5.3.3. Сварка цветных металлов и их сплавов

В современной низкотемпературной технике объем применения цветных металлов и сплавов на их основе непрерывно растет. В сварных конструкциях значительно расширился ассортимент сплавов на основе меди, алюминия, 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, теплообменных аппаратов, емкостей, различных сосудов в криогенной технике и т. п.

Алюминий и его сплавы применяют для изготовления различ­ных емкостей для хранения и перевозки криогенных продуктов, теплообменных аппаратов, колон и др. Сплавы на основе алюминия характеризуются 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 для емкостей в криогенном машиностроении, судо­строении и в атомной энергетике.

Цветные металлы и сплавы на их основе имеют ряд общих и специфических особенностей, связанных с их свойствами (табл. 5.2), которые осложняют и затрудняют процесс сварки плавлением.

Таблица 5.2

Свойства некоторых цветных металлов

Элемент	Си	Al	Ti
Плотность, г/см3	8,94	2,7	4,54
Температура плавления, °С	1083	660	1665
Температура кипения, °С . .	2595	2060	3260
Коэффициент линейного расширения 106 1/°С	16,5	23,5	8,3
Коэффициент теплопроводности, Вт/(мК)	390	240	18
Удельная теплоемкость	377	920	540
Предел прочности, МПа	200-240	80-110	300-320
Относительное удлинение, %	45-55	5-18	40-50
Модуль упругости, кгс/см2 • 10 -2	1,1	0,71	1,12
Температура плавления окислов, оС	1235-Сu20 1336-СuО	2050 AI2O3	—

Основные факторы затрудняющие процесс сварки следующие:

• большое сродство металлов к кислороду. Так, по убывающей степени сродства к кислороду металлы располагаются в ряд: Al, Ti, Си и т. д. Из этого ряда видно, что это такие элементы (алюминий, титан), которые в обычной металлургии и сварочной практике используют в качестве раскислителей.

• эти металлы образуют систему окислов, более тугоплавких, чем сам металл, что приводит к засорению металла шва этими окислами.

• некоторые металлы (медь, 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.

• 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.

• для некоторых металлов (медь, алюминий) 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 (алюминии, бронза).

• 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 активный в этом смысле титан.

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.

Особенности сварки меди и ее сплавов

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 Сu–Сu₂О (температура плавления 1064 °С), которая сосредоточивается по границам зерен и снижает пластичность меди, что может привести к образованию горячих трещин.

3. Наличие некоторых примесей может способствовать склонности сварных соединений к образованию трещин. Так, например, при сварке алюминиевых бронз легко образуется тугоплавкий окисел , 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 предварительным 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 может способствовать образованию трещин. Для уменьшения деформации конструкции 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 атомарный водород не успевает покинуть металл за счет десорбции. Закись меди восстанавливается водородом с образованием паров воды: Сu₂О + 2Н → 2Сu+ Н₂O, что приводит к образованию в шве пор и трещин. Это явление называют «водородная болезнь меди».

Для предупреждения водородной болезни меди следует снижать количество водорода в зоне сварки (прокалка электродов и флюсов, применение осушенных защитных газов, тщательная подготовка свариваемых кромок прел сваркой).

6. Повышенная жидкотекучесть 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.

Сварку меди выполняют ручной дуговой сваркой покрытыми электродами, в защитных газах (аргон, гелий, азот) плавящимся и неплавящимся электродом. Предпочтение отдают плазменной сварке без присадочного металла и с присадочным металлом, т.к. этот способ сварки обладает высокой концентрацией тепловой энергии.

Особенности сварки алюминия и его сплавов

1. Наличие тугоплавкого окисла ( = 2 050 °С) с плотностью больше, чем у алюминия. Нерасплавленная окисная пленка 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. 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 может привести к разрушению (проваливанию) твердого металла нерасплавившейся части кромок под действием веса сварочной ванны. В связи с высокой жидкотекучестью алюминий может вытекать через корень шва. Размеры сварочной ванны трудно контролировать, так как алюминий при нагреве практически не меняет своего цвета. Для предотвращения провалов или прожогов при однослойной сварке или 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 закреплению листов с помощью грузов, а также пневмо- или гидравлических прижимов на специальных стендах для сварки полотнищ и секций из этих сплавов. Ввиду высокой теплопроводности алюминия 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 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.

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 %).

При сварке алюминия отдают предпочтение ручной и автоматической аргоно-дуговую сварке плавящимся и неплавящимся электродом. Хорошее качество шва получается при автоматической сварке по слою флюса с подкладкой из меди в корне шва. Ручная дуговая сварка покрытыми электродами применяется в основном для исправления дефектов литья и при ремонтных работах.

Титан и его сплавы

Титан обладает высокой прочностью от криогенных до температур 450 − 500 °С при малой плотности, высокой коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах он все шире применяется в качестве кон­струкционного материала в сварных конструкциях различного назначения. Широкое применение титан нашел в компрессоростроении для изготовления рабочих колес турбокомпрессоров, емкостей высокого давления.

Легирование технического титана небольшими добавками некоторых элементов, например 3 − 6,5 % А1, до 2 % Мn, 3,5 − 4,5 % V, до 2,5 Сг, 2 − 3 % Sn, значительно увеличивает его прочность (до 1000 − 1400 Мпа) при достаточ­ной пластичности.

Титан имеет полиморфное превращение при температуре 882 °С и две аллотропические формы: -титан с гексагональной решеткой при температуре до 882 °С и -титан с объемно-цен­трированной решеткой при температурах выше 882 °С.

Ряд элементов, в частности алюминий, олово, азот, кисло­род, повышают температуры полиморфного превращения, рас­ширяют область -титана и называются -стабилизаторами. Такие элементы, как молибден, ванадий, марганец, хром, способ­ствуют сохранению при нормальной температуре высокотемпера­турной структуры -титана и называются -стабилизаторами. 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 -структурой (типа ВТ14) также имеют высокую термическую стабильность, высокую прочность, пластичность и также хорошо свариваются.

Особенности сварки титана

1. Основные 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 -фазу при его взаимодействии по реакции Ti + О₂ = TiО₂ 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 + N₂ = 2Ti₃N. 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 в сварной шов приводит к хруп­кости металла и образованию хо­лодных трещин, в связи с чем перед сваркой его следует пол­ностью удалять.

2 . Водород даже при малом содержании наиболее резко ухуд­шает свойства титана. Хотя содержание водорода с увеличением температуры падает (рис.5.20), водород, находящийся в твер­дом пересыщенном растворе выделяется и образует отдельную фазу — гидриды титана (TiH₂), которая сильно охрупчивает титан и способствует образованию холодных трещин как сразу после сварки, так и через длительное время после сварки (замедленное разрушение). Кроме того, водород резко выделяется из металла при его кристаллизации, что способствует образованию пор. В связи с этим обстоятель­ством допустимое содержание водорода в металле ограничивается до 0,01 %, и принимаются все меры к устранению возможности наводороживания металла (например, сварочную проволоку под­вергают вакуумному отжигу).

3. Отрицательное влияние насыщения нагретого и расплавленного металла газами требует тщательной защиты при сварке не только расплавленного металла, но и 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.

4. Титан и его сплавы чувствительны к термическому циклу сварки, при нагреве и охлаждении металла в области -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.

5. В связи с низкой теплопроводностью титана стыковые швы при сварке плавящимся электродом в аргоне имеют характерную конусообразную форму (рис. 5.21, а), что вызывает необходимость для некоторых конструкций наложения галтельных швов (рис. 5.21, б) либо перехода к сварке в более дорогом гелии с целью улучшения формы внешней части усиления шва (рис. 5.21, в).

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

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.