Особенности технологиии техники сварки

Алюминий и его сплавы

Чистый алюминий из-за низкой прочности используют в отдельных cлу-

чая х в химической, пищевой и электротехнической промышленности. В ос-новном в конструкциях применяют сплавы. Алюминиевые сплавы подразде-ляют на деформируемые, применяемые в катаном, прессованном и кованом состояниях, и литейные, используемые в виде отливок. Де­формируемые спла-вы в свою очередь подразделяются на сплавы, не уп­рочняемые термообработ-кой (система легирования А1-Мп марки АМц, Al-Mg марки АМг) и сплавы, упрочняемые термообработкой (система легирования Al-Mg-Cu; Al-Zn-Mg; Al-Si-Mg). В сварных конструкциях чаще всего используют полуфабрикаты (лис-ты, профили, трубы и т.п.) из деформируемых, термически не упрочняемых сплавов в ненагартованном виде. При сварке термоупрочненных сплавов ме- талл в ЗТВ разупрочняется, поэтому их применение целесообразно только при возможности последующей термообработки. Химический состав и механичес-кие свой­ства типичных марок алюминия и его сплавов приведены в табл. 12.2.

Трудность сварки алюминия и его сплавов заключается в следующем:

1. Высокие теплоемкость, теплопроводность, скрытая теплота плав­ления требуют более высокого и концентрированного тепловложения, чем при сварке стали. Так, при дуговой сварке алюминия необходим ток в 1,2... 1,5 раз больше, чем при сварке стали, несмотря на более низкую температуру плавления алю-миния.

2. Алюминий легко окисляется в твердом и расплавленном состоя­ниях. Плотная тугоплавкая окисная пленка А1₂Оз (Т_пл = 2050 °С) препят­ствует сплав-лению сварочной ванны с основным металлом и образует в металле шва неме-таллические включения. Перед сваркой следует удалять окисную пленку с по-верхности основного и присадочного металла меха­ническим путем или трав-лением. В процессе сварки окисную пленку удаляют за счет катодного распы-ления, за счет применения флюсов и покрытий электродов, растворяющих или разрушающих ее переводом в летучее соединение.

3. Низкая прочность алюминия при высоких температурах (рис. 12.1, а) и высокая жидкотекучесть способствуют "проваливанию" сварочной ванны. Для предотвращения провалов и прожогов обычно применяют подкладки из графита или стали.

Рис. 12.1. Некоторые свойства алюминия в зависимости от температуры:

а - механические; б - растворимость водорода

4. Высокая растворимость газов в расплавленном состоянии способ­ст-вует образованию пор при кристаллизации. Основной причиной появ­ления пор в алюминиевых швах является наличие водорода (рис. 12.1, б).

Водород, растворенный в жидком металле, при затвердевании должен выделиться из него в количестве 90... 95 % своего объема, но этому пре­пят-ствуют плотная окисная пленка и низкий коэффициент диффузии во­дорода в алюминии. Поры преимущественно располагаются внутри шва вблизи границы сплавления и у поверхности шва. Борьба с газовой пористостью – первостепен-ная задача технологов. Для предотвращения пористости удаляют окисную пленку, влагу и жировые загрязнения с по­верхности свариваемых материалов, осушают инертные газы, при сварке используют подогрев и механическое воздействие на жидкий металл сва­рочной ванны (ультразвуковые колебания, магнитное перемешивание).

 

5. Алюминиевые сплавы с большим эффективным интервалом кри­стал-лизации склонны к образованию горячих трещин. Металл шва скло­нен к обра-зованию трещин в связи с грубой столбчатой структурой, вы­делением по гра-ницам зерен легкоплавких эвтектик, развитием значи­тельных внутренних де-формаций и напряжений из-за высокой литейной усадки. На сплавах повышен-ной прочности (например, легированных цинком и магнием) возможно появ-ление холодных трещин, вызванных действием остаточных напряжений и вы-падением интерметаллидов.

6. Значительная усадка металла шва и высокий коэффициент линей­ного расширения приводят к большим остаточным деформациям и ко­роблению кон-струкции. Для уменьшения коробления рекомендуют ис­пользовать жесткие приспособления, изготовленные из материалов с низкой теплопроводностью.

7. При дуговой сварке неплавящемся вольфрамовым электродом возмо-жно загрязнение сварного шва вольфрамовыми включениями. При сварке ис-пользуют электроды из чистого вольфрама ЭВЧ, из вольфрама с оксидом лан-тана (ЭВЛ) или оксидом иттрия (ЭВИ-1) по ГОСТ 23949-80.

8. При сварке нагартованных или термически упрочненных алюми­ниевых сплавов снижается прочность сварного соединения по сравнению с прочностью основного металла.

 

Для алюминия и его сплавов используют все виды сварки плавлени­ем. Наибольшее применение нашли автоматическая и полуавтоматиче­ская дуговая сварка неплавящимся и плавящимся электродом в среде инертных защитных газов, автоматическая дуговая сварка с использова­нием флюса (открытой и закрытой дугой), электрошлаковая сварка, руч­ная дуговая сварка плавящимся электродом, электроннолучевая сварка. Сварка, как правило, осуществляется в цехах с высокой культурой произ­водства

Для получения качественных сварных соединений перед сваркой с повер-хности заготовок удаляют жировую смазку, которой покрывают полуфабрика-ты при консервации. Поверхности обезжиривают ацетоном, уайт-спиритом или другими растворителями. Окисную пленку удаляют шабером или металличес-кими проволочными щетками из нагартованной хромоникелевой стали непос-редственно перед сваркой. Можно также производить химическое травление в течение 0,5... 1 мин в растворе 1 л воды, 50 г натрия едкого технического, 45 г натрия фтористого техниче­ского с последующей промывкой в воде и освет-лением (1... 2 мин) алю­миния и сплавов типа АМц в 30... 35 % растворе азот-ной кислоты. После повторной промывки осуществляют сушку сжатым воз-духом при Т= 80... 90 °С до полного испарения влаги. После химического травле­ния допустимая продолжительность хранения заготовок перед механиче­ской зачисткой свариваемых поверхностей составляет до 4 суток. После меха-нической зачистки для ответственных узлов рекомендуют произво­дить сварку в течение 3 часов.

Для очистки поверхности алюминиевой сварочной проволоки реко­мен-дуют производить химическую обработку: обезжиривание, травление в 15 %-ном растворе натрия едкого технического в течение 5... 10 мин при Т = 60... 70 °С, промывка в воде, сушка, дегазация (прокалка при Т= 300 °С в течение 10... 30 мин на воздухе или в течение 5 часов в ва­кууме при 0,13 Па).

Дуговую сварку в среде инертных газов осуществляют неплавящимися (вольфрамовыми чистыми, лантанированными и иттрированными) и плавящи-мися электродами. Используемые инертные газы: аргон выс­шего и первого сорта по ГОСТ 10157-79, гелий повышенной чистоты, смесь аргона с гелием. Выбор конкретного способа сварки определяется конструкцией изделия и усло-виями производства.

Сварка неплавящимся электродом диаметром 2... 6 мм использует­ся для узлов с толщиной стенки до 12 мм. Толщины 3 мм сваривают за один проход на стальной подкладке, толщины 4... 6 мм - за два прохода (по проходу с каждой стороны), более 6 мм - за несколько проходов с предварительной разделкой кромок (V- или Х-образной). Присадочный металл выбирают в зависимости от марки сплава: для технического алю­миния - проволоку марок АО, АД или АК, для сплавов типа АМг - про­волоки той же марки, но с увеличенным (на 1... 1,5 %) содержанием магния для компенсации его угара. Диаметр проволок 2... 5 мм.

Ручную дуговую сварку вольфрамовым электродом ведут на специ­ально для этого разработанных установках типа УДГ. При других усло­виях питание дуги при сварке неплавящимся электродом может осущест­вляться от других источников переменного тока. Использование источ­ников переменного тока связано с тем, что при сварке постоянным током обратной полярности допус-тим сварочный ток небольшой величины из-за возможного расплавления электрода, а при сварке постоянным током прямой полярности не происходит удаления окисной пленки с поверхно­сти алюминия. Расход аргона составляет 6... 15 л/мин. При переходе на гелий расход газа увеличивается примерно в 2 ра-за. Напряжение дуги при сварке в аргоне 15... 20 В, а в гелии 25... 30 В. Реко-мендуемые режимы сварки приведены в табл. 12.3.

При выполнении швов на алюминии вручную особое внимание уде­ляется технике сварки. Угол между присадочной проволокой и электро­дом должен быть примерно 90°. Присадка подается короткими возврат­но-поступательными движениями. Недопустимы поперечные колебания вольфрамового электрода. Длина дуги 1,5... 2,5 мм. Вылет электрода от торца наконечника горелки 1... 1,5 мм. Сварку ведут обычно справа на­лево ("левый" способ), чтобы снизить перегрев свариваемого металла. При автоматической сварке вольфрамовым электродом качество и свой­ства шва по его длине более стабильны, чем при ручной сварке.

Производительность сварки вольфрамовым электродом можно по­высить в 3... 5 раз, если использовать трехфазную дугу (рис. 12.2). Бла­годаря более ин-тенсивному прогреву за один проход на подкладке свари­вают листы толщиной до 30 мм. Сварку осуществляют как ручным, так и механизированным спосо-бом (табл. 12.4).

Рис. 12.2. Схема сварки трехфазной дугой (а) и поперечное сечение сварного шва (б):

1 - сопло; 2,3 - электроды; 4 - изделие

Сварку плавящимся электродом выполняют полуавтоматом или авто­матом в чистом аргоне либо в смеси из аргона и гелия (до 70 % Не) на посто­янном токе обратной полярности проволокой диаметром 1,5... 2,5 мм. Ре­жимы сварки плавящимся электродом сплавов типа АМг приведены в табл. 12.5.

 

При использовании газовой смеси (30 % Аг и 70 % Не) увеличива­ются ширина и глубина провара и улучшается форма шва.

Для обеспечения большей устойчивости процесса переноса капель с плавящегося электрода, особенно при сварке в различных пространст­венных положениях, используют наложение на основной сварочный ток импульсов тока заданных параметров с частотой 50... 100 Гц.

При сварке листов малых толщин хорошие результаты по формиро­ванию сварного соединения получают при микроплазменной сварке. При этом аргон является плазмообразующим газом, а гелий - защитным. Ге­лий выполняет две функции: охлаждает периферийные слои плазмы и защищает жидкий металл сварочной ванны от воздействия воздуха.

Автоматическая сварка алюминия и его сплавов с применением флюсов реализуется в двух вариантах: сварка по флюсу полуоткрытой дугой и сварка под флюсом закрытой дугой.

Сварку по флюсу применяют при производстве сосудов из алюми­ния и сплавов типа АМц с использованием фторидно-хлоридных флюсов. Сварка по флюсу ведется вследствие высокой электропроводности дан­ных флюсов даже в нерасплавленном состоянии, а поэтому возможно шунтирование дуги и нару-шение стабильности ее горения. Благодаря высокой концентрации энергии при сварке алюминия по флюсу достига­ется глубокое проплавление основного ме-талла.

При равных токах глубина проплавления алюминия в 2... 3 раза вы­ше,

чем стали. Для технического алюминия применяют флюс АН-А1, а для сплавов - другие флюсы, не содержащие NaCl, так как в случае загрязне­ния металла шва восстановленным натрием ухудшается его пластичность. Толщина слоя насы-панного флюса обычно составляет 7... 16 мм, а шири­на 25... 45 мм в зависимо-сти от толщины свариваемого металла. Сварка ведется на постоянном токе об-ратной полярности одинарным (табл. 12.6) или сдвоенным (расщепленным) электродом на стальной формирующей подкладке.

Сварочные алюминиевые проволоки обладают небольшой жестко­стью и вследствие значительных колебаний конца проволоки при сварке могут воз-никнуть непровары. Использование сдвоенных проволок позво­ляет увеличить размеры сварочной ванны, время пребывания в жидком состоянии, улучшить условия для дегазации сварочной ванны и умень­шить пористость.

В конструкцию тракторов для автоматической сварки по флюсу вносят специальные бункеры с дозаторами флюса, подающие механизмы тянущего типа, специальные водоохлаждаемые мундштуки, газоотсасывающее устрой-ство. Основные преимущества сварки по флюсу: высокие производительность и экономичность по сравнению с другими способа­ми, меньшее коробление конс-трукции. Недостаток - необходимость уда­ления шлака после сварки.

Автоматическую сварку под флюсом ведут на больших плотностях тока расщепленным электродом переменным или постоянным обратной полярности током. Применяют керамические флюсы ЖА-64 и ЖА-64А. При этом предъяв-ляются повышенные требования к вентиляционным системам для удаления па-ров флюса.

Электрошлаковую сварку алюминия и его сплавов осуществляют для тол-щин металла 50... 250 мм. Сварку ведут на переменном токе пла­стинчатыми электродами или плавящимися мундштуками. Применяют флюсы АН-301,

АН-302 на основе галогенидов щелочных и щелочнозе­мельных металлов. Фор-мирование шва осуществляют медными водоохлаждаемыми или графитовыми крис-таллизаторами. Плотность тока в электроде около 2,5 А/мм², скорость сварки 6... 8 м/ч. Прочность свар­ных соединений составляет 80... 100 % проч-ности основного металла. Технико-экономическая эффективность данного спо-соба сварки возрас­тает с увеличением толщины свариваемых изделий.

Ручная дуговая сварка покрытыми электродами выполняется для изде-лий из технического алюминия, алюминиево-марганцевых и алюминиево-маг-ниевых (с содержанием магния до 5 %) сплавов, силуминов при толщине ме-талла более 4 мм. Можно сваривать металл толщиной до 20 мм без разделки кромок, но рекомендуется производить разделку с толщин 10 мм.

Наиболее применяемый тип соединения - стыковое. Соединения внахлес-тку и тавровые не рекомендуют, так как возможно затекание шлака в зазоры, откуда его сложно удалить при промывке. Остатки шла­ка могут вызвать кор-розию.

При сварке необходим подогрев до 100... 400 °С в зависимости от толщи-ны деталей, Диаметр электродов d = 4... 8 мм. Стержень электрода изготовля-ют из проволок состава, близкого к составу основного металла. Для сплавов типа АМг берут проволоку с увеличенным на 2 % содержа­нием магния для компенсации его угара при сварке.

Основу покрытия составляют криолит, хлористые и фтористые соли натрия и калия. Сила сварочного тока I_св = (50... 60) d_э; U_д = 30... 36 В. Ток постоянный обратной полярности. При сварке алюминиевый элек­трод расп-лавляется в 2... 3 раза быстрее стального. Покрытия электро­дов имеют значи-тельное электрическое сопротивление. При обрывах ду­ги кратер и конец элек-трода покрываются пленкой шлака, препятствую­щей ее повторному зажига-нию. Поэтому сварку рекомендуют выполнять на высоких скоростях, без коле-бания конца электрода, непрерывно в пре­делах одного электрода.

При выполнении многослойных швов перед наложением каждого слоя динения обладают удовлетворительными механическими свойствами.

Ручная дуговая сварка угольными электродами производится только для неответственных конструкций из алюминия. Сварку производят постоянным током прямой полярности. Диаметр угольного электрода d, = 10... 20 мм, сва-рочный ток I_св = (20... 25) d _э, U_д = 25... 35 В. Конец угольного электрода зата-чивают на конус под углом 60°. Металл толщи­ной до 2,5 мм сваривают без раз-делки кромок, а свыше - с разделкой (угол разделки 70... 90°). Используют при-садочный пруток диаметром 2... 5 мм. Предварительно на присадочный пруток наносят слой флюса многократным окунанием в водный раствор флюса (смеси фторидно-хлоридных солей) или флюс наносят в виде пасты на свариваемые кромки.

Газовая сварка алюминия ведется с использованием ацетилена и реже с использованием пропан-бутановой смеси и метана. Сварка ведется нормаль-ным пламенем при незначительном избытке ацетилена. При выборе горелки исходят из расхода примерно 100 л/ч ацетилена на 1 мм толщины основного металла. Номер наконечника выбирают в зависимо­сти от толщины сварива-емых заготовок. Диаметр присадочного прутка 1,5... 5,5 мм в зависимости от толщины свариваемых заготовок.

Наиболее распространенный флюс АФ-4А наносится на присадочный пруток или свариваемые кромки. При толщине заготовок до 4 мм разделку кромок не выполняют, а свыше 4 мм - рекомендуется выполнять. При толщине листов более 8 мм производят общий или местный подогрев. Сварку выпол-няют "левым" способом. После сварки швы про­мывают для удаления флюсов теплой или подкисленной (2 %-ный рас­твор хромовой кислоты) водой.

Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) является эффективным способом сое-динения заготовок из алюминиевых сплавов. По сравнению с другими спосо-бами этот способ позволяет производить сварку при высокой плот­ности теп-лового потока, минимальных тепловложениях, высоких скоро­стях и получать минимальное разупрочнение металла в зоне термическо­го влияния, плотные качественные швы, минимальные деформации кон­струкций.

Разрушение окисной пленки при электронно-лучевой сварке идет за счет воздействия на пленку паров металла и за счет разложения окиси алюминия в вакууме с образованием газообразной субокиси алюминия А1О. Вакуум спо-собствует удалению водорода из шва. Режим сварки пластин толщиной 10 мм из сплава АМг6: ускоряющее напряжение U_yc = 20 кВ, ток I = 140 мА, скорость сварки V_св = 72 м/ч (2 • 10'² м/с). Механи­ческие свойства сварного соединения близки к свойствам основного ме­талла.

 

Магний и его сплавы

Магний один из самых распространенных в природе металлов (по­сле алюминия и железа).

Чистый магний из-за низкой коррозионной стойкости и малой проч­ности для изготовления сварных конструкций не применяется. В технике используют сплавы магния, легированные алюминием, марганцем, цин­ком, цирконием, це-зием и другими элементами, обладающие при малой плотности большой удель-ной прочностью, коррозионной стойкостью и хорошими технологическими свойствами. Магниевые сплавы разделяют на деформируемые и литейные, те-рмически упрочняемые и не упрочняе­мые термообработкой.

Деформируемые, не упрочняемые термообработкой сплавы системы Mg-Mn (MAI, MA8) обладают относительно хорошей свариваемостью, а сплавы системы Mg-Al-Zn (MA2, МА2-1, МА5) - удовлетворительной. Термически упрочняемые сплавы системы Mg-Zn-Zr (MA 14, ВМД-3) обладают невысокой свариваемостью. Для литейных сплавов (МЛ4, МЛ5) сварка используется часто только в целях устранения дефектов литья.

Магний обладает большим сродством к кислороду, активно окисля­ется при сварке кислородом воздуха, горюч. Окисная пленка MgO является тугоп-лавкой (Т = 2500 °С), рыхлой, непрочной, не обладающей высокими защитными свойствами, как у алюминия. На детали из магние­вых сплавов часто наносят специальные хроматные защитные пленки или лакокрасочные покрытия. При-

меняют магниевые сплавы в самолето-, ракето-, автомобиле-, судостроении.

Основные трудности при сварке магниевых сплавов заключаются в сле-дующем:

1. Образующаяся при сварке тугоплавкая окисная пленка затрудняет процесс сварки. Из-за высокой температуры плавления и большой плот­ности окисная пленка препятствует сплавлению кромок основного ме­талла и заг-рязняет сварочную ванну. Для разрушения и удаления окисной пленки необходимо применять флюс или использовать эффект катодного распыления.

2. Магниевые сплавы склонны к образованию кристаллизационных тре-щин, так как имеют большой температурный интервал кристаллиза­ции и в сплавах возможно образование легкоплавких эвтектик: MgCu (Т_пл = 485 °С), MgAl (Т_пл = 436 °С), MgNi ( T_пл = 508 °С). Рекомендуют начало и конец сварных швов выполнять на выводных планках, в первую очередь выполнять более длинные и с большим поперечным сечением сварные швы.

3. Деформируемые сплавы (например, системы Mg-Mn) склонны к росту зерна и для них недопустим значительный перегрев в зоне терми­ческого влия-ния.

4. Рыхлая окисная пленка может насыщаться влагой и газами, при раз-ложении которых в процессе сварки образуются поры. Поэтому необ­ходимо удалять при сварке все окисные частицы из сварочной ванны.

5. Из-за повышенной жидкотекучести магния для качественного форми-рования шва необходимо использовать подкладки из меди или коррозионно-стойкой стали.

6. В связи с низкими значениями температуры плавления, скрытой теп-лоты плавления и удельной теплоемкости при сварке магниевых сплавов по сравнению с алюминиевыми требуются пониженные значения сварочного тока.

7. Вследствие высокого коэффициента линейного расширения кон­струк-ции из магниевых сплавов могут иметь значительные сварочные деформации. Необходимо предусматривать меры по снижению остаточ­ных сварочных де-формаций.

Перед сваркой полуфабрикаты из магниевых сплавов проходят рас­кон-сервацию, вырезку элементов заготовок, разделку кромок и зачистку под сборку-сварку. При расконсервации удаляют заводскую смазку и обезжири-вают растворителями (уайт-спиритом, ацетоном и др.). Разделку кромок вы-полняют на вырезанных из полуфабрикатов (чаще всего лис­тов) заготовках при толщинах более 6 мм V-образную, а более 20 мм -Х-образную. Кромки загото-вок и присадочный металл перед сваркой за­чищают механическим путем (щет-кой, шабером, напильником) или трав­лением по специальной технологии.

Сварку магниевых сплавов в основном осуществляют вольфрамо­вым лан-танированным или итерированным электродом в аргоне (иногда в гелии) на переменном токе. Инертный газ аргон обеспечивает хорошую защиту свароч-ной ванны от окружающей атмосферы, а переменный ток способствует раз-рушению окисной пленки в периоды обратной полярно­сти вследствие катод-ного распыления. Для предотвращения попадания в металл окисной пленки с корня шва сварку ведут с полным проплавлением кромок на подкладках из металлов с малой теплопроводностью (аустенитные стали). С этой позиции менее технологичны нахлесточные, тавровые и угловые соединения. Наилуч-шие защита зоны сварки и эффект катодного распыления обеспечиваются при малой длине дуги (1... 1,5 мм). Ориентировочные режимы сварки вольфрамо-вым электро­дом приведены в табл. 12.7.

 

Для сварки металлов толщиной более 5 мм может быть использова­на сварка плавящимся электродом со струйным переносом электродного металла на повышенных токах. Сварку плавящимся электродом осущест­вляют от ис-точников постоянного тока на обратной полярности. Сварка магниевых сплавов плавящимся электродом осуществляется за один про­ход при толщинах до 5 мм без разделки кромок, толщинах 10... 20 мм с V-образной разделкой с углом раскрытия 50... 60° и притуплением 2... 6 мм, при толщинах больше 20 мм - Х-образной разделкой.

Медь и ее сплавы

Техническая медь выпускается 9 марок по ГОСТ 859-78 (в ред. 1992 г.) и может содержать количество примесей от 0,01 % (марка МООбк) до 1 % (М4). Сплавы на медной основе в зависимости от состава легирующих элементов от-носятся к латуням, бронзам, медно-никелевым сплавам.

Латунями называют медно-цинковые сплавы, которые также могут со-держать другие легирующие элементы. Химический состав латуней определя-ется ГОСТ 15527-70 и ГОСТ 17711-93. При содержании цинка до 39 % латуни пластичны, хорошо свариваются, коррозионностойки. Латуни легируют Fe, Al, Si, Ni. Алюминий уменьшает летучесть цинка, образуя защитную пленку из А1₂О₃. Железо задерживает кристаллизацию и измельчает зерно. Кремний увеличивает свариваемость.

Сплавы на медной основе, в которых цинк не является основным ле­гиру-ющим элементом (не более 5 %), называют бронзами. Бронзы делят­ся на груп-пы по главным легирующим элементам, например: оловянные (химический состав в соответствии с ГОСТ 5017-74, ГОСТ 613-79) и безоловянные (крем-нистые хромистые и др.).

Оловянные бронзы имеют высокие антифрикционные свойства и корро-зионную стойкость. Бронзы алюминиевые и кремнистые обладают высокими механическими свойствами и коррозионными свойствами, де­шевле оловянных. Марганцовистые бронзы имеют хорошую коррозион­ную стойкость и повышен-ную жаропрочность. Бериллиевые бронзы по­сле термообработки приобретают прочность, сопоставимую с прочно­стью стали. Химический состав типовых ма-рок меди и ее сплавов приве­дены в табл. 12.8.

Медно-никелевые сплавы содержат до 30 % Ni, а также марганец, железо. Сплав МНЖ5-1, прочный и коррозионно-стойкий, используют для конструк-ций, работающих в агрессивных средах (морской воде, рас­творах солей, орга-нических кислотах).

12.8. Химический состав некоторых типовых марок меди и ее сплавов, %

Марка	Легирующие элементы	Примеси, не более
Техническая медь:
МО	Сu > 99,95	0,05
Ml	Сu> 99,9	од
М2	Сu > 99,7	0,3
Латунь:
	Сu = 60,5...63,5
Л62	Si = 0,3...0,7	-
	Zn остальное
	Сu= 75...60
ЛМц 58-2	Fe = l Mn=l...2	1,1
	Zn остальное
Л80	Сu= 79... 81
	Zn остальное

Продолжение табл. 12.8

Особенности меди и ее сплавов, влияющие на технологию сварки:

1. Высокие температура плавления меди и теплопроводность (почти в 6 раз больше, чем у стали) требуют применения мощных высококонцентриро-ванных источников теплоты при сварке плавлением, режимов сварки с высокой погонной энергией и во многих случаях предварительного и сопутствующего подогрева.

2.Легкая окисляемость меди при высоких температурах вызывает засоре-

ние металла шва тугоплавкими оксидами. Закись меди Си₂О дает с медью лег-коплавкую эвтектику (Т_пл = 1064 °С), которая, сосредоточива­ясь по границам зерен, может снижать стойкость металла шва против кристаллизационных тре-щин. В меди, предназначенной для сварных кон­струкций, содержание кисло-рода не должно превышать 0,03 %, а для от­ветственных изделий - 0,01 %. Вви-ду малого времени существования сварочной ванны раскисление меди осущест-вляют активными раскислителями: фосфором (содержание Р не должно превы-шать 0,3 %, так как он также дает легкоплавкие эвтектики), марганцем и крем-нием (с общим содержанием 1... 3 %):

2P + 5Cu₂O=10Cu + P₂O₅

Р₂О₅ + 3Cu₂O = Р₂О₅ • (Cu₂O)₃ - в шлак;

2Cu₂O + Si = 4Cu + SiO₂;

Cu₂O + Mn = 2Cu + МпО SiO₂ + МпО = МпО • SiO₂ - в шлак.

Тугоплавкие оксиды, образующие пленку на поверхности сварочной ван­ны, разрушают с помощью флюсов на основе буры Na₂B₄O₇, переводя тугоплав-кие окислы в легкоплавкие комплексные соединения:

CuO + Na₂B₄O₇ = 2NaBO₂ • СuО • В₂О₃ - в шлак.

3. Наличие примесей висмута Bi и свинца РЬ, вследствие образова­ния их оксидами с медью легкоплавких эвтектик, снижает стойкость про­тив кристал-лизационных трещин. Содержание висмута в меди допуска­ется не более

0,003 %, а свинца - не более 0,03 %. Эти примеси могут быть связаны в тугоплавкие соединения введением в сварочную ванну цезия и циркония.

4. Высокий коэффициент линейного расширения у меди вызывает обра-зование высоких временных и остаточных сварочных деформаций и напряже-ний и коробление конструкций. Поэтому необходимы меры по их уменьшению.

5. Снижение прочности и пластичности меди в диапазоне 400... 600 °С (рис. 12.3, а) в сочетании с высоким уровнем сварочных деформаций и напря-жений может привести к образованию трещин.

6. Высокая растворимость водорода в расплавленной меди (рис. 12.3, б) вызывает при кристаллизации с большими скоростями образование пор и мик-ротрещин вследствие выделения водорода и водяного пара:

Сu₂О + 2Н -> 2Сu + Н₂О.

 

Рис. 12.3. Свойства меди в зависимости от температуры:

а - прочность и пластичность; б - растворимость в меди водорода

 

Для предупреждения "водородной болезни" меди используют тра­диционные методы (прокалка флюсов, электродов, осушка газов и др.). Появле-нию пор может способствовать оксид углерода:

Сu₂О + СО -> 2Сu + СО₂.

При сварке латуней поры могут возникать вследствие испарения цинка (Т'кип ⁼ 907 °С ниже температуры плавления меди). Образующийся при испа-рении оксид цинка ядовит. Испарение цинка уменьшается при ис­пользовании предварительного подогрева и высоких скоростей сварки, при легировании металла шва кремнием.

7. Высокая жидкотекучесть меди и ее сплавов (в 2... 2,5 раза выше, чем у сталей) затрудняет сварку в вертикальном и потолочном положе­ниях. Для ка-чественного формирования корня шва применяют подкладки (графитовые, ас-бестовые, флюсовые подушки).

8. Сварные швы имеют крупнозернистую структуру и низкую проч­ность. Измельчение структуры и повышение прочности обеспечивается термопласти-ческой обработкой.

Для сварки меди и ее сплавов могут быть применены все основные спосо-бы сварки плавлением. Наибольшее применение нашли дуговая сварка в защит-ных газах, ручная дуговая сварка покрытыми электродами, механизированная дуговая сварка под флюсом, газовая сварка, электрон­но-лучевая сварка.

Перед сваркой свариваемый металл и проволоку очищают от оксидов и загрязнений до металлического блеска и обезжиривают. Очистку кромок ос-новного металла обычно осуществляют механическим путем (наждаком, ме-таллическими щетками), а проволоки - травлением в растворе из азот­ной, сер-ной и соляной кислот с последующей промывкой в воде, щелочи, воде и суш-кой горячим воздухом. Для правильного формирования сварно­го шва предпо-чтительны типы соединений с равномерным теплоотводом (стыковые, угловые, а не тавровые и нахлесточные). При толщинах более 5 мм делают V-образную и Х-образную разделки кромок.

Сварка в защитных газах позволяет получить сварные соединения с наи-более высокими механическими и коррозионными свойствами благодаря ми-нимальному содержанию примесей. В качестве защитных газов используют азот особой чистоты, аргон высшего сорта, гелий выс­шей категории качества, а также их смеси (например, (70.... 80) % Аг + + (20... 30) % N₂ для экономии аргона и увеличения глубины проплавле-ния). При сварке в среде азота эффек-тивный и термический КПД дуги выше, чем при сварке в среде аргона и гелия, но ниже устойчивость горе­ния дуги.

При сварке в защитных газах в качестве неплавящегося электрода испо-льзуют лантанированные или иттрированные вольфрамовые элек­троды диа-метром до 6 мм. В качестве присадочного материала исполь­зуют проволоку из меди и ее сплавов, по составу близкую к основному металлу, но с повышенным содержанием раскислителей (МРЗТЦрБ 0,1-0,1-0,1-0,1; БрХНТ; БрКМц 3-1; БрХ 0,7). При сварке в азоте для улучшения качества сварного шва дополни-тельно применяют флюс на борной основе, который наносят на присадочную проволоку или в канав­ку подкладки. Выбор диаметров электрода и присадки зависит от толщи­ны свариваемых заготовок (табл. 12.9).

 

12.9. Выбор диаметра вольфрамового электрода и присадки
Толщина заготовки, мм	1... 1,5	2...3	4.6	7... 10	11...16	>16
Диаметр электрода, мм	1,6…2	3...4	4...5	4... 5	5.6
Диаметр присадочной проволоки, мм					5..6

 

Сварку вольфрамовым электродом ведут на постоянном токе пря­мой по-лярности. При сварке в среде азота или в смеси азота с гелием сва­рочный ток уменьшают, а напряжение повышают (табл. 12.10). При тол­щинах более 4... 5 мм рекомендуется подогрев до 300... 600 °С.

 

При сварке плавящимся электродом используют постоянный ток об­ратной полярности. Широкое распространение для меди при толщинах более 4 мм получила многослойная полуавтоматическая сварка проволокой малого диаметра (1... 2 мм). Режимы сварки: сварочный ток 150... 200 А для про­во-локи диаметром 1 мм и 300... 450 А для проволоки диаметром 2 мм, напряже-ние дуги 22... 26 В, скорость сварки зависит от сечения шва. Температура по-догрева 200... 300 °С.

Для латуней, бронз и медно-никелевых сплавов предпочтительнее сварка неплавящимся электродом, так как в этом случае меньше испаре­ние цинка, оло-ва и других элементов. Предварительный подогрев для медных сплавов требуе-тся при толщинах более 12 мм.

Ручная дуговая сварка меди и ее сплавов покрытыми электродами выпол-няется на постоянном токе обратной полярности (табл. 12.11). Медные листы толщиной до 4 мм сваривают без разделки кромок, до 10 мм с односторонней разделкой при угле скоса 60... 70° и притупле­нии 1,5... 3 мм, более 10 мм - с Х-образной разделкой кромок. Для свар­ки меди используют электроды с покры-тием "Комсомолец-100", АНЦ/ОЗМ-2, АНЦ/ОЗМ-3, ЗТ, АНЦ-3.

12.11. Ориентировочные режимы ручной однопроходной сварки меди покрытыми электродами

Толщина, мм	Диаметр электрода, мм	Ток дуги, А	Напряжение, В
	2...3	100... 120	25...27
	4... 5	160...200	25...27
	5...7	260... 340	26...28
	6.8	400... 420	28...30

 

Сварку ведут короткой дугой с возвратно-поступательным движени­ем электродов без поперечных колебаний. Удлинение дуги ухудшает формиро-вание шва, увеличивает разбрызгивание, снижает механические свойства сварного соединения. Предварительный подогрев делают при толщине 5... 8 мм до 200... 300 °С, а при толщине 24 мм - до 800 °С. Теплопроводность и электропроводность металла шва резко снижаются при сохранении высоких механических свойств. Для сварки латуней, бронз и медно-никелевых сплавов применяют электроды ММЗ-2, Бр1/ЛИВТ, ЦБ-1, МН-4 и др.

Рис. 12.4. Схема

механизированной сварки меди

угольным электродом под флюсом

 

Механизированную дуговую свар­ку под флюсом осуществляют уголь­ным (графитовым) электродом (рис. 12.4) и плавящимся электродом. Сварка уголь-ным электродом выпол­няется на постоянном токе прямой полярности с испо-льзованием стан­дартных флюсов АН-348А, ОСЦ-45, АН-20. При сварке уго-льным элек­тродом кромки 1 собирают на графи­товой подкладке 2, поверх сты-ка на­кладывают полоску латуни 3, которая служит присадочным металлом. Дуга горит между угольным электродом 4, заточенным в виде плоской лопа­точки, и изделием под слоем флюса 5. Способ пригоден для сварки тол­щин до 10 мм. Диаметр электрода до 18 мм, сила тока до 1000 А, напря­жение дуги 18... 21 В, скорость сварки 6... 25 м/ч.

Механизированная сварка плавящимся электродом под плавлеными флю-сами (АН-200, АН-348А, ОСЦ-45, АН-MI) выполняется на постоян­ном токе об-ратной полярности, а под керамическим флюсом ЖМ-1 и на переменном токе. Основным преимуществом этого способа сварки явля­ется возможность получе-ния высоких механических свойств сварного соединения без предварительного подогрева. При сварке меди использу­ют сварочную проволоку диаметром 1,4... 5 мм из меди МБ, Ml, бронзы БрКМц 3-1, БрОЦ 4-3 и т.д. За один проход мож-но сваривать без раздел­ки кромок толщины до 15... 20 мм, а при использовании сдвоенного (расщепленного) электрода - до 30 мм. При толщинах кромок более 15 мм рекомендуют делать V-образную разделку с углом раскрытия 90°, приту-плением 2... 5 мм, без зазора. Флюс и графитовые подкладки перед сваркой должны быть прокалены. Для возбуждения дуги при сварке под флюсом прово-локу закорачивают на изделие через медную обезжирен­ную стружку или пру-жину из медной проволоки диаметром 0,5... 0,8 мм. Начало и конец шва долж-ны быть выведены на технологические планки. Режимы сварки приведены в табл. 12.12.

При сварке латуней применяют флюсы АН-20, ФЦ-10, МАТИ-53 и брон-зовые БрКМцЗ-1, БрОЦ4-3 и латунные ЛК80-3 проволоки. Сварка ведется на низких значениях сварочного тока и напряжения для сниже­ния интенсивности испарения цинка. Бронзы под флюсом свариваются хорошо.

Газовая сварка меди используется в ремонтных работах. Рекомен­дуют ис-пользовать ацетиленокислородную сварку, обеспечивающую наибольшую тем-пературу ядра пламени. Для сварки меди и бронз ис­пользуют нормальное пла-мя, а для сварки латуней - окислительное (С целью уменьшения выгорания цин-ка). Сварочные флюсы для газовой сварки меди содержат соединения бора (борная кислота, бура, борный ангидрид), которые с закисью меди образуют легкоплавкую эвтектику и выводят ее в шлак. Флюсы наносят на обезжиренные сварочные кромки по 10... 12 мм на сторону и на присадочный металл. При сварке алюми­ниевых бронз надо вводить фториды и хлориды, растворяющие А1₂О₃. При сварке меди используют присадочную проволоку из меди марок Ml и М2, а при сварке медных сплавов - сварочную проволоку такого же химичес-кого состава. При сварке латуней рекомендуют использовать проволоку из кре-мнистой латуни ЛК80-3. После сварки осуществляют проковку при подогреве до 300... 400 °С с последующим отжигом для получения мелкозернистой струк-туры и высоких пластических свойств.

При электрошлаковой сварке меди применяют легкоплавкие флюсы сис-темы NaF-LiF-CaF₂ (АНМ-10). Режим электрошлаковой сварки: сва­рочный ток I_св = 1800... 1000 А, напряжение U_д= 40... 50 В, скорость подачи пластинчатого электрода 12... 15 м/ч. Механические свойства щва мало отличаются от свойств основного металла.

Электронно-лучевая сварка меди эффективна при изготовлении электро-вакуумных приборов. Она обеспечивает сохранение высокой чис­тоты меди от примесей и получение мелкозернистой структуры.

При соединении элементов из меди и ее сплавов больших толщин хоро-шие результаты дает плазменная сварка. Возможно производить сварку элемен-тов толщиной до 60 мм за один проход. Применяют плаз­мотроны прямого дей-ствия. Для обеспечения хорошей защиты от атмо­сферного воздуха плазменную сварку иногда выполняют по слою флюса, а для создания мелкозернистой структуры используют порошковую про­волоку. Для сварки малых толщин до 0,5 мм эффективно используют микроплазменную сварку.

 

Никель и его сплавы

 

Никель и никелевые сплавы, содержащие 55 % Ni и более, являются важ-нейшими конструкционными материалами благодаря их высокой коррозионной стойкости, жаростойкости, жаропрочности, пластичности при низких и высо-ких температурах, длительной прочности. Никель ис­пользуют для переработки на полуфабрикаты (листы, ленты, полосы и т.д.) как конструкционный матери-ал и для изготовления сплавов на нике­левой основе.

При кристаллизации никель образует гранецентрированную кубиче­скую решетку и обладает физическими свойствами, схожими со свойст­вами железа аустенитной фазы.

Технический никель выпускается нескольких марок по ГОСТ 849-97 с содержанием чистого никеля от 99,99 % (марка Н0) до 97,6 % (Н4). Не­большие добавки марганца, кремния, углерода, магния и других элементов, содержа-щихся в техническом никеле, вводят как раскислители и десульфураторы. Наи-более распространены сплавы Ni с Сu, Cr, Mo, Al, Fe, Ti, Be.

Условно никелевые сплавы делятся на четыре группы: конструкци­онные, термоэлектродные, жаростойкие и с особыми свойствами.

К конструкционным сплавам относят сплавы на медно-никелевой основе [монель, мельхиор, нейзильбер и др. (ГОСТ 492-73)]. Конструк­ционные сплавы (например, монель НМЖМц 28-2,5-1,5) обладают высо­кими механическими свойствами и коррозионной стойкостью. Термо­электродные сплавы (хромель, копель, алюмель, манганин, константан) отличаются высокой электродвижу-щей силой, большим электросопро­тивлением при малом температурном коэф-фициенте электросопротивле­ния. Жаростойкие сплавы, легированные хромом и железом, используют для изготовления электронагревательных элементов (нап-ример, сплав нихром). Сплавы с особыми свойствами: магнитными – пермал-лой, упру­гими - инвар 36Н, ковар 29НК. В данной главе рассмотрены особен-ности сварки только технического никеля и сплавов типа монель.

При нагревании Ni взаимодействует с О₂, S, Р, С, Se, Sb, Si, В. Особеннос-ти сварки никеля и его сплавов обусловлены следующи­ми факторами:

1. В жидком состоянии никель хорошо растворяет кислород, азот и водо-род. При затвердевании раство­римость этих газов резко снижается (рис. 12.5).

 

Рис.12.5 - Растворимость водорода в никеле в зависимости от температуры

 

При попадании этих газов в сварочную ванну могут прохо­дить реакции типа:

NiO + 2Н -> Ni + Н₂О;

NiO + С -> Ni + CO.

Продукты этих реакций вызы­вают образование пор. Азот в сва­рочной ванне образовывает нестойкие нитриды Ni₃N и газовую фазу, создающую по-ры. Поэтому при сварке необходимо обеспечить качественную защиту металла от атмо­сферного воздуха, хорошее раскисление и дегазацию ванны. Легирова-ние шва Ti, Сr и V уменьшает пористость, а Мn, С, Si, Fe –увеличивает. Ре­ко-

мендуют использовать сварку короткой дугой.

2. При сварке никеля металл шва обладает большой склонностью к обра-зованию кристаллизационных трещин. Главной причиной горячих трещин яв-ляется образование по границам кристаллитов легкоплавких эвтектик Ni₃S + Ni (т_пл = 645 °С) и Ni₃P + Ni (Т_пл = 880 °С). Для предот­вращения образования крис-таллизационных трещин ограничивают со­держание в основном металле и в сва-рочных материалах серы и фосфора до 0,005 %. Для связывания серы в тугоп-лавкие соединения металл шва легируют до 5 % Мn, до 0,1 % Mg, до 0,06 % Li.

3. Для предотвращения образования крупнозернистой структуры метал-ла шва рекомендуют: сварку производить на ограниченной погон­ной энергии, в металл шва вводить модификаторы (Ti, Al, Mo), измель­чающие структуру, при многопроходной сварке последующие слои на­кладывать после полного охлаж-дения предыдущих.

4. Никель обладает меньшей жидкотекучестью, чем сталь, и проплавля-ется на меньшую глубину. Поэтому при подготовке заготовок к сварке целе-сообразно увеличивать глубину и угол разделки кромок.

5. Ввиду различия химического состава и структуры металла шва и осно-вного металла сварные соединения некоторых никелевых сплавов особенно с Сr и Мо имеют существенную неоднородность физико-химических свойств и проявляют склонность к межкристаллитной корро­зии. Для таких сплавов реко-мендована послесварочная термическая об­работка (нагрев до Т = 700... 800 °С с последующим охлаждением на воздухе или в воде).

Основным способом сварки никеля и его сплавов является дуговая сварка в среде защитных газов. Используются также способы сварки плавлением: ручная дуговая покрытыми электродами, автоматическая дуговая под слоем флюса, угольным электродом, газовая, электрошлако­вая, электронно-лучевая, лазерная.

Перед сваркой кромки и прилегающие к ним участки на расстоянии 20... 30 мм тщательно зачищают механическим путем до металлическо­го блеска для удаления поверхностного налета, содержащего серу, и окисной пленки затем обезжиривают. В ряде случаев пленку оксидов удаляют травильным раствором, содержащим азотную, серную и соля­ную кислоты.

Сварка в среде защитных газов никеля и его сплавов обеспечивает высо-кое качество сварных соединений, отвечающих эксплуатационным требова-ниям. Дуговую сварку вольфрамовым электродом выполняют на прямой поляр-ности с применением аргона первого сорта и без присадоч­ного или с присадоч-ным (чаще всего проволока НМц 2,5) металлом. Сварку рекомендуют прово-дить на медной подкладке или с защитой кор­ня шва аргоном, с соплами горе-лок, как при сварке титана. Сварку никеля осуществляют при минимально воз-можной длине дуги, повышенных си­ле тока и скорости сварки.

При ручной сварке применяют "левый" способ. Наклон горелки к оси шва должен быть 45... 60° вылет вольфрамового электрода 12... 15 мм. Присадоч-ный металл подают под углом 20... 30° к оси шва. При много­проходной сварке последующие швы необходимо накладывать после полного охлаждения, за-чистки и обезжиривания предыдущих слоев. Швы, обращенные к агрессивной среде, выполняются в последнюю оче­редь. Начинать и заканчивать сварные швы необходимо на технологиче­ских планках. Для предотвращения образо-вания трещин в кратере закан­чивают сварку с уменьшением сварочного тока. Режимы сварки никеля приведены в табл. 12.13.

Ручную дуговую сварку покрытыми электродами для листов толщи­ной более 1,5 мм осуществляют на постоянном токе обратной полярно­сти. Для сварки никеля используют электроды ^мПрогресс-50" со стерж­нем из проволоки НП1 и ОЗЛ-22 со стержнем НМцАТК 1-1,5-2,5-0,15. Толщины до 4 мм сварива-ют без разделки, а больше 4 мм с разделкой кромок (табл. 12.14). Рекомендуется по возможности вести сварку за 1 проход, а длинные швы вы-полнять отдельными участками.

Для предупреждения перегрева электрода и получения меньших оста­точных напряжений при сварке используют ток, пониженный по сравнению е током при сварке сталей и пониженную скорость сварки (табл. 12.15).

Сварку рекомендуют вести в нижнем положении короткой дугой для уме-ньшения угара стабилизирующих и раскисляющих элементов, содер­жащихся в электродной проволоке. Продольные колебания конца электро­да способствуют газоудалению и получению более плотных швов.

При автоматической дуговой сварке никеля и никелевых сплавов под флюсом требования по подготовке такие же, как при ручной дуговой сварке. Состав электродной проволоки подбирается близким к составу основного металла. Для сварки используют низкокремнистые основные или бескислородные фторидные флюсы ЖН-1, АНО-1, АНФ-22. Сварка производится на постоянном токе обратной полярности.

Лучшие результаты получаются при использовании сварочных автома-тов с зависимой от напряжения дуги подачей электродной проволоки. Ввиду нежелатель­ности перегрева основного металла сварку стремятся выполнять швами небольшого сечения. Используют электродные проволоки небольшого (2... 3 мм) диаметра. Из-за высокого электрического сопротивления электрод-ных проволок и высокого коэффициента их расплавления вылет электрода уменьшают в 1,5... 2 раза по сравнению с вылетом электрода при сварке ста-лей. Получаемые сварные соединения обладают стабиль­ными и высокими по-казателями механических свойств.

Газовую сварку используют ограниченно для получения соединений на никеле и медно-никелевых сплавах. При ацетиленокислородной свар­ке уста-навливается нормальное пламя, так как избыток кислорода или избыток ацети-лена вызывают пористость, хрупкость металла шва. Для сварки никеля исполь-зуют присадочную проволоку того же химического состава, что и основной металл, или с легированием небольшим количе­ством марганца, магния, крем-ния и титана. Чистый никель можно свари­вать без флюса, а сплавы - с флюсом, не содержащим бор. Показатели механических свойств сварных соединений из никеля, полученных газо­вой сваркой, существенно ниже показателей основного металла.

Титан и его сплавы

Титан обладает рядом ценных свойств (малая плотность, высокая проч-ность до температуры 450... 500 °С, высокая коррозионная стой­кость во мно-гих агрессивных средах), благодаря которым находит широ­кое применение как конструкционный материал в современных отраслях промышленности.

Титан имеет две аллотропические модификации: низкотемператур­ную с гексагональной плотноупакованной кристаллической решеткой, существую-щую при температурах до 882,5 °С, и высокотемпературную с объемно цент-рированной кубической решеткой, существующей выше температуры 882,5 °С до температуры плавления 1668 °С. Механические свойства технического ти-тана невысоки и повышаются за счет легирова­ния (табл. 12.16).

Легирующие элементы по влиянию на температуру полиморфного прев-ращения и стабилизацию той или иной фазы подразделяются на две группы:

1) -стабилизаторы, повышающие температуру —» превращения, значительно растворяющиеся в -фазе и незначительно в -фазе (А1, С, О);

 

 

2) -стабилизаторы, делящиеся на две группы:

- изоморфные - неограниченно растворяющиеся в Р-фазе (V, Nb, Та, Mo, W);

- эвтектоидообразующие, обладающие большей, чем в а-фазе, но ограни-ченной в -фазе растворимостью (Mn, Fe, Cu, Co, Ni, Si и др.).

В зависимости от структуры в нормализованном состоянии титано­вые сплавы подразделяют на классы (см. табл. 12.16).

Из указанных в таблице сплавов ( + )-сплавы и псевдо- -сплавы уп-рочняются термической обработкой (закалка + старение).

Ряд примесей резко снижает пластические свойства титана, по­этому их содержание ограничивают: О₂ < 0,15... 0,20 %; N₂ < 0,05 %; Н₂ < 0,01 %;

С < 0,10 %.

Особенности сварки титановых сплавов обусловлены следующими фак-торами:

1. Высокая химическая активность титана к газам (кислороду, азоту и во-дороду) при высоких температурах требует обеспечения надежной за­щиты от газов атмосферы не только металла сварочной ванны, но и основ­ного металла, нагревающегося до температуры 400 °С и выше. Сварку не­обходимо произво-дить в среде защитных газов (аргона, гелия) высокой чистоты, под специаль-ными флюсами или в вакууме. При температурах нагрева выше 350 °С титан поглощает кислород с образованием поверхно­стного (альфированного) слоя высокой твердости Ti + О₂ = ТіО₂. При на­греве до температур выше 550 °С титан растворяет азот, химически взаи­модействует с ним, образуя малоплас-тичные фазы внедрения (нитриды):

2Ti + N₂ = 2TiN или 6Ti + N₂ = 2Ti₃N.

Попадание частиц альфированного слоя в сварной шов резко снижает его пластичность (рис. 12.6).

Рис. 12.6. Влияние содержания кислорода и азота в титане на его свойства в % от исходного состояния (а) и растворимость водорода в титане (б)

Водород даже при очень малом содержании резко ухудшает свойст­ва ти-тана. Хотя с увеличением температуры растворимость водорода снижается, во-дород, выделяющийся из перенасыщенного твердого рас­твора, образует отдель-ную "фазу - гидриды титана, которая сильно охрупчивает титан, способствует образованию холодных трещин и пор.

2. Низкая теплопроводность титана при сварке вызывает перегрев метал­ла шва и околошовной зоны, что способствует росту размера зерна -фазы на стадии нагрева и образованию хрупких фаз при охлаждении и старении. Не­обходима оптимизация режимов сварки, которая выражается в снижении по-гонной энергии для и псевдо- -сплавов и в увеличении погонной энер­гии для ()-сплавов. Целесообразно использовать более концентриро­ванные сва-рочные источники энергии (электронный и лазерный лучи).

3. Образование пор в кристаллизующемся металле сварного шва связано в основном с выделением водорода, который был поглощен ти­таном из адсор-бированной влаги на присадочном металле, во флюсе или из атмосферы при нарушении защиты. Поры, располагаясь в виде цепоч­ки в сварном шве, приво-дят к снижению статической и динамической прочности сварного соединения.

4. Образование холодных трещин в титановых сплавах вызывается повы-шенным содержанием водорода в сочетании с высоким уровнем внутренних напряжений. Поэтому необходимо принимать меры по пре­дотвращению наво-дораживания металла сварного соединения при сварке и эксплуатации и меры по снижению остаточных сварочных напряжений.

5. В результате сварочного термодеформационного воздействия сварные соединения титановых сплавов могут обладать существенной неоднородностью свойств и для них тогда следует выполнять послесварочную термическую или термомеханическую обработку.

Из способов сварки плавлением для титана и его сплавов находят наибо-льшее применение следующие: дуговая сварка в среде инертных газов, под флюсом, электрошлаковая, электроннолучевая.

Перед сваркой необходимо произвести подготовку кромок заготовок и присадочной титановой проволоки. Разделку кромок выполняют для толщин более 4 мм. Если заготовки были вырезаны термическими спосо­бами резки, то кромки необходимо обработать механическими способами на глубину не менее 2 мм. Непосредственно перед сваркой кромки по ширине 15... 20 мм от стыка должны быть очищены от окалины, цветов побежалости, жира и других ве-ществ. Механическую очистку поверхно­стей осуществляют хромоникелевыми стальными или титановыми про­волочными щетками или шабером, а затем обез-жиривают спиртом - рек­тификатом или ацетоном. Для удаления оксидно-нит-ридной пленки при­меняют травление водным раствором плавиковой (HF > 2 % по объему) и азотной (НNО₃ > 30 %) кислот с последующими промывкой в бен-зине и обезжириванием этиловым спиртом - ректификатом или ацетоном. Для оценки полноты удаления альфированного слоя и отсутствия наводораживания в процессе травления рекомендуют применять спектральный метод контроля концентрации водорода на поверхности свариваемых кромок. Сварочная про-волока подвергается вакуумному отжиму и перед сваркой обезжиривается.

Дуговая сварка в среде защитных газов может быть осуществлена непла-вящимся лантанированным или иттрированным вольфрамовым электродом (ме-ханизированная и ручная) и плавящимся электродом (автоматическая, полуав-томатическая). Для защиты зоны сварки исполь­зуют аргон высшего сорта по ГОСТ 10157-79 и гелий высокой чистоты по ГОСТ 20461-75 или смеси этих газов.

Защиту металла сварного соединения в процессе сварки осуществ­ляют:

1) на воздухе со струйной подачей инертного газа ламинарным потоком из со-пел со специальными насадками и подачей газа с обратной стороны шва через специальные подкладки; 2) путем использования ме­стных камер; 3) путем по-мещения всего узла в камеру с контролируемой атмосферой. Наиболее надеж-ную защиту обеспечивают камеры с кон­тролируемой атмосферой и их приме-няют для изделий ответственного назначения.

Наибольшее распространение получила сварка вольфрамовым электро-дом на воздухе. Сварку осуществляют на обычных установках для автомати-ческой сварки в среде инертных газов неплавящимся электро­дом. На горелке закрепляют специальную насадку (рис. 12.7), размеры которой назначаются такими, чтобы защитить от воздуха требуемую изо­терму на основном металле.

 

 

Для предотвращения окисления металла сварного соединения защищают изотермы в 250... 300 °С. Размеры изо­термы обычно определяют расчетным путем по формулам распростране­ния теплоты в металлах при сварке. Длина и ширина насадки должны соответствовать размерам изотермы.

Наилучшая защита осуществляется при создании ламинарного пото­ка инертного газа, для обеспечения которого в насадку закладывают сетчатопо-ри-стый материал. Для защиты обратной стороны шва используют специальные подкладки и насадки (рис. 12.8).

 

Приближенно о надежности газовой защиты можно судить по внеш­нему виду сварного соединения. Блестящая серебристая поверхность шва свидетель-ствует о хорошей защите и удовлетворительных свойствах шва. Желто-голубой цвет, серые налеты указывают на плохую защиту.

Ориентировочные режимы автоматической сварки на постоянном токе прямой полярности приведены в табл. 12.17. Присадочный пруток подают при толщинах листов больше 1,5 мм.

 

Рабочая часть вольфрамового электрода затачивается на конус под углом 30... 45°. Увеличение угла заточки уменьшает глубину проплавления. Для улу-чшения формирования шва при автоматической сварке с при­садочной прово-локой и повышения стойкости электродов конус при­тупляют до диаметра 0,5... 0,8 мм.

Этоспособствует расфокусировке дугии более плавному переходу от основного металла к металлу шва(рис. 12.9) при сварке в аргоне, иначе необхо-димо наложение ган­тельных швов.

 

Рис. 12.9. Формы проплавления при сварке титана

 

Ручная сварка вольфрамовым электродом ведется без колебатель­ных движений горелки углом вперед на короткой дуге. Угол между элек­тродом и присадкой поддерживается в 90°. При обрыве дуги и после окончания сварки аргон должен подаваться до тех пор, пока металл не охладится ниже 400 °С.

В качестве присадки применяют проволоки: ВТ 1-00, ВТ2 - для - и псев-до- -сплавов, СПТ-2 - для ( + -сплавов и др.

Для повышения эффективности использования теплоты при сварке во-льфрамовым электродом разработаны разновидности способа: импульсно-ду-говая сварка, погруженной дугой, сквозным проплавлением, по флюсу, с при-садочной порошковой проволокой, с магнитным переме­шиванием сварочной ванны, в щелевую разделку и др.

Импульсно-дуговая сварка позволяет в более широких пределах из­менять размеры сварного шва, уменьшать деформации конструкций, сни­жать уровень остаточных напряжений, уменьшать размеры кристаллитов и пористость в шве, уменьшать размеры зоны термического влияния.

При сварке погруженной дугой (кончик электрода находится ниже повер-хности свариваемого металла) на больших токах возможно свари­вать за один проход без разделки кромок толщины до 15 мм. При сварке титановых сплавов сквозным проплавлением можно сваривать за один проход металл толщиной 12 мм.

Аргонодуговая сварка вольфрамовым электродом по галогенидным флю-сам, наносимым на кромки свариваемых деталей в виде пасты тон­ким слоем, благодаря увеличению проплавляющей способности дуги по­зволяет уменьшать сварочный ток, увеличивать глубину проплавления, изменять форму провара, лучше формировать обратный валик, умень­шать размеры зоны термического влияния, измельчать зерно, уменьшать возможность прожогов и пористость, уменьшать деформации конструк­ций и в итоге получать качественные сварные соединения с высокими механическими свойствами. Эти же преимущества про-являются и при сварке порошковой проволокой, в которую в качестве наполни-теля вве­ден флюс.

При воздействии переменного и постоянного магнитных полей на проце-с-ы кристаллизации сварочной ванны удается измельчать кристал­литы в 1,5 ра-за, улучшать структуру, снижать пористость и химическую неоднородность ме-талла шва. Сварка в щелевую разделку позволяет уменьшить расход дорогих материалов и повысить производительность.

Сварка плавящимся электродом применяется для различных типов соеди-нений из титана и его сплавов при толщинах более 3... 4 мм в нижнем положе-нии (табл. 12.18). Сварка ведется на постоянном токе об­ратной полярности.

При сварке в гелии выше напряжение дуги и швы получаются с более плавным переходом от выпуклости к основному металлу (рис. 12.9, в).

Для сварки титана производят модернизацию существующего обо­рудо-вания для сталей (автоматы типа АДС), уделяя особое внимание по­вышению скорости подачи сварочной проволоки и обеспечению полно­ценной защиты металла при сварке. Источники питания применяют с жесткой характеристи-кой.

С целью