Технологии сварки. Сварка химически активных тугоплавких металлов
(циркония, ниобия, тантала, молибдена и др.)
В связи с развитием новых отраслей техники расширяется применение
тугоплавких металлов и сплавов на их основе: циркония, ниобия, тантала,
молибдена и др. Эти металлы обладают высокой жаропрочностью,
коррозионной стойкостью в ряде агрессивных сред и другими специальными
свойствами.
При сварке тугоплавких металлов возникают серьезные затруднения,
вызываемые их высокой температурой плавления, большим сродством к газам
атмосферы при повышенных температурах, охрупчивающим действием этих
газов (прежде всего кислорода), склонностью к росту зерен при нагреве и
др.
На основании выполненных за последние годы исследований свариваемости
таких металлов их можно условно разделить на две группы. В первую группу
удовлетворительно сваривающихся плавлением металлов можно отнести
цирконий, ниобий, тантал и ванадий. Металлы второй группы — молибден,
вольфрам и хром — свариваются значительно хуже. Сварные соединения этих
сплавов весьма склонны к образованию трещин, малопластичны при
нормальной температуре.
Сплавы на основе тугоплавких металлов, полученные методом порошковой
металлургии, плохо свариваются: в швах образуются поры, сварные
соединения склонны к образованию трещин. Поэтому для сварных конструкций
применяют металлы и сплавы, выплавленные в контролируемой атмосфере
инертных газов (дуговой метод плавки) или в вакууме (электроннолучевой
метод плавки). Уменьшение содержания вредных примесей в исходном металле
– одна из основных задач металлургии химически активных тугоплавких
металлов. Весьма важно в процессе сварки исключить загрязнение металлов
примесями внедрения. Поэтому для соединения рассматриваемых металлов
применяют методы электродуговой сварки в среде инертных газов, главным
образом в камерах с контролируемой атмосферой, и электроннолучевую
сварку.
Дуговую сварку неплавящимся электродом выполняют постоянным током прямой
полярности. Повышенные требования предъявляются к чистоте инертных
газов. Перед заполнением камер газ подвергают очистке от влаги
пропусканием через сили-кагель марки КСМ и ШСМ (ГОСТ 3956—54) и
алюмогель. Применяют также разные методы дополнительной очистки газа от
кислорода, из которых наиболее простой — пропускание газа через нагретую
до температуры 900—1000° С титановую стружку или губку.
Для тугоплавких металлов в ряде случаев отдают предпочтение гелию, так
как при гелие-дуговой сварке эффективная мощность дуги значительно
больше, чем при сварке в среде аргона. Помимо этого содержание вредных
примесей — газов в гелии может быть доведено при очистке до меньших
величин, чем при очистке аргона. Чтобы избежать загрязнения шва, сварку,
как правило, выполняют неплавящимся электродом без присадки. Поэтому
применение находят в основном стыковые и нахлесточ-ные соединения без
разделки кромок. При сварке вне камеры необходимы специальные устройства
для защиты зоны сварки, остывающих участков шва и околошовной зоны, а
также обратной стороны шва.
Так как наиболее совершенная защита шва от газов атмосферы достигается
при электроннолучевой сварке в вакууме, этот метод наиболее эффективен
для соединения химически активных тугоплавких металлов. Большое значение
имеют также и другие преимущества данного метода и в первую очередь
возможность получения узких зон расплавления и термического влияния и
благодаря этому малых деформаций.
Так, при электроннолучевой сварке молибдена ширина шва в 2—2,5 раза
меньше, чем при дуговой сварке неплавящимся электродом (табл. 11-17).
Электроннолучевую сварку выполняют при давлении в рабочем объеме камеры
не выше 10~5—10~4 мм рт. ст. Предпочтения заслуживают системы откачки с
безмасляными вакуумными насосами (например, титановыми).
Подготовка деталей из тугоплавких металлов под сварку требует особой
тщательности. Соединяемые кромки и прилегающие к ним околошовные участки
до сварки необходимо очищать от загрязнений и подвергать травлению в
специальных реактивах для удаления поверхностных пленок окислов и
обезжиривания. Так как расслоения на кромках могут служить источником
дополнительных загрязнений сварного шва, кромки необходимо тщательно
осматривать и удалять шлифованием обнаруженные расслоения. Должны быть
обеспечены минимальные зазоры и смещения кромок.
Во многих случаях существенное влияние на качество швов оказывает
тепловложение при сварке. В связи с этим для каждого изделия в
зависимости от типа соединения и толщины металла следует выбирать
оптимальные параметры процесса сварки.
Сварка циркония. Цирконий по свариваемости близок к титану. Поэтому для
него применимы та же техника сварки и практически те же режимы, что и
для титана. Перед сваркой кромки деталей подвергают травлению в
растворе, состоящем из 45% HNO3, 10% HF и 45% Н2О.
Таблица 11-17. Размеры структурных участков соединения из молибдена
толщиной 3 мм, сваренного разными способами
Сварка Максимальная ширина участка, мм Общая ширина участков металла,
претерпевших структурные изменения
Шов Околошовная зона
Электродуговая неплавящимся электродом
Электроннолучевая 4,2
1,5 2,1
0,8 8,4
F
?Прочность соединений из технического нелегированного циркония близка к
таким же свойствам основного металла. Однако пластические свойства швов
на цирконии и особенно его сплавах, выполненных автоматической дуговой
сваркой в среде инертного газа без присадки, заметно снижаются по
сравнению с пластичностью металла.
Сварка ниобия. Для обеспечения удовлетворительной свариваемости
ограничивают содержание в металле вредных примесей — газов. Так, в
сплаве ВН-2АЭ, выплавленном электроннолучевым методом (Мо —3,5—4,7%; Zr
—0,5—0,9%; Nb —основа), допускается следующее предельное содержание
примесей (% по массе): 0,02О2; 0,03N2; 0,005H2. Травление кромок перед
сваркой производят в реактиве следующего состава: 22% HF; 8% HNO3; 15%
H2SO4; 55% Н2О.
Технология сварки тантала. Для очистки кромок тантала перед сваркой
хорошие результаты дает травитель: 90% HF и 10% HNO3. При сварке
плавлением технического тантала и некоторых его сплавов с ниобием,
ванадием и вальфрамом сварные соединения получаются пластичные и
равнопрочные с основным металлом. Режимы сварки тантала приведены в
табл. 11-20.
Таблица 11-20. Режимы автоматической сварки тонколистового тантала
неплавящимся электродом
Толщина металла, мм Диаметр электрода, мм Iсв, А Uд, В ?св, м/ч
Расход аргона, л/мин
на зону сварки на обратную сторону шва
0,3
0,5
1,0
1,5 1,0
1,0
1,5
1,5 45-60
70—80
130—140
160—180 8—10
8—10
10—12
12—14 35—40
30—35
25—30
25-30 12-14
12—14
14—16
14—16 3—4
3—4
4—5
4—5
Прочность сварного шва тонколистового технического тантала (толщиной
1,5—2 мм) составляет около 50 кгс/мм2 при угле изгиба 180°.
Сварка ванадия. Прочность сварных швов технического ванадия и некоторых
его сплавов (например, V — 12% W) близка к прочности основного металла.
Угол изгиба основного металла и сварного соединения 180°.
Технология сварки молибдена и его сплавов. Перед сваркой кромки деталей
из молибдена подвергают травлению в растворе фосфорной и азотной кислот
(1 : 1), разбавленном водой до плотности 1,37—1,38. Молибденовые сплавы,
свариваемые плавлением, должны содержать кислорода не более 0,001% по
массе.
При сварке плавлением технического молибдена сварные швы имеют
крупнокристаллическое строение, что обусловливает их хрупкость.
Склонность сварных швов молибдена к хрупкому межкристаллитному
разрушению при нормальных температурах может быть существенно уменьшена
путем легирования их определенными элементами в количествах, достаточных
для создания пересыщенного твердого раствора при высоких температурах и
выделения второй мелкодисперсной фазы в процессе кристаллизации сварного
шва.
Поэтому для сварных изделий применяют только низколегированные сплавы на
основе молибдена с добавками элементов, раскисляющих и модифицирующих
металл (углерода, циркония, титана, ванадия, ниобия и др.).
Прочность сварных швов молибдена, как правило, ниже прочности основного
металла. Повышение прочности и пластичности металла шва достигается
применением легированной присадки, например из сплава 50% Мо — 50% Re.
Пластичность сварных соединений из известных молибденовых сплавов при
нормальной температуре невелика. Так, например, угол изгиба соединения
из сплава ВМ1 толщиной 1 мм не превышает 60°. При повышении температуры
пластичность соединений возрастает.
Весьма сложной задачей является получение достаточно пластичных
соединений при сварке плавлением молибденовых сплавов с критической
температурой перехода швов в хрупкое состояние, близкой к такому же
показателю для основного металла. Для ее решения идут, с одной стороны,
по пути создания удовлетворительно свариваемых сплавов на основе
молибдена, обладающих повышенной пластичностью и вязкостью и в
минимальной степени загрязненных вредными примесями — газами, и с
другой, по пути изыскания оптимальных условий сварки таких сплавов,
включающих выбор термических циклов сварки, присадочных материалов и др.
Сварка вольфрама. Сварные соединения вольфрама при нормальной
температуре хрупки и весьма склонны к образованию трещин. Поэтому сварку
выполняют с предварительным подогревом основного металла до температуры
не менее 500° С. Чтобы предупредить образование трещин, детали
рекомендуется сваривать без их жесткого закрепления. Пластичность
сварных соединений вольфрама можно несколько повысить после
термообработки: нагрев до температуры 1800° С, выдержка 1 ч, охлаждение
с печью.
Сварка хрома. При нормальной температуре сварные соединения
малопластичны. Временное сопротивление соединений тонколистового
технического хрома (? = 1-2 мм) достигает 30 кгс/мм2 (прочность
основного металла около 40 кгс/мм2) при относительном удлинении до 7%.
При электроннолучевой сварке хрома встречаются затруднения вследствие
сильной возгонки хрома в вакууме, что вызвано высокой упругостью его
паров, достигающей при плавлении около 60 мм рт. ст. В связи с этим для
сварки хрома требуется создавать разрежение в камере с давлением не выше
(6-8)*10-6 мм рт. ст.
Источник: Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением.
Под ред. акад. Б.Е. Патона. М., Машиностроение, 1974
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
