ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
 Для большинства свариваемых пар разнородных металлов или сплавов характерны существенные различия в температуре плавления, плотности, коэффициентах теплофизических свойств, особенно в коэффициентах линейного расширения. Отличаются также и кристаллографические характеристики - тип решетки и ее параметры (табл. 1).
 Для таких металлов, как титан, ниобий, тантал, молибден, дополнительные трудности возникают в связи с тем, что при нагреве эти металлы активно взаимодействуют с газами атмосферы. При поглощении газов резко ухудшаются свойства сварных соединений. В большинстве случаев при ограниченной взаимной растворимости для основных комбинаций свариваемых металлов чрезвычайно трудно избежать образования стойких интерметаллических фаз, обладающих высокой твердостью и хрупкостью (табл. 2).
 
Табл. 1. Физические и механические свойства некоторых сплавов, используемых при сварке разнородных металлов
Свойства	
Железо и сплавы на его основе	
Сплавы алюминия	
Сплавы меди	

Железо Армко	
Ст3
сп	
09Г2	
10Х
СНД	
12Х
18Н9Т	
АМn	
АМг5В	
АМгб	
БрА
Мц9-2	
БрК
Мп3-1	
БрБ2	

Плотность, г/см3	
7,80	
7,85	
7,85	
7,85	
7,9	
2,73	
2,65	
2,65	
8,2	
8,4	
8,2	

Темпер. плавления, °С	
1535	
1520	
1530	
1540	
1450	
650	
570... 640	
630	
1050	
1080	
1050	

Коэфф-т линейного расширения x106, 1/°С	
11,0	
11,1	
12,0	
12,1	
16,6	
23,2	
23,9	
24,0	
17,0	
15,8	
16,6	

Коэфф-т теплопро
водности (при 20 °С), Вт/(мК)хЮ2	
0,8	
0,67	
0,5	
0,46	
0,16	
1,88	
1,25	
1,22	
0,71	
0,46	
0,83	

Твердость НВ	
80	
120... 150	
140... 180	
170... 190	
-	
30	
65	
70	
80... 100	
75 ... 90	
100/
330*	

Предел прочности, МПа	
250	
380... 500	
460... 520	
560... 640	
580
 ...650	
100... 150	
280... 300	
320... 380	
450
... 500	
350... 400	
500/
1250*	

Предел текучести, МПа	
120	
220... 360	
340... 380	
420... 500	
240
... 300	
50	
150	
160...
180	
150
 ...200	
220... 260	
250/
1150*	

Относит. удлинение, %	
40... 50	
20... 32	
18... 26	
16...24	
55 ... 70	
20	
18	
15... 20	
20... 35	
30 ...40	
35/
24*	

Модуль упругости, МПа х10-3	
200	
201	
215	
215	
203	
71	
70	
72	
92	
104	
130	

*В числителе - свойства до термообработки, в знаменателе - после термообработки.	

 
Табл. 2 Основные варианты свариваемых пар разнородных металлов
Соединяемые металлы	
Применяемые способы сварки	
Основные особенности физико-химического взаимодействия	

	
образование растворов	
образование стойких интерметаллических соединений	

Сталь + алюминий, сплавы алюминия	
Аргонодуговая	
До 33 % Аl в α-Fe	
FeAl3; Fe2Al5; Fe2Al7; FeAl	

Сталь + медь, сплавы меди	
Аргонодуговая, под флюсом, электрошлаковая, плазменной струей, электронным лучом	
До 8 % Сu в γ-Fe; 
до1,4% Cu в α-Fe	
-	

Сталь + титан	
Аргонодуговая	
0,5 % Fe в α-Ti; 
до 25 % Fe в β-Ti	
FeTi; Fe2Ti	

Сталь + 
молибден	
Тоже	
До 6,7 % Mo в α-Fe	
FeMo; Fe2Mo8	

Сталь + ниобий	
“	
До l,8% Nb α-Fe; 
до 1 % Nb в γ-Fe	
FeNb; Fe2Nb; Fe5Nb3	

Алюминий + медь	
Аргонодуговая, по слою флюса	
До 9,8 Аl в Сu	
CuAl2	

Алюминий + титан	
Аргонодуговая	
До 6 % Аl в α-Ti	
TiAl; TiAl3	

Титан + тантал	
То же	
Непрерывный ряд	
-	

Медь + титан	
“	
2,1% Сu в α-Ti; 
до 17% Cu β-Ti	
TiCu; Ti2Cu; Ti2Cu3	

Медь + молибден	
Электронным лучом	
Ограниченная растворимость	

	
 
Сварка стали с алюминием, медью, титаном и их сплавами
Сварка стали с алюминием и его сплавами. Процесс затруднен физико-химическими свойствами алюминия. Выполняется в основном аргонодуговая сварка вольфрамовым электродом. Подготовка стальной детали под сварку предусматривает для стыкового соединения двусторонний скос кромок с углом 70°, так как при таком угле скоса прочность соединения достигает максимального значения. Свариваемые кромки тщательно очищают механическим или пескоструйным способом или химическим травлением, затем на них наносят активирующее покрытие. Недопустимо применение дробеструйной очистки, так как при этом на поверхности металла остаются оксидные включения. Наиболее дешевое покрытие - цинковое, наносимое после механической обработки.
 Процессу гальванического и горячего цинкования должны предшествовать обезжиривание детали, промывка и сушка, травление в растворе серной кислоты с последующей промывкой и сушкой. При горячем цинковании, перед опусканием детали в цинковую ванну, имеющую температуру 470 ... 520 °С, необходимо флюсование детали в насыщенном растворе флюса. Простейший флюс состоит из двух компонентов: 50 % KF + 50 % KCl. Совершенно недопустимо нанесение цинкового или алюминиевого покрытия по методу шоопирования, так как при этом частицы покрытия успевают окислиться и удовлетворительно сварить алюминий со сталью не удается.
 При гальваническом нанесении покрытия слой цинка должен достигать 30 ... 40 мкм, при горячем цинковании 60 ... 90 мкм. В последнем случае значительно облегчается процесс нанесения слоев алюминия, особенно на мелких деталях. Для сталей аустенитных (12Х18Н9Т и т.п.) алитирование возможно после механической очистки без применения флюса. Оптимальный (по прочности соединения) режим алитирования - температура алюминиевой ванны 750 ... 800 °С. Время выдержки при алитировании - до 5 мин (в зависимости от размеров детали). Возможно также алитирование стальных деталей с применением токов высокой частоты.
 Технология сварки предусматривает использование стандартных сварочных установок типа УДГ-300 с применением лантанированных вольфрамовых электродов диаметром 2 ... 5 мм и аргона высшего и первого сортов.
 Особенностью сварки алюминия со сталью по сравнению с обычным процессом аргонодуговой сварки алюминиевых сплавов является расположение дуги: в начале наплавки первого шва - на присадочном прутке, а в процессе сварки - на присадочном прутке и образующемся валике (рис. 1, а), так как при длительном воздействии теплоты дуги на поверхность стали происходит преждевременное выгорание покрытия, что препятствует дальнейшему процессу сварки. После появления начальной части валика дугу нужно зажигать вновь (после перерыва) на алюминиевом валике. При сварке встык дугу ведут по кромке алюминиевой детали, а присадку - по кромке стальной детали таким образом, что жидкий алюминий натекает на поверхность стали, покрытой цинком или алитированной (рис. 1, б).
 При толщине свариваемого металла до 3 мм сила сварочного тока 110 ... 130 А, при толщине стали 6 ... 8 мм 130 ... 160 А, при толщине 9 ... 10 мм 180 ... 200 А; только в этом случае обеспечивается достаточный разогрев деталей и образование необходимой соединительной прослойки.
 В качестве присадочного материала применяется проволока марки АД1 (чистый алюминий с небольшой присадкой кремния, благоприятно влияющего на формирование стабильного качества диффузионной прослойки). Присадку из сплава АМг6 применять не следует, так как в этом случае в формировании интерметаллидного слоя принимает участие магний, снижающий прочность соединения. По-видимому, наличие атомов магния вместо атомов алюминия в кристаллической решетке одной из фаз обусловливает наличие слабых связей - магний практически нерастворим в железе. Магний резко ускоряет рост прослойки из хрупких интерметаллидов, интенсифицирует развитие процессов реактивной диффузии.

Рис. 1 Техника аргонодуговой наплавки алюминия на сталь:а - ведение дуги при аргонодуговой наплавке;б - то же, при сварке встык;в-д- последовательность наложения валиков в зависимости от типа соединения
 
 В зависимости от типа соединения при сварке необходимо соблюдать последовательность наложения валиков шва 1 - 12, показанную на рис. 1, в, г и д, обеспечивающую необходимое перекрытие. Чередование валиков с лицевой и обратной стороны предотвращает перегрев стальной детали и преждевременное выгорание цинка с ее поверхности.
 Важное значение имеет правильный выбор скорости сварки, так как она определяет время взаимодействия жидкого алюминия со сталью, т.е. определяет толщину и стабильность интерметаллидной прослойки. Для первых слоев скорость сварки назначают 7 ... 10 м/ч, для последующих (когда сталь достаточно разогрета) - 12 ... 15 м/ч. При рассмотренных условиях сварки предел прочности соединения при разрыве соответствует прочности технического алюминия (100 МПа). 
 Повысить прочность соединения можно увеличением рабочего сечения шва либо применением комбинированных покрытий. Получающиеся сварные соединения пригодны для восприятия статической нагрузки и имеют высокий предел выносливости при действии знакопеременной изгибающей нагрузки (рис. 2). Предел выносливости образцов при базе 107 циклов равен 50 ... 60 МПа, т.е. на уровне, обычном для сплава АМг6. Разрушение образцов, как правило, происходит на сплаве АМг6 у внешнего концентратора. Только при высоких напряжениях отдельные образцы разрушаются по шву. Сварные соединения имеют высокую плотность при гидравлических, пневматических и вакуумных испытаниях, а также высокие коррозионные свойства в морской воде при наличии на их поверхности лакокрасочных покрытий. Применение комбинированных покрытий стали - медно-цинкового и никель-цинкового повышает прочностные свойства сварного соединения. В этом случае наносят слой меди или никеля толщиной 4 ... 5 мкм и второй слой цинка толщиной 30 ... 40 мкм. Соединительная прослойка интерметаллидов сложного состава получается несколько меньшей толщины и твердости. Предел прочности сварного соединения (при наличии выпуклости шва) 140 ... 223 МПа. При сварке высоколегированной стали типа 18-8 с алюминием, если на стали имеется только цинковое покрытие толщиной 50 мкм, достигается предел прочности соединения 213 ... 287 МПа. Если же по подслою цинка толщиной 25 ... 30 мкм производят алитирование по указанной ранее технологии, достигается прочность соединения 295 ... 328 МПа.

 Рис. 2 Результаты усталостных испытаний сварных соединений из сплава АМг6 и стали
 
 В конструкциях криогенной техники применяется много трубопроводов малого диаметра из алюминиевых сплавов и стали 12Х18Н10Т. Для изготовления трубопроводов необходимы биметаллические переходники из этих металлов. Получают переходники сваркой плавлением алюминия с предварительно алитированной сталью. Однако этот способ имеет свои недостатки: трудоемкость процесса, вредные условия труда при алитировании, недостаточная надежность в эксплуатации.
 Более перспективным является способ стыковой сварки оплавлением дугой низкого давления тонкостенных труб из разнородных металлов. Преимущество этого способа заключается в том, что сварку осуществляют в вакуумной камере в среде инертного газа. В процессе сварки расплавляется лишь один из соединяемых металлов - алюминий. Оксиды с торцов соединяемых поверхностей удаляются непосредственно перед сваркой методом катодной очистки. Кроме того, перед сваркой в процессе кратковременного нагрева свариваемые детали не контактируют друг с другом, что позволяет нагревать торцы деталей до любых (в том числе различных) необходимых для сварки температур, не опасаясь процессов взаимодействия.
 Соединения формируются в процессе осадки, при которой из зоны соединения выдавливается расплавленный металл, что приводит к быстрому снижению температуры в месте контакта. Длительность сварки не превышает десятых долей секунды.
 В табл. 3 представлены режимы сварки трубы из стали 12Х18Н10Т 0 10 мм с толщиной стенки 1 мм с трубами из алюминия АД1 0 12 мм с толщиной стенки 2 мм.
 Методами металлографии установлено, что независимо от режима сварки сварные соединения отличаются хорошей плотностью, на границе алюминия со сталью не наблюдали пор, трещин, рыхлот. На образцах, сваренных на мягком режиме, граница неровная из-за подплавления стали при сварке. В переходной зоне вдоль всей линии контакта металлов наблюдается сплошная светло-серая прослойка толщиной 2 ... 4 мкм. На отдельных участках толщина хрупкой прослойки может увеличиваться до 5 ... 6 мкм.
 
Табл. 3 Параметры процесса сварки соединений труб из стали 12Х18Н10Т с трубами из алюминия АД1
Режим	
Подогрев	
Сварка	

ток, А	
длительность импульса, с	
пауза между импульсами, с	
ток, А	
длительность импульса, с	
пауза между импульсами, с	

Мягкий	
500	
0,10	
0,30	
180	
0,56	
0,64	

Жесткий	
500	
0,08	
0,30	
220	
0,36	
0,40	

 
 Это, как правило, единичные участки, где произошло заметное подплавление стали и удаление в грат было затруднено. Микротвердость прослойки составляет 9400 ... 9300 HV. В структуре алюминиевой составляющей сварного соединения в приграничной области (на глубине до 100 мкм от линии сплавления) наблюдаются эвтектические выделения по границам зерен. Причем у границы раздела количество эвтектик значительно больше. Микротвердость в этой области на 150 ... 200 HV выше твердости основного металла.
 На рис. 3 представлены результаты микрорентгеноспектрального анализа. Как следует из кривых распределения, основные легирующие элементы стали присутствуют в переходной зоне. Содержание их в интерметаллидной прослойке: 30 ... 32 % Fe; 3 ... 7 % Сr; 2 ... 3 % Ni; остальное алюминий. В алюминии в эвтектических выделениях по границам зерен отмечается повышенное содержание железа, никеля и в меньшей степени хрома, что связано с диффузией этих элементов во время сварки. При дополнительном травлении в стали обнаруживается подслой металла переменной ширины (от 120 до 170 мкм), непосредственно примыкающий к интерметаллидной прослойке и отличающийся по структуре и твердости от основного металла. Микротвердость его несколько выше твердости основного металла и составляет 4500 .... 4800 HV.
 На графике распределения микротвердости в переходной зоне сварных соединений видно, что при более жестких режимах уменьшается ширина зоны повышенной твердости в приграничных областях как стали, так и алюминия. Это можно объяснить тем, что небольшое увеличение сварочного тока приводит к значительному сокращению времени взаимодействия соединяемых металлов при сварке.
 Ширина хрупкой интерметаллидной прослойки в соединениях, полученных на более жестком режиме, меньше и составляет 1,5 ... 3,0 мкм. На довольно протяженных участках в структуре переходной зоны образуется дополнительная узкая прослойка, примыкающая к интерметаллидной со стороны стали, шириной от 2 до 6 мкм и с микротвердостью 7000 HV. Сварные соединения, выполненные при более жестком режиме, отличаются большей стабильностью структуры.
 При механических испытаниях временное сопротивление разрыву всех разрушенных соединений не ниже прочности основного металла алюминия АД1 в отожженном состоянии.

Рис. 3 Изменение концентрации химических элементов в переходной зоне сварных соединений
 
Сварка стали с медью и ее сплавами. В равновесном состоянии при комнатной температуре медь растворяется в α-Fe в количестве до 0,3 %, а железо в меди в количестве до 0,2 %. Хрупких интерметаллидов не образуется. В связи с большими скоростями охлаждения при сварке в переходном слое образуется пересыщенный твердый раствор меди с железом, но при содержании до 2 ... 2,5 % Fe структурно-свободное железо не обнаруживается. Граница сплавления между сталью и медью — резкая, с включениями фазы, обогащенной железом различного размера. Со стороны стали, примыкающей ко шву, размер зерна увеличивается в пределах зоны шириной 1,5 ... 2,5 мм. Микротвердость зоны сплавления достигает 5800 ... 6200 HV.
 Ухудшает взаимную растворимость железа и меди наличие в стали углерода, а улучшает марганец и кремний. Марганец снижает критическую точку Ас3 и расширяет область α-твердого раствора, в котором медь растворяется в значительно большем количестве, а кремний раскисляет сварочную ванну и упрочняет зерна твердого раствора.
 Затруднения при сварке и наплавке меди на сталь связаны с ее физико-химическими свойствами, высоким сродством меди к кислороду, низкой температурой плавления меди, значительным поглощением жидкой медью газов, различными величинами коэффициентов теплопроводности, линейного расширения и т.д. Одним из основных возможных дефектов при сварке следует считать образование в стали под слоем меди трещин, заполненных медью или ее сплавами (рис. 4, а). Указанное явление объясняют расклинивающим действием жидкой меди, проникающей в микронадрывы в стали по границам зерен при одновременном действии термических напряжений растяжения.
 В углеродистых и низколегированных сталях (Ст3, 10ХСНД и т.п.) трещин мало и размеры их невелики, а в сталях, имеющих аустенитную структуру, в частности типа 18-8, количество и размеры трещин резко возрастают. Для сталей типа 18-8 эффективным барьером для упомянутых трещин является введение ферритной фазы. При содержании феррита свыше 30 % в стали типа 18-8 проникновение меди в сталь не наблюдается; это объясняется тем, что феррит не смачивается медью и проникновения меди в микронадрывы не происходит.
 Для уменьшения опасности образования указанных трещин рекомендуется вести сварку на минимальной погонной энергии, в качестве присадочного металла применять никелевый сплав МНЖ 5-1 или бронзу БрАМц 9-2. Наличие никеля и алюминия снижает активность воздействия жидкого металла в микронадрывах на стали, что уменьшает опасность образования глубоких трещин в стали.

Рис. 4 Наплавка меди на сталь:
I - наплавка плазменной струей с токоведущей присадочной проволокойи двойной независимой дугой;
II - наплавка расплавлением облицовки (вольфрамовым электродом); 
III- автоматическая наплавка ленточным электродом под флюсом;
IV - наплавка лежачим электродом под слоем флюса;
V- наплавка покрытым электродом типа "Комсомолец";
VI- автоматическая наплавка электродной проволокой под флюсом
 
 Медь, латунь и бронза успешно свариваются со сталью всеми способами сварки плавлением на тех же режимах, что и стальные детали соответствующих сечений, но дугу со стыка несколько смещают в сторону меди или ее сплавов.
 Для сварки меди, бронз БрАМц 9-2, БрКМц 3-1, латуни Л90 со сталями типа Ст3сп; Ст4сп; 10; 09Г2 применяют: а) для ручной сварки - электроды с покрытием типа "Комсомолец"; б) для сварки под флюсом - флюсы ОСЦ-45, АН-26 и др. и проволоку марки M1, M2 и БрКМц 3-1 и др.; в) для сварки в среде инертных защитных газов - проволоки марок БрКМц 3-1, БрАМц 9-2, МНЖ 5-1. В ряде случаев необходим предварительный подогрев изделия.
 Сплав МНЖ 5-1 сваривается с углеродистыми и низколегированными сталями электродами со стержнем из сплава МНЖ 5-1 с покрытием ЗТ, а при сварке под флюсом ОСЦ-45 или в защитных газах - электродной проволокой марки МНЖ 5-1.
 При сварке обеспечивается равнопрочность сварного соединения (по цветному металлу) при действии статической нагрузки. Сварные соединения обладают удовлетворительной пластичностью. Так, для соединения меди М3р или сплава МНЖ 5-1 со сталью Ст4сп при ручной сварке угол изгиба составляет 40 ... 85°, а при аргонодуговой 110 ... 180°.
 Более высокое качество сварных соединений при аргонодуговой сварке сплавами МНЖ 5-1 объясняется тем, что в этом случае в металле шва содержание железа не превышает 8 ... 10 %, а при ручной сварке достигает 50 ... 55 %.
 На рис. 4, б показано содержание железа в наплавленном металле при различных способах наплавки. Оптимальные условия наплавки меди на сталь требуют, чтобы не было расплавления стали, чтобы она хорошо смачивалась (для этого ее температура превышала 1100 °С) и длительность контактирования меди со сталью при этой температуре была бы не менее 0,01 ... 0,015 с.
 Для соединения меди и ее сплавов со сталью рекомендуется применять аргонодуговую сварку вольфрамовым электродом, а для наплавки цветных металлов на сталь - наплавку плазменной струей с токоведущей присадочной проволокой. Сварные соединения имеют достаточно высокий предел выносливости.
Сварка стали с титаном. Одной из основных задач при сварке титана со сталями является выбор таких сварочных материалов, методов и режимов сварки, при которых предотвращалось бы или резко подавлялось образование хрупких интерметаллических фаз FeTi и Fe2Ti.
 Непосредственная сварка титана со сталью не дает положительных результатов. Практическое применение находит сварка в аргоне вольфрамовым электродом и сварка через промежуточные вставки. Хорошие результаты получены при использовании комбинированной вставки, состоящей из технического тантала (а, = 700 МПа) и термообрабатываемой бронзы БрБ2 (см. табл. 1).
 Бронза сваривается с углеродистой или аустенитной сталью аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом, а тантал с титаном - в камерах с контролируемой атмосферой. Предел прочности соединения по бронзе 490 МПа, при закалке бронзы 605 МПа (закалка до сварки).
 Комбинированные вставки из бронзы БрБ2 и ниобия используют для аргонодуговой сварки вольфрамовым электродом в камере с контролируемой атмосферой титана ОТ4-1 толщиной 0,8 и 2 мм. Прочность соединения при толщине 0,8 мм σв = 530 ... 660 МПа, угол изгиба 72 ... 180° при толщине 2 мм σв = 400 ... 450 МПа, угол изгиба 41 ... 61°.
 
Сварка разнородных цветных металлов и сплавов
Сварка алюминия и его сплавов с медью. Кроме значительного различия физико-химических свойств алюминия и меди сварка этих металлов затруднена образованием хрупкой интерметаллической фазы.
 Обычно сварку выполняют вольфрамовым электродом в аргоне и по слою флюса. Для улучшения процесса сварки на медь после ее очистки необходимо наносить слой покрытия, который активирует поверхность более тугоплавкого металла, улучшает смачиваемость поверхности меди алюминием. Наилучшим является цинковое покрытие толщиной 50 ... 60 мкм, наносимое гальваническим методом. Технология сварки алюминия с медью такая же, как и алюминия со сталью, т.е. дугу смещают на более теплопроводный металл, в данном случае на медь, на 0,5 ... 0,6 толщины свариваемого металла (табл. 4).
 Прочность соединения равна прочности технического алюминия (80 ... 100 МПа), удельное электросопротивление шва несколько выше (0,037 Ом*м), чем у алюминия (0,0313 Ом*м). Сварные соединения не меняют свою прочность при длительном нагреве до температуры 150 °С. При более высоком нагреве прочность соединения падает в связи с резким увеличением слоя хрупких интерметаллидов.
 На границе соединения со стороны меди образуется прослойка интерметаллидов (СиА12) толщиной 3 ... 10 мкм, со стороны алюминия полоска твердого раствора меди в алюминии такого же размера. Микротвердость прослойки интерметаллидов, примыкающих к меди, достигает 4500 ... 5500 HV. Наличие этой зоны обусловливает относительно низкую прочность соединения. Если толщина интерметаллидной прослойки меньше 1 мкм, она не влияет на прочность соединения.
 Прочность соединения, так же как и в сталеалюминиевых соединениях, повышается при легировании металла шва кремнием (4 ... 5 %) и цинком (6 ... 8 %), так как эти элементы подавляют рост интерметаллидной прослойки.
 Для обеспечения стабильной прочности сварных соединений по свариваемой кромке меди необходим скос под углом 45 .... 60° (рис. 5, а). При сварке меди M1 с алюминием марки А5 по слою стандартного флюса, применяемого для сварки алюминия (АН-А1) при толщине металла до 20 мм, используют проволоку марки АД1 диаметром 2,5 мм. При сварке электрод необходимо смещать от скоса на 5 ... 7 мм в сторону меди. При сварке по слою флюса прочность сварного соединения равна 70 ... 80 МПа, электропроводность сохраняется на уровне электропроводности алюминия.
 
Табл. 4 Рекомендуемые режимы сварки алюминия с медью
Сварка	
Тол
щина мета
лла, мм	
Сила тока. А	
Напря
жение, В	
Скорость сварки, м/ч

Смещение электрода от стыка на медь, мм	
Диаметр, мм	
Расход аргона, л/мин	
Число слоев	

	

	
	
элек
трода	
приса
дочной прово
локи	

Аргоно
дуговая вольфра
мовым электродом	
3	
160 ... 180	
14 ... 15	
10... 12	
15 ... 2	
4	
2	
7 ... 8	
2	

6	
270 ... 290	
15 ... 16	
7... 8	
3 ... 4	
5	
2,5	
8 ... 10	
2	

8	
320 ... 330	
16 ... 18	
-	
-	
6	
3	
10 ... 12	
2	

Автоматическая по слою флюса АН-А1	
10	
380 ... 400	
38 ... 40	
21,5	
5 ... 6	
2,5	
-	
-	
1	

12	
390 ... 410	
39 ... 42	
21,5	
6 ...7	
2,5	
-	
-	
1	

 
Сварка алюминиевого сплава с титаном ОТ4. Обычно применяют аргонодуговую сварку вольфрамовым электродом, перед которой кромки титана очищают от α-слоя и загрязнений и алитируют в чистом алюминии при температуре алюминия 800 ... 830 °С в течение 1 ... 3 мин. В этом случае период образования соединения между алюминием и титаном меньше, чем период ретардации, и хрупкие интерметаллиды по линии соединения не успевают образоваться.
 Кромки предварительно разделывают согласно рис. 13.12, б. До сварки на алитированные кромки наплавляют слой чистого алюминия (5 ... 8 мм) с использованием проволоки марки AB00 диаметром 5 ... 8 мм. Соединение сваривают обычным методом, как алюминиевый сплав. Предел прочности сварного соединения сплавов ОТ4 + АМг6 зависит от слоя алюминия и составляет 110 ... 270 МПа, угол изгиба 17 ... 30°.

Рис. 5 Сварка алюминия с медью и титаном:
а - прочность соединения алюминия с медью в зависимостиот разделки медной кромки: 1 - V-образная; 2 - К-образная;б - подготовка кромок титана для сварки его с алюминиевым сплавом
 
Сварка титана с медью и ее ставами. Сварка затруднена большим различием свойств и образованием хрупких интерметаллидов (см. табл. 2). Наиболее успешна сварка плавлением при использовании промежуточных вставок из специально выплавленных сплавов титана, легированных молибденом или ниобием, которые понижают температуру превращения α↔β и обеспечивают получение однородного титанового сплава со стабильной структурой, не очень отличающейся от структуры меди. Можно использовать комбинированные вставки из сплавов Ti + 30 % Nb и сплавов ВТ15).
 Эти сплавы при сварке с медью МЗ обеспечивают предел прочности соединения 220 ... 225 МПа и угол изгиба 140 .... 180°, а при сварке с бронзой 260 ... 280 МПа и угол изгиба 100 ... 160°. В прослойке по линии соединения твердость достигает 4700 ... 4800 HV при твердости бронзы БрХ0,8 1200 HV.
Сварка ниобия, тантала и молибдена со сталью и сплавами цветных металлов. Принципиальная возможность сварки ниобия, тантала и молибдена со сталями и цветными сплавами частично показана выше, так как эти металлы используют в качестве промежуточных вставок при сварке титана со сталью, алюминием и медью.
 Тантал и ниобий по свойствам близки к титану и при сварке с ним образуют твердые растворы без хрупких соединений. Ниобий также удовлетворительно сваривается с медью и медными сплавами, с которыми образует ограниченные растворы. Тантал с медью растворов и соединений не образует. Обычно применяют бериллиевую бронзу БрБ2. Сварку выполняют вольфрамовым электродом в среде инертных защитных газов, часто в камерах с контролируемой атмосферой и электронным лучом.
Сварка биметаллов. В настоящее время известно применение биметаллических заготовок из углеродистой и коррозионно-стойкой стали с алюминиевыми сплавами, из стали и медно-никелевого сплава МНЖ 5-1, из стали 12Х18Н9Т и титанового сплава ОТ4, ОТ4-1 для сварки разнородных металлов.
 В биметаллическом прокате из углеродистой и низколегированной стали и алюминиевых сплавов АМгЗ и АМгб соотношение толщин в пакете 1:1 и 1,5:1. Алюминиевый сплав соединяется со сталью при прокате по подслою из чистого алюминия. Предел прочности биметалла на срез 70 ... 90 МПа и разрыв 100 ... 150 МПа.

 Рис. 6 Варианты сварных соединений при использовании вставок из проката биметалла
 
 На рис. 6 показаны рекомендуемые варианты различных соединений с применением биметалла. Прочность сварного соединения в большой степени зависит от прочности сцепления слоев биметалла и, следовательно, от площади биметаллической вставки. Однако неконструктивность узлов соединения и отсутствие средств контроля качества сцепления слоев биметалла часто приводят к тому, что соединения этого типа не обладают вакуумной плотностью.
 Для предотвращения появления хрупких интерметаллидов внутри биметалла при нагреве в процессе сварки необходимо строго выдерживать режим сварки. Для биметалла толщиной 10 ... 12 мм рекомендуется следующий режим: со стороны алюминиевого сплава аргонодуговая сварка вольфрамовым электродом на режиме I = 140 ... 160 А, Uд = 14 ... 18 В, Vсв = 6 ... 7 м/ч; со стороны стали сварка в СО2 на режиме I = 100 ... 130 А, Uд =18...20 В, Vсв =17...20 м/ч.
 Наиболее вероятно образование хрупких интерметаллидов в биметалле Ст3сп, 12Х18Н9Т и сплава АМг6 при нагреве линии соединения выше температуры 450 °С. При нагреве до температуры 550 °С и выше биметалл расслаивается. Рекомендуется сварку начинать со стороны алюминия и после охлаждения всего узла - со стороны стали.
Сварка плавлением полуфабрикатов многослойного материала. При изготовлении изделий новой техники требуются конструкционные материалы, обладающие повышенной надежностью, длительным ресурсом работоспособности с достаточными механическими свойствами основного металла и сварного соединения. Многослойные полуфабрикаты на основе высокопрочных алюминиевых сплавов, титана и магниевых сплавов, полученные совместной горячей прокаткой, отвечают предъявляемым требованиям.
 Значительное различие физико-химических свойств алюминиевых и магниевых сплавов, их металлургическая несовместимость уже в процессе производства многослойного полуфабриката приводят к образованию и росту хрупких интерметаллидных соединений, отрицательно влияющих на качество полуфабриката, - вплоть до самопроизвольного разрушения. Это явление может быть исключено путем введения технологических прослоек. Например, введение прослойки технического алюминия со стороны алюминиевого сплава и технического титана со стороны магниевого сплава.
 Так, например, четырехслойный полуфабрикат АМг6 + Ад1 + ВТ 1-0 + + МА2-1 содержит по зоне разделения слоев ограниченное количество интерметаллидных фаз, более пластичных по свойствам и не влияющих на конструкционную работоспособность.
 В основу технологии сварки многослойного материала положен принцип последовательного выполнения сварки гомогенных слоев. После сварки наиболее тугоплавкого слоя (титана) наружные слои сваривают таким образом, чтобы обеспечить на границе раздела металлический контакт вследствие алитирования со стороны слоя АМг6 + АД1 и смачивания со стороны слоя МА2-1. Необходимые температурно-временные условия обеспечиваются заданными параметрами режима сварки, геометрией разделки кромок, выбором присадочного материала, последовательностью выполнения сварки гомогенных слоев.
 Оформление разделки кромки стыка производится с учетом минимально возможной выборки металла по наружным слоям, так как значительная доля присадочного металла в шве приводит к существенным деформациям. В то же время ширина разделки кромка тугоплавкого материала должна быть такой, чтобы при его сварке исключить оплавление наружных слоев. Оптимальная ширина зоны оголения сплавав ВТ 1-0 составляет 3 мм. В качестве присадочной проволоки при сварке алюминиевого сплава применяют проволоку АМг6.
 При получении сварного соединения магниевого сплава стандартная проволока ВМД-10 наиболее предпочтительна, так как обеспечивает мелкозернистую структуру шва и повышенную стойкость к образованию трещин. Подготовка образцов под сварку осуществляется традиционными методами для каждого слоя многослойного материала.
 На первом этапе сваривают тугоплавкий слой ВТ 1-0 без присадочной проволоки на весу с полным проплавлением. Затем осуществляют автоматическую сварку наружного слоя АМг6 + АД1 с увеличенным вылетом вольфрамового электрода на таких соотношениях параметров режима, которые обеспечивают натекание алюминия на активированную дугой поверхность титана, т.е. обеспечивают алитирование сплава ВТ 1-0. На завершающем (третьем) этапе производят автоматическую аргонодуговую сварку слоя магниевого сплава МА2-1. Повышенная склонность магниевых сплавов к окислению требует увеличения расхода защитного газа и некоторого увеличения скорости сварки. Указанная последовательность сварки полуфабрикатов многослойного материала обеспечивает минимальную деформацию стыка, исключает возникновение трещин в слое магниевого сплава. Толщина образовавшихся интерметаллидных фаз типа TiAl3 не превышает 10 мкм и является критической. Возникающие в зоне сварки интерметаллидные соединения не снижают работоспособности и плотности металла соединения, что подтверждается металлографическими исследованиями сварных соединений.
 Проведенные механические испытания сварных соединений многослойного материала показали, что их предел прочности находится на уровне 0,90 ... 0,95 предела прочности основного материала и составляет 270 ... 280 МПа. В отдельных образцах предел прочности соответствует прочности основного материала. Временное сопротивление на отрыв и срез слоев в стыковом соединений незначительно отличается от свойств основного материала: σотр = 90 ... 100 МПа, τср = 50 .... 60 МПа. Вакуумная плотность стыковых соединений многослойного материала составляет 1,3 х 10-7 м3 Па/с при давлении р = 1,25 х 105 Па.
 
Сварка металлов с неметаллами
 Современное развитие радиоэлектроники и других отраслей техники потребовало разработки достаточно эффективных методов соединения не только разнородных металлов, но и металлов с неметаллами. В качестве неметаллических материалов известно использование стекла (на которой монтируются полупроводниковые системы), керамики, графита.
 Используемая в технике керамика в своей основе имеет либо чистый оксид алюминия, и тогда она пригодна для работ при температурах 1000 °С и выше, либо наряду с оксидом алюминия имеет стеклофазу и в этом случае эксплуатационная температура не превышает 500 ... 600 °С. Известно также применение металлокерамического порошка состава 96 % Fe, 3 % Си, 1 % С с пористостью 15 ... 20 % для изготовления втулок. Эти втулки сваривают с кронштейнами из стали 20.
 Углеграфитовые материалы используют в качестве электродов, нагревателей, торцовых уплотнителей. В зависимости от условий эксплуатации к соединению углеграфитовых материалов с металлами предъявляются требования достаточной прочности (по углеграфитовому элементу), герметичности, малого электросопротивления в зоне контакта, в ряде случаев повышенной коррозионной стойкости. Диэлектрики в электронных микросхемах служат в качестве подложки, на которую в вакууме наплавляют тонкие металлические пленки, к которым затем присоединяют металлические проводники. В качестве диэлектриков используют ситаллы различных марок: фотоситаллы, кварцевое стекло, стекла С41, на которые в вакууме напыляются медные пленки толщиной 0,4 ... 0,45 мкм по адгезионному подслою хрома или титана толщиной 0,05 мкм.
 В некоторых устройствах круглое мерное стекло необходимо соединить с металлической трубчатой частью из коррозионно-стойкой стали. Это удается сделать через переходник из ковара, который может быть соединен сваркой со стеклом. В ряде конструкций регуляторов для защиты графита от коррозионных разрушений на его поверхность наплавляют слой коррозионно-стойкого циркония.
 Выбор методов сварки неметаллических материалов с металлами зависит от размеров деталей, физических особенностей материала и т.п. Так, например, различные металлические выводы, присоединяемые к диэлектрикам, имеющим на своей поверхности тонкую металлическую пленку, или к полупроводниковым кристаллам, используемым в микроэлектронике, наиболее часто сваривают контактной, термокомпрессионной или ультразвуковой сваркой, заменившей пайку.
 Однако эти способы сварки сильно деформируют проводник в зоне сварки, снижают механическую прочность соединения и дают соединение с высоким переходным сопротивлением. Поэтому в настоящее время для этих целей успешно применяют сварку плавлением, используя луч лазера.
 Цирконий с графитом соединяют по методу аргонодуговой наплавки вольфрамовым электродом. При этом способе на графите образуется промежуточный слой толщиной до 2,5 мм, пропитанный цирконием и содержащий образовавшиеся карбиды. На поверхности этого слоя располагается чистый цирконий, имеющий структуру литого металла, который образует плотную коррозионно-стойкую поверхность на графите.
 При сварке плавлением металлических проводников с металлической пленкой, имеющейся на диэлектрической подложке, растворение подслоя пленки не уменьшает прочности контакта. Исследователи этого процесса предполагают, что при сварке плавлением в переходном слое образуются химические соединения металла со стеклом, которые обладают высокой прочностью.
 Сварку лучом лазера медных проводников диаметром 50 мкм с медной пленкой толщиной 0,4 ... 0,45 мкм на адгезионном подслое хрома толщиной 0,05 мкм выполняли на лазерных установках СУ-1 и УЛ-2. Образцы сваривали внахлестку (рис. 7, а). Разрушающее усилие при срезе в зависимости от материала подложки колебалось в пределах 0,1 ... 0,15 Н с разрушением подложки из стекла С41 и до 0,56 Н подложки из кварца. Такая разница в прочности объясняется тем, что при использовании нетермостойкого стекла С41 в подложке образовались трещины с глубиной залегания 45 ... 50 мкм, по которым и происходило разрушение. В термостойкой кварцевой подложке трещин не наблюдалось. На термостойком стекле СО-21 получены такие же разрушения, как и на кварцевой подложке.
 Известно применение сварки электронным лучом для соединения керамики на основе оксида алюминия с трубчатыми деталями из стали 12Х18Н10Т. Детали собирали согласно схеме на рис. 7, б. Керамическая втулка / длиной 15 мм наружным диаметром 10 мм и внутренним 4 мм служит основой для соединения металлических деталей 2 и 3, собираемых с зазором 0,3 ... 1 мм; толщина стенки в месте сварки 0,5 мм.

Рис. 7 Соединения металлов с неметаллами:
а - соединение медного проводника диаметром 50 мкмс медной фольгой и поперечное сечение соединения;
б - сборка керамических (1) и стальных (2, 3) трубчатых элементовпод сварку электронным лучом;
в - соединение металлокерамической втулки (1) со сталью (2);
г - соединение наплавленного слоя циркония с графитом:1 - графит; 2 - цирконий; 3 - пленка карбида циркония
 
 Сварку выполняли по следующей технологии: после нагрева узла до температуры 1200 °С (со скоростью 40 ... 60 °С/мин) и выдержки 4 ... 5 мин сваривали один из швов при выключенном нагревателе, в связи с чем температура к концу сварки падала до 30 ... 40 °С. Затем вновь узел подогревали до температуры 1200 °С и сваривали второй шов. Для получения стабильного процесса сварки луч смещали от кромки в сторону металлической детали на 1,5 ... 2 мм. Сваренные по такой технологии узлы выдерживали длительное внутреннее давление до 1,0 МПа, гидравлические удары до 4,0 МПа, сохраняли работоспособность при контакте с агрессивной средой до 120 суток.
 Металлокерамические втулки (96 % Fe; 3 % Си и 1 % С) сваривали с кронштейнами из стали 20 угловым швом по схеме на рис. 7, в. Втулку с наружным диаметром 20 мм толщиной стенки 5 мм сваривали со сталью толщиной 3 мм. Из-за низкой теплопроводности металлокерамики она растворяется быстрее, в связи с чем сварочную ванну смещают на стальную деталь и делают швы возможно большего размера (5 мм). Сварку ведут в углекислом газе проволокой Св-08Г2С диаметром 1,2 мм. Прочность и вибростойкость соединения обеспечивается при заданном числе циклов нагружения (свыше 8 х 105 циклов).
 Схема соединения наплавленного слоя циркония с графитом показана на рис. 13.14, г. При наплавке вольфрамовым электродом в среде аргона с подачей присадочной проволоки диаметром 3 мм производительность процесса составляет 5,5 ... 6 кг/ч (I = 400 ... 450 A; U = 27 ... 33 В) при ширине наплавленного слоя 15 ... 20 мм и толщине 4 ... 5,5 мм. Соединение характеризуется тем, что на поверхности графита 1 образуется промежуточный слой 3 плотной пленки карбида циркония толщиной 0,02 ... 0,04 мм, на которой и располагается однородный слой циркония 2, имеющего структуру литого металла. Поскольку графит обладает пористой структурой, карбид циркония в локальных участках распространяется на большую глубину (2 ... 5 мм).
 Наплавка циркония при подаче защитного газа через сопло горелки вызывает загрязнение циркония азотом и кислородом (1,18 % О2; 1,35 % N2) с образованием пластинчатой структуры ct-фазы, обладающей высокой твердостью и затрудняющей обработку наплавленного слоя. При наплавке в камере с контролируемой средой металл получается значительно чище (0,126 % О2; 0,01 % N2), с образованием структуры и большим количеством мелких игольчатых включений, но без крупных пластинчатых включений α'-фазы. Наплавленный по этому варианту металл не затрудняет механическую обработку.