду с нормальным ростом первой интерметаллидной фазы образуются первые центры второй интерметаллидной фазы, которые затем смыкаются вдоль плоскости стыка и т.д.

Скорость роста интерметаллидных прослоек, образующихся в процессе диффузии, обычно определяют, измеряя их толщину [ 116]. При изучении закона роста прослойки обычно полагают, что он имеет параболический характер [ 123]:

где у - толщина слоя новой фазы; t - время диффузионного процесса.

Параметр IF характеризует скорость роста и является величиной, пропорциональной коэффициенту диффузии, совпадая с ним по размерности.

Согласно диаграммесостоянияжелезо — алюминий [ 124], в сплавах указанной системы образуется ряд химических соединений и твердых растворов. Кристаллическая структура FeAl (выше 34 % (ат.) А1) имеет о.ц-к. решетку с периодом а =0,29 нм [ 124]. Соединение Fe3Al4 (25 — 34 % (ат.) А1) имеет кубическую структуру с постоянной кристаллической решетки 0,578 нм[ 125].

В работе [ 118] установлено, что образованию интерметаллидного слоя при данной температуре соответствует инкубационный период определенной продолжительности, присутствие магния в алюминии уменьшает эту продолжительность и при содержании > 2,5 % Mg снижает прочность соединений.

Важно иметь возможность измерять скорость роста интерметаллидных фаз в биметаллах. Авторы работы [ 126], изучая влияние различных добавок к алюминию на процесс реакционной диффузии в образцах, полученных совместной прокаткойалюминия и железа, определили, что кремний и медь задерживают процесс реакционной диффузии.

Кинетику взаимодействия алюминиевомагниевого сплава АМгЗ с хромо-никелевой сталью 12Х18Н9Т исследовали на образцах (см. рис. 39) с углом заточки стальной детали а=0,34 рад.

КЛИНОПРЕССОВАН сварка ИЗДЕЛИЙ

ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО материалаалюминий - БОР

Сварка труб и полых цилиндров

из композиционного материалаалюминий — бор с законцовками из сплавовалюминия и титана.

В последние годы в изделиях новой техники получил применение новый класс высокопрочных конструкционных волокнистых композиционных материалов. Одним из таких материалов является композиционный материалалюминий - бор. Высокие удельные прочность и модульупругости по сравнению с теми же характеристиками высокопрочных алюминиевых и титановых сплавов дают основание считать его перспективным конструкционным материалом при изготовлении летательных аппаратов, где одним из главных требования является снижение массы.

Из композиционного материалаалюминий — бор целесообразно изготовлять трубчатые элементы конструкций, работающие на растяжение - сжатие, а также цилиндрические корпуса, работающие под воздействием внутреннего или наружного давления. При этом масса цилиндрических корпусов снизится на 40 % и более и улучшится ряд других эксплуатационных характеристик. Преимущество цилиндрических корпусов из композиционного материала заключается также в возможности достижения временного сопротивления разрыву в поперечном направлении в два раза большего, чем в направлении оси. При этом масса корпуса примерно на 20 % меньше, чем корпусов из алюминиевых или титановых сплавов.

Преимущества композиционного материалаалюминий — бор, наиболее полно могут быть реализованы в трубчатых элементах ферм, которые под действием внешних факторов находятся в состоянии растяжения или сжатия. В этом случае упрочняющие волокна располагают вдоль оси трубы, что обеспечивает наиболее благоприятные условия их нагружения.

Использование в промышленноститруб и цилиндрических корпусов из композиционного материалалюминий - бор сдерживается трудностью получения проч-10-плотного соединения их с законцовками из обычных конструкционных сплавов. Композиционные материалыалюминий — бор, состоящие из двух разнородных материалов — упрочняющих борных волокондиаметром 0,10-0,14- 10~3 ми алюминиевой матрицы, нельзя соединять сваркой плавлением. При сваркеплавлениемволокна бора разупрочняются и в переходной зоне с металломматрицы образуется хрупкий интерметаллид, вследствие чего снижаются его прочностные свойства. Высокая прочность композиционных материалов в направлении армированияприводит к необходимости нагружения труб и цилиндрических корпусов из этих материалов только через металлматрицы на их внутренней и наружной поверхности. Использование развитой поверхности контакта между законцовками из обычного конструкционного сплава и трубой или корпусом из композиционного материала позволяет приложить к указанным конструктивным элементам значительные по величине усилия при относительно низких значениях напряжения на контактной поверхности. Контактные поверхности законцовки и трубы или корпуса из композиционного материала можно соединить пайкой или твердофазной сваркой. Однако невозможность пластической деформации композиционного материала в направлении армирования и высокая хрупкостьволокон бора создают определенные трудности в использовании твердофазных способовсварки (сварка трением, взрывом и др.).

В современном машиностроении применяют способсоединения труб, например, с трубными решетками, заключающийся в том, что трубу с насаженным промежуточным элементом устанавливают в отверстиетрубнойрешетки и в процессеразвальцовкитрубы вдавливают кольцевые выступы промежуточного элемента в трубу и трубнуюрешетку [131].