Биметаллические узлы экономят дорогие материалы и улучшают характеристики, но становятся головной болью инженера из-за разного теплового расширения металлов. Неучтенные деформации грозят разрушением. В этом гайде разбираемся, как проектировать такие узлы правильно: от физики процессов до чек-листа для инженера.
Биметаллические конструкции встречаются повсеместно — в сварных трубах, штамповой оснастке с наплавкой, химических агрегатах, высокоточных станинах, радиаторах и электрических контактах. Их применение сокращает расход дорогостоящих металлов и позволяет получить в одном изделии несколько служебных свойств.
Сложность проектирования узлов из разнородных металлов состоит в коэффициенте теплового расширения металлов (КТР). Если его не учесть, то велика вероятность появления термических напряжений и деформаций.
Физика процесса: почему разные металлы деформируются по-разному и к чему это приводит
Каждый металл имеет собственные физико-химические свойства, которые следует учитывать при проектировании биметаллического узла. Некоторые сплавы несовместимы, так как не растворяются друг в друге под воздействием температур. Например, нельзя сваривать железо со свинцом: их можно объединить только с помощью механического крепежа. В это же время встречается множество сварных соединений. Сочетание стали и алюминия используется в строительстве для облегчения конструкций, сталь с цветными металлами распространена в судостроении, инвар с коваром незаменимы для изготовления электронных устройств.
Разберемся, что вызывает деформацию в биметаллических узлах.
Влияние коэффициента теплового расширения
Коэффициент термического расширения бывает линейным (КТЛР) или объемным. Это показатель, который определяет изменение размеров или объема металла при постоянном давлении и влиянии температур. Для металлических изделий КТЛР наиболее важен: он в обязательном порядке учитывается при проектировании конструкции.
Каждый сплав имеет свой коэффициент теплового расширения. Он является отношением изменения длины материала к изменению температуры на один градус. Например, КТР углеродистой стали составляет 11–12,5×10-6/°C, алюминия — 22,8–25×10-6/°C, меди — 16,8–17,7×10-6/°C, инвара — 1,2–1,5×10-6/°C. Чем выше показатель, чем больше металл подвержен расширению. В этом и заключается основная сложность биметаллических узлов: при термическом воздействии один металл увеличивается сильнее, а другой — меньше. Это чревато деформациями и появлением напряжений, а затем — разрушением конструкции.
Что будет, если соединить сваркой два металла с различным КТР? Как правило, чем выше коэффициент теплового расширения, тем меньше температура плавления. Например, титан при КТР 8,4–9×10-6/°C плавится при температуре 1670°C, а медь имеет КТР 16,8–17,7×10-6/°C и температуру плавления 1080°C. При их сварке без промежуточных прокладок образуются хрупкие интерметаллические фазы. Это может привести к разрушению соединения уже в процессе охлаждения.
Интерметаллические фазы, или интерметаллиды — химическое соединение двух и более металлов. За счет низкой пластичности они обладают хрупкостью и уменьшают прочность сварного узла.
Какими могут быть деформации биметаллических конструкций
К чему приводят разные КТР? На практике вы столкнетесь с комбинациями таких деформаций:
- растяжение — удлинение под действием растягивающих усилий, часто встречается в биметаллических конструкциях с осевой нагрузкой;
- изгиб — следствие приложенной поперечной нагрузки в плоскости продольной оси тела;
- кручение — взаимный поворот поперечных сечений объекта;
- сдвиг — смещение верхних слоев одной из граней.
На практике чаще встречается именно сочетание сразу нескольких типов деформаций. Они снижают пластичность металла и провоцируют появление остаточных напряжений.
При высоком напряжении процесс деформации становится более выраженным. Оно может привести к появлению трещин и разрушению металла.
Чем опасны высокие температуры
Биметаллический узел подвержен влиянию температур и в ходе эксплуатации, и в процессе изготовления. Если в первом случае перепад температур может быть минимальным, то в ходе производства металл проходит более «серьезную» температурную обработку. Сварка, пайка и горячая наплавка провоцирует неравномерное расширение соединяемых металлов и появление хрупких интерметаллических соединений. При несоблюдении технологии изготовления конструкция теряет прочность.
Инженерный инструментарий: 5 ключевых принципов проектирования
Сформулируем основные принципы, которые важно учитывать при разработке биметаллических конструкций.
Принцип 1: предусматриваем деформации заранее
Выбирайте материалы со схожими коэффициентами линейного расширения. Оптимальный по эксплуатационным свойствам биметаллический узел — это углеродистая сталь и никель, нержавеющая сталь и медь, инвар и ковар. Иногда выбрать схожие по КТР сплавы невозможно. В этих случаях сделайте упор на соблюдении технологии соединения узла.
Используйте сплавы со специальными добавками. Это сделает металл более прочным и устойчивым к внутренним напряжениям, а также снизит риск коробления. Для стали это углерод, для алюминия — магний или кремний, для меди — марганец.
Давайте знакомиться
Наш Telegram-канал — это живой блог, где пишет вся команда проекта. У постов есть авторы, и эти авторы будут рады вашим комментариям.
Предусмотрите минимальное количество биметаллических узлов. Это объясняется достаточно просто: соединения из нескольких сортов металлов менее прочны и надежны, чем однородный узел. Размещайте их на участках с минимальной нагрузкой.
Подбирайте опору. Надежная опора поможет конструкции уменьшить деформацию при тепловом расширении.
Избегайте резкой смены температур. При быстром нагреве образуются температурные градиенты, которые приводят к неравномерному расширению металла и появлению напряжений. Предотвратите это путем предварительного подогрева металла перед сваркой.
Принцип 2: симметрия — ваш лучший друг
Используйте для узла сразу несколько слоев разнородных металлов. Их симметричное расположение компенсирует температурные деформации за счет равномерного расширения относительно центральной оси. Это особенно важно при большой разнице в КТР металлов.
Изгибающий момент, который актуален при одностороннем наложении, нейтрализуется от расширения слоев с обеих сторон. Это позволяет сохранять стабильность узла в широком диапазоне рабочих температур.
Рассмотрим биметаллический узел со слоистой структурой «сэндвича» сталь-медь-сталь. Стальные слои придают конструкции прочность и компенсируют высокий КТР меди.
Принцип 3: правильно выбирайте метод соединения
Соединение может быть сварным или механическим. В первом случае конструкция соединяется намертво. При соблюдении технологии сварки такой узел считается достаточно надежным и может использоваться в ответственных конструкциях.
При сварном соединении важно:
- минимизировать образование интерметаллических фаз;
- сократить время воздействия высоких температур на сварной шов;
- избегать прямого смешивания металлов.
Типы сварок, подходящих для биметаллов:
- Аргонодуговая. Предназначена для работы с тонкими деталями толщиной от 0,5 мм и выполняется в любом пространственном положении.
- Лазерная. Благодаря точечной концентрации температуры на соединении обеспечивает минимальное тепловое воздействие на биметаллический узел. При соединении встык лазерный луч направляют на сплав с более низкой температурой плавления: так он смачивает второй металл и ускоряет образование соединения.
- Сварка трением. Используется для цилиндрических деталей. Соединяет металлы в твердой фазе без расплавления. Сварка трением осуществляется за счет вращения одной из деталей под действием продольной силы.
Улучшают прочностные характеристики шва и уменьшают образование хрупкого интерметаллического соединения:
- промежуточные вставки — состоят из тех же металлов, что и само соединение, или из сплавов с промежуточными свойствами;
- наплавки для переходного слоя — повышают прочность шва;
- контролируемое охлаждение — минимизирует тепловое воздействие.
Для сваривания углеродистой стали и алюминиевого сплава с добавлением магния используйте вставку из чистого алюминия – она обладает более высокой прочностью, нежели сплав. Второй вариант: перед сваркой погрузите стальную деталь в расплавленный алюминий для получения покрытия.
Иногда лучшим решением для биметаллических конструкций становится соединение с механическими подвижными крепежами или эластичным промежуточным слоем. Типы компенсаторов, которые обеспечивают свободное тепловое расширение металлов и уменьшают риск деформации:
- плавающие крепления;
- компенсационные петли;
- овальные отверстия под крепеж;
- гибкие связи.
Для крепления медной шины к алюминиевой раме используются компенсационные пластины. Разборное соединение переходных пластин с медными шинами выполняются с помощью стальных крепежных деталей.
При контакте двух разных металлов в механическом соединении важно исключить образование гальванической коррозии. У этой проблемы есть простое решение — нанесите на детали полимерное покрытие.
Для соединения деталей из разнородных металлов можно применять клей. Здесь важно соблюдать два условия: состав должен обладать высокой адгезией, а конструкция — достаточную площадь поверхности для образования прочного соединения.
Помните, что клей имеет ограниченную рабочую температуру (не выше +120°C), поэтому при высокой термической нагрузке для биметаллического узла следует выбирать сварное или механическое соединение.
Типы клея и его назначение:
- эпоксидный — склеивает металлы в агрессивной среде;
- анаэробный — заполняет зазоры и герметизирует соединения;
- цианоакрилатный — подходит для самых мелких деталей;
- метилметакрилатовый — предназначен для жестких конструкций в автомобильной промышленности и строительстве.
Вывод:
- Механическое соединение узла отлично подходит для металлов с высокой разницей КТЛР.
- Для металлов со схожими свойствами рекомендуется выбирать сварное соединение.
- Клеевое соединение обладает высокой усталостной прочностью и вибростойкостью и применяется преимущественно в приборо-, автомобиле- и авиастроении.
Принцип 4: включайте температурный цикл в расчеты на прочность
Расчет изменения длины детали необходим для проектирования конструкций. В строительстве для компенсации расширения металла используются демпферные швы, в автомобилестроении — подвижные опоры, а при укладке железнодорожных рельс предусматривают зазоры.
Формула изменения длины:
ΔL=L0×α×ΔT,
где ΔL — величина изменения длины (мм), L0 — начальная длина объекта (мм), α — КТЛР (1/°C), ΔT — разница между начальной и конечной температурой (°C).
Возьмем арматуру 3 м из конструкционной углеродистой стали с тепловым расширением 13×10-6/°C и повысим температуру в помещении с 0°C до +50°C. Вычислим изменение ее длины:
ΔL = 3000 × 13 × 10-6 × 50= 1,95 мм
Следовательно, при температуре +50°C длина арматуры увеличится на 1,95 мм.
Следующий обязательный этап расчета — оценка действительных напряжений. Они не должны выходить за пределы допустимых значений, в противном случае велик риск появления деформаций и поломки детали.
Параметр рассчитывается по формуле:
[σ] = σВ / n,
где [σ] — допустимое напряжение, σВ — предел прочности/текучести, n — коэффициент запаса прочности, значения которого приведены в Таблице 1 ГОСТ 34233.1-2017.
Предел длительной прочности, рассчитываемый для длительных нагрузок и высоких температур:
[σ] = σДП / nДП,
где σДП — предел длительной прочности при установленной температуре и времени, а nДП — коэффициент длительной прочности.
Рассчитаем допустимое напряжение для конструкционной низколегированной стали 09Г2С при пределе текучести 265 Н/мм2(по ГОСТ 19281-2014), статической нагрузке и температуре +100°C. Коэффициент запаса текучести будет равен 1,5.
[σ] = 265 / 1,5 = 176,6 Н/мм2
Расчетное значение близко к допустимому напряжению стали 09Г2С по ГОСТ 19281-2014.
Принцип 5: проектируйте техпроцесс изготовления одновременно с узлом
Учитывайте деформации от сварки. Чередуйте швы с лицевой и обратной стороны для предупреждения перегрева биметаллической детали и более равномерного термического воздействия. Увеличивайте рабочее сечение шва: так повышается прочность соединения.
Проводите термообработку детали. Это необходимо для снятия остаточных напряжений. Избегайте перегрева части узла с низкой температурой закалки.
Контролируйте температуру в цехе при сборке прецизионных узлов. Максимальная точность металлообработки достигается при температуре окружающего воздуха от +20 до +23°C. Температурный градиент не должен превышать 0,2°C в час. Исключите попадание прямых солнечных лучей, близкое расположения отопительных приборов и сквозняки.
Чек-лист инженера-проектировщика биметаллического узла
- Выписал значения КТЛР для всех материалов пары в рабочем диапазоне температур?
- Рассчитал ожидаемую разницу в удлинении и оценил возникающие напряжения?
- Проверил конструкцию на возможность свободного теплового расширения (плавающие крепления, зазоры)?
- Добился симметричности расположения материалов?
- Выбрал оптимальный метод соединения под данную задачу?
- Прописал в ТП требования к последовательности сборки/сварки и термообработке?
- Предусмотрел, как будет проводиться контроль геометрии после изготовления?
Работа с биметаллами — это не борьба с физикой, а ее грамотное использование. Обязательно учитывайте совместимость и коэффициент теплового расширения металлов — от этого зависит долговечность и экономическая эффективность конструкции. Не забывайте, что на выбор технологии соединения влияет температурный диапазон эксплуатации узла, наличие вибрационных нагрузок, агрессивной среды и требований к герметичности.
