Рассмотрим только те тугоплавкие и химически активные металлы, которые могут быть использованы в качестве конструкционных материалов: цирконий, гафний, ниобий, тантал, молибден. Такие материалы, как ванадий, вольфрам, хром, используют в качестве конструкционных значительно реже и только в комбинированных сварных соединениях.

Сварка рассматриваемых материалов затрудняется высокой температурой их плавления, большим сродством к газам: кислороду, азоту и водороду, что приводит к образованию в шве пор и снижению его пластических свойств, склонностью к росту зерна при нагреве. С точки зрения особенностей поведения отдельных металлов при сварке необходимо отметить следующее.

Цирконий имеет две аллотропические модификации: alfa-фазу с гексагональной плотноупакованной решеткой, существующую до температуры превращения 865 град. С, и beta-фазу с кубической, объемно-центрированной решеткой, существующую выше 865 град. С.

В связи с тем, что металл обладает полиморфностью, в зоне термического влияния и в шве происходит закалка с образованием beta-фазы. Образование смешанной двухфазной структуры может привести к образованию макрогальванопар и вызвать локальную коррозию сплава. Для устранения такой опасности сварное изделие подвергают вакуумному отжигу при температуре 575 град. для выравнивания структуры.

При повышении температуры свыше 800 град. С цирконий энергично взаимодействует с азотом, образуя нитриды (ZrN), а при температурах 300-1000 град. С он интенсивно поглощает водород, образуя гидриды (ZrH2).

Находят применение сплавы циркония с оловом, железом, никелем и хромом, имеющие прочность 44-54 кгс/мм2 и высокую коррозионную стойкость.

Гафний - полиморфный металл с температурой превращения 1760 град. С. До этой температуры гафний имеет гексагональную плотноупакованную решетку alfa-фазы, при более высоких температурах - объемно-центрированную решетку beta-фазы. При нагревании гафний взаимодействует с атмосферой воздуха, образуя Двуокись НfO2, нитриды.

Ниобий и тантал - металлы, близкие по своим физическим свойствам, полиморфных превращений не имеют. Обладают особо высокой стойкостью при действии наиболее коррозионно-активных веществ (жидких металлов-теплоносителей) и используются в отдельных конструкциях реакторов. Тантал применяют также в медицине, в хирургии; изготовленные из него стержни, скобки и тому подобные детали могут долгое время находиться в тканях человеческого тела, не вызывая в нем значительных воспалений. В технике применяют также сплавы ниобия с небольшие количеством легирующих добавок (молибдена, вольфрама, циркония, ванадия, титана) и сплавы тантала с добавкой вольфрама ванадия, ниобия (до 10%).

При нагревании эти металлы энергично поглощают газы атмосферы: при температуре свыше 300 град. С - кислород, свыше 350 град. С - водород, свыше 400 град. С - азот. В результате в металле образуются окислы, нитриды, гидриды, металл упрочняется, а его пластичность резко падает. При сварке этих металлов в металле шва и зоны термического влияния возможны также рост зерна и охрупчивание металла, которое может быть усилено образованием по границам зерен карбидов (Nb2C, Та2С), если в металле есть примеси углерода.

Молибден, имеющий высокую температуру плавления, высокие значения механических свойств и модуля упругости, используют в виде листов небольшой толщины для отдельных элементов камер сгорания, турбокомпрессоров и т. п. В некоторых средах он имеет высокую коррозионную стойкость. Металл не имеет полиморфных превращений.

Трудности сварки его связаны с повышенной склонностью к образованию кристаллизационных трещин в связи с образованием различных легкоплавких эвтектик (МоО3 + М0О2 - Mo; Тпл = 780 град. С), а также охрупчпванием металла шва и околошовной зоны из-за возможного попадания газов атмосферы либо других загрязняющих веществ. Молибден чувствителен к загрязнениям различного рода в зависимости от содержания кислорода, азота и углерода изменяется критическая температуры перехода металла в хрупкое состояние. Наиболее резко влияет кислород; всего 0,0002% О2 повышает Ткр до 200 град. С.

Воздействие термического цикла сварки приводит к росту зерна в околошовной зоне, при этом происходит утолщение межзеренных прослоек, обогащение их примесями и резкое охрупчивание основного металла в этой зоне. При наличии в металле углерода возможно образование пор (в связи с реакцией МоО3 + ЗС = Мо + ЗСО), которые располагаются по оси шва и линии сплавления.

Поэтому наряду с тщательной очисткой основного металла и сварочных материалов предъявляются особенно жесткие требования к чистоте основного металла (кислорода <0.0002%, азота <0.0001%, углерода < 0,003%); в сварочную ванну вводят активные раскислители: 0 5-1% Ti; до 0,1% Се; до 0,25% Zr, сварку ведут при минимальной погонной энергии.

По свариваемости рассматриваемые материалы можно разделить на две группы. Металлы первой группы (цирконий, гафний, диобий и тантал) при соблюдении технологических условий сварки обладают хорошей свариваемостью. Сварка металлов второй группы (молибден, вольфрам) вызывает большие трудности ввиду их высокой чувствительности к примесям, охрупчивающим металл. Подогрев молибдена до температуры 200-315 град. С и снятие остаточных напряжений после сварки (при нагреве до 980 град. С) снижает вероятность образования холодных трещин.

Основные пути получения сварных соединений с удовлетворительными свойствами: уменьшение содержания вредных примесей в основном и присадочном металле; снижение временных (температурных) и остаточных напряжений в сварных соединениях; предупреждение загрязнения металла шва и околошовной зоны при сварке, особенно газами атмосферы.

Поэтому сварка рассматриваемых металлов выполняется в основном электронным лучом в вакууме или в камерах с контролируемой атмосферой. В последнем случае используют аргон и гелий высокой частоты, которые дополнительно осушают от газов, пропуская их через селикагель, алюмогель и нагретую до 900- 1000 град. С титановую стружку. Сварку выполняют вольфрамовым электродом на постоянном токе прямой полярности.

Для уменьшения загрязнения металла шва сварку, как правило, выполняют без присадочного металла. В некоторых случаях сварку выполняют и на воздухе, но применяют горелки с дополнительными насадками для подачи защитного газа, и с поддувом с обратной стороны. Прочностные и пластические свойства свар-ных соединений находятся на уровне 80-95% свойств основного металла.

При электронно-лучевой сварке в камерах с вакуумом 10~4 рт. ст. содержится в сотни раз меньше примесей, чем в наиболее чистом аргоне высшего сорта. При этом способе сварки появляется возможность очистить свариваемый металл от газов нагревом кромок расфокусированным электронным лучом. При дегазации наиболее успешно удаляется водород, в меньшей мере кислород и азот и только из поверхностных слоев.

Наиболее распространенным способом сварки рассматриваемых материалов является дуговая в защитных газах и электроннолучевая. Дуговой сваркой циркониевые сплавы наиболее успешно сваривают в камерах с контролируемой средой, заполняемых гелием, после предварительной откачки воздуха до 0,03 мм рт. ст. Материал присадочной проволоки соответствует составу сплава: Циркалой-2 или циркалой-3.

Имеются сведения о режимах сварки ниобия и тантала малых толщин вольфрамовым электродом на постоянном токе прямой полярности с использованием струйной защиты с дополнительной подачей газа через насадки и с обратной стороны шва.

Сварку молибдена с использованием струйной защиты можно успешно вести с использованием гелия высокой чистоты вольфрамовым и плавящимся электродом.

Молибден толщиной до 3 мм сваривают вольфрамовым электродом диаметром 3 мм на постоянном токе прямой полярности на режиме: I = 425 A; U = 18 В; v = 18 м/ч. Диаметр сопла горелки 15 мм расход гелия через горелку и приставку 20 л/мин, с обратной стороны 5 л/мин. Сварку молибдена большей толщины можно вести плавящимся электродом диаметром 1-1,2 мм на достоянном токе обратной полярности на режиме: I = 400 - 500 A; U = 32 В; v св = 30 - 40 м/ч; v пп = 600 - 900 м/ч, подача гелия через горелку и приставку 140 л/мин, с обратной стороны 20 л/мин. Электродная проволока предварительно активируется покрытием ее хлористым цезием.

Известна технология сварки гафния в камере, заполненной гелием или аргоном, вольфрамовым электродом диаметром 3,2 мм на режиме: I = 125-135 A; U = 14-18 В; v = 10 м/ч; ток постоянный, полярность прямая.

При электронно-лучевой сварке соединение осуществляется путем переплавления основного металла. Наряду со сваркой встык возможна сварка внахлестку со швами типа прорезных и пробочных. Для тугоплавких и химически активных металлов большое значение имеет возможность их предварительной очистки дегазацией в вакууме. Принципиально электроннолучевая сварка за два прохода позволяет сваривать металл толщиной до 100 мм.