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

Предельная растворимость газов в различных металлах

Металл

Кислород

Азот

Водород

Раствори­мость, вес. %

Тем­

пера­

тура,

°С

Раствори­мость, вес. %

Тем­

пера­

тура,

°С

Раствори­мость, вес. %

Тем­

пера­

тура,

°С

Титан а

10

900

7,5

1050

0,0029

20

Титан р

1,8

1740

2,0

2020

2

640

Цирконий а

6,5

1900

4,8

1985

0,70

540

Цирконий Р

1,8

1940

0,7

1880

0,52

540

Ниобий

0,72

1915

0,07

1500

——

0,25

20

0,004

20

Ванадий

0,25

20

1,0

20

1,0

1850

' r_1

—*

■-

—*

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 аргонодуговой сварки титана ВТ1 с цирконием

Толщина металла, мм

Скорость сварки, м/ч

Длина дуги, мм

Диаметр эле­ктрода, мм

Свароч­ный ток, А

Расход аргона, л/мин

в сопло

В ХВОСТО­ВИК

в под­кладку

0,8

40

1,2

2

68—70

8,5

5

2

2,0

20

1,0

3

160—165

10

5

2,5

3,0

20

1,0

3

255—270

10

6

2,5

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

Режимы аргонодуговой сварки сплава 0Т4 с цирконием

Вид сварки

Толщина,

мм

Гок, А

Скорость

сварки,

м/ч

Угол

загиба,

град

Аргонодуговая со струйной защитой

1 + 1,25

80—100

30—35

80—135

105

Аргонодуговая в камере с защитной атмосферой

1 + 1,25

110—130

30—35

90—130

110

Электроннолучевая

1 + 1,25

Ток луча 15 мА, ускоряющее на­пряжение 60 кВ, ваккум 0,004 Па

68

18°

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.

Таблица 7

Ударная вязкость сварных соединений титан+цирконий

Вид сварки

Место расположения надреза

Середина шва

Граница шва с титаном

Граница шва в цирконием

Аргонодуговая со струйной

0,8-2,75

1,5-3,0

1,5-4,0

защитой

2,0

2,1

2,4

Электроннолучевая

сл

оо

2,3 4,2

4,7-5,2

3,2

3,6

~ЫЬ ■

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.

СВАРКА ТИТАНА С ТУГОПЛАВКИМИ МЕТАЛЛАМИ

Рис. 18. Микроструктура сред­ней части шва при сварке спла­ва ВТ1 и циркония (X 300).

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

Режимы аргонодуговой сварки титана с ниобием

Толщина металла, мм

Скорость сварки, м/ч

Длина дуги, мм

Диаметр электрода, мм

Величина смещения электрода, мм

Сварочный ток, А

Расх

в соп­ло

од аргон

в хво­сто­вик

а, л/мин

в под­кладку

0,8

40

1,0

2

0,8

110—120

8,5

5

2

1,2

40

1,2

3

1,0

125—130

10

5

2

1,5

40

1,2

з

1,0

160—165

10

5

2,5

2,0

20

1,2

3

1,5

200—218

10

6

2,5

Соединения, полученные при аргонодуговой сварке ти­тана с ниобиевым сплавом BHz, содержащим большое коли­чество элементов внедрения, обладают низкой пластично­стью. Это обусловлено высокой хрупкостью зоны рекри­сталлизации ниобиевого сплава.

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.

Таблица 9

Угол загиба сварных соединений ОТ4+ВН2 в зависимости от содержания газов в ниобиевом сплаве

Способ выплавки

Содержание газов в нио­биевом сплаве, вес.%

Вид сварки

Угол загиба сварного сое­динения, град

ниобиевого сплава

Азот

Кис­

лород

Водород

Дуговой

0,05

0,038

0,003

Аргонодуговая

30—45

40

Электроннолучевой

0,038

0,01

0,01

0,025

0,007

0,007

0,0011

0,0015

0,0015

Электроннолучевая Аргонодуговая Электроннол у чевая

180

180

180

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.

Таблица 10

Предел прочности, 10—7 Н/м2, сварных соединений ОТ4+ВН2 в зависимости от температуры испытаний

Соединяемые металлы

Температура испытания, °С

+20

+300

+500

ОТ4 - f - ВН2 (нагартованные)

65—67,4

66,5

48,4 53,1 49,2

38,5 41,4 40,1

ОТ4 + ВН2 (отожженные)

50—55

52,5

43 46,5 44,5

35,5—38

36,6

ОТ4 - j - ВН2 (литые)

54—58,4

56,3

45 47,5 46,5

36,5—38

37,5

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.

Таблица 11

Режимы сварки титановых сплавов ВТІ4 и ВТ15 с ниобием

'т,

Я

йй

Режим сварки

Свариваемые

материалы

м

в

0

(21

Вид сварки

Сила тока, А

Ско­

рость,

м/ч

ВТ15 + ВН2

1+1

Аргонодуговая

Электроннолучевая

75—80 (8—10). Ю-з

27—30

45—50

ВТ14 + ВН2

1+1

2+2

Аргонодуговая

Электроннолучевая

Аргонодуговая

70—75

(8ч-10)-Ю—з 8—10

,

28—30

47—50

26—30

Примечание. Напряжение при ЭЛС составляет 60 кВ,

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

Таблица 12

Предел прочности, 10—7 Н/м2, сварных соединений титана с ниобием в зависимости от температуры

Соединяемые металлы

Температура испытания, °С

+20

+300

+500

ВТ 14 + ниобий технический

39—42

40,5

39,5—41

40,3

ВТ 14 + ниобиевый сплав

53—56

54,5

44,5—46,5

45,7

34—37,5

36

ВТ 15 + ниобиевый сплав

52—55

53,5

43 46 44,3

35,5—37

36,7

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.

СВАРКА ТИТАНА С ТУГОПЛАВКИМИ МЕТАЛЛАМИ

Рис. 20. Структура сварного соеди­нения ОТ4 с ванадиевым сплавом,

аргонодуговой свар­кой (X 200).

выполненного

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.

СВАРКА РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

КОРРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ СОЕДИНЕНИЙ АЛЮМИНИЯ С МЕДЬЮ

Сварные соединения алюминий •— медь, алюминий — латунь предназначены для работы в электрических машинах, аппаратах и трансформаторах, которые эксплуатируются в различных атмосферных условиях. Коррозия алюминия при контакте с медными сплавами …

КОРРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ СОЕДИНЕНИЙ АЛЮМИНИЯ СО СТАЛЬЮ

Исследования электрических параметров не дают полной характеристики биметаллических сварных Соединений. И поэтому наряду с измерением токов, потенциалов и поля­ризаций большое значение для практических целей представ­ляют и исследования коррозионной стойкости в …

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Ю. Эванс [40] приводит данные о количественных по­терях железа в 1%-ном растворе NaCl, находящегося в кон­такте с алюминием: Потери железа равны 9,8 мг, а алюми­ния — 105,9 мг. Цифры показывают, …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.