СВАРКА РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

О СВАРИВАЕМОСТИ СПЛАВОВ ЦИРКОНИЯ СО СПЛАВАМИ НИОБИЯ

О возможности сварки циркония и ниобия свидетельст­вуют их близкие коэффициенты линейного расширения и отсутствие в соединениях хрупких интерметаллических фаз. Различие же теплофизических свойств вызывает необходи­мость ведения процесса с неравномерным распределением тепла между свариваемыми металлами, т. е. со смещением источника тепла на более тугоплавкий металл,

В табл. 33 приведены оптимальные режимы аргоноду­говой сварки циркония с ниобием.

Электроннолучевую сварку в вакууме циркониевого сплава (Zr +22% Nb) cNb электроннолучевой плавки (тол-

щина 2 мм) производили при расфокусированном луче, ус­коряющем напряжении 60 кВ, токе эмиссии 24 мА, скорос­ти сварки 18 м/ч, смещении луча в сторону Nb на 1—1,5 мм.

Исследования показали, что, независимо от способа свар­ки плавлением, режимов и используемых ниобиевых спла­вов (ВН1, ВН2 и др.), в сварных соединениях повышается хрупкость с течением времени.

На рис. 75 четко видно повышение хрупкости сварного соединения циркониевого сплава (Zr + 2,5% Nb) с ниобием после аргонодуговой и электроннолучевой сварки. Через 4—5 ч после сварки прочность сварного соединения соответ­ствует прочности основного металла (Zr), пластичность ха­рактеризуется высокими стабильными значениями углов загиба. По мере увеличения времени после сварки наблю­дается закономерное падение прочности и пластичности. Хрупкое разрушение происходит в зоне сплавления со сто­роны циркония.

Изучение микроструктуры и анализ микротвердости сварного соединения циркониевого сплава (Zr + 25% Nb) с ниобием показало наличие узкой зоны с повышенной твер­достью в месте разрушения сварного соединения на границе сплавления шва с цирконием. Твердость металла этой зоны достигает (1700—2000) • 10~7 Н/м2, хотя микротвердость металла шва равна всего 300—260 • 10 7 Н/м2. Наличие зоны высокой твердости и, как следствие, хрупкое разрушение соединения в этой области связаны со сложными структур­ными превращениями, которые образуются в процессе диф­фузии ниобия из шва на границе сплавления с цирконием через тонкий ламинарный слой, нагретый до температуры плавления. В этот ламинарный слой и прорастают столб­чатые кристаллы, образующиеся на подложке цирконие­вого сплава. Исследования с использованием локального рентгеноспектрального микроанализатора подтвердили при­ближенные расчеты по распределению ликвирующей при­меси у границы раздела твердой и жидкой фаз. В расчетах исходная концентрация в твердой фазе принималась равной 2,5% Nb, а исходная концентрация в жидком метал­ле—22% Nb.

В сварном соединении при комнатной температуре в зо­не сплавления через 70—100 ч после сварки происходит резкое изменение механических свойств, т. е. идут процес­сы, сходные с процессами естественного старения. Повыше­ние хрупкости сварных соединений связано со сложными структурными превращениями, протекающими в зоне сплавления. Основное влияние на изменение механичес­ких свойств с течением времени оказывает, очевидно, пре­вращение Р~>со.

В процессе исследования свариваемости циркония с нио­бием и другими металлами было обнаружено весьма необыч­ное очертание границы сплавления со стороны более туго­плавкого металла.

Схематическое изображение температурного поля и по­следовательность этапов образования различных очертаний сварочной ванны представлены на рис. 76.

Очертания границ сплавления в виде выступа, анало­гичные приведенным на рис. 76, а— , были также обнару­жены при сварке ниобия с ванадием. Исследования показали, что при увеличении погонной энергии и оплавлении выступа в шве обнаруживаются частицы нерасплавленного тугоплав­кого металла (рис. 76, е, ж). Тепловой источник необходи­мо смещать в сторону более тугоплавкого металла, а в слу­чае сварки металла толщиной 3 наряду со смещением дуги необходимо уменьшать ее длину (до ~ 0,3 мм) с целью проплавления кромки более тугоплавкого металла.

Последовательность этапов образования сварочной ван­ны можно представить следующим образом. В первоначаль­ный момент воздействия теплового источника в сварном соединении могут образоваться сразу две ванны: расплавлен­ный металл в более тугоплавком материале, непосредствен­но под источником, и ванна, состоящая из расплавленного более легкоплавкого металла (рис. 76, который по мере прогрева кромки тугоплавкого металла смачивает и расте­
кается по ней, образуя единую ванну жидкого металла (рис. 76, б, в).

При наличии большого смещения источника в сторону тугоплавкого металла при достаточной величине погонной

энергии возможно образование двух швов (рис. 76, д) в сварном соединении, а в сечении шва — наличие неоплав - ленной части тугоплавкого металла (рис. 76, е, ж). В про­цессе образования соединения перегретый металл легко проникает между кромками и смачивает по мере прогрева нижнюю поверхность более тугоплавкого металла. В пер-

воначальный момент сварочная ванна, в основном, образо­вана за счет более легкоплавкого металла, который свобод­но натекает на прогретую кромку более тугоплавкого ме­талла. С этого момента начинается интенсивное растворе­ние тугоплавкого металла. Скорость процесса определяется температурой, интенсивностью перемешивания жидкого ме­талла, временем контактирования твердой и жидкой фаз, давлением дуги и т. д. В результате имеет место тот или иной характер очертания границы сплавления. Исследования показали, что по мере повышения скорости сварки при дан­ной силе тока и скорости вершина выступа притупляет­ся [28].

Характер очертания сварочной ванны позволяет пред­положить, что процесс расплавления более тугоплавкого металла происходит, в основном, за счет его растворения в жидком металле. Интенсивное перемешивание в ванне спо­собствует процессу растворения и усредняет химический со­став ванны, Такое усреднение химического состава харак-

терно для соединения циркония с ниобием и циркония с титаном.

На рис. 77 приведены данные локального рентгеноспект­рального анализа (диаметр локального пятна 2—4 мкм, ха­рактеризующие развитие химической неоднородности в шве при сварке Zr с Ті, Zr с Nb и ТІ с Nb. Видно, что в по­следнем случае имеет место значительный перепад концент­раций ниобия в шве.

Таким образом, можно сделать вывод, что для сварки ме­таллов с большим различием в температуре плавления, например циркония с ниобием, характерны области с рас­слоением химического состава в жидком металле.

Скорость растворения кромки тугоплавкого металла в нижней части ванны, зачищенной от непосредственного воз­действия теплового источника, можно приближенно оце­нить по уравнению

vp — HLjAv,

где Я/2 — перемещение границы твердого металла при рас­творении;

LI2и — время контактирования; L — длина сварочной

ванны;

v — скорость сварки.

Приближенные расчеты показывают, что скорость оплавления кромки тугоплавкого металла, определяемая, в основном процессами растворения, лежит в пределах 10-2—10~5 м/с, т. е. на три—пять порядков превышает подвижность атомов в жидкой фазе.