Особенности сварки разнородных металлов

В различных изделиях современной техники характерным является использование значительного числа разнородных по свойствам металлов. Используемые в одном изделии разнородные металлы повышают коррозионную стойкость в различных средах, жесткость и прочность, уменьшают вес изделия, экономят драгоценные и дефицитные металлы.

Поэтому одной из проблем сварочного производства является разработка эффективных и надежных технологических процессов качественного соединения разнородных металлов.

Соединение разнородных металлов различными способами сварки плавлением и давлением, а также пайкой достаточно широко освещено в литературе.

Многие сочетания разнородных металлов: медь—алюминий, алюминий—нержавеющая сталь, алюминий—титан, титан—нержавеющая сталь, железо—ниобий и др. имеют ограниченную взаимную растворимость и могут образовывать в зоне сварки хрупкие соединения.

Для непосредственного соединения таких металлов способы сварки плавлением не всегда могут быть использованы, поскольку интенсивно развивающиеся в условиях повышенных температур диффузионные процессы приводят к развитию химической неоднородности и образованию в сварном шве хрупких промежуточных соединений и фаз. В ряде случаев разнородные металлы сваривают плавлением через промежуточный металл, являющийся (при условии совместимости его с каждым из соединяемых металлов) барьерным слоем, исключающим пли ограничивающим развитие химической неоднородности и диффузионных процессов, приводящих к образованию хрупких соединений.

Для некоторых конструкций сварка плавлением разнородных металлов возможна с использованием концентрированных источников тепловой энергии и различных технологических приемов, например образование сварного шва оплавлением импульсным электронным лучом тонкой кромки более легкоплавкого из соединяемых металлов.

В ряде случаев для соединения разнородных металлов эффективна пайка. Однако в ходе этого процесса нельзя контролировать растекание припоя, определяющее качество паяного соединения.

При сварке давлением можно ограничивать неблагоприятные явления, характерные для сварки плавлением, формировать требуемые структуры и свойства материалов в зоне соединения.

При всех способах сварки давлением соединение образуется в результате пластической деформации материала в зоне контакта. В зависимости от температуры сварки в зоне соединения могут развиваться диффузионные процессы, снижающие качество соединений металлов с ограниченной взаимной растворимостью.

Температура в зоне соединения может существенно отличаться от среднемассовой температуры свариваемых металлов, что необходимо учитывать при сварке металлов с ограниченной взаимной растворимостью, поскольку неопределенность распределения температур в зоне соединения пе позволяет прогнозировать степень и характер развития диффузионных процессов.

Все способы сварки давлением можно разделить на три группы: с низкоинтенсивным силовым воздействием (диффузионная сварка), со среднеинтенсивным силовым воздействием (холодная сварка, сварка трением, сварка (прокаткой), с высокоинтенсивным силовым воздействием (сварка взрывом и магнитно-импульсная).

В самом общем случае процесс качественного соединения при сварке давлением может ограничиться схватыванием контактных поверхностей или получить дальнейшее развитие и закончиться образованием в зоне контакта общих зерен (при соединении одноименных металлов, разноименных металлов с неограниченной растворимостью) или новых фаз (при соединении разноименных металлов).

Необходимо, чтобы образование сварного соединения разноименных, с ограниченной взаимной растворимостью металлов заканчивалось схватыванием контактных поверхностей. Это возможно при малой длительности либо при невысокой температуре (<0,5 T_пл) сварки: диффузионные процессы в зоне контакта прекращаются и сварное соединение образуется вследствие схватывания. Поэтому разнородные металлы с ограниченной взаимной (растворимостью можно сваривать отдельными способами первой группы (например, при невысоких температурах), некоторыми способами сварки второй группы и всеми способами третьей группы.

Условия получения качественной сварки давлением разнородных металлов с ограниченной взаимной растворимостью можно записать в виде

t_в≥t_с≥t_р; (1)
t_и>t_н+t_ох, (2)

где t_в - длительность взаимодействия, определяемая длительностью силового воздействия при конкретном способе сварки; t_с - длительность схватывания контактных поверхностей по всей площади соединения (образования межатомных связей всеми атомами контактных поверхностей); t_р - длительность релаксации напряжений в зоне контакта; t_и - длительность инкубационного периода (образования термодинамически устойчивого зародыша новой фазы в зоне соединения); t_н - длительность контактирования металлов при постоянной температуре, большей 0,5 T_пл;  t_ох - длительность охлаждения металлов в зоне контакта после сварки до температуры ≤0,5 T_пл.

Необходимость выполнения условий (1) и (2) очевидна: при t_вс не все атомы контактных поверхностей успеют образовать межатомные связи; при t_ср напряжения в зоне контакта частично или полностью разрушат образовавшиеся межатомные связи, и схватывания контактных поверхностей не произойдет; если же не выполняется условие (2) и t_ин+t_ох, то в зоне соединения образуются зародыши новой фазы (во всех случаях сварные соединения разнородных металлов с ограниченной взаимной растворимостью окажутся некачественными).

При сварке по схеме свободного деформирования, когда величина пластической деформации материала в зоне контакта ε и скорость ее накопления ε зависят от основных технологических параметров: длительности, давления и температуры сварки, t_в является легко управляемым параметром  (чаще t_в = t = t_н).

При сварке с вынужденным характером пластического деформирования (с постоянной скоростью накопления пластической деформации) длительность взаимодействия должна определяться в соответствии с технологическими особенностями способа сварки. В частности, при сварке прокаткой

t_в = l/v, (3)

где l — длина дуги захвата; v — скорость прокатки.

При сварке импульсным воздействием длительность взаимодействия также зависит от технологических особенностей способа. В частности, при сварке взрывом

t_в=2δ_min/c,  (4)

а при магнитно-импульсной сварке

t_в=t_д-t_s, (5)

где δ_min — толщина менее тонкого элемента; с — скорость звука в материале; t_д — длительность действия магнитного импульса, являющаяся характеристикой установки; t_s — длительность движения метаемого элемента до момента соударения.

Длительность полного схватывания контактных поверхностей t_с определяется длительностью их активации, так как атомы, достигшие требуемого энергетического барьера, «мгновенно» образуют межатомные связи, т. е. t_с=t_а. В случае, когда активным центром при схватывании является дислокация с полем напряжения, длительность активации всей контактной поверхности менее пластичного металла при любом способе сварки давлением можно выразить в виде  

t_а =L*b/(ε*S), (6)

где ε — скорость деформации металла в зоне соединения; В — модуль вектора Бюргерса; S — площадь активного центра; L — путь движения дислокации до барьера.

Длительность релаксации напряжений в зоне соединения можно оценить по уравнению

t_р = t_о exp[E/RT], (7)

где t_о=10^-13с; Е — энергия активации процесса, контролирующего релаксацию напряжений в более пластичном металле.