Технологии сварки

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

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

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 (δ = 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.