Особенности сварки тугоплавких металлов

Тугоплавкие металлы энергично взаимодействуют с большинством газов, образуя оксиды, химические соединения и растворы внедрения. Как правило, в результате взаимодействия тугоплавких металлов с газами происходит уменьшение их пластичности. По скорости окисления на воздухе тугоплавкие металлы могут быть расположены в такой последовательности: рений, молибден, тантал, ниобий, вольфрам. Заметное повышение скорости окисления этих металлов наблюдается при температурах выше 600 °С.

До температуры 650 °С на поверхности ванадия существует плотная оксидная пленка, защищающая его от дальнейшего окисления. Выше этой температуры, точнее, при температуре 650 °С, оксиданя пленка расплавляется и скорость окисления ванадия возрастает. Молибден, вольфрам и рений образуют летучие оксиды. Возгонка начинается при температуре 800 °С и значительно усиливается при температурах 1050—1200 °С. Возгонка оксидов 204 рения начинается с температуры 300 °С. Заметное повышение упругости пара МоО₃ отмечается при температуре 720 °С и кипение — при 1155 °С.

В связи c окислением и испарением оксидов тугоплавких металлов для работы этих металлов при повышенных температуpax  их поверхность необходимо защищать.

Тугоплавкие металлы, за исключением рения, проявляют значительную сорбционную епособность к водороду. При нагреве ванадия, ниобия и тантала в водороде наблюдается их охрупчивание вследствие выделения по границам зерен гидридов иглообразной формы, поэтому для указанных металлов водород является опасной примесью. Вольфрам и молибден адсорбируют водород без существенного ухудшения свойств. Заметного взаимодействия  рения с водородом не наблюдается.

Азот так же, как и кислород, оказывает отрицательное влияние на пластичность тугоплавких металлов. Ванадий, ниобий н тантал с азотом образуют весьма ограниченные области твердых растворов внедрения. При распаде пересыщенного твердого раствора образуются промежуточные фазы Nb₂N, NbN, TaN, V₂N, VN, повышающие температуру перехода металла в хрупкое состояние.

При взаимодействии азота с молибденом и вольфрамом область твердых растворов ограничена еще в большей степени. , В молибдене и вольфраме образуются нитриды MО₃N, Mo₂N, W₂N и WN, которые выделяются в основном по границам зерен, вызывая снижение пластичности металла при нормальной температуре. В то же время нитриды тугоплавких металлов способствуют их упрочнению, и поэтому для ряда сплавов, в том числе и молибденовых, нитриды используются для дисперсионного упрочнения сплавов; при этом концентрация азота в сплаве поддерживается  на заданном уровне.

Некоторые тугоплавкие металлы проявляют повышенную  клонность к образованию пористости в металле швов.

Тугоплавкие металлы достаточно активны и в расплавленном состоянии смачивают большинство примесей. В связи с отсутствием несмачиваемых границ раздела в ванне, при сварке тугоплавких метллон выделение растворенных газов в расплаве затруднено и из-за ограниченной возможности возникновения устойчивых зародышей газовой фазы. В связи о этим при проплавлении пластины из тугоплавких металлов в большинстве случаев пор не наблюдается .

Закономерное появление пор при сварке пластин из тугоплавких металлов встык связано о возникновением зародышевых пузырьков на базе дефектов, имеющихся на торцовых поверхностях кромок свариваемых деталей, заполненных адсорбированными газами и парами воды или загрязнениями.

В процессе сварки тугоплавких металлов в местах дефектов, имеющихся на поверхности поджатых друг к другу кромок, образуются замкнутые полости, заполненные адсорбированными газами, газами защитной атмосферы, парами воды и продуктами их разложения. При расплавлении металла эти полости превращаются в пузырьки, попадающие в ванночки жидкого металла, часть из них всплывает на поверхность ванны. Анализ газов, содержащихся в порах,   подтверждает это  положение.

Например, при вскрытии лучом лазера пор в металле швов, полученных при сварке сплава ВН-2АЭ в аргоне, установлено наличие СО и СО₂, образующихся в результате взаимодействия кислорода с углеродом; водорода, образующегося в результате разложения влаги, находящейся на свариваемых кромках; аргона, адсорбированного торцовой поверхностью свариваемых кромок и оставшегося в замкнутых полостях, образовавшихся при сжатии кромок; субоксидов ниобия, находящихся в парообразном состоянии при температуре свыше 1800 °С и сконденсировавшихся на внутренней поверхности пор при охлаждении.

Наибольшее количество пор возникает при сварке встык без зазора между кромками при неполном проплавлении по толщине металла. Количество пор в металле шва изменяется в зависимости от состава загрязнений, расположенных на торцовых поверхностях свариваемых кромок (рис. 14.3). Минимальное количество пор наблюдается при электрополировании  и химическом травлении 2 торцовых поверхностей. Значительное повышение пористости наблюдается при зачистке кромок напильником 3, а также при загрязнении поверхностей продуктами, содержащими углерод 4 и кислород 5. Максимальная пористость наблюдается при загрязнении свариваемых кромок углеродом и кислородом одновременно 6.

Рис. 14.3. Влияние состояния поверхности свриваемых кромок на пористость металла шва при аргонодуговой сварке сплава ВН-2АЭ В соответствии с основным механизмом образования пор, описанным выше, для устранения пор при сварке тугоплавких металлов могут быть рекомендованы следующие основные меры: тщательная обработка поверхности, особенно торцов соединяемых деталей (шлифование и тщательная очистка от загрязнений); сварка с гарантированным зазором, исключающая возможность образования замкнутых несплошностей; предварительный подогрев кромок и особенно торцов соединяемых деталей с целью десорбции имеющихся на них газов; увеличение погонной энергии и длительности существования ванны с целью создания условий для всплывания пузырьков.

Высокие температура плавления и теплопроводность большинства тугоплавких металлов способствует повышению скорости кристаллизации и образованию в металле швов грубой крупнокристаллической дендритной структуры.

Большинство тугоплавких металлов обладает малой растворимостью примесей внедрения. При современном уровне металлургического производства в промышленных сплавах содержание таких примесей превышает предел растворимости. В связи с этим в процессе кристаллизации примеси внедрения выделяются по границам зерен в виде различных соединении, охрупчивающих металл.

Образование грубой дендритной структуры в металле швов вызывает сокращение суммарной величины поверхности границ зерен, что приводит к увеличению концентрации примесей, выделившихся по границам кристаллитов, и, как следствие, к охрупчиванию металла.

Для предупреждения трещин в металле швов, вызванных охрупчивающим влиянием выделяющихся примесей внедрения, могут быть рекомендованы различные меры: применение присадочных металлов, обеспечивающих получение более высокой пластичности металла шва; изменение схемы кристаллизации с целью наивыгоднейшего направления осей дендритов путем регулирования направления теплоотвода при кристаллизации; применение мер, направленных на ограничение остаточных напряжений в металле шва.

При сварке деформированных тугоплавких металлов в околошовных зонах наблюдается рост зерна и снятие нагартовки.
Для чистых металлов, в которых количество примесей внедрения не превышает предела растворимости, в зоне термического влияния наблюдается понижение прочности и твердости по сравнению с подобными характеристиками основного металла в нагартованном состоянии.

В связи с тем, что в промышленных сплавах количество примеcей внедрения, как правило, выше предела их растворимости, пластичность рекристаллизованной зоны снижается за счет повышения концентрации примесей внедрения по границам зерен. Особенно резко снижается пластичность металла при распределении неметаллических, соединений в виде пленок по границам врен, резко ослабляется связь между зернами, что приводит к хрупкому разрушению металла по границам зерен. Например, в молибдене при наличии 0,006 % кислорода большая часть границ зерен оказывается покрытой оксидами молибдена. Для вольфрама это содержание еще меньше.

Выделение вдоль границ зерен цепочек избыточных фаз иногда способствует возникновению несплошностей и зарождению микротрещин, повышающих склонность металла к хрупкому разрушению. С увеличением размеров зерна концентрация дефектов по границам зерен повышается, что приводит к перемещению температуры перехода к хрупкому разрушению в область более высоких температур (рис.  14.4).

На хрупкость тугоплавких металлов отрицательно влияют не только примеси внедрения, выделившиеся в виде второй фазы и расположенные по границам зерен, но и примеси внедрения, находящиеся в пересыщенном твердом растворе. Снижение пластичности металла в этом случае происходит главным образом в результате торможения движения дислокаций. Рис. 14.4. Влияние размера зерна на температуру перехода в хрупкое разрушение