Особенности образования соединений при сварке плавлением разнородных металлов

При сварке деталей из одного и того же материала процессы растворения, взаимной диффузии, образования твердых и жидких растворов, т. е. взаимной кристаллизации металла, ничем не ограниченны. Более сложная ситуация может возникнуть при сварке разнородных металлов. В этом случае приходится предварительно рассматривать физическую (или принципиальную) свариваемость свариваемых материалов.

В соответствии с ГОСТ 2601 «Свариваемость – это свойства металла или сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия». Под физической свариваемостью понимают способность металлов образовывать в результате сварки каким-либо способом монолитное соединение с химической связью.

Основными трудностями, возникающими при сварке разнородных материалов, является их металлургическая несовместимость: различия в кристаллическом строении (тип кристаллической решетки и величина ее параметров), температуре плавления, теплофизических свойствах (коэффициентах линейного расширения, теплопроводности). В первом приближении металлургическую совместимость можно оценить по диаграммам состояния сплавов. Все возможные сочетания металлов можно привести к трем случаям.

Металлы обладают хорошей физической свариваемостью, если имеют одинаковую кристаллическую структуру, способны образовывать непрерывные твердые растворы, смешиваясь в разных соотношениях, т. е. способны образовывать общую кристаллическую решетку. Это условие выполняется в том случае, когда свариваемые металлы принадлежат к одной и той же группе или к смежным группам периодической системы элементов, например, железо-никель, никель-медь, хром-ванадий. Здесь процессы растворения и диффузии ничем не ограничены.

Если различие в размерах атомов компонентов, образующих сплав, превышает 14-15 %, то растворимость в твердом состоянии будет ограниченной (правило Юм-Розери). В сплаве будут образовываться хрупкие химические соединения – интерметаллиды. Образование этих прослоек получается не мгновенно, а спустя определенный промежуток времени, после так называемого периода задержки или ретардации. После нее рост металлидов идет ускоренно. Существует много пар металлов, обладающих ограниченной растворимостью. Например, железо обладает ограниченной растворимостью с медью, алюминием, титаном, ванадием, углеродом и другими элементами. Медь образует ограниченные твердые соединения с магнием, титаном, цирконием, хромом, серебром и др. элементами. При образовании сварного соединения между такими парами металлов устанавливается структурная связь как за счет внутрикристаллитного, так и межкристаллитного взаимодействия.

Практически не свариваются плавлением металлы и сплавы, которые не могут взаимно растворяться в жидком состоянии, например, чистые свинец и медь, железо и магний, железо и свинец, свинец и алюминий и др. При расплавлении таких пар металлов образуются несмешивающиеся слои, которые при последующем затвердевании могут быть сравнительно легко отделены друг от друга. Здесь устанавливается лишь межкристаллитная очень слабая связь элементов.

В связи с отмеченными особенностями и трудностями сварки разнородных металлов и их сплавов наиболее успешно удается сваривать отдельные пары металлов способами и приемами, при которых обеспечиваются:

  • минимальное время контактирования соединяемых металлов в жидком состоянии, что уменьшает размеры прослоек хрупких интерметаллидов или даже предотвращает их возникновение (например, за счет использования источников сварочного нагрева с очень высоким удельным тепловым потоком – электроннолучевой сварки, сварки лазером);
  • предотвращение образования хрупких интерметаллидов подбором промежуточных однородных или комбинированных из разных металлов вставок, хорошо сваривающихся с любым металлом свариваемой пары (путем, например, гальванизации, металлизации или наплавки, в т. ч. и ТВЧ, на кромки свариваемых деталей);
  • подавление роста интерметаллических хрупких фаз легированием металла шва некоторыми компонентами;
  • исключение взаимодействия металла сварочной ванны с окружающей средой (т. е. воздухом) за счет газовой, шлаковой или комбинированной защиты.