Методы сварки под давлением

При сварке в твердом состоянии железа и стали соединение с высокой пластичностью возможно только при наличии в нем общих зерен без окисных включений. При быстром нагреве даже в условиях, затрудняющих окисление, такое соединение без значительной пластической деформации осуществимо в сравнительно узком температурном интервале 1050—1250° С. При длительном нагреве в вакууме, что не соответствует условиям Р, Т-процессов, соединение высокого качества можно получить, нагревая его до более низкой температуры (например, для стали Ст.З 700° С). Для железа и низкоуглеродистой стали температурный интервал сварки в твердом состоянии в основном определяется требованиями к структуре стыка. При сварке упрочненных сталей этот интервал дополнительно ограничивается условиями сохранения заданных свойств металла в сварном соединении (включая зону термического влияния сварки).

Систематические данные по температурной зависимости прочности соединений для электролитического железа и нелегированных сталей с различным содержанием углерода имеются в работе X. Эссора, изучавшего сварку давлением также в условиях ограниченного окисления. Сваривались стержни в вакууме, полученном с помощью водоструйного насоса, или в азоте (степень вакуума и чистоты азота неизвестна). Стержни имели коническую фаску, которая после из сварки создавала в образце кольцевой надрез со стыком в вершине и обеспечивала при растяжении разрушение по стыку (хрупкое в случае плохой сварки, пластичное — в случае хорошей). Сварка осуществлялась по циклу: откачка камеры, нагрев несжатых стержней до заданной температуры (угольной спиралью) с 15-минутной выдержкой для ее выравнивания, сжатие стержней осевым усилием (при р — 1ч- 3,5 кГ/мм2), охлаждение при неснятом усилии.

Сварка с образованием в стыке общих зерен уже обеспечивает удовлетворительную прочность соединений, хотя отдельные образцы разрушаются по стыку. Влияние структуры и, как следствие, температуры сварки резче проявляются при испытаниях на загиб и удар. Высокая пластичность и ударная вязкость достигались только в образцах с однородной микроструктурой стыка без окисных включений.

Выше было рассмотрено в общем виде влияние нагрева на процессы, определяющие образование металлических связей и сварного соединения, а также проанализировано воздействие термомеханического цикла сварки на свойства получаемого соединения. Экспериментальные данные по сварке железа, стали и некоторых легких сплавов, показывающие влияние главных параметров процесса (температуры, давления и связанной с ними степени деформации), а также исходного состояния свариваемого металла и его поверхности на структуру и свойства соединений, позволяют определить конкретные требования к технологическому процессу сварки давлением (без оплавления).

Характерными представителями металлов, условия холодной сварки которых определяются собственными их свойствами, являются железо и перлитная сталь. Дж. Хем показал на низкоуглеродистой стали (образцы с кольцевым надрезом разрывали в вакууме, затем через интервал времени t сдавливали их концы при напряжении асж — и вновь разрывали), что повышение температуры заметно повышает прочность образующегося при сжатии соединения (растет отношение праз , где Р и Р„ прочность соединения и исходного образца). С повышением температуры не только растет роэ (при Тсв = 500° С, близкое к единице), но и увеличивается произведение pt, при котором удается получить относительно прочное соединение.

При изучении холодной сварки свариваемость оценивали по степени деформации, обеспечивающей получение прочного соединения. Чтобы проследить влияние температуры на этот количественный критерий, целесообразно по возможности исключить фактор окисления, так как с повышением температуры резко растет его скорость, а толщина пленки зависит от продолжительности нагрева. Поэтому в большинстве исследований влияния температуры на процесс сварки давлением, во всяком случае при температурах, не приводящих к оплавлению металла или расплавлению окисла, применяли те или иные приемы для борьбы с окислением. Таким путем пытались оценить влияние на условия сварки изменяющихся при нагреве свойств самого металла, а не его окислов.

Образование прочного соединения затрудняется, если металл склонен в условиях сварки к хрупкому разрушению. С нагревом опасность такого разрушения уменьшается. Температура перехода от вязкого к хрупкому разрушению (температура хладнохрупкости Тх) зависит от рода металла (или сплава), его состояния (структуры, степени наклепа) и от схемы напряженного состояния. Если для железа и его сплавов Тх изменяется от Т — = 100° С (для кремнистого железа) до —250° С (для аустенитной стали), то для чистого хрома Т я? 80° С, молибдена ~ 70° С и вольфрама ~ 340° С.

Очевидно, что повышение температуры резко ускоряет все процессы образования активных центров, связанные с термической активацией. При оценке роли нагрева надо иметь в виду, что энергия активации объемной и поверхностной самодиффузии относительно велика и заметное проявление диффузии начинается только при температуре начала рекристаллизации (приблизительно 0,4 Тпл К). Однако перемещение вакансий и дислоцированных атомов, требующее значительно меньшей энергии активации и также способное создавать активные центры, может быть заметным и при значительно более низких температурах. Энергия активации в ккал/моль различных процессов, происходящих в меди, приведена ниже.

Аналогичная картина наблюдается при сварке большинства металлов; например, на меди при Г=800°Сза 1 сек образуется пленка окисла толщиной 2,80 мкм (на чистом железе в этих условиях ее толщина достигает 6,3 мкм). К этому необходимо добавить, что скорость образования пленки для большинства металлов, образующих окислы ч-типа, практически не зависит от парциального давления кислорода в газовой фазе, а для металлов, образующих окислы р-типа, константа скорости окисления изменяется с давлением сравнительно медленно.

При сварке давлением большое значение имеет пластичность металла, которая, в частности, определяет его способность выдерживать без повреждений значительные деформации, необходимые для осуществления сварки. Пластичность технических металлов и сплавов часто находится в сложной зависимости от температуры. В наиболее общем случае имеются три зоны хрупкости: при низких, средних и высоких температурах. Основная причина низкотемпературной хрупкости или хладнохрупкости связана с затрудненным движением дислокаций при низких температурах, особенно при преобладании в металле направленных межатомных связей.