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.
|