Ориентировочные режимы аргонодуговой сварки вольфрамовым электродом магниевых сплавов

454 ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

образуя защитную пленку из А1₂О₃. Железо задерживает кристаллизацию и измельчает зерно. Кремний увеличивает свариваемость.

Сплавы на медной основе, в которых цинк не является основным ле­гирующим элементом (не более 5 %), называют бронзами. Бронзы делят­ся на группы по главным легирующим элементам, например: оловянные (химический состав в соответствии с ГОСТ 5017-74, ГОСТ 613-79) и безоловянные (кремнистые, хромистые и др.).

Оловянные бронзы имеют высокие антифрикционные свойства и коррозионную стойкость. Бронзы алюминиевые и кремнистые обладают высокими механическими свойствами и коррозионными свойствами, де­шевле оловянных. Марганцовистые бронзы имеют хорошую коррозион­ную стойкость и повышенную жаропрочность. Бериллиевые бронзы по­сле термообработки приобретают прочность, сопоставимую с прочно­стью стали. Химический состав типовых марок меди и ее сплавов приве­дены в табл. 12.8.

Медно-никелевые сплавы содержат до 30 % Ni, а также марганец, железо. Сплав МНЖ5-1, прочный и коррозионно-стойкий, используют для конструкций, работающих в агрессивных средах (морской воде, рас­творах солей, органических кислотах).

12.8. Химический состав некоторых типовых марок меди и ее сплавов, %

ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИКИ СВАРКИ 455

Продолжение табл. 12.8

Особенности меди и ее сплавов, влияющие на технологию сварки:

1. Высокие температура плавления меди и теплопроводность (почти в 6 раз больше, чем у стали) требуют применения мощных высококон­центрированных источников теплоты при сварке плавлением, режимов сварки с высокой погонной энергией и во многих случаях предваритель­ного и сопутствующего подогрева.

2. Легкая окисляемость меди при высоких температурах вызывает засорение металла шва тугоплавкими оксидами. Закись меди Сu₂О дает с медью легкоплавкую эвтектику (Т_пл = 1064 °С), которая, сосредоточива­ясь по границам зерен, может снижать стойкость металла шва против кристаллизационных трещин. В меди, предназначенной для сварных кон­струкций, содержание кислорода не должно превышать 0,03 %, а для от­ветственных изделий - 0,01 %. Ввиду малого времени существования сварочной ванны раскисление меди осуществляют активными раскисли-телями: фосфором (содержание Р не должно превышать 0,3 %, так как он также дает легкоплавкие эвтектики), марганцем и кремнием (с общим содержанием 1 ... 3 %):

2Р + 5Cu₂O = 10Cu + P₂O₅­

Р₂О₅ + 3Cu₂O = Р₂О₅ • (Cu₂O)₃ - в шлак;

2Cu₂O + Si = 4Cu + SiO₂;

456 ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Cu₂O + Mn = 2Cu + МnО

SiO₂ + МnО = МnО • SiO₂ - в шлак.

Тугоплавкие оксиды, образующие пленку на поверхности сварочной ван­ны, разрушают с помощью флюсов на основе буры Na₂B₄O₇, переводя тугоплавкие окислы в легкоплавкие комплексные соединения:

CuO + Na₂B₄O₇ = 2NaBO₂ • СuО • В₂О₃ - в шлак.

3. Наличие примесей висмута Bi и свинца Рb, вследствие образова­ния их оксидами с медью легкоплавких эвтектик, снижает стойкость про­тив кристаллизационных трещин. Содержание висмута в меди допуска­ется не более 0,003 %, а свинца - не более 0,03 %. Эти примеси могут быть связаны в тугоплавкие соединения введением в сварочную ванну цезия и циркония.

4. Высокий коэффициент линейного расширения у меди вызывает образование высоких временных и остаточных сварочных деформаций и напряжений и коробление конструкций. Поэтому необходимы меры по их уменьшению.

5. Снижение прочности и пластичности меди в диапазоне 400 ... 600 °С (рис. 12.3, я) в сочетании с высоким уровнем сварочных деформаций и напряжений может привести к образованию трещин.

6. Высокая растворимость водорода в расплавленной меди (рис. 12.3, б) вызывает при кристаллизации с большими скоростями образование пор и микротрещин вследствие выделения водорода и водяного пара:

Сu₂О + 2Н ® 2Сu + Н₂О.

Рис. 12.3. Свойства меди в зависимости от температуры:

а - прочность и пластичность; б - растворимость в меди водорода

ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИКИ СВАРКИ 457

Для предупреждения "водородной болезни" меди используют тра­диционные методы (прокалка флюсов, электродов, осушка газов и др.). Появлению пор может способствовать оксид углерода:

Сu₂О + СО ® 2Сu + СО₂.

При сварке латуней поры могут возникать вследствие испарения цинка (Т_кип = 907 °С ниже температуры плавления меди). Образующийся при испарении оксид цинка ядовит. Испарение цинка уменьшается при ис­пользовании предварительного подогрева и высоких скоростей сварки, при легировании металла шва кремнием.

7. Высокая жидкотекучесть меди и ее сплавов (в 2 ... 2,5 раза выше, чем у сталей) затрудняет сварку в вертикальном и потолочном положе­ниях. Для качественного формирования корня шва применяют подкладки (графитовые, асбестовые, флюсовые подушки).

8. Сварные швы имеют крупнозернистую структуру и низкую проч­ность. Измельчение структуры и повышение прочности обеспечивается термопластической обработкой.

Для сварки меди и ее сплавов могут быть применены все основные способы сварки плавлением. Наибольшее применение нашли дуговая сварка в защитных газах, ручная дуговая сварка покрытыми электродами, механизированная дуговая сварка под флюсом, газовая сварка, электрон­но-лучевая сварка.

Перед сваркой свариваемый металл и проволоку очищают от оксидов и загрязнений до металлического блеска и обезжиривают. Очистку кромок основного металла обычно осуществляют механическим путем (наждаком, металлическими щетками), а проволоки - травлением в растворе из азот­ной, серной и соляной кислот с последующей промывкой в воде, щелочи, воде и сушкой горячим воздухом. Для правильного формирования сварно­го шва предпочтительны типы соединений с равномерным теплоотводом (стыковые, угловые, а не тавровые и нахлесточные). При толщинах более 5 мм делают V-образную и Х-образную разделки кромок.

Сварка в защитных газах позволяет получить сварные соединения с наиболее высокими механическими и коррозионными свойствами благодаря минимальному содержанию примесей. В качестве защитных газов используют азот особой чистоты, аргон высшего сорта, гелий выс­шей категории качества, а также их смеси (например, (70 .... 80) % Аг + + (20 ... 30) % N₂ для экономии аргона и увеличения глубины проплавле-ния). При сварке в среде азота эффективный и термический КПД дуги выше, чем при сварке в среде аргона и гелия, но ниже устойчивость горе­ния дуги.

458 ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

При сварке в защитных газах в качестве неплавящегося электрода используют лантанированные или иттрированные вольфрамовые элек­троды диаметром до 6 мм. В качестве присадочного материала исполь­зуют проволоку из меди и ее сплавов, по составу близкую к основному металлу, но с повышенным содержанием раскислителей (МРЗТЦрБ 0,1-0,1-0,1-0,1; БрХНТ; БрКМц 3-1; БрХ 0,7). При сварке в азоте для улучшения качества сварного шва дополнительно применяют флюс на борной основе, который наносят на присадочную проволоку или в канав­ку подкладки. Выбор диаметров электрода и присадки зависит от толщи­ны свариваемых заготовок (табл. 12.9).

Сварку вольфрамовым электродом ведут на постоянном токе пря­мой полярности. При сварке в среде азота или в смеси азота с гелием сва­рочный ток уменьшают, а напряжение повышают (табл. 12.10). При тол­щинах более 4 ... 5 мм рекомендуется подогрев до 300 ... 600 °С.

12.10. Рекомендуемые режимы сварки меди

вольфрамовым электродом (стыковые соединения на

медной водоохлаждаемой подкладке или флюсовой подушке)

ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИКИ СВАРКИ 459

При сварке плавящимся электродом используют постоянный ток об­ратной полярности. Широкое распространение для меди при толщинах более 4 мм получила многослойная полуавтоматическая сварка проволокой малого диаметра (1 ... 2 мм). Режимы сварки: сварочный ток 150 ... 200 А 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. Температура подогрева 200 ... 300 °С.

Для латуней, бронз и медно-никелевых сплавов предпочтительнее сварка неплавящимся электродом, так как в этом случае меньше испаре­ние цинка, олова и других элементов. Предварительный подогрев для медных сплавов требуется при толщинах более 12 мм.

Ручная дуговая сварка меди и ее сплавов покрытыми электродами выполняется на постоянном токе обратной полярности (табл. 12.11). Медные листы толщиной до 4 мм сваривают без разделки кромок, до 10 мм с односторонней разделкой при угле скоса 60 ... 70° и притупле­нии 1,5 ... 3 мм, более 10 мм - с Х-образной разделкой кромок. Для свар­ки меди используют электроды с покрытием "Комсомолец-100", АНЦ/ОЗМ-2, АНЦ/ОЗМ-3, ЗТ, АНЦ-3.

Сварку ведут короткой дугой с возвратно-поступательным движени­ем электродов без поперечных колебаний. Удлинение дуги ухудшает формирование шва, увеличивает разбрызгивание, снижает механические свойства сварного соединения. Предварительный подогрев делают при толщине 5 ... 8 мм до 200 ... 300 °С, а при толщине 24 мм - до 800 °С. Теплопроводность и электропроводность металла шва резко снижаются при сохранении высоких механических свойств. Для сварки латуней, бронз и медно-никелевых сплавов применяют электроды ММЗ-2, Бр1/ЛИВТ, ЦБ-1, МН-4 и др.

12.11. Ориентировочные режимы ручной однопроходной сварки меди покрытыми электродами

460 ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Рис. 12.4. Схема

механизированной сварки меди угольным электродом под флюсом

Механизированную дуговую свар­ку под флюсом осуществляют уголь­ным (графитовым) электродом (рис. 12.4) и плавящимся электродом. Сварка угольным электродом выпол­няется на постоянном токе прямой полярности с использованием стан­дартных флюсов АН-348А, ОСЦ-45, АН-20. При сварке угольным элек­тродом 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. Способ пригоден для сварки тол­щин до 10 мм. Диаметр электрода до 18 мм, сила тока до 1000 А, напря­жение дуги 18 ... 21 В, скорость сварки 6 ... 25 м/ч.

Механизированная сварка плавящимся электродом под плавлеными флюсами (АН-200, АН-348А, ОСЦ-45, АН-MI) выполняется на постоян­ном токе обратной полярности, а под керамическим флюсом ЖМ-1 и на переменном токе. Основным преимуществом этого способа сварки явля­ется возможность получения высоких механических свойств сварного соединения без предварительного подогрева. При сварке меди использу­ют сварочную проволоку диаметром 1,4 ... 5 мм из меди МБ, Ml, бронзы БрКМц 3-1, БрОЦ 4-3 и т.д. За один проход можно сваривать без раздел­ки кромок толщины до 15 ... 20 мм, а при использовании сдвоенного (расщепленного) электрода - до 30 мм. При толщинах кромок более 15 мм рекомендуют делать V-образную разделку с углом раскрытия 90°, притуплением 2 ... 5 мм, без зазора. Флюс и графитовые подкладки перед сваркой должны быть прокалены. Для возбуждения дуги при сварке под флюсом проволоку закорачивают на изделие через медную обезжирен­ную стружку или пружину из медной проволоки диаметром 0,5 ... 0,8 мм. Начало и конец шва должны быть выведены на технологические планки. Режимы сварки приведены в табл. 12.12.

При сварке латуней применяют флюсы АН-20, ФЦ-10, МАТИ-53 и бронзовые БрКМцЗ-1, БрОЦ4-3 и латунные ЛК80-3 проволоки. Сварка ведется на низких значениях сварочного тока и напряжения для сниже­ния интенсивности испарения цинка. Бронзы под флюсом свариваются хорошо.

ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИКИ СВАРКИ 461

12.12. Ориентировочные режимы автоматической сварки меди под флюсом

(стыковое соединение, диаметр электродной проволоки 5 мм)

Газовая сварка меди используется в ремонтных работах. Рекомен­дуют использовать ацетиленокислородную сварку, обеспечивающую наибольшую температуру ядра пламени. Для сварки меди и бронз ис­пользуют нормальное пламя, а для сварки латуней - окислительное (с целью уменьшения выгорания цинка). Сварочные флюсы для газовой сварки меди содержат соединения бора (борная кислота, бура, борный ангидрид), которые с закисью меди образуют легкоплавкую эвтектику и выводят ее в шлак. Флюсы наносят на обезжиренные сварочные кромки по 10 ... 12 мм на сторону и на присадочный металл. При сварке алюми­ниевых бронз надо вводить фториды и хлориды, растворяющие А1₂О₃. При сварке меди используют присадочную проволоку из меди марок Ml и М2, а при сварке медных сплавов — сварочную проволоку такого же химического состава. При сварке латуней рекомендуют использовать проволоку из кремнистой латуни ЛК80-3. После сварки осуществляют проковку при подогреве до 300 ... 400 °С с последующим отжигом для получения мелкозернистой структуры и высоких пластических свойств.

При электрошлаковой сварке меди применяют легкоплавкие флюсы системы NaF-LiF-CaF₂ (АНМ-10). Режим электрошлаковой сварки: сва­рочный ток /_св = 1800 ... 1000 А, напряжение U = 40 ... 50 В, скорость подачи пластинчатого электрода 12 ... 15 м/ч. Механические свойства шва мало отличаются от свойств основного металла.

Электронно-лучевая сварка меди эффективна при изготовлении электровакуумных приборов. Она обеспечивает сохранение высокой чис­тоты меди от примесей и получение мелкозернистой структуры.

462 ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

При соединении элементов из меди и ее сплавов больших толщин хорошие результаты дает плазменная сварка. Возможно производить сварку элементов толщиной до 60 мм за один проход. Применяют плаз­мотроны прямого действия. Для обеспечения хорошей защиты от атмо­сферного воздуха плазменную сварку иногда выполняют по слою флюса, а для создания мелкозернистой структуры используют порошковую про­волоку. Для сварки малых толщин до 0,5 мм эффективно используют микроплазменную сварку.

Никель и его сплавы

Никель и никелевые сплавы, содержащие 55 % Ni и более, являются важнейшими конструкционными материалами благодаря их высокой коррозионной стойкости, жаростойкости, жаропрочности, пластичности при низких и высоких температурах, длительной прочности. Никель ис­пользуют для переработки на полуфабрикаты (листы, ленты, полосы и т.д.) как конструкционный материал и для изготовления сплавов на нике­левой основе.

При кристаллизации никель образует гранецентрированную кубиче­скую решетку и обладает физическими свойствами, схожими со свойст­вами железа аустенитной фазы.

Технический никель выпускается нескольких марок по ГОСТ 849-97 с содержанием чистого никеля от 99,99 % (марка НО) до 97,6 % (Н4). Не­большие добавки марганца, кремния, углерода, магния и других элементов, содержащихся в техническом никеле, вводят как раскислители и десуль-фураторы. Наиболее распространены сплавы Ni с Си, Cr, Mo, Al, Fe, Ti, Be.

Условно никелевые сплавы делятся на четыре группы: конструкци­онные, термоэлектродные, жаростойкие и с особыми свойствами.

К конструкционным сплавам относят сплавы на медно-никелевой основе [монель, мельхиор, нейзильбер и др. (ГОСТ 492-73)]. Конструк­ционные сплавы (например, монель НМЖМц 28-2,5-1,5) обладают высо­кими механическими свойствами и коррозионной стойкостью. Термо­электродные сплавы (хромель, копель, алюмель, манганин, константан) отличаются высокой электродвижущей силой, большим электросопро­тивлением при малом температурном коэффициенте электросопротивле­ния. Жаростойкие сплавы, легированные хромом и железом, используют для изготовления электронагревательных элементов (например, сплав нихром). Сплавы с особыми свойствами: магнитными - пермаллой, упру­гими - инвар 36Н, ковар 29НК. В данной главе рассмотрены особенности сварки только технического никеля и сплавов типа монель.

ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИКИ СВАРКИ 463

При нагревании Ni взаимодействует с О2, S, Р, С, Se, Sb, Si, В.

Особенности сварки никеля и его сплавов обусловлены следующи­ми факторами:

1. В жидком состоянии никель хорошо растворяет кислород, азот и водород. При затвердевании раство­римость этих газов резко снижается (рис. 12.5). При попадании этих га­зов в сварочную ванну могут прохо­дить реакции типа:

NiO + 2Н ® Ni + Н₂О

NiO + С ® Ni + CO.

Рис. 12.5. Растворимость водорода

в никеле в зависимости

от температуры

Продукты этих реакций вызы­вают образование пор. Азот в сва­рочной ванне образовывает нестой­кие нитриды Ni₃N и газовую фазу, создающую поры. Поэтому при сварке необходимо обеспечить качественную защиту металла от атмо­сферного воздуха, хорошее раскисление и дегазацию ванны. Легирование шва Ti, Сг и V уменьшает пористость, а Мп, С, Si, Fe - увеличивает. Ре­комендуют использовать сварку короткой дугой.

2. При сварке никеля металл шва обладает большой склонностью к образованию кристаллизационных трещин. Главной причиной горячих трещин является образование по границам кристаллитов легкоплавких эвтектик Ni₃S + Ni (T_пл = 645 °С) и Ni₃P + Ni (T_пл = 880 °С). Для предот­вращения образования кристаллизационных трещин ограничивают со­держание в основном металле и в сварочных материалах серы и фосфора до 0,005 %. Для связывания серы в тугоплавкие соединения металл шва легируют до 5 % Мп, до 0,1 % Mg, до 0,06 % Li.

3. Для предотвращения образования крупнозернистой структуры металла шва рекомендуют: сварку производить на ограниченной погон­ной энергии, в металл шва вводить модификаторы (Ti, Al, Mo), измель­чающие структуру, при многопроходной сварке последующие слои на­кладывать после полного охлаждения предыдущих.

4. Никель обладает меньшей жидкотекучестью, чем сталь, и про­плавляется на меньшую глубину. Поэтому при подготовке заготовок к сварке целесообразно увеличивать глубину и угол разделки кромок.

464 ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИКИ СВАРКИ 465

5. Ввиду различия химического состава и структуры металла шва и основного металла сварные соединения некоторых никелевых сплавов особенно с Сг и Мо имеют существенную неоднородность физико-химических свойств и проявляют склонность к межкристаллитной корро­зии. Для таких сплавов рекомендована послесварочная термическая об­работка (нагрев до Т = 700 ... 800 °С с последующим охлаждением на воздухе или в воде).

Основным способом сварки никеля и его сплавов является дуговая сварка в среде защитных газов. Используются также способы сварки плавлением: ручная дуговая покрытыми электродами, автоматическая дуговая под слоем флюса, угольным электродом, газовая, электрошлако­вая, электронно-лучевая, лазерная.

Перед сваркой кромки и прилегающие к ним участки на расстоянии 20 ... 30 мм тщательно зачищают механическим путем до металлическо­го блеска для удаления поверхностного налета, содержащего серу, и окисной пленки затем обезжиривают. В ряде случаев пленку оксидов удаляют травильным раствором, содержащим азотную, серную и соля­ную кислоты.

Сварка в среде защитных газов никеля и его сплавов обеспечивает высокое качество сварных соединений, отвечающих эксплуатационным требованиям. Дуговую сварку вольфрамовым электродом выполняют на прямой полярности с применением аргона первого сорта и без присадоч­ного или с присадочным (чаще всего проволока НМц 2,5) металлом. Сварку рекомендуют проводить на медной подкладке или с защитой кор­ня шва аргоном, с соплами горелок, как при сварке титана. Сварку никеля осуществляют при минимально возможной длине дуги, повышенных си­ле тока и скорости сварки.

При ручной сварке применяют "левый" способ. Наклон горелки к оси шва должен быть 45 ... 60° вылет вольфрамового электрода 12 ... 15 мм. Присадочный металл подают под углом 20 ... 30° к оси шва. При много­проходной сварке последующие швы необходимо накладывать после полного охлаждения, зачистки и обезжиривания предыдущих слоев. Швы, обращенные к агрессивной среде, выполняются в последнюю оче­редь. Начинать и заканчивать сварные швы необходимо на технологиче­ских планках. Для предотвращения образования трещин в кратере закан­чивают сварку с уменьшением сварочного тока. Режимы сварки никеля приведены в табл. 12.13.

12.13. Ориентировочные режимы

ручной аргонодуговой сварки вольфрамовым электродом в среде аргона стыковых соединений никеля

Примечание. Расход аргона на защиту корня шва 2 ... 3 л/мин.

Ручную дуговую сварку покрытыми электродами для листов толщи­ной более 1,5 мм осуществляют на постоянном токе обратной полярно­сти. Для сварки никеля используют электроды "Прогресс-50" со стерж­нем из проволоки НП1 и ОЗЛ-22 со стержнем НМцАТК 1-1,5-2,5-0,15. Толщины до 4 мм сваривают без разделки, а больше 4 мм с разделкой кромок (табл. 12.14). Рекомендуется по возможности вести сварку за 1 проход, а длинные швы выполнять отдельными участками.

Для предупреждения перегрева электрода и получения меньших оста­точных напряжений при сварке используют ток, пониженный по сравнению с током при сварке сталей и пониженную скорость сварки (табл. 12.15).

Сварку рекомендуют вести в нижнем положении короткой дугой для уменьшения угара стабилизирующих и раскисляющих элементов, содер­жащихся в электродной проволоке. Продольные колебания конца электро­да способствуют газоудалению и получению более плотных швов.

466 ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

12.14. Подготовка кромок при ручной сварке никеля и его сплавов покрытыми электродами

12.15. Ориентировочные режимы ручной дуговой сварки покрытыми электродами никелевых сплавов

При автоматической дуговой сварке никеля и никелевых сплавов под флюсом требования по подготовке такие же, как при ручной дуговой сварке. Состав электродной проволоки подбирается близким к составу основного металла. Для сварки используют низкокремнистые основные или бескислородные фторидные флюсы ЖН-1, АНО-1, АНФ-22. Сварка производится на постоянном токе обратной полярности. Лучшие резуль-

ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИКИ СВАРКИ 467

таты получаются при использовании сварочных автоматов с зависимой от напряжения дуги подачей электродной проволоки. Ввиду нежелатель­ности перегрева основного металла сварку стремятся выполнять швами небольшого сечения. Используют электродные проволоки небольшого (2 ... 3 мм) диаметра. Из-за высокого электрического сопротивления электродных проволок и высокого коэффициента их расплавления вылет электрода уменьшают в 1,5 ... 2 раза по сравнению с вылетом электрода при сварке сталей. Получаемые сварные соединения обладают стабиль­ными и высокими показателями механических свойств.

Газовую сварку используют ограниченно для получения соединений на никеле и медно-никелевых сплавах. При ацетиленокислородной свар­ке устанавливается нормальное пламя, так как избыток кислорода или избыток ацетилена вызывают пористость, хрупкость металла шва. Для сварки никеля используют присадочную проволоку того же химического состава, что и основной металл, или с легированием небольшим количе­ством марганца, магния, кремния и титана. Чистый никель можно свари­вать без флюса, а сплавы - с флюсом, не содержащим бор. Показатели механических свойств сварных соединений из никеля, полученных газо­вой сваркой, существенно ниже показателей основного металла.

Титан и его сплавы

Титан обладает рядом ценных свойств (малая плотность, высокая прочность до температуры 450 ... 500 °С, высокая коррозионная стой­кость во многих агрессивных средах), благодаря которым находит широ­кое применение как конструкционный материал в современных отраслях промышленности.

Титан имеет две аллотропические модификации: низкотемператур­ную a с гексагональной плотноупакованной кристаллической решеткой, существующую при температурах до 882,5 °С, и высокотемпературную b с объемноцентрированной кубической решеткой, существующей выше температуры 882,5 °С до температуры плавления 1668 °С. Механические свойства технического титана невысоки и повышаются за счет легирова­ния (табл. 12.16).

Легирующие элементы по влиянию на температуру полиморфного превращения и стабилизацию той или иной фазы подразделяются на две группы:

1) a-стабилизаторы, повышающие температуру a ® b-превращения, значительно растворяющиеся в ос-фазе и незначительно в b-фазе (А1, С, О);

468 ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

12.16. Структура, состав и механические свойства промышленных титановых сплавов

ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИКИ СВАРКИ 469

2) р-стабилизаторы, делящиеся на две группы:

- изоморфные - неограниченно растворяющиеся в Р-фазе (V, Nb, Та, Mo, W);

- эвтектоидообразующие, обладающие большей, чем в а-фазе, но ограниченной в Р-фазе растворимостью (Mn, Fe, Cu, Co, Ni, Si и др.).

В зависимости от структуры в нормализованном состоянии титано­вые сплавы подразделяют на классы (см. табл. 12.16).

Из указанных в таблице сплавов (а + Р)-сплавы и псевдо-р-сплавы упрочняются термической обработкой (закалка + старение).

Ряд примесей резко снижает пластические свойства титана, по­этому их содержание ограничивают: О₂ < 0,15 ... 0,20 %; N2 < 0,05 %; Н2<0,01 %;С<0,10%.

Особенности сварки титановых сплавов обусловлены следующими факторами:

1. Высокая химическая активность титана к газам (кислороду, азоту и водороду) при высоких температурах требует обеспечения надежной за­щиты от газов атмосферы не только металла сварочной ванны, но и основ­ного металла, нагревающегося до температуры 400 °С и выше. Сварку не­обходимо производить в среде защитных газов (аргона, гелия) высокой чистоты, под специальными флюсами или в вакууме. При температурах нагрева выше 350 °С титан поглощает кислород с образованием поверхно­стного (альфированного) слоя высокой твердости Ti + О₂ = ТiO₂. При на­греве до температур выше 550 °С титан растворяет азот, химически взаи­модействует с ним, образуя малопластичные фазы внедрения (нитриды):

2Ti + N₂ = 2TiN или 6Ti + N₂ = 2Ti₃N.

Попадание частиц альфированного слоя в сварной шов резко снижает его пластичность (рис. 12.6).

Водород даже при очень малом содержании резко ухудшает свойст­ва титана. Хотя с увеличением температуры растворимость водорода снижается, водород, выделяющийся из перенасыщенного твердого рас­твора, образует отдельную фазу - гидриды титана, которая сильно ох-рупчивает титан, способствует образованию холодных трещин и пор.

2. Низкая теплопроводность титана при сварке вызывает перегрев метал­ла шва и околошовной зоны, что способствует росту размера зерна р-фазы на стадии нагрева и образованию хрупких фаз при охлаждении и старении. Не­обходима оптимизация режимов сварки, которая выражается в снижении погонной энергии для a и псевдо-a-сплавов и в увеличении погонной энер­гии для (a + b)-сплавов. Целесообразно использовать более концентриро­ванные сварочные источники энергии (электронный и лазерный лучи).

470 ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Рис. 12.6. Влияние содержания кислорода и

азота в титане на его свойства в % от

исходного состояния (а) и растворимость

водорода в титане (6)

3. Образование пор в кристаллизующемся металле сварного шва связано в основном с выделением водорода, который был поглощен ти­таном из адсорбированной влаги на присадочном металле, во флюсе или из атмосферы при нарушении защиты. Поры, располагаясь в виде цепоч­ки в сварном шве, приводят к снижению статической и динамической прочности сварного соединения.

4. Образование холодных трещин в титановых сплавах вызывается повышенным содержанием водорода в сочетании с высоким уровнем внутренних напряжений. Поэтому необходимо принимать меры по пре­дотвращению наводораживания металла сварного соединения при сварке и эксплуатации и меры по снижению остаточных сварочных напряжений.

5. В результате сварочного термодеформационного воздействия сварные соединения титановых сплавов могут обладать существенной неоднородностью свойств и для них тогда следует выполнять послесва-рочную термическую или термомеханическую обработку.

Из способов сварки плавлением для титана и его сплавов находят наибольшее применение следующие: дуговая сварка в среде инертных газов, под флюсом, электрошлаковая, электронно-лучевая.

Перед сваркой необходимо произвести подготовку кромок заготовок и присадочной титановой проволоки. Разделку кромок выполняют для толщин более 4 мм. Если заготовки были вырезаны термическими спосо­бами резки, то кромки необходимо обработать механическими способами на глубину не менее 2 мм. Непосредственно перед сваркой кромки по ширине 15 ... 20 мм от стыка должны быть очищены от окалины, цветов

ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИКИ СВАРКИ 471

побежалости, жира и других веществ. Механическую очистку поверхно­стей осуществляют хромоникелевыми стальными или титановыми про­волочными щетками или шабером, а затем обезжиривают спиртом - рек­тификатом или ацетоном. Для удаления оксидно-нитридной пленки при­меняют травление водным раствором плавиковой (HF > 2 % по объему) и азотной (НМО₃ > 30 %) кислот с последующими промывкой в бензине и обезжириванием этиловым спиртом - ректификатом или ацетоном. Для оценки полноты удаления альфированного слоя и отсутствия наводора­живания в процессе травления рекомендуют применять спектральный метод контроля концентрации водорода на поверхности свариваемых кромок. Сварочная проволока подвергается вакуумному отжиму и перед сваркой обезжиривается.

Дуговая сварка в среде защитных газов может быть осуществлена неплавящимся лантанированным или иттрированным вольфрамовым электродом (механизированная и ручная) и плавящимся электродом (автоматическая, полуавтоматическая). Для защиты зоны сварки исполь­зуют аргон высшего сорта по ГОСТ 10157-79 и гелий высокой чистоты по ГОСТ 20461-75 или смеси этих газов.

Защиту металла сварного соединения в процессе сварки осуществ­ляют: 1) на воздухе со струйной подачей инертного газа ламинарным потоком из сопел со специальными насадками и подачей газа с обратной стороны шва через специальные подкладки; 2) путем использования ме­стных камер; 3) путем помещения всего узла в камеру с контролируемой атмосферой. Наиболее надежную защиту обеспечивают камеры с кон­тролируемой атмосферой и их применяют для изделий ответственного назначения.

Наибольшее распространение получила сварка вольфрамовым элек­тродом на воздухе. Сварку осуществляют на обычных установках для автоматической сварки в среде инертных газов неплавящимся электро­дом. На горелке закрепляют специальную насадку (рис. 12.7), размеры которой назначаются такими, чтобы защитить от воздуха требуемую изо­терму на основном металле. Для предотвращения окисления металла сварного соединения защищают изотермы в 250 ... 300 °С. Размеры изо­термы обычно определяют расчетным путем по формулам распростране­ния теплоты в металлах