Сварка разнородных материалов

Сварка разнородных металлов друг с другом, а также металлов с неметаллами (полупроводниками, керамикой) представляет собой сложный процесс, однако она имеет большое значение для производства некоторых ответственных узлов летательных аппаратов.

Как известно, процесс сварки начинается с физического контакта и заканчивается электронным взаимодействием, в результате которого образуется соединение.

Если сваривается металл с неметаллом или с химическими соединениями металлов, например, с оксидами, происходит в основном образование связей ковалентного типа. Соединяемые вещества должны обладать способностью к донорно-акцепторному взаимодействию, что приводит к установлению координационно-ковалентной связи. Атомакцептор имеет эффективный положительный заряд, а атом-донор — неподеленную пару электронов. Донорно-акцепторное взаимодействие сопровождается передачей электронов от атома-донора к атому-акцептору. Все это должно учитываться при подборе соединяемых пар и разработке технологии. Так, чистые металлы не соединяются с керамикой, в состав которой входят кислые оксиды Si0₂. В то же время координационно-ковалентная связь легко образуется, если на поверхности металла есть оксиды, обладающие донорными свойствами.

Для соединения металлов со стеклом или керамикой из основных оксидов (CaO, MgO, ВеО) необходимы активные твердые или жидкие промежуточные прослойки на основе переходных металлов, обладающих благодаря наличию двух недостроенных электронных оболочек сильными акцепторными свойствами. Такими прослойками могут служить, например, титан или цирконий.

При сварке плавлением важной характеристикой свариваемых разнородных металлов является предел их взаимной растворимости. При сварке разнородных материалов могут образовываться хрупкие интерметаллические соединения, в результате чего возникают трещины и резко ухудшается пластичность сварного соединения. Поэтому, например, практически невозможна сварка плавлением непосредственно титана со сталью. В подобных случаях сварку плавлением стремятся осуществить в результате:

• • соединения металлов с преимущественным расплавлением одного из них и ограничением доли участия второго металла в наплавленном металле (сварка в твердо-жидком состоянии);
• • применения промежуточных металлов, свариваемость которых с каждым из соединяемых разнородных металлов хорошая;
• • использования биметаллических вставок из свариваемых между собой материалов. Такая вставка может быть получена при совместной прокатке, штамповке, прессовании, сварке трением или взрывом, иногда с последующей прокаткой или штамповкой. Биметаллическую вставку обычными способами сваривают с каждым из металлов, плохо свариваемых непосредственно друг с другом, но удовлетворительно свариваемых с металлом вставки.

Дополнительные трудности возникают при большой разнице в теплофизических свойствах: температуре плавления, теплопроводности, коэффициенте линейного расширения свариваемых материалов, что приводит к неравномерному оплавлению одной из кромок соединяемых деталей, возникновению значительных по величине сварочных напряжений, а иногда — к образованию трещин.

Эти трудности в меньшей степени сказываются при сварке разнородных металлов давлением (термодиффузионная сварка в вакууме, холодная сварка, сварка ультразвуком, трением и взрывом) или плавлением, если используются сварочные источники с высокой концентрацией тепловой энергии — электронно-лучевая сварка в вакууме, сварка лазером. При сварке разнородных материалов, особенно обладающих низкой пластичностью, например керамики с металлом, часто применяется предварительный подогрев детали с последующим медленным ее охлаждением.