ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ II СПЛАВОВ НА ИХ ОСНОВЕ

В современной технике объем применения цветных металлов и сплавов на их основе непрерывно растет. В связи с бурным разви­тием авиастроения, ракетной и атомной техники, химической промышленности в качестве конструкционных материалов в настоящее время стали применять такие металлы (и сплавы на их основе), как титан, цирконий, никель, молибден и даже ниобий, гафний и др. В сварных конструкциях значительно расширился ассортимент сплавов на основе алюминия, магния, титана.

Области применения отдельных цветных металлов и сплавов на их основе весьма разнообразны.

Медь и ее сплавы широко используют в химическом машино­строении, для изготовления трубопроводов самого различного назначения, емкостей, различных сосудов в криогенной технике и т. п.

Алюминий и его сплавы применяют для изготовления различ­ных емкостей в химической и пищевой промышленности. Сплавы на основе алюминия широко применяют для самолетов, ракет, судов, в строительстве и т. п. в связи с их сравнительно высокой прочностью при малой плотности, высокой коррозионной стой­костью в некоторых агрессивных средах и высокими механи­ческими свойствами при низких температурах.

Сплавы титана получают все более широкое применение в каче­стве конструкционного материала в самолетостроении, для изго­товления ракет, емкостей в химическом машиностроении, судо­строении и в атомной энергетике.

Тантал, ниобий, гафний, цирконий используют в химическом машиностроении и атомной энергетике, молибден — в высоко­температурных камерах горения, в ракетной технике и т. д.

Цветные металлы и сплавы на их основе имеют ряд общих и специфических особенностей, связанных с их свойствами (табл. 97), которые осложняют и затрудняют процесс сварки плав­лением.

1. Большое сродство указанных металлов к кислороду. Так, по убывающей степени сродства к кислороду (при Т = 1600° С) металлы располагаются в ряд: Al, Zr, Ті, Мо, W, Ni, Си п т. д. Из этого ряда видно, что это такие элементы (алюминий, цирко­ний, титан), которые в обычной металлургии и сварочной практике используют в качестве раскислителей.

2. Как правило, эти металлы образуют систему окислов, более тугоплавких, чем сам металл, что приводит к засорению металла шпа этими окислами. В некоторых случаях окислы имеют более низкую температуру плавления, и возникает опасность образова­ния легкоплавких эвтектик, приводящих к кристаллизационным трещинам.

3. Некоторые металлы (медь, магний, алюминий) обладают сравнительно высокими теплопроводностью и удельной тепло­емкостью, что способствует быстрому охлаждению места сварки, требует применения более мощных источников теплоты при сварке, а в ряде случаев предварительного подогрева детали.

4. Для некоторых сплавов цветных металлов велика разница между температурами плавления и кипения отдельных компонен­тов по сравнению с температурой плавления сплава. Так, напри­мер, при температуре плавления цинка 419° С и олова 232° С латунь и бронза имеют температуру плавления 800—950° С. Воз­никает опасность испарения легкоплавких компонентов.

5. Для некоторых металлов (медь, алюминий, магний) и их сплавов наблюдается довольно резкое снижение механических свойств при нагреве, в результате чего в этом интервале темпера­тур металл легко разрушается от ударов, либо сварочная ванна даже проваливается под действием собственного веса (алюминий, бронза).

6. Все цветные сплавы при нагреве в значительно больших объемах, чем черные металлы, растворяют газы окружающей атмосферы и химически взаимодействуют со всеми газами, кроме инертных. Особенно активные в этом смысле более тугоплавкие и химически более активные металлы: титан, цирконий, ниобий, тантал, молибден. Эту группу металлов часто выделяют в группу тугоплавких, химически активных металлов.

В результате взаимодействия металлов с кислородом, азотом, водородом свойства их могут очень резко ухудшаться. Все отме­ченные особенности цветных металлов должны быть учтены при разработке технологии их сварки. Возможности варьирования способов сварки плавлением для цветных металлов различны и за­висят в первую очередь от особенностей физико-химических свойств металла.

Медь, никель, алюминий, магний и сплавы на их основе успешно сваривают дуговой сваркой толстопокрытыми электродами, уголь­ным и металлическим электродом с применением флюса, в среде инертных защитных газов с использованием неплавящегося (воль­фрамового) и плавящегося электрода, а алюминий — еще и элект­рошлаковой сваркой. Для этих металлов выбор способа сварки определяется возможностями завода — наличием соответствую щего оборудования, сварочных материалов, квалифицированных сварщиков и технологов, а также технической и экономической целесообразностью. Наиболее эффективный способ сварки, нахо­дящий самое широкое применение, — аргонодуговая сварка не - илавящимся и плавящимся электродом с использованием стандарт­ного оборудования н приспособлений.

Для группы тугоплавких, химически активных металлов при­годные методы сварки резко ограничены необходимостью очень тщательной защиты зоны сварки от вредного действия окружаю­щего воздуха. В этом случае применяют дуговую сварку в инерт­ных газах с дополнительной защитой зоны сварки с помощью развитой системы насадок, укрепляемых на горелке, и защитой обратной стороны шва, либо используют камеры с контролируе­мой атмосферой. Достаточно эффективна электронно-лучевая сварка в вакууме.

При использовании дополнительных насадок инертный газ должен защищать не только дугу и расплавленный металл, но и твердый нерасплавляющийся основной металл и закристалли­зовавшийся металл шва. Например, титан и цирконий, нагретые до температур выше 400—500° С, способны к поглощению больших объемов активных газов из окружающей среды. Для ниобия и тан­тала опасная зона еще ниже (200—300° С). Защита обратной сто­роны шва может быть осуществлена через неподвижную подкладку, укрепляемую на свариваемом изделии, либо подвижную, переме­щаемую вспомогательным рабочим.

Медь и ее сплавы

К физико-механическим характеристикам меди, указанным и табл. 97, следует добавить такие ее технические характеристики, как высокая стойкость по отношению к воздействию различных химических веществ, сохранение высоких механических свойств в условиях глубокого холода, высокие показатели теплопровод­ности и электропроводности.

Техническая медь в зависимости от марки может иметь раз­личное количество примесей: Bi, Sb, As, Fe, Ni, Рв, So, S, Zn, P, О. В наиболее чистой меди марки MOO примесей может быть до 0,01%, марки М4 — до 1% (табл. 98). Сплавы на медной основе в зависимости от состава легирующих элементов относятся к лату­ням, бронзам, медно-никелевым сплавам.

Латунями называют сплавы меди с цинком (простые латуни); содержание цинка может достигать 42%. Если, помимо цинка, сплав содержит и другие легирующие элементы (А1, Fe, Ni, Si), сплав относят к сложным латуням. Латуни имеют повышенную прочность по сравнению с чистой медью (ов до 50 кге/мм2). Однако при содержании свыше 20% Zn появляется склонность сплава к коррозионному растрескиванию и образованию трещин при местном нагреве. Латуни широко применяют в качестве конструк­ционного материала, обладающего высокой коррозионной стой­костью и более прочного, чем медь.

Сплавы на медной основе, в которых цинк не является основ­ным легирующим элементом, называют бронзами. Название бронзы уточняется по главному легирующему элементу, благодаря кото­рому бронза приобретает те или иные свойства. Широкое приме­нение находят бронзы оловяпные (2—10% Sn), алюминиевые (4—11,5% А1), кремнистые (0,5—3,5% Si), марганцевые (4,5— 5,5% Мп), бериллисвые (1,9—2,2% Be), хромистые (0,4—1% Сг).

Оловянные бронзы имеют хорошую коррозионную стойкость и антифрикционные свойства. Поэтому они широко применяются при изготовлении коррозионно-стойкой арматуры, для различных трубопроводов, вкладышей подшипников и т. д. Бронзы алюминие­вые п кремнистые имеют высокие механические свойства и хоро­шую коррозионную стойкость. Они более дешевы. Если позво­ляют условия работы, их широко используют взамен оловянных. Марганцовистые бронзы помимо хорошей коррозионной стойкости обладают повышенной жаропрочностью. Бериллиевые бронзы имеют высокую коррозионную стойкость и после термообработки становятся немагнитными с очень высокой ирочностыо, соответ­ствующей прочности стали. Из этих бронз изготовляют различные гибкие, прочные элементы в прпборах и различных устройствах.

Медно-никелевые сплавы могут содержать до 30% Ni, а также железо, марганец. Сплав МШК 5-1, прочный и коррозионностой­кий, широко используют как конструкционный для изготовления трубопроводов и сосудов, работающих в агрессивных средах (морской воде, растворах солей, органических кислотах). Сложная композиция сплавов на медной основе, наличие разнообразных компонентов в виде примесей в технической меди обусловливают определенные трудности при сварке этих металлов.

Необходимо учитывать следующие особенности меди и ее спла­вов, влияющие на технологию сварки.

1. В связи с высокой температурой и теплопроводностью, затрудняющими локальный разогрев, требуются более концентри­рованные источники нагрева и повышенные режимы сварки. Однако в связи со склонностью меди к росту зерна при сварке многослойных швов металл каждого прохода для измельчения зер­на проковывают при температурах 550—800° С.

2. Легкая окисляемость меди при высоких температурах при­водит к засорению металла шва тугоплавкими окислами. Закись меди растворима в жидком металле и ограниченно — в твердом. С медью закись образует легкоплавкую эвтектику Си—СиаО (тем­пература плавления 1064° С), которая сосредоточивается по гра­ницам зерен и снижает пластичность меди, что может привести к образованию горячих трещин.

Как следует из диаграммы состояния медь — кислород, незна­чительная концентрация кислорода снижает температуру плав­ления меди, при содержании кислорода 0,38% (что соответствует 3,4% Си20) образуется эвтектика с температурой плавления 1064°С. В связи с указанным и ввиду ограниченной по времени возможности металлургической обработки металла сварочной ванны (малое время существования из-за больщой теплопроводности меди) необходимо введение энергичных раскислителей — фосфора, мар­ганца, кремния и др. при ограничении содержания кислорода до 0,03%; в особо ответственных конструкциях (например, судовые трубопроводы, сосуды и т. п.) содержание кислорода допускается не более 0,01%.

Раскисление меди (при содержании до 0,3% Р, либо марганца и кремния с общим содержанием до 1—3%) проходит по реакциям

2Р - f 5Cu20 = 10Cu + P205f;

Р205 + 3Cu20 = Р2Оь (Cu20)3 — в шлак;

2Cu20 - f - Si = 4Cu - f - Si02;

Cu20 + Mn = 2Cu + Mn0;

Si02 + Mn = MnO ■ Si02 —в шлак.

Для разрушения тугоплавких окислов, образующих пленку на поверхности сварочной ванны, применяют флюсы на основе буры (95% Na2B407 и 5% Mg), которые способствуют химической очистке, переводя тугоплавкие окислы в легкоплавкие комплекс­ные соединения:

CuO + Na2B407 = 2NaBOz • СиО • В203.

Однако применение фосфора для целей раскисления следует ограничивать, так как он также дает легкоплавкие эвтектики. Раскислитель, участвуя в металлургическом процессе сварки, не только раскисляет металл, но одновременно и легирует его, что может снизить его коррозионную стойкость и электропроводность.

3. Наличие некоторых примесей может способствовать склон­ности сварных соединений к образованию трещин. Так, например, висмут, образующий ряд окислов ВЮ, Ві203, Ві204, Ві205, дает легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 270° С, а сви­нец, образующий окислы РЬО, РЮ2, РЬ203, дает легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 326° С. По указанной при­чине должно быть резко ограничено содержание этих примесей (Ві <[ 0,002%; РЬ <0,005%), либо они должны быть связаны в тугоплавкие соединения введением в сварочную ванну таких элементов, как церий, цирконий, играющих одновременно роль модификаторов.

При сварке алюминиевых бронз легко образуется тугоплавкий окисел А1203, засоряющий сварочную ванну, ухудшающий сплав­ление металла и свойства сварного соединения. Для его разруше­ния применяют флюсы, состоящие из фторидов и хлоридов, щелоч­ных и других металлов.

4. При сварке латуней возможно испарение цинка (температура кипения 907° С, т. е. ниже температуры плавления меди). Обра­зующийся окисел цинка ядовит, поэтому при сварке требуется хорошая вентиляция. Испарение цинка может привести к порис­тости металла шва. Это осложнение удается преодолеть предва-

рительным подогревом металла до температуры 200—300° С и повы­шением скорости сварки, уменьшающим растекание жидкого ме­талла и испарение цинка.

Высокий коэффициент линейного расширения (в 1,5 раза боль­ше, чем у стали) может вызвать при сварке повышенные темпе­ратурные и остаточные сварочные напряжения и деформации. Сочетание высоких температурных напряжений со снижением механических свойств (рис. 156, а) может способствовать образо­ванию трещин. Для уменьшения деформации конструции сварку ведут в жестком закреплении, по прихваткам. При повышенной толщине металла регулируют величину зазора.

5. Медь в расплавленном состоянии поглощает значительные количества водорода. При кристаллизации металла сварочной ван­ны с большой скоростью ввиду высокой теплопроводности ме­ди и резким уменьшением растворимости водорода в металле (рис. 156, б) атомарный водород не успевает покинуть металл за счет десорбции. Закись меди восстанавливается водородом с обра­зованием паров воды:

Cu20 + 2H->2Cu-f Н20,

что приводит к образованию в шве пор и трещин.

В околошовной зоне диффузионно-подвижный водород взаимо­действует с Си20, располагающейся по границам зерен; образую­щиеся пары воды, которые не растворяются в меди и не могут из нее выйти, создают в металле значительные напряжения, приводя­щие к образованию большого числа микротрещин. Это явление получило название водородной болезни меди. Для предупрежде­ния водородной болезни меди следует снижать количество водорода в зоне сварки (прокалка электродов и флюсов, применение осушен­ных защитных газов) Окись углерода также может участвовать в раскислении меди по реакции что также способствует образованию пор. Сродство меди к азоту весьма мало, поэтому азот можно использовать при сварке меди в качестве защитного газа.

С. Повышенная жидкотек у честь расплавленной меди и ее спла­вов (особенно бронзы) затрудняет сварку в вертикальном и пото­лочном положениях, поэтому чаще всего сварку ведут в нижнем положении. Для формирования корня шва без дефектов необхо­димы подкладки.

Для меди и сплавов на ее основе могут быть использованы все основные способы сварки плавлением.

Сварка в защитных газах. Этот способ позволяет получать сварные соединения с наиболее высокими свойствами (механи­ческими, коррозионными и т. д.), так как металл шва содержит минимальное количество примесей.

Сварку выполняют неплавящимся (вольфрамовым) и плавя­щимся электродами. Используют инертные по отношению к меди газы: аргон всех сортов по ГОСТ 10157—73, гелий (чистотой 99,9%), азот (с дополнительным его осушением и очисткой сели- кагелем). Эти газы в меди не растворяются и с пей не взаимодей­ствуют. Целесообразно использование газовых смесей типа 70 ч - - т-80% Аг - ф 20 - г - 30% JN., для экономии аргона и увеличения про­изводительности (повышается глубина проплавлення).

Используют вольфрамовые лапланированные или итерирован­ные электроды диаметром до б мм. В качестве присадочного металла при сварке плавящимся и неплавящимся электродом пригодна проволока из меди и ее сплавов, которые по составу идентичны основному металлу, но содержат раскислители (медь марок MU, Ml, М2; медно-кремнистая бронза БрКМц 3—1; хромистая бронза БрХ 0,7).

Свариваемые кромки и сварочную проволоку тщательно очи­щают от окислов и загрязнений: кромку — механическим путем (наждаком, металлической щеткой и т. п.), проволоку — травле­нием в растворе, состоящем из азотной, серной и соляной кислот, с последующей промывкой в воде, щелочи, воде и сушкой горячим воздухом.

В ряде случаев (сварка в азоте) для улучшения качества при­меняют флюс па борной основе, который наносят на присадочный металл, либо закладывают в канавку подкладки.

Подготовка кромок зависит от толщины металла. При толщине металла 6 < 5 мм — без скоса кромок, при 6 = 6 - т - 12 мм — V-образная и при большей толщине — Х-образная разделка с углом раскрытия 70—90° для неплавящегося электрода и G0— 70° для плавящегося без притупления. Детали под сварку собирают на прихватках (шаг до 400 мм) или в специальных жестких приспо­соблениях, обеспечивающих меньшие деформации. Для формиро­вания корня шва используют подкладки из предварительно про­каленного графита или меди (в этом случае с водяным ее охлажде­нием). Металл толщиной до 5 мм сваривают с подогревом до темпе­ратуры 350° С. С увеличенном толщины металла подогрев увели­чивают до температуры 600—800° С.

При неплавящемся электроде сварку выполняют на перемен­ном токе или на постоянном токе прямой полярности. При сварке плавящимся электродом используют постоянный ток обратной полярности. Выбор диаметра вольфрамового электрода и присадки зависит от толщины свариваемого металла.

TOC o "1-5" h z Толщина металла, мм................... 1—1,5 2—3 4—6 7—10 11—16 16

Диаметр вольфрамового элек­трода, мм 1,6—2 3—4 4—5 4—5 5—6 6

Диаметр присадочной проволо кн, мм. 2 3 4 5 5—6 6

Сварочный ток при сварке вольфрамовым электродом выбирают в зависимости от диаметра электрода, рода тока и защитного газа.

При сварке в азоте или смеси азота с гелием силу тока умень­шают на 10—15%, а напряжение повышают па 15—2096.

При сварке плавящимся электродом в инертных газах исполь­зуют обычные полуавтоматы для сварки в защитных газах и сва­рочную проволоку диаметром 1—2 мм: сила сварочного тока 150— 200 Л для проволоки диаметром 1 мм и 300—450 А для проволоки диаметром 2 мм; напряжение дуги 22—26 В; скорость сварки зави­сит от сечения шва. При сварке латуней, бронз и медно-никелевых сплавов наиболее широко используют вольфрамовый электрод, так как при сварке плавящимся электродом происходит более интенсивное испарение цинка, олова и др.

При использовании плавящегося электрода небольшого диа­метра (0,8—1,4 мм) достаточно хорошо свариваются латуни и мед­но-никелевые сплавы. В связи с меньшей теплопроводностью этих сплавов предварительный подогрев (до 100—150° С) требуется при толщине металла свыше 12 мм.

Другие способы сварки. Среди других способов сварки меди и ее сплавов наиболее важное значение имеют ручная дуговая сварка плавящимся толстопокрытым электродом и механизиро­ванная дуговая сварка под флюсом.

Механизированная сварка под флюсом возможна пеплавящимся угольным или графитовым электродом (рис. 157) и по обычной схеме плавящимся электродом. При сварке угольным злектродом кромки 1 собирают на графитовой подкладке 2, поверх стыка накладывают полоску латуни 3, которая служит присадочным металлом. Дуга горит между угольным электродом 4, заточенным в виде плоской лопаточки, и изделием под слоем флюса 5. Обычно используют флюс марки ОСЦ-45; раскислителем служит цинк, содержащийся в присадочном металле.

Способ пригоден для сварки металла толщиной до 10 мм. Диа­метр электрода до 18 мм, сила тока до 1000 А, напряжение дуги 18—21 В, скорость сварки 6—25 м/ч. Сварку выполняют на по­стоянном токе обратной полярности. Предварительный подогрев

осуществляют закорачиванием элект­рода на изделие перед началом сварки.

Для механизированной сварки плавящимся электродом под флюсом используют стандартные автоматы типа АДС-1000 и флюсы типа ОСЦ-45, АН-348А и AII-20. Сварочная про­волока диаметром 3—5 мм из меди марок Ml, М2 или бронзы КМц 3-1, БрОЦ 4—3 и др., содержащих рас - кислители.

Однопроходную сварку и первые слои при многопроходной сварке выполняют на графитовой подкладке или флюсовой подупгке. В связи с отсутствием предварительного подо­грева начало шва располагают на выводной планке. При тол­щине листов до 15 мм соединение без скоса кромок; при большей толщине — V-образная разделка с углом раскрытия 90°, притупле­ние 2—5 мм, без зазора.

При использовании сдвоенного (расщепленного) электрода металл толщиной до 30 мм можно сваривать без разделки кромок с расположением электродов поперек шва. Сварку ведут на по­стоянном токе обратной полярности сварочной проволокой диа­метром до 5 мм без предварительного подогрева кромок (табл. 99).

Флюс, используемый для сварки и подкладки перед сваркой, должен быть прокален нри температуре 300—400° С. При исполь­зовании для сварки присадочной медной проволоки состав металла шва и его свойства незначительно отличаются от свойств основного металла. Легирование металла шва раскислителями при сварке с использованием присадочного металла из бронз сильно снижает его тепло - и электропроводность.

Для сварки латуней используют флюсы марок АНФ-5 или МАТИ-5 и электроды из медной проволоки, что уменьшает угар
цинка Положительные результаты при сварке меди и ее сплавов достигаются при использовании керамических флюсов К-13 (МВТУ) и ИСМ-1.

Для ручной дуговой сварки толстопокрытыми электродами используют электроды марок «Комсомолец 100», ЗТ и Л ПИ-1. Для стержней электродов марки «Комсомолец» применяют медь марки Ml и М2; толстое покрытие имеет состав: плавиковый шпат 15%, полевой шпат 12,5%, кремнистая медь 25%, ферро­марганец 47,5% (жидкое стекло 20% от массы сухих компонен­тов). Толщина покрытия 0,4 мм, его наносят окунанием, после­дующей просушкой и прокалкой при температуре 300е С в течение 2 ч. В электродах ЗТ используют стержень из бронзы БрКМцЗ—1.

Сварку ведут электродами диаметром 4—6 мм короткой дугой без поперечных колебаний на постоянном токе обратной поляр­ности. Сила сварочного тока / = (50 - s - 60) da. Сварка покрытыми электродами позволяет получить швы с хорошими прочностными свойствами, но ввиду применения раскислителей происходящее легирование металла шва ухудшает его теплофизические и элект­рические свойства (электропроводность шва составляет 20—25% электропроводности основного металла).

Угольные электроды применяют ограниченно; графитовые или угольные стержни имеют диаметры 4—20 мм, в качестве приса­дочного металла используют прутки из проволоки диаметром

3— 5 мм из меди марок МО или Ml или бронзы Бр. КМц 3—1. Сварку можно выполнять без специальной защиты или с применением флюса в виде буры или борного шлака. Флюс можно предвари­тельно наносить на присадочные прутки окунанием его в раствор жидкого стекла или па кромки в виде пудры.

Листы толщиной до 4 мм сваривают без разделки кромок, при большей толщине необходима разделка с углом раскрытия 70— 90е Сварку ведут па постоянном токе прямой полярности длинной дугой (ид ^ 40 В), что необходимо для предотвращения наугле­роживания металла при образовании СО и пористости. Перед началом сварки необходим подогрев начальных участков до тем­пературы 250° С. Сила сварочного тока I = (45 - г - 55)/е?.э; напря­жение дуги U = 40 - f - 50 В.

Сварка осуществима только в нижнем положении, после сварки рекомендуется проковка шва при температуре 550—800° С и после­дующее охлаждение в воде, так как быстрое охлаждение предотвра­щает сегрегацию Сп20 по границам зерен и охрупчивание металла.

Из других способов для сварки меди иногда используют дуго­вую плазму (толщина металла до 50 мм) и электронный луч.

Магний, алюминий и их сплавы

Сварка магния и его сплавов. Магний в чистом виде из-за малой коррозионной стойкости и прочности для изготовления конструк­ций непригоден. В технике для этой цели используют сплавы магния, так как легирование его некоторыми элементами заметно повышает его механические свойства без увеличения веса.

Основные легирующие элементы: марганец, алюминий, цинк и добавки — цирконий, церий. Предел прочности сплавов марок MAI, МА8, легированных в основном марганцем (1,3 -5- 2,5%), достигает 21—23 кгс/мм2 при относительном удлинении 10% и условном пределе текучести 9—11 кгс/мм2. Предел прочности сплавов марок МА2, МА21, М3, М5, более сложнолегированных (до 7—9% А1, до 1,5% Zn, до 0,8% Мп), достигает 26—30 кгс/мм2, предел текучести 14—15 кгс/мм2, относительное удлинение 5—8%. Прокат из сплавов этого типа используют в отожженном со­стоянии.

Сплавы магния МЛ4, МЛ5 и др. (буква Л указывает на то, что сплавы литейные) используют для получения отливок. Сваркой устраняют дефекты литья. Эти сплавы имеют повышенную склон­ность к образованию в швах горячих трещин, пор и усадочных рых - лот. Сплавы па основе магния активно окисляются на воздухе. Пленка собственных окислов магния на поверхности металла рых­лая и непрочная. Поэтому поверхность магниевых сплавов искус­ственно защищают пленкой из солей хромовой кислоты. По ука­занной причине перед сваркой с кромок и прилегающей поверх­ности основного металла (на ширину до 30 мм) травлением или механическим путем тщательно удаляют защитную пленку, окислы и другие загрязнения. После сварки на поверхность сварного соединения вновь наносят защитную пленку.

Сплавы магния находят применение в авиастроении, ракето­строении, судостроении, для изготовления различных емкостей под керосин, минеральные масла, для изготовления различных кассет и т. п.

Трудности сварки магния связаны со следующими его особен­ностями.

1. Образующаяся при сварке тугоплавкая пленка окисла магния MgO (7’пл = 2500° С) затрудняет процесс сварки. Для ее разрушения необходимо применять флюс либо использовать эффект катодного распыления при сварке вольфрамовым электродом в среде инертных защитных газов (ток переменный).

2. Склонность к появлению кристаллизационных трещин свя­зана с возможностью образования легкоплавких эвтсктик: MgCu (Тпп = 485° С); MgAl (Тпп = 436° С); MgNi (Тпп = 508° С). Поэтому начало и конец сварных швов необходимо располагать на выводных планках. Последовательность сварки: после сварки длинных швов и швов с большим сечением следует сваривать более короткие швы и швы с меньшим сечением.

3. Склонность сплавов, особенно содержащих марганец, к росту зерна металла в зоне термического влияния не допускает значительный перегрев металла (например, при скоплении в одном место сварных швов, при многослойной сварке без перерыва для охлаждения металла и т. п.).

4. Повышепное поглощение активных газов жидким металлом порождает склонность его к образованию пор, что также требует надежной зоны сварки от окружающего воздуха.

5. Высокий коэффициент линейного расширения магниевых сплавов приводит it значительному короблению сварных конструк­ций.

Основной способ сварки магниевых сплавов — дуговая сварка вольфрамовым электродом в среде инертных защитных газов. Такие способы сварки, как газовая, угольным и металлическим электродом с покрытием, при которых обязательно применение фториди о-хлоридиых флюсов различных составов (например, флюс состава 34% KF п 66% LiCl или состава 40% LiCl, 20% CaF2 и 40% NaCl), в настоящее время в промышленности применяют редко. Остатки флюсов и шлаков па поверхности швов вызывают коррозию магниевых сплавов, поэтому по окончании сварки их остатки необходимо смывать горячей водой.

Сварку в среде инертных газов (аргон высшего и первого сор­тов, гелий повышенной чистоты) вольфрамовым лантанированпым или иттрироваппым электродом выполняют на переменном токе. Присадочная проволока по составу близка к основному металлу либо имеет примеси (например, церий), обеспечивающие более пластичный металл шва.

Сварка осуществима для любых видов соединений. При сборке необходима тщательная подгонка кромок. Металл толщиной до 3 мм сваривают без скоса кромок, при толщине листов 3—6 мм необходима V-образная разделка и при толщине более 6 мм — Х-образная с притуплением 1,5—2 мм.

Для предупреждения попадания в металл окисной пленки с обратной стороны кромок сварку следует вести с полным нроплав - лением кромок, на подкладках из металлов с малой теплопровод­ностью (обычно из высоколегированной стали). Они также служат и для защиты обратной стороны шва. С этой точки зрения нахлес­точные, угловые и тавровые соединения менее технологичны.

Для ручной сварки металла толщиной до 3 мм применяют воль­фрамовый электрод диаметром 2—3 мм, ток /св = (30 н - 40)/dv при расходе аргона 7—9 л/мин. Автоматическая сварка возможна для металла толщиной от 1 мм п выше вольфрамовым электродом диаметром 2—6 мм на сварочном токе /св — (40 ч - 75) dy при рас­ходе аргона 6—10 л/мин. Диаметр присадочного прутка 1,5— 3 мм. Для уменьшения перегрева следует вести сварку на повы­шенной скорости.

Длину дуги поддерживают минимальной (1,0—1,5 мм), так как в этом случае обеспечивается энергичное разрушение окисной пленки за счет катодного распыления и улучшается защита зоны сварки инертным газом. Основной и присадочный металлы перед сваркой должны быть тщательно очищены от окисной пленки и загрязнений механическим или химическим способом. При аргоно­дуговой сварке прочность сварного соединения по сравнению

Z О

В'Я

с прочностью основного металла достигает 85—90%, при дуговой сварке угольным и металлическим электродом 70—80% и при газо­вой только 60—75%.

Сварка алюминия и его сплавов. В сварных конструкциях используют чистый алюминий и его сплавы (табл. 100). Сплавы можно разделить на две группы: деформируемые, применяемые в виде проката, поковок и т. п., и литейные, применяемые для отли­вок. Сварку алюминиевых литейных сплавов (обозначение АЛ) используют при исправлении дефектов литья. Деформируемые сплавы разделяют на нетермоупрочняемые (система легирования А1—Мп марки АМц, Al—Mg марки ЛМг) и термоупрочняемые более сложной системы легирования (Al—Mg—Си; Al—Zn—Mg; Al— Si—Mg). Все нетермоупрочняемые сплавы поставляют в отожжен­ном состоянии и поэтому воздействие термического цикла сварки не вызывает разупрочнения металла в зоне термического влияния.

При сварке термоупрочненных сплавов вследствие выпадения интерметаллидов под действием термического цикла сварки металл в зоне термического влияния разупрочняется (прочность сварного соединения в этой зоне составляет 60—70% прочности основного металла). Поэтому применение сплавов этой группы для сварных конструкций нецелесообразно. Если после завершения сварки возможно осуществить двойную термообработку (закалку и искус­ственное старение) для восстановления исходных свойств металла в разупрочненном металле зоны термического влияния, применение их для сварных конструкций целесообразно. Эффект естественного старения недостаточен для полного восстановления исходных свойств металла в этой зоне.

Трудности сварки алюминия и его сплавов следующие.

1. Наличие и возможность образования тугоплавкого окисла А1203 (Гпл = 2050° С) с плотностью больше, чем у алюминия, затрудняет сплавление кромок соединения и способствует загряз­нению металла шва частичками этой пленки. Перед сваркой для удаления пленки следует очищать поверхности кромок и приле­гающего основного металла и особенно тщательно поверхность присадочного металла (в связи с большой поверхностью и относи­тельно малым объемом), травлением или механическим путем.

Окисную пленку, образующуюся при сварке, удаляют либо катодным распылением, либо применяя флюсы, которые обеспе­чивают ее растворение или разрушение с переводом в летучее соединение. Так, например, при использовании флюсов состава 50% КС1; 15% NaCl; 35% Na3AlF2 происходит разрушение Al2Os ко реакции

А1203 - f 6КС1 = 2А1С13| + ЗКаО

и растворение А1208 в криолите Na3AlF2 с образованием легко­плавкого шлака (NaCl снижает температуру плавления криолита). Криолит не только растворяет А1203, но, изменяя поверхностное натяжение металла, способствует образованию мелкокапельпого

переноса электродного металла. Остатки флюса и шлака (едкие щелочи) способствуют коррозии алюминия. Поэтому при приме­нении флюсов и покрытых электродов после сварки необходимо смывать остатки флюса и шлаки горячей водой.

2. Резкое падение прочности при высоких температурах (рис. 158, а) может привести к разрушению (провалнванию) твер­дого металла нерасплавившейся части кромок иод действием веса сварочной ванны. В связи с высокой жидкотекучестью алюминий может вытекать через корень шва. Газмеры сварочной ванны трудно контролировать, так как алюминий при нагреве практически пе меняет своего цвета. Для предотвращения провалов или прожо­гов при однослойной сварке пли сварке первых слоев многопроход­ных швов на большой погонной энергии необходимо применять формирующие подкладки из графита или стали.

3. В связи с большой величиной коэффициента линейного расширения и низким модулем упругости сплав имеет повышен­ную склонность к короблению. Поэтому необходимо прибегать к жесткому закреилеыню листов с помощью грузов, а также пнев - мо - или гидравлических прижимов на специальных стендах дли сварки полотнищ и секций из этих сплавов. Ввиду высокой тепло­проводности алюминии приспособления следует изготовлять из материалов с низкой теплопроводностью (легированные стали и т. п.).

4. Необходима самая тщательная химическая очистка свароч­ной проволоки и механическая очистка и обезжиривание свари­ваемых кромок, так как сварку осложняет не только окисная пленка. В связи с резким повышением растворимости газов в нагретом металле и задержкой их в металле при его остывании

возникает интенсивная пористость, обусловленная водородом, приводящая к снижению прочности и пластичности металла. Водород, растворенный в жидком металле (рис. 158, б), должен в количестве 90—95% своего объема выделиться из металла в мо­мент его затвердевания. Этому препятствует пленка тугоплавких окислов и низкий коэффициент диффузии водорода в алюминии.

Поры образуются преимущественно в металле гава; часто наб­людают поры у линии сплавления в связи с диффузией водорода из основного металла под действием термического цикла сварки. Предварительный и сопутствующий подогрев до температуры 150— 250° С при сварке толстого металла замедляет кристаллизацию металла сварочной ванны, способствуя более полному удалению газов и уменьшению пористости. Наибольшей склонностью к порам обладают сплавы типа АМг.

5. Вследствие высокой теплопроводности алюминия необхо­димо применение мощных источников теплоты. С этой точки зре­ния в ряде случаев желательны подогрев начальных участков шва до температуры 120—150° С или применение предварительного и сопутствующего подогрева.

6. Металл шва склонен к возникновению трещин в связи с грубой столбчатой структурой металла шва и выделением по границам зерен легкоплавких эвтектик, а также развитием зна­чительных усадочных напряжений в результате высокой литейной усадки алюминия (7%).

Легкоплавкая эвтектика на основе кремния (7'пл = 577° С) приводит к появлению трещин, если содержание кремния невелико (до 0,5 %); при содержании кремния свыше 4—5% образующаяся эвтектика «залечивает» трещины. При обычном содержании крем­ния (0,2—0,5%) в металл шва вводят железо (Fe Зг Si), что при­водит к связыванию кремния в тройное соединение Fe—Si—А1 входящей в состав тугоплавкой перитектики. Это препятствует растворению кремния в жидком ликвате.

При сварке сплавов системы А1—Zn—Mg возможно замедлен­ное разрушение — образование холодных трещин через некоторое время после сварки, обусловленное действием сварочных напря­жений первого рода и выпадением и коагуляцией интерметаллидов.

Алюминий и его сплавы можно сваривать многими способами дуговой сварки, угольным электродом, металлическим покрытым электродом, плавящимся электродом по слою флюса, вольфрамо­вым и плавящимся электродом в среде инертных защитных газов и электрошлаковой сваркой. Наиболее важное значение в настоя­щее время имеет ручная и механизированная сварка в инертных газах.

В среде инертных газов сварку выполняют неплавящимся (вольфрамовым) и плавящимся электродами. Вольфрамовые элект­роды лантанированные или иттрированные. Инертные газы: аргон 1-го и 2-го сортов по ГОСТ 10157—73, гелий повышенной чистоты и смесь аргона с гелием. Сварка вольфрамовым электро­
дом диаметром 2—6 мм целесообразна для металла толщиной до 12 мм. Присадочный металл выбирают в зависимости от марки сплава: для технического алюминия — проволоку марок АО, АД или АК, для сплавов типа АМг — проволоки той же марки, по с увеличенным (на 1—1,5%) содержанием магния для компен­сации его угара. Диаметр присадочных проволок 2—5 мм.

Ручную аргонодуговую сварку вольфрамовым электродом ведут на переменном токе на установках типа УДГ-300, УДГ-500, при расходе аргона 6—15 л/мип. Сварку можно выполнять не только в аргоне, но и в гелии при расходе гелия в 1,8—2,2 раза выше, чем аргона. Напряжение дуги при сварке в аргоне 15—20 В,

при сварке в гелпи (табл. 101) 25—30 В.

При толщине листов до 3 мм сварку можно вести за один проход на подкладке, металл толщиной 4—6 млі мож­но сваривать без скоса кромок за два про­хода с двух сторон. При толщине металла свыше 6 млі необходи - ліа V-образная раздел­ка и увеличение числа проходов до четырех (6 = 8 - ь 15 мм). Возможна также Х-образ - ная разделка. Сварка вольфрамовым электродом легко механи­зируется установкой горелки на каретку или механизированной подачей присадочной проволоки, как это сделано в специализи­рованном автомате для сварки вольфрамовым электродом типа АД СВ-2.

Производительность сварки вольфрамовым электродом можно повысить в 3—5 раз, если использовать трехфазную дугу. Это повышает мощность источника и позволяет за один проход (на подкладке) сваривать металл толщиной до 30 мм (рис. 159, а). В специальной горелке с увеличенными размерами сопла 1 рас­положены два вольфрамовых электрода 2 и 3. В качестве защит­ных газов используют аргон или смесь аргона и гелия. Электроды и изделие 4 подключают к трехфазному трансформатору (либо используют два однофазных трансформатора).

Совокупность трех дуг — двух зависимых (горящих между электродалш и изделием) и одной независимой (горящей между вольфрамовыми электродами) позволяет нагревать ліеталл непре­рывно, так как постоянно существует одна из разновидностей дуг. При ручной сварке металла толщиной 5—6 млі используют вольфра­мовые электроды диаліетролі 1,5—3 мм. Сила сварочного тока /св = 40<Ащ диаліетр присадочной проволоки 2—3 мм; скорость сварки 8—12 м/ч.

Процесс легко механизируется; для этого вида сварки сущест­вует специализированный автомат АДТГ-600. Толщина сваривае­мого за один проход металла 8—30 мм (рис. 159, б); диаметр вольф­рамовых электродов 8—10 мм; сила сварочного тока /св = 60 ч-

ч - 65dw диаметр присадочной проволоки 2—2,5 мм; скорость сварки от 30 м/ч (6 = 8 мм) до 4 м/ч (6 = 30 мм). Сварка вольфра­мовым электродом позволяет получить соединения наиболее высокого качества.

Сварка плавящимся электродом возможна в чистом аргоне, либо в смеси из аргоиа и гелия (до 70% Не) на постоянном токе обратной полярности проволокой диаметром 1,5—2,5 мм (табл. 102). Разделка кромок V-образная и X-образная с углом раскрытия 70—90°, либо рюмкообразная с углом раскрытия 30°; притупление 6 мм. Такое раскрытие кромок необходимо для размещения в раз­делке наконечника горелки (рис. 160, а). Порядок заполнения разделки показан на рис. 160, б. Угловые швы свариваются про­волокой диаметром 1,5—2 мм ири силе сварочного тока 200—300 Л, напряжении дуги 16—24 В, расходе аргона до 15 л/мин.

Скорость сварки определяется сечением шва и может достигать 30—40 м/ч. Хотя для сварки используют стандартное оборудо­вание, необходимо обеспечить скорость подачи проволоки до 400 м/ч. При использовании газовой смеси из 30% Аг и 70% Не удается за один проход (па подкладке) сваривать металл толщиной до 16 мм, за два прохода — до 30 мм, так как при этом составе смеси увеличивается и ширина и глубина провара (табл. 103). В этом случае форма шва приобретает более благоприятную форму (рис. 160, в).

Механизированная сварка плавящимся электродом может быть выполнена с использованием фторидно-хлоридных флюсов марок AII-A1 и АН-А4. Флюс марки АН-А1 используют для сварки технического алюминия, флюс марки АН-А4, не содержащий NaCl, — для алюминиево-магниевых сплавов. Для сплавов этого типа наличие NaCl во флюсе недопустимо, так как за счет маг­
ния и алюминия из флюса восста­навливается натрий; он попадает в шов, в результате в металле возникает пористость и снижается пластичность (б, ф).

Механизированную сварку ли­стов ведут по слою флюса (рис. 161), так как даже нерас­плавленный флюс обладает боль­шой электропроводностью, шун­тирует дугу и нарушает ста­бильность процесса. Толщина и ширина слоя насыпаемого флюса зависят от толщины свариваемого металла (обычно 10—16 мм). Возможна сварка одиночным и сдвоенным электродом на посто­янном токе обратной полярности. С обратной стороны шва для предотвращения протеков жидкого металла необходима сталь­ная формирующая подкладка (табл. 104).

Из-за малой жесткости проволоки, колебания ее конца откло­нения от оси шва могут привести к непроварам. В этом случае болеее благоприятные результаты дает сварка сдвоенным элек­тродом, так как увеличиваются размеры сварочной ванны и время пребывания металла в жидком состоянии, а следовательно, улуч­шается дегазация и уменьшается пористость. Автоматы типа ТС-17МА, приспособленные для сварки алюминия, имеют доза­торы флюса и водоохлаждаемые мундштуки. В последние годы разработаны флюсы, при использовании которых дуга горит под слоем флюса.

С использованием флюсов марок АН-А301 и АН-А302 в ряде случаев осуществляют електрошлаковую сварку алюминия и алю­миниевых сплавов толщиной 50—250 мм на переменном токе пластинчатым электродом или плавящимся мундуштуком. Проч­ность соединений не менее 80—90% прочности основного металла.

Ручную дуговую сварку покрытыми электродами применяют при толщине металла свыше 4 мм, сварку ведут на постоянном токе обратной полярности, как правило, без поперечных коле­баний.

При сварке технически чистого алюминия и сплавов АМц металлический стержень электрода изготовляют из проволок состава, близкого к составу основного металла. Для сплавов типа АМг следует применять проволоку с повышенным содержа­нием магния (1,5—2%) для компенсации его угара при сварке. Основу покрытия электродов составляют криолит, хлористые и фтористые соли натрия и калия.

При толщине металла свыше 10 мм необходима V-образная разделка кромок с углом раскрытия 60° и притуплением 1—2 мм. При сварке алюминия необходим предварительный подогрев металла до температуры 100—200е" С (особенно в начале шва). Диаметр электродов 4—8 мм; сила сварочного тока /св = (45ч-55)^а.

Ручную дуговую сварку угольным электродом используют только для неответственных конструкций (в основном для алю­миния). Сварочный ток прямой полярности. Диаметр угольного электрода dy = 10-е 20 мм; сила сварочного тока I — (20-е 25)<2У; напряжение 25—35 В. Присадочный пруток из алюминия марки А1 или сплава марки АК5 (с кремнием, уменьшающим опасность кристаллизационных трещин) диаметром 2—5 мм. На присадоч­ный пруток предварительно наносят слой флюса многократным окунанием прутка в водный раствор флюса подходящего состава (смеси фторидно-хлоридных солей) или флюс в виде пасты нано­сят на свариваемые кромки.

Никель и его сплавы

Специальные свойства никеля: жаропрочность, высокая корро­зионная стойкость, высокое электросопротивление — обусловили достаточно широкое применение технического никеля марок от Н-0 до Н-4, в котором количество примесей не превышает 2,4% (ав = 30-н77 кгс/мм2); б = 2ч-50% в зависимости от термо­обработки и степени деформации), монель-металла (53—60% Ni; 27—29% Си; 2—3% Fe; 1,2—4,8% Мп), а также группы жаро­прочных сплавов.

В данном параграфе рассмотрены особенности сварки только технического никеля и сплавов типа монель-металла, которые применяют в основном в химическом машиностроении. Монель - металл по структуре относится к сплавам типа твердых раство­ров, так как медь и никель обладают неограниченной раствори­мостью. Особенности сварки никеля и монель-металла общие.

Трудности сварки этих материалов обусловлены следующими факторами.

1. Большая склонность к образованию пор связана с резким изменением растворимости кислорода, азота и водорода при

переходе металла из твердого в жидкое состояние (рис. 162). При попадании н сварочную ванну этих газов могут проходить реакции типа

Ni0 + 2HitNi + H20;

NiO + C^Ni + CO

с образованием продуктов, нераствори­мых в металле и способствующих в про­цессе кристаллизации металла образо­ванию пор в металле шва. Азот, попадая в сварочную ванну, частично образует нестойкие нитриды типа Ni3N и частич­но — газовую фазу, также способст­вующую образованию пор.

По указанной причине технология сварки должна обеспечивать надежную защиту зоны сварки от атмосферного воздуха, хорошее раскисление сварочной ванны и хорошую де­газацию сварочной ванны. Эффективная мера предотвращения пористости — сварка короткой дугой (до 1,5 мм), что резко умень­шает подсос газов из атмосферы.

2. Высокая склонность металла к образованию кристаллиза­ционных трещин связапа с образованием по границам крупных зерен, имеющих транскристаллитное строение, легкоплавких эвтектпк тина Ni3S + Ni (7'nJI = 645°С), NisP 4 Ii (7,л =-- 880°C). Для предотвращения возникновения таких трещин в основном металле и сварочных материалах ограничивают содержание вред­ных примесей и вводят элементы, связывающие серу в более туго плавкие соединения: до 5% Ми и до 0,1% Mg.

Для ограничения роста зерна сварку ведут на ограниченной погонной энергии и вводят в небольшом количестве в металл шва модификаторы (титан, алюминий, молибден), измельчающие его структуру. При многопроходной сварке последующие швы необходимо накладывать после полного охлаждения предыдущих.

3. При сварке никеля и его сплавов металл в сварочной ванне менее жидкотекуч, чем при сварке стали, и проплавляется на меньшую глубину, поэтому необходимо несколько увеличивать угол разделки кромок.

При выборе способа и разработке технологии сварки основ­ное внимание уделяют обеспечению необходимых эксплуатацион­ных свойств соединений. Поэтому даже для одного и того же сплава технология может быть различной.

При дуговой сварке никеля и его сплавов нет необходимости всегда добиваться для шва того же химического состава, что и основной металл, так как для технического никеля, например, при совпадении химического состава в шве не удается избежать пор, трещин и других дефектов. Для предотвращения этих дефек­

тов п получения необходимых свойств шва приходится прибегать к комплексному легированию.

Для соединения никеля в настоящее время применяют в основ­ном дуговую сварку вольфрамовым и плавящимся электродом в среде защитных газов и механизированную сварку плавящимся электродом под флюсом. Возможна также ручная сварка толсто­покрытыми электродами и сварка угольной дугой.

Дуговую сварку вольфрамовым электродом выполняют на по­стоянном токе прямой полярности с использованием аргона

1- го сорта (ГОСТ 10157—73) и присадочной проволоки марки НМц2,5 (2,3—3,3% Мп), реже марки НМц5. Дуговую сварку плавящимся электродом обычно применяют для металла толщи­ной свыше 4—5 мм с использованием тех же сварочных материалов.

Механизированную сворку под флюсом осуществляют на по­стоянном токе обратной полярности. Флюсы должны быть без - окислителышми или бескислородными типа 48-ОФ-б, АІІФ-5 и т. п. В ряде случаев для никеля используют керамические флюсы, например марки ЖН-1 (мрамор 12%, плавиковый шпат 60%, глинозем 15%, марганец 5%, титан 2%, алюминий 6%, жидкое стекло 20% к массе сухой смеси) и проволоки из никеля марок И-0, НГТ-1 и НП-2. При использовании проволоки НМц2,5, вносящей в сварочную ванну достаточное количество раскисли - гелей. следует применять флюсы без раскислителей.

Для предупреждения роста зерна сварку стремятся вести швами небольшого сечения. Ввиду высокого электросопротивле­ния проволоки вылет электрода устанавливают в 1,5—2 раза меньше, чем при сварке низколегированной стальной проволокой.

Ручную дуговую сварку толстопокрытыми электродами выпол­няют па постоянном токе обратной полярности. Стержень элек­трода марки НМц2,5 или из чистого никеля марок НПО и НП1, покрытие типа Б (например, марки электродов Н-10, Н-37, «Про­гресс-50»),

Дуговую сварку угольным электродом используют при необ­ходимости только для тонкого металла с обязательным примене­нием флюса на борной основе и присадочных прутков марки НМц2,5. В отдельных случаях для улучшения качества шва во флюс добавляют небольшое количество порошка алюмпнпя, феррованадия, ферротитана.

С учетом дополнительных указаний режимы сварки выбирают те яге, что и для стали.

Титан и его сплавы

Титан обладает высокой прочностью до температур 450—500° С при малой плотности, высокой коррозионной стойкостью во мно­гих агрессивных средах и все шире применяется в качестве кон­струкционного материала в сварных конструкциях различного назначения.

Раздельное или совместное легировапие технического титана небольшими добавками некоторых элементов, например 3—6,5% AI, до 2?(i Мп, 3,5—4,5% У, до 2,5 Сг, 2—3% Sn, значительно увеличивает его прочность (до 100—140 кгс/мм2) при достаточ­ной пластичности.

Титан имеет полиморфное превращение при температуре 882° С и две аллотропические формы: а-тптан с гексагональной решеткой при температуре до 882е С и (1-титан с объемно-цен­трированной решеткой при температурах выше 882° С.

Ряд элементов, в частности алюминий, олово, азот, кисло­род, повышают температуры полиморфного превращения, рас­ширяют область а-титана и называются ос-стабшшзаторами. Такие элементы, как молибден, ванадий, марганец, хром, способ­ствуют сохранению при нормальной температуре высокотемпера­турной структуры (3-титана и называются (3-стабилизаторами. В зависимости от комбинаций легирующих компонентов сплавы титана могут быть а-сплавами, (3-сплавами н a - f (З-снлавамн.

Сплавы со стабильной при различных температурах структу­рой (технический титан ВТ1, сплавы ВТ5 и ВТ5-1) термообработ­кой не упрочняются, поэтому они обладают хорошей сваривае­мостью. Сплавы со стабильной (3-структурой (типа ВТ14) также имеют высокую термическую стабильность, высокую прочность, пластичность и также хорошо свариваются.

Двухфазные сплавы, где (3-фаза существует при повышенных температурах (типа ОТ4), термообработкой пе упрочняются, а сплавы, где (3-фаза может сохраняться при охлаждении до ком­натной температуры (сплавы ВТ6, ВТ14), упрочняются термо­обработкой и свариваются хуже; термообработка (закалка + искусственное старение) позволяет довести их прочность до 140 кгс/мм2 при удовлетворительной пластичности.

Осповньте затруднения при сварке титана связаны с его высо­кой химической активностью по отношению к газам при нагреве и расплавлении. Так, при температурах 350° С и выше титан активно поглощает кислород с образованием структур внедре­ния, имеющих высокую прочность, твердость (может быть в 2 раза выше, чем у титана) и малую пластичность. Кислород стабили­зирует a-фазу при его взаимодействии по реакции Ті 02 = = ТЮ2 с образованием поверхностного слоя большой твердости, который называется альфированным слоем.

При нагреве до температуры 550° С и выше титан энергично растворяет азот, химически взаимодействует с ним, в результате часто образуются малопластичные фазы внедрения (нитриды):

Ti + 0,5N2 = TiN либо 6Ti-f Na = 2TisN.

Азот, находящийся в титане в виде нитридов и элементов вне­дрения, повышает твердость и снижает его пластичность. Поверх­ностный слой титана насыщается повышенным количеством азота и кислорода (альфированный слой). Попадание частиц этого слоя

Отрицательное влияние насыщения нагретого и расплавлен­ного металла газами требует тщательной защиты при сварке но только расплавленного металла, но а участков твердого ме­талла, нагретого до температуры 400° С и выше. Обычно это достигается применением флюсов, специальных газовых насадок, а также применением с обратной стороны шва газовых защитных подушек, флюсовых и металлических подкладок. Защита счи­тается надежной, если после сварки поверхность металла имеет блестящую поверхность.

Титан и его сплавы чувствительны к термическому цпклу сварки, при нагреве и охлаждепип металла в области (1-фазы наблюдается рост зерна. Этому способствует и низкая теплопро­водность титана. При охлаждении и старении могут образовы­ваться хрупкие фазы. В результате этих процессов снижаются пластические свойства металла и появляется неоднородность свойств сварного соединения.

При сварке титана и его сплавов используют присадочный металл, близкий по составу к основному металлу. Во многих случаях положительные результаты получаются при использова­нии проволоки ВТ1-00. Для удаления водорода проволоку обычно подвергают диффузионному (вакуумному) отжигу. Подготовку кромок ведут механическим путем, газокислородной или плазмен­ной резкой с последующим удалением металла насыщенных газами кромок механической обработкой. Перед сваркой поверх­ности кромок и прилегающего основного металла, а также элек­тродной проволоки тщательно очищают механическим путем или травлением.

В связи с низкой теплопроводностью титана стыковые швы при сварке плавящимся электродом в аргоне имеют характерную конусообразную форму (рис. 164, а) с малым фпр = В III, что вызывает необходимость для некоторых конструкций наложения галтельных швов (рис. 164, б) либо перехода к сварке в гелии с целью улучшения формы внешней части усиления шва (рис. 164, в). Удельное электросопротивление титана примерно в 4 раза больше, чем у железа, поэтому вылет плавящегося электрода должен быть относительно небольшим.

Основные способы сварки титана — дуговая сварка в среде инертных газов, иод флюсом, электрошлаковая и электронным лучом.

Дуговая сварка в среде инертных газов титана и его сплавов может быть осуществле­на неплавящимся л анта- нированным или иттри - рованным вольфрамо­вым электродом п пла - рнс ^4 формы проплавлення при сварке вящимся электродом. титана плавящимся электродом

Применяют аргон только высшего сорта по ГОСТ 10157—73 или гелий высокой чистоты. Сварку выполняют с использованием удлиненных насадок на сопле (длиной до 500 мм) с подачей газа с обратной стороны через специальные подкладки, а также в ка­мерах с контролируемой атмосферой.

Титан небольшой толщины (до 4 мм) вольфрамовым электро­дом сваривают на обычных установках для автоматической аргоно­дуговой сварки неплавящимся электродом (табл. 105). Присадоч­ный пруток подают только при толщине металла более 1.5 мм. Возможна также ручная сварка на постоянном токе прямой полярности. Без подачи присадочного прутка прочность соеди­нения равна прочности основного металла. При подаче прутка его нагретая поверхность адсорбирует некоторое количество газов атмосферы, что приводит к снижению пластичности металла шва на 40—50%.

При толщине металла свыше 4 мм применяют разделку кро­мок V-, Х-образную и рюмкообразную. Для увеличения глубины проплавления при сварке вольфрамовым электродом применяют флюсы-пасты типа АН-ТА, которые наносят тонким слоем на поверхность кромок. Они позволяют без разделки кромок сва­ривать металл толщиной до 12 мм на меньших, чем при обычных способах, сварочных токах. Эта технология снижает деформации сварных конструкций и уменьшает пористость швов, а также способствует частичному рафинированию металла шва.

При сварке погруженной дугой, без разделки кромок также можно соединять металлы повышенной толщины.

При сварке плавящимся электродом за два прохода (с двух сторон) можно сваривать металл без скоса кромок толщиной до 36 мм. В качестве защитного газа используют аргон и гелий (табл. 106). При сварке за два прохода в аргоне швы получаются относительно более узкими (рис. 164, а), а в гелии — более широ­кими (рис 164, е), что связано с физическими свойствами защит­ных газов: при сварке в гелии требуется более высокое напряже­ние дуги. Сварку ведут на постоянном токе обратной полярности.

Механические свойства металла сварных швов и прочность соединения в целом зависят от марки титана, марки присадочной проволоки и могут быть доведены до соответствующих показа­телей основного металла. Для автоматической сварки по этой схеме используют модернизированные автоматы АДС-500 М, АДС-1000-24, для сварки угловых швов — автоматы АСУ-ИМ и полуавтоматы типа ПГТ-2.

При модернизации серийного оборудования (для сварки ста­лей) внимание уделяется повышению скорости подачи проволоки (вместо обычных 50—600 м/ч ее доводят до 2500—3000 м/ч) и созданию условий для полноценной защиты металла при сварке. Источники питания — с жесткой характеристикой.

С точки зрения уменьшения расхода дефицитных и дорогих материалов и повышения производительности сварки важное значение имеет способ сварки титана по узкому зазору — щеле­вой разделке, выполняемый ноилавящимся вольфрамовым или плавящимся электродом. В первом случае листы собирают с за­зором а = 6-ь12 мм; диаметр вольфрамового электрода dw = Зч-4 мм; диаметр присадочной проволоки 1,5—2 мм; сила сварочного тока 200—300 А; расход аргона 9—12 л/мин через горелку и

2— 3 л/мин с обратной стороны. При полуавтоматической сварке используют проволоку диаметром 1,6—2 мм при том же рас­ходе аргона, силе сварочного тока 360—420 А и напряжении 32—36 В.

При сварке под флюсом и электрошлаковой сварке исполь­зуют бескислородные флюсы (АН-Т1 и AI1-T2), основные компо­
ненты которых — фториды (CaF2, Na2F) и хлориды (КС1, NaCl). Для уменьшения опасности попадания водорода в металл шва требуется, чтобы содержание влаги во флюсе не превышало 0,05%.

Титан сваривают под флюсом на обычном оборудовании на постоянном токе обратной полярности. Этот способ экономически

эффективен при соеди-

нении металла толщи­ной свыше 6—8 мм, хотя сваривают металл и меньшей толщины (табл. 107). Прочность и пластичность сварных соединений получают не ниже, чем у основ­ного металла. При элек­трошлаковой сварке (табл. 108) для защиты шлаковой ванны и осты­вающего металла осу­ществляют поддув аргона через специальные каналы в ползунах из расчета 5—12 л/мин для металла толщиной 30—120 мм.

Тугоплавкие и химически активные металлы

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

лений. В технике применяют также сплавы ниобия с небольшим 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° С — кислород, свыше 350° С — водород, свыше 400° С — азот. В результате в металле образуются окислы, нитриды, гидриды, металл упрочняется, а его пластичность резко падает (рис. 165). 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 (Nb2G, Та.2С), 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 эвтсктик (Мо03 - f - М0О2 + М0; Твл = 780° С), а также охрупчиванием металла шва и околошов­ной зоны из-за возможного попадания газов атмосферы либо других загрязняющих веществ. Чуствительногть молибдена к за­грязнениям различного рода видна на рис. 166, на котором пока­зано изменение критической температуры перехода в хрупкое состояние в зависимости от содержания кислорода, азота и угле­рода. Наиболее резко влияет кислород; всего 0,0002% 02 повы­шает Т’кр до 200° С.

Воздействие термического цикла сварки приводит к росту зерна в околошовной зоне, при этом происходит утолщение меж-

зеренных прослоек, обогащение их примесями и резкое охруп­чивание основного металла в этой зоне. При наличии в ме­талле углерода возможно обра­зование пор (в связи с реакцией Мо03 + ЗС = Мо ЗСО), кото­рые располагаются по оси шва п линии сплавления.

Поэтому наряду с тщатель­ной очисткой основного металла и сварочных материалов предъ­являются особенно жесткпе тре­бования к чистоте основного металла (кислорода <0,0002%, азота < 0,0001 %, углерода
< 0,003%); в сварочную ванну вводят активные раскислители: 0,5—1% Ті; 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, ниобий и тантал) при соблюдении технологических условий сварки обладают хорошей свариваемостью. Сварка металлов второй группы (молибден, Еольфрам) вызывает большие трудности ввиду их высокой чувствительности к примесям, охрупчивающим металл. Подогрев молибдена до температуры 200—315° С и снятие оста­точных напряжений после сварки (при нагреве до 980° 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° 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 свар­ных соединений находятся па 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 (табл. 109).

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 (табл. 110).

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 Л; U = 18 13; /; = 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 постоянном токе обратной полярности на режиме: I — 400-ь 500 А; U = 32 В; vcu = 30-ь40 м/ч; нпп = 600-ь900 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: / = 125-ь 135 А U — 14-ь 18 В; v = 10 м/ч; ток постоянный, полярность прямая.

При электронно-лучевой сварке соединение осуществляется путем переплавлення 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 (табл. 111). Принципиально электронно­лучевая сварка за два прохода позволяет сваривать металл тол­щиной до 100 мм.

Таблица 111. Рекомендуемые режимы Таблица 112. Рекомендуемые режимы