СВАРКА РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

СВАРКА НИОБИЯ С ДРУГИМИ МЕТАЛЛАМИ

Одним из металлов, который используют в качестве осно­вы для приготовления жаропрочных и коррозионностойких материалов, является ниобий, отличающийся сравнительно

малым удельным весом, высокой жаропрочностью и хорошей стойкостью в расплавах при температурах до 1300° С.

Особый интерес в этом направлении представляют со­единения ниобия с аустенитными нержавеющими сталями, так как эти стали успешно работают при температуре до 600° С, сохраняя высокую коррозионную стойкость при этих температурах в различных агрессивных средах.

В связи с этим были проведены работы [14] в направлении получения сварного соединения путем расплавления стали без расплавления тугоплавкого металла.

Исследования проводили на тонколистовых материалах: молибденовом сплаве ЦМ2А (0,3 и 0,5 мм), ниобиевом спла­ве ВН2 (0,3 мм) в нержавеющей стали Х18Н10Т (0,4 и0,8мм). Перед сваркой электронным лучом в вакууме и электриче­ской дугой в камере с контролируемой атмосферой поверх­ность образцов подвергали химическому травлению и обез­жириванию.

Для образования металлической формы связи всоединении ниобия с нержавеющей сталью без интерметаллидных прос­лоек необходимо, чтобы физические контакты атомов соеди­няемых поверхностей и химическое взаимодействие их проис­ходило без существенных диффузионных процессов, которые могут привести к образованию интерметаллидных прослоек, Поэтому при сварке ниобия с нержавеющей сталью с рас­плавлением последней сближение атомов обеспечивается за счет смачивания ниобия жидкой нержавеющей сталью. Однако эти процессы должны быть кратковременными, чтобы диффузия на границе соединяемых поверхностей не успела развиться. Практически осуществить это возможно, если источником тепла является только перегретый наплавляе­мый металл, с помощью которого осуществляется подогрев тугоплавкого металла, и повышение активации атомов со­единяемых поверхностей. Поэтому качество соединения бу­дет определяться прежде всего характером процесса сма­чивания ниобия расплавленным металлом стали в условиях сварки в вакууме.

Исследования показали, что смачиваемость ниобия ста­лью в значительной степени зависит от состояния поверх­ности и температуры подогрева ниобия. Изучение вопросов смачиваемости и взаимодействие ниобия со сталью произ­водилось в условиях ва­куума (0,0666 Па) при нанесении капли рас­плавленной стали на пластинку ниобия. Разо­грев пластинки ниобия осуществлялся проходя­щим током от сварочно­го генератора. Запись термических циклов на­грева ниобия произво­дилась на шлейфовом осциллографе.

На рис. 66 показана зависимость термичес­ких циклов нагрева ни­обия в зоне капли от предварительного подо­грева ниобия. При пред­варительном подогреве ниобия до температуры от 55° С до 1250°С за счет тепла расплавлен­ной капли температура ниобия под каплей по­вышалась на 400—500 °С.

Опыты показали, что растекаемость жидкого металла в значительной степени определяется методом подготовки поверхности ниобия. Лучшая смачиваемость наблюдается при химическом травлении в растворе 60% HN03 + 40% HF благодаря наиболее полному удалению поверхностных жиров и окислов и улучшению микрорельефа поверхности.

Металлографические исследования показали, что при на­греве ниобия до 1700° С и выдержке при этой температуре в течение 1,0—1,5 с на границе взаимодействия капли с ниобием не образуются интерметаллидные прослойки. Ука­занный нагрев также не приводит к росту зерна ниобия. При сварке ниобия со сталью на режимах, обеспечивающих

а

расплавление только стали при нагреве ниобия до 1700° С, также не образуются хрупкие прослойки и не наблюдается рост зерна ниобия. Изучение характера смачиваемости рас­плавленной стали и влияния теплового состояния сваривае­мых металлов на структуру соединения позволили разра­ботать технологию сварки и выбрать оптимальные типы свар­ных соединений (рис. 67).

Наилучший тип сварных соединений для металла тол­щиной 0,3—0,5 мм — нахлестка с отбортовкой стали. Для материала толщиной более 0,5 мм рационально применять соединения с плавящейся прокладкой из той же стали.

На рис.68 представлена схема сварных соединений указан­ных типов до и после сварки.

Опыты по сварке сплава ВН2 (0,3 мм) со сталью Х18Н9Т (0,4 мм) показали, что сварное соединение ниобия со сталью с удовлетворительной прочностью и пластичностью может быть получено как электроннолучевой сваркой в вакууме,

так и дуговой в контролируемой атмосфере при условии, что соединение образуется только за счет расплавления стали без расплавления ниобия. В этом случае расплавлен­ный металл хорошо смачивает поверхность ниобиевого сплава, а шов хорошо формируется. Оптимальные режимы сварки для данных материалов приведены в табл. 27.

При сварке на повышенных режимах наблюдается час­тичное оплавление ниобия, что приводит к резкому повыше­нию хрупкости металла шва и снижению его механических свойств.

Ниобий образует с железом, хромом и никелем твердые растворы ограниченной растворимости и ряд химических соединений типа Fe3Nb2, NbCr2, Ni8Nb и эвтектики. В связи с этим структура сварных швов соединения ВН2 — 1Х18Н9Т неоднородна.

При сварке на оптимальных режимах можно избежать образования на границе расплавления области сплошного выделения химических соединений. В этом случае, какпо-

казали результаты механических испытаний, сварное со­единение обладает наибольшей пластичностью (табл. 28): соединение выполнялось нахлесточным с отбортовкой кром­ки по стали Х18Н9Т.

В работе [15] исследована свариваемость ниобия с арм - ко-желеЗом, никелем и нержавеющей сталью. Аргоноду­говым методом неплавящимся электродом сваривали плас­тины размером 120 X 60 X 1 мм, собранные внахлестку. Перед сборкой пластины иэ ниобия подвергли травлению,

а пластины из стали, никеля и железа зачищали наждачной бумагой с последующей промывкой в спирте.

V Температура сварочной ванны в месте контакта с ниоби­ем зависит от режима сварки, причем с увеличением

погонной энергии имеет тенденцию к повышению, что объ­ясняется изменением температуры сварочной ванны по глубине. Отношение температуры нагрева ниобия в месте контакта Тк к температуре расплавленного контактирую­щего с ним металла (Тв) в зависимости от режима сварки изменяется от 0,5 до 1.

Время контактирования расплавленного металла с нио­бием измеряли термопарой, показания которой записывали на осциллограф, После обработки осциллограмм определя-

ли время контактирования при сварке для соответствующего режима.

Как видно из рис. 69, время контактирования расплав­ленного металла с ниобием возрастает с увеличением погон­ной энергии и в пределах исследованных режимов изменя­ется в довольно широком диапазоне — от 0,35 до 5,3 с. При одинаковой погонной энергии время контактирования никеля, железа и нержавеющей стали с ниобием отличается незначительно. Оно линейно зависит от погонной энергии и подчиняется зависимости

т = aqm

где а— коэффициент, равный при сварке ниобия с никелем, армко-железом и нержавеющей сталью соответственно 0,8 X Х10“6, 0,71 * 10~6 и 0,79 • 10'-6 м • с/Дж; qn — погонная энергия.

При увеличении силы тока время контактирования уве­личивается, а при увеличении скорости сварки — сокраща­ется (рис. 70). Эти зависимости справедливы для сварки ма­териалов толщиной 1 мм. Естественно, что с изменением толщины свариваемых материалов время контактирования при одной и той же погонной энергии будет меняться; ме­няться будет и коэффициент а.

Влияние толщины свариваемых металлов на время кон­тактирования исследовали при сварке пластин из нержавею­щей стали толщиной 0,5, 1 и 2 мм, собранных внахлестку с ниобиевым клином, толщина которого по длине шва изменя­лась от 1 до 9 мм.

При увеличении толщины пластин из ниобия или нер­жавеющей стали время контактирования при одной и той же погонной энергии сокращается (рис. 69 и 71). Данные, по­лученные при механических испытаниях сварных соедине­ний из ниобия с нержавеющей сталью, приведены на рис. 72.

Испытания на растяжение показали, что наиболее вы­сокими механическими свойствами обладали сварные со­единения, выполненные при qn = 10,1 - г 15,2 Дж/м; при
дальнейшем увеличении погонной энергии прочность свар­ных соединений снижалась. Снижение прочности сварных соединений с увеличением погонной энергии происходит вследствие роста слоя интерметаллидов в металле шва.

На основании результатов механических испытаний и металлографических исследований можно сделать вывод, что для получения сварного соединения с оптимальными механическими свойствами необходимо, чтобы температура нагрева детали из ниобия была не ниже 0,8 температуры рас­плавленного металла сварочной ванны, а время контакти­рования жидкого металла с твердым не меньше 0,8 и не боль­ше 1,1—1,3 с, что соответствует погонной энергии от 10,1 до 15,2 Дж/м. При времени контактирования меньше 0,8 и больше 1,1—1,3 с сварное соединение соответственно} ]или

не образуется, или в нем наблюдаются хрупкие интерметал - лиды.

В результате старения прочностные свойства сварных соединений, как правило, изменяются (рис. 73). Прочность соединений ниобий — железо увеличивается, ниобий — ни­кель уменьшается, ниобий — сталь и ниобий — железо­никелевый сплав практически не изменяется.

Основные трудности при сварке ниобия и меди связаны с большим различием их физических свойств. Медь по срав­нению с ниобием имеет более низкую температуру плавления, но теплопроводность ее примерно в девять раз выше тепло­проводности ниобия. Различие физических свойств ниобия и меди обусловливает необходимость правильного распре­деления тепла источника нагрева при их сварке, Большую

часть тепла источника нагрева необходимо концентриро­вать на теплопроводном металле (на меди).

Различный характер взаимодействия ниобия и меди с водородом при повышенных температурах может отрица­тельно сказаться при их сварке. Поэтому для сварки этих

Рис. 73. Изменение прочности сварных соединений из ниобия со сталью (а), железом (б), никелем (в) и спла-

р

вом (г) в результате старения. ~ — отношение разру-

* п

шающей нагрузки при повышенной температуре к на­грузке при комнатной температуре.

разнородных металлов пригоден ниобий с минимальным содержанием водорода.

При изучении свариваемости ниобиевого сплава ВН2А с хромистой бронзой Бр. Х0,5 поверхности образцов из хромистой бронзы подвергали травлению в 50%-ном рас-

творе HN03 с последующей тщательной промывкой в про­точной воде и сушкой. Непосредственно перед сваркой по­верхность образцов зачищали шкуркой и протирали ацето­ном.

Образцы ниобиевого сплава обрабатывали в растворе 60% HN03 + 40% HF с последующей промывкой и сушкой. Непосредственно перед сваркой кромки протирали ацетоном или спиртом.

При аргонодуговой сварке стыковых соединений ниобия с хромистой бронзой лучшее формирование шва было получе­но при расположении вольфрамового электрода (диаметром 2 мм, с заточкой на конус) по краю медной пластины и при возвышении медного образца над ниобиевым примерно на 0,2—0,25 мм. При сварке на оптимальных режимах (свароч­ный ток 120—130 мА, скорость сварки 30 м/ч) в сварных швах дефектов не обнаружено. При электроннолучевой сварке луч смещался примерно на 2/3 его диаметра в сторону медно­го сплава. Удовлетворительное формирование швов было получено в узком интервале режимов. Небольшие отклоне­ния по току приводили к непроварам, прожогам, подрезам. Режимы электроннолучевой сварки сплава ВН2А с бронзой Бр. Х0,5 и характер формирования соединения приведен в табл. 29.

Изменение погонной энергии при сварке за счет измене­ния скорости в широком диапазоне (17—90 м/ч) не дало воз­можности установить зависимости пористости от скорости сварки.

Образование пористости при электроннолучевой сварке ниобия с малолегированным медным сплавом связано с интенсивным теплоотводом, что препятствует газовыделе - нию из расплавленного металла. Как показали эксперимен­ты, устранению пористости в швах способствует повторный переплав электронным лучом.

Сварные соединения ниобий — бронза, выполненные ар­гонодуговой и электроннолучевой сваркой, пластичны при изгибе, угол загиба их составляет 120—180°. Прочность

сварных соединений при комнатной и повышенных темпера­турах определяется прочностью медного сплава. Результа­ты испытаний на прочность сварных соединений ВН2А + + Бр. Х0,5, выполненных аргонодуговой и электроннолу­чевой сваркой, приведены в табл. 30.

Повторная подварка электроннолучевой или аргоноду­говой сваркой соединений, выполненных электронным лу-’ чом, не оказывает влияния на их прочность. Сварные образ­цы ВН2А — Бр. Х0,5 (размером 70 X 70 мм) были испыта­ны при двухосном растяжении при помощи гидравлического давления. Предел прочности при двухосном и одноосном рас­тяжении почти одинаков для сварных соединений, выполнен­ных аргонодуговой сваркой; предел прочности при двухос­ном растяжении несколько выше, чем при одноосном.

Сварные соединения, выполненные аргонодуговой и элек­троннолучевой сваркой, подвергали циклическому на­греву (2,10 и 20 циклов) при 200, 400 и 600° С (длительность одного цикла 200 с). Нагрев осуществляли в атмосфере воз­духа. Пластичность и прочность соединений при аргоноду­говой и электроннолучевой сварке после нагревов по указанным режимам остаются на уровне исходных и при температурах 20,400 и 600° С определяются прочностью мед­ного сплава. Металлографические исследования сварных соединений ВН2А + Бр. Х0,5 после указанных нагревов показали, что изменений в структуре шва не произошло.

Испытания сварных соединений с хромистой бронзой, выполненных с различной степенью оплавления ниобия, показали, что прочность их практически одинакова и равна (31—32) • 10~7 Н/м2. С помощью биметаллических переход­ников была произведена сварка ниобиевого сплава ВН2А с нержавеющей сталью Х18Н10Т.

Биметалл ВН2 4- Х18Н10Т изготовляли путем прес­сования в вакуумированных стальных оболочках. Нагрев образцов для прессования производили до 890—900° С, удельное давление при прессовании изменяли в интервале (90—100) • 10~7 Н/м2. Листовые биметаллические пере­ходники ВН2 - f Х18Н10Т (толщиной 1 мм) изготовляли путем прессования плоской заготовки с последующей про­каткой при температуре 850—900° С. Прочность биметалла ВН2 + Х18Н10Т равна (70—75) • 10~7 Н/м2, разрушение происходит по ниобию.

Металлографическое исследование переходников из би­металла ВН2 + Х18Н10Т показывает, что граница раздела металлов представляет собой тонкую четкую линию. Ми­кротвердость на границе соединения биметалла не меня­ется. В биметалле Х18Н10Т - f* ВН2 не отмечается диффу­зии ниобия в сталь и никеля в ниобиевый сплав.

Нагрев в вакууме образцов из биметалла ВН2 + ■+* Х18Н10Т до температуры 400 и 700° С (выдержка 100 ч) не вызывает заметных изменений в микроструктуре и микро­твердости на границе раздела и не вносит существенных изменений в распределение элементов.

При нагреве образцов до 700° С (выдержка 100 ч) ширина диффузионной области составляет 50 мкм главным образом в сплаве ВН2.

Сварка разнородных металлов ВН2А и Х18Н10Т с при­менением биметаллических переходников выполнялась на плоских, трубчатых и кольцевых образцах толщиной 1 мм.

Испытания на изгиб сварных образцов (ВН2А + + Х18Н10Т), выполненных с применением биметаллическо­го листового переходника, показали, что соединения плас­тичны при изгибе. Угол загиба соединения составлял 180°. Прочность этих соединений при комнатной температуре составляет (50 - f - 55) • 10-7 Н/м2, разрушение образцов про­исходит по сварному шву. Исследовали влияние нагрева на механические свойства сварных соединений сплава ВН2А со сталью Х18Н9Т, выполненных с применением листового переходника. Сварные соединения нагревали в вакууме при температурах 400 и 700° С (выдержка 100 ч). Установлено, что нагрев по указанному режиму не оказывает влияния на пластичность прессованного переходника.

Испытания на разрыв показали, что прочность сварных соединений после нагрева по указанным режимам составляет (48 -г - 51) * 1СГ"7 Н/м2. Разрушение соединений происходит по ниобиевому сплаву.

Таким образом, для соединения ниобия с другими метал­лами, как и для титана, весьма перспективно использова­

ние биметаллических переходников, полученных при помо­щи совместной пластической деформации.