Свариваемость материалов

24.3.3. Коррозионная стойкость, сварных соединений

В табл. 24.7 приведена общая оценка коррозионной стойкости основного металла и сварных соединений серийных алюминие­ вых сплавов. Приведенные данные следует рассматривать как ориентировочные, ибо отдельные виды полуфабрикатов, их тех­ нология изготовления, а также условия эксплуатации могут су­ щественно оказать влияние на их коррозионную стойкость. Так, например, нагартовка сплава АМгб перед сваркой приводит к уменьшению сопротивляемости межкристаллитной коррозии, особенно в загрязненной атмосфере и морской среде. Для за­ щиты от коррозии рекомендуются анодно-оксидные, химические и лакокрасочные покрытия.

Г л а в а 25. ТИТАН И ЕГО СПЛАВЫ (Шиганов И. Н.)

25.1. Основные марки сплавов титана и их свойства

Металл Ti относится к четвертой группе периодической системы элементов. Атомный номер 22, атомная масса 47,9. Титан имеет две аллотропические модификации: низкотемпературную а с гексагональной плотноупакованной решеткой, существующую при температурных ниже 882 °С, и высокотемпе­ ратурную Р с объемноцентрированной кубической решеткой, существующей при температурах вплоть до точки плавления. Температура полиморфного превращения титана а ^ Р в равновесных условиях равна 882,5 °С [1].

При рассмотрении вопросов свариваемости Ti необходимо учитывать следующие особенности его физических свойств. Титан обладает весьма вы­

ной теплоемкости Ti занимает промежуточное место между А1 и ре. Поскольку значение коэффициента теплопроводности Ti в четыре раза

меньше, чем для Fe, и в 13 раз меньше, чем для А1, при сварке Ti, во-пер­ вых, меньше потерь энергии, чем при сварке стали, а, во-вторых, осуществля­ ется весьма концентрированный нагрев при значительном градиенте темпе­ ратур. В отдельных случаях это может привести к заметному возрастанию внутренних напряжений, что необходимо учитывать при выборе оптималь­ ных режимов сварки конструкций из Ti.

Высокое электросопротивление Ti, превосходящее значение такого же показателя для железа почти в, 6 раз, а для алюминия — более чем в 20 раз, необходимо учитывать, например, при выборе контактирующих устройств для сварки плавлением с использованием присадочной проволоки.

Механические свойства технически чистого Ti невысоки (табл. 25.1) и повышаются в основном за счет легирования.

В химическом отношении Ti — весьма активный металл при высоких температурах, особенно в расплавленном состоянии. При комнатной темпе­ ратуре устойчив против окисления. Титан обладает высоким сопротивле­ нием коррозии во многих агрессивных средах. Преимущество его перед другими коррозионностойкими материалами в практически полном отсут­ ствии язвенной и межзеренной коррозии.

Наиболее широко сплавы титана используются в сварных конструкциях Легирующие элементы в значительной степени влияют на темП0РатУРУ

полиморфного превращения, растворимость, стабилизацию той или иной фазы. Существуют следующие группы легирующих элементов:

1) а-стабилизаторы, повышающие температуру а-^Р-превращения, значи­ тельно растворяющиеся в a -фазе и незначительно в p-фазе, основным ле­ гирующим элементом является алюминий;

1)а-сплавы, структура представлена а-фазой;

2)а+р-сплавы, структура представлена а- и р-фазами;

3)Р-сплавы, структура которых представлена механически стабильной Р-фазой.

Существует также два переходных класса: а) псевдо-а-сплавы, струк­ тура которых состоит из a -фазы и небольшого количества P-фазы (не бо­ лее 5 %); б) псевдо-р-сплавы, структура которых представлена метастабильной Р-фазой и небольшим количеством а-фазы.

Основные сведения по титановым сплавам представлены в табл. 25.1. Механические свойства, структура титана и его сплавов зависят от

ностью теряет способность к пластическому деформированию. Азот полностью

охрупчивает титан при содержании более 0,2% . Водород — вредная примесь в титановых сплавах, приводящая к охрупчиванию.

Перед сваркой с поверхности титана необходимо убирать газонасы­ щенную пленку, иначе на поверхности может остаться альфированный слой. Сохранение такого слоя недопустимо, так как переход газов из слоя в шов вызывает его охрупчивание.

25.2. Свариваемость

25.2.1. Показатели свариваемости

Обязательным условием получения качественного сварного со­ единения является надежная защита от газов атмосферы. Насы­ щение металла шва кислородом, азотом и водородом происхо­ дит при температурах более 350 °С. Это резко снижает пластич­ ность и длительную прочность сварных конструкций. Сварку не­ обходимо производить в среде защитных газов (аргона или гелия) высокой частоты, под специальными флюсами или в ва­ кууме. Защитные средства должны обеспечивать защиту зоны сварки, ограниченной изотермой более 350 °С. Необходимо также тщательно защищать и обратную сторону шва даже в том слу­ чае, если слои металла не расплавлялись, а только нагревались выше этой температуры.

Чувствительность к сварочному термическому циклу выра­ жается в протекании полиморфного превращения а ^ р , в резком росте размеров зерна p-фазы и перегреве на стадии нагрева, в образовании хрупких фаз при охлаждении и старении, неодно­ родности свойств сварных соединений, зависящих от химиче­ ского и фазового состава сплава. Перегрев шва и околошовной зоны связан с низкой теплопроводностью титана. Устранить указанные трудности удается применением оптимальных режи­ мов сварки, которые выражаются в снижении погонной энергии для <*- и псевдо- а-сплааов и в увеличении погонной энергии для а+р-сплавов [2].

Положительные результаты дает применение концентриро­ ванных источников энергии (лазерный и электронный лучи).

Тйтан и его сплавы не склонны к образованию кристаллиза­ ционных (горячих) трещин в металле шва. Наиболее распро­ страненными дефектами являются поры и холодные трещины. ПорЫ в сварных соединениях чаще всего располагаются в виде цепочки по зоне сплавления. Они снижают статическую и дина­ мическую прочность соединений. Образование пор может быть связано с попаданием водорода в шов вместе с адсорбирован­ ной влагой на присадочной проволоке, флюсе, кромках свари­ ваемых изделий или из атмосферы при нарушении защиты. Для получения беспористых швов необходимо обеспечить требуемую чистоту основного металла и сварочных материалов, сварку

нии шва, отсутствии трещин и высоких механических свойствах сварных соединений.

Одним из важных критериев свариваемости сплавов этого класса является незначительная чувствительность к изменению режимов сварки. Однофазные а-сплавы имеют широкий интер­ вал скоростей охлаждения, при котором сохраняются доста­ точно высокие свойства соединений. Наибольшие значения ха­ рактеристик пластичности сварных соединений достигаются при средних и относительно высоких скоростях охлаждения. Меха­ нические свойства сварных соединений а-сплавов, полученных аргонодуговой сваркой без присадки, приведены в табл. 25.2.

Для обеспечения высокого уровня пластичности швов, рав­ нопрочных основному металлу, используют присадочные про­ волоки, отличающиеся по химическому составу от основного ме­ талла и имеющие по сравнению с ним пониженную концентра­ цию легирующих элементов (табл. 25.1).

Рассматриваемые сплавы не упрочняются термической обра­ боткой. С целью снятия напряжений конструкции с жесткими соединениями подвергаются отжигу, который включает нагрев при температурах выше.температуры начала рекристаллизации, но ниже температуры полиморфного превращения и последую­ щее охлаждение на воздухе. Ниже приведены характерные тем­ пературы отжига [3] о-сплавов:

Время отжига составляет 15—60 мин в зависимости от се­ чения детали.

Отжиг сварных соединений а-сплавов титана приводит к по­ вышению сопротивляемости развитию трещин. Нагрев сварных конструкций рекомендуется производить в электрических печах с защитной атмосферой. При возникновении a-слоя его необхо­ димо убирать механическими способами.

25.2.3. Двухфазные (а+$)-сплавы

Двухфазные конструкционные (а+р)-титановые сплавы по сва­ риваемости уступают а-сплавам, так как более чувствительны к изменению параметров режима сварки, а необходимый уровень свойств достигается в результате термической обработки, при­ менения присадочных материалов или утолщений кромок.

Чувствительность двухфазных сплавов к термическим цик­ лам сварки проявляется в существенном изменении механиче­ ских свойств сварных соединений в зависимости от затрат по­ гонной энергии и соответствующих им скоростей охлаждения околошовной зоны. Величина оптимальных скоростей охлажде­ ния зависит от количества легирующих элементов в сплаве, от

скорости охлаждения следует уменьшать. Для наиболее распро­ страненного сплава ВТ6 скорость охлаждения не должна пре­ вышать 40°С/с. Для более легированных сплавов (ВТ 14, ВТ22) независимо от скорости охлаждения (1—600°С/с) наблюдается снижение пластичности околошовной зоны. Поэтому для полу­ чения оптимальной структуры и механических свойств около­ шовной зоны необходим соответствующий выбор параметров режимов сварки применительно к типу соединения.

Получение требуемых механических свойств металла шва достигается соответствующим выбором химического состава присадочной проволоки, состав которой должен быть близок к составу основного металла, но с уменьшенной степенью леги­ рования. Для таких высокопрочных сплавов как ВТ 14 и ВТ22 дуговая сварка без присадки, т. е. только проплавлением основ­ ного металла, не позволяет получить достаточно прочные и пла­ стичные соединения. Эти сплавы сваривают с легированной присадочной проволокой СПР-2, что позволяет получать после сварки и отжига швы, равнопрочные основному металлу при

С целью повышения пластичности сварных соединений при­ меняют высокотемпературный отжиг [4] для предварительной подготовки структуры сварного соединения перед упрочняющей

венные трудности, связанные с повышенной чувствительностью

ТАБЛИЦА 25.7

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СОЕДИНЕНИЙ ИЗ СПЛАВА ВТ15 ПОСЛЕ СВАРКИ И ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ Е4]

на жестких режимах. Рекомендуется применять электронно-лу­ чевую сварку, аргоно-дуговую с активирующим флюсом, ла­ зерную.

Термическая обработка сварных соединений повышает проч­ ность, но снижает пластичность шва (табл. 25.7). Повышение прочности и пластичности сварных соединении достигается ме­ ханико-термической обработкой.

Сплавы со стабильной p-структурой удовлетворительно сва­ риваются всеми видами сварки плавления.

При изготовлении конструкций из титановых сплавов ис­ пользуют следующие способы сварки: дуговая — в среде защит­ ных газов, неплавящимся и плавящимся электродом, электрон­ но-лучевая, лазерная, плазменная, электрошлаковая, контакт­ ная, диффузионная, сварка взрывом, а также пайка.

Глав а 26. БЕРИЛЛИИ И ЕГО СПЛАВЫ (Шиганов И. Н.)

26.1. Основные марки сплавов бериллия и их свойства

Металл Be относится к легким металлам II группы периодической системы элементов. Порядковый номер 4, относительная атомная масса 9,01, принад­

у алюминия. Под воздействием окислительных сред на поверхности берил­ лия образуется защитная окисная пленка, подобная пленке на алюминии и титане. С одной стороны, это делает его коррозионностойким, а с другой стороны, затрудняет процесс сварки. При высоких температурах Be обла­ дает высокой химической активностью по отношению к кислороду, азоту, водороду, галогенам и т. д. В тонкоизмельченном виде и парообразный Be обладает’высокой токсичностью, в связи с чем при обработке его необхо­ дима полная защита оператора от воздействия паров и пыли, в частности сварку, необходимо проводить только в герметично закрытых камерах (до­ пустимое содержание в атмосфере до 2 мг на 1 м3). Компактный Be не