Закономірності формування з`єднань різнорідних металів різними способами зварювання тиском

Размещено на http://allbest.ru

приазовський державний технічний університет

УДК 621.791.4

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

ЗАКОНОМІРНОСТІ ФОРМУВАННЯ З`ЄДНАНЬ РІЗНОРІДНИХ МЕТАЛІВ РІЗНИМИ СПОСОБАМИ ЗВАРЮВАННЯ ТИСКОМ

05.03.06 - зварювання та споріднені технології

Арсенюк Валерій Васильович

Маріуполь - 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Інституті електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України.

Науковий консультант:доктор технічних наук, професор, член-кореспондент НАН України Григоренко Георгій Михайлович, завідувач відділу Інституту електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України.

Офіційні опоненти:доктор технічних наук, професор, член-кореспондент НАН України Ошкадьоров Станіслав Петрович, завідувач відділу Інституту металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України.

доктор технічних наук, професор Квасницький В'ячеслав Федорович, завідувач кафедри Національного університету кораблебудування ім. Адмірала Макарова МОН України.

доктор технічних наук, професор Чигарьов Валерій Васильович, завідувач кафедри Приазовського державного технічного університету МОН України.

Провідна установа:Запорізький національний технічний університет МОН України.

Захист відбудеться “27” вересня 2005 року о 14:00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д12.052.01 при Приазовському державному технічному університеті МОН України (87500, м. Маріуполь, Донецької обл., вул. Університетська, 7)

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Приазовського державного технічного університету (87500, м. Маріуполь, Донецької обл., вул. Апатова 115)

Автореферат розісланий “” липня 2005 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, професор В.О. Маслов

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Розвиток сучасного машинобудування та інших галузей промисловості, в яких використовуються агрегати, що працюють в екстремальних умовах, вимагає використання нових конструкційних матеріалів і з'єднань з різнорідних металів. Здебільшого це важкозварювані металеві матеріали, які суттєво відрізняються один від одного фізико-механічними властивостями.

Як правило, з'єднання таких металевих матеріалів зварювання з утворенням проміжної рідкої фази призводить до утворення таких структурних комплексів і фазових складових, які значно знижують працездатність з'єднань.

Вирішити задачу з'єднання таких матеріалів можна застосовуючи один із видів зварювання у твердому стані, наприклад дифузійне зварювання, зварювання тертям, магнітно-імпульсне зварювання, контактне зварювання без оплавлення, ударне зварювання, зварювання вибухом.

Усі ці, відмінні один від одного, способи дозволяють вирішити багато проблем з ресурсо- і енергозбереження та знаходять застосування в конкретних технологіях, наприклад, при виробництві електроконтактів, клапанів двигунів, перехідних елементів та інших конструкцій.

Розширення виробництва зварних конструкцій із різнорідних металів і сплавів переважно супроводжується значними труднощами, які пов'язані з нестабільністю і великим розкидом механічних характеристик матеріалів у зварних з'єднаннях, що обумовлено утворенням у зоні контакту крихких інтерметалідних фаз. Саме цей фактор суттєво підсилюється у випадку зварювання металів, які мають обмежену взаємну розчинність.

Складність забезпечення оптимального поєднання міцності і пластичності в більшості випадків визначається технологічними особливостями твердофазного зварювання, де присутні обмеження за величиною температур і деформацій при зварюванні. Велике значення мають технологічні параметри, що впливають на механізми і кінетику фізико-хімічних процесів, відповідальних за формування з'єднань. Доводиться враховувати можливість утворення в зоні з'єднань складних структурних комплексів і метастабільних фаз, вплив яких на властивості з'єднань з різнорідних матеріалів вивчено недостатньо. Наприклад, дотепер не проводилися всебічні дослідження зв'язку різних типів структур, існуючих у матричних металах, міжфазних і субструктурних меж, розподілу інтерметалідних фаз тощо з механічними властивостями з'єднання, що робить важкозрозумілим сутність фізико-хімічних процесів, які відбуваються в зоні зварювання за умов термодеформаційного впливу в місці контакту. Це і визначило актуальність дисертаційної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася в ІЕЗ ім. Є.О.Патона за темами відомчого плану Національної академії наук України і темами фонду фундаментальних досліджень:

“Провести фізико-хімічні дослідження складу, структури і властивостей зварних з'єднань і покрить і розробити рекомендації з удосконалення технології їхнього одержання” (16.1.22.16).

“Розробити наукові основи підвищення експлуатаційних властивостей зварних з'єднань і захисних покрить шляхом вивчення їхньої тонкої структури, хімічної неоднорідності і визначення параметрів оптимізації структурно-фазового складу” (16.1.22.17).

“Дослідження особливостей масопереносу при зварюванні металів тиском” №4.4/548 (Ф4/372-97), Фонд фундаментальних досліджень.

“Удосконалити методики експерименту, дослідити фізико-хімічні процеси і вивчити їхній вплив на структурно-фазовий склад і властивості при формуванні злитків, зварних з'єднань і покрить” (16.1.22.13).

Мета і задачі дослідження. Мета роботи: розвинути існуючі уявлення про кінетику і механізми пластичної деформації, особливості структури при зварюванні тиском різнорідних металевих матеріалів в твердому стані, встановити закономірності формування з'єднань при різних швидкостях деформації (Э10^-4...10⁵ с^-1) та створити наукові основи розробки технології і оптимізації параметрів технологічного процесу.

Задачі дослідження:

Проаналізувати і узагальнити сучасні уявлення про закономірності утворення з'єднань різнорідних металевих матеріалів за умов зварювання тиском.

Вивчити вплив якості підготовки контактуючих поверхонь на формування зварного з'єднання.

Вивчити формування з'єднань з різнорідних металевих матеріалів при різних способах зварювання з малими швидкостями деформування.

Вивчити процес утворення з'єднання різнорідних металів при різних способах зварювання за умов швидкісних навантажень.

Дослідити особливості масопереносу в процесі з'єднання металів у твердому стані в залежності від температури і швидкості навантаження при зварюванні.

Узагальнити результати дослідження і встановити закономірності впливу структурних складових на механічні властивості з'єднань різнорідних металів при зміні швидкостей навантаження.

Розглянути технологічні аспекти, розробити критерії оцінки якості зварних з'єднань і видати рекомендації з оптимізації технологічних параметрів зварювання тиском.

Об'єкт дослідження: Процеси отримання невід'ємного зварного з'єднання в твердому стані різнорідних металів та сплавів з різко відмінними фізичними властивостями.

Предмет дослідження: Закономірності формування з'єднань різнорідних металів різними по швидкості деформації способами зварювання тиском.

Методи дослідження: Для вивчення структури використовувалась оптична металографія, растрова та просвічуючи електронна мікроскопія. Вивчення розподілу хімічних елементів та індифікація фазових утворень проводилась методами рентгенівського мікроспектрального та рентгеноструктурного аналізу і мікродифракції. Вивчення швидкості масопереносу проводили методом авторадіографії.

Наукова новизна отриманих результатів: В дисертаційній роботі проведено комплекс фундаментальних та прикладних досліджень процесів з'єднань різнорідних металів.

Сукупність теоретичних положень і практичних результатів роботи може бути кваліфікована, як теоретичне узагальнення і вирішення важливої науково-прикладної задачі, що має велике народногосподарське значення.

Наукова новизна полягає в наступному:

· Вперше розглянуто та узагальнено відомості про вплив швидкості деформації на зварюваність різнорідних металів з різними фізико-механічними характеристиками при зварюванні тиском.

· Встановлено залежність формування структурних комплексів і метастабільних фаз в зоні з'єднання різнорідних важкозварюваних металів з обмеженою розчинністю залежно від швидкості деформації і температури підігріву при різних способах зварювання.

· Вивчено кінетику, ступінь локалізації і механізми пластичної деформації в зоні зварювання різнорідних металів з різним типом ґратки і фазовим складом і їхню зміну при різних швидкостях навантаження за умов зварювання тиском, що дозволило розробити принципово новий підхід до вирішення проблеми підвищення пластичних властивостей металу після зварювання.

· Вперше встановлено, що швидкість деформування є визначальним чинником зміни механізмів деформації від дислокаційного до колективних форм руху з ротацією різних за розміром структурних областей.

· Встановлено зв'язок коефіцієнтів масопереносу в матеріалах, що з'єднуються, зі швидкостю навантаження при зварюванні при різних температурах.

· Показано, що перехід до високошвидкісних деформацій сприяє диспергуванню (від часточок у декілька мікрон до кластерних розмірів) новоутворених фаз і значному розширенню зони фазоутворення.

· Показано, що:

P нагрівання вище температури рекристалізації сприяє формуванню протяжних крихких зернограничних інтерметалідних прошарків;

P нагрівання в інтервалі температур розвитку дорекристалізаційних процесів і полігонізації призводить до утворення рівномірно розподілених по всьому об'єму металу дрібнодисперсних інтерметалідних фаз з одержанням матеріалу типу квазікомпозита.

Практичне значення отриманих результатів. Створено наукові підходи та розроблено рекомендації що дозволяють оптимізувати технологічні процеси дифузійного, магнітно-імпульсного зварювання, зварювання тертям і вибухом, ударного зварювання у вакуумі.

На базі цих рекомендацій розроблено конкретні технології зварювання деталей і пристроїв з різнорідних металів у агрегатах і системах, які використовуються у металургії (алюмінієві та магнієві електролізери), транспортних електромережах (контактні групи), криогенній техніці (трубчаті перехідники), приладобудуванні, машинобудуванні, аерокосмічній техніці, ядерній енергетиці та інших.

Запропоновано металознавчу методику, яка дозволила розробити критерії і проводити оцінку якості з'єднання на зразках-свідках.

Розроблено нову методику оцінки механічних властивостей матеріалу у місці з'єднання різнорідних металів, яка базується на аналізі внеску конкретних структурних і фазових складових в одержанні комплексу основних механічних характеристик металу в зоні з'єднання та областях контактної взаємодії.

Виконано оцінку застосування різних способів зварювання тиском для з'єднання різнорідних важко зварюваних металів, що дозволяє апріорно вибрати оптимальний спосіб зварювання тиском, при якому можна уникнути утворення в зоні з'єднання крихких фаз і отримати міцність на рівні найменш міцного матеріалу, що з'єднується.

Особистий внесок здобувача. Автор сформулював мету і розробив програму досліджень. Експериментальні роботи із зварювання різнорідних металів проводились при його особистій участі. Дослідження структурних і фазових станів з'єднань різнорідних важкозварюваних металів і узагальнення їхніх результатів, включаючи і проведення досліджень масопереносу радіоактиваційним методом, проводились за особистою участю автора. В усіх випадках автор займався формулюванням задач і постановкою досліджень, аналізував і узагальнював отримані результати. Автор брав участь у розробці і реалізації рекомендацій з вибору технологій і оптимізації режимів зварювання конкретних пар різнорідних металів для широкої номенклатури виробів. У всіх дослідницьких роботах його участь була визначальною.

Наукові і практичні результати дисертаційної роботи, що виносяться на захист, отримані автором самостійно або у співавторстві у відповідності з публікаціями, наведенеми в авторефераті, в яких автору належать:

- постановка задачі, планування експерименту, аналіз та узагальнення результатів дослідження структури, фазового стану, мікронеоднорідності в зварних з'єднаннях [1, 7, 10, 13, 14, 24, 26, 28, 29, 39];

- проведення експериментальних досліджень та трактування механізмів пластичної деформації у зоні з'єднання [4, 6, 23, 27, 41];

- постановка задачі, проведення експериментів по зварюванню з ізотопами та обробка результатів дослідження масопереносу [2, 15, 16, 17, 18, 19, 25, 32];

- ідея підходу до розробки методики оцінки механічних властивостей з'єднання по структурним складовим [8, 11, 30, 31, 37, 40];

- підбір, аналіз та узагальнення літературних даних [38, 42];

- розробка технологічних схем та оптимізація режимів зварювання тиском різними способами, виявлення закономірностей формування з'єднань [3, 5, 9, 22, 33, 34, 35, 36, 43];

- одноосібні роботи [12, 20, 21].

Апробація роботи. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на Міжнародній конференції “Синергетика - 96” (Москва, Росія, 1996); Міжнародному науково-технічному конгресі “Машинобудівні технології - 97” (Софія, Болгарія, 1997); конференції “Восстановление и упрочнение деталей, современный и эффективный способ повышения надежности машин” (Москва, Росія, 1997); конференція “Зварювання і споріднені технології - XXI століття” (Київ, Україна, 1998); Меморіальному симпозіумі В.Н. Гриднєва “Матеріали і сплави: Фазові перетворення, структура, властивості” (Київ, Україна, 1998); симпозіумі “Перспективи застосування з'єднання у твердому стані” (Кембридж, Великобританія, 1999); Міжнародної конференції “Зварні конструкції” (Київ, Україна, 2000); Міжнародної конференції “Математичне моделювання й інформаційні технології в зварюванні і споріднених процесах” (Кацивелі, Крим, Україна, 2002 і 2004); Міжнародної конференції “Сучасні проблеми зварювання і ресурсу конструкцій” (Київ, Україна, 2003).

Публікації. За темою дисертації за участю автора опубліковано 43 роботи, у тому числі 29 статей у профільних журналах.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота, загальним обсягом 507 сторінок машинописного тексту, включаючи 74 таблиці і 215 малюнків, складається з вступу, восьми розділів, загальних висновків і списку використаних літературних джерел з 304 найменувань.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульовані мета і визначені задачі, які необхідно вирішити для її досягнення.

У першому розділі приведено огляд літературних даних і проведено порівняльний аналіз якості з'єднань, отриманих різними способами твердофазного зварювання важкозварюваних металів (Al-Fe, Al-Cu, Al-Ti). Розглянуто дифузійне зварювання у вакуумі, клинопресове зварювання, зварювання гарячим вальцюванням, зварювання тертям, магнітноімпульсне зварювання і зварювання вибухом. Проаналізовано переваги і недоліки цих методів і зроблені висновки про необхідність системного вивчення особливостей структури і фазового стану матеріалу з'єднань різнорідних металів залежно від термодеформаційних умов їхнього утворення.

У другому розділі представлено опис використовуваних матеріалів і підготовки зразків для досліджень, методів і методик досліджень. Було використано оптичну металографію, растрову та просвічуючу електронну мікроскопії. Дослідження хімічного складу та ідентифікацію фазових виділень проводили методами рентгенівського мікроспектрального і рентгеноструктурного аналізів та мікродифракції. Масоперенос вивчали методом авторадіографії. Представлено схеми і короткий опис способів зварювання, що використовувалися в дослідженнях.

У третьому розділі на модельних і реальних парах розглянуто деякі питання впливу стану контактуючих поверхонь на формування зварного з'єднання при твердофазному зварюванні. Виявлено основні фактори, що визначають утворення з'єднання, до яких відносяться рельєф поверхні і наявність на ній оксидних плівок. Фізико-механічні властивості одержуваного з'єднання металів для конкретного способу зварювання залежать від підготовки поверхні контакту, коли один із двох факторів може відігравати визначальну роль. В ряді випадків переважаючою є тонка обробка, а в інших випадках хороші результати можна одержати при грубій обробці поверхні.

Мікроструктура з ямками травлення, висока щільність яких спостерігається в місцях деформування виступів на поверхні в процесі дифузійного зварювання.

Оксидні плівки на підготовлених під зварювання поверхнях, що можуть утворюватися в результаті механічної обробки чи в процесі електрополірування, впливають на якість з'єднання. Їхній склад і товщини залежать від способу підготовки поверхні контакту.

Якщо в перший момент зварювання (до 3 хв.) оксидні поверхневі плівки, що виявляються на поверхні контакту після руйнування з'єднання, мають вигляд механічно роздроблених пластин, то зі збільшенням тривалості процесу під дією зовнішнього навантаження і температури, спостерігається зміна їхньої морфології. Оксидні часточки набувають глобулярної форми, відбувається їхнє подрібнення від ~0,2 мкм до ~2 нм при більш рівномірному їхньому розподілі по поверхні контакту з подальшим частковим розчиненням оксидів, що призводить до збагачення металу киснем. Збільшення ступеня деформації впливає на рухливість і сприяє трансформації межі розділу. Оскільки стійкі оксидні плівки є перешкодою для утворення монолітного з'єднання за умов зварювання тиском і найбільша стійкість притаманна оксидним плівкам, які утворюються в результаті полірування поверхні окислами хрому, то при низькошвидкісних способах зварювання кращим методом підготовки поверхні є тонке механічне шліфування та електрополірування. При високошвидкісних способах зварювання перевагу варто віддати підготовці поверхні з високою шорсткістю.

При низькошвидкісних способах зварювання процес усунення оксидних плівок з поверхні розділу відбувається переважно шляхом їхнього відновлення та розчинення, а при високошвидкісних способах зварювання спостерігаються також реологічні процеси з механічним переміщенням оксидів в об'єми зварюваних металів.

Врахування цих факторів необхідне при виборі оптимальних параметрів процесів зварювання.

У четвертому розділі розглядаються процеси, що протікають при дифузійному зварюванні у вакуумі (ДЗВ), зварюванні тертям (ЗТр) і з'єднанні металів методом спільного гарячого вальцювання (СГВ). Ці види зварювання характеризуються порівняно низькими швидкостями деформації (10^-4…10^-3) с^-1. Зварені такими способами деталі вимагають в подальшому мінімальної обробки, а у випадку дифузійного зварювання можливе використання з'єднань без подальшої механічної обробки.

Дифузійне зварювання у вакуумі (ДЗВ). Дифузійне зварювання у вакуумі, що дає можливість одержувати хороші результати при з'єднанні однорідних металів чи металів із близькими фізичними властивостями добре вивчено. В той же час питання з'єднання різнорідних важкозварюваних металів, а також металів, схильних до утворення при нагріванні інтерметалідів, висвітлені недостатньо.

(З'єднання алюмінію із залізом.) Дослідження проводили на зварних з'єднаннях технічного алюмінію з армко-залізом і сталлю Ст3.

Концентрація Al різко падає вже на глибині 2...3 мкм з боку Al, тоді як концентрація заліза різко зростає. Залізо проникає в алюміній на глибину до 20 мкм і в цій зоні спостерігаються виділення інтерметалідів.

Дослідження зламів показало, що саме з інтерметалідами пов'язано крихке руйнування по площині стику.

(З'єднання алюмінію з міддю.) Дослідження проводили на з'єднаннях технічного алюмінію з міддю. В з'єднанні спостерігається світла смуга з боку Cu і темна смуга з боку алюмінію. Ширина цих смуг до 10 мкм. Далі спостерігається досить протяжна (до 400 мкм) зона евтектики, розташована з боку Al.

В межах цих смуг спостерігаються фазові виділення. В світлій смузі, пов'язаній з міддю, це з'єднання CuAl₂ з мікротвердістю Н=410 од. В темній смузі поблизу евтектики спостерігаються високодисперсні виділення Cu_0,5Al₃ з мікротвердістю Н_м=160 од. Мікротвердість евтектики Н_м=88...100 од. Аналіз особливостей руйнування таких з'єднань показав, що ~ 50 % площі має квазікрихкий характер типу відколу, причому на поверхні зламу спостерігаються, переважно, інтерметаліди Cu_0,5Al₃. На іншій поверхні спостерігається руйнування за евтектикою з ознаками в'язкого руйнування зі слідами ковзання.

(З'єднання титана з міддю.) Дослідження перехідної зони проводились на зварних з'єднаннях титана ВТ1-0 з міддю М1. Тут утворюється перехідна зона товщиною 10...12 мкм з боку Ti і до 20...25 мкм з боку Cu.

Дослідження структури показало, що в приконтактних ділянках Cu відбулися помітні релаксаційні процеси, які супроводжуються деформаціями і активізують процеси масопереносу.

(З'єднання титана з залізом.) На мікрошліфі з'єднання титанового сплаву ВТ6 з залізом-армко чітко проглядається прошарок у зоні контакту із середньою товщиною до 20 мкм. Його мікротвердість набагато вища (237 од.), ніж у Ti (180 од.) і Fe (80 од.). Різка зміна концентрації елементів спостерігається в зоні 6...7 мкм, тоді як у зоні до 25 мкм з боку Ti спостерігаються інтерметаліди, які і є причиною підвищення твердості.

Така ж картина спостерігається і при зварюванні титана з нержавіючою сталлю через нікелевий прошарок. Було виявлено, що більш міцне з'єднання може бути отримано при застосуванні формуючих обойм, оскільки при зварюванні з прошарком без обойм руйнування завжди відбувається за прошарком.

Зварювання тертям (ЗТр). Зварювання тертям є одним із способів зварювання з накладанням зовнішнього тиску при відносно низькій швидкості деформації.

Йому віддається перевага при зварюванні різнорідних металів, що відрізняються обмеженою взаємною розчинністю і схильні до утворення крихких інтерметалідних фаз. В роботі вивчені структура і фізико-механічні властивості зони контакту, отриманої при інерційному зварюванні технічного алюмінію зі сталлю Ст3. Виявилося, що концентраційні зміни в зоні контакту характеризуються невеликою довжиною. З боку сталі зміна концентрації алюмінію спостерігається на глибині 8...10 мкм, з боку Al - на глибині ~4 мкм.

В зоні контакту, особливо з боку алюмінію, спостерігається утворення дрібнодисперсних інтерметалідів, у той час як у з'єднаннях, отриманих конвенційним зварюванням, відбувається виділення інтерметалідних фаз більших за розмірами, що мають вигляд рядків, спрямованих вздовж меж. Відзначено, що при інерційному зварюванні тертям в результаті термодеформаційного зварювального впливу відбувається зміцнення металу зони контакту з боку алюмінію.

З'єднання металів спільним гарячим вальцюванням (СГВ). Одним з найбільш розповсюджених способів одержання якісного з'єднання біметалічних листів є гаряче вальцювання з використанням прошарків. В роботі представлені результати дослідження процесів структуроутворення при виготовленні біметалічних листів зі сталі 12Х18Н10Т зі сталлю Ст3 з прошарками у вигляді гальванічно нанесеного нікелю товщиною 40 мкм і плакування фольгами з нікелю товщиною 200 мкм і нікелевого сплаву 50Н товщиною 70 мкм.

При використанні гальванічного покриття на сталь Ст3 в ній спостерігається зневуглецьована область з великими феритними зернами, утворення якої пояснюється високою розчинністю вуглецю в нікелі (до 12 %). З боку нержавіючої сталі спостерігається велика кількість дисперсних виділень хромистих карбідів. При плакуванні сталі нікелевою фольгою товщиною 200 мкм у перехідній зоні, що прилягає до сталі, зневуглецьовування не спостерігається, але виявляються плівкові сульфіди марганцю. В зоні контакту, пов'язаною з нержавіючою сталлю, присутні як великі, так і дрібні включення інтерметалідів, в той час як при використанні прошарку із залізо-нікелевого сплаву переважають дрібні карбіди і інтерметаліди, що сприяє підвищенню міцності зчеплення. Випробування на опір зрізу показали, що найкращі результати досягаються при використанні Ni фольги і, особливо, фольги із сплаву 50Н.

При різних способах зварювання тиском (ДЗВ, ЗТр, СГВ) довжина областей, у яких відбувається зміна величини зерен, коефіцієнта їхньої форми, мікротвердості складає від 20...30 до 100...150 мкм, що дозволяє розглядати цю область як ту частину металу, що найбільше зазнала термодеформаційного впливу, і де процеси зміцнення і релаксації напружень у металах, що зварюються, найбільш помітні.

Важливо і те, що крім структурних змін спостерігаються і концентраційні зміни в зоні термічного впливу при низькошвидкісних способах зварювального деформування, які найбільш є суттєвими в товщинах від 4...5 до 60 мкм, тоді як утворення інтерметалідів спостерігається від 20 до 60 мкм, де об'ємна частка інтерметалідних фаз може складати від 50 до 100 %. Наявність протяжних областей з інтерметалідними фазами вздовж зони зварювання призводить до того, що злам металу в зоні контакту має вид квазікрихкого чи крихкого відколу. Внаслідок впливу високої температури підігріву і тривалого часу перебування з'єднуваних пар при цій температурі при ДЗВ не вдається отримати якісного з'єднання різнорідних металів, якщо вони схильні до утворення інтерметалідів. Одержати достатньо міцні з'єднання в цьому випадку вдається при зварюванні тертям і, особливо, інерційному зварюванні. Якість біметалічного з'єднання можна підвищити, якщо застосувати прошарок, що і було показано при зварюванні вальцюванням.

У п'ятому розділі розглядаються три види твердофазного зварювання, при яких деталі, що з'єднуються, піддаються навантаженню з великими швидкостями. Це ударне зварювання у вакуумі, магніто-імпульсне зварювання і зварювання вибухом. В двох останніх способах необхідності у використанні попереднього підігріву немає. Усі вони характеризуються короткочасністю силового впливу.

Ударне зварювання у вакуумі (УЗВ). Цей спосіб багато в чому подібний до дифузійного зварювання, але відрізняється великими питомими навантаженнями і малим часом його прикладання.

(З'єднання алюмінію з залізом і сталлю.) Найбільші зміни структурного стану при з'єднанні Al з Fe спостерігаються в зоні контакту матеріалів, що зварюються, глибиною до 50...100 мкм.

З боку Al структура металу дрібнозерниста з величиною зерна 5...10 мкм. З боку Fe зерно крупніше (5...30 мкм). Значні концентраційні зміни мають місце в області 1...5 мкм. З боку Fe характер розподілу Al не такий, як при інших способах зварювання. В пластинах Al спостерігаються фазові виділення інтерметалідного типу, що розташовуються у вузькій смузі до 10 мкм. Їхній склад близький до Al₃Fe і Al₄Fe_0,5. Оскільки всі інтерметаліди ініціюють джерело виникнення тріщин, то при руйнуванні з'єднань на протяжних ділянках наявні ознаки крихкого відколу.

При зварюванні Al зі сталлю Ст3 є деякі відмінності від описаного вище випадку. Тут інтерметаліди дрібніші, розміром від десятих до сотих частин мікрометра. В зоні ковзання і зсуву проглядаються виділення фаз. Роль інтерметалідів у розвитку руйнування не однакова. Якщо інтерметаліди Al₃Fe є місцями виникнення тріщин критичного розміру, що служать причиною крихкого руйнування, то виділення інтерметалідів Al₄Fe_0,5 сприяє підвищенню частки квазів'язкого зламу при тому, що інтерметалідні фази утворюються і в сталі.

(З'єднання алюмінію з міддю.) Досліджувалося зварювання алюмінієвого сплаву АМг2 з міддю (М1). В мікроструктурі такого з'єднання видно, що найбільше подрібнення зерна в міді спостерігається на глибині до 50 мкм. Проникнення Al у Cu відбувається на глибину до ~30 мкм, тоді як глибина проникнення Cu у Al не перевищує 3 мкм. За характером руйнування зварного з'єднання можна припустити, що найбільш якісним є з'єднання, коли в Al проникає більше 3 % мас. Cu.

(З'єднання титана з залізом і нержавіючою сталлю.) В мікроструктурі з'єднання титанового сплаву ВТ16 з залізом-армко видно, що найбільш суттєві концентраційні зміни спостерігаються на глибині 2,5...5,0 мкм у Ti і на глибині 7...10 мкм у Fe. Подрібнення зерна спостерігається на глибині до 1000 мкм, що супроводжується підвищенням мікротвердості (до 300 од.). Можливо, у цій області утворюються інтерметаліди.

При зварюванні сплаву ВТ-6 зі сталлю 12Х18Н9Т використовувався нікелевий (НП-2) прошарок товщиною 40 мкм. Структура сталі в прошарку дрібнозерниста. Спостерігається також утворення спільних зерен. З боку Ti величина зерна значно більша, хоча зменшується в прошарку.

Зміна концентрації елементів у місці контактного зварювання відбувається в дуже вузькій зоні. При фрактографічному аналізі зламів виявлені елементи як квазів'язкого і в'язкого, так і крихкого руйнувань. В зонах, де переважають елементи в'язкого і квазів'язкого руйнування, спостерігається підвищення вмісту Ni до 62...63 % мас. і Ti до 32...35 %, що непрямо свідчить про утворення інтерметаліда Ni₃Ti. В зонах крихкого руйнування і відколу склад фазових утворень ближче до інтерметалідів типу NiTi₂. Ці інтерметаліди утворюються в титановому сплаві на межі з нікелевим прошарком, де спостерігається підвищення твердості.

Магніто-імпульсне зварювання (МІЗ). Зазвичай МІЗ розглядають як один із способів зварювання тиском, коли в процесі активної пластичної деформації відбувається зближення поверхонь, що з'єднуються, з утворенням зварного з'єднання.

(З'єднання алюмінію з нержавіючою сталлю.) Вивчалися накладне з'єднання труб з алюмінію АД1 і нержавіючої сталі 12Х18Н9Т. На мікроструктурі з'єднання в видно, що в зоні контакту на глибину до 100 мкм по обидва боки спостерігається подрібнення зерна, що супроводжується збільшенням мікротвердості.

Основні концентраційні зміни мають місце на глибині до ~10 мкм у Al і до ~5 мкм в сталі. В Al біля межі з'єднання утворюються фазові виділення інтерметалідного типу. При фрактографічному аналізі зламів були виявлені ділянки в'язкого руйнування з типовою комірчастою структурою і ділянки крихкого руйнування чи відколу з тріщинами, що поширюються від них.

Площа останніх не перевищувала 20 % від загальної площі зламу. Аналіз їх хімічного складу дає підставу зробити припущення про утворення в цих місцях інтерметалідів різного стехіометричного складу, легованих Cr.

(З'єднання алюмінію з міддю.) Досліджувались з'єднання алюмінію АД0 і міді М1. В типовій мікроструктурі з'єднання помітні фазові виділення CuAl₂ на межі розділу. На зламі з боку Al проглядаються відокремлені структури, в яких вміст Cu складає 22...26 % мас., а Al 64...78 % мас. Основна частина поверхні руйнування являє собою твердий розчин з різним вмістом Cu і Al.

Безпосередньо на межі з'єднання спостерігаються і великі дендрити. Як правило, такі дендрити з оплавленим контуром і широким спектром фазових складових характерні для високих питомих енергій в імпульсі, тоді як при низьких енергіях спостерігаються тільки дрібнодисперсні виділення. Слід зазначити, що, незважаючи на короткочасність процесу зварювання, Al проникає в Cu на досить велику глибину, що на кілька порядків перевищує розрахункову відстань, обумовлену законами дифузії. Разом з тим суцільні інтерметалідні прошарки відсутні.

(З'єднання титана з міддю.) Дослідження проводилися на з'єднаннях титана ВТ1-0 і міді М1. Подрібнення зерна в Ti відбувається на глибину до 150 мкм. Подрібнення зерна в Cu спостерігається на глибину до 80 мкм. Характер зміни коефіцієнта форми зерна показує, що в міді зсувні деформації локалізуються на глибині до 15...35 мкм, а в Ti на глибині до 50…100 мкм. Поблизу Cu спостерігаються фазові виділення, що були ідентифіковані як інтерметаліди змінного складу CuTi і Cu₃Ti. Вони розташовані поблизу поверхні розділу в зоні товщиною до 10 мкм. Їхня об'ємна частка складає 7...8 %.

Зварювання вибухом (ЗВб). При ЗВб різнорідних металів швидкість деформації складає 10⁴…10⁵ с^-1. При цьому зсув вздовж поверхні розділу є основним компонентом деформації.

(З'єднання сталі Ст3 з алюмінієм.) З'єднання сталі Ст3 з алюмінієм АД0 виконувалось за рівнобіжною схемою через алюмінієвий прошарок товщиною 1000 мкм. В мікроструктурі області з'єднання показано, що межа з'єднання має звивистий характер. В сталі спостерігається подрібнення зерна на глибину до 200 мкм.

Приблизно на таку ж глибину локалізується деформація й у Al. Її величина, що підрахована за відношенням розмірів зерен після деформації до розміру зерен основного металу без деформації, досягає 1000 %. Зміна концентрації зі збереженням однофазності спостерігається на глибину до 5 мкм. Утворення інтерметалідів типу Al_4,57Fe_0,34 і Al₄Fe_0,5 спостерігається тільки на окремих ділянках. Їхній розмір досягає 40...50 мкм. І тут наявність інтерметалідів ініціює крихке руйнування.

(З'єднання міді з алюмінієм.) З'єднання міді М1 з алюмінієм АД0 виконувалися зварюванням вибухом за кутовою схемою (=10). Спостерігається деяке підвищення твердості і подрібнення зерен у міді на глибину до 200 мкм. Величина локалізованої деформації досягає 800...1000 %.

Зміна концентрації Al і Cu у примежовий ділянках спостерігається на глибині 4...6 мкм. Слід зазначити, що фазові виділення з боку Al спостерігаються безпосередньо в межі з'єднання, а з боку Cu на деякому видаленні і мають вигляд замкнутих острівців витягнутої форми. Інтерметаліди в Al мають різний стехіометричний склад від Cu_0,5Al₃ до Cu_0,7Al_2,8, а з боку міді CuAl₂, Cu_1,5Al та ін. Ці фази значно відрізняються за твердістю. Найбільш твердим (мікротвердість до 600 од.) є інтерметалід CuAl₂.

(З'єднання титана з нержавіючою сталлю.) Зварювалися пластини титана ВТ1-0 зі сталлю 12Х18Н9Т за кутовою схемою (=9). Межа з'єднання має характерну хвилясту форму із заворотами. Фазові виділення в сталі спостерігаються як на межі, так і поблизу неї. Вони являють собою складні інтерметаліди, що містять крім Fe і Ti також Сr і Ni. Концентрація заліза в них складає 55...60 % мас. Безпосередньо в області хвилеутворення межі спостерігаються місця оплавлення з зернами великих розмірів з характерною низькою щільністю дислокацій. Безпосередньо за областю оплавлення спостерігаються утворення евтектик.

В загальному випадку фазоутворення в зоні контакту металів з обмеженою взаємною розчинністю при високошвидкісних способах зварювання характеризується суттєвими змінами морфології, розмірів і розподілу утворених інтерметалідних фаз з широкими варіаціями хімічного складу, відрізняючись цим від низькошвидкісних способів зварювання. При цьому об'ємна частка утворених в зоні зварювання інтерметалідних фаз і їхній розмір зменшуються зі збільшенням зварювальної деформації, що сприяє підвищенню в'язкості металу в зоні з'єднання.

Оптимізацією режимів УЗВ можна досягнути достатньо якісного з'єднання Al зі сталлю і Al з Cu, тоді як при зварюванні Ti з Fe і сталлю необхідно застосовувати прошарок. При МІЗ для одержання герметичних і міцних з'єднань Al з Cu і нержавіючою сталлю, а також Ti з Cu, достатньо оптимізувати питому величину енергії, що вкладається. Для з'єднання різнорідних металів у твердому стані без попереднього підігріву найбільш перспективної є ЗВб.

У шостому розділі розглянуті особливості масопереносу при з'єднанні металевих матеріалів залежно від швидкості навантаження.

Швидкість процесу утворення нероз'ємного з'єднання і його міцнісні характеристики в більшості випадків визначаються особливостями протікання дифузійних процесів у зоні контакту. Прикладання постійного зовнішнього навантаження при ДЗВ дозволяє збільшити швидкість дифузії, але сам процес зварювання вимагає тривалих витримок. Використання імпульсних навантажень сприяє не тільки суттєвому прискоренню дифузійних процесів, але і дозволяє одержати оптимальний фазовий склад зварного з'єднання. Відомості про особливості масопереносу при великих швидкостях навантаження необхідно враховувати при розробці і визначенні ефективності застосування того чи іншого способу твердофазного зварювання.

За стаціонарних умов навантаження при температурах більше за 0,5Т_пл внесок об'ємної частки дифузії в загальний потік речовини є порівняним з проникненням атомів по межах зерен. При низьких температурах міграція атомів здійснюється переважно по дефектах кристалічної структури і відбувається переважно по межах зерен. З підвищенням швидкості деформації картина якісно змінюється в результаті утворення великої кількості нерівноважних дефектів в об'ємі зерна. Для кількісної оцінки рухливості атомів і розподілу потоків речовини в роботі був використаний метод авторадіографії.

(Вплив швидкості навантаження при зварюванні на масоперенос у металах, що з'єднуються.) Вплив швидкості навантаження вивчався на різних металах (Fe, Cu, Al) з використанням ізотопів Fe^55,59 і Ni⁶³. Результати вивчення впливу швидкості деформації при різних видах зварювання на масоперенос у залізі наведено в табл. 1, звідки видно, що зміна швидкості деформації на п'ять порядків призводить до збільшення швидкості масопереносу на 7 порядків. Особливо велике збільшення швидкості масопереносу спостерігається при МІЗ і ЗВб.

Встановлено, що крім швидкості деформації на міграцію атомів суттєво впливає і питома енергія деформуючого імпульсу. Наприклад, за умов збереження постійної швидкості деформації при зміні енергії електромагнітного поля, що стискає метал з 6 до 23 КДж, рухливість атомів зростає в середньому на два порядки.

Необхідно відзначити, що швидкість масопереносу практично не залежить від вихідного структурного стану металу. Дослідження, проведені на полікристалічному залізі при збільшенні розміру зерна на 3 порядки, показали, що рухливість атомів Fe залишається незмінною. Перехід від полікристала до монокристала також не вносить змін у значення рухливості атомів при імпульсному навантаженні. При збільшенні швидкості пластичної деформації рухливість атомів зростає незалежно від довжини меж (розміру зерна) і орієнтації деформованого монокристала. Коефіцієнти масопереносу в моно- і полікристалічних зразках практично не відрізняються. На міграцію атомів при низьких швидкостях деформації впливають дислокації. Скупчення дислокацій у субмежах є своєрідними бар'єрами для проникнення атомів. Таким чином, попередня деформація призводить до уповільнення процесу переносу речовини.

Наявність точкових дефектів типу вакансій призводить до зниження коефіцієнта масопереносу. Збільшення енергії дефектів пакування атомів у ґратках спричиняє зростання дифузійної рухливості атомів і їхньої кількості в об'ємі металу, а також глибини їхнього проникнення.

Таблиця 1

Вплив швидкості деформації Э на масоперенос у залізі при 300 К

Вид зварювання	Э, с-1	Dм, см2/с
Зварювання вальцюванням	1 2,5 5	2,110-8 8,510-8 2,010-7
Ударне зварювання у вакуумі	10 30 60 102	2,210-6 1,310-5 2,010-4 4,510-4
Магнітно-імпульсне зварювання	103 5103 1,2104	4,210-2 15,510-2 22,010-2
Зварювання вибухом	105	1,210-1

Вплив типу твердого розчину на міграцію атомів підтверджується концентраційними профілями розподілу Fe та інших елементів у залізі і твердих розчинах на його основі.

Порівняння концентраційних профілів проникнення домішкових атомів у ці сплави показало зменшення глибини проникнення при переході від чистого металу до твердих розчинів заміщення, втілення і вирахування. Тип кристалічних ґраток також впливає на міграцію атомів при швидкісному деформуванні. При навантаженні із швидкостями навіть 1…100 с^-1 рухливість атомів у г-Fe стає вищою, ніж у б-Fe. Величина приросту D_м при переході до більш компактної фази (г-Fe) у широкому інтервалі швидкостей деформування практично не змінюється.

Швидкість деформації не постійна по всій глибині масопереносу. Показано, що в зоні масопереносу виникає злам аналогічний тому, як це має місце при дифузії нерозчинної домішки. Цей ефект необхідно враховувати, використовуючи явище уповільнення чи прискорення рухливості атомів для підвищення експлуатаційних характеристик зварного з'єднання та оптимізації технологічних режимів.

При всіх видах імпульсного зварювання тиском рухливість атомів з навантажуваного боку перевищує її в сполученому зразку. З цього приводу при зварюванні тугоплавких металів більш тугоплавкий з них необхідно розташовувати ближче до джерела навантаження.

Визначена залежність коефіцієнтів масопереносу в матеріалах, що з'єднуються, від швидкості зварювального навантаження при різних температурах дозволяє вибирати оптимальні режими зварювання шляхом варіювання як швидкістю навантаження, так і температурою.

Різниця у впливі на масоперенос дефектів кристалічної структури і твердих розчинів різного типу дозволяє обґрунтувати вибір необхідної попередньої термічної чи термомеханічної обробки металів перед зварюванням.

Виявлене зниження рухливості легуючих елементів у приповерхневих шарах може бути використане з метою уповільнення проникнення атомів домішок, що сприяють окрихчуванню металу.

У сьомому розділі розглянуто вплив структурних складових на міцнісні властивості з'єднання з різнорідних матеріалів при зварюванні тиском.

Пластична деформація і руйнування в роботі розглянуті як макроскопічний процес, що являє собою сукупність великої кількості мікроскопічних елементарних процесів, які протікають у полі зовнішнього впливу. Їх можна поділити на дві групи - адаптивну, пов'язану з поступовим накопиченням дефектів і спотворень структури і дисипативну, пов'язану з різними процесами релаксації. Критична нестійкість дефектів, які призводять до руйнування, виникає через відсутність балансу між швидкостями підведення і накопичення, і дисипації енергії в матеріалі, що деформується. Особливості пластичного плину металу в контактній зоні свідчать про те, що при зварюванні тиском протікають обидва конкуруючих процеси. При порівняно невисоких температурах, коли структура нагартування в основному зберігається, розвиток релаксації йде за полігонізаційним механізмом, забезпечуючи рівноважний стан структури в контактній зоні. При високих температурах розвиваються такі процеси релаксації, як рекристалізація і фазова перекристалізація.

Оптимальні режими повинні забезпечувати баланс між процесами зміцнення і релаксації внутрішніх напружень за механізмом полігонізації. У випадку зварювання різнорідних металів необхідно уникати підвищення температури, при якій можливе виникнення і ріст інтерметалідних фаз по межах зерен, щоб виключити небезпеку окрихчування зварних з'єднань.

(Особливості пластичної деформації різнорідних матеріалів при зварюванні тиском.) Результати дослідження пластичної деформації металів, що зварюються, при різних швидкостях зовнішнього навантаження для всіх вивчених способів зварювання показали, що пластична деформація протікає за різними механізмами, що підтверджується вимірюваннями її значень в зоні зварювання в поздовжньому і поперечному напрямках. В табл. 2 наведено основні параметри пластичної деформації: локалізована деформація е_л; глибина локалізації д_л і співвідношення стискаючої і розтягуючої складових для різних способів зварювання.

Таблиця 2

Розподіл деформації по глибині зони зварювання при різних швидкостях деформації (Э=110^-4…110⁵ с^-1)

Параметри деформації	Дифузійне зварювання	Ударне зварювання (УЗВ)	Зварювання вибухом (ЗВб)
л,%	25…30	90…95	1000
л, мкм	25…60	60	150…200
л.ст./л.розт.

При високошвидкісному імпульсному навантаженні локалізована деформація досягає дуже великих значень при ступеню загальної деформації 4...5 %. Зі збільшенням швидкості навантаження зростає глибина деформації і частка її розтягуючої. Зі збільшенням швидкості навантаження в зоні локалізованої деформації відбувається формування структур з відомою послідовністю від дислокаційних скупчень, блокових і комірчастих структур до двійників і структур, обумовлених поворотами структурних елементів.

Зниження механічних властивостей з'єднань різнорідних металів, для яких властива обмежена взаємна розчинність, пов'язують, зазвичай, з формуванням крихких фаз, а також легкоплавких евтектик, що необхідно враховувати при оптимізації технологічних параметрів зварювання. При збільшенні швидкостей зварювального деформування спостерігається зниження інтенсивності утворення крихких фаз. При низькошвидкісних способах зварювання інтерметалідні фази формуються у вигляді щільного шару уздовж межі з'єднання, що призводить до крихкого руйнування з'єднання. Росту інтерметалідів і збільшенню їхньої об'ємної частки в зоні з'єднання сприяє гаряча деформація (попередній підігрів).

З метою блокування виникнення і росту інтерметалідів застосовують проміжні прошарки з металів, які утворюють необмежені тверді розчини зі зварюваними металами. Вибираються і різні технологічні прийоми, що сприяють пластифікації металу в зоні зварювання. Деякі з них були використані при розробці технології зварювання.

(Аналітична оцінка впливу структурних параметрів у зоні зварювання на механічні властивості з'єднань.) При оцінці міцнісних характеристик в роботі враховувався хімічний склад, структурні і фазові складові, об'ємна частка і розмір, щільність дислокацій і зміцнення за рахунок дисперсних часточок.

В роботі приведено декілька прикладів оцінки міцнісних властивостей з'єднань різнорідних металів, отриманих при використанні низькошвидкісних і високошвидкісних способів зварювання тиском для з'єднання Al зі сталлю Ст3.

Для випадку дифузійного зварювання значення у_Т і у_в приведені для ділянок без фазових виділень. При всіх способах зварювання тиском у_В і у_Т зростають в зоні з'єднання. Разом з тим, зі збільшенням швидкості деформації (перехід від ДЗВ до ЗВб) градієнт механічних властивостей у зоні зварювання зменшується.

В результаті аналізу різних підходів до оцінки в'язкості руйнування матеріалів визначено, що найбільш оптимальною, на наш погляд, для прогнозування властивостей пластичності зварних з'єднань з різнорідних матеріалів, схильних до утворення крихких фаз, є оцінка, що ґрунтується на залежності:

К_1С=,

де Е - модуль Юнга, д_т - величина критичного розкриття тріщини.

Виходячи з аналізу діаграми конструктивної міцності з'єднань сталі Ст3 із Al видно, що для низьколегованих маловуглецевих сталей і алюмінієвих сплавів області сполучень значень К_1С и д_т , які досягаються, є різними. Значна довжина цих областей свідчить про суттєвий вплив структурних параметрів на показники конструктивної міцності обох металів.

При конвенційному зварюванні тертям і дифузійному зварюванні у вакуумі має місце зниження параметра в'язкості руйнування К_1С.

При інерційному ЗТр і ЗВб спостерігається підвищення _Т з незначним зниженням К_1С. При цьому реалізується механізм в'язкого руйнування з'єднань, що переважно обумовлено утворенням дисперсних фаз у внутрішніх об'ємах зерен, а не на межах.

За результатами вивчення розміру і розподілу структурних складових розроблені номограми, які дозволяють прогнозувати зміну властивостей з'єднань у зоні контакту.

У восьмому розділі розглянуто технологічні аспекти одержання з'єднання різнорідних металів при різних способах зварювання з накладенням тиску. ДЗВ не можна рекомендувати у випадку, коли необхідно одержання якісного з'єднання різнорідних металів, схильних до утворення крихких фаз. Це пов'язано з необхідністю підігріву і великою тривалістю деформації, що сприяє утворенню і росту інтерметалідів. Такі ж обмеження накладаються і на СГВ. В останньому випадку рекомендується використання прошарків з адаптивних металів.

При інерційному ЗТр, де має місце “теплий” режим і великі зсувні деформації, вдається одержати достатньо якісне з'єднання для деяких пар металів. Але тривалий час деформування і труднощі контролю температур нагрівання не виключають можливість утворення і руйнування крихких фаз безпосередньо в процесі зварювання.

Тут варто віддати перевагу швидкісним способам зварювання, що пов'язано із зростанням швидкості масопереносу і розширенням зони проникнення атомів у спряжений метал. Застосування УЗВ для з'єднання деталей з різнорідних металів стає в багатьох випадках прийнятним, якщо використовувати додаткові технологічні прийоми і пристрої.

МІЗ може здійснюватися без попереднього підігріву і дозволяє одержувати якісні з'єднання при строгому дозуванні уведеної енергії. Застосування МІЗ обмежує геометрія зварюваних виробів.

Найбільша швидкість деформації реалізується при ЗВб, що здійснюється без підігріву і з мінімальною підготовкою поверхні. При ЗВб із введенням оптимальної енергії крихкі фази, як правило, не утворюються. Для якісного з'єднання різнорідних металів ЗВб є найбільш перспективним процесом, але має певні обмеження, пов'язані з геометрією з'єднуваних деталей.

Порівняння різних способів з'єднання у твердій фазі різнорідних металів вказує на те, що швидкість деформації є визначальним чинником, що впливає на механізми деформації, співвідношення між стискаючими і розтягуючими напруженнями, який підвищує швидкість дифузії атомів та впливає на структуру і фазовий склад у зоні контакту.