При выборе метода сварки тугоплавких металлов необходимо учитывать следующее.
- Тугоплавкие металлы обладают высокими температурой плавления и теплопроводностью. В связи с этим для местного расплавления их требуется применение источника теплоты с большой мощностью и высокой концентрацией энергии в пятне нагрева.
- Способность тугоплавких металлов энергично взаимодействовать с азотом и кислородом вызывает необходимость применения при сварке этих металлов эффективных средств защиты от взаимодействия с атмосферой воздуха.
Для соединения тугоплавких металлов применяют в основном три метода:
- дуговую сварку в среде инертных газов в камерах с общей защитой;
- электронно-лучевую сварку в вакууме;
- сварку лазером в вакууме или среде инертного газа.
Подготовку поверхности тугоплавких металлов выполняют преимущественно химическим травлением или электрополированием. Особое внимание должно быть уделено подготовке поверхности торцов свариваемых кромок, которые перед сваркой необходимо дополнительно обезжиривать.
При сварке тугоплавких металлов в вакууме с остаточным давлением, не превышающим 0,01 Па, исключается возможность загрязнений металла шва примесями внедрения. В процессе сварки в вакууме происходит частичная очистка металла шва от газовых примесей, что способствует повышению качества сварного соединения. Для защиты от попадания в рабочую часть сварочной камеры паров жидкости откачивающей системы и продуктов их распада применяют конденсационные или сорбционные ловушки.
При дуговой сварке тугоплавких металлов защитной атмосферой служат инертные газы — аргон или гелий. В отечественной промышленности для указанных целей широко используют аргон высшего сорта. Гелий менее экономичен по сравнению с аргоном и применяется в меньших масштабах.
Легирование тугоплавких металлов снижает чувствительность их к поглощению примесей из защитной атмосферы в процессе сварки. Для менее легированных сплавов с высокой чистотой по примесям требования к чистоте инертных газов повышаются. Для большинства реальных тугоплавких сплавов применение аргона высшего сорта обеспечивает исходный уровень содержания примесей в металле шва и удовлетворительную пластичность сварных соединений.
Для того чтобы примеси защитной атмосферы не превышали допустимых пределов, существуют различные системы регенерации газов. Для регенерации аргона используют специальные батареи химической очистки. Периодический контроль состава защитной атмосферы может быть осуществлен с помощью хроматографов. Для непрерывного контроля и регистрации содержания кислорода и влаги используются специальные приборы.
Наиболее распространенные типы сварных соединений тугоплавких материалов при дуговой и электронно-лучевой сварке — стыковые без разделки и с разделкой кромок, с отбортованными кромками и др. Менее распространены соединения внахлестку и втавр. В сварных конструкциях широко используют металлы толщиной 0,1—2 мм и в меньших масштабах — металлы больших толщин (до 10 мм).
При электронно-лучевой сварке различных типов соединений формирование шва происходит за счет расплавления основного металла.
При необходимости легирования металла шва в зазоре между стыкуемыми кромками присадочный материал закрепляют в виде фольги, пластины или проволоки.
Дуговой сваркой в защитной атмосфере соединяют все перечисленные типы соединения в диапазоне толщин от 0,2 мм и выше. При этом широкое распространение получила сварка вольфрамовым электродом без применения присадочной проволоки. При стыковых соединениях значительной толщины (s≥3 мм) находит применение дуговая сварка плавящимся электродом.
Дуговую сварку можно выполнять как постоянным, так и переменным током. Более широкое распространение получила сварка пп, шинным током прямой полярности.
Существенное влияние па формирование металла шва, структуру и механические свойства сварных соединений тугоплавких металлов оказывают условия теплоотвода и режимы сварки. Например, в зависимости от формы технологической подкладки и числа слоев шва существенно изменяется направление осей дендритов (рис. 14.5). С увеличением скорости сварки сокращается время существования жидкой ванны и уменьшается степень насыщения металла газами. При этом сокращается протяженность зоны термического влияния, уменьшаются размеры кристаллитов, а также изменяется схема кристаллизации металла шва.
Рис. 14.5. Влияние теплоотвода на структуру металла шва: а — на подкладке с неформирующей канавкой; б — на подкладке с формирующей канавкой; в — при сварке в два прохода
Результаты испытания соединений сплава ВМ-1 (s = 1 мм), полученных дуговой сваркой в аргоне, показали, что в зависимости от скорости сварки υсв и направления изгиба образцов вокруг осей а—а и б—б (рис. 14.6) углы изгиба изменяются в диапазоне 20—140 °С. Такое различие углов изгиба объясняется изменением направлений главных напряжений при изгибе по отношению к расположению границ уристаллитов, направление которых обусловлено характером распределения теплового поля в металле при сварке. С увеличением скорости сварки доля отвода теплоты свариваемыми кромками увеличивается, а отвод теплоты в хвостовую часть ванны уменьшается. Поэтому угол наклона оси дендритов 9 увеличивается, и направление границ кристаллитов приближается к направлению, перпендикулярному к оси шва.
Рис. 14.6. Зависимость угла изгиба от кристаллизации металла шва
При изгибе вокруг оси б—б разрушение происходит по ослабленным границам, и углы изгиба имеют минимальные значения. При изгибе вокруг оси шва (а—а) максимальные значения углов (80—90°) получены на образцах, сваренных на оптимальных скоростях (60—80 м/ч). Скорость сварки оказывает влияние на структуру металла шва. Со снижением скорости размеры кристаллитов увеличиваются, ширина средней зоны шва, состоящей из поперечных сечений вершин зерен, также увеличивается.
Оптимальные значения параметров режима сварки для различных сплавов тугоплавких металлов определяются прежде всего химическим составом сплава, геометрическими размерами свариваемых изделий, условиями теплоотвода при сварке и методом сварки.
Для повышения механических свойств тугоплавких металлов применяют многокомпонентное легирование элементами, нейтрализующими вредное влияние примесей внедрения за счет образования с ними более прочных соединений, чем с основным металлом. К таким элементам относятся углерод, цирконий, титан и др. Сплавы ниобия, легированные цирконием в количестве до 1 %, титаном до 10 % или гафнием до 1 %, отличаются высокой пластичностью сварных соединений. С повышением содержания циркония выше 1 % пластичность сварных соединений снижается за счет образования второй фазы в процессе старения металла. Высокой пластичностью сварных соединений характеризуются сплавы тантала, легированные 10 % Hf и 5 % W. Заметное влияние на повышение пластичности сварных соединений молибденовых сплавов оказывают добавки титана и углерода.
Из большого количества элементов, применяемых в качестве легирующих с целью повышения свойств тугоплавких металлов и улучшения их свариваемости, особое место занимает рений. Положительное влияние рения на повышение механических свойств при низких и высоких температурах установлено для вольфрама, молибдена и ниобия. Наибольший интерес представляет легирование рением молибдена и вольфрама, отличающихся наиболее низкой свариваемостью.
При оптимальных составах молибденорениевые и вольфраморениевые сплавы хорошо свариваются и пластичны при пониженных температурах. Сплав Мо+46—50 % Re деформируется пластично при температуре — 200 °С. Сплав W + 26—28 % Re имеет сравнительно высокую пластичность при температуре 20 °С (риc. 14.7).
Рис. 14.7. Зависимость температуры перехода к хрупкому разрушению при различной степени легирования молибдена (а) и вольфрама (б) рением (минимальный радиус изгиба — радиус, равный числу толщин (s) металла, при котором разрушение происходит пластично)
Несмотря на высокие технологические свойства, в том числе хорошую свариваемость сплавов системы Mo—Re и W—Re, применение их в качестве конструкционных материалов затруднено дефицитностью и высокой стоимостью рения. Более перспективно применение рения для легирования металла шва при сварке сплавов на основе молибдена и вольфрама. Легирование рением металла шва при аргонодуговой сварке сплавов ВМ1, ЦМ2 и сплава ЦМ6 толщиной 1—4 мм существенно повышает пластичность и прочность сварных соединений. Их максимальная пластичность и прочность при температурах 20—1200 °С имеет место при концентрации 45—50 % Re в металле шва. При меньшем содержании рения в металле шва пластичность сварного соединения снижается.
На повышение пластичности металла шва, легированного рением, вероятно, оказывает влияние увеличение растворимости примесей внедрения и прежде всего углерода в сплаве и образование сложных карбидов, изменяющих характер распределения избыточных фаз, выделяющихся по границам зерен.
