СВАРКА И СВАРИВАЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

НИКЕЛЬ И ЕГО СПЛАВЫ

(Фролов В. В., Ермолаева В. И.)

28.1. Физико-химические свойства никеля

Никель-химический элемент VIII группы Периодической системы Д И Мен­делеева с порядковым номером 28 и атомной массой 58,71 Никель образует две аллотропные модификации: a-Ni кристаллизуется в гексагональной ре­шетке плотной упаковки и устойчив ниже 250 °С, 0-Ni кристаллизуется в гранецентрироваиной кубической решетке

Основные свойства никеля приведены ниже [I]:

TOC o "1-5" h z Плотность, кг/м3 ............................................................................. 8900

Температура плавления, °С............................................................ 1455

Температура кипения, °С............................................................... 3075

Коэффициент теплопроводности, Дж-см-1-град-1 . . 0,59

Удельное электрическое сопротивление, мкОмм. . 13,7

Предел прочности при растяжении, МПа:

отожженного....................................................................... 4000—5000

деформированного............................................................. 7500—9000

Характерной особенностью никеля является сохранение пластических свойств при высоких и низких температурах (табл. 28 1) [3]

Никель обладает высокой коррозионной стойкостью при обычной тем­пературе и при нагревании При обычной температуре воздух и вода не действуют иа металлический никель. При нагревании Ni взаимодействует с Ог, S, Se, Sb, Р, С, Si и В

Никель в твердом и расплав­ленном состоянии поглощает водо­род больше, чем медь.

Технический никель выпускают нескольких марок (ГОСТ 849—70), содержание чистого никеля со­ставляет от 99,99 % (по массе) (марка НО) до 97,6 % (по массе) (марка Н4).

28.2. Основные марки, структура и механические свойства

Никелевые сплавы, содержащие 55 % и более Ni, являются важнейшими конструкционными материалами благодаря их высокой коррозионной стой­кости, жаростойкости и жаропрочности, достаточной пластичности. Наибо­лее распространены сплавы Ni с Си, Cr, Мо, Al, Fe, Ті, Be. Никелевые сплавы условно можно разделить на четыре группы: конструкционные, тер­моэлектродные, жаростойкие и сплавы с особыми свойствами. К первой группе относятся сплавы иа медноникелевой основе (монель, мельхиор, ней­зильбер и др ). Их химический состав определяется ГОСТ 492—73. Кон­струкционные сплавы отличаются повышенными механическими свойствами и высокой коррозионной стойкостью. Один из наиболее распространенных сплавов этой группы сплав монель НМЖМц-28-2,5-1,5 имеет структуру типа твердого раствора. Предел прочности этого сплава выше 440 МПа, относи­тельное удлинение больше 25%, он хорошо обрабатывается в холодном и горячем состоянии, удовлетворительно сваривается.

Ко второй группе относятся сплавы типа хромель, алюмель, копель, манганин, константан. Эти сплавы отличаются большой электродвижущей силой и высоким удельным сопротивлением при малом температурном ко­эффициенте электросопротивления. Применяются они для изготовления пре­цизионных приборов, термопар и компенсационных проводов.

К третьей группе относятся нихромы, отличающиеся высокой жаропроч­ностью и жаростойкостью и применяющиеся главным образом для изготов­ления электронагревательных приборов, потенциометрических обмоток, мало­габаритных сопротивлений. Химический состав сплавов этой группы опреде­ляется ГОСТ 5632—72, ГОСТ 12766—67. Основными компонентами этой группы никелевых сплавов являются хром и железо.

К четвертой группе можно отнести сплавы, обладающие высокой про­ницаемостью в магнитных полях, например пермаллой, сплавы с особыми упругими свойствами (иивар) и другие (ГОСТ 10.160—75). Пермаллой при­меняют для изготовления сердечников трансформаторов, деталей реле, маг - нитопроводов и других устройств.

Сплавы с особыми упругими свойствами (инвар 36Н, ковар 29НК) (ГОСТ 10994—76) имеют заданную величину коэффициента теплового рас­ширения и применяются для изготовления деталей, практически не изменя­ющих свои линейные размеры в интервале температур —60-f - + 100 °С, или, наоборот, для создания термобнметаллов, состоящих из нескольких слоев металла или сплава с различными коэффициентами теплового расширения. Слои термобиметалла прочно соединяются между собой по всей поверхно­сти сопротивления сваркой При изготовлении термобиметаллических эле­ментов к материалу предъявляются повышенные требования по сваривае­мости.

28.3. Свариваемость никеля и его сплавов

28.3.1. Сопротивляемость кристаллизационным трещинам

Сварка Ni и его сплавов затруднена вследствие высокой чув­ствительности к примесям. Наиболее отрицательное влияние на качество сварных швов оказывают С и S. Содержание С огра­ничивают до 0,15% (по массе), а в некоторых сплавах — до 0,05 % (по массе).

Сера обладает большим химическим сродством к никелю. Особенно это заметно при температурах выше 400 °С, когда в течение. короткого времени образуется сульфид никеля, даю­щий легкоплавкую эвтектику с никелем с температурой плавле­ния 645 °С, которая располагается по границам зерен металла и может привести к появлению кристаллизационных трещин. Сульфид никеля может образоваться, если с никелем соприка­саются материалы, которые содержат даже небольшие количе­ства серы, например горючие материалы, масла, краски и т. д. Количество серы в сплавах ограничивают 0,005%—0,03% (по массе). Введение в сплав небольшого количества лития [0,004—0,006 % (по массе)] резко уменьшает влияние серы [8].

Фосфор образует эвтектику №зР—Ni с температурой плав­ления 880 °С и также может привести к появлению кристалли­зационных трещин, его содержание ограничивают 0,005 % (по массе). Свинец и висмут снижают технологические свойства никелевых сплавов, их содержание ограничивают 0,002— 0,005 % (по массе).

28.3.2. Склонность к порообразованию

Никель и его сплавы проявляют большую склонность к образо­ванию пор вследствие хорошей растворимости в расплавленном металле азота, водорода, кислорода и резкого снижения раство­римости при затвердевании металла. Легирование шва Ті, Сг и V уменьшает пористость, а легирование Мп, С, Si, Fe увеличи­вает. При аргонодуговой сварке вероятность образования пор уменьшается с повышением качества защиты зоны сварки.

28.3.3. Физико-химические особенности

При сварке Ni и его сплавов, особенно с Си, основной металл не претерпевает структурных превращений, не закаливается, поэтому нет необходимости применять предварительный подо­грев или последующую термообработку.

Некоторые сплавы Ni, особенно с Сг и Мо, проявляют склон­ность к межкристаллитной коррозии, для предотвращения кото­рой сварное соединение подвергают отжигу. Сваривать такие сплавы газовой сваркой нежелательно, так как длительное воз­действие высокой температуры может привести к понижению коррозионной стойкости.

При сварке никеля и его сплавов для улучшения сваривае­мости приходится вводить в зону сварки легирующие компо­ненты, поэтому химический состав сварного шва отличается от основного металла.

В зависимости от способа сварки никеля могут быть приме­нены различные методы легирования металла шва. Наиболее надежным методом легирования является применение электрод­ной проволоки определенного состава в сочетании с пассивным нелегирующим электродным покрытием, с флюсом или исполь­зование сварки в инертных газах.

28.4. Технология сварки и свойства соединений

28 4.1. Подготовка под сварку

При сварке Ni и его сплавов необходима тщательная зачистка кромок и прилегающих к ним участков на ширине 20—25 мм механическим путем, так как на них образуется налет, содер­жащий серу, с последующим обезжириванием в ацетоне, уайт - спирите или бензине. Химическое травление, как правило, не применяется, однако при наличии пленки окислов на поверхно­сти металла рекомендуется обработка в растворе следующего состава: 1 л Н20, 1,5 л H2S04, 2,25 л HNO3, 30 г NaCl в тече­ние 5—10 с с последующей промывкой в воде, нейтрализацией в 1 %-ном водном растворе аммиака и сушкой.

Металл в сварочной ванне при сварке никеля и его спла­вов более вязок, чем при сварке сталей, и поэтому проплавля­ется на меньшую глубину, что требует значительной разделки кромок и увеличения их притупления. При сварке кислотостой­кой аппаратуры следует избегать стыковых соединений с от - бортовкой кромок, так как образующиеся в этом случае «кар­маны» могут вызвать появление щелевой коррозии при экс­плуатации.

28.4.2. Газовая сварка

Газовую сварку преимущественно применяют при малой тол­щине (до 3—4 мм) Ni или его сплавов. В основном использу­ется ацетилено-кислородное пламя нормальное или слегка вос­становительное, р = 0,97ч-1,0, так как избыток ацетилена моэцет вызвать пористость металла шва. Электродную проволоку ис­пользуют марок Н-1, НП-1, НП-2, а также применяют ком­плексно-легированные проволоки, содержащие Ті, Al, Mn, Si, марок НМцАТЗ-1,5-0,6 и НМцТКІ-1,5-2-0,15 (ТУ 48-21-284—73).

В качестве присадочного материала используют проволоку из сплава НМц2,5, нихрома Х20Н80.

При газовой сварке Ni используют многокомпонентные флюсы: керамические типа ЖН-1 и плавленые фторидные и высокоосновные марок АН-Ф5, АН-Ф7, АН8, АН-29, 49-ОФ-6.

Для сварки никеля и его сплавов применяют «левый» и «правый» способы. При «левом» способе сварочная ванна более интенсивно взаимодействует с кислородом окружающей атмо­сферы, его следует применять для сварки тонких листов (1— 2 мм). При «правом» способе охлаждение сварочной ванны происходит медленнее, при этом уменьшается окисление рас­плавленного металла и пористость.

Сварку Ni следует выполнять без задержек и возврата на сваренный участок во избежание перегрева околошовной зоны, сопровождающегося образованием трещин. Следует также из­бегать многослойной газовой сварки. Металл толщиной 1 — 2 мм сваривают в один проход без скоса кромок. Для стыковых швов металла больших толщин делается V-образная разделка.

Сварные соединения из никеля, выполненные газовой свар­кой, имеют <тв = 274ч-314 МПа, а = 90-Ы20°. Нормализация со­единений при температуре 825—900 °С повышает их пластич­ность и вязкость.

Сварка нихрома затруднена образованием на поверхности ванны тугоплавкой пленки оксида хрома, которую удаляют ме­ханическим путем. Сварка нихрома выполняется с максималь­ной скоростью и без перерывов за один проход, так как по­вторное расплавление металла может привести к образованию трещин. Применяется пламя с небольшим избытком ацетилена при мощности 50—70 л/ч на 1 мм толщины [5]. В качестве при­садочного прутка используется проволока, близкая по составу к основному металлу, с пониженным содержанием С и содер­жанием Сг по верхнему пределу. Применяется флюс состава, % (по массе): 40 буры, 50 борной кислоты, 10 хлористого нат­рия или фтористого калия. После отжига предел прочности сварных соединений из нихрома составляет 343—441 МПа.

28.4.3. Ручная дуговая сварка

Для ручной дуговой сварки Ni и его сплавов применяют элек­троды с качественными покрытиями. Наиболее качественные швы обеспечивают электроды с покрытием «Прогресс-50», ко­торые применяют для сварки никеля марок Н-1, НП-1, НП-2. Электроды с покрытием ЭНХД-10 предназначаются для сварки никелевокремнистых сплавов, с покрытием ЭНХМ-100 — для ни­хрома и никелевомолибденовых сплавов. Для сварки сплавов типа ХН80ТБЮ, ХН80ТБЮА, ХН70ВМТЮ и ХН75МВТЮ ис­пользуют электроды с покрытием типа ИМЕТ и ВИ-2-6. Про-

цесс ведут на постоянном токе обратной полярности, при этом значение тока назначают пониженным по сравнению с токами, применяемыми при сварке стали. Скорость сварки также пони­жена на 15%. Рекомендуется вести сварку в нижнем положе­нии короткой дугой для уменьшения угара стабилизирующих и раскисляющих элементов, содержащихся в электродной прово­локе. При сварке производят продольные небольшие колебания конца электрода, что способствует газоудалению и получению более плотных швов, чем при поперечных колебаниях. Элек­трод держат примерно перпендикулярно плоскости шва с на­клоном не более 15° в сторону свариваемых кромок.

При сварке Ni и его сплавов толщиной более 15 мм исполь­зуется многопроходная сварка с предварительным подогревом кромок до 200—250 °С, при этом требуется тщательная зачи­стка поверхности промежуточных слоев.

Механические свойства сварных швов на некоторых никеле­вых сплавах, выполненных ручной дуговой сваркой покрытыми электродами, приведены в табл. 28.2.

28.4.4. Сварка под флюсом и электрошлаковая сварка

Сварку под флюсом и электрошлаковую сварку Ni и его сплавов выполняют на постоянном токр обратной полярности. Для сварки используют низкокремнистые основные или бескисло­родные фторидные флюсы типа АНФ-5, АНФ-22, АНФ-23 и др. Электродную проволоку выбирают по составу близкой к основ­ному металлу. Диаметр проволоки практически не зависит от толщины металла и выбирается в зависимости от подготовки кромок в пределах от 3 до 5 мм.

При сварке металла малых толщин (5—6 мм) используется проволока диаметром 3 мм, сварка стыковых соединений выпол­няется без скоса кромок и без зазора; при больших толщинах производится V - или Х-образная разделка кромок. При сварке

с полным проплавлением кромок используют медные или флю­совые подкладки.

Сварные соединения Ni и его сплавы, выполненные сваркой под флюсом, имеют достаточно стабильные и высокие механи­ческие свойства: сгв = 516-*-780 МПа, KCU = 912-t-2380 кДж/м2, 8 = 6^36 % [6, 10].

28.4.5. Аргоно-дуговая сварка

Преимуществом аргоно-дуговой сварки является возможность обеспечения качественной защиты инертным газом сварочной ванны от взаимодействия с компонентами воздуха СЬ, N2, Нг, в результате чего предупреждается порообразование, трещино - образование и другие дефекты. При недостаточной защите по­верхность шва становится складчатой, и на рентгенограммах сварных соединений оксидные плены в складках шва могут расшифровываться как трещины.

Сборку деталей рекомендуется выполнять в зажимных при­способлениях без прихваток. Сборку с прихватками следует производить в тех случаях, когда невозможно предупредить не­желательные деформации при сварке в приспособлении. Раз­меры прихваток, расстояние между ними и способ выполнения устанавливают при отработке технологического процесса. В ме­стах пересечений сварных швов ставить прихватки не допуска­ется. Прихватки рекомендуется выполнять без присадочной проволоки. Присадочный металл следует применять в случае, если без присадки в прихватках образуются трещины. При вы­полнении прихваток и последующей сварке особое внимание следует обращать на заделку кратеров для предупреждения образований усадочной пористости и трещин. Кратеры швов должны быть тщательно заплавлены или выведены на удаляе­мый припуск детали или выходную планку. Не допускается выведение кратера на основной металл. Возбуждение дуги также рекомендуется выполнять на входной пластине, на стыке деталей, в разделке или на ранее наплавленном металле, но не на основном металле. Для возбуждения дуги следует использо­вать осциллятор. Заканчивая процесс сварки, следует умень­шать сварочный ток для предотвращения образования трещин в кратере. Сварку следует выполнять с минимальным количе­ством перерывов.

Одним из способов предупреждения горячих трещин при сварке может стать обеспечение преимущественной доли приса­дочного металла в шве (до 70—85 %). Для этого предусматри­вается зазор в корне разделки кромок или расширение раз­делки в корневой части (OGT 92-1186—80).

При сварке никелевых сплавов применяют сварочную прово­локу с повышенным содержанием марганца и молибдена

с целью обеспечения высокой стойкости металла шва против образования горячих трещин. Составы присадочных материалов приведены в табл. 28.3,

При сварке никелевых сплавов с нержавеющей сталью 12Х18Н10Т в ряде случаев целесообразно смещать вольфрамо­вый или плавящийся электрод от стыка свариваемых кромок в сторону стали на величину, указанную в табл. 28.4, для сим­метричного формирования шва относительно стыка изделий.

Для повышения стойкости сварных соединений жаропрочных дисперсионно-твердеющих никелевых сплавов против растрес­кивания при нагревах необходимо заготовки деталей, подлежа­щих сварке, подвергать стабилизирующей термической обра­ботке. Режимы стабилизации устанавливают в каждом конкрет­ном случае при отработке технологии.

Сварные соединения, не подвергаемые упрочнению после сварки, а также соединения монтажные и другие, не допускаю­щие термической обработки по своей конструкции, следует пре­имущественно выполнять с присадкой Св-06Х15Н60М15 по ГОСТ 2246—70.

С учетом склонности никелевых сплавов к образованию го­рячих трещин при сварке следует применять стыковые соедине­ния или угловые и тавровые с полным проваром, как не имею­щие концентратора напряжений в сравнении с другими типами соединений.

Для повышения стойкости против горячих трещин преду­сматривают гарантированный зазор между свариваемыми кром­ками стыковых соединений для обеспечения свободной усадки металла. Величину зазора выбирают при отработке технологии.

Для получения сварных швов с гарантированным проваром и с целью уменьшения пористости в сварных соединениях нике­левых сплавов применяют способ аргонодуговой сварки с ис­пользованием активирующих флюсов (АФ). Способ обеспечи­вает получение более широкого проплава и более узкой лицевой стороны шва по сравнению с обычной аргонодуговой сваркой. В табл. 28.5 приведен химический состав флюса, реко­мендуемый при сварке никелевых сплавов.

С целью предупреждения образования пор в металле шва наносить АФ рекомендуется непосредственно перед сваркой. Оставшийся на поверхности швов налет шлака АФ не оказы­вает отрицательного влияния на механические свойства и кор­розионную стойкость соединений.

28.4.6. Электронно-лучевая сварка

Электронно-лучевой сваркой можно сваривать практически все марки никелевых сплавов, при этом удается получать соедине­ния больших толщин за один проход и с большой скоростью. Следует применять рекомендации такие же, как при аргоно­дуговой сварке.

Высокая чистота атмосферы (вакуум) и особенности терми­ческого цикла позволяют получать соединения с механическими свойствами на уровне основного металла.

28.4.7. Диффузионная сварка

Этот способ находит все большее применение в различных обла­стях машиностроения, в электронной технике и при получении прецизионных соединений. Условия сварки: наличие вакуума и отсутствие первичной кристаллизации при нагреве до темпера­тур ниже температуры плавления соединяемых металлов позво­ляют получать сварные соединения с высоким уровнем меха­нических и служебных свойств. В некоторых случаях появля­ется возможность совмещения процесса сварки с последующей термической обработкой.

При сварке никеля, сплавов типа монель, константан, имею­щих на поверхности пленку окислов, легко удаляемую при на­греве в вакууме, трудностей в проведении процесса не обнару­живается. Сварку производят при параметрах режима: Т= = 900-4-1000 °С, Р= 14,7 МПа, ^=10 мин, вакуум не менее 0,013 Па. Сварные соединения имеют прочность на разрыв сгв = = 539 МПа при относительной деформации е = 0,72 %.

Жаропрочные сплавы никеля, имеющие в качестве легирую­щих добавок Мо, W, V, А1, Ті и другие элементы, затрудняющие диффузионные процессы, требуют повышения температуры сварки и увеличения удельного давления. Для сплава ХН75МБТЮ (ЭИ602), например, рекомендуется режим сварки-. Т= 1150ч-1175 °С, Р= 19,6-^29,4 МПа, ^ = 6-ьЮ мин, вакуум не менее 0,013 Па. Механические свойства полученных соединений составляют ов = 747,5 МПа, є = 45 %. В ряде случаев при сварке жаропрочных никелевых сплавов рекомендуют применять стеарин, нанося его на стыкуемые поверхности, для облегчения восстановления металлов из оксидов.

Для соединения ряда высоколегированных сплавов Ni при­меняют самофлюсующиеся расплавляемые промежуточные про­слойки, содержащие В, Li, К. и другие элементы, способные вос­становить и растворить прочные оксиды с образованием легко­плавких эвтектик, испаряющихся в вакууме.

При сварке Ni процесс можно вести в среде водорода с точ­кой росы ниже —40 °С.

Диффузионной сваркой никель хорошо соединяется с медью. Режим сварки: 7' = 900 °С, Р= 12,7ч-14,7 МПа, ґ = 20-т-ЗО мин, вакуум не ниже 9,013 Па. Остаточная деформация составляет е~1 %.

28.4.8. Контактная сварка

Никель обладает значительно большей электропроводностью, чем сплавы на его основе. В связи с этим точечная сварка

сплавов осуществляется при меньшей силе тока, чем техниче - ского Ni. Режимы сварки низкоуглеродистого Ni близки к режи­мам для низколегированных сталей. Сравнительно высокая прочность никеля и его сплавов требует применения более высо­ких давлений на электроде. Диаметр электродов сферической или конической формы выбирают в зависимости от толщины свариваемого металла: при толщине 0,5—1,5 мм диаметр элек­трода составляет 3—б мм, при толщине 1,5—2,5 мм диаметр электрода б—8 мм и при толщине 2,5—3,0 мм 8—10 мм.

Никель и его сплавы хорошо свариваются также со сталями и медными сплавами.

Ориентировочные режимы точечной сварки тонколистового никеля и его сплавов приведены в табл. 28.6 [5].

Режимы шовной и стыковой сварки никеля и его сплавов можно ориентировочно принимать по режимам для сварки ти­тана. Сравнительные данные о механических свойствах свар­ных соединений приведены в табл. 28.7 [5].