Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технология сварки плавлением. Часть II. Учебное пособие
.pdf
Для сварки латуней, бронз и медно-никелевых сплавов применяют
электроды марок ММ3-2, Бр1/ЛИВТ, ЦБ-1, МН-4 и др. Широкое применение нашли также электроды с покрытием «Комсомолец-100».
Ручную дуговую сварку латуни покрытыми электродами применяют редко, так как интенсивное испарение цинка затрудняет работу
сварщика. Для уменьшения его испарения предварительно подогревают
металл
, благодаря чему сварку можно проводить на пониженном токе и
на повышенной скорости. Сварочный ток выбирают в зависимости от
толщины металла, диаметра электрода и типа разделки. Так, для электрода диаметром 5 мм ток составляет 125…200 А. Сварные соединения
из латуни Л62 толщиной 4…20 мм имеют следующие механические
свойства: σ
= 243…340 МПа, угол загиба 126…180°.
в
Сварку бронз покрытыми электродами выполняют как с подогревом, так и без предварительного подогрева, применяемые токи
160…280 А, диаметр электродов 6…8 мм.
Сварка под флюсом. Основным преимуществом автоматической
сварки меди под флюсом металлическим электродом является возможность получения стабильных высоких механических свойств соединений без предварительного подогрева. Поэтому
при изготовлении крупногабаритных сварных конструкций из меди больших толщин технологический процесс достаточно прост и практически не отличается от
сварки изделий из стали.
Автоматическую сварку меди и ее сплавов под флюсом выполняют
на постоянном токе обратной полярности. При этом для сварки меди
могут применяться в сочетании с медной электродной проволокой
марки М1 стандартные плавленые флюсы АН-348А, ОСЦ-45, АН-20С,
АН-26С, предназначенные для сварки сталей. Однако при их использовании необходимо иметь в виду, что при сварке под кислыми флюсами
в шов переходит кремний и марганец, восстановленные из шлака.
В результате ухудшаются теплофизические свойства меди и повышает-
удельное электрическое сопротивление швов по сравнению с основ-
ся
ным металлом. Этот недостаток позволяет устранить применение бескислородных фторидных флюсов, например АН-М1 (55 % MgF
NaF, 5 % BaF
).
2
, 40 %
2
Сварку стремятся выполнять за один проход с полным проплавлением стыкуемых кромок. Металл толщиной до 25 мм сваривают одним
электродом диаметром 4…5 мм без разделки кромок. При большей толщине металла рекомендуют U-образную разделку (притупление 5…8 мм)
и двухэлектродную сварку (из проволок диаметром 5 мм, расположенных
поперек шва) или сварку одним электродом диаметром 6 мм.
141
Для удержания жидкого металла сварочной ванны и формирования
обратной стороны шва применяют графитовые подкладки или флюсовые
подушки. Ориентировочный режим сварки меди толщиной 16…20 мм:
ток дуги 850…1100 А, напряжение дуги 45…50 В, скорость сварки
12…8 м/ч, используется односторонняя сварка без разделки кромок за
один проход.
Для сварки латуней применяют плавленые флюсы АН-20, ФЦ-10,
а
также специально разработанный для латуней флюс МАТИ-53, состоящий из 77 % флюса ОСЦ-45, 7,7 % борной кислоты и 15,4 % кальцинированной соды. В качестве сварочных используют бронзовые проволоки
БрКМц3-1, БрОЦ4-3 и латунные ЛК80-3. За один проход без разделки
кромок сваривают латунь толщиной до 12 мм. При большей толщине
выполняют V- или Х-образную разделку. Ориентировочный режим
сварки латуни толщиной 12 мм: ток дуги 450…470 А, напряжение дуги
30…32 В, скорость сварки 25 м/ч.
При сварке бронз хорошие результаты обеспечивает применение
флюса К-13 с присадкой М1. Флюс К-13 содержит 20 % Al
, 15 % CaCO3, 20 % Na2B4O7, 15…19 % CaF2, 3…5 % Al (алюминие-
SiO
2
, 8…10 %
2O3
вой пудры). Сварные швы бронзы БрХ0,5, сваренные под этим флюсом
с присадкой М1, не уступают по прочности основному металлу.
Электрошлаковая сварка меди наиболее целесообразна и успеш-
но применяется для сварки больших сечений, размеры которых ограничиваются лишь наличием соответствующих источников питания сварочным током. Вследствие ее высокой теплопроводности сварку
ведут
на больших погонных энергиях. Для сварки меди наиболее приемлем
электрод большого сечения – пластинчатый или плавящийся мундштук
марки БрКМц3-1 и БрОЦ4-3 с использованием фторидных легкоплавких флюсов системы NaF−LiF−CaF
(например, марки АНМ-10). В этом
2
случае обеспечивается устойчивый процесс, необходимый нагрев и
плавление кромок на требуемую глубину, хорошее формирование швов
и легкое удаление шлаковой корки с их поверхности. Сварка производится переменным током с помощью стандартных сварочных трансформаторов типа ТШС или ТШП.
На устойчивость электрошлакового процесса и его производительность влияет ширина зазора между свариваемыми поверхностями.
Уменьшение зазора ниже допустимого приводит к нарушению стабильности процесса из-за коротких замыканий пластинчатого электрода на
стыкуемые детали и снижению глубины проплавления, а чрезмерная
ширина зазора – к неоправданному снижению производительности
сварки и перерасходу присадочного металла, что крайне невыгодно.
142
Свариваемые кромки и прилегающие к ним поверхности и электродный металл должны быть очищены и обезжирены. Для сварки коротких швов (до 1,0…1,5 м) применяют неподвижные формирующие
приспособления, обычно из графита (для сведения к минимуму тепловые потери), а для протяженных швов – два скользящих ползуна.
Особенностью режимов сварки меди пластинчатым электродом яв
-
ляются повышенные значения сварочных токов. При этом большое влияние на форму провара и устойчивость процесса оказывает глубина шлаковой ванны. Так, при сварке медных заготовок сечением 140×160 мм глубину шлаковой ванны поддерживают в пределах 50…70 мм при следующем режиме сварки: зазор между свариваемыми кромками 56…60 мм,
пластинчатый электрод толщиной 18 мм,
сила тока 8000…10 000 А,
напряжение 40…50 В, скорость подачи электрода 12…15 м/ч. Механические свойства шва мало отличаются от свойств основного металла.
Плазменная сварка – эффективный способ соединения деталей из
меди и ее сплавов больших толщин (30…40 мм и более), что обусловлено возможностью осуществления больших тепловложений в свариваемые кромки без ухудшения условий формирования
сварного шва и
нарушения стабильности горения дуги. Применяют плазмотроны прямого действия.
Плазменную сварку меди и ее сплавов больших толщин осуществляют без разделки кромок, с двух сторон. В качестве плазмообразующего газа используют смесь аргона с гелием (объемная доля гелия
80…85 %). Примером плазменной сварки медных сплавов могут служить режимы
сварки стыкового соединения из бронзы БрХ0,8 толщиной 40 мм: сила тока 1100…1200 А, напряжение сжатой дуги 55…60 В,
скорость сварки 3 м/ч.
Для обеспечения хорошей защиты от атмосферного воздуха плазменную сварку иногда выполняют по слою флюса, а для создания мелкозернистой структуры используют в качестве присадки порошковую
проволоку. Для сварки малых
толщин – до 0,5 мм – эффективно исполь-
зуют микроплазменную сварку.
Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) весьма эффективна при изго-
товлении электровакуумных приборов. Так, при сварке особо чистой
меди марки МБ обеспечиваются высокие механические свойства соединений с сохранением исходной чистоты металла в сварном шве и околошовной зоне. Однако при ЭЛС меди возникают трудности
, связанные
с интенсивным испарением металла в вакууме при перегреве выше температуры плавления, а также с его высокой теплопроводностью. Поэтому сварку малых толщин выполняют неострофокусированным или колеблющимся пучком.
143
Наличие в меди и особенно в ее сплавах легкоиспаряющихся элементов (цинка, свинца, магния и др.) затрудняет и даже делает невозможной сварку этих сплавов электронным лучом. Из низколегированных медных сплавов наиболее широкое распространение получила
бронза БрХ0,8, применяемая в конструкциях, работающих при повышенных температурах.
Один из основных дефектов при
ЭЛС − пористость – как в металле
шва, так и зоне сплавления. Эффективным средством устранения пористости является применение повторных проходов. Так, на меди толщиной 5 мм уже после второго прохода центральная часть шва плотная.
При увеличении числа проходов количество пор в зоне сплавления также уменьшается.
При ЭЛС меди и
бронзы БрХ0,8 получают швы с мелкозернистой
структурой и механическими свойствами, практически идентичными
свойствам основного металла.
Вопросы для самопроверки
1. Какие марки меди и группы ее сплавов широко применяют во многих
отраслях современной техники?
2. Перечислите основные свойства меди и ее сплавов. Как влияют леги-
рующие элементы на эти свойства?
3. Как маркируются латуни и бронзы?
4. Назовите основные причины, вызывающие затруднения сварки меди и
ее сплавов.
5. В чем причина образования
6. Объясните механизм «водородной болезни» меди.
7. Перечислите основные операции подготовки медных заготовок и сва-
рочных материалов под сварку.
8. Как влияют на технологию сварки высокая теплопроводность и жид-
котекучесть меди?
9. К какому дефекту швов приводит выгорание цинка при сварке лату-
ней?
10. Перечислите основные способы сварки
сти их технологии.
11. Какие марки электродов обеспечивают высокую электропроводность
металла шва при сварке меди?
горячих трещин при сварке меди?
меди и ее сплавов, особенно-
144
10. ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ТУГОПЛАВКИХ
И ХИМИЧЕСКИ АКТИВНЫХ МЕТАЛЛОВ
10.1. Характеристика тугоплавких и химически активных металлов
В связи с развитием таких отраслей техники, как атомная энергетика, ракетостроение, химическое машиностроение, электроника и др.,
возникла необходимость использовать в качестве конструкционных материалов металлы, обладающие высокой жаропрочностью, коррозионной устойчивостью в ряде агрессивных сред и другими специальными
свойствами. К числу таких металлов
бий, цирконий и гафний. Они отличаются тугоплавкостью и особой химической активностью в нагретом состоянии. Некоторые теплофизические характеристики данных металлов и железа приведены в табл. 19.
Теплофизические характеристики тугоплавких, активных
металлов и железа
Свойство Mo Ta Nb Zr Hf Fe
Плотность,
Температура
плавления, °С
Температура
кипения, °С
Коэффициент
линейного
расширения,
1/°С·10
Коэффициент
теплопровод-
Вт/см ·град
Предел проч-
ности, МПа
Относительное
удлинение, %
Модуль упру-
МПа·10
3
г/см
ности,
гости,
−6
−7
10,2 16,6 8,57 6,4 13,3 7,8
2622 2990 2465 1850 2222 1539
5560 5425 4927 3580 5400 2880
5,2 6,6 7,1 5,8 5,8 12
1,38 0,54 0,52 0,14 0,22 0,75
589…883 343…510 343…473 334…471 392…451 250…292
5…15 30…50 30…50 34…47 26…30 50
21,6 18,6 8,5 9,4 13,7
относятся молибден, тантал, нио-
Таблица 19
145
Такие металлы, как ванадий, вольфрам, хром, используют в качестве конструкционных материалов значительно реже и только в комбинированных сварных конструкциях.
Сварка рассматриваемых металлов затрудняется высокой температурой их плавления, склонностью к росту зерна при нагреве и большим
сродством к кислороду, азоту и водороду, что приводит к образованию
в шве пор
и снижению его пластических свойств. Рассматривая особенности поведения отдельных металлов при сварке, необходимо отметить
следующее.
Молибден, имеющий высокую температуру плавления, высокие
значения механических свойств и модуля упругости, используют в виде
листов небольшой толщины для отдельных элементов камер сгорания,
турбокомпрессоров и т. п. В некоторых средах он имеет высокую коррозионную стойкость.
Молибден принадлежит к мономорфным металлам с характерной
объемно-центрированной кристаллической решеткой. Он, как и вольфрам, относится к металлам, обладающим наихудшей свариваемостью
среди других тугоплавких металлов. Это обусловлено повышенной
склонностью к образованию кристаллизационных трещин в связи с образованием по границам зерен различных легкоплавких эвтектик
(например, МоО
+ МоО2 + Мо; Тпл = 780 °С), а также охрупчиванием
3
металла шва и околошовной зоны из-за возможного попадания газов
атмосферы либо других загрязняющих веществ. Кроме того, низкая свариваемость молибдена обусловлена ничтожной растворимостью примесей внедрения и наиболее высокой чувствительностью к ним.
Попадание примесей атмосферы и других загрязнений выше пределов растворимости приводит к образованию
соединений металлов с
примесями внедрения (оксидов, нитридов, карбидов и др.), располагающихся преимущественно по границам зерен и охрупчивающих их.
Наиболее сильно охрупчивает кислород, всего 0,0002 % О
приво-
2
дит к тому, что металл становится хрупким даже при +200 °С. Примеси
азота и углерода влияют в меньшей степени. Однако при наличии в металле углерода возможно образование пор (в связи с реакцией
МоО
+ 3С = Мо + 3СО), которые располагаются по оси шва и линии
3
сплавления. Поэтому наряду с тщательной очисткой основного металла
и сварочных материалов предъявляются особенно жесткие требования к
чистоте основного металла (О
< 0,0002 %, N2 < 0,0001 %, С < 0,003 %);
2
в сварочную ванну вводят активные раскислители: 0,5…1 % Ti; до 0,1 %
Се; до 0,25 % Zr, сварку ведут при минимальной погонной энергии.
Цирконий и гафний являются аналогами титана по химическим
свойствам и свариваемости. Первый – обладает малым сечением захвата
146
нейтронов, хорошей коррозионной стойкостью и прочностью. Поэтому
сплавы на его основе используют как конструкционный материал для
технологических трубопроводов и других деталей в ядерных энергетических установках на медленных нейтронах.
Гафний обладает исключительной коррозионной стойкостью в воде
и паре, применяется для контролирующих стержней в водоохлаждаемых реакторах.
Фазовые превращения в цирконии и
гафнии и диаграммы состояния с легирующими элементами сходны с превращениями для титана.
Они имеют две аллотропические модификации.
Низкотемпературная α-модификация циркония, существующая до
862 °С, имеет гексагональную плотноупакованную решетку, а его высо-
котемпературная β-модификация, устойчивая от 862 °С до температуры
плавления, – объемно-центрированную кубическую решетку.
У гафния температура полиморфного
превращения равна 1760 °С.
До этой температуры и при более высоких температурах он имеет те же
модификации, что и цирконий.
По влиянию на полиморфизм циркония все легирующие элементы
можно разбить на α-(Sn, Hf)- и β-(Fe, Cr, Mo, Nb)-стабилизаторы. По
аналогии с титаном циркониевые сплавы можно разбить на α-, (α + β)- и
β-сплавы. В этих
сплавах, как и в титановых, при быстром охлаждении
происходит мартенситное превращение с двумя фазами: гексагональная – α' и ромбическая – α''.
Примеси внедрения (О
, Н2, N2, C) оказывают двойное влияние: с
2
одной стороны, как и в титане, вызывают охрупчивание металла, с другой – резко снижают коррозионную стойкость металла и сварного соединения. При этом наиболее вредное влияние на коррозионную стойкость оказывают азот и углерод. Их содержание не должно превышать
соответственно 0,003 и 0,03 %. Водород, как и в титане,
охрупчивание вследствие гидридного превращения (ZrH
) при темпера-
2
вызывает
турах 300…1000 °С.
Наиболее сложной технической проблемой при сварке циркония и
его сплавов является обеспечение на уровне основного металла коррозионной стойкости в таких средах, как вода, пар, влажный воздух при
300 °С и выше. Решается эта проблема путем выбора оптимальных скоростей охлаждения при сварке и последующего вакуумного отжига
изделия при температуре 575 °С для выравнивания структуры. Образование смешанной двухфазной структуры (α + β) может привести к образованию макрогальванопар и вызвать локальную коррозию сплава.
Ниобий и тантал – металлы, близкие по своим физическим свой-
ствам, полиморфных превращений не имеют. Обладают особо высокой
147
стойкостью при действии наиболее коррозионно-активных веществ
(жидких металлов-теплоносителей) и используются в отдельных кон-
струкциях реакторов. Тантал применяют также в медицине, в хирургии;
изготовленные из него стержни, скобки и тому подобные детали могут
долгое время находиться в тканях человеческого тела, не вызывая в нем
значительных воспалений. В технике применяют
также сплавы ниобия с
небольшим количеством легирующих добавок (молибдена, вольфрама,
циркония, ванадия, титана) и сплавы тантала с добавкой вольфрама, ванадия, ниобия (до 10 %).
Ниобий и тантал активно поглощают из окружающей среды кислород, азот и водород. При этом подобно титану образуют оксиды, нитриды и гидриды; металл упрочняется, а его пластичность
падает. Однако
изменение механических свойств не приводит к резкому охрупчиванию,
характерному для сварных соединений молибдена.
Активное поглощение газов происходит при нагреве металла до
следующих температур: с 300 °С активно поглощается кислород, с
400 °С – азот, с 350 °С – водород.
При сварке ниобия и тантала в металле шва и зоне термического
влияния возможен также
может быть усилено образованием по границам зерен карбидов (Ni
C), если в металле есть примеси углерода.
Ta
2
рост зерна и охрупчивание металла, которое
C,
2
10.2. Особенности сварки
По свариваемости рассматриваемые материалы можно разделить
на две группы. Металлы первой группы (цирконий, гафний, ниобий и
тантал) при соблюдении технологических условий сварки обладают
удовлетворительной свариваемостью. Сварка металлов второй группы
(молибдена, вольфрама) вызывает большие трудности ввиду их высокой
чувствительности к примесям, охрупчивающим
металл. Предварительный подогрев молибдена до температуры 200…315 °С и снятие остаточных напряжений после сварки (при нагреве до 980 °С) снижает вероятность образования холодных трещин.
Для получения сварных соединений с удовлетворительными свойствами необходимо: уменьшение содержания вредных примесей в основном и присадочном металле; предупреждение загрязнения металла
шва и околошовной зоны
при сварке от окружающей атмосферы; снижение временных (температурных) и остаточных напряжений в сварных
соединениях.
Поэтому сварку рассматриваемых материалов выполняют в основ-
ном электронным лучом в вакууме или в камерах с контролируемой ат-
148
мосферой. В последнем случае используют аргон и гелий высокой чистоты, которые дополнительно осушают от газов, пропуская их через
силикагель, алюмогель и нагретую до 900…1000 °С титановую стружку.
Сварку выполняют вольфрамовым электродом на постоянном токе прямой полярности.
Для уменьшения загрязнения металла шва сварку, как правило, вы-
полняют без присадочного металла. В
некоторых случаях сварку осуществляют на воздухе, применяя горелки с дополнительными насадками для подачи защитного инертного газа и с поддувом с обратной стороны (как при сварке титана). Прочностные и пластические свойства
сварных соединений находятся на уровне 80…95 % свойств основного
металла.
Однако следует учитывать, что при сварке электронным лучом в
вакууме содержится в сотни раз меньше примесей, чем в наиболее чистом аргоне высшего сорта. Кроме того, при этом способе сварки появляется возможность очистить свариваемый металл от газов нагревом
кромок расфокусированным электронным лучом.
Дуговой сваркой неплавящимся электродом циркониевые сплавы
наиболее успешно сваривают в камерах с контролируемой средой, заполненной гелием
, после предварительной откачки воздуха до 4 Па.
Материал присадочной проволоки соответствует составу сплава,
например, циркалой-2 или циркалой-3. При толщине металла, например
3 мм, сварку ведут вольфрамовым электродом диаметром 3,2 мм на режиме: сила тока 70 А, напряжение дуги 16,5 В, скорость сварки 15 м/ч,
ток постоянный, полярность прямая.
Таблица 20
Рекомендуемые режимы электронно-лучевой сварки молибдена
Толщина металла,
мм
1 70…90 18…20 60
2 100…120 20…22 40
3 200…250 20…22 30
Сила тока луча,
мА
Ускоряющее
напряжение, кВ
Скорость сварки,
м/ч
Сварку гафния также можно вести в камере, заполненной гелием
или аргоном, вольфрамовым электродом.
Дуговую сварку неплавящимся электродом ниобия и тантала малых толщин можно вести без камер, используя струйную защиту с дополнительной подачей защитного газа через насадки и поддувом с обратной стороны шва. Для толщин 0,3…2 мм используют вольфрамовые
электроды
диаметром 1,6…3,2 мм, сварочный ток 40…180 А, скорость
149
сварки 30 м/ч, расход аргона 6…7 л/мин, с обратной стороны – 2 л/мин.
Используют постоянный ток прямой полярности.
Сварку молибдена желательно вести электронным лучом. Так, при
толщине 1…3 мм используют следующие режимы (табл. 20).
Поверхность свариваемых кромок непосредственно перед сваркой
должна быть тщательно очищена. Основным методом очистки является
химическое травление (смесь фосфорной и азотной
3
ленная водой до плотности 1,37…1,38 г/см
). Электронно-лучевая сварка
кислот 1 : 1, разбав-
молибдена, как правило, проводится без предварительного подогрева.
Вопросы для самопроверки
1. Какие тугоплавкие химически активные металлы используют в каче-
стве конструкционных материалов и почему?
2. Дайте характеристику сварочно-технологическим свойствам молиб-
дена.
3. Какие тугоплавкие химически активные металлы по химическим
свойствам и свариваемости являются аналогами титана?
4. Назовите примеры использования ниобия и тантала, перечислите их
основные свойства.
5. На какие группы по свариваемости
мически активные металлы.
6. Перечислите основные пути получения сварных соединений с удовле-
творительными свойствами из тугоплавких химически активных металлов.
7. Назовите основные способы сварки тугоплавких химически активных
металлов и особенности их применения.
можно разделить тугоплавкие хи-
150
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]