Свариваемость материалов

(объемн.) Ог, снизилось в два раза и практически достигло уровня его в исходном металле [2]. Крупнозернистая структура металла шва, особенно на технически чистых металлах, явля­ ется причиной значительного снижения предела его выносливо­ сти по сравнению с деформированным и отожженным основным металлом. Как чистые металлы, так и их сварные швы весьма пластичны и не чувствительны к надрезу и трещине. При испы­ таниях на трещиностойкость развитию трещины в швах пред­ шествует значительная локальная пластическая деформация.

Свариваемость сплавов с твердорастворным упрочнением на основе металлов VA группы зависит от количества и вида легирующих компонентов. В принципе увеличение количества легирующих элементов приводит к упрочнению твердого рас­ твора и некоторому снижению пластичности и ухудшению сва­ риваемости. Однако большее значение имеет элементный состав сплава.

Удовлетворительную свариваемость имеют сплавы тантала, содержащие менее 13 % (ат.) легирующих элементов. Очевидно, такое ограничение как для ниобиевых, так и Для танталовых сплавов относится к элементам, которые наиболее эффективно упрочняют твердый раствор (W, Мо), так, например, сплав со­ става Та — 30% Nb — 7,5% V сваривается удовлетворительно, а сплавы Та — 12,5 % W и особенно Та — 17 % W обладают пло­ хой свариваемостью; швы этих сплавов при комнатной темпера­ туре хрупкие, а сплав Та — 17 % W склонен к образованию го­ рячих трещин при сварке.

Отличительной особенностью сплавов с твердорастворным упрочнением является их нечувствительность к изменению пара­

Наличие ячеистой субструктуры приводит к увеличению об­ щей протяженности границ, что влияет на особенность распро­ странения трещины и разрушение при испытаниях на трещино­ стойкость и ударный изгиб. Поэтому, как правило, ударная вяз­ кость металла шва несколько выше вязкости ЗТВ.

Легирование сплавов VA группы карбидообразующими эле­ ментами (Ti, Zr, Hf) способствует выделению в швах дисперс­ ных карбидных фаз, располагающихся по границам зерен шва и ЗТВ. Выделяющая фаза приводит к снижению пластичности сварных соединений. Гомогенизация структуры швов происхо­ дит при рекристаллизационном отжиге, снижающем темпера­ туру вязкохрупкого перехода.

Механические свойства сварных соединений сплавов с твер­ дорастворным упрочнением находятся на высоком уровне

(табл. 31.11).

В отличие от чистых металлов и сплавов с твердорас­ творным упрочнением дисперсионно-упрочненные и комплексно-

легированные сплавы весьма чувствительны к термическому циклу сварки. При большом тепловложении в случае сварки на повышенной погонной энергии возрастает прочность шва и сни­ жается его пластичность и ударная вязкость. Такое поведение этих сплавов можно объяснить процессами старения, которые начинают развиваться непосредственно при охлаждении шва [10]. При увеличении скорости охлаждения (сварка на больших скоростях) уменьшается количество выделяющейся в шве лластинчатой карбидной фазы, которая является местом локали­ зации остаточных напряжений.

Последующая термическая обработка, способствующая коа­ гуляции и глобулизации пластинчатых выделений, частичному растворению метастабильных карбидов и выделению мелко­ дисперсных стабильных карбидов типа (Nb, Zr)C, (Та, Hf)C, приводит к повышению пластичности и вязкости сварных сое­ динений. Оптимальными режимами термообработки являются:

для сплава Nb — 5 % W — 2,0 % Mo — 1 % Zr — 0,1 % С (М Ц У )-

ходим предварительный подогрев для предотвращения образо­ вания горячих трещин.

Трещины возникают на стадии первичной кристаллизации и развиваются при дальнейшем остывании металла. Горячие трещины обусловлены междендритными жидкими прослойками и остаточными напряжениями. В ниобиевых сплавах образова­ ние трещин зависит от соотношения концентрации легирующих

весьма распространенным явлением. Поры располагаются пре­ имущественно по линии сплавления и имеют сферическую замк­ нутую форму. Они не оказывают существенного влияния на гер­ метичность швов и их механические свойства, но могут сущест­ венно увеличивать скорость коррозионного растрескивания. По­ явление пор объясняют присутствием в основном металле ак­ тивных примесей и реакциями взаимодействия углерода с кис­ лородом или оксидами. Существенное влияние на образование пор оказывают дефекты обработки торцов свариваемых кромок.

Полностью устранить подобные дефекты можно, применяя различные способы сварки давлением. Систематические иссле­ дования свариваемости тугоплавких металлов при сварке дав­ лением позволили выявить критерий их свариваемости вхолод­ ную, определяемый соотношением их упругих констант (B/G > >2,5) или величиной коэффициента Пуассона р>0,32 [7]. Все чистые металлы VA группы удовлетворяют этому критерию и могут быть сварены вхолодную. Это подтверждается экспери­ ментально; степень деформации, необходимая для образования прочного соединения этих металлов, находится на уровне 80— 85%. Заметное снижение деформации при сварке давлением наблюдается при температуре начала диффузионной подвижно­

сти ( ~0,25 Т„п).

Свариваемость при сварке давлением определяется в основ­ ном процессами очистки поверхности и образования физического контакта и в меньшей степени зависит от химического состава и наличия примесей внедрения. Некоторое влияние на сваривае­ мость оказывает исходное состояние материала. Предваритель­ ный наклеп способствует снижению деформации схватывания и скорейшему образованию общих зерен на исходной границе раздела.

Наибольшее распространение получила диффузионная сварка,

поверхностях оксидные пленки и адсорбированные газы уда­ ляются при Нагреве в основном за счет их растворения в мат­ ричном металле [6]. Равнопрочные соединения формируются в довольно широком диапазоне изменения параметров режима.

В работе [9] отмечается возможность сварки ниобия при темпе­ ратуре 900 °С. Процессы рекристаллизации оказывают суще­ ственное влияние на свариваемость тугоплавких металлов. Пер­ вичная рекристаллизация по границе раздела способствует гомогенизации структуры и повышению свойств сварных со­ единений. Собирательная же рекристаллизация приводит к ро­ сту зерен и существенно повышает переходную температуру 7V Сплавы на основе металлов VA группы удовлетворительно сва­ риваются точечной и шовной контактной сваркой переменным током и конденсаторной сваркой.

Некоторые трудности возникают при стыковой сварке ниобиевых сплавов. Соединения получаются хрупкими вследствие искривления исходной текстуры. При сварке оплавлением вы­ соколегированных сплавов часто образуются трещины.

31.2.3. Свариваемость сплавов на основе хрома, молибдена и вольфрама

С учетом специфики металлов VIA подгруппы и сплавов на их основе под свариваемостью этих материалов следует подра­ зумевать прежде всего возможность получения бездефектных сварных соединений с достаточным уровнем низкотемператур­

разделить на три группы. В первую группу следует отнести про­ блемы, обусловленные металлургическими и физическими осо­ бенностями сплава, которые определяются в основном его хи­ мическим составом. Особое внимание следует уделить приме­ сям, образующим с хромом, молибденом и вольфрамом твер­ дые растворы внедрения.

Ко второй группе вопросов свариваемости тугоплавких ме­ таллов относятся структурное состояние основного металла и его взаимосвязь с механическими характеристиками и низко температурной пластичностью сварного соединения. При этом необходимо рассматривать не только зеренную структуру, но также механическую и кристаллографическую текстуру исход­ ного материала.

И наконец, третья группа вопросов связана с технологией сварки. Она включает факторы, в значительной степени влияю­ щие на качество сварных соединений и в первую очередь их температуру хладноломкости: способ и режим сварки, состав защитной газовой атмосферы, методы подготовки свариваемых кромок и др.

Благодаря особым физическим свойствам металлов VIA подгруппы — высокая температура плавления, большая тепло­ проводность и объемное теплосодержание — при их сварке плавлением требуются повышенные тепловложения и примене­ ние концентрированных источников нагрева.

Для ориентировочной оценки влияния легирующих элемен­ тов на свариваемость и низкотемпературную пластичность свар­ ных соединений могут быть использованы данные, представлен­ ные на рис. 31.3. Единственный легирующий элемент, который повышает пластичность молибденовых и вольфрамовых сплавов при легировании в количестве 1 % (по массе), является рений. Наряду с Re на свариваемость вольфрамовых сплавов благо­ приятно влияет молибден. Увеличение в сплавах W содержания Мо до 30 % (по массе) повышает пластичность сварных соеди-

нений, однако температура плавления сплава при этом снижается до 3193 К.

Основным препятствием получения качественных сварных соединений является наличие примесей в основном металле в количествах, значительно превышающих их предел раствори­ мости. Рост содержания кислорода в молибденовых сплавах приводит к появлению и резкому увеличению температуры вязко-хрупкого перехода сварного соединения (рис. 31.4).

Так как в молибдене при комнатной температуре растворя­ ется не более 0,0001 % (по массе) Ог, можно утверждать, что практически весь кислород, содержащийся в сплаве, будет сег­ регировать на границах зерен в свободном состоянии и в виде оксидов. И в том, и в другом случае пластичность сварных со­ единений молибденовых сплавов резко снижается; чем больше толщина пленки МоОг, тем выше температура хладноломкости соединения.

При содержаниях примесей внедрения, характерных для промышленных сплавов на основе металлов VIA подгруппы,

уменьшение размера зерна способствует росту низкотемпера­ турной пластичности. Это обусловлено, с одной стороны, повы­ шением протяженности границ зерен, и, как следствие, сниже­ нием уровня пограничных сегрегаций. С другой стороны, при наблюдаемых в поликристаллах ориентировках смежных зерен пластическая деформация передается путем возбуждения ис­

точников дислокаций в непосред­

ных соединений молибденовых сплавов может рассматриваться как следствие весьма тонкого конкурентного взаимодействия этих примесей на границах зерен [2].

Сведения, приводимые в литературе, о влиянии углерода на низкотемпературную пластичность молибденовых сплавов про­ тиворечивы. В ряде сообщений говорится о положительном влиянии углерода, вводимого в молибден в количествах, даже превышающих необходимое для раскисления. Увеличение пла­ стичности молибденовых сплавов обусловлено нейтрализацией вредного влияния кислорода. Это свидетельствует о том, что улучшение свариваемости сплавов на основе металлов VIA под­ группы достигается оптимальным легированием, способствую­ щим нейтрализации примесей внедрения.

Сравнительные данные о влиянии азота, кислорода, угле­ рода и серы на температуру вязкохрупкого перехода хрома приведены на рис. 31.5.

Углерод, сера резко повышают температуру вязко-хрупкого перехода, в то время как кислород оказывает на пластичность хрома наименьшее влияние. Поэтому при разработке низколе­ гированных сплавов хрома, предназначающихся для сварных конструкций, особое внимание уделяют содержанию в металле углерода и серы. Их концентрация в сплаве должна находиться либо на уровне предельной растворимости, либо эти примеси должны быть связаны в термодинамически стабильные соеди­ нения, что может быть достигнуто легированием сплава неболь­ шим количеством элементов IVA и VA подгрупп и редкоземель­ ными элементами.

Таким образом, анализ особенностей изменения свойств сварных соединений в связи с наличием в них примесей внед­ рения в различных количествах позволяет наметить наиболее эффективные пути улучшения свариваемых металлов VIA под­ группы. К ним относятся, во-первых, очистка исходного мате­ риала от элементов, образующих с ним твердые растворы внед­ рения. Особенно остро эта проблема стоит при производстве сплавов на основе вольфрама и хрома; во-вторых, рациональное легирование химически активными элементами с целью связы­ вания примесей в термодинамически стабильные соединения.

Механические свойства сварных швов на тугоплавких метал­ лах могут быть улучшены, если их легировать элементами, ко­ торые наряду с увеличением высокотемпературной прочности и пластичности при нормальной температуре уменьшают размер зерна. К таким элементам относятся Al, Ti, Zr, Hf, Ir, Nb и др. Из этих элементов наиболее эффективными являются Zr, Hf, Ir.

Сплавы тугоплавких металлов VIA подгруппы, получаемые методами вакуумно-дугового и электронно-лучевого переплава, обладают значительно меньшей склонностью к образованию пористости в сварных соединениях, чем аналогичные сплавы, изготовленные методами порошковой металлургии. Обычно это вызвано тем, что порошковые сплавы имеют повышенное со­ держание газовых примесей. Однако в сварных соединениях, выполненных на порошковых сплавах даже с меньшим содер­ жанием примесей, чем в литом металле, как правило, наблю­ дается пористость. Однако имеются факты, свидетельствующие о том, что склонность к образованию трещин в сварных соеди­ нениях порошковых сплавах вольфрама значительно ниже, чем в литых сплавах того же химического состава.

Качество сварных соединений, механические свойства швов, и в особенности их низкотемпературная пластичность чрезвы­ чайно чувствительны к структурному состоянию исходного ма­ териала [2].

При сварке тонколистовых материалов реализуется двухмер­ ная схема кристаллизации сварочной ванны. Кристаллизация начинается с оплавления зерен в зоне сплавления, т. е. при сварке тонколистовых материалов кристаллизация шва проис­ ходит путем эпитаксиального роста его кристаллитов. Кристал­ литы металла шва наследуют кристаллографическую ориенти­

таллов возникают серьезные трудности, связанные с перегре­ вом металла шва, увеличением ЗТВ и, как следствие, образо­ ванием трещин. Применение способов сварки давлением в ряде случаев позволяет решить многие проблемы сварки хрома, мо­ либдена и вольфрама.

Весьма удовлетворительной свариваемостью обладают сплавы молибдена и вольфрама при сварке трением. Процесс можно осуществлять на воздухе и в вакууме с получением вы­ соких механических свойств, хотя Тх сварных соединений на 150—200 К выше, чем Гх основного металла. Причиной этого может быть искривление исходного волокна в зоне стыка. Про­ ведение процесса сварки трением в вакууме позволяет снизить давление и величину осадки, что способствует повышению пла­

стичности соединений.

Диффузионная сварка металлов VI подгруппы производится обычно в вакууме, но может осуществляться в инертной среде и в водороде [9]. В связи с высокими температурами начала адгезионного взаимодействия при сварке в зоне разогрева про­

исходит рекристаллизация, приводящая к снижению механи­ ческих свойств соединений. Наиболее часто используется техно­ логия диффузионной сварки с применением промежуточных прослоек, обладающих более низкой энергетической устойчи­ востью электронных конфигураций и позволяющих предотвра­ тить процесс рекристаллизации. В качестве прослоек исполь­ зуются: для вольфрама Ni, Nb, Ti, Ni—Pd, Re—Та; для молиб­ дена Cu, Ag, Ni, Ti, Pt, Pd, Та, а также прослойки порошков.

31.3. Технология сварки тугоплавких металлов

При сварке сплавов на основе тугоплавких металлов особое внимание следует уделять подготовке поверхности торцов сва­ риваемых кромок. Допускается подготовка кромок к сварке порезкой абразивными камнями. Однако этим способом можно подготовить только детали несложной прямолинейной конфигу­ рации. При подготовке заготовок сложной формы из сплавов вольфрама оптимальные результаты достигаются электроэрозионной обработкой кромок. При электроискровой вырезке за­ готовок из сплавов хрома в поверхностном слое образуются микротрещины. Для молибденовых сплавов рекомендуется вы­ резка на гильотинных ножницах с последующим фрезерованием кромок. Точность сборки стыка — необходимое условие получе­ ния качественного сварного соединения.

Непосредственно перед сваркой требуется очистить поверх­ ности свариваемых кромок изделий от различного рода загряз­ нений. Основным методом очистки поверхности изделий из ту­ гоплавких сплавов является химическое травление. Удаление загрязнений поверхностного слоя позволяет улучшить низко­ температурную пластичность сварного соединения молибдена. В отличие от сплавов молибдена подготовка к сварке изделий из сплавов вольфрама, кроме операций химического травления или электролитического полирования, включает обязательную операцию вакуумного отжига.

В сварных конструкциях из тугоплавких металлов приме­ няют в основном листы толщиной 0,1—2 мм и реже больших толщин. Наиболее распространенные типы сварных соединений при АрДС и ЭЛС — стыковые без разделки и с разделкой кро­ мок. При сварке деталей толщиной менее 0,5 мм следует при­ менять соединения с отбортовкой кроиьк.

Как правило, сварку изделий из сплавов на основе металлов VIA подгруппы выполняют без присадки, используется прово­ лока того же химического состава, что и основной металл.

Дуговую сварку неплавящимся вольфрамовым электродом выполняют постоянным TOKQM на прямой полярности.

На формирование шва, структуру и механические свойства сварных соединений тугоплавких металлов существенно