СВАРКА РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

СВАРКА ТИТАНА С ТУГОПЛАВКИМИ МЕТАЛЛАМИ

В различных отраслях техники необходимо осущест­влять сварку плавлением титановых сплавов с ниобием, цирконием, ванадием, танталом, медными сплавами и сталями. Основные физические свойства этих металлов при­ведены в табл. 1.

Основным свойством рассматриваемых металлов, ока­зывающим большое влияние на их свариваемость, является исключительно высокая активность при взаимодействии с газами. Титан и цирконий начинают окисляться на воздухе при относительно низких температурах — соответственно выше 400° и 300° С, а ниобий — при температуре выше 200° С. Поэтому в процессе сварки необходима тщательная защита не только зоны сварки, но также и остывающих уча­стков шва, околошовной зоны и обратной стороны соедине­ния (корня шва).

Предельная растворимость газов (элементов внедрения) при разных температурах в рассматриваемых металлах при­ведена в табл. 4. Образование химических соединений при концентрации примесей газов выше указанных приводит к резкому снижению пластичности и вязкости швов. В связи с этим для соединения титана с цирконием, ниобием, вана­дием и танталом наиболее применимы сварка в среде инерт­ных газов с различными способами защиты и электронно­лучевая сварка в вакууме.

При автоматической аргоно-дуговой сварке в струе газа используют защитные приспособления, применяемые при сварке титановых сплавов. Однако при струйной защите контроль затруднен, особенно при выполнении соединений сложной конструкции. Более надежная защита достигается при сварке в герметичных камерах с контролируемой атмо­сферой инертных газов, а наиболее совершенная защита от атмосферных газов — при электроннолучевой сварке в ва­кууме,

Таблица 4

Аргонодуговая сварка вольфрамовым электродом ука­занных сочетаний металлов выполняется на постоянном токе прямой полярности.

Подготовка поверхности для сварки разнородных ме­таллов должна быть такой же, как при сварке однородных. Для удаления с поверхности титана образовавшегося после горячей обработки (ковки, прокатки, термической обра­ботки) слоя, обогащенного окислами или нитридами, при­меняется опескоструивание деталей с последующим травле­нием. Травители должны обеспечивать полное удаление окалины и слоя, обогащенного газами, при минимальном поглощении металлом водорода. Стыкуемые кромки нио­бия и ванадия, отожженных в вакууме, достаточно проте­реть ацетоном или техническим спиртом,

Подробный анализ диаграмм состояния титана с боль­шинством металлических элементов показывает, что трудно ожидать качественных сварных соединений между ними. Исключением в этом отношении, очевидно, могут явиться, в первую очередь, цирконий и гафний. Эти элементы по­добно титану имеют по две полиморфные модификации (а, Р), типы кристаллических решеток которых соответственно совпадают и имеют близкие параметры. Таким образом, выполняются необходимые условия для образования непрерывного ряда твердых растворов как в а, так и

в (5-фазе.

Режимы сварки титана с цирконием близки к режимам сварки титана в однородном сочетании.

При аргонодуговой сварке технического титана, или его а-сплавов (например, ОТ4, ВТ5 и др.) с цирконием швы хо­рошо формируются: поверхность швов ровная, светлая, блестящая. Некоторые режимы аргонодуговой сварки не­плавящимся электродом технического титана ВТ1 с цир­конием толщиной 0,8—3,0 мм приведены в табл. 5.

Таблица 5

Режимы сварки сплава ОТ4 системы титан — алюми­ний — марганец с цирконием и угол загиба сварных со­единений при различных способах сварки приведены в табл. 6,

Ударная вязкость сварных соединений титан + цирко­ний, определенная в различных участках шва, практически одинакова. Более высокой ударной вязкостью характери­зуются швы, выполненные электроннолучевой сваркой, Ударная вязкость сварных соединений сплав ОТ4 + цир­коний (толщина 2 мм) приведена в табл. 7.

Прочность сварных соединений титан + цирконий, выполненных без присадочного металла, определяется

прочностью циркония. Ниже приведена прочность сварных соединений сплав ОТ4 + цирконий толщиной 1 мм при ар­гонодуговой сварке:

о

Температура испытания, “С ав, 10-7 Н/м2

TOC o "1-5" h z 20 42—45

43.5

300 23—26

24.5

600 21—23

21.6

Двухфазные а + Р-титановые сплавы с высоким со­держанием Р-стабилизаторов типа ВТ14 (3,5—4,5% алю­миния, 2,5—3,5% молибдена, 0,7—0,5% ванадия, осталь­ное— титан) или р-сплавы типа ВТ15 (3—4% алюминия, 7—8% молибдена, 10—11,5% хрома, остальное—титан) при сварке с цирконием образуют малопластичные сварные соединения, что можно объяснить возникновением хими­ческих соединений циркония с молибденом, хромом и ва­надием. Разрушение сварных соединений происходит по диффузионной прослойке со стороны циркония при прило­жении небольших ударных нагрузок.

Металлографическое исследование соединений титана с цирконием показало, что структура сварного шва имеет крупнозернистое мартенситоподобное игольчато-полосчатое строение. В средней части шва, микрофотография которой изображена на рис. 18, можно ясно наблюдать границы зерен высокотемпературной P-фазы, существовавших при охлаждении от момента затвердевания до температуры пре­вращения.

Структуры зон термического влияния на цирконии и титане резко отличаются от структуры шва, о чем свиде-

тельствует рис. 19. Верхняя часть фотографии представля­ет собой цирконий, нижняя — металл шва.

Испытания показали, что твердость основного металла, составляющая для титана ВТ1 168 ед. по Виккерсу, возра­стала у границы сплавления до 256 ед., а в центре шва —

Рис. 19. Микроструктура зоны сплавления при сварке сплава ВТ1 и циркония (ХЗОО) (в верх­ней части — структура цирко­ния, в нижней — металл шва).

до 318 ед. Твердость циркония, равная для основного мате­риала 104 ед. на границе сплавления поднималась до 165 ед.

Разрушение сварных образцов при испытаниях на за­гиб происходит на границе сплавления на цирконии. Это, очевидно, объясняется тем, что изгиб начинался на границе шва в зоне, имеющей наибольшую пластичность. Затем в результате приложения нагрузки в этом месте образовы­вался наклеп циркония, происходило резкое падение его пластических свойств и разрушение.

Титан и ниобий имеют существенные различия в фи­зических свойствах, Например, температура плавления

ниобия в 1,5 раза выше температуры плавления титана, а теплопроводность ниобия примерно в 3 раза выше теплопро­водности титана (табл. 1). Эти различия в физических свой­ствах способствуют неравномерному сплавлению металлов в процессе сварки. Поэтому распределение тепла дуги при сварке титана с ниобием существенно влияет на формирова­ние шва и долю участия в нем соединяемых металлов. Для того, чтобы обеспечить равномерное плавление ниобия при аргонодуговой сварке его с танталом, вольфрамовый электрод следует смещать на половину диаметра в сторону ниобия.

Сварные швы титана с ниобием хорошо формируются, при надежной защите имеют светлую зеркальную поверхность.

При сварке титана с ниобием необходимо учитывать высокую чувствительность ниобия к газам. Из рассмотрен­ных металлов (табл. 4) у ниобия самая низкая предельная растворимость газов. В связи с этим пластичность сварных соединений титана с ниобием в значительной степени опре­деляется чистотой ниобия по примесям — газам.

Таблица 8

Электроннолучевая сварка титана со сплавом ВН2, как правило, обеспечивает получение сварных соединений с высокой пластичностью. В случае использования ниобие - вого сплава электроннолучевой выплавки с предельно низ­ким содержанием элементов внедрения при аргонодуговой сварке титана с ниобиевым сплавом также можно получить пластичные соединения. В табл. 9 приведены углы загиба сварных соединений титанового сплава ОТ4 с ниобиевым сплавом ВН2 различной выплавки (толщина сплава 1 мм). При нагреве сварных соединений ОТ4 + ВН2 до 400° С в течение 10, 20 и 50 ч в обычной атмосфере соединения со­храняют исходную пластичность при изгибе. Уменьшение угла загиба сварных соединений отмечается при выдержке 100 ч.

Насыщение ниобия кислородом отмечается только с по­верхности, в средней части образца повышения содержа­ния кислорода не наблюдается. В образцах ВН2 после раз­личной выдержки при 400° С имеется тенденция неболь­шого роста содержания кислорода у поверхности образца. При нагреве сварных соединений ОТ4 + ВН2 в обычной атмосфере наблюдается повышение микротвердости ВН2 как на поверхности, так и по сечению образца; микротвердость металла шва и ОТ4 после нагрева практически не меняется.

Пределы прочности сварных соединений ОТ4 со сплавом ВН2, выполненных без присадочного металла аргоноду­говой сваркой, приведена в табл. 10.

С ниобием также свариваются двухфазные титановые сплавы с а + P-структурой с высоким содержанием Р-ста - билизаторов типа ВТ14 и однофазные р-сплавы типа ВТ15.

Режим сварки титановых сплавов ВТ 14 и ВТ 15 с нио­бием приведен в табл. И. Аргонодуговая сварка сплавов ВТ14 и ВТ 15 в отожженном и закаленном состояниях с ВН2 обеспечивает угол загиба сварных соединений при по­перечном расположении шва соответственно 50, 100 и 180°.

Отжиг или закалка сварных соединений ВТ 14 и ВТ 15 с ВН2 по режимам, принятым для титановых сплавов (от­жиг 750—830° С—40 мин, закалка 760—800° С), не сни­жает пластичности сварных соединений титановых сплавов с ниобием.

При сварке сплавов ВТ14 и ВТ15, предварительно терми­чески обработанных (закалка - f старение), с ВН2 сварные соединения приобретают низкую пластичность, обусловлен­ную низкой пластичностью сплавов после старения.

Пределы прочности сварных соединений при аргоно­дуговой сварке сплавов ВТ14 и ВТ15 с ниобием и его низко­легированным сплавом приведены в табл. 12.

Сварные швы титана с ниобием имеют неоднородное строение. Это связано с тем, что при смешивании этих раз­нородных металлов образуются сплавы с различной кон­центрацией элементов, что в свою очередь, приводит к эозникновению разных структур. В сварном соединении

г

сплавов ОТ4 + ВН2 со стороны ниобия образуется высо­колегированная стабильная (3-фаза, а в участках шва, при­легающих к сплаву ОТ4, наблюдается распад (3-фазы с обра­зованием иголчатой а'-фазы.

Значительная разница в температуре плавления и теп­лопроводности титана и тантала (табл. 1) обусловливает необходимость правильного распределения тепла дуги в процессе сварки этих металлов. При аргонодуговой сварке титана и тантала одинаковых сечений вольфрамовый элек­трод следует смещать примерно на 3/4 диаметра от линии стыка в сторону тантала.

Сварка титана с танталом выполняется на тех же режи­мах, что и сварка титана с ниобием, только при несколько повышенной силе тока. Сварные соединения хорошо форми­руются, швы имеют светлую зеркальную поверхность.

При соединении ВТ1 или ОТ4 с техническим танталом аргонодуговая сварка обеспечивает получение угла заги­ба 180°. Прочность сварных соединений определяется проч­ностью металла с более низким пределом прочности. Раз­рушение сварных соединений ОТ4 с танталом происходит по танталу при прочности порядка 45 • 10~7 Н/м2.

Титан и ванадий обладают близкими физическими свой­ствами. При сварке одинаковых сечений вольфрамовый элек­трод устанавливается по стыку соединяемых кромок. Швы характеризуются хорошим формированием. Аргонодуговая сварка и особенно электроннолучевая сварка обеспечивают получение достаточно пластичных сварных соединений.

Ударная вязкость сварного шва соединения ОТ4 - f - ва­надиевый сплав равна 0,8—1 мДж/м2. Прочность сварных соединений титана с ванадием, выполненных без присадоч­ного металла, определяется прочностью ванадия. Прочность сварных соединений ОТ4 + ванадиевый сплав при двух­осном растяжении (гидравлическим давлением) несколько превышает прочность при осевом растяжении и отношение

в даухоси равно 1,18 для аргонодуговой и 1,07 для элек-

в одноосы

троннолучевой сварки. Разрушение соединений происходит по границе шва с ванадиевым сплавом.

Сварные соединения ОТ4 + ванадиевый сплав толщиной 1 мм, выполненные аргонодуговой сваркой, при нагреве до 400° С в обычной атмосфере в течение от 1 до 10 ч сохраняют угол загиба на уровне ис­ходного (100°); при нагре­ве в течение 50 ч угол за­гиба сварных соединений снижается в среднем до 25°.

Сварные соединения ОТ4 + ванадиевый сплав, выполненные электронно­лучевой сваркой, более не­однородны по структуре, чем швы, выполненные ар­гонодуговой сваркой. Мик­роструктура сварного сое­динения ОТ4 + ванадиевый сплав, выполненного арго - нодуговым методом, при­ведена на рис. 20. На гра­нице двух металлов четко просматривается слой ин-

терметаллидов по линии

перехода и характер диффузии ванадия в титан.