/
Author: Гуревич С.М.
Tags: технология обработки без снятия стружки в целом: процессы, инструмент, оборудование и приспособления цветные металлы в целом сварка справочник
ISBN: 5-12-001377-5
Year: 1990
Text
АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНСКОЙ ССР
Институт электросварки им. Е. О. Патона
С.М.ГУРЕВИЧ
СПРАВОЧНИК
по СВАРКЕ
ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
2-е ИЗДАНИЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ
И ДОПОЛНЕННОЕ
КИЕВ
НАУКОВА ДУМКА
1990
УДК 621.791:669.2/8(031)
Справочник по сварке цветных металлов / Гуревич С. М.; Отв.
ред. Замков В. Н.— 2-е изд., перераб. и доп.— Киев: Наук, думка,
1990.— 512 с,— 18ВИ 5-12-001377-5.
Приведены справочные данные о физико-химических свойствах
и свариваемости конструкционных цветных металлов и сплавов на их
основе. Даны характеристики основных способов сварки цветных ме-
таллов. Описаны технология и техника сварки соединений из металлов
и сплавов разного типа и методы контроля их качества. Рассмотрены
свойства сварных соединений.
Во втором издании пересмотрены и уточнены все термические
реакции в связи с выходом новых стандартных значений термодинами-
ческих функций индивидуальных веществ. Весь справочник приведен
в соответствие с новыми ГОСТами и стандартами по маркам, свойствам
и сварке цветных металлов. Рассмотрены новые способы сварки, не
нашедшие достаточного отражения в предыдущем издании. Расшире-
ны материалы по коррозионной стойкости сварных соединений цветных
металлов, а также по сварке разнородных цветных металлов и цветных
металлов с черными.
Для научных и инженерно-технических работников, занимающихся
созданием сварных конструкций из цветных металлов; может быть по-
лезен преподавателям и студентам вузов.
Ил. 181. Табл. 295. Библногр.: с. 482—504 (470 назв.)
Ответственный редактор доктор технических наук
В. Н. ЗАМКОВ
Печатается по постановлению ученого совета
Института электросварки им. Е. О. Патона АН УССР
и решению редакционной коллегии справочной литературы АН УССР
Редакция справочной литературы
Заведующий редакцией В. В. Панюков
Редактор Н. К. Сытник
2704060000-118
Г М22|(04)-90
660-90
18В1Ч 5-12-001377-5
© Издательство «Наукова думка», 1981
© С. М. Гуревич,
изменения, дополнения, 1990
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие .................................................5
Основные обозначения.........................................7
Глава 1. Классификация и характеристика конструкционных
цветных металлов и сплавов на их основе......................9
1.1. Физико-химические свойства. Области применения ... 9
1.2. Закономерности взаимодействия с примесями..............45
1.3. Легирование цветных металлов и сплавы на их основе . . 59
Глава 2. Способы сварки и сварочное оборудование .... 87
2.1. Сварка плавлением......................................87
2.2. Сварка давлением с подогревом металла.................122
2.3. Сварка давлением без подогрева металла внешним источником
теплоты....................................................135
Глава 3. Материалы, применяемые при сварке цветных ме-
таллов .................................................. 143
3.1. Сварочные проволоки и пруткн..........................143
3.2. Покрытые электроды для дуговой сварки.................147
3.3. Флюсы и порошковые проволоки..........................155
3.4. Газы .................................................161
3.5. Неплавящиеся электроды................................162
Глава 4. Особенности физико-металлургических процессов при
сварке цветных металлов плавлением ....................... 164
4.1. Тепловые процессы при сварке и закономерности плавления
основного и электродного металлов..........................164
4.2. Кристаллизация металла шва и строение околошовной зоны . 182
4.3. Металлургические процессы при сварке..................187
4.4. Напряжения и деформации сварных соединений .... 195
Глава 5. Технология сварки легких металлов и сплавов . . . 205
5.1 Алюминий и его сплавы..................................205
5.2. Магний и его сплавы...................................244
5.3. Бериллий..............................................253
Глава 6. Технология сварки тяжелых металлов и сплавов . . 256
6.1. Медь и ее сплавы......................................256
6.2. Никель и его сплавы...................................287
6.3. Свинец.................................................300
6.4. Цинк .................................................305
6.5. Благородные металлы...................................306
Глава 7. Технология сварки химически активных и тугоплав-
ких металлов и сплавов ................................... 310
7.1. Титан и его сплавы.....................................310
7.2. Цирконий, гафний.......................-...............355
7.3. Ванадий, ниобий, тантал................................359
7.4. Молибден, вольфрам, хром...............................366
Глава 8. Технология сварки разнородных цветных металлов и
нх сплавов..................................................372
8.1. Металлургические особенности соединения разнородных металлов 372
8.2. Технология сварки плавлением...........................376
8.3. Технология сварки давлением............................408
Глава 9. Коррозионная стойкость и дефекты сварных соединений.
Способы их предупреждения...................................424
9.1. Коррозионная стойкость сварных соединений..............424
9.2. Дефекты сварных соединений.............................430
9.3. Меры предупреждения пористости.........................43?
9.4. Трещины в сварных соединениях и способы их предотвра-
щения ......................................................441
9.5. Контроль качества сварных соединений...................444
Глава 10. Особенности выполнения сварных соединений из цвет-
ных металлов................................................459
10.1. Инженерная подготовка производства сварочных работ и
рациональные сварные соединения.............................459
10.2. Механическое, вспомогательное оборудование и приспособле-
ния для сварки цветных металлов.............................465
10.3. Охрана труда и техника безопасности при сварке цветных
металлов....................................................469
Приложения .................................................474
Список литературы...........................................482
Предметный указатель........................................505
ПРЕДИСЛОВИЕ
Одним из направлений, определяющих дальнейшее раз-
витие экономики, является снижение материалоемкости, повышение
технического уровня и качества продукции машиностроения на базе
применения новых конструкционных материалов, в том числе цвет-
ных металлов. В связи с этим увеличивается производство сварных
конструкций, а также узлов и механизмов из цветных металлов рабо-
тоспособность которых во многом определяется качеством сварных
соединений.
Затруднения при сварке цветных металлов связаны с их физико-
химическими свойствами. Применение наряду с традиционными спосо-
бами сварки лазерной, электроино-лучевой, плазменной и микроплаз-
менной, электрошлаковой, давлением в вакууме и других способов
позволяет успешно использовать цветные металлы и сплавы на их
основе для изготовления сварных изделий ответственного назначения.
Подготовленный С. М. Гуревичем «Справочник по сварке цветных
металлов» (Киев, 1981.— 608 с.) является уникальным, не имеющим
аналогов в мировой практике изданием, в котором с единых позиций
предпринята первая попытка обобщить опыт сварки всех без исклю-
чения цветных металлов и их сплавов, находящих применение в раз-
личных отраслях народного хозяйства. Поскольку со дня выхода
в свет справочника прошло уже десять лет. возникла необходимость
его переработки, которая была выполнена группой ближайших уче-
ников и сотрудников С. М. Гуревича.
Во втором издании справочника пересмотрены все главы с целью
устранения некоторых устаревших положений и частичного обновле-
ния рисунков и списка литературы. При этом посчитали необходимым
максимально сохранить рисунки первого издания. Оставлены также
некоторые ссылки на основополагающие литературные источники,
сохранившие свое научное значение.
Во втором издании пересмотрены все термодинамические реакции
в связи с выходом в свет новых стандартных значений. При переизда-
нии использованы единая система СИ, новые стандарты и ГОСТы на
основные и сварочные материалы. Рассмотрены также новые способы
сварки, нашедшие применение после выхода в свет первого издания
справочника.
В справочник включена новая глава по сварке разнородных цвет-
ных металлов, а также цветных с черными металлами Пересмотрены
материалы, касающиеся выбора цветных конструкционных металлов
Для изготовления химической аппаратуры. Большое внимание уделено
коррозионной стойкости сварных соединений.
В справочнике приведены лишь основные сведения по сварке цвет-
ных металлов По отдельным из них существует специальная отече-
ственная и зарубежная литература. Более подробные сведения читатель
может найти в литературе по данному вопросу, список которой приве-
ден в конце книги. Это позволит более полно ознакомиться с рассмат-
риваемыми вопросами.
Изложенные принципы и наиболее типичные подходы к сварке
цветных металлов полезны конструкторам, технологам, металловедам
и специалистам других смежных специальностей для лучшего понима-
ния задач, связанных с выбором и использованием цветных металлов,
а также с разработкой технологии их сварки.
Главы 1, 4, 7 (параграфы 7.1 и 7.2) и приложение 1 переработал
и подготовил к изданию В. Н. Замков, главы 2, 3 и 7 (параграфы 7.3
и 7.4) — В. П. При луцкий. Главы 5 и 6 (параграфы 6.1 и 6.2) пере-
работал и подготовил к изданию, а главу 8 написал В. К. Сабокарь.
Главы 6 (параграфы 6.3, 6.4 и 6.5), 9, 10 и приложения 4, 5, а также
список литературы переработал и подготовил к изданию В. Е. Бла-
щук.
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
У — плотность металла
М —молекулярная масса металла
с — удельная массовая теплоемкость
X — коэффициент теплопроводности
су — удельная объемная теплоемкость
а — температуропроводность
а0 — коэффициент теплоотдачи
дпл — теплота плавления
р — удельное электросопротивление
аэ — термический коэффициент электросопротивления
ат — коэффициент линейного расширения
Тпл — температура плавления
Ткип — температура кипения
Тх — температура перехода из пластичного состояния в хрупкое
ЛЯ — энтальпия системы
Л5 — энтропия системы
ДО — изобарный потенциал реакции
ам.г — поверхностное натяжение металла в защитном газе
»]и — эффективный КПД нагрева изделия источником теплоты
»]п — термический коэффициент проплавления металла
»]эл — эффективный КПД нагрева электрода источником теплоты
ар — коэффициент расплавления электрода
ан — коэффициент наплавки
д — эффективная тепловая мощность источника нагрева
№'п — мощность пламени
7СВ —сварочный ток
/п — ток в пучке электронов
Уд — напряжение дуги
Ух х — напряжение холостого хода источника питания
Уус — ускоряющее напряжение
осв — скорость сварки
опр — скорость подачи электродной проволоки
/ —плотность тока в электроде
I — время протекания процесса
Ор — жесткость режима
Ь — толщина металла
В — ширина шва
Л _глубина проплавления
Е __площадь поперечного сечения
У _ коэффициент формы шва
й3 ____ диаметр электрода
^пр — диаметр присадки
ов — предел прочности
о0 2 —предел текучести
б — относительное удлинение
ф — относительное суждение поперечного сечения
е — степень относительной деформации
Е — модуль упругости
аи — ударная вязкость
ЗТВ — зона термическою влияния
Глава 1
КЛАССИФИКАЦИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКА
КОНСТРУКЦИОННЫХ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
И СПЛАВОВ НА ИХ ОСНОВЕ
1.1. Физико-химические свойства.
Области применения
Все конструкционные металлы, за исключением железа
и сплавов на его основе (сталь, чугун), относятся к цветным, или
«нежелезным», металлам.
Цветные металлы характеризуются широкой гаммой физико-хи-
мических и механических свойств. Наряду с легкоплавкими (свинец)
и легкими (магний) среди них немало тугоплавких и тяжелых (вольфрам,
молибден). Одни из них обладают высокой электрической проводи-
мостью и теплопроводностью (серебро, медь, алюминий), другие ха-
рактеризуются низкими электрической проводимостью и теплопровод-
ностью (титан нихром и др.).
Таблица 1.1. Физические свойства конструкционных
цветных металлов и железа
Металл Порядковый номер Атомная масса V, г/сма О о Ч С О о с к X с (при 20 °С), Дж/кг-К >. (при 20 ®С). Вт/м»К о 7 Р я р (при 20 ®С)Х X 10“*, Ом.м
Алюминий 13 26,98 2,7 660 I 2450 900 225 24,3 2.66
Бериллий 4 9,01 1,85 1285 2470 2052 188 11.7 3,6
Ванадий 23 50,95 6,1 1900 3350 501 31,0 10,9 19,6
Вольфрам 74 183,85 19,35 3422 5600 130 174 4,98 5,5
Гафний 72 178,49 13,31 2222 4600 142 22,2 5,9 32,2
Железо 26 55,84 7,87 1536 3000 640 77 П,7 9,7
Золото 79 196,97 19,32 1063 2677 134 311 14,2 2,25
Магний 12 24,31 1.74 650 1100 1030 155 26 4,47
Медь 29 63,54 8,94 1083 2570 384 391 16,8 1,68
Молибден 42 95.9 10,22 2615 4830 255 145 5,44 5,2
Никель 28 58.70 8,9 1453 2780 435 92,5 13,3 6,8
Ниобий 41 92,91 8,57 2468 4740 272 52,5 7,1 15.22
Палладий 46 106,4 12.02 1552 2950 263 71,3 И.1 9,96
Платина 78 195,09 21,45 1772 3830 134 72,8 9,1 10,3
Свинец 82 207,2 11,34 327,4 1750 130 34,7 27,56 20,68
Серебро 47 107,87 10,5 961,3 2180 259 423 19,51 1.47
Тантал 73 180,95 16,65 3000 5460 136 54,5 6,55 12,4
Титан 22 47,9 4,51 1668 3280 525 21,6 8,5 54
Хром 24 51,99 7,19 1875 2670 462 67,1 6,2 12,8
Цинк 30 65,38 7,14 419,5 907 378 НО 32,5 5,75
Цирконий 40 91,2 6,51 1852 4370 289 21 5,89 45
Свариваемость металлов, в том числе и цветных, определяется их
физико-химическими свойствами. Поэтому при выборе способа сварки
и условий изготовления сварной конструкции необходимо учитывать
прежде всего специфические фнзико-химические свойства основного
металла (табл. 1.1, 1.2), а уже затем габариты и форму изделия, тол-
щину соединяемых элементов и другие особенности данной кон-
струкции.
Таблица 1.2. Кристаллические структуры конструкционных
цветных металлов
Металл Гц. п> Тип решетки Параметр решетки, им с/а
о С
Алюминий ГЦК 0,4049(0
Бериллий — ГПУ 0,228561 0,358430 1,5671
1254 ОЦК 0,25460 — —_
Ванадий ОЦК 0,302820 — —
Вольфрам — ОЦК 0 316522 — —
Гафний 1740 ГПУ ОЦК 0,31883 0,50422 1,581
Золото ГЦК 0,40786
Магний — ГПУ 0,32094 0,52103 1,625
Медь .— ГЦК 0,36150 — —
Молибден — ОЦК 0,31468 — ——
Никель —. ГЦК 0,35241 —— ——
Ниобий ОЦК 0,33007 —
Палладий — ГЦК 0,38898 — —
Платина — ГЦК 0,39231 — —
Свинец — ГЦК 0,49505
Серебро — ГЦК 0,408621 — —
Тантал — ОЦК 0,33058 — —
Титан 882 ГПУ ОЦК 0,29511 0,33065 0,46848 1,5873
Хром — ОЦК 0,28850 — —
Цинк — ГПУ 0,26649 0,49468 1,856
Цирконий 862 ОЦК ГПУ 0,36200 0,32312 0„г 1477 1,593
Примечание. ГЦК — граиецентрировавиая кубическая; ГПУ — гексаго-
нальная плотиоупакованиая: ОЦК — объемно-центрированная кубическая
Механи ческие свойства технически чистых цветных металлов (ори-
ентировочные), выпускаемых промышленностью, приведены в табл. 1.3.
Значительные колебания прочности и пластичности большой группы
металлов объясняются различной концентрацией в них примесей, в
первую очередь газов (кислорода, азота, водорода).
В зависимости от плотности, температуры плавления и способно-
сти вступать в химические реакции с другими элементами, прежде
всего газами атмосферы, конструкционные цветные металлы можно
разделить на следующие группы
1. Легкие металлы — магний, бериллий, алюминий. Их плотность
минимальна и не превышает 2,7 г/см’ (см. табл. 1.1). Наиболее легкий
металл этой группы — магний.
Таблица 1.3. Механические свойства (ориентировочные)
конструкционных цветных металлов
Металл Е, МПа <тв, МПа 6. % Ф, % Библиогра- фический источник
Алюминий 70600 78—108 40 80 11441
Бериллий 295000 138 2 — 1144)
Ванадий 132500 176—442 25—40 50—60 (184]
Вольфрам 374000 1180—1375 Хрупкий 13601
Гафний 139000 345—442 20—30 30—40 54]
Золото 77500 138—157 30—50 90 189]
Магний 42800 176—245 8—17 10—20 317]
Медь 128700 216—235 60 75 317
Мс яибден 286000 393—686 15—30 12—40 322
Никель 201900 393—491 40 70 384
Ниобий 89100 345—491 30—40 50—60 184]
Палладий 121500 176—196 25—40 80 189
Платина 169000 147—167 30—50 90 189
Свинец 15700 10,8—12,7 30—40 92—100 317
Серебро 74500 98—147 40—50 90 189
Тантал 174800 196—442 30—50 40—60 184
Титан 108000 245—345 40—55 55—70 611
Хром 245000 294—686 12—40 3—30 355]
Цинк 10800 108—147 5—20 15 3841
Цирконий 87800 245—393 30—50 40—60 54)
2. Тяжелые металлы — цинк, никель, медь, серебро, палладий,
золото, платина. Их плотность не менее 7 г/см2 3. Платина — металл
с максимальной плотностью.
3. Химически активные и тугоплавкие металлы — ванадий, воль-
фрам, гафний, молибден, ниобий, тантал, титан, хром, цирконий При-
нято считать, что все этн металлы объединяет чрезвычайно большая
склонность к взаимодействию и образованию химических соединений
с другими элементами, в первую очередь с газами атмосферы. Однако
если по стандартной энергии Гиббса Д<?298 соответствующих реакций
(табл. 1.4) сравнить активность образования оксидов этой группы ме-
таллов, то (по сравнению с железом) молибден, вольфрам бериллий
и магний менее активно реагируют с кислородом. Низшие оксиды нио-
бия, ванадия и титана в свою очередь менее прочны, чем Ге2О3 и Ге3О4.
В то же время активность большинства цветных металлов к азоту зна-
чительно превышает активность железа. Таким образом, термин «хими-
чески активные металлы» можно принять весьма условно.
До настоящего времени нет также единого мнения о том, какие
металлы считать тугоплавкими. Обычно к ним условно относят хром
и те металлы, у которых температура плавления выше, чем у хрома
(1875 °С). Из этого следует, что титан н цирконий к тугоплавким метал-
лам не относятся. По степени возрастания температуры плавления
тугоплавкие металлы могут быть расположены в следующий ряд:
хром, ванадий, гафний, ниобий, молибден, тантал, вольфрам.
Цветные металлы подвергают практически всем видам обработки
давлением, литью и механической обработке. Детали и узлы из них
сваривают и паяют. Из цветных металлов изготавливаются различные
Таблица 1.4. Стандартная энергия Гиббса реакций образования
оксидов и нитридов цветных металлов и железа [347|
Металл Оксид л6° кДж а<72<)8’ Нитрид —до0 кДж 298- —
Железо РеО 245.198* Ре4Ц 12,652
Ре8О3 738,680
Ре3О4 1012,814*
Алюминий А12О3 1580.366 АШ 292,341
Бериллий ВеО 578,504 Ре3М8 531,650
Хром Сг8О3 1058,376* Сг8Ц 85,109
Сг\' 91,467
Магний М§О 567,685 мйзц8 399,353
Молибден Мо03 528,074* Мо8.\ 56,246
МоО3 667,546
Ниобий Ц'ЬО 388,022 МЬ2Ц 226,000
МЬО2 733,200 МШ 206,717
1МЬ3О6 1761,420
Тантал Та8О8 1900,238 Та2Ц 236,295
ТаМ 222,443
Титан ТЮ 488,608*
Т1Оа 887,342* Т|Ц** 307,176**
1430,521*
Ванадий V© 400,428
У8О3 1130,993 уц 189,880
У8О6 1427,470*
Вольфрам \УО2 529,417
\УО3 759,549 — —
Гафний ню2 1009,875 — —
Цирконий 2гО„ 1036,268 7г.\' 348,361
• (1341.
• [601.
полуфабрикаты (проволока, прутки, листы, полосы, профили, лента,
фольга и др.). Легирование позволяет в широких пределах изменять
свойства цветных металлов. Значительное влияние на свойства некото-
рых цветных металлов и особенно их сплавов оказывает термическая
обработка.
Ниже приведена характеристика конструкционных цветных ме-
таллов и указаны области их применения. При этом основное внимание
уделено свойствам, которые в той или иной степени влияют на свари-
ваемость металла.
Легкие цветные металлы
Алюминий. В земной коре содержится примерно 8,8 %
алюминия1, что в 1,7 раза превышает содержание железа (5,1 % [3711).
Алюминий — самый распространенный цветной металл как по содер-
1 Здесь и далее, когда речь идет о химическом составе, имеются в виду нас*’
еовые доли, %.
жанию в земной коре, так и по объе-
му производства и масштабам при-
менения.
Алюминий не претерпевает поли-
морфных превращений. Во всем тем-
пературном интервале вплоть до точ-
ки плавления он имеет кристалли-
ческую решетку гранецентрирован-
ного куба (см. табл. 1.2). Плотность
алюминия в твердом и жидком состоя-
ниях уменьшается с повышением его
чистоты и температуры. Плотность
жидкого алюминия связана с темпе-
ратурой зависимостью [260] у =
= 2,385 — 2, 8 • 10"4(Т — Тпл), г/см3,
где величина 2,385 представляет со-
бой плотность жидкого алюминия
при Тпл (933 К).
Алюминий весьма пластичен, хо-
рошо сваривается, легко поддается
всем видам обработки давлением,
а также резанию, хороший провод-
ник тепла и электричества. Электри-
Содержание легирующих злеиентод, %
Рнс. 1.1. Влияние легирующих
элементов на электрическую
проводимость алюминия [144].
ческая проводимость алюминия со-
ставляет 60 — 65 % электрической проводимости меди. Поскольку
алюминий примерно в три раза легче меди, алюминиевый провод
с таким же электросопротивлением легче, чем медный. Примеси и
легирующие элементы уменьшают электрическую проводимость алю-
миния (рис. 1.1). Алюминий слабопарамагнитен. При Т = 1,2 К пе-
реходит в сверхпроводящее состояние [370].
Алюминий обладает специфическим свойством, определившим его
применение в атомных реакторах, — способностью поглощать нейтро-
ны. Известно, что чем ниже поперечное сечение поглощения тепловых
нейтронов, измеряемое в барнах (16= 10~34 см3), тем выше поглощаю-
щая способность металла. Этот показатель у алюминия значительно
ниже (0,215 б), чем у других конструкционных металлов, таких, как
железо (2,43 б), медь (3,59 б) и никель (4,5 б) [384].
Во всех стойких соединениях алюминий проявляет степень окисле-
ния +3, одиако при высоких температурах, главным образом в газооб-
разных соединениях, он проявляет и другие степени окисления. При
этом образуются так называемые субсоединения: АЮ, А1О2, А12О
и др.
Алюминий — химически активный металл. Даже при нормальной
температуре на его поверхности образуется оксид А1г03. Наличие
оксидной пленки на поверхности алюминия предохраняет его от даль-
нейшего взаимодействия с окружающей средой. Тугоплавкая оксид-
ная пленка затрудняет процесс сварки алюминия. Литейные свойства
алюминия невысоки из-за большой усадки, малой жидкотекучести ме-
талла и высокой пористости получаемого литья.
Благодаря защитному действию оксидной пленки алюминий и его
сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью в атмосферных ус-
ловиях и в тех средах, которые не разрушают пленку. Сероводород,
сернистый газ и аммиак не влияют на коррозионную стойкость алю-
миния при комнатной температуре, а пар, дистиллированная и чистая
пресная вода — и при высокой температуре. Алюминий обладает высо-
кой коррозионной стойкостью в морской воде, которая, однако, пони-
жается при его контакте с углеродистой и нержавеющей сталями. Это
объясняется тем, что углеродистая сталь находится в III, а нержавею-
щая хромоникелевая сталь — в IV группе по значениям электродных
потенциалов. Поскольку алюминий принадлежит ко II группе, проис-
ходит его более интенсивная контактная коррозия.
Алюминий достаточно устойчив в концентрированной азотной кис-
лоте, в 100%-ной серной кислоте и в ее растворах концентрацией до
10 %. С повышением температуры раствора и концентрации кислоты
коррозия резко возрастает. Сильнее действуют на алюминий соляная
кислота, едкие щелочи (1\1аОН, КОН), которые интенсивно растворяют
алюминий с образованием алюминатов (НаА1Ог, КА1О2). В контакте
с большинством металлов алюминий является анодом, поэтому корро-
зия его в электролитах ускоряется.
Алюминиевые сплавы делят на деформируемые и литейные, на тер-
мически неупрочняемые и термически упрочняемые. К деформируемым
относится и технический алюминий.
Технически чистый алюминий содержит ряд примесей. Допускае-
мое их количество в алюминии, выпускаемом промышленностью, при-
ведено в табл. 1.5. Помимо указанных алюминий технической чистоты
Таблица 1.5. Химический состав алюминия [260], %
Марка А1, не менее При-
ГОСТ 11069—78 Стандарт СЭВ 951—78 Ре 81 Си
Алюминий особой
А999 1 - | 99,999 1 — 1 - - 1
А995 А199.995Р 99,995 0,0015 Алюмине 0,0015 ш высокой 0,001
А99 А199.99Р 99,99 0,003 0,003 0,003
А97 99,97 0,015 0,015 0,005
А95 А199.95Р 99,95 0,030 0,030 0,015
А85 А199.85Р 99,85 0,08 Алюминий пи 0,06 ’хнической 0,01
А8 А199.8Р 99,8 0,12 0,10 0,01
А7 А199.7Р 99,7 0,16 0,16 0,01
А7Е А199.7ЕР 99,7 0,2 0,08 0,01
Аб А199.6Р 99,6 0,25 0,20 0,01
А5 А199.5Р 99,5 0,30 0,30 0,02
А5Е А199.5ЕР 99,5 0,35* 0,12 0,02
АО А 199,0 Р 99,0 0,50 0,50 0,02
АДО*** — 99,5 0,30 0,30 0,02
АД1 — 99,3 0,30 0,30 0,05
• Допускается железа ие менее 0,18 %.
• • Для X (Т1 + V + Мо + Сг).
• • • ГОСТ 4784—65. По стандартам СЭВ 730—77 и СЭВ 99 6—78 обозначается
содержит и ряд других неконтролируемых примесей (табл. 1.6) [173|.
Электросопротивление и механические свойства деформированного
технического алюминия в значительной мере определяются чистотой
металла (табл. 1.7). Наиболее распространенные марки и основные
механические свойства листов из технически чистого алюминия приве-
дены в табл. 1.8. Из него изготавливают также проволоку, прутки,
профили и другие полуфабрикаты.
Холодная пластическая деформация заметно повышает прочность
и снижает пластичность металла. Например, нагартовка листов техни-
ческого алюминия повышает его предел прочности до 147—176 МПа.
При этом относительное удлинение снижается до 1—2 % [1731. Упроч-
нение, достигнутое в результате нагартовки, сохраняется при нагревах
до температур ниже температуры рекристаллизации (для алюминия
марки А995 примерно 400 °С).
Большая склонность к росту зерна — отличительная особенность
алюминия, которую необходимо учитывать при сварке и горячей обра-
ботке. Размер зерна в алюминии и его сплавах можно регулировать
рекристаллизационным отжигом. Величина зерна после рекристалли-
зации зависит (как и у других металлов) от степени предшествующей
месь
Мп Хп Т1 Мв Прочие сгрй’М’еси, каждой в отдельности Сумма
чистоты
1 - - 1 - - - 0,001
чистоты
0,001 0,001 0,001 0,005
— 0,003 0,002 — 0,001 0,010
— 0,003 0,002 — 0,002 0,03
— 0,005 0,002 — 0,005 0,05
чистоты
0,02 0,01 0,02 0,15
— 0,04 0,02 — 0,02 0,20
— 0,04 0,02 — 0,02 0,30
— 0,04 0,01 0,02 0,30
— 0,06 0,03 — 0,03 0,40
— 0,06 0,03 — 0,03 0,50
— 0,04 0,015** — 0,02 0,50
— 0,08 0,03 — 0,03 1,0
0,025 0,1 0,01 0,05 0,02 0,50
0,025 0,1 0,15 0,05 0,02 0,70
Таблица 1.6. Содержание примесей в алюминии, %
Марка Си Т1 V Сг
А995 0,0005-0,002 0,0001—0,0008 0.0001 0,00016
А7 0,0005—0,008 0,002 —0,006 0,0007—0,003 0,00035—0,0009
Аб 0,0005—0,005 0,0023—0,005 0,0007—0,0024 0,0006 —0,00071
А5 0,0022—0,010 0,0029—0,0067 0,001 —0,0021 0,00065—0,0012
АО 0,0021—0,018 0,0028—0,017 0,0012—0,0064 0,00125—0,00157
Таблица 1.7. Электросопротивление и механические свойства отожженного
технического алюминия
Марка р-10-’, Ом-м ов, МПа 6, %
А999 2,64 56,8 36
А7 2,982—2,991 68,5—76,4 28—30
Аб 2,811—2,920 70,6—80,5 26—29,5
А5 2,825—2,910 73,7—83,4 25—29
АО 2,90 —2,95 79,4—88,3 23—28,5
Таблица 1.8. Механические свойства алюминиевого листа общего
назиачеиня (ГОСТ 13722— 74)
Марка Состояние образца Ь, мм ов, МПа в. %
не м епее
А7, Аб Отожженный 0,3—0,5 59,0 20,0
А5, АО » 0,6—0,9 59,0 25,0
АДО » 1,0—10,0 59,0 28,0
АД1 Нагартованиый 0,3—0,8 147 3,0
» 0,9—4,0 147 4,0
» 4,5—10,0 127 5,0
Горячекатаный 5,0—10,5 68,6 15,0
пластической деформации (рис. 1.2) и во многом определяет свойства
алюминия после отжига (144]. Температуру рекристаллизационного
отжига выбирают в интервале 300—500 °С при выдержке 0,5—2 ч
[144, 146]. Скорость охлаждения технического алюминия не влияет
иа конечную структуру металла, и ее можно выбирать произвольно.
Обычно охлаждение полуфабрикатов производят на воздухе [146].
Относительно малый атомный радиус алюминия является причи-
ной того, что алюминий образует с другими элементами ограниченные
твердые растворы (цинк, магний, литий) и интерметаллцды (марганец,
железо, медь и др.). Поэтому даже незначительное количество неиз-
бежных примесей в алюминии — железа и кремния —существенно
влияет на структуру и свойства металла. Наличие этих примесей спо-
собствует измельчению зерна в техническом алюминии и определяет
уровень его механических свойств.
Так, если предел прочности алюми-
ния марки А999 составляет пример-
но 39,7 МПа, то в алюминии марки
А7 (Ре < 0,16 %; 81 < 0,16 %) он
достигает уже 68—78 МПа [1441.
В результате нагартовки проч-
ностные характеристики листов из
технического алюминия возрастают
до 130—145 МПа, однако при этом
снижается пластичность. В сварных
конструкциях полуфабрикаты из на-
гартованиого алюминия обычно не
применяются, поэтому при проекти-
ровании сварных конструкций сле-
дует ориентироваться на ненагарто-
ванный металл.
Мелкое зерно отожженного алю-
миния и его сплавов обеспечивает
большую технологическую пластич-
ность при обработке и улучшает
свариваемость. Сплавы на основе
алюминия обладают достаточно вы-
сокой удельной прочностью в сочетаиг
Рис. 1.2. Зависимость размера
зерна рекристаллизованною
алюминия от степени предшест-
вующей холодной деформации
1144].
с удовлетворительной пластич-
ностью, что делает их весьма ценными конструкционными материа-
лами.
Алюминиевые сплавы широко применяют в литом и деформирован-
ном состояниях. Из них изготавливают разнообразные конструкции
авиационной и космической техники, их используют в транспортном
и химическом машиностроении, в автомобильной и пищевой промышлен-
ности . Непрерывно возрастает применение алюминия в строительстве.
Магний. По распространенности в природе магний (среди кон-
струкционных металлов) занимает третье место после алюминия и же-
леза. Его содержание в земной коре составляет 2,1 % [371]. На долю
магниевых соединений приходится более 12% общего количества
известных минералов. Неисчерпаемым источником магния является
мировой океан. В морской воде содержится до 0,14% магния [370].
Среди конструкционных металлов магний обладает минимальной плот-
ностью и высокой удельной прочностью.
Магний не претерпевает полиморфных превращений. В интервале
температур ниже точки плавления он сохраняет ГПУ кристаллическую
решетку (см. табл. 1.2). При отрицательных и нормальной температу-
рах деформация магния осуществляется по механизму сдвига и проис-
ходит лишь по одной плоскости. Вследствие этого пластичность магния
невысока. При температуре 200—300 °С в магнии появляются еще две
плоскости скольжения и плоскость двойникования, в результате чего
его пластичность возрастает.
Магний хорошо обрабатывается резанием, однако механические
и литейные свойства этого металла низкие что затрудняет его приме-
нение в качестве конструкционного материала. Невысокая пластич-
ность магния обусловливает также его плохую свариваемость и техноло-
гичность при обработке давлением.
Магний парамагнитен. Он незначительно захватывает тепловые
нейтроны. Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов для магния
равно 0,059 б [370]
Во всех стойких химических соединениях магний проявляет сте-
пень окисления +2, однако в ряде газообразных галогенидов он прояв-
ляет степень окисления +1, В атмосферных условиях при нормальной
температуре магний имеет удовлетворительную коррозионную стой-
кость, так как на его поверхности образуется защитная пленка из
М§0. Толщина этой аморфной (рыхлой и пористой) пленки не превосхо-
дит 10 нм. Поэтому во влажной атмосфере магний быстро корродирует,
образуя гидрооксид. Магний значительно корродирует в морской воде,
растворе хлористого натрия. Сильно действуют на магний разбавлен-
ные минеральные кислоты (кроме плавиковой), а также большинство
органических кислот. Магний устойчив к воздействию щелочей, фтори-
дов, спирта, керосина, бензина, минеральных масел н др. С рядом
металлов он образует сплавы, которые обладают более высокими по
сравнению с чистым магнием механическими свойствами и коррозион-
ной стойкостью. Это значительно расширяет область применения магния,
в том числе в качестве свариваемого конструкционного материала.Очень
важным преимуществом магниевых сплавов является их высокая удель-
ная вибрационная прочность. По этому показателю они примерно
на два порядка превышают алюминиевые сплавы и в 20 раз легирован-
ные стали.
Магниевые сплавы применяют в авиастроении, транспортном ма-
шиностроении, приборостроении и других отраслях техники.
Бериллий. Запасы бериллия в земной коре оцениваются
в 6 • 10-4 % [371). При температуре 1254 °С бериллий претерпевает
полиморфное превращение. Низкотемпературная модификация берил-
лия (а-Ве) имеет ГПУ решетку (см. табл. 1.2). Высокотемпературная
модификация (0-Ве) образует ОЦК решетку. Бериллий по сравнению
со всеми другими металлами и сплавами обладает наибольшей кратко-
временной удельной прочностью в интервале температур 430—650 °С,
а также самой высокой среди металлов скрытой удельной теплотой
плавления (1149,5 кДж/кг), превосходящей скрытую удельную теп-
лоту плавления алюминия почти в 3 раза, магния — в 6 раз, железа —
в 4,3 раза. Сочетание малой плотности с высоким модулем упругости
(см. табл. 1.1) обусловливает большую скорость распространения в нем
звука (12600 м/с), что почти в 2,5 раза больше скорости распростране-
ния звука в стали [3701.
Бериллий—диамагнитный металл с удельной магнитной вос-
приимчивостью (1 см3/г) [371]. Он характеризуется довольно большой
теплопроводностью, уступая по этому показателю лишь серебру, меди,
золоту и алюминию. Бериллий — хороший замедлитель нейтронов.
Поперечное сечение поглощения тепловых нейтронов для бериллия
равно 0,009 б [370]. Специфическим свойством бериллия является его
высокая проницаемость для рентгеновских лучей. Она в 17 раз выше,
чем у алюминия. Поэтому чистый металлический бериллий применяют
для изготовления окон рентгеновских трубок.
При нормальной температуре бериллий — хрупкий металл. Од-
нако его низкую пластичность нельзя объяснить лишь особенностями
кристаллической решетки, так как соотношение с/а у бериллия в боль-
шей степени отличается от теоретического (1,633), чем, например,у
магния (см. табл. 1.2). Более того, титан и цирконий, имеющие ана-
логичную (ГПУ) кристаллическую решетку с соотношениями с/а,
более близкими к теоретическому значению, чем бериллий, отлича-
ются при нормальной температуре высокой пластичностью. Соотноше-
ние с!а — ие единственный фактор, определяющий пластичность ме-
таллов с ГПУ структурой [144]
Способность чистых металлов к пластической деформации опреде-
ляется дислокационным строением и прежде всего легкостью размно-
жения дислокаций и их распространения по плоскостям скольжения
(в бериллия практически лишь одна такая плоскость — плоскость ба-
виса (0001)). Особенно низкие механические свойства у литого берил-
лия. Обработка бериллия давлением осуществляется при температуре
ниже температуры рекристаллизации (700—900 °С). Рекристаллиза-
ционный отжиг снижает прочность бериллия и несколько повышает
его пластичность. Применение бериллия в качестве свариваемого кон-
струкционного материала затруднено из-за его хрупкости.
В химических соединениях бериллий обычно проявляется степень
окисления +2, но есть ряд газообразных соединений бериллия с кисло-
родом и галогенами в которых его степень окисления соответствует
4-1. Благодаря покрывающей его оксидной пленке бериллий в обыч-
ных условиях устойчив на воздухе. Он обладает большим сродством
к кислороду; при 1200 °С металлический бериллий горит. В холодной
и горячей воде практически не изменяется. Растворяется в серной
и соляной кислотах, а также в щелочах. Разбавленная азотная кислота
медленно растворяет бериллий, а концентрированная на него почти не
действует. Летучие соединения бериллия и пыль, содержащая берил
лий и его соединения, токсичны. Поэтому при его обработке, в том
числе сварке, применяют специальные меры предосторожности (мощная
фильтрующая вентиляция и др.). Допустимая концентрация бериллия
в атмосфере до 2 мг/м3 [275]. Компактный бериллий не токсичен, эксплу-
атация бериллиевых изделий не представляет опасности для здоровья
людей.
Все исследованные до настоящего времени элементы отличаются
ничтожной растворимостью в бериллии. Поэтому создание сплавов на
его основе — весьма сложная задача. Несмотря на это, бериллий как
конструкционный материал используется во многих отраслях техники:
авиационной, ракетной, атомной (в реакторах), приборостроении и др.
[275]
Тяжелые цветные металлы
Медь. Это первый металл, который человек начал добы
вать и обрабатывать еше задолго до знакомства с железом. В аемиой
коре меди сравнительно немного'(около 0,01 %) [371]).
В меди нет полиморфных превращений, во всем интервале темпера-
тур ниже точки плавления она имеет ГЦК решетку (см. табл. 1.2).
Медь — диамагнитный материал с удельной магнитной восприим-
чивостью при нормальной температуре 0.086 см3/г [370]. Механические
свойства меди зависят от ее чистоты и степени пластической деформа-
ции. Чистая медь обладает небольшой прочностью и высокой плас-
тичностью (см. табл. 1.3), хорошо сваривается С понижением температу
ры прочность меди возрастает, а пластичность находится и а высоком
уровне вплоть до температуры жидкого водорода [73]. С повышением
температуры прочность меди уменьшается. Относительное удлииеиие
и поперечное сужение практически не изменяются до температуры
200 °С. В интервале температур 200—600 “С пластические характерис-
тики меди резко падают. При нагреве выше 600 °С пластичность металла
восстанавливается Такой провал пластичности обусловлен особенно-
стями взаимодействия примесных атомов с движущимися дислока-
циями [144].
Пластическая деформация меди приводит к ее нагартовке. При сте-
пени деформации более 45—50 % предел прочности меди достигает
390—440 МПа, а относительное удлинение падает до 2—4 %. Пласти-
ческая деформация на 3—5 % повышает электросопротивление меди.
Рекристаллизационные процессы в деформированной меди начина-
ются при нагреве до 200—230 °С. Это составляет 0,35—0,37 темпера-
туры. плавления меди по абсолютной шкале температур. Для меди вы-
О 0,2 0,4 0,6 0,8 10
Содержание легирующих глементо1,%
Рис. 1.3. Влияние легирующих
элементов на электрическую
проводимость меди [144].
сокой степени чистоты температура
начала рекристаллизации близка
к 140 °С. Рекристаллизация дефор-
мированной меди (как и других ме-
таллов) приводит к преобразованию
волокнистой структуры в полиэдри-
ческую. Критическая степень дефор-
мации меди составляет 1—5 %. Разу-
прочнение меди начинается при тем-
пературе выше 150 °С. Отжиг меди
проводят при 500—600 "С. При более
высокой температуре отжига плас-
тические свойства заметно снижа-
ются в результате роста зерен и об-
разования текстуры рекристаллиза-
ции.
В химических соединениях медь проявляет различную степень
окисления — от +1 до +3. Наиболее характерна степень +2. Медь
образует комплексные соединения. При атмосферных условиях медь
лишь очень медленно окисляется. При повышенных температурах
она достаточно интенсивно взаимодействует с кислородом, серой, фос-
фором и галогенами. К углероду медь пассивна, она не реагирует и с
азотом. Чистая пресная вода и сухой воздух практически не вызывают
коррозии меди. Незначительное влияние на стойкость меди оказывают
сухие газы, ряд органических кислот, спирты. Медь обладает хорошей
коррозионной стойкостью в морской воде. При отсутствии других
окислителей на медь не действуют разбавленные серная и соляная
кислоты Она растворяется в горячей серной и особенно в азотной кис-
лотах
Техническая медь содержит ряд примесей: висмут, сурьму, мышь-
як, железо, никель, свинец, олово, серу, кислород, цинк и др. Все они
и легирующие элементы уменьшают теплопроводность и электри-
ческую проводимость (рис. 1.3), изменяют температуру плавления,
плотность, механические характеристики н другие свойства меди.
Марки технической меди (в зависимости от с держания в ней приме-
сей) приведены в табл. 1.9. Наиболее вредной примесью, снижающей
Таблица 1.9. Химический состав меди (ГОСТ 859—78), %
Характеристика Марка Си + А?, не менее Примесь,
В( 8Ь Аз
Бескислородная М006 99,99 0,0005 0.001 0,001
М06 99,97 0,001 0,002 0,002
М1б 99,95 0,001 0,002 0,002
Катодная переплавлен- М1у 99,9 0,0005 0,002 0,001
пая М1 99,9 0,001 0,002 0,002
Раскисленная М1р 99,9 0,001 0,002 0,002
М1ф 99,9 0,001 0,002 0,002
М2р 99,7 0,002 0,005 0,01
МЗр 99,5 0,003 0,05 0,05
Огневого рафинирова- М2 99,7 0,002 0,005 0,01
НИЯ М3 99,5 0,003 0,05 0,01
Примечание. Медь указанных марок предназначается для слитков и иолу
Рис. 1.4. Типичные микроструктуры
а — более 0,1 % СЬ; б — бескислородная.
поковок из меди (Х75):
технологические, механические и коррозионные свойства меди, явля-
ется кислород. Его концентрацию сводят к минимуму путем раскисле-
ния меди. Такая бескислородная медь (содержание кислорода не более
0,001 %) применяется для изготовления наиболее ответственных сварных
конструкций (рнс. 1.4). Техническая медь выпускается по ГОСТ 859—78
(см. табл. 1.9). Механические свойства меди разных марок близки,
но наблюдается тенденция к повышению прочности и снижению пластнч-
не более
Ре | 141 РЬ 8п 8 О Ин р
0,001 0,001 0,001 0,001 0,002 0,001 0,001 0,005
0,004 0,002 0,003 0,002 0,003 0,001 0,003 0,002
0,004 0,002 0,004 0,002 0,004 0,003 0,003 0,002
0,005 0,002 0,004 0,001 0,004 0,02 0,004
0,005 0,002 0,005 0,002 0,004 0,05 0,004 —
0,005 0,002 0,005 0,002 0,005 0,01 0,005 0,012
0,005 0,002 0,005 0,002 0,005 — 0,005 0,06
0,05 0,2 0,01 0,05 0,01 0,01 — 0,06
0,05 0,2 0,03 0,05 0,01 0,01 — 0,06
0,05 0,2 0,01 0,05 0,01 0,07 — —
0,05 0,2 0,05 0,05 0,01 0,08 — —
фабрикатов; знак «тире» означает, что данная примесь не нормируется.
ноети о ростом содержания в ией примесей (табл. 1.10). Полуфабри-
каты, в частности листы и полосы, изготавливают из меди марок М1,
М1р, М2, М2р, М3, МЗр горячекатаными и холоднокатаными. Холод-
нокатаные полуфабрикаты поставляются отожженными (мягкими)
и иеотожженными (твердыми).
Таблица 1.10. Механические свойства технической меди
Марка Метод обработки г, «с ов, МПа °0,2» МПа 6, % ф, % КС11, Дж/см1
М006 Отжиг +20 236 38 50,5 71,4
—80 287 98 50,0 73,6
—183 358 85 50,5 83,3 —
Холодная +20 404 368 8,4 51,5 —-
прокатка —80 417 401 12,0 56,6 —
—183 447 413 11,2 61,2 —
МОбб Прокатка +20 274 262 13,0 69,5 132
-80 319 275 22,9 65,3 133
-183 395 332 28,5 67,9 157
М1б Горичая +20 216 49 55,5 70,0 —
прокатка —80 259 49 57,2 68,0 —
М1 Отжиг +20 235 29,0 70,0 229
—196 373 41,0 72,0 219
—253 451 — 48,0 74,0 —
М2 > +20 268 185 37,5 77,0 —
—253 304 207 60,0 75,0 —
М3 > +20 199 66 45,4 84,0 179
—183 300 81 53,1 85,9 213
—196 326 73 52,6 83,8 212
—253 466 136 58,8 74,0 216
Такие свойства меди и ее сплавов, как электрическая проводи-
мость и теплопроводность, высокая коррозионная стойкость, способ-
ность подвергаться пластической деформации в холодном и горячем
состояниях, возможность создании на основе меди гаммы сплавов с ши-
роким диапазоном эксплуатационных характеристик, способствуют
применению их в различных отраслях техники: в электротехнической
промышленности, химическом машиностроении (теплообменники, хо-
лодильники, вакуумные аппараты и т. п.), специальной электрометал-
лургии (кристаллизаторы для плавки металлов). Так как медь не имеет
порога хладноломкости (сохраняет высокую пластичность и вязкость
до весьма низких температур), то ее широко используют в криоген-
ной технике.
Никель. В земной коре содержится 0,008 % никеля [371]. Это
достаточно прочный и вязкий металл. Он не испытывает полиморфных
превращений и вплоть до температуры плавления имеет ГЦК решеткч'
(см. табл. 1.2). Никель ферромагнитен, точка Кюри 358 °С [370].
Одним из важных магнитных свойств этого металла является магнито-
стрикпич, г. е. относительное изменение длины магнитного тела при
намагничивании. В зависимости от напряженности магнитного поля
никель соответственно укорачивается. Магнитострикция никеля чис-
тотой 99,95 % равна 32 • 10-в. Поперечное сечение захвата тепловых
нейтронов составляет дли никеля 4,8 б.
Рис. 1.5. Зависимость физико-механических свойств технического нике-
ля от температуры (14].
Рис. 1.6. Зависимость физико-механических свойств технического нике-
ля от температуры отжига [14].
Никель сохраняет пластические свойства как при высокой
(рис. 1.5), так и при очень низкой температуре (табл. 1.11). Никель хо-
рошо обрабатывается в горячем и холодном состояниях. После холод-
ной деформации он наклепывается и сильно упрочняется. Наклеп
может быть снят путем отжига при температуре выше температуры ре-
кристаллизации (в зависимости от степени чистоты 200—600 °С). От-
жиг снижает прочность никеля и повышает его пластичность (рис. 1.6).
Таблица 1.11. Механические свойства технического никеля
г. «с ав, МПа в, % 4. %
+ 17 442 35 п
— 196 620 46 89
—253 775 48 69
Никель химически малоактивен. В устойчивых соединениях он
проявляет степень окисления +2 и +3, а в газообразных галогенидах—
+ 1. Никель образует комплексные соединения. В атмосферных усло-
виях — один из наиболее коррозионно-стойких металлов. Это свизано
с тем, что в начальной стадии окисления на его поверхности образу-
ется тонкая и прочная защитная пленка, которая препятствует даль-
нейшему окислению и коррозии. Никель сохраняет высокую корро-
зионную стойкость и при нагревании. Он устойчив в расплавах щело-
чей, в нейтральных и щелочных растворах солей, соляной, серной,
азотной, уксусной и угольной кислот. В то же время на никель сильно
действуют азотная (за исключением концентрированной) и азотистая
кислоты. В разбавленных органических кислотах и других органиче-
ских соединениях никель достаточно стоек. Он пригоден для изготов-
ления аппаратуры, работающей при нормальной температуре в контак-
те с серной и разбавленной соляной кислотами
В табп. 1.12 приведен химический состав шести марок техниче-
ского никеля. Для производства проката используют в основном наи-
более высокие по качеству марки никели (Н-0’, Н-1у, Н1).
Таблица 1.12. Химический состав технического никеля (ГОСТ 849—70), %
Марке М+Со. не менее В том числе Со, не более Примесь, не более
с А1 31 р 8
Н-0 99,99 0,005 0,005 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001
Н-1у 99,93 0,10 0,01 0,001 — 0,002 0,001 0,001
Н-1 99,93 0,10 0,01 0,001 — 0,002 0,001 0,001
П-2 98,8 0,15 0,02 —- — 0,002 — 0,003
Н-3 98,6 0,7 0,10 — 0,03
Н-4 97,6 0,7 0,15 — — — — 0,01
В том Прнмесь, не более
Марка М + Со, не менее числе Со, не более Мп Ге Си 2’1 Ая
Н-0 99,99 0,005 0,01 0,002 0,001 0,0005 0,0005
Н-1 у 99,93 0,10 — 0,01 0,015 0,0008 0,0008
Н-1 99,93 0,10 — 0,01 0,02 0,001 0,001
Н-2 98,8 0,15 0,04 0,04 0,005
Н-3 98,6 0,7 — 0,6 —. —
Н-4 97,6 0,7 — — 1,0 — —
М + Со, нс менее Примесь, не более
Марка числе Со, не более Сс! Зп 8Ь РЬ В1
Н-0 99,99 0,005 0,0003 0,0003 0,0003 0,0003 0,0003
Н-1 у 99,93 0,10 0,0005 0,0005 0,0005 0.0005 0,0005
Н-1 99,93 0,10 0 001 0,001 0,001 0,001 0,001
Н-2 98,8 0,15 — — — — —
Н-3 98,6 0,7 — — — — —
Н-4 97,6 0,7 — — — — —
Большая часть никеля применяется в качестве легирующих добавок
для производства различных сплавов с железом (нержавеющие и никель-
содержащие стали), медью (медно-иикелевый прокат), цинком, кобаль-
том и другими металлами. В качестве конструкционного материала
технически чистый никель применяют для изготовления химического
оборудования, в частности резервуаров и цистерн для химических реа-
гентов, эфирных масел, для транспортирования щелочей и других
химических и пищевых продуктов.
Свинец. Запасы свинца в земной коре составляют 1,6 • 10~3 %
[371]. В твердом состоянии свинец ие претерпевает полиморфных
превращений и кристаллизуется в ГЦК решетку (см. табл. 1.2).
При 7,2 К свинец переходит в сверхпроводящее состояние. Он диа-
магнитен; удельная магнитная восприимчивость свинца 0,12 • 10_,см3/г
[370]. Благодаря большой плотности хорошо поглощает рентгеновское
н гамма-излучения. Массовый коэффициент поглощения для волн
длиной 0,193—0,026 нм составляет 428— 10 см2/г [370]. Поперечное
сечение поглощения тепловых нейтронов незначительно (0,2 б).
В химических соединениях свинец в основном проявляет степень
окисления +2, иногда +4. В сухом воздухе при нормальной темпера-
туре практически не окисляется. Свинец стоек в серной кислоте (при
концентрации до 80 %), не растворяется в плавиковой, фосфорной,
хромовой и большинстве органических кислот и щелочах. Свинец интен-
сивно растворяется в азотной кислоте. Способна растворять свинец
мягкая питьевая вода. Незначительно действует на свинец морская
вода. Газы (хлор, сероводород, сернистый газ, серный ангидрид) как
в сухом, так и во влажном состоянии на свинец почти не действуют.
При нагревании свинец легко соединяется со многими неметаллами
(галогены, сера, селен, теллур и др.). Свинец и его соединения ядо-
виты. Предельно допустимая концентрация их в воздухе 0,01 мг/м3
[317]. Свинец — мягкий, ковкнй и очень пластичный металл. Он легко
прокатывается в тонкие листы и ленты, продавливается на прессах
в трубы, из него изготавливают проволоку. Часто свинец прокатывают
в виде широких длинных сворачиваемых листов (ролей). Рекристалли-
зация свинца происходит при температуре ниже комнатной. Поэтому
получить свинец в наклепанном состоянии при комнатной температуре
невозможно.
Механические и физико-химические свойства свинца в значитель-
ной степени зависят от содержаиия в металле примесей (висмута,
циика, сурьмы, бария, лития и др.). В табл. 1.13 приведен химический
состав технического свинца, производимого в СССР.
Таблица 1.13. Химический состав технического свинца (ГОСТ 3778—77), %
Марке РЬ, не менее Примесь, не более
Си Хг- В1 Д5
СО 99,992 0,0003 0,0005 0,001 0,004 0,0005
С1 99,985 0,001 0,001 0,001 0,006 0,001
С2 99,95 0,00)5 0,001 0,002 0,03 0,002
СЗ 99,9 0,0015 0,002 0,005 0,06 0,005
Примесь, не более
РЬ,
Мерна не менее 5п яь Мв Ге Всего
со 99,992 0,0005 0,0005 0,001 0,001 0,008
С1 99,985 0,001 0,001 — 0,015
С2 99,95 0,002 0,005 0,005 0,005 0,05
СЗ 99,9 0,005 0,005 0,01 0,01 0.1
Свинец применяют в химическом машиностроении, сверхпровод-
никовой технике (сплавы с медью), электронике (аккумуляторы, ка-
бели). Большое количество свинца расходуется для производства раз-
личных сплавов: антифрикционных (баббиты), типографских, свинцо-
вых броиз, свинцово-оловянных припоев и др. Используют свинец
также для защиты от ионизирующих излучений.
Циик. Запасы цинка в земной коре составляют 5 • 10-3 % [371].
Полиморфные превращения в цинке отсутствуют. Он кристаллизуется
в ГПУ решетку (см. табл. 1.2).
Цинк — относительно мягкий металл. При нормальной и отрица-
тельной температурах ои хрупок. В интервале температур 100—150 °С
цинк становится пластичным и его можно прокатывать в тонкие листы
и волочить в тонкую проволоку. Пластичность литого цинка после де-
формации значительно увеличивается. Он отличается низким пределом
ползучести и значительно изменяет свои свойства и размеры при
естественном старении.
В химических соединениях цинк проявляет степень окисления +2.
В сухом воздухе не корродирует. Во влажном воздухе и в воде на нем
образуетси плотная пленка, предохраняющая от дальнейшей корро-
зии. При взаимодействии со щелочами цинк образует цинкаты, с кис-
лотами — соли. Чистый циик почти ие растворяется в серной кислоте.
При температуре 500 °С на воздухе горит с образованием оксида цин-
ка — порошка белого цвета.
Свойства цинка значительно изменяются под влиянием примесей
свинца, висмута, мышьяка, сурьмы и других элементов. Примеси не-
значительно растворяются в цинке и благодаря этому отрицательно
влияют на его физико-химические и технологические свойства.
В табл. 1.14 приведен химический состав шести марок отечествен-
ного технического цинка. Полуфабрикаты в виде листов прокатывают
из циика марок Ц0, Ц1 и Ц2. Листовой цинк применяют при изготов-
лении аккумуляторов, различных (в том числе сварных) конструкций.
Это резервуары, обшивка подводной части морских судов, покрытие
стартовых конструкций дли запуска ракет и др. [413].
Таблица 1.14. Химический состав технического цинка (ГОСТ 3840—79), %
Марка 2п, не менее Примесь, не более
РЬ Ее С<1 Си 8п Всего
цвч 99,997 0,00001 0,00001 0,002 0,00001 0,00001 0,003
цв 99,99 0,005 0,003 0,002 0,001 0,001 0,010
ЦО 99,975 0,015 0,007 0,010 0,001 0,001 0,025
Ц1 99,95 0,02 0,015 0,014 0,002 0,001 0,050
Ц2 98,7 1,0 0,05 0,20 0,005 0,002 1,3
ЦЗ 97,5 2,0 0,10 0,20 0,05 0,005 2,5
Благородные металлы
Золото. В земной коре содержится 5 • 10-8 % [413]. Зо-
лото ие обладает полиморфизмом, имеет ГЦК решетку (см. табл. 1.2).
Золото — пластичный и ковкий металл, хорошо проводит тепло и элек-
тричество, диамагнитно, удельная магнитная восприимчивость при
нормальной температуре составляет 30 • 10~* см3/г [371]. Золото яв-
ляется самым благородным (т. е. коррозионно-стойким) металлом.
В химических соединениях золото проявляет степень окисления +1
и 4-3. Оно не растворяется в щелочах, минеральных кислотах, но реа-
гирует со смесью кислот (например, серной и азотной). Хорошо раство-
ряет золото «царская водка» — смесь азотной и соляной кислот. При
нормальной температуре золото не реагирует с галогенами.
Золото и сплавы на его основе применяют в ювелирной и электро-
технической промышленности, приборостроении и других отраслях
техники (табл. 1.15).
Таблица 1.15. Некоторые стандартные марки благородных металлов
Металл Марка Основной элемент. % Примесь, %, не более ГОСТ
Золото Зл 999,9 99,99 0,01 6835—80
Серебро Ср 999,9 99,99 0,01 6836—80
Платина Пл 99,93 99,93 0,07 13498—79
Пл 99,90 99,9 0,10 13498—79
Пл 99,80 99,8 0,20 13498—79
Серебро. В земной коре содержится 1 • 10-6 % серебра [413]. Се-
ребро ие обладает полиморфизмом, имеет ГЦК решетку (см. табл. 1.2).
Это весьма пластичный металл. Обладает наиболее высокими удельной
эл ^ктрической проводимостью, теплопроводностью и отражательной
способностью. Удельная магнитная восприимчивость 0,2 • Ю-* см3/г,
т. е. на полтора порядка меньше, чем у золота [370].
Серебро химически малоактивно.В соединениях проявляет степень
окислении +1, известны соединения со степенью окисления +2 и 4-3.
Серебро растворяется в азотной и в горячей концентрированнойсериой
кислотах. Не реагирует с соляной кислотой вследствие образования
на его поверхности труднорастворимого хлорида серебра. С галоге-
нами образует галогениды, а с серой — сульфит, вызывающий потем-
нение серебряных изделий.
Серебро применяют в ювелирной промышленности, электротех-
нике, приборостроении, химическом машиностроении и других отрас-
лях техники. Чистое серебро, а также серебро в сплавах с золотом, пла-
тиной и другими металлами используют для сварных химических ап-
паратов, предназначенных для работы в особоагрессивных средах
(см. табл. 1.15).
Платина. Вместе с палладием, иридием, родием и рутением обра-
зует так называемую платиновую подгруппу металлов (VIII группа
периодической системы элементов). Содержание платины в земной коре
составляет 1 10-8 %. Как и в других благородных металлах, в пла-
тине нет полиморфных превращений. Она имеет ГЦК решетку (см.
табл. 1.2). Платина — один из наиболее пластичных металлов. Пла-
тина парамагнитна. Ее удельная магнитная восприимчивость составлиет
0,971 • 10“’см3/г [413]. Легко поддается ковке, штамповке, хорошо
сваривается. Механические свойства платины и ее сплавов в значи-
тельной степени зависят от содержания примесей и степени холодной
пластической деформации. Отжиг восстанавливает пластичность де-
формированного металла.
В химических соединениях платина проявляет степень окисления
4-2 и 4-4. Оиа весьма устойчива к химическим воздействиям и отно-
сится к числу наиболее коррозионно-стойких металлов. При нормальной
температуре платина не взаимодействует с минеральными и органиче-
скими кислотами, медленно реагирует с кипящей серной кислотой, ио
легко растворяется в «царской водке».Благодаря своим уникальным
свойствам платина является весьма ценным конструкционным мате-
риалом дли работы в сильноагрессивных средах при высоких темпера-
турах.
Платина н сплавы на ее основе применяются в химическом машино-
строении. в том числе для изготовления тиглей, электротехнической
промышленности, приборостроении и других отраслях техники (см.
табл. 1.15)
Палладий. Содержание палладия в земной коре аналогично пла
гине — 1 • 10"’ % 1413|. Палладий близок к ней и по физико-хими-
ческим свойствам. Палладий кристаллизуется в ГЦК решетку (см.
табл. 1.2) Он пластичен при нормальной температуре, хорошо свари-
вается. В химических соединениях проявляет степень окисления от
+ 2 до +4. Наиболее характерна степень окисления +2. По корро-
зионной стойкости палладий уступает платине (например, в горячей
соляной кислоте, кипящей азотной кислоте и других средах). Благо-
даря более низкой стоимости по сравнению с платиной палладий яв-
ляется перспективным материалом для сплавов с платиной н даже для
частичной ее замены. Палладий и его сплавы используются в сте-
кольной промышленности, химии, электро- и радиотехнике, приборо-
строении.
Химически активные
и тугоплавкие металлы
Титаи. По содержанию в земной коре титан занимает чет-
вертое место среди металлов (после алюминия, железа и магния) —
0,63 % [413]. Это наиболее распространенный конструкционный ме-
талл данной группы. Вместе с цирконием и гафнием он составляет
основную подгруппу IV группы периодической системы элементов,
так называемую подгруппу титана
При температуре 882 °С титан претерпевает полиморфное превра-
щение (см. табл. 1 2) и переходит из низкотемпературной «-модифика-
ции с ГПУ решеткой в 0-модификацию с решеткой ОЦК.
Чистый титан — высокопластичный металл. Это связано с тем. что
в отличие от других металлов с ГПУ решеткой (магний, бериллий,
пинк), имеющих пониженную пластичность, титан обладает несколь-
кими плоскостями скольжения и двойникования [102 144].
Плотность титана значительно ниже, чем железа (см. табл. 1.1),
поэтому его можно отнести к числу легких металлов. Плотность жид-
кого титана при температуре, близкой к температуре кристаллизации,
составляет 4,11 г/см3 [385]. Титан превосходит железо по температуре
и теплоте плавления и кипения. Он обладает и более высокой, чем же-
лезо, удельной теплоемкостью. Поэтому для расплавления гитана тре-
буются большие затраты энергии. Однако по сравнению с железом ко-
эф |тициент теплопроводности почти в 4 раза меньше. В результате в ус-
ловиях сварки эффективность проплавления титана (т)п) выше, чем
сплавов на основе железа. Удельное электросопротивление титана
превосходит этот показатель для железа в 6 раз, а для алюминия —
более чем в 20 раз, что также весьма существенно для рядя технологи-
ческих процессов и особенно для сварки. Электросопротивление тита-
на зависит от его чистоты и температуры. С увеличением содержания
примесей и легирующих элементов в сплаве его электросопротивление
возрастает (рис. 1.7). Как правило, увеличивается оно и с повышением
температуры. Исключением являются сплавы титана, богатые алюми-
нием (рис. 1.8). При очень низкой температуре (около 0,5 К) титан ста-
новится сверхпроводником.
Титан относится к парамагнитным металлам. Его удельная магнит-
ная восприимчивость при нормальной температуре составляет 3,16 X
Содержание легирующих
элементод,%(ат)
Рис. 1.7. Зависимость электросопротивления титана при комнатной тем-
пературе от состава после закалки в воде с 1000° С (поданным Е. В. Кол-
лингза):
/ _ Т; — 5п; 2 — Т1 — 6а; 3 — Т1 — А1 в литом состоянии; 4 — Т1 — бе; 5 — Т1 —
В; 6 — Т1 — 8>; 7 — Л — V.
Рис. 1.8. Зависимость электросопротивления нелегированного титана и
сплавов И — А1 от температуры (числа у кривых— А1, % (ат) (по дан-
ным Е. В. Коллингза).
X 10-в см3/г [385]. Отличительной особенностью титана является уве-
личение магнитной восприимчивости с повышением температуры по
крайней мере до 1100 К.
Титан — химически активный металл (см. табл, 1.4). В химических
соединениях проявляет степень окисления +4, +3 и Ц-2. Легко всту-
пает в реакции с газами атмосферы — кислородом и азотом. С повы-
шением температуры реакционная способность титана повышается.
С большинством металлов образует интерметаллические соединения
(титаниды). Будучи переходным металлом с незаполненным Зй-элект-
ронным слоем, титан проявляет склонность к образованию комплекс-
ных соединений. В таких соединениях связь между титаном и углеро-
дом осуществляется в основном через атомы кислорода и других эле-
ментов [68].
При нормальной температуре на поверхности титана образуется
плотная оксидная пленка, наличие которой определяет его высокую
коррозионную стойкость в атмосферных условиях, морской воде и ряде
агрессивных сред. Титан наиболее стоек в окислительных средах.
В восстановительных средах он довольно быстро корродирует вследст-
вие разрушения защитной оксидной пленки. Титан стоек в азотной
кислоте при любых ее концентрациях и температурах (за исключением
красной дымящей кислоты), хорошо противостоит воздействию слабо-
концентрированной (до 1 %) серной кислоты даже при температуре
раствора до 95 °С; он стоек и в серной кислоте с концентрацией до
20 %, но при нормальной температуре [116]. Достаточную коррозион-
ную стойкость титан проявляет и в разбавленных растворах солиной
Рис. 1.9. Зависимость физико-
мехаиических свойств чистого
титана от температуры |385):
I — дилатометрическая кривая; 2 —
модуль упругости; 3 - предел теку-
чести; 4 — коэффициент линейного
расширения.
кислоты. Слабо реагирует с большин-
ством органических кислот, стоек
в разбавленных щелочах, растворах
хлористых солей. Титан быстро раз-
рушается в плавиковой кремнефтори-
стой и фосфорной кислотах, сухом
хлоре и ряде других агрессивных
сред.
Одним из недостатков титана яв-
ляется небольшое значение модуля
упругости (см. табл. 1.3), поэтому
в некоторых случаях для получения
достаточно жестких конструкций
приходится применять большие сече-
ния отдельных элементов, чем это
следует из условий прочности. Мо-
дуль упругости с повышением темпе-
ратуры понижается по линейному
закону (рис. 1.9). Легирование тита-
на заметно повышает его значение,
малый при нор-
причем этот рост
Коэффициент линейного расширения, сравнительно
мальной температуре, с ее повышен нем возрастает,
достаточно интенсивен до температуры примерно 400 °С.
Рис. 1.10. Влияние кислорода (а), азота (б), водорода (в) и углерода
(г) на механические свойства йодидного титана [102].
Титан максимально достижимой сте-
пени чистоты, названный по способу про-
изводства йодидным титаном, обладает не-
большой прочностью. Учитывая его высо-
кую стоимость и недостаточную прочность,
в качестве конструкционного материала
используют технический титан, содержа-
щий несколько большее количество приме-
сей. Основными примесями являются кис-
лород, азот, водород, углерод. Они повы-
шают прочность титана и в разной степени
снижают пластичность и вязкость (рис.
1.10), водород приводит к водородной
хрупкости [176]. Примеси ухудшают тех-
нологичность металла при обработке, глав-
Рис. 1.11. Зависимость
механических свойств ти-
ным образом его свариваемость. Однако тана, наклепанного иа
технический титан, выпускаемый в СССР Ю к температуры от-
(табл. 1.16), представляет собой высоко- жига [352].
пластичный, хорошо свариваемый металл.
Механические свойства технического титана в значительной мере
изменяются от степени холодной пластической деформации. После от-
жига при температуре выше температуры рекристаллизации (600—
700 °С) происходит полный возврат механических свойств до уровни
исходного состояния (рис, 1.11).
Таблица 1.16. Химический состав, %, и механические свойства [253]
нелегированного титана (ГОСТ 19807—74)
Марка Примеси» не более ов, МПа в, %
о, и» н, Всего»
Йодидиый — — 0,2** 245 80
титан ВТ1-00 0,10 0,04 0,008 0,43 290—440 25
ВТ 1-0 0,12 0,04 0,010 0,67 390—540 20
* Элементы, не регламентированные как легирующие добавки: С, Ее, 81, 2г,
Си, № и др.
••По данным [212].
Технический титан и большинство титановых сплавов поддаются
всем известным методам обработки давлением. Из титана и его сплавов
изготавливают различные полуфабрикаты: прутки, листы, плиты,
штамповки, проволоку, бесшовные трубы, фольгу и др.
Титановые сплавы имеют пониженную обрабатываемость резанием
(подобно хромоникелевым сталям аустенитного класса). Они сохраня-
ют высокую прочность при повышенных температурах (до 500—
600 °С). Прн 300—350 °С титановые сплавы на порядок прочнее алю-
миниевых и магниевых сплавов (при более высоких температурах
последние вообще неработоспособны).
Титан был открыт в 1790 г , а свое название получил в 1795 г.,
однако применение его как самостоятельного конструкционного ма-
териала стало возможным лишь 40 лет тому назад В 1947 г. в результа-
те успехов, достигнутых в области металлургии химически активных ме-
таллов и сплавов, развития вакуумной техники и некоторых других
направлений современной технологии были получены первые 45 кг
(ов/у) РяДа конструкционных
металлов.
технического титана. Промышлен-
ная технология получения титана
в нашей стране сформировалась
к 1952 г. [193]. Предполагается, что
мировое производство титана достиг-
нет к 2000 г. 1 млн т.
Особые физико-механические
свойства титана — высокая удель-
ная прочность (рис. 1.12) и коррози-
онная стойкость — способствуют не-
прерывному расширению областей
его применения. Титан и его спла-
вы широко используются в авиаци-
онной, ракетной и космической тех-
нике, судостроении, химическом ма-
шиностроении. черной и цвепюй
металлургии, приборостроении, пище-
вой и медицинской промышленности
и других отраслях.
Цирконий. Запасы циркония в земной коре на порядок ниже, чем
титана (0,02 % |371|), что значительно ограничивает его использование.
Подобно титану цирконий существует в двух полиморфных модифика-
циях — а и (1 (см. табл. I 2).
Среди других металлов цирконий выделяется весьма малым попе-
речным сечением захвата тепловых нейтронов (0 18 б [370]) и высокой
стойкостью при облучении. Эти качества в сочетании с высокой корро-
зионной стойкостью в воде и перегретом паре обусловили его примене-
ние в качестве конструкционного материала в ядерно-энергетических
установках. Цирконий, предназначенный для этих целен, должен быть
тщательно очищен от примесей гафния (до 0,01—0,015 %), так как
последний отличается большим сечением захвата тепловых нейтронов
(в 500 раз больше, чем у циркония) и его присутствие в оборудовании
для ядерных установок недопустимо [107|. Температура перехода
циркония в сверхпроводящее состояние равна 0,3 К. Его удельная
магнитная восприимчивость составляет 1,34 • 10-в смУг, что в 2,5 раза
меньше восприимчивости титана.
В химических соединениях цирконий проявляет степень окисле-
ния + 4. Он обладает высокой коррозионной стойкостью во многих аг-
рессивных средах. На него не действхют концентрированные соляная
и азотная кислоты, а также органические кислоты даже при нагрева-
нии до 100 °С. По коррозионной стойкости в соляной кислоте цирконий
уступает лишь танталу и благородным металлам. Цирконий устойчив
в горячих концентрированных растворах едкого натрия и обладает
(при нормальной температуре) исключительно высокой коррозионной
стойкостью в морской воде. При нагревании он устойчив в ней вплоть
до 360 °С. Плавиковая и концентрированная фосфорная кислоты,
а также ^царская водка» (в отличие от титана) растворяют цирконий.
Сопротивление циркония коррозия в щелочах выше, чем тантала и ти-
тана.
Чистый йодидный цирконий, как и титан, обладает низкой проч-
ностью и высокой пластичностью, которая сохраняется при криоген-
ных температурах (табл 1.17). Его предел прочности составляет 180—
270 МПа, а относительное удлинение находится в пределах 35—50 %.
Примеси — кислород, азот, водород, углерод и др.— повышают его
прочность и снижают пластичность. При повышении температуры
цирконий заметно разупрочняется (см. табл. 1.17). При температурах
выше 400 °С интенсивно развивается ползучесть. Прочность цирко-
ния существенно повышается при холодной пластической деформации.
Наибольший эффект достигается при обжатии около 20 % [144). Для
снятия нагартовки цирконий подвергают вакуумному отжигу при
температуре 700—800 °С. Оптимальные режимы отжига для снятия
упрочнения зависят от чистоты металла и степени деформации. При
отжиге в а-области образуется полиэдрическая структура. Если отжиг
проводят при температуре, превышающей температуру полиморфного
превращения то образуются крупные зерна {5-фазы.
Таблица 1.17. Механические свойства технического циркония [184]*
т, °с ов, МПа в. % т, »с ств> МПа в, %
20 470 33 300 195 53
100 390 44 400 160 56
200 265 52 500 100 100
• Примеси, %, не более: 0,005 Н,: 0,025 Ы,; 0,16 О,: 0,05 С2
Цирконий обладает удовлетворительной технологичностью. Он,
как и титан, подвергается всем видам обработки давлением, сварке,
механической обработке. Из циркония изготавливают различные полу-
фабрикаты; листы (ТУ 48—21—463—75), полосы, проволоку, плиты,
трубы Цирконий и его сплавы применяют в ядериой энергетике, хими-
ческом машиностроении, металлургии и других отраслях. Цирконий,
который используется как коррозионно-стойкий металл, может содер-
жать до 4,5 % гафния, так как последний не влияет на устойчивость
циркония в агрессивных средах. Поэтому цирконий для химического
машиностроения не подвергают дополнительному рафинированию для
удаления гафния, что снижает его стоимость.
Гафний. В земной коре содержится 3,2 • 10-4 % гафния. Как ти-
тан и цирконий, гафний обладает полиморфизмом (см. табл. 1.2). Удель-
ная магнитная восприимчивость гафния составляет 0,46 • 10"’ см3/г.
Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов 10,5 б [370], что почти
в 50 раз больше, чем у циркония. По химическим свойствам так же,
как и по физическим, гафний близок к цирконию благодаря почти пол-
ному сходству размеров их ионов и одинаковому расположению электро-
нов Однако его активность несколько меньше, чем циркония. В хими-
ческих соединениях гафннй проявляет степень окисления +4. На воз-
духе при нормальной температуре на поверхности гафния образуется
защитная оксидная пленка, предохраняющая металл от дальнейшего
(ркисления. При нагревании на воздухе гафний интенсивно окисляется.
Его коррозионная стойкость в растворах кислот и щелочей приближа-
ется к стойкости циркония, однако в перегретой воде и водяном паре,
в расплавленных щелочных металлах, а также на воздухе она гораздо
выше. Технологичность гафния при обработке и его свариваемость
близки к аналогичным характеристикам циркония.
Механические свойства гафния изучены в меньшей мере, чем дру-
гих химически активных и тугоплавких металлов. Это объясняется тем.
что гафний сравнительно «молодой» металл. Он открыт в 1923 г. Меха-
нические свойства гафния в основном определяются содержанием
примесей. Наибольшее влияние на снижение его пластичности оказы-
вают кислород, азот и медь. Содержание примесей в гафнии, полу-
ченном различными способами, представлено в табл. 1.18. Особен-
ностью гафния, обладающего гексагональной структурой, является
анизотропия механических свойств (табл. 1.19).
Таблица 1.18. Содержание примесей в гафиии [54], %, ие более
Способ получения О м н С 2г
Йодидиый Электродуговая ваку- умная плавка Электронно-лучевая плавка 0,012 0,044— 0,09 0,014— 0,036 0,00002 0,005— 0,008 0,002— 0,006 0,00003 0,0016— 0,0175 0,0009— 0,0022 0,00005 0,003— 0,008 0,003— 0,015 Г । °
Способ полученяя Т1 А1 Ге 51 Си
Йодидный Электродуговая ваку- умная плавка Электронно-лучевая плавка 0,01 0,007— 0,0012 0,001— 0,002 0,002 0,006— 0,012 0,0025— 0,005 0,08 0,011 — 0,044 0,001 — 0,005 0,015 0,02 0,007 0,004 0,003— 0,0085 0,001 — 0,003
Таблица 1.19. Механические свойства технического гафния
Г, °с ств МПа ^0,2» мПа б, % ав, МПа а0,2’ "Пв 6, % ф. %
Полосы горячекатаные н отожженные при 700 °С в течение 1 ч Полосы, отожженные при в течение 15 мин 250 °С
20 452 402 313 334 26 30 452 236 23 37
100 393 345 — — 422 196 20 27
200 334 294 246 196 30 40 334 167 33 45
300 354 265 — — 255 127,5 39 48
400 236 236 196 167 29 30 236 106 (370 °С) 43 50
600 176 196 176 157 26 24 — — — —
800 98 78,5 59 80 76 — — — —
Примечание. Над чертой приведены средние значения в продольном на-
правлении, под чертой — в поперечной.
Важнейшая область применения гафния — использование его в ка-
честве компонента сверхпрочных сплавов для космических аппаратов.
Оксид, карбид, борид и силицид гафния занимают одно из первых мест
среди тугоплавких соединений Гафний используется в атомной техни-
ке в качестве замедлителя в регулирующих устройствах ядерных реак-
торов [277]. Применяют его в радиотехнической и других отраслях
промышленности [54].
Ванадий. Вместе с ниобием и танталом он образует основную под-
группу V группы периодической системы элементов. Содержание ва-
надия в земной коре близко к содержанию циркония и составляет
1,5 • 10-2 % [3711. Ванадий кристаллизуется в ОЦК решетку (см.
табл. 1.2), устойчивую до 1550 °С. Выше этой температуры предпола-
гается аллотропическое превращение, однако достоверных данных
о структуре высокотемпературной модификации нет [360]. Ванадий
отличается наименьшей плотностью среди всех тугоплавких металлов,
довольно большой удельной прочностью при умеренно высоких тем-
пературах, при которых применяют легированные стали, никелевые
и кобальтовые сплавы. Относительно низкая температура плавления
ванадия (см. табл. 1.1) не позволяет на его основе создавать особо жаро-
прочные сплавы. Ванадий парамагнитен. Его удельная магнитная
восприимчивость составляет 1,4 • 10"’ см3/г [370]. При температуре
4,5 К переходит в состояние сверхпроводимости. Поперечное сечение
захвата тепловых нейтронов сравнительно низкое — 4.98 б [370].
В химических соединениях ванадий проявляет разную степень
окисления: от +2 до 4-5. Наиболее типичные соединения имеют степень
окисления +5. Ванадий обладает высокой коррозионной стойкостью
в пресной и морской воде, в разбавленных растворах серной и соляной
кислот, растворах солей и щелочей. Ванадий обладает хорошей стой-
костью в расплавленных металлах — натрии, свинце, смесях свинца
с висмутом, инбием. оловом и др. [194]. Растворяют ванадий плавико-
вая, концентрированная горячая серная, хлорная и азотная кислоты,
а также «царская водка». Ванадий обладает большой склонностью к
окислению, что обусловлено низкой температурой плавления его окси-
да У2О5 (675 °С) [139].
В техническом ванадии, содержащем примеси внедрения
(табл. 1.20), может наблюдаться аномальное изменение физических
свойств, вызванное процессами старения [139]. Механические свой-
ства технического ванадия также в значительной степени зависят от
содержания примесей. Они повышают температуру хладноломкости
ванадия (рис. 1.13, а) от —120 (для чистейшего йодидного металла)
до —60 °С (для технического) [184]. Ванадий высокой степени чистоты
обладает небольшой прочностью (200 МПа) и высокой пластичностью
Таблица 1.20. Содержание примесей в техническом ванадии
[194], %, ие более
Марка Ее А1 81 м> н, О, С
Вн М-1 Вн М-2 0,2 0,3 0,2 0,3 0,2 0,3 0,01 0,02 0,001 0,001 0,03 0,05 0,03 0,04
Технический ванадий, который выпускает промышленность, имеет
предел прочности до 450 МПа [144]. Ванадий слабо нагарговывается
Рис. 1.13. Влияние примесей внедрения на температуру хладноломкости
ванадия (а), ниобия (б) и молибдена (в) [144].
и способен выдержать большие обжатия в холодном состоянии без
промежуточного отжига. Температура рекристаллизации ванадия
равна примерно 800 °С. Ванадий отличается высокой технологичностью
Он поддается всем видам обработки давлением — ковке, прессованию,
прокатке, штамповке, а также обработке резанием. Ванадий хорошо
сваривается. Из ванадия и его сплавов изготавливают полосы, листы,
трубы и другие полуфабрикаты. Как конструкционный материал вана-
дий используется в ядерной технике, химическом машиностроении
и других отраслях новой техники.
Ниобий. В земной коре содержится около 0,001 % ниобия [371].
Он не претерпевает полиморфных превращений н имеет в твердом состоя-
нии ОЦК решетку (см. табл. 1.2). Из тугоплавких металлов большой
четверки (вольфрам, молибден, ниобий, тантал) у ниобия самая малая
плотность. Он отличается высокой жаропрочностью. Ниобий хорошо
обрабатывается и сваривается. Он парамагнитен. Удельная магнит-
ная восприимчивость при нормальной температуре составляет 2,26 X
Х10~’см’/г [370]. Прн температуре 9.17 К переходите сверхпроводящее
состояние. Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов мало и
составляет 1,1 б [370].
В наиболее устойчивых химических соединениях ниобий проявляет
степень окисления +5. Обладает высокой коррозионной стойкостью в
азотной, разбавленных серной, соляной, фосфорной кислотах; на него
не действуют расплавленные металлы — натрий, калий, литнй, висмут,
свинец и др. При низкой температуре стоек в «царской водкея, медлен-
но растворяется в плавиковой кислоте, но быстро в ее смеси с азотной
кислотой. Ниобий малостоек в горячих растворах едких щелочей. От-
личается большой склонностью к окислению при повышенных темпе-
ратурах. Для эксплуатации в этих условиях его защищают от окисле-
ния специальными жаростойкими покрытиями (Сг, Ма812 и др.).
Ниобий обладает высокой пластичностью и сохраняет удовлетво-
рительную прочность При повышенной температуре имеет весьма низ-
кую температуру перехода из пластичного состояния в хрупкое. Для
ниобия высокой чистоты эта температура ниже —196 °С [144]. Примеси
внедрения повышают температуру перехода (рис. 1.13, б): наиболее
сильное влияние оказывают кислород и азот, углерод практически не
влииет. Недостатком ниобия как конструкционного материала явля-
ется относительно малый модуль упругости.
В соответствии с ГОСТ 26468—85 промышленность выпускает три
марки технического ниобия: Н61, Н62 и НбЗ. Кроме того, технический
ниобий выпускается по отраслевым стандартам (табл. 1.21). Листовой
прокат из ниобия, например марки НВЧ-1 имеет (при нормальной
температуре) предел прочности 450—500 МПа при относительном удли-
нении 20—30 % и поперечном сужении 80 % [310]. Его высокая пла-
стичность сохраняется до температуры жидкого азота (6В = 900 4-
4- 1000 МПа, 6 = 15 4- 20 % ф = 30 4- 50 %). Прочность ниобия в
значительной степени повышается при одновременном снижении пла-
стичности. При нагреве деформированного ниобия выше 800 °С начи-
нается возврат. Температура рекристаллизации очень чистого (йодид-
ного) ниобия составляет 930—940 °С. Рекристаллизация технического
ниобия начинается при 1050—1150 °С в зависимости от содержания га-
зовых примесей. При повышении температуры отжига до 1300 и
особенно до 1400 °С наблюдается значительное укрупнение зерна. По-
мимо роста зерна при таком отжиге по границам зерен образуются
выделения, что приводит к резкому падению ударной вязкости ниобия.
Рекристаллизационный отжиг при 1200 °С в течение 1 ч значительно
повышает пластичность ниобия при низкой температуре.
Таблица 1.21. Содержание примесей в техническом ниобии, %, не более
Марка Та Ге Т1 81 Н-Мо с О, Н. М, Технические условия на поставку
Н61 0,100 0,05 0,05 0,005 0,010 0,010 0,010 — 0,010 гост 16099—70
Н62 0,150 — — 0,010 0,020 0,010 0,010 — 0,010 То же
НбЗ 0,300 — — 0,020 0,040 0,030 0,015 — 0,010 »
НВЧ 0,5 0,01 0,01 0.010 0,040 0,010 о.ою 0.001 0,010 ТУ 18-42-94-71
НВЧ-1 1,5 0,01 0,01 0,010 0,10 0.030 0.020 0,001 0,010 РЭТУ 12—44—67
Технический ниобий как констрекциониый материал имеет огра-
ниченное применение. Значительно больший интерес для практиче-
ских целей представляют сплавы на его основе. Их применяют в кон-
струкциях ядерпых реакторов, для изготовления оборудования, рабо-
тающего в особо агрессивных средах, жидких теплоносителях и т. д.
Ниобий весьма эффективен как основа сверхпроводящих сплавов с вы-
сокими характеристиками. По сравнению со всеми тугоплавкими ме-
таллами у ниобия самая высокая температура перехода в сверхпрово-
дящее состояние (рис. 1.14), а также самая большая напряженность
критического магнитного поля. Еще более высокими сверхпроводя-
щими свойствами обладают соединения ниобия, среди которых МЬ38п
имеет наивысшую температуру перехода (18,07 К).
Из технического ниобия изготавливают листы и полосы толщиной
до 10 мм, шириной 150—400 мм, длиной 1 м (ТУ 48—42—94—71), прут-
ки, проволоку и др.
Тантал. В земной коре содержится 2 • 10~4 % тантала, т. е. почти
на порядок меньше, чем ниобия [371]. Тантал не обладает полиморфиз-
мом и имеет лишь одну ОЦК решетку (см. табл. 1.2). Среди тугоплавких
металлов основной подгруппы V группы у тантала минимальная тепло-
емкость и максимальная теплопроводность (см. табл. 1.1), он отличается
большой плотностью, высокой жаропрочностью, хорошей технологич-
ностью и свариваемостью. Тантал парамагнитен, его магнитная воспрн-
имчнвость составляет 0,846 • 10-с см^/г.
Температура перехода в сверхпроводя-
щее состояние 4,41 К. Поперечное се-
чение захвата тепловых нейтронов у тан-
тала равно 21,3 б, т. е. почти в 20 раз
больше, чем у ниобия [370].
В химических соединениях степень
окисления тантала +5. По коррозион-
ной стойкости тантал превосходит все
тугоплавкие металлы. Он устойчив к воз-
действию соляной, азотной, серной н
фосфорной кислот любой концентрации
в широком диапазоне температур. В пре-
делах температур, применяемых в про-
цессах, которые связаны с водными рас-
творами, на тантал не действуют «цар-
ская водка», хромовая, хлорная, хлор-
пература перехода тугоплав- новатистая и многие органические кис-
ких металлов в сверхпрово-
дящее состояние [370].
лоты. При отсутствии кислорода и азота
на тантал не действуют расплавленные
металлы (натрий, калий) и сплавы (ка-
лий — натрий, литий — свинец) В то же время тантал взаимодейст-
вует (даже при комнатной температуре) с фтором и концентрирован-
ными растворами щелочей, растворяется в расплавленных щелочах
Таблица 1.22. Содержание примесей в техническом тантале [184], %
Способ получения О, К, Н, С
Порошковая метал- лургия Электродуговая вакуумная плавка Электронно-лучевая плавка 0,01—0,08 0,005—0,03 0,0015—0,003 0,009—0,015 0,0015—0,006 0,0005— 0,0025 0,0002—0,001 0,001—0,002 0,0001 — 0,0002 0,007—0,06 0,0025—0,02 0,003—0,005
Из табл. 1.22 видно, что самый чистый металл может быть получен
электроино-лучевой плавкой. Тантал, полученный методами порошко-
вой металлургии, содержит повышенное количество примесей [184].
Предел прочности технического тантала в зависимости от чистоты мо-
жет составлять 200—400 МПа (табл. 1.23). При температуре —196 °С
тантал переходит в хрупкое состояние При пластической деформации
тантал нагартовывается медленно, что позволяет деформировать его
со степенью обжатия до 95 % без промежуточных отжигов. При отжиге
тантал начинает разупрочняться при температуре выше 600—700 °С.
Полное разупрочнение наступает после отжига при температуре выше
температуры рекристаллизации (250—1300 °С). Легирование тантала
вольфрамом, молибденом и другими элементами повышает температуру
рекристаллизации и тем самым увеличивает его жаропрочность
[194]. Из технического тантала (табл. 1.24) изготавливают листы
(ОСТ 88.0.021.228), полосы и прутки (по тем же техническим условиям,
что к из ниобия), проволоку диаметром 0,05—1,6 мм (СУ 0 021.032),
38
а также фольгу (ГОСТ 24842—81). Тантал и сплавы на его основе
применяют в электронике, электротехнике, химическом машинострое-
нии, ядерной и ракетной технике [139].
Таблица 1.23. Механические свойства тантала различной чистоты
Способ получения примесь внедрения, % Состояние образца т, °с °В' МПа а0,2> МПа 6, %
Порошковая 0,0056 О2 Отожженная 27 465 398 25
металлургия 0,013 полоса 427 449 231 24
0,02 С 760 209 117 23
1204 102 52 48
Электродуговая 0,0047 О2 Отожженный 27 304 216 25
плавка 0,0025 М2 ЛИСТ 1766 30,0 13,4 35
0,0015 С 2032 26,2 10,7 47
0,0016 О2 2767 4,8 2,4 26
Электронно-лу- 0,001 м2 Холоднодеформи- 27 418 339 3
чевая плавка 0,003 С рованный на 95 % 245 324 302 4
и отожженный 365 376 330 5
для снятия напря- жений (750 °С, 490 319 312 5
15 мин) Холоднодеформи- 27 203 180 36
рованный иа 75 %, 230 192 59 23
рекристалл изо- 425 194,5 43 23
ванный (1200 °С, 1 ч) 90 186 43 20
Таблица 1.24. Содержание примесей в техническом тантале,
%, не более
Марка (технические условия иа поставку) мь Ре Т1 81 4-Мо с О, Н, Ы,
твч (ТУ—48— 42—94—71) ТВЧ-1 (РЭТУ 1244—67) 0,5 0,5 0,006 0,01 0,008 0,01 0,005 0,01 0,005 0,1 0,025 0,02 0,05 0,01 0,02 0,001 0,001 0.01 0,01
Молибден. В земной коре содержится 0,001 % молибдена [322].
Вместе с хромом и вольфрамом он образует основную подгруппу VI
группы периодической системы элементов. Молибден не претерпевает
полиморфных превращений, имеет одну модификацию — ОЦК кристал-
лическую решетку (см. табл. 1.2). Высокие теплофизические свойства
молибдена обеспечивают деталям и узлам, изготовленным из этого ме-
талла. надежную работу при высоких температурах По теплопровод-
ности среди тугоплавких металлов молибден уступает только гольфра-
му. Молибден имеет упругость пара, равную Ю-4 Па, при температуре
1582 °С, в то время как ниобий, тантал и вольфрам имеют такую же
упругость пара соответственно при 1760, 1957 и 2067 °С. С повышением
температуры давление пара молибдена экспоненциально возрастает
]361]. Молибден по сравнению с другими тугоплавкими металлами
обладает большой удельной прочностью (особенно при температуре
до 1370 °С), малым температурным коэффициентом линейного расши-
рения, хорошей термостойкостью высокой электрической проводи-
мостью и теплопроводностью и др. Молибден парамагнитен, удельная
магнитная восприимчивость составляет 53 • 10-к см3/г. Поперечное
сечение захвата тепловых нейтронов равно 2,6 б. При 0 9 К молибден
переходит в сверхпроводящее состояние [370].
В химических соединениях молибден проявляет в основном степень
окисления +6 Молибден обладает высокой коррозионной стойкостью
па воздухе при нормальной температуре, в соляной, серной, фосфорной
и плавиковой кислотах, в растворах щелочей и ряде расплавленных
металлов: натрии, калии, литии, галлии, свинце, висмуте, ртути,
меди. Разрушающе действуют на молибден азотная кислота, смесь кон-
центрированных соляной и азотной кислот, расплавленные щелочи.
Основные недостатки молибдена и его сплавов— невысокая окали-
иостойкость, малая пластичность при низкой температуре, большая
склонность перехода из вязкого состояния в хрупкое. Это ухудшает их
обрабатываемость и особенно свариваемость, что в значительной сте-
пени ограничивает применение молибдена и сплавов на его основе в
сварных конструкциях. Большая склонность технически чистого мо-
либдена и его однофазных сплавов к хрупкому межкристаллитному
разрушению при нормальной температуре связана с обогащением гра-
ниц зерен примесями внедрения, образованием пересыщенных раство-
ров и соответствующих фаз. Размер зерна имеет решающее значение:
обычно крупные зерна, присущие молибдену, значительно повышают
температуру перехода из пластичного в хрупкое состояние. В зависи-
мости от содержания примесей, технологии обработки и других факто-
ров температура хладноломкости молибдена колеблется от —196 до
+200 °С. Из табл. 1.25 [184] видно, что металл, выплавленный элек-
тронно-лучевым способом, имеет минимальное содержание примесей-
внедрения н в связи с этим самую низкую температуру перехода из
вязкого в хрупкое состояние. Температуру хладноломкости молибде-
на в наибольшей степени повышает кислород, в меньшей — азот и
углерод (рис. 1.13, в). Для сохранения достаточной вязкости при
нормальной температуре содержание кислорода в молибдене не долж-
но превышать 0,001—0,0015%, азота — 0,001 %, водорода —
0,0001—0,0002 %, углерода — 0,01 % (144, 184]. Прочность молибдена
существенно повышается нагартовкой. Предел прочности металла
после холодной деформации может увеличиться вдвое (от 440 до
880 МПа). При этом относительное удлинение падает до нуля [184].
Таблица 1.25. Температура перехода молибдена в хрупкое состояние
Способ получения Примесь, % Тх. ’С
О нг С,
Порошковая металлур- гия (вакуумное спе- кание) 0,02—0,01 0,02 0,0006 0,047 -{-^00
Электродуговая ваку- умная плавка 0,005— 0,003 0,0006 0,001 — 0,0005 0,014 0
Электронно-лучевая зонная вакуумная плавка 0,001 0,0001 0,0001 0,012 — 196
Механические свойства молибдена и его способность к пластической
деформации можно улучшить путем легирования цирконием, титаном,
ниобием гафнием и особенно рением
Температура рекристаллизации технического молибдена составляет
1180—1300 °С Легирующие элементы, за исключением вольфрама,
повышают температуру рекристаллизации В зависимости от условий
эксплуатации молибден и его сплавы применяют после отжига при
1000—1200 °С или в рекристаллизованном состоянии.
Таблица 1.26. Содержание примесей в техническом молибдене, %,
не более
Марка с О, н,
мчвп 0,06 0,003 0,005 0,0008
ЦМ1 0.03 0,004 0,006 0,0010
цсдм 0,04 0,01 0,02 0,0010
Отечественная промышленность производит нелегированный мо-
либден марок МЧВПи ЦМ1 (табл. 1.26) из вакуумплавленых заготовок,
МЧ и ЦСДМ из заготовок, полученных методом порошковой металлур-
гии. Эти полуфабрикаты содержат повышенное количество примесей
(например, концентрация кислорода в полосах марки ЦСДМ может
достигать 0,01 %) [194]. Из технического молибдена изготавливают
листы и полосы толщиной 0,1—6 мм, проволоку диаметром 0,4—3,0 мм
и прутки диаметром 3,0—15,0 мм. Молибден и сплавы иа его основе
сохраняют удовлетворительную прочность вплоть до 2000 °С. Они
весьма перспективны для применения в авиастроении, ракетно-косми-
ческой и ядерной технике, химическом машиностроении, металлургии
(электропечи и оборудование для работы в жидких металлах) и др.
[360].
Хром. Запасы хрома в земной коре превышают запасы ниобия,
тантала, молибдена и вольфрама, взятых вместе (3,5 • 10'2 %) [413].
Хром не испытывает полиморфных превращений и кристаллизуется
в ОЦК решетке (см. табл. 1.2) По ряду физико-механических свойств
хром близок к молибдену. Низкое сопротивление механическим и теп-
ловым ударам и исключительно высокая склонность к хладноломкости
затрудняют его сварку, ограничивают использование хрома и его
сплавов. В зависимости от содержания примесей температура его пере-
хода из вязкого состояния в хрупкое колеблется в интервале 50—
250 °С. При нормальной температуре даже вакуумплавленый хром
хладноломок и его сопротивление ударным нагрузкам составляет
всего 1—2 Дж/см2 [184] Пластичность и ударная вязкость хрома за-
метно повышаются при температурах выше 300 °С.
К наиболее опасным примесям внедрения, повышающим хрупкость
хрома, относятся азот и углерод. Очистка от примесей внедрения на
разных стадиях получения металла, в том числе рафинирование при
плавке, а также легирование активными карбидо-, нитридо- и боридо-
образователями (титан, цирконии, тантал ц др.) позволяют увеличить
низкотемпературную пластичность хрома [79, 394]. Для хрома харак-
терна высокая упругость пара, достигающая при плавлении 7.9 кПа.
Это следует учитывать при его электронно-лучевой плавке и сварке.
В связи с сильной возгонкой хрсма в камерах необходимо создавать
разряжение 10'4 Па в отли чие от условий сварки и плавки других туго-
плавких металлов для которых приемлемым является разряжение
10'3—10'2 Па.
Хром обладает свойствами антиферромагнетизма. Его удельная
магнитная восприимчивость составляет 3,6 • 10~в см’/г [370]. При
нагревании до температур выше 40—44 °С (точка Нееля) хром и его
низколегированные сплавы переходят в парамагнитное состояние.
Сверхпроводящее состояние наступает у них при понижении темпера-
туры до 0,7 К. При 37 °С у хрома обнаруживается аномалия некоторых
свойств: скачкообразное изменение модуля упругости, коэффициента
линейного расширения, удельного электросопротивления, термоЭДС
и внутреннего трения. Эти изменения обусловлены электронными пере-
стройками, а не перемещениями атомов и относятся к категории пре-
вращений второго порядка [283]
В химических соединениях хром проявляет степень окисления +2,
+3, а также +6 Соединения при степени окисления +2 малоустой-
чивы, при +3 характерно образование комплексных соединений. По
стойкости в агрессивных средах хром близок к высоколегированным
коррозионно-стойким сталям, а его сопротивление окислению при тем-
пературе до 1200 °С выше, чем у других тугоплавких металлов, так
как последние интенсивно окисляются уже при температуре 500—
600 °С. Хром обладает большим сопротивлением воздействию окисли-
тельных сред. На него не действуют концентрированная азотная кислота
и ее водные растворы (при нормальной температуре), «царская водка»,
муравьиная, лимонная, виннокаменная кислоты. Хлорная и бромная
вода, концентрированная азотная, фосфорная, хлорноватая и хлорная
кислоты пассивируют хром При нагревании хрома до 800 °С на него
не оказывают заметного воздействия пары кальция и лития. Хром реа-
гирует с безводными галогенами, хлористым и фтористым водородом.
Водные растворы плавиковой и соляной кислот, бромистого и йодистого
водорода растворяют хром так же. как разбавленная серная кислота.
Сплавы хрома обладают высокой стойкостью в ртути.
Большая распространенность в природе, высокая окали нестойкость
при повышенных температурах, плотность, меньшая, чем у других
тугоплавких металлов, а также у железа и никеля, и высокий модуль
упругости способствуют перспективности применения хрома как ос-
новы жаропрочных конструкционных сплавов
Промышленность выпускает иелегированиый хром двух видов —
технический и высокой чистоты Химический состав основных про-
мышленных марок технического хрома приведен в табл. 1 27, а содер-
жание примесей в хроме высокой чистоты — в табл. 1.28 [106]. Неко-
торые показатели механических свойств деформированного хрома вы-
сокой чистоты при разных температурах даны в табл. 1.29 [144]. Такой
хром служит основой для производства литых изделий и деформируемых
полуфабрикатов а также для получения сплавов Горячей деформацией
Таблица 1.27. Химический состав технического хрома (ГОСТ 5905—67),%
Марка Сг, не менее Примесь, ие более
С 8) 5 р А1 Ре Си
хо 98,5 0,03 0,4 0,02 0,02 0,5 0,6 0,06
XI 98,0 0,05 0,5 0,04 0,03 0,7 0,8 0,06
Х2 97,0 0,06 0,5 0,06 0,05 0,8 1,2 0,1
Таблица 1.28. Содержание примесей в рафинированном хроме высокой
чистоты, %
Состояние о, 14, н, С Ее Си 81 Г» А1
Исходный элек- тролитиче- ский хром 0,3 0,04 0,004 0,03 0,035 0,065 0,04 0,04 0,02
Рафинирован- ный хром высокой чистоты 0,0012 0,003 0,00045 0,006 0,03 0,003 Следы Следы 0,02
(при температуре 700—1500 °С в зависимости от вида обработки) из
хрома изготавливают прутки, трубы, полосы листы и другие полуфаб-
рикаты. Температура начала рекристаллизации хрома (в зависимости
от чистоты) находится в пределах 850—980 °С.
Таблица 1.29. Механические свойства деформированного хрома марки ВХ1
т, °с ав, МПа (ТО 2* МПа в, % он, Дж/см1
20 294 183 5 0,98
800 196 98 60 6,86
1000 78,5 39,7 80 2,94
1200 24,6 14 30 2,45
1500 12,7 — 20 1,96
Наибольшей пластичностью и наименьшей склонностью к хладно-
ломкости обладает хром при волокнистой тонкой структуре. В рекрис-
таллизованном состоянии даже йодидный хром при комнатной темпе-
ратуре совершенно хрупок.
Хром и сплавы на его основе рекомендуется применять для изго-
товления деталей, работающих в различных агрессивных жидких и га-
зообразных средах Для деталей разового действия (рабочее время до
100—150 с) температура газового потока может достигать 2000—
3000 °С. Из сплавов на основе хрома изготавливают детали и узлы
химических установок, двигателей, высокотемпературных нагреватель-
ных печей, гидротехнических сооружений и др.
Вольфрам. В земной коре содержание вольфрама составляет
1 • 10 4 % [413]. При температуре 630 °С вольфрам претерпевает
полиморфное превращение. Среди тугоплавких металлов вольфрам
отличается самыми высокими температурами плавления и кипения,
модулями упругости и сдвига коэффициентом теплопроводности.
Весьма ценными свойствами вольфрама являются малый коэффициент
сжатия и низкая упругость паров, минимальный коэффициент терми-
ческого расширения. Такой комплекс свойств, выделяющий вольфрам
из всех металлов, объясняется наибольшей силой межатомной связи.
Вольфрам очень чувствителен к загрязнению примесями-газами, хру-
пок при нормальной температуре, интенсивно окисляется, отличается
большой плотностью и невысоким сопротивлением термическому уда-
ру. Эти особенности ограничивают области применения вольфрама,
существенно затрудняют его обработку и сварку.
Вольфрам парамагнитен Из всех тугоплавких металлов он обла-
дает наименьшей удельной магнитной восприимчивостью — 0,28 X
X Ю'в см3/г [370]. При 0,7 К вольфрам переходит в сверхпроводя-
щее состояние. Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов состав
ляет 19,2 б [413].
В химических соединениях вольфрам проявляет переменную сте-
пень окисления, однако наиболее устойчивы соединения вольфрама при
степени окисления 4-6. На воздухе вольфрам устойчив до 400 °С. При
повышенных температурах интенсивно реагирует со всеми газами,
кроме водорода, по отношению к которому инертен вплоть до темпе-
ратуры плавления. Кислоты, за исключением смеси плавиковой и азот-
ной, а также растворы щелочей (при нормальной температуре) в отсут-
ствие окислителей на вольфрам практически не действуют. Вольфрам
устойчив к действию таких расплавленных металлов, как натрий
(до 900 °С), ртуть (до 600 °С), галлий (до 800 °С) и висмут (до 980 °С).
На физические и механические свойства вольфрама большое влия-
ние оказывают примеси — кислород, азот, углерод, а также железо,
фосфор и кремний. Они значительно повышают температуру перехода
вольфрама в хрупкое состояние. Для деформированного технического
вольфрама (99,95 %) она составляет 300—400 °С, а для рекристаллизо-
ванного — около 500 ’С. Хрупкость вольфрама, как и других туго-
плавких металлов основной подгруппы VI группы, обусловлена со-
стоянием границ зерен. Разрушение начинается у границ зерен и рас-
пространяется в тело зерна. Разрушение границ зерен связано с выде-
лением примесей, которые действуют как концентраторы напряжений.
Поэтому увеличение примесей в металле приводит к снижению его
пластичности [362]. Вольфрам технической чистоты при нормальной
температуре хрупок. Его предел прочности может достигать 1370 МПа,
при растяжении в нем не наблюдается заметного удлинения Пластич-
ность вольфрама повышается после обработки давлением ниже темпе-
ратуры рекристаллизации (1400 °С). В рекристаллизованном состоя-
нии вольфрам хрупок. Механические свойства вольфрама при высоких
температурах значительно превышают аналогичные свойства других
Рис. 1.15. Зависимость механических свойств технического вольфрама
от температуры [215]:
О — деформированный; • — рекристаллизованный.
металлов (рис. 1.15). С ростом температуры пластичность его увеличи-
вается и достигает максимальных значений в интервале 1400—1650 °С.
При этих температурах вольфрам обычно подвергают горячей обработке
давлением. Добавка к вольфраму рения (до 20—25 %) снижает темпе-
ратуру перехода металла в хрупкое состояние, резко повышает его
пластичность при нормальной температуре и улучшает технологиче-
ские свойства.
Для вольфрама наиболее перспективен метод электронно-лучевой
плавки, при котором обеспечивается минимальное содержание приме-
сей в металле (%): 0,0003—0,001 О2; 0,0003—0,001 М2; 0,0001—0,0009
Н2; 0,003—0 007 С [184].
Сочетание высокой плотности и большого поперечного сечеяия
захвата тепловых нейтронов делают вольфрам эффективным защитным
материалом от нейтронного и у-излучеиия Вольфрам и его сплавы ис-
пользуют для нагревателей и экранов в вакуумных печах, в качестве
электродов в дуговых процессах (в том числе при сварке), в ракетной
технике для деталей, работающих в интервале Температур 2500—
2700 °С, а также в атомной промышленности [275, 360].
1.2. Закономерности взаимодействия
с примесями
К числу важнейших факторов, определяющих сваривае-
мость цветных металлов и выбор оптимальных условий сварки, отно-
сится их активность при взаимодействии с газами атмосферы. Многие
металлы проявляют большое химическое сродство к газам, которые,
попадая в металл, резко снижают его пластичность, повышают проч-
ность и твердость, увеличивают склонность к хрупкому разрушению.
При сварке плавлением необходимо учитывать способность металла
поглощать газы как в твердом состоянии при высоких температурах,
так и в жидком при значительных перегревах.
Твердые растворы газов в металлах благодаря малым размерам их
атомов (по сравнению, например, с серой и фосфором) относятся к раст-
ворам внедрения. Поскольку размеры междоузлий для всех типов
кристаллических решеток цветных металлов (ГЦК, ГПУ и ОЦК) зна-
чительно меньше, чем атомные радиусы газовых примесей, то образова-
ние растворов внедрения вызывает искажение кристаллической ре-
шетки. Следствием этого является изменение механических свойств
металла Например, для а-титана (ГПУ решетка) размер междоузлий
составляет [385] 0,033 и 0,060 нм, а для Р-титана (ОЦК решетка) —
0,022 и 0,041 им. Атомные же радиусы кислорода, азота и углерода со-
ответственно равны 0,070; 0,072 и 0,077 нм [62]. Следовательно, атомы
примесей слишком велики, чтобы располагаться в междоузлиях без
искажения кристаллической решетки титана.
Установлено влияние и других примесей — металлов и металло-
идов — иа свойства цветных металлов. К наиболее вредным относятся
сера, сурьма, мышьяк, висмут, кремний, фосфор, углерод. Однако не-
которые из них в определенных пределах положительно влияют иа
свойства ряда металлов (например, фосфор служит раскислителем меди,
мышьяк повышает ее жаростойкость, кремний используют для раскис-
ления никеля и т. п.). Большинство этих примесей являются сопут-
ствующими в металлах. В конструкционных цветных металлах уета-
новлены допуски иа содержание примесей, в пределах которых обеспе-
чиваются удовлетворительная обрабатываемость и свариваемость этих
металлов, необходимый уровень их механических, коррозионных и
других свойств.
Взаимодействие металлов с кислородом
По характеру взаимодействия с кислородом цветные метал-
лы можно условно разделить на три группы по способности образовы-
вать однородный раствор с кислородом или собственным оксидом
[62, 167, 366[. К первой группе относятся металлы и их сплавы, кото-
рые растворяют кислород в весьма малых количествах в твердом и жид-
ком состояниях, причем поглощение ими кислорода ограничивается
поверхностными слоями с образованием слоя оксидов, В жидком
состоянии перемешивание расплава приводит к разрыву оксидных
пленок, которые, попадая в жидкий металл, сохраняются в нем в виде
отдельной фазы вплоть до кристаллизации. Такой механизм взаимодей-
ствия с кислородом (рис. 1.16) присущ алюминию, магнию, бериллию,
цинку, свинцу и сплавам на их основе, а также некоторым сплавам меди
и никеля с цинком, оловом, алюминием и другими элементами.
Для взаимодействия алюминия с кислородом при повышенной
температуре характерно образование тугоплавкой оксидной пленки
А12О3, температура плавления которой 2054 °С [347]. т. е. значительно
выше температуры плавления алюминия. Существование системы
жидкий оксид — жидкий алюминий (рис. 1.16, а) в условиях сварки
маловероятно.
Алюминий легко окисляется на воздухе и при нормальной темпе-
ратуре. За 7 суток толщина оксидной пленки может достичь 5—10 нм,
а при нагреве до температуры плавления — 200 нм. Удельные объемы
алюминия и оксида алюминия близки, чем объясняется плотность ок-
сидной пленки. Она прочио удерживается на металле и малопронинаема
для газов. Интенсивность окисления жидкого алюминия больше, чем
твердого, и возрастает с повышением температуры Так, если газовая
фаза при равновесии А1ж — А12О3 при 730 °С состоит из 98,08 % алю-
миния, и 3,92 % оксида, то при 1230°С концентрация оксида достигает
уже 52 % [167[. Это необходимо учитывать при сварке плавлением.
Опасность запутывания оксидных пленок в жидком металле усугубля-
ется большой плотностью оксида (3,8—3,9 г/см3) по сравнению с
плотностью алюминия (при 660 °С у = 2,38 г/см3, при 1100 °С у =
= 2,26 г/см3) [142].
Магний и сплавы на его основе окисляются с образованием оксид-
ной пленки МрО При нормальной температуре и нагреве до 200 °С
она аморфна. При более высоких температурах оксид магния кристал-
Рис. 1.16. Схема взаимодействия металлов с кислородом:
а — растворимость кислорода в жидком и твердом металлах; б — образование при
расгеорении жидких растворов.
лизуется Скорость окисления магния резко возрастет при темпера-
туре выше 475 °С, при 550—600 °С магний воспламеняется и горит,
излучая ослепительно яркий свет Энергия Гиббса образования М§0
в температурном интервале 923—1376 К выражается следующим
уравнением [167]:
ДО® = — 608949 + 115,98 Г, Дж/моль, (1.1)
Оксид магния не растворим в расплавленном металле, так как его тем-
пература плавления (2827 °С) выше, чем металла (650 °С). Плотность
оксида магния (3,2 г/см3) превосходит плотность жидкого магния
(1,54 г/см3 [181]). Поэтому пленка оксида магния, попадая в свароч-
ную ванну, остается в ней в виде шлакового включения.
При оценке защитных свойств оксидной пленки в процессе нагрева
и плавления металла следует учитывать ее плотность. Если отноше-
ние молекулярного объема оксида к атомному объему металла, на кото-
ром пленка возникает, меньше единицы, то сплошная защитная пленка
возникнуть не может. Для магния это отиошеиие равно 0,58 [181].
Поэтому слой оксида магния не заполняет весь объем, прежде занятый
металлом, и оксидная пленка получается пористой в отличие от тако-
вой на алюминии, меди, цинке. Оксидная пленка на магнии не пред-
ставляет существенного препятствия для доступа кислорода к находя-
щемуся под ней металлу, т. е. не предохраняет металл от дальнейшего
окисления. Защитные свойства пленки М§О заметно улучшает добавка
небольших количеств бериллия (до 0,005 %).
В отличие от магния жаростойкость бериллия благодаря защитным
свойствам оксида ВеО (температура плавления 2578 °С [347]) достаточ-
но высока и сохраняется до 800 °С. При дальнейшем иагреве, особен-
но в расплавленном состоянии, бериллий окисляется В связи с вы-
сокими тугоплавкостью оксида бериллия и температурой кипения
(3866 °С) основным и почти единственным компонентом газовой фазы
системы Ве — ВеО являются атомы бериллия. Примесь (объемное
содержние 0,002 %) оксида состава Ве2О появляется при повышенных
температурах (1277 °С).
Большинство цветных металлов по характеру взаимодействия
с кислородом относятся ко второй группе. В жидком состоянии они об-
разуют с кислородом более или менее обширные концентрационные об-
ласти однородных жидких растворов (рис. 1.16, б) с эвтектическим, пе-
ритектическим или монотектическим равновесием. Окисление ие огра-
ничивается поверхностными слоями расплава. Образуется раствор
кислорода в металле. Кислород вначале равномерно распределяется
по всей жидкой ваиие, и только после насыщения возможно образова-
ние оксида как самостоятельной фазы Однако такой механизм процес-
са реализуется лишь при условиях равновесия системы (концентраци-
онного и энергетического). При быстротечных сварочных процессах
с характерным для них температурным градиентом вероятнее возник-
новение оксидов в локальных объемах сварочной ванны еще до насы-
щения жидкого металла кислородом. Металлы, относящиеся ко второй
группе (медь, никель, свинец, цинк, серебро, палладий, титан, цирко-
ний, гафний, ванадий, ниобий, тантал, молибден, хром, вольфрам),
растворяют кислород ие только в жидком, но и в твердом состоянии.
Растворимость кислорода в меди при 1065 “С составляет всего
0,011 %. Однако при повышенной температуре и особенно в расплавлен-
ном состоянии медь активно реагирует с кислородом Скорость окис-
ления меди резко возрастает при температуре выше 900 °С.
Изменение энергии Гиббса образования оксидов из компонентов
в стандартных условиях описывается уравнениями [411]:
при 298—1358 К
ДО?(СиО) == — 159753 + 90,96 Т; (1.2)
ДО? (Си2О) = — 175560 + 77,91 Г; (1-3)
при 1358—1720 К
ДО? (СиО) = - 167326 + 96,57 Г; (1-4)
при 1358—1515 К
ДО? (Си2О) = — 202012 +97,45 Т. (1-5)
Кислород в меди находится преимущественно в виде оксида Си2О,
который в свою очередь образует с медью эвтектику с температурой
плавления 1065°С, т. е. ниже температуры плавления самой меди
(рис. 1.17). Поэтому при затвердевании меди эвтектика располагается
по границам кристаллитов. Последние оказываются как бы окутанны-
ми хрупким слоем. При сварке в околошовных участках ЗТВ эвтек-
тика оплавляется, охрупчивая этим металл.
Надежным способом контроля количества кислорода в меди явля-
ется металлографический. На иетравленом шлифе определяют коли-
чество легко различимой под микроскопом эвтектики Процент кисло-
рода в меди вычисляют исходя из следующих соотношений: содержание
Си2О в эвтектике составляет 3,4 %, а содержание кислорода — 0,39 %.
Например, при наличии в исследуемом образце меди 12 % эвтектики
(определено по соотношению площадей шлифа, занятых эвтектикой,
и общей) количество Си2О равно 0,12 X 0,034 X 100 = 0,4 %. Кон-
центрация же кислорода в меди 0,12 X 0.039 X 100 = 0 05 %. По со-
держанию кислорода такая медь соо:ветствует марке М1 (см. габл.1.9).
При кристаллизации значительно окисленной меди наряду с образова-
нием эвтектики Си — Си2О может выпадать фаза Си2О, которая легко
восстанавливается газами, растворенными в меди:
Си2О + 2Н Л Н2О + 2Си;
(1-7)
Си_,0 +- СО СО2 + 2Си.
а
Рис. 1.17. Диаграмма состояния системы Си—Оа:
а — общий вид; б — верхний левый угол [144].
При этом ни Н2О, ни СО2 не растворимы в меди. В металле возникает
избыточное давление, что приводит к образованию в ием трещин. Это
явление называется водородной болезнью
Жидкий никель обладает большой способностью поглощать кисло
род. Процесс его окисления в твердом состоянии происходит медлен-
но. При высоких температурах система № (ж) — МЮ (ж) отдает в га-
зовую фазу преимущественно кислород. В условиях свободного испа
реиия в вакууме или в несущем инертном газе возможно разделение
никеля и кислорода без восстановителей. Марганец и сера ухудшают
стойкость никеля против окисления, а хром, кремний и алюминий
повышают ее.
В свинце газы, в том числе и кислород, растворяются в незначи-
тельной степени. Цинк легко окисляется при повышенной темпера-
туре, особенно в расплавленном состоянии.
Серебро подобно никелю поглощает в жидком состоянии значи-
тельно больше кислорода (0,32 %), чем в твердом (0,01 %) [188]. При
комнатной температуре иа воздухе на поверхности серебра образуется
пленка оксидов толщиной до 0,12 им. В конденсированном состоянии
известны два оксида серебра: А§20 и А§202 Изменение энергии Гиббса
их образования из компонентов в стандартных условиях описывается
следующими уравнениями [167]:
при 298—500 К
0° (А§2О) = — 30400 + 65,52 Г; (1.8)
при 0—298 К
с?(А§2Оа) =— 25104 + 176,4 Г. (1.9)
При повышении температуры оксидная пленка утолщается. Вблизи
400 °С наблюдается минимум поглощения кислорода серебром. Это свя-
зано с иестойкос:ью оксида Л§2О (в виде коюрого кислород находится
в серебре) и его диссоциации (1.8) Оксид Лц2О2 метастабилен уже при
нормальной температуре (1.9) При кристаллизации окисленного се-
ребра кислород распределяется неравномерно- примерно при 939 “С
между кристаллитами а-твердого раствора кислорода в серебре затвер-
девает более легкоплавкая жидкая фаза, содержащая до 0 32 % раство-
ренного кислорода. Эта межкристаллитная прослойка приводит к об-
разованию трещин в металле.
Палладий при нормальной температуре не окисляется и не тускнеет.
При температуре 600—700 °С на его поверхности образуется плотная
пленка оксида Р<Ю Но уже при температуре 870 °С оксид разлагается
и палладий легко растворяет кислород (особенно в жидком состоянии).
Титаи способен поглотить до 14,5 % кислорода [221]. В конденси-
рованном состоянии идентифицированы оксиды состава ТЮ2, Т13О5,
Т12О3 и ТЮ. Монооксид титана имеет наиболее широкую область
гомогенности. В титане кислород легко растворяется при высокой
температуре, образуя при ее снижении упорядоченные фазы Т1вО,
Т13О, Т12О. Окисление титана на воздухе начинается при темпера-
туре около 500 °С. До этой температуры металл защищает от окисления
плотная оксидная пленка, которая прочно удерживается на его поверх-
ности, так как имеет структуру, подобную структуре титана. Наиболее
интенсивное растворение оксидов в титане, сопровождающееся быст-
рой диффузией кислорода в глубь металла, начинается при температуре
примерно 850 °С
При охлаждении из 0-области титан, загрязненный кислородом,
имеет грубоигольчатую мартенситоподобиую структуру, характерную
Рис. 1.18. Диаграммы состояния систем Т1—О2 (а); Т1—М2 (б); Т1—Н2
(в) [102,385].
для фазы, названной а' (альфа-штрих). Это искаженная вследствие об-
разования твердого раствора внедрения кислорода в титане а-фаза
титана. Кислород повышает температуру аллотропического превра-
щения а р и расширяет температурную область существования
а-фазы, т. е. является а-стабилизатором (рис. ..18). На различии в
температурах аллотропического превращения чистого и содержащего
кислород титана основано металлографическое определение степени
загрязненности поверхности титановых полуфабрикатов кислородом.
Образец, включающий поверхн стный слой, нагревают до темпера-
туры выше критической точки а-> Р-превращения для данного
сплава и закаливают. При микроанализе по наличию непревра-
щенной а-фазы судят о толщине газонасыщеиного слоя: титан с не-
большим содержанием кислорода (средняя часть образца) будет иметь
игольчатую структуру а'-фазы, образовавшейся в результате полного
или частичного распада (в зависимости от сплава) Р-фазы, поверхно-
стный слой титана, загрязненный кислородом, — структуру непревра-
щенной а-фазы, так как вследствие загрязнения кислородом для него
температура а -* Р-превращения выше температуры нагрева образца.
Поэтому такой поверхностный участок полуфабриката из титана, име-
ющий повышенное содержание примесей внедрения (газов), называют
альфироваииым слоем (рис. 1.19).
Цирконий и гафний подобно
титану активно поглощают кис-
лород при температуре выше 400—
500 °С. Наиболее интенсивное
взаимодействие этих металлов
с кислородом наблюдается при
температуре выше 800—900 °С.
Например, глубина проникнове-
ния кислорода после нагрева гаф-
ния при 950 °С в течение 2 ч пре-
вышает 0,15 мм [144]. Однако
в отличие от титана в конденси-
рованном состоянии существуют
лишь оксиды состава 2гО2 и НЮ2
[167]. В газовой фазе кроме дио-
ксидов стабильны моноокснды ти-
тана.
Ванадий растворяет кисло
род в количестве до 1% [184]
При наличии других примесей
внедрения, например азота, раст-
воримость кислорода в ванадии
резко снижается. При нагреве ва-
надия на воздухе до температуры
600 С на его поверхности обра- рис । ]д Микроструктура листо-
зуется плотная оксидная пленка, вого сплава ОТ4-2 с альфирован-
прочно связанная с металлом и за- ным слоем (Х200) [355 .
щищающая его от дальнейшего
окисления. Ванадий образует че-
тыре стабильных в конденсированном состоянии оксида: УО, У2О3,
У2О4 и У2О5. Образование хрупких и летучих оксидов У2О5 при тем-
пературе выше 600—670 °С способствует ослаблению границ кристал-
литов и ухудшению свойств ванадия. При температуре выше 675 °С
ванадий уже не обладает самозащитой против окисления ввиду рас-
плавления и сублимации оксидов (температура плавления 670 °С)
Оксиды ванадия, особенно У2О6, являются чрезвычайно токсичными,
что следует учитывать при его горячей обработке, плавке и сварке.
Ниобий растворяет кислород в количестве до 1 % [184]. Его замет-
ное окисление начинается при температуре 300 °С. Ниобий с кислоро-
дом образует твердый раствор внедрения и ряд оксидов: МЬО, МЬО2
(при температуре ниже 400 °С) и МЬ2О6 (при температуре 400 °С и выше).
В системе Г4Ь — МЬО при 1915 °С образуется эвтектика, которая при
затвердевании металла располагается на границах кристаллитов. Это
приводит к нарушению межзеренной связи и появлению хрупкости.
Тантал растворяет кислород в количестве до 0,9 % [184]. Как
и ниобий, он начинает заметно окисляться при нагреве до 300 °С.
В «габильном состоянии известен лишь одни конденсированный оксид
тантала — Та2О5. Наряду с образованием оксида тантала происходит
диффузия газов в металл и непосредственно под оксидной пленкой
образуется газонасыщенный слой.
Молибден и вольфрам обладают близкими физико-химическими
свойствами, в том числе склонностью к окислению. Они устойчивы
на воздухе до температуры 400 °С. При более высокой температуре
заметно окисляются с образованием летучих оксидов. В системе молиб-
ден — кислород образуются газообразные оксиды МоО, МоО2, МоО3,
(МоО3)л и конденсированные МоО2 и МоО3 (температура плавления
802 С).
Сведения о составах и стабильности оксидов вольфрама неодно-
значны. В конденсированном состоянии наиболее вероятно существова-
ние оксидов \\Ю2 и \\ЮЯ (температура плавления 1474 °С).
При 680—750 °С оксиды молибдена и вольфрама легко возгоня-
ются, а при более высокой температуре оплавляются. В условиях
возгонки и оплавления оксидов происходит интенсивная диффузия кис-
лорода в глубь металла. Поэтому в конструкциях, работающих при по-
вышенной температуре, молибден и вольфрам применяют с защитными
покрытиями. Без защитных покрытий молибден может быть использо-
ван в аппаратах разового действия и установках с нейтральной защит-
ной средой или вакуумом.
Хром в твердом состоянии может содержать до 0,03 % кислорода
[283]. По сопротивлению окислению хром значительно превосходит
другие тугоплавкие металлы. Стойкость хрома по отношению к окисле-
нию заметно снижается только при температуре выше 900—950 °С,
но и при 1050 °С скорость его окисления примерно в 3—3,5 раза мень-
ше скорости окисления никеля. В конденсированном состоянии суще-
ствуют следующие оксиды хрома: СгО, Сг3О,, Сг2О3, СгО2 СгО3. Такие
оксиды, как СгО, СгО2 и СгО3, могут находиться и в газообразном со-
стоянии [167]. Однако богатые кислородом оксиды нестойки и разла-
гаются при незначительном повышении температуры.
Для молибдена, вольфрама, хрома — металлов основной подгруп-
пы VI группы периодической системы элементов — характерны очень
низкие предельно возможные содержания кислорода и других при-
месей внедрения (азот, водород, углерод), в твердом растворе не
превышающие 1 • 10-'1 и даже 1 • 10“6 %. Из-за этого металлы данной
подгруппы, как правило, являются пересыщенными твердыми раство-
рами. Распад твердых растворов приводит к выделению примесей
в виде оксидов, нитридов, карбидов преимущественно по границам зе-
рен. Прочность границ при этом уменьшается, что может привести к их
разрушению и возникновению трещин.
Наличие второй фазы тормозит движение дислокаций при низких
температурах, что проявляется в повышении предела текучести с пони-
жением температуры. Наблюдается резкое падение низкотемператур-
ной пластичности и развитие процессов хрупкого разрушения.
Третью группу составляют цветные металлы, которые не растворя-
ют кислород и не вступают с ним в реакцию. Сюда относятся золото
и платина. Они не взаимодействуют с кислородом ни в твердом, ни
в жидком состоянии.
Взаимодействие металлов с азотом
Поведение азота по отношению к конструкционным метал-
лам весьма разнообразно. Тяжелые цветные металлы, а также серебро,
золото, платина и палладий ни в твердом, ни в расплавленном состоя-
нии не образуют с азотом ни растворов, ни нитридов. Например, для
меди азот является нейтральным газом при плавке и сварке.
В твердом алюминии азот также не растворяется, но при темпера-
туре около 900 °С, т. е. при перегреве жидкого алюминия иа 200—
250 °С, образуете ним устойчивое тугоплавкое химическое соединение
(см. табл. 1.4). Нитрид алюминия может находиться иа поверхности
металла в виде тонкой пленки или присутствовать в расплаве в виде
твердых включений, так как его температура плавления составляет
2427 °С [347].
Магний в интервале температур 660—700 °С взаимодействует с азо-
том с образованием устойчивого при высокой температуре соединения
М§3М2. При комнатной температуре нитрид магния разлагается,
52
например, водой с образованием аммиака Поэтому присутствие нитри-
да магния в металле не только ухудшает его механические свойства,
но и снижает коррозионную стойкость.
Бериллий активно поглощает азот, начиная с 650 °С, образуя нит-
рид Ве3М.>, отличающийся высокой твердостью. Никель вступает в
реакцию с азотом при температуре выше 1000 °С.
Металлы IV, V и VI групп периодической системы элементов —
титан, цирконий, гафний, ванадий, ниобий, тантал, хром и в меньшей
степени молибден и вольфрам, имеют большое сродство с азотом
(см. табл. 1.4), образуя с ним как твердые растворы, так и нитриды раз-
личного состава.
В титане и цирконии азот, как и кислород, стабилизирует а-фазу
(см. рнс. 1.18, б), значительно повышая температуру а -► ^-превраще-
ния. Присутствуя в металле даже в небольших количествах, азот,
как и кислород, способствует образованию а фазы. Сродство титана
с азотом настолько велико, что он является практически единственным
элементом, который горит в атмосфере азота. Скорость реакции титана
с азотом резко возрастает при температуре выше 600 °С. Продуктом
реакции является нитрид титана. Максимальная растворимость азота
в а-титане значительно больше (7,4 %), чем в 0-титане (1,9 %) [193].
Несмотря на то что ТИМ — один из наиболее тугоплавких и стойких
нитридов (температура плавления 2950 °С), при нагревании он испаря-
ется с образованием паров титана н молекулярного азота. Причем при
охлаждении нитрида эти газы не поглощаются.
До температуры 400—500 °С цирконий реагирует с азотом весьма
медленно. Интенсивное взаимодействие с азотом с образованием нитрида
ХгЫ начинается с 800—900 °С.
Гафний заметно поглощает азот уже при температуре 300 °С. Нио-
бий растворяет до 0,063, а тантал — до 0,9 % азота [184]. Заметное
поглощение азота этими металлами начинается с температуры 300—
400 °С. Ниобий и тантал образуют с азотом хрупкие нитриды.
Молибден и вольфрам растворяют до 0,0002 % азота [186]. Реакции
взаимодействия с азотом у этих металлов начинаются при весьма высо-
ких температурах: у молибдена при 1500 °С, а у вольфрама — выше
2000 °С, причем нитрид вольфрама образуется лишь при 2300 °С.
Для хрома азот является наиболее вредной примесью. Его охруп-
чивающее влияние проявляется уже при содержании в металле 0,002—
0,003 %. Интенсивное насыщение металла азотом начинается при
800—900 °С.
Значения энергии Гиббса реакций металлов с азотом показывают,
что сродство легких н химически активных цветных металлов с азотом
выше, чем железа (см. табл. 1.4) [158]. Наибольшим сродством в широ-
ком диапазоне температур обладают титан и цирконий.
Взаимодействие металлов с водородом
Водород заметно растворяется во всех цветных металлах,
за исключением золота и серебра,в которых его растворимость ничтож-
но мала. По характеру взаимодействия с водородом конструкционные
цветные металлы можно разделить иа две группы 152, 169].
Металлы первой групы не образуют с водородом устойчивых гидри-
дов, а только растворы с суммарным отрицательным энергетическим
эффектом растворения (эндотермический процесс). Содержание водо-
рода в этих металлах как в твердом, так и в жидком состоянии увели-
чивается с повышением температуры (рис. 1.20). К этой группе отно-
сятся алюминий, магний, бериллий, медь, никель, цинк, свинец,
серебро, золото, платина, палладий, хром, молибден, вольфрам
Рис. 1.20. Зависи-
мость раствори-
мости водорода в
алюминии, меди и
никеле от темпера-
туры (рп ^0,1 МПа)
[158, 366].
^табл. 1.30) [169]. При плавлении металлов этой
группы растворимость в них водорода скачкооб-
разно возрастает. Так, количество водорода, рас-
творяющегося в жидком металле, по сравнению
с количеством, растворяющимся в твердом метал-
ле при температуре плавления, скачкообразно
возрастает для алюминия почти в 20 раз. для
меди в 6 раз, для никеля в 1,93 раза. Среди лег-
ких металлов по поглощению водорода в жидком
и твердом состояниях выделяется магний; мини-
мальное количество водорода растворяется в бе-
ри ллии. Водород в значительных количествах рас-
творяется в твердой и жидкой меди. Он оказы-
вает особенно отрицательное воздействие на медь,
содержащую кислород. Такая медь становится
хрупкой и растрескивается (водородная болезнь).
Никель, как и медь, поглощает большое коли-
чество водорода и подвержен водородной хруп-
кости. Цинк по растворению водорода близок
к меди. Из благородных металлов наибольшей
способностью поглощать водород обладает пал-
ладий. В одном объеме палладия может раствори-
Таблица 1.30. Растворимость водорода в некоторых цветных металлах
при атмосферном давлении
Растворимость водорода
Металл Т, °с см3/100 г металла массовая доля, % объемная доля» %
Алюминий 300 0,001 9,44-10-8 0,0024
660тв 0,036 3,4-10"’ 0,0862
660 ж 0,69 6,52-10-6 1,65
700 0,92 8,7-10-6 2,2
800 1,67 1,67-10-’ 4,0
Магний 650 тя 20 1,9-10"’ 35
650ж 26 2,34-10"3 45,5
800 40 3,6-10'3 70
Медь 500 0,3 2,7-Ю"5 2,6
700 1,1 9,9-10"6 9,8
900 2,4 2,15-10"’ 21,4
1100 13,0 1,17-Ю-3 117,0
1400 23,5 2,1-10"3 211,7
Цинк 300 1,10 9,89-10"5 7,8
400 1,73 1,55-10"’ 12,3
Никель 500 4,10 3,7-10"’ 36,3
1000 9,80 8,7-1 86,7
1300 14,70 1,32-10"3 130,1
1500 41,60 3,74-10"3 368.1
1600 43,10 3,87-10"3 381,0
Ться до 900 объемов водорода [413]. При этом палладий заметно
увеличивается в объеме и становится хрупким Водород и дейтерий
способны легко диффундировать сквозь нагретый листовой палладий.
При температуре 400—600 °С палладий проницаем только для водорода
[413]. Молибден не реагирует с водородом вплоть до температуры
плавления.
Металлы второй группы образуют с водородом устойчивые гидриды,
они способны поглощать водород в больших количествах. Абсорбция
водорода металлами этой группы является экзотермическим процес-
сом. При постоянном давлении содержание водорода в металлах умень-
шается с повышением температуры. К этой группе относятся титан,
цирконий, гафний, ванадий, ниобий, тантал. Некоторые данные о раст-
воримости водорода в металлах второй группы приведены в табл. 1.31
[169]. При плавлении металлов второй группы, как и первой, раствори-
мость в них водорода скачкообразно возрастает. Величина скачка раст-
воримости составляет, например, для тантала 1,73, для ниобия 2 [1721.
Таблица 1.31. Растворимость водорода в некоторых гидридообразующих
цветных металлах при атмосферном давлении, см3/г металла
7, °С п 1Л V мь Та
20 407,4 235,5 150 104 46
300 400 234 68 88 33
500 354 210 18,4 47,4 14
700 220 176 6,4 9,7 4,2
900 90 138 3,2 4 1,8
1000 65 78 2,4 1,63 1,4
1100 40 47 2 —• 1,1
По мере перегрева гидридообразующнх жидких металлов растворимость
в них водорода снижается (рис. 1.21). Для металлов второй группы ха-
рактерна повышенная растворимость водорода по сравнению с метал-
лами первой группы. Даже при высокой температуре, когда раство-
римость водорода в гидридообразующих металлах резко снижается, со-
держание водорода в них намного превышает содержание водорода
в металлах первой группы, не образующих гидриды.
Рис. 1.21. Зависимость растворимости
второй группы от температуры:
а — в титане (ри^ = 3,4 кПа) [193], 6 — в ниобии (рн< = 6,8 кПа) [194],
Во второй группе металлов по способности поглощать водород
выделяются титан и цирконий: растворимость водорода в гитане пре-
восходит растворимость водорода в железе в тысячи раз. Заметное
поглощение водорода тиганом начинается с температуры 300 °С. При
содержании водорода около 1.5 % и температуре 320^С р-фаза претер-
певает эвтектоидное превращение, в результате которого образуются
твердый раствор водорода в а-гитане и соединение Т1Н2. Максималь-
ная растворимость водорода в а-титане при эвтектоидной температуре
равна 0,2 % С понижением температуры до комнатной она резко умень-
шается до 0,001 %. Максимальная растворимость водорода в 0-тнтане
при 600 V равна 2 % [1761. Скорость растворения водорода с возраста-
нием температуры увеличивается. В противоположность реакции ти-
тана с кислородом и азотом при взаимодействии его с водородом на
поверхности металла ие образуется пленка. Растворение водорода в ти-
тане увеличивает параметр кристаллической решетки металла до
15 %. в результате чего в нем возникают большие внутренние напря-
жения | 1761-
Различие в пог/ющении водорода цветными металлами обусловли-
вает различное поведение этих металлов в процессе нагрева и охлажде-
ния. У металлов первой группы при охлаждении растворимость водо-
рода уменьшается, изостерическое давление возрастает, в результате
водород, поглощенный металлом при высокой температуре, стремится
выйти из раствора и, создавая локальные концентрации в силу неод-
нородности, может вызвать образование дефектов (надрывы трещины).
У металлов второй группы при охлаждении растворимость водорода
увеличивается, изостерическое давление падает и водород остается в ме-
талле, образуя твердый раствор и гидриды. При нагреве происходит
обратный процесс: изостерическое давление водорода, содержащегося
в металле при низкой температуре, повышается и водород стремится
покинуть металл. При этом в металле может образоваться дефект, если
водород не успеет выйти из него за время пребывания металла при вы-
сокой температуре. Таким образом, взаимодействие металлов второй
группы с водородом — процесс обратимый Изменение температуры
или парциального давления водорода над металлом смещает равновесие
в ту или иную сюрону до тех пор, пока в системе металл — атмосфера
не установится равновесие и концентрация водорода в металле не
достигнет значений, соответствующих этому равновесному состоянию.
Повышение температуры и уменьшение внешнего общего давления
приводит к понижению концентрации водорода в металле. На этом ос-
новано удаление водорода из цветных металлов и их сплавов с помощью
вакуумного отжига. Вакуумный отжиг позволяет довести содержание
водорода в металлах, в том числе и в гитане и цирконии, до весьма ма-
лых количеств—тысячных долей процента. Например, для титана
наиболее эффективен отжиг в высоком вакууме при 800—900 °С в те-
чение 6—10 ч в зависимости от сечения изделий [176]. Выделение во-
дорода из цветных металлов второй группы происходит и в атмосфере
инертных газов высокой чистоты, однако процесс идет весьма медленно
и практического значения не имеет.
Примеси — металлы и металлоиды —
в цветных металлах
Все промышленные сорта цветных металлов помимо газов
содержат другие неизбежные примеси Большинство из них ухудшают
физико-химические свойства металла, повышают его склонность к хруп-
кому разрушению, снижают технологичность при обработке и сварива-
емость, поэтому их количество строго регламентируется (например,
железо в алюминии, углерод в титане). Взаимодействие примесей
с цветными металлами носит различный характер Примеси могут вхо
дить в твердые растворы, образовывать химические соединения, в том
числе ингерметаллиды, а также выделяться в металле в виде отдельной
фазы (например, свинец, углерод в виде графита). Практически все
примеси, растворяющиеся в металлах, за исключением углерода, дают
растворы замещения Углерод, как и примеси-газы, образует с металла-
ми растворы внедрения Так как примеси, в том числе газы, оказыва-
ющие наибольшее влияние на свойства металла и действующие идентич-
но, всегда присутствуют в нем совместно, удобно оценивать роль
примесей по сведенному показателю — эквиваленту. Для титана, на-
пример, суммарное влияние основных примесей характеризуют эквива-
лентом кислорода, который определяется из уравнения
2
°экв = 0 + 2Ь1 + Т С> (I-10)
где Оэкв — эквивалент кислорода, %; О, Ы, С— содержание примесей
в металле, %
Экспериментально установлена связь между твердостью титана
и его эквивалентом кислорода:
НВ = 40 + ЗЮ/О^ (|Л1)
Основными примесями технического алюминия являются железо,
кремний и медь. В твердом алюминии железо растворяется незначи-
тельно. Оно может присутствовать в алюминии в виде самостоятельной
фазы РеА13. Железо — вредная примесь в алюминии и в большинстве
его сплавов. Оно снижает коррозионную стойкость алюминия, резко
уменьшает пластичность и электрическую проводимость, но несколько
повышает прочность. В некоторых алюминиевых сплавах железо в со-
четании с никелем является полезной примесью |32]. Кремний — обыч-
ная примесь в алюминии. В ряде алюминиевых сплавов кремний спе-
циально добавляется вместе с медью, магнием, цинком, марганцем
и другими элементами. Образующиеся при этом соединения (СиА12,
М§281, СиМёА12 и др.) эффективно упрочняют алюминиевые сплавы.
Кремний оказывает на свойства алюминия такое же влияние, как и
железо. Аналогично на алюминий действует и медь, которая также ог
раниченно в нем растворяется. С серой, фосфором и углеродом алюми
ний взаимодействует лишь при высокой температуре.
Физико-химические свойства магния, и в первую очередь его
коррозионную стойкость, примеси (железо, медь и никель) ухудшают.
С этими примесями магний образует твердые растворы и химические
соединения. Аналогично иа магний действуют натрий и калий. При
температуре 500—600 °С магний вступает во взаимодействие с серой,
образуя сульфид магния.
Железо, никель и медь хорошо растворяются в бериллии; алюми-
ний и кремний в нем малорастворимы. Со многими элементами (алюми-
ний, кремний и др.) бериллий образует эвтектики, а с серой, фосфором
и углеродом — химические соединения (подобно алюминию и магнию).
К числу наиболее вредных примесей меди и ее сплавов относятся
висмут, свинец, сурьма, мышьяк. Висмут — элемент с ничтожно ма-
лой растворимостью в твердой меди. Практически не растворяется
в медч в твердом состоянии и свинец, который кристаллизуется в по
следнюю очередь и образует легкоплавкие прослойки на границах крис-
таллитов. Тысячные доли процента висмута и сотые доли процента
свинца делают медь красноломкой. Поэтому их содержание в меди,
Рис. 1.22. Диаграмма состо-
яния системы Си—5 [144].
ля. Сера образует с медью
предназначенной для сварных изделий,
ограничивают. Отрицательно влияет иа
пластические свойства и свариваемость
меди сурьма. Оиа растворяется в меди,
а также образует с ней хрупкое соедине-
ние Си25Ь и эвтектику, которая, рас-
полагаясь иа границах кристаллятов,
резко ухудшает пластичность и свари-
ваемость металла. Сурьма понижает
электрическую проводимость и тепло-
проводность меди. Такое же влияние
на медь оказывает мышьяк, который
вызывает образование в ней дендрит-
ной структуры и хрупкого соедииеиия
Си3Аз. Сера хорошо растворяется в рас-
плавленной меди, однако при затвер-
девании растворимость ее падает до ну-
химическое соединение, включения кото-
рого существенно снижают пластичность металла при холодной и го-
рячей обработке давлением и ухудшают свариваемость (рис. 1.22).
Отрицательно влииют на свариваемость меди также селен и теллур,
которые незначительно растворимы в твердом металле и образуют
с ним химические соединения.
Вредными примесями никеля являются сера и углерод, образующие
с ним химические соединения и эвтектики. Отрицательно действуют на
механические, физические и технологические свойства никеля висмут,
свинец, сурьма, мышьяк и фосфор, которые практически не растворимы
в никеле. Кремний ограниченно растворим в никеле. Он снижает плас-
тичность никеля и особенно его сплавов. Алюминий, железо и марганец
образуют с никелем непрерывный ряд твердых растворов в значительной
области концентраций Отрицательного влиянии иа свойства никеля
и его сплавов эти примеси не оказывают. В ряде случаев при определен-
ных содержаниях их действие на никель положительно: алюминий по-
вышает механические свойства, железо улучшает обрабатываемость.
марганец является хорошим раскислителем и парализует вредное
действие серы.
Основные примеси свинца — висмут и цинк — образуют с ним
хрупкие твердые растворы. Оии снижают пластичность и кислото-
упорность металла. Растворяется в свинце также медь, которая повы-
шает предел ползучести и улучшает устойчивость свинца против дей-
ствия серной кислоты. Натрий, кальций и магний резко повышают
прочность свинца, но снижают его химическую стойкость. Барий и ли-
тий повышают твердость свинца. Кадмий, теллур и олово повышают его
твердость и сопротивление усталости
На физико-химические свойства цинка отрицательно влияют сви-
нец, висмут, сурьма, мышьик. Эти элементы очень мало растворяются
в нем. Олово образует с ним эвтектику при 199 °С. Если в цинке одно-
временно присутствуют олово и свинец, то образуется тройная эвтек-
тика с температурой плавления 150 °С. Располагаясь на границах
кристаллитов, эвтектика нарушает связь между ними, и при горячей
обработке давлением такой сплав легко разрушается. Железо образует
с цинком интерметаллическое соединение Ёе2п, повышающее твер-
дость и хрупкость металла. Охрупчивают цинк также сульфиды типа
7п5. В определенных пределах концентраций на свойства цинка поло-
жительно влияют алюминий, магний и медь.
Золото сплавляется со многими металлами, однако с неметаллами
(кроме галогенов) не взаимодействует даже при высоких температурах.
Соединения золота непрочны и легко восстанавливаются до металла.
Серебро с алюминием, мышьяком, сурьмой, оловом, фосфором, серой
и некоторыми другими элементами образует химические соединения.
В серебре растворимы (с образованием эвтектик) кремний, медь, никель
Платина сплавляется с большинством металлов, часто образуя с ними
широкие области твердых растворов и многочисленные соединения
(фазы Лавеса). Палладий при нагревании взаимодействует с серой,
фосфором, селеном, мышьяком и кремнием, с большинством металлов
образует сплавы.
Для металлов подгруппы титана (титан, цирконий, гафний) зако-
номерности взаимодействия с металлами и неметаллами весьма близки.
Они образуют металлические соединения со многими металлами, а так-
же соединения с большинством неметаллов. К числу основных примесей
этой группы металлов относится углерод, который может находиться
в них как в виде твердого раствора, так и в виде карбидов Раствори-
мость углерода в твердых металлах незначительна (например, в а-ти-
тане максимальная растворимость 0,28 %, а 0-титане — 0,06 %) [102].
Поэтому содержание в металле уже десятых долей углерода приводит
к выделению карбидов и хрупкости металла. Сера и фосфор не являются
сопутствующими примесями металлов подгруппы гитана. Подробных
исследований о влиянии этих примесей на механические и коррозион-
ные свойства титана, циркония и гафния в литературе нет. Известно
лишь, что сера и фосфор растворимы в них незначительно
Для металлов основной подгруппы V группы периодической си-
стемы (ванадий, ниобий, тантал) характерна общность характера
взаимодействия с другими металлами и неметаллами. С основными при-
месями — углеродом и кремнием, а также с бором они образуют хруп-
кие химические соединения: карбиды, силициды, бориды. В связи с
этим для данных металлов высокой чистоты устанавливают весьма
жесткие допуски на содержание указанных примесей (например, в нио-
бии высших сортов содержание углерода, бора и кремния не должно
превышать следующие значения (%): 0,002 С; 0,0001 В; 0,005 51 [360].
Металлы основной подгруппы VI группы (молибден, хром, воль-
фрам) особенно чувствительны к примесям вследствие их большой
склонности к переходу в хрупкое состояние. Наибольшее охрупчиваю-
щее влияние на них оказывают такие элементы, как углерод, кремний,
сера. Поскольку растворимость примесей в металлах данной подгруп-
пы ничтожно мала, в металлах технической чистоты могут появляться
включения карбидов, силицидов и других соединений Для сохранения
достаточной вязкости содержание примесей в металле должно быть
чрезвычайно низким (например, содержание углерода в молибдене не
должно превышать 0,005 % [144]).
В табл. 1.32 даиа общая характеристика взаимодействия конструк-
ционных цветных металлов с элементами, содержащимися в них в ка-
честве примеси и добавок.
1.3. Легирование цветных металлов
и сплавы на их основе
Во многих случаях цветные металлы не могут быть доста
точно эффективно использованы в технике из-за относительно низкой
прочности, неудовлетворительных свойств при повышенной или низ-
кой температуре и других условиях эксплуатации. Поэтому разрабо-
таны и освоены металлургической промышленностью сплавы на основе
цветных металлов применение которых даст возможность решать раз-
нообразные задачи современной техники.
Таблица 1.32. Характеристика взаимодействия основных примесей
Металл Ее Мп А1 Си Ы1 РЬ 5п
Алюминий Р, Э, ХС э, ХС, Р, Э, ХС Э, ХС р, ф э
ф
Магний Р, ХС Р, ХС р Р, Э, ХС Р,Э, ХС ХС, Ф ХС
Бериллий р Р, э Р, э р
Медь р р Р, Э, ХС р Э, Ф Р, ХС
Никель Р, ХР р Р, ХС р Э, Ф
Свинец р р Р, э
Цинк ХС р р э э
Золото р р р Э, ХС Р
Серебро Платина Палладий ХС Р, э Р, э р Э, Ф ХС
Титаи Р, Э, ХС Р, П, ХС Р, П, ХС Р, Э, ХС Р, П, ХС ХС Р, П, ХС
Цирконий Э, ХС ХС Р, П, ХС ХС Э, ХС ХС П, ХС
Гафний ХС ХС ХС ХС
Ванадий Р, ХС Р, ХС Р, ХС р Р, ХС Р, ХС
Ниобий Э, ХС ХС ХС р Р, ХС ХС
Тантал Э, ХС ХС ХС р Р, ХС ХС
Молибден Р, ХС р Р, ХС Э, ХС
Хром Р, ХС р ХС Э, ХС
Вольфрам Р, ХС ХС П, ХС
Примечание. Р — раствор, Э — эвтектика, П — перитектика, ХС — х ими
Алюминиевые сплавы характеризуются высокой удельной проч-
ностью. Предел прочности их достигает 500—700 МПа. По удельной
прочности алюминиевые сплавы приближаются к высокопрочным
сталям.
В качестве основных легирующих элементов для алюминия исполь-
зуют магнии, марганец, медь, кремний, цинк, реже — литий, никель,
титан, цирконий, бериллий. Большинство легирующих элементов об-
разуют с алюминием твердые растворы ограниченной растворимости,
а также промежуточные фазы с алюминием и между собой (например,
Мй28!, СцА12).
Алюминиевые сплавы классифицируют по технологии изготовле-
ния (деформируемые и литейные), способности к термической обработке
(неупрочняемые и упрочняемые термообработкой) и свойствам (повы-
шенной пластичности, нормальной прочности, высокопрочные, жаро-
прочные. коррозионно-стойкие и др.) (рис. 1.23) К классу неупрочня-
емых термической обработкой относится наиболее распространенные
сплавы систем А1—Мп (АМц) и А1 — Мд (АМг) (табл. 1.33). Эти сплавы
отличаются высокой пластичностью хорошей свариваемостью и высо-
кой коррозионной стойкостью. Деформируемые полуфабрикаты из
сплава АМц выпускают в мягком и полунагартованном состоянии
(АМцМ и АМцП). Мягкие полуфабрикаты получают после отжига,
полунагартованные листы — неполной нагартовкой отожженных лис-
тов или неполным отжигом нагартованных листов. В табл. 1.34 [144]
металлов и металлоидов с цветными металлами
В1 8Ь 8е Те Аз 8 р с 81
р Э, Ф э, хс р. Э, э, хс э, хс Р, хс хс хс хс э, хс хс хс хс э, хс хс хс хс Р, Э, Ф Р, э, хс э, хс Р, э р
Э, Ф хс Э, Ф э, Ф, Э, Ф, Э, Ф э, хс э, хс Р, э, хс Р, хс
р р хс хс хс хс р хс хс хс хс
э р р. э э э, хс хс хс р э, хс хс э хс хс хс хс хс Р, э
Р, хс хс Р, хс хс хс Р, хс хс Р, хс хс хс э, хс хс хс р Р, хс, хс э, хс
хс Р, хс хс хс хс хс хс ф хс хс
хс Р, хс хс хс хс хс хс хс хс хс хс хс ХС хс хс хс хс хс хс хс хс э, хс хс хс хс хс э, хс хс хс хс хс хс хс хс хс хс хс хс э, хс э, хс э, хс хс Р, хс
ческое соединение, Ф — самостоятельная фаза.
приведены типичные механические свойства
сплава АМц, а также механические свой-
ства некоторых сплавов типа АМг в нагар-
тованном и отожженном состояниях. От-
жиг нагартованных алюминиевых сплавов
типа АМц производят обычно в интервале
температур 450—470 °С, типа АМг — в ин-
тервале 350—420 °С [144] Самое широкое
распространение в сварных конструкциях
получили сплавы типа АМг и среди них
АМг5 и АМгб. Такие сплавы применяют
там, где требуется сочетание достаточно
высокой прочности и коррозионной стой-
кости основного металла и сварных соеди-
нений, например в вагонах, судах, мостах,
опорах линий электропередач и др. [265]
Низколегированные сплавы с невысокой
прочностью, но имеющие повышенную
коррозионную стойкость, так же, как спла-
вы типа АМц, успешно применяют в хи-
мическом машиностроении и строительных
конструкциях [265].
Рис. 1.23. Классификация
алюминиевых сплавов по
бинарной диаграмме:
/ — деформируемые; 2 — литей-
ные; 3 — деформируемые, не-
упрочняемые термической обра-
боткой; — деформируемые. уп-
рочняемые термической обра-
боткой.
Таблица 1.33. Марки и химический состав свариваемых алюминиевых
Марка Си Мй Мп 7.п
ГОС! 4784-74 Цифро- вое обозна- чение Стандарты СЭВ 730—77 СЭВ 996—78
АМц 1400 А1Мп1 0,1 0,2 1,0—1,6 о,1
АМцС 1401 — 0,1 0,05 1,0—1,4 0,1
АМг1 1510 А1М§1 0,1 0,7—1,6 0,2 —
АМг2 1520 А1М₽2 0,1 1,8—2,6 0,2—0,6 0,2
АМгЗ 1530 А1МцЗ 0,1 3,2—3,8 0,3—0,6 0,2
АМг4 1540 А! М§4 0,1 3,8—4,5 0,5—0,8 0,2
АМгб 1550 А1МЙ5 0,1 4,8—5,8 0,3—0,8 0,2
АМгб 1560 А1М§6 0,1 5,8—6,8 0,5—0,8 0,2
АВ31 1310 А1Мй5| 0,1 0,4—0,9 0,1 0,2
АВ 1340 А151М §Сп 0,1—0,5 0,45—0,9 0,15—0,35 0,2
В95 1950 А12п6Мц2Си2 1,4—2,0 1,6—2,8 0,2—0.6 5,0—7,0
1915 1915 А12п4М§2 0,1 1,3—1,8 0,2—0,6 3,4—4,0
— 1201 — 6,3 — 0,3 —
— 1420 — — 5,0-6,0 — —
♦ Алюминий — основной компонент; содержание каждой примеси не более
Один из термически упрочняемых алюминиевых сплавов — сплав
В95 — принадлежит к системе А;—2п—М§—Си с добавками марганца
и хрома (см. табл. 1.33) Марганец н хром повышают коррозионную
стойкость и усиливают эффект старения сплава, кроме того, марганец
устраняет вредное влияние железа. После термического упрочнения
(табл. 1.35) [144] сплав имеет следующие механические характеристики:
ов « 600 МПа, о0 2 « 550 МПа, о « 12 % [144] Недостатками сплава
являются пониженная пластичность и чувствительность к концентра'
ции напряжения, а также затруднения, возникающие при сварке плав'
лением При контактных способах сплав сваривается удовлетворитель'
но. Разработай ряд отечественных термически упрочняемых сплавов
иа основе алюминия обладающих удовлетворительной свариваемостью.
Наибольшее применение находит сплав типа 1915 (см. табл 1.33).
Этот высокопрочный сплав после термической обработки (см. табл.1.35)
имеет предел прочности ие менее 370 МПа. Сплав 1915 выпускается
четырех типов:
ов, МПа б, %
1915, естественно состаренный в течение 30 суток 315 10
1915М, отожженный <275 12
1915 Т, закаленный и естественный состаренный 345 10
в течение 30 суток
1915 Т1, закаленный и искусственно состаренный 375 8
Сплав 1201 (см. табл. 1 33) так же, как и сплав 1915, относится
к термически упрочняемым свариваемым сплавам, значительно пре-
восходящим по прочности свариваемые сплавы, не упрочняемые термо-
обработкой (например, АМг5, АМгб). После упрочняющей термической
деформируемых сплавов* [260], %
Ее 51 и Т1 Сг 7г Ве
0,7 0,6 0,2 _-
0,25—0,45 0,15—0,35 — 0,1 — — —
0,1 0,1 — — —— — —
0,4 0,4 — 0,1 0,5 — —
0,5 0,5—0,8 — 0,1 0,05 — —
0,4 0,4 — 0,1 0,25 —— 0,005
0,5 0,5 — 0,02—0,10 — — 0,0002—0,005
0,4 0,4 — 0,02—0,10 — — 0,0002—0,005
0,5 0,3—0,7 — 0,15 — — —
0,5 0,5—1,2 — 0,15 0,25 — —
0,5 0,5 — — 0,1—0,25 — —
0,4 0,3 — 0,1 0,08—0,2 0,15—0,22 ——
— — — 0,06 — 0,17 0,1
— — 1,9—2,3 — — 0,15 —
0,05 %. суммарное — 0,1 %.
Таблица 1.34. Механические свойства сплавов АМц и АМг
Марка ов, МПа °0, 2’ МПв % Примечание
АМцМ 127,5 49 23 Без термообработки
АМцП 157 127,5 10 То же
АМг2 196 98 23 Отжиг
АМг2 245 196 10 Неполный отжиг
АМгб 334 167 20 Отжиг
АМгб 383 294 10 Нагартовка 20 %
Таблица 1.35. Режимы термической обработки высокопрочных
алюминиевых сплавов
Марка Темпера- тура закалки, °С Старение Примечание
т. »с Время выдержки, ч
В 95 465 120 12
1915 450 100 175 10—24 3—5 Ступенчатое старение То же
1201 535 200—220 170—180 12 12—18 Работа при нормальной темпе- ратуре Работа при высокой темпера- туре (до 250-300 °С)
обработки (см. табл. ! 35) предел прочности сплава 1201 составляет не
менее 390 МПа 1144]. В ряде сварных конструкций используются дур-
алюмииы — термически упрочняемые сплавы повышенной прочности
системы А1 — Си — Мр — Мп типа Д1 Д16 и др. (химический состав
(%): 3,8—4,9 Си; 0,4—1,6 Мц; 0,4—0,9 Мп) с ав = 410 -г 460 МПа
по ГОСТ 4784—74, Жаропрочные сплавы типа АК (АК4, АК4-1 и др.),
работающие при Т С 300 °С, легируют медью, никелем, железом, обра-
зующими упрочняющие фазы (например РейЛА1в в сплавах АК4 и
АК41). Сплав АК4-1 является одним из наиболее прочных алюмини-
евых сплавов в интервале температур 250—300 °С (ов ~ 175 МПа;
6 12 %) [144]. Однако он имеет низкую коррозионную стойкость
и требует применения специальных мер защиты от коррозии (плакиро-
вание чистым алюминием, анодирование и др.). Сплав ограниченно сва-
ривается. Такие сплавы, как АК6, АК8, обладают удовлетворительной
пластичностью. Они хорошо поддаются горячей пластической деформа-
ции и удовлетворительно свариваются. Их предел прочности 390—
490 МПа. Сплавы этого типа подвержены естественному старению, ис-
кусственное старение при 150—165 °С (после закалки от 490—505 °С)
позволяет сократить длительность состаривания по сравнению с есте-
ственным примерно в 10 раз [144] В литых деталях из алюминиевых
сплавов приходится исправлять дефекты с помощью сварки. Наиболее
распространены литейные сплавы системы А1 — 81 — силумины
(табл. 1.36).
Магниевые сплавы характеризуются высокой удельной проч-
ностью. Предел прочности этих сплавов достигает 390 МПа при плот-
ности менее 2 г/смэ [317]. В качестве основных легирующих элементов
для магния используют марганец, алюминий, цирконий, циик, церий,
неодим. Алюминий, цинк, цирконий и церий улучшают механические
свойства магниевых сплавов; цирконий и марганец повышают их корро-
зионную стойкость; неодим и церий придают им повышенную жаро-
прочность. Наибольшую жаропрочность магния при температуре
300 °С и выше обеспечивает торий [97]. Классификация магниевых
сплавов аналогична приведенной выше для алюминиевых сплавов. Хи-
мический состав и механические свойства некоторых промышленных
деформируемых магниевых сплавов даиы в табл. 1.37 [144]. Термиче-
ски неупрочняемый сплав пониженной прочности МА1 имеет структуру
твердого раствора с небольшим включением марганца (0-фаза). Сплав
отличается хорошей коррозионной стойкостью и свариваемостью. Не
подвергаются термической обработке также сплавы средней прочности
(МА2, МА2-1, МА8 и МА9), которые удовлетворительно свариваются.
Введение церия в сплав МА8 позволяет улучшить его механические
свойства при температуре до 250 °С, т. е. повысить теплостойкость
сплава. Это достигается дополнительным легированием твердого раст-
вора и образованием тонкодисперснон фазы М§Се Сплавы применя-
ются в горячепрессованном или отожженном (при температуре 350 °С)
состоянии. Высокопрочные сплавы МА5 и МА14 подвергаются упроч-
няющей термической обработке — закалке с последующим искусствен-
ным старением (сплав МА 14 упрочняется в результате только старе-
ния). Сплав МА5 с повышенным содержанием алюминия упрочняется
при старении за счет возникновения фазы М§4А13, сплав МАМ с повы-
шенным содержанием цинка — за счет фазы Мб2п. Модифицирование
сплава МА 14 цирконием позволяет заметно повысить предел текучести
при удовлетворительной пластичности. Эти сплавы плохо свари-
ваются.
Весьма перспективны магниевые сплавы для работы при повышен-
ной температуре [97]. К жаропрочным магниевым сплавам относятся
термически обрабатываемые сплавы МА 11, МАИ и сплав ВМД1, кото-
64
9-366
00 Таблица 1.36. Химический состав литейных алюминиевых сплавов (ГОСТ 2685—75)*, %
Марка Мя 81 Мп Си м Т! Ве 2г
АЛ2 10,0—13,0 — — — — — —
АЛ4 0,17—0,3 8,0—10,5 0,2—0,5 — — — — —
АЛ9 0,2—0,4 6,0—8,0 — — — — — —
АЛ34 (ВАЛ5) 0,35—0,55 6,5—8,5 — — — 0,1-0,3 0,15—9,4 —
АЛ5 0,35—0,60 4,5—5,5 — 1,0—1,5 — — — —
АК5М7 (АЛ 10В) 0,2—0,5 4,5—6,5 — 6,0—8,0 — — — —
АК7М2 (АЛ 14В) 0,2—0,6 6,0-8,0 0,2—0,6 1,5—3,0 — — — —
АЛ19 — — 0,6—1,0 4,5-5,3 — 0,15—0,35 — —
АЛ8 9,3—10,0 — — — — — — —
АЛ 27 9,5—10,5 — — — — 0,05-0,15 0,05—0,15 0,05—0.20
А Л 29 6,0—8,0 0,5—1,0 0,25—0,6 — — — — —
А Л 25 0,8—1,3 11,0—13 0 0,2-0,6 1,5—3,0 0,8—1,3 0,5—0,20 — —
АЛЗО 0,8—1,3 11,0—13,0 — 0,8—1,5 0,8—1,3 — — —
АЛ26 0,4—0,7 20,0—22,0 0,4—0,8 1,5—2,5 1,0—2,0 До 0,2 До 0,3 —0,1—0,4
♦ Алюминий — основной компонент.
Таблица 1.37. Химический состав, %, и механические свойства
деформируемых магниевых сплавов (ГОСТ 14957—76)
Марка Мп 7.п А1 Другие элементы МПа °0,2’ МПа 6, %
МА1 1,3—2,5 195 100 8
МА2 0,15—0,5 0,2—0,8 3,0—4,0 — 240 165 15
МА2-1 0,4—0,8 0,8—1,5 3,8—5,0 — 265 157 10
МА5* 0,15—0,5 0,2—0,8 7,9—9,2 — 315 215 14
МА8 1.5—2,5 — — 0,15—0,35Се 255 145 7
МА9 1,0—1,3 — 0,3-0,7 1,0—3,0Сс1 235 155 13
МАИ* 1,5-2,5 — — 2,5—4,0Мс1 0,1—0,25X4 275 140 10
МА13* 0,4—0,8 — — 1,7—2,5111 216 157 4
МА14* — 5,0—6,0 — 0,2—0,92г 345 295 9
ВМД1 1,2—2,0 — — 2,5—3,5ТЬ 295 245 5
* Дня этих сплавов механические свойства приведены после закалки и старения,
для остальных — в горячедеформпроваииом состоянии.
рый термически ие упрочняют, а применяют в горячедеформнровап-
ном или отожженном состоянии. Жаропрочность сплава МАИ обус-
ловлена легированием неодимом и никелем. Сплав может кратковре-
менно работать при 350 °С и длительно — при 250 °С. Сплавы МА13
и ВМД1 легированы торнем, обеспечивающим теплоустойчивость при
длительной работе при температуре до 400 °С. Сплавы этой группы удов-
летворительно свариваются и обрабатываются давлением.
Для магниевых сплавов используют следующие режимы упрочня-
ющей термической обработки: закалка от температуры 500—570 °С
(возможно применение воздушной закалки), старение при 175—200 °С.
Бериллиевые сплавы изучены недостаточно, так как бериллий
применяется в качестве самостоятельного конструкционного металла
с начала шестидесятых годов [364]. Полиморфизм бериллия давал ос-
нование предполагать, что удастся создать не только однофазные спла-
вы на основе а-фазы, но также сплавы, включающие 0-фазу. Предпо-
лагалось, что 0-фаза благодаря ее кубической кристаллической решет-
ке будет значительно пластичнее по сравнению с а-бериллием н спла-
вами на основе а-фазы. Однако до настоящего времени не удалось
сохранить 0-фазу при комнатной температуре, что свидетельствует о ее
крайней неустойчивости. Перспективным иа ближайшее время является
сплав бериллия с 4—5 % меди (ов = 345 ч- 665 МПа, 6=6 %).
Положительное действие меди заключается в уменьшении анизотропии
свойств бериллия [144]. Сплавы бериллия с 20—35 % алюминия отлича-
ются высокими механическими свойствами (оп = 550 МПа; б 4 %),
хорошо обрабатываются при плотности, незначительно большей
(около 2 г/см3), чем у бериллия [87]. Перспективны также сплавы берил-
лия с кремнием вследствие возможности образования пластичной фазы
[413]. Сплавы систем Ве—А1 и Ве—А1—М§ удовлетворительно обра-
батываются давлением при Т = 500 -4- 650 °С и свариваются [413].
Медвые сплавы, сохраняя положительные свойства меди (высокие
теплопроводность, электрическую проводимость, коррозионную стой-
кость), имеют по сравнению с медью повышенную прочность прн хоро-
ших технологи ческих свойствах. Для легирования меди используют
в основном растворяющиеся в ией элементы — алюминий, цинк, олово,
бериллий, кремний, марганец, никель.
Медные сплавы подразделяют на деформируемые и литейные, на
термически неупрочняемые и термически упрочняемые. Наиболее рас-
пространена классификация медных сплавов по химическому составу:
латуни (главный легирующий элемент — цинк) и бронзы (сплавы меди
с оловом, алюминием, кремнием и другими элементами при содержа-
нии цинка не более 4—5 %). Латуни и томпак содержат до 45 % цин-
ка. Его содержание в латуни обычно не выходит за пределы а-твердого
раствора по диаграмме состояния Си — 2п (39 % цинка). Такие одно-
фазные а-латуни обладают наибольшей пластичностью и удовлетвори-
тельно свариваются. При большем содержании цинка латуни имеют
двухфазную (а + Р)-структуру, обладают повышенной твердостью,
хорошо обрабатываются в горячем состоянии, ио при нормальной тем-
пературе их пластичность очень низкая и они плохо свариваются.
Кроме цинка латуни могут одновременно содержать несколько элементов
Таблица 1.38. Химический состав, % (ГОСТ 15527—70) и механические
свойства деформируемых латуней в отожженном состоянии
СО СО Е
Наименование сплава; Марка Другие
полуфабрикат элементы ёч
Ь О
Томпак; листы, трубы, Л90 80—91 — 255 117 45
ПОЛОСЫ
Полутомпак; листы, тру- Л80 79—81 — 313 117 52
бы, полосы Латунь; листы, трубы, Л 68 67—70 313 89,5 55
полосы, прутки, про- Л60 59—62 — 373 157 25
волока Л63 62-65 — 324 108 50
Латунь алюминиевая; ЛА77-2 76—79 1,79—2,5 А1 393 138 55
трубы Латунь алюмпниево-ии- ЛАН59-3-2 57-60 2,0— 3,0X1 373 294 50
келевая; трубы, прутки 2,5—3,5А1
Латунь никелевая; лис- ты, трубы, проволока Латунь алюминиево-же- ЛН65-5 64—67 5,0-6,5№ 393 167 65
ЛАЖ60-1-1 58—61 0,75—1,5А1 0,75—1,5Ре 0,10—0,60Мп 442 167 26
лезная; трубы, прутки
Латунь железомарганце- ЛЖМц59-1-1 57—60 0,1—0,4А1 442 167 50
вая; полосы, трубы, 0,6—1,2Ре
прутки, проволока 0,5—0,8Мп 0,3—0,75п
Латунь марганцевая; ЛМц58-2 57—60 1,0—2,0Мп 393 157 40
листы, прутки, прово-
лока
Латунь оловянная; лис- ЛО70-1 69—71 1,0—1,55п 345 98 60
ты, трубы, прутки, проволока ЛО62-1 61—63 0,7—1,15п 393 147 40
Латунь свинцовая; лис- ЛС59-1 57—60 0,8—1,9РЬ 393 138 45
ты, трубы, прутки, проволока
Латунь кремнистая; по- ЛК80-3 79—81 2,5—4,051 294 196 58
ковки, штамповки
♦ Остальное — циик.
2 Таблица 1.39. Химически.'! состав, %, и механические свойства деформируемых бронз и медно-никелевых сплавов
Марка; полуфабрикат 8п А1 Мп Ее Другие элементы ав, МПа 6. %
Бронзы (ГОСТ 5017—74)
Бр.ОФ6,5-0,15; поло- сы, прутки, прово- лока Бр.ОФ4-0,25; трубы Бр.ОЦ4-3; полосы, 6—7 3,5—4 3,5—4 — — — 0,1—0,25Р 0,2—0,ЗР 2,7—3,32п 393 334 345 65 52 40
прутки, проволока 3—52 п 1,5—3,5РЬ 313
Бр.ОЦС4-4-2,5; лен- ты, полосы 3—5 — — — 40
Бр.А5; ленты, по- лосы — 4—6 — — — 373 65
Бр.А7; ленты, по- лосы — 6—8 — — — 412 70
Бр.АМц9-2; прутки, полосы, ленты — 8—10 — — — 1,5—2,5Мп 491 55
Бр.АМц10-2; прутки — 9—11 — — — 1,5—2,5Мп 491 12
Бр.АН9-4; прутки — 8—10 — 2,4 — — 589 40
Бр.АЖМЦ10-3-1,5; прутки, поковки, трубы — 9—11 1,2 2—4 — 589 42
Бр.АЖН10-4-4; прут- ки, трубы — 9,5—11 — 3,5—5,5 3,5—5,5 637 42
Бр.АЖН] 1-6-6: по- ковки Бр.Б2; полосы, прут- ки, проволока Бр, КМцЗ-1; полосы, прутки, проволока Бр.КНЬЗ; прутки, поковки Бр.Мц5; поковки, листы Бр.Х0,8; поковки, листы, прутки Мельхиор МН19, МНЖМц30-0,8-1, листы, прутки КуниальА, МНА13-3; листы, прутки Куниаль, Б, МН Аб-1,5; листы, прутки Нейзильбер, МНи15-20; листы, прутки < 111111 1 1 10,5-11,5 едно-н 2,3—3,0 1,2—1,8 1—2,5 0,1-0,4 4,5—5,5 икелевые 0,8—1,3 5—6,5 сплавы (1 0,6—1 5—6,5 0,2—0,5 2,4—3,4 'ОСТ 18175— 1,9—2,2Ве 2,75—3,581 0,6—1,181 0,5—1 Ст 78) XI + Со 18—20 № 1 -)- Со 29—33 1\1 Со 12—15 М1 + Со 5,5—6,5 И! + Со 13,5—16,5 18—222п 589 1130* 362 393 729* 294 539 393 393 373 354 412 2 4,5 47 27 8 40 15 35 33 13 28 39
Деформированные полуфабрикаты после закалки и старения.
(алюминий, железо, марганец, никель, свинец и др.). Такие латуни
называют специальными. Латуни обладают высокой коррозионной
стойкостью в атмосферных условиях, пресной и морской воде, сухих
газах и ряде других сред. Однако в азотной и соляной кислотах, раство-
рах едких щелочей, аммиака и ряде других сред латуни подвергаются
коррозии. Химический состав и механические свойства деформируемых
промышленных латуней в отожженном состоянии приведены в
табл. 1.38 [317]
На свойства латуней значительное влияние оказывают примеси и
дополнительное легирование алюминием, марганцем, железом, никелем,
оловом, свинцом, кремнием. Введение в латунь дополнительного эле-
мента (кроме никеля) уменьшает растворимость цинка в меди и спо-
собствует появлению и увеличению количества Р-фазы. При введении
никеля в двухфазные (а + Р) латуни количество р-фазы уменьшается.
Предел прочности латуней наиболее эффективно повышают алюминий
и олово, в меньшей степени — марганец. Введение железа, никеля
и свинца понижает предел прочности. Комплексное легирование спе-
циальных латуней позволяет получить более высокие по сравнению
с двойными сплавами системы Си — 2п механические свойства, луч-
шую коррозионную и противокавитациониую стойкость. Основной вид
термической обработки латуней — отжиг при 350—450 °С [144]. Для
сварных изделий в основном применяются однофазные латуни; они
хорошо поддаются холодной пластической деформации, которая за-
метно повышает их прочность. Повышение содержания цинка в сплаве
ухудшает его коррозионную стойкость, уменьшает теплопровод-
ность и электрическую проводимость. Значение этих характеристик ла-
туней составляет 20—50 % соответствующих показателей меди.
Алюминиевые латуни обладают повышенными прочностью, твер-
достью и коррозионной стойкостью в морской воде (ЛА77-2). Алюми-
ннево-железные латуни (ЛАЖ 60-1-1), а также латуни, легированные
железом в сочетании с никелем и марганцем (ЛЖМц 59-1-1), имеют
хорошие технологические свойства. Для никелевых латуней (ЛН65-5)
характерны повышенная коррозионная стойкость и стойкость про-
тив истирания. Никель резко снижает склонность сплава к корро-
зионному растрескиванию. Латуни хорошо обрабатываются давлением
в холодном и горячем состояниях. Ввиду высокой коррозионной стой-
кости их применяют в судостроении. Используют в судостроении в так
называемые морские оловянные латуни (ЛО70-1, ЛО62-1). Кремний
повышает коррозионную стойкость и технологические свойства лату-
ней, улучшаются свариваемость и деформируемость в горячем и холод-
ном состояниях. Кремнистые латуни (ЛК80-3) характеризуются высо-
кими прочностью, пластичностью и вязкостью не только при комнат-
ной, но и при низких температурах (до —183 °С). Свинцовые латуни
(ЛС 59-1) относятся к группе так называемых автоматных латуней,
они хорошо обрабатываются резанием.
Химический состав и механические свойства некоторых деформи-
руемых бронз приведены в табл. 1.39 [317]. Оловянные бронзы обла-
дают высокой коррозионной н химической стойкостью. Деформируемые
бронзы содержат до 8 % олова. Они имеют однофазную структуру а-
твердого раствора. Введение в бронзу фосфора, цинка, а в отдельных
случаях свинца улучшает технологические свойства и коррозионную
стойкость сплавов. Сварка оловянных бронз связана с некоторыми
трудностями, особенно при наличии в сплаве фосфора и свинца, обра-
зующих легкоплавкие эвтектики.
Алюминиевые бронзы отличаются высокими механическими, анти-
коррозионными и антифрикционными свойствами. Они постепенно вы-
тесняют оловянные бронзы. К недостаткам двойных алюминиевых
бронз относятся склонность к газонасыщениго при нагревании до высо-
кой температуры и особенно в расплавленном состоянии и образование
при затвердевании крупнокристаллической столбчатой структуры.
Затрудняет сварку н требует специальной подготовки кромок наличие
прочных оксидных пленок (А1,О3). Легирование алюминиевых бронз
марганцем, железом и никелем существенно уменьшает эти недостатки.
Железо мало растворимо в а-фазе и присутствует в алюминиевой брон-
зе в виде включений А13Ре. Оно оказывает модифицирующее действие
на структуру бронз, повышает их прочность, твердость и антифрикцион-
ные свойства, уменьшает склонность к охрупчиванию двухфазных
бронз. Никель улучшает механические и технологические свойства
алюмиииево-железных бронз, повышает их жаропрочность и корро-
зионную стойкость. Сплавы такого типа (Бр.АЖН10-4-4) упрочня-
ются термической обработкой (закалка от 980 °С, старение при 400 °С).
Высокими механическими, коррозионными и технологическими свой-
ствами характеризуются алюминиево-железные бронзы, легированные
марганцем (Бр.АЖМц10-3-1,5).
Бериллиевые бронзы обладают благоприятным комплексом физи-
ко-химических, механических и антикоррозионных свойств. Раствори-
мость бериллия в меди уменьшается с понижением температуры. Поэтому
бериллиевые бронзы типа Бр.Б упрочняются в результате термической
обработки (закалка от 780 °С, старение при 300—350 °С). Наибольшее
распространение получили бронзы Бр.Б2, Бр.БНТ-1,7 и др. (см.
табл. 1.39). После упрочняющей термической обработки они немагнит-
ны и сочетают высокую прочность с удовлетворительным сопротивле-
нием ползучести и коррозионной стойкостью. Такие сплавы мало
склонны к хладноломкости и могут работать в интервале температур
200—250 °С. Сплавы свариваются, однако при этом выделяются ядови-
тые пары бериллия, что обусловливает необходимость усиленной венти-
ляции и дополнительной защиты сварщика. Аналогичные меры следует
принимать и при обработке бериллиевой бронзы абразивным инстру-
ментом.
Кремнистые бронзы обычно содержат не более 3,5 % кремния,
чтобы обеспечить однофазную а-структуру сплава. Они обладают высо-
кими механическими характеристиками, коррозионной стойкостью,
износоустойчивостью, антифрикционными свойствами. Высокая плас-
тичность сплава сохраняется до весьма низкой температуры. Обычно
кремнистые бронзы имеют сложный состав и кроме кремния содержат
марганец (Бр.КМцЗ-1), никель (Бр.КН1-3) и другие элементы. Бронза
Бр.КН1-3 термически упрочняется (закалка от 860 °С, старение при
500 °С). Кремнистые бронзы хорошо свариваются, так как содержат
эффективные раскислители. Нередко проволока или прутки из этого
сплава используются в качестве присадочного материала при сварке
других сплавов на основе меди.
Марганцевые бронзы отличаются высокой коррозионной стойко-
стью и жаропрочностью. Они содержат 5—12 % марганца, что обеспе-
чивает им однофазную структуру. Повышенная жаропрочность этих
бронз объясняется тем, что марганец повышает температуру рекристал-
лизации меди. Наиболее широкое промышленное применение имеет
бронза Бр.Мц5, сохраняющая удовлетворительную прочность до
400 °С (ов « 255 МПа). Хромистые бронзы (Бр. Х0,5, Бр. Х0,8) полу-
чили распространение в последние годы особенно в связи с развитием
спецэлектрометаллургии: из них успешно изготавливают изложницы
водоохлаждаемых кристаллизаторов. Легирование меди небольшим
количеством хрома не снижает заметно ее теплопроводность и электри-
ческую проводимость. Хромистые бронзы хорошо свариваются.
Медпо-никелевые сплавы (МН 19 и др.) обладают высокими меха-
ническими свойствами, коррозионной стойкостью и уникальными элек-
трическими и термоэлектрическими свойствами. Они хорошо обраба-
тываются и удовлетворительно свариваются. Применяются во многих
отраслях техники.
Никелевые сплавы — кислотостойкие, жаростойкие и жаропрочные
материалы. Наибольшее распространение получили сплавы на нике-
левой основе в сочетании с медью, хромом, молибденом, железом, ти-
таном, бериллием. Важнейшие легирующие элементы растворимы в
никеле, поэтому основные конструкционные сплавы на его основе,
обладая хорошей прочностью и удовлетворительной пластичностью,
подвергаются всем видам обработки в горячем и холодном состояниях:
ковке, прокатке, штамповке и др.
Никелевые сплавы можно условно разделить на 4 группы: кон-
струкционные (кислотостойкие), электротехнические, сплавы с осо-
быми свойствами и жаропрочные. Химический состав наиболее рас-
пространенных сплавов на основе никеля 1—3-й групп приведен в
табл. 1.40. К числу конструкционных сплавов согласно ГОСТ 492—73
отнесен технический (полуфабрикатный) никель типа НП, содержащий
небольшие добавки марганца, кремния, магния, углерода и других эле-
ментов, которые вводятся обычно как раскислители десульфураторы.
Суммарное содержание таких добавок может достигать I % (НП4).
Из никелевых сплавов первой группы наиболее распространен
сплав монель (монель-металл) — кислотостойкий сплав, содержащий
в качестве основного легирующего элемента медь. Он относится к спла-
вам типа твердых растворов и обладает высокой прочностью, хорошей
пластичностью в холодном и горячем состояниях, удовлетворительно
обрабатывается и сваривается. Сплав такого типа НМ>КМц28-2,5-1,5
имеет следующие механические свойства: <тв > 441 МПа; 6 > 25 %.
Монель широко применяется в химическом машиностроении, судостро-
ительной промышленности и других отраслях машино- и аппаратостро-
ения. Сплавы типа хастеллой и инконель обладают высокой коррози-
онной стойкостью и применяются для сварной химической аппаратуры.
К сплавам второй группы относятся кремнистый никель (НК-02),
марганцовистый никель (НМц2,5, НМц5), константан, нихром и др.
Благодаря высокой температуре испарения в вакууме, большому элек-
трическому сопротивлению и термоЭДС, хорошей жаростойкости и
ряду других ценных свойств эти сплавы успешно применяются в элек-
тротехнической радиоэлектронной и других отраслях промышленности.
Третья группа сплавов включает такие сплавы, как пермаллой,
суперпермаллой, инвар, элливар, пластилити др. Они обладают особыми
физическими свойствами и применяются для изготовления постоянных
магнитов, деталей, не подвергающихся намагничиванию, деталей
приборов с постоянными линейными размерами и т. д.
Жаропрочные и жаростойкие никелевые сплавы содержат в каче-
стве основного легирующего элемента хром, а также добавки титана,
алюминия, молибдена, вольфрама, ванадия. Никелевые деформируемые
жаропрочные сплавы предназначаются для изготовления напряжен-
ных деталей (рабочие лопатки, диски газовых гурбин), работающих при
нагревании до 800—850 °С. Из деформируемых жаростойких сплавов
изготавливают детали, которые работают при температуре, достигаю-
щей 1100 °С (жаровые трубы камер сгорания газовых турбин, форсажные
камеры реактивных двигателей, карманы смесителей жаровых труб
н др ). В табл. 1.41 [317] приведены механические свойства некоторых
наиболее распространенных деформируемых жаропрочных и жаростой-
ких никелевых сплавов. Свойства никелевых сплавов подобного типа
Таблица 1.40. Химический состав никелевых сплавов (ГОСТ 492—73),%
Наименование сплава, марка № + Со Си Ге Мп 51 СГ Други© элементы
Никель полуфабрикатный: НПО >99,98 Ко нет) аукционные с плавы Примесей не более 0,02
НП1 >99,9 — .— —. — 0,1
НП2 >99,5 —- — — — 0,5
НПЗ >99,3 —. — — 0,7
НП4 >99,0 —. .— —. — 1,0
Монель НМЖМц28-2,5-1,5 Остальное 27—29 .— 2,0—3,0Ре,
Хастеллой А ЭИ460 18—20 «3 <1 1,2— 1,8Мп 20—22Мо,
Хастеллой В ЭИ461 4—7 «3 <1 <1 0,3—0,5 V 26—ЗОМо
Хастеллой С ЭП375 4,5-7 <1 С1 15,5-17,5 16—17Мо,
Кремнистый никель НК-0,2 >99,4 Электро технические сплавы 3,75—5,25^ 0,15—0,2551
Марганцовистый никель НМц2,5 Остальное 2,3—3,3
НМц5 » 4,6-5,4 —— — —
Константан МНМц40-1,5 39—41 Остальное 0,5 1,5 0,10 — —
Нихром Х20Н80 75—78 » 0,5 1,5 0,10 20—23 .—
Алюмель НМцАК2-2-1 Остальное 1,80—2,70 0,85—1,50 1,60—2,40А)
. Хромель К НХ9 » — — — — 8,50—10,0 —
Пермаллой 65НП 70—80 Сплавы с особыми свойствами Остальное I —
Суперлермяллой 79НЛ1 со , 79 16 — 5,0Мо
закалке от температуры 1050—1200 °С и старении при 800—850 °С.
Таблица 1.41. Механические свойства никелевых деформируемых сплавов
(ГОСТ 5632—72)
Марка т, °с ств, МПа 6. % Марка т, °с ^В. МПа д, %
Жаропрочный сплав Жаростойкий сплав
ХН77ТЮ 20 981 25 ХН78Т 20 765 40
700 609 5 1000 63,6 100
ХН77ТЮР 20 981 21 ХН75МБТЮ 20 832 40
700 686 20 1000 93 49
ХН70ВМТЮ 20 112 15 ХН60В 20 768 60
800 667 8 1000 137 52
ХН70МВТЮБ 20 1030 16 ХН70Ю 20 717 75
800 686 8 1000 83 80
ХН67ВМТЮ 20 981 — 1080 20—30 ХН60Ю 20 707 60
1000 69 68
Сварка сплавов никеля связана с серьезными затруднениями, вы-
званными их особыми физико-химическими свойствами и прежде всего
большой чувствительностью к примесям-газам. Среди примесей наиболее
отрицательное влияние на сплавы оказывает углерод, содержание кото-
рого ограничивают до 0,15 %, а в некоторых сплавах даже до 0,05 %
[14], и сера. Для устранения вредного влияния серы в никелевые сплавы
добавляют до 1,5 % марганца и до 0,1 % магния, образующих туго-
плавкие сульфиды, которые в отличие от легкоплавкой и хрупкой
эвтектики ГД — ЬЛ382, выделяющейся на границах зерен, распола-
гаются внутри их. Количество серы в сплавах ограничивают до 0,005—
0,03 %. Энергично парализует вредное влияние серы литий, который
вводится в еплавы в количестве 0,004—0,006 % [317]. Фосфор ухуд-
шает механические, физические, технологические свойства никеля
и его сплавов, так как легкоплавкая хрупкая эвтектика ЬИ—?Д3Р
располагается на границах зерен и нарушает связь между ними. В спла-
вах на основе никеля допускается не более 0,005 % фосфора. Висмут,
свинец, сурьма, мышьяк резко снижают механические и технологиче-
ские свойства никелевых сплавов. Содержание этих примесей в сплавах
ограничивают до 0,002—0,005 %.
Сплавы свинца отличаются высокой удельной плотностью, низки-
ми прочностью и твердостью, хорошими антифрикционными свойст-
вами, высокой коррозионной стойкостью. Многие металлы образуют со
свинцом эвтектику (например, РЬ — В1, РЬ—СО, РЬ—5п), а некоторые
металлы (например, щелочные н щелочноземельные) — устойчивые ин-
терметаллические соединения — плюмбиды (\'а2РЬ, М§2РЬ и др.).
Для свинца вообще характерна ограниченная склонность к образованию
твердых растворов. Деформируемые сплавы на основе свинца содер-
жат в основном до 0,5—0,6 % меди и сурьмы, 0,05—0,25 % железа,
а также другие легирующие прпмесн [413]. Такие сплавы используют
как кислотостойкие материалы. Из свинцовых сплавов, легированных
сурьмой, изготовляют аккумуляторные пластины, крыльчатки венти-
ляторов, мешалки, барабаны и другое сварное химическое оборудо-
вание.
Таблица 1.42. Химический состав, %, и механические свойства
деформируемых цинковых сплавов
Марка А1 Си Мя 0В, МПа в. %
ЦАМО.2-4 0,2 4 294—353 25-30
ЦАМ2-5 2 5 — 393 95—11
ЦАМ4-1 4 1 0,03 353—393 8—10
ЦАМЮ-2 10 2 0,03 345—442 15—20
ЦАМ10-5 10 5 0,03 294—393 12—18
ДАМ 15 15 — 0,05 432—570 5—8
ЦМ1 — 1 — 196 20
Сплавы на основе цинка (табл. 1.42) [317) обладают значительной
коррозионной стойкостью, удовлетворительными механическими и
технологическими свойствами. Наиболее распространены сплавы цин-
ка с медью, в которых содержатся небольшие количества магния:
ЦМ1, ЦАМО.2-4, ЦАМ15 [317]. Они обрабатываются давлением при
температуре 200—300 °С. Механические свойства таких сплавов, а так-
же их свариваемость близки к свойствам латуней.
Сплавы благородных металлов отличаются коррозионной стойко-
стью, жаростойкостью и другими свойствами, весьма ценными для при-
менения в новых отраслях техники. Сплавы золота выпускают по
ГОСТ 6835—80. Их легируют главным образом для повышения проч-
ности и стойкости к истиранию. В качестве легирующих используют
металлы, образующие с золотом твердые растворы (серебро, медь, пла-
тина, палладий и др.). Сплавы, легированные серебром и медью (ЗлМ,
ЗлСр, ЗлСрМ), сохраняют высокую коррозионную стойкость к орга-
ническим и неорганическим реагентам, относительно высокую электри-
ческую проводимость при повышенной прочности до 686 МПа. Высо-
кой пластичностью обладает сплав золота с никелем марки ЗлН
(6 24 %). Заменитель золота — комплексно-легированный сплав,
отличающийся повышенной коррозионной стойкостью при хорошей
пластичности (%): 23—24 Ы1; 0,75—1,5 2п; 0,002—0,1 Се; 0,01 —
0,05 Рб; остальное Ан.
Сплавы на основе серебра обладают по сравнению с серебром повы-
шенной твердостью, а также коррозионной стойкостью в условиях
воздействия серы, ее летучих соединений и других агрессивных сред.
Значительное место среди них занимают сплавы серебра с медью, а
также с благородными металлами, с которыми серебро образует непре-
рывный ряд твердых растворов. Для серосодержащих сред применяется
сплав следующего состава (%): 4—10 8п; 0,5—12,0 Та; 0,1—52п; ос-
тальное Ад. Повышение механических и технологических свойств
сплава на основе серебра достигается при легировании его лантаном.
У такого сплава прн 20 °С ав = 183 4- 185 МПа, а при 300 °С оа =
= 884-89 МПа. Сплав обладает высокой коррозионной стойкостью.
Используются также заменители серебра — коррозионно-стойкие
сплавы системы Ад—2п—Мд—Си [189]. Сплавы с повышенной жаро-
прочностью содержат магний, марганец, цирконий, лантан, иттрий, гаф-
ний, реннй и другие элементы. Химический состав сплавов серебра
регламентирует ГОСТ 6836—80.
Сплавы на основе платиновых металлов (ГОСТ 13462—79) исполь-
зуют в основном как жаропрочные и жаростойкие материалы. Для уде-
шевления сплавы легируют палладием (25—30 %) п родием (7—15 %)
{189]. Установлена возможность легирования платины неблагород-
ными металлами при сохранении достаточно высокой коррозионной
стойкости и жаростойкости. Такие малоплатиновые экономнолегирован-
ные сплавы содержат добавки ниобия, тантала, вольфрама и других
элементов. Сплавы на основе платины применяют для изготовления
коррозионно-стойкой аппаратуры, измерительных приборов, сосудов
для плавки и разливки чистых оптических стекол и др. Для легирова-
ния палладия часто используют платину, медь, серебро, золото и ни-
кель. Вследствие относительно низкой стоимости таких сплавов ими
иногда заменяют платину и ее сплавы.
Титановые сплавы имеют ряд преимуществ по сравнению с тех-
ническим титаном. При плотности большинства титановых сплавов
(4,4—4,65 г/см3), близкой к этому показателю технического титана
(4,52 г/см3) [61], они обладают более высокой прочностью, жаропроч-
ностью и коррозионной стойкостью (высоколегированные [3-сплавы).
Значения коэффициентов теплопроводности (0,07—0,088 Дж/(см-с-град))
и термического линейного расширения ((7,8 — 8,5) • 10~“ °С-1) титано-
вых сплавов ниже, чем технического титана (0,185—0,195 Дж/(см-с-град);
8,8 • 10“’ “С"1). Легирование титана не оказывает существенного
влияния на его удельную теплоемкость (0,5—0,55 Дж/г • град). В то
же время удельное электросопротивление сплавов титана ((100—165)X
X 10"’ Ом • см) в 2,0—3,5 раза выше, чем технического титана
(45 • 10"’Ом • см) [61]. По способу изготовления титановые сплавы
разделяются на деформируемые и литейные; по механическим свой-
ствам — на сплавы низкой прочности и повышенной пластичности,
средней прочности и высокопрочные, по назначению — на конструк-
ционные и жаропрочные. По структуре титановые сплавы (табл. 1.43)
классифицируют на однофазные а- и Р-сплавы, псевдооднофазные и
двухфазные (а + Р)-сплавы. Конечный фазовый состав титановых
сплавов зависит от легирующих элементов и их количества [61, 102,
352]. Действие легирующих элементов характеризуют по их влиянию
на температуру полиморфного превращения титана. По этому признаку
легирующие элементы делятся на три группы. К первой относятся эле-
менты, повышающие эту температуру и называемые «-стабилизаторами,—
алюминий (основной легирующий элемент), кислород, азот, углерод
(примеси). В сплавах, содержащих только а-стабилизаторы (в опреде-
ленных концентрационных пределах), при нормальной температуре
существует одна а-фаза. Ко второй (более обширной) группе легирую-
щих элементов относятся [3-стабилизаторы — молибден, ванадий,
ниобий, тантал, железо, хром, марганец, медь, никель, кремний, кобальт,
водород (примесь). Они понижают температуру а --> ^-превращения
в титане. Первые четыре из них образуют с титаном непрерывный ряд
твердых растворов (изоморфные ^-стабилизаторы). Остальные способ-
ствуют эвтектоидному распаду [3-фазы. Все р-стабилпзаторы огра-
ниченно растворимы в а-фазе. Третья группа легирующих элементов
(олово, цирконий, гафний) — это нейтральные упрочнители. Они прак-
тически не влияют на температуру полиморфного превращения.
Олово вызывает эвтектоидный распад а-фазы титана, а цирконий и
гафний неограниченно растворимы как в а-, так и в ^-модификациях
титана.
К а-сплавам относятся сплавы, легированные а-стабилнзаторами
и нейтральными упрочнителями (см. табл. 1.43). Упрочнение вызвано
легированием а-твердого раствора. Термическая обработка не упроч-
няет а-сплавы и применяется лишь для снятия нагартовки (отжиг при
600—700 °С) нлп устранения остаточных напряжений, вызванных, на-
пример, сваркой (неполный отжиг при 550—650 °С). Сплавы этого
76
Таблица 1.43. Химический состав, механические свойства и области
применения промышленных титановых сплавов
Марка Содержание легирующих элементов, % ов, МПа в. % Область применения
а-С плавы
ВТ 1-00 — 300—450 30 Конструкционный материал с
ВТ1-0 — 400—450 30 высокой коррозионной стой- костью, температура эксплуа- тации не выше 250—300 °С
ПТ-7М 2,25 А1 2,5 2г 600—700 18 Трубопроводы, работающие в агрессивных средах при нор- мальной и повышенных тем- пературах
ВТ5 5 А1 750—900 10 Сварные силовые узлы для
ВТ5-1 5А1; 2,5 8п 750—900 12 длительной работы при тем- пературе до 450 °С, ВТ5-1 может использоваться при —253 °С
4200 0,2 Рд 400—450 35 Химическое машиностроение
ОТ4-0 0,8 А1 0,8 Мп 500—650 20 Вместо технического титана при отсутствии агрессивной среды
ВТ18 6А1; 11 2г; 1 Мо; 1 !ЧЬ; 0,25 81 950—1200 10 Детали компрессоров и других конструкций, работающих при температуре до 600 °С
ВТЗ-1 6 А1; 2,5 Мо; 0,381; 0,5 Ре 920—1150 14 Тяжелонагруженные детали и конструкции
ВТбс 5 А1; 4 V 850—1000 12 Штампосварные конструкции.
ВТ6 6А1;4,5У 950—1150 8 работающие длительно при
ВТ14 4,5 А!; ЗМо; 1 V 930—1250 (« + 6 Р) - Сп температуре до 350—400 'С и кратковременно — до 700 'С лавы
ВТ8 6,5 А1; 3,3 Мо; 0,35 81 1050—1250 И Детали, работающие при тем- пературе до 400 °С
ВТ9 6.5А1; 3,3 Мо; 1 2г; 0,35 81 1050—1250 Псе в д 11 э а - с Детали, работающие при темпе- ратуре до 500 °С плавы
ОТ4-1 1,5 А1; 1 Мп 600—750 15 Конструкционный и обшивоч- ный материал, тонкостенные
ОТ4 3,5 А1; 1,5 Мп 700—900 11 детали сложной формы при температуре эксплуатации до 350—400 °С
П родолжение табл. 1.43
Марка Содержание легирующих элементов, % ств, МПа в, % Область применения
ОТ4-2 6 А1; 1,5 Мп 700—1050 8 Штампосварные конструкции, работающие длительно при
ВТ4 5 А1; 1,5 Мп 1000—1200 10 400—450 °С и кратковремен- но — до 750 °С
АТ2 2 2г; 1 Мо 850—1000 12 Конструкции, работающие при криогенных температурах
АТЗ 3 А1; 1,5 (Ре, Сг, 51) 600—750 20 Химическое машиностроение
ПТЗВ 4А1; 2У 630—880 10 Валы, лопатки паровых турбин, корпуса химических аппара- тов, ферменные сварные кон- струкции
АТ6 6 А1; 1,5 (Ре, Сг, 5!) 850—1050 10 Детали компрессоров холодиль- ных установок
ВТ20 6 А1; 2 2г; 1 V; 1 Мо 950—1150 8 Штампосварные конструкции, работающие длительно при температуре до 500 °С и крат- ковременно— до 800 °С
ВТ16 2,5 А1; 5 Мо; 5 V 900—1250 9 Детали крепления и других конструкций для длительной работы при температуре до 350 °С Тяжелонагруженные конструк- ции, работающие при темпе- ратуре до 500°С Тяжелонагруженные конструк- ции, работающие длительно при температуре до 350— 400 °С и кратковременно — до 750 °С
ВТ22 ВТ23 5 А1; 5 Мо; 5 V; 1 Ре; 1 Сг 4,5 А1; 2 Мо; 4,5 V; 0,6 Ре; 1 Сг 1000—1250 980— 1350 9
ВТЗО 11 Мо; 6 5п; 4 2г 900—1200 Псе в д 5 о - 0 - с плавы
ВТ15 ЗА1;7Мо; 11 Сг 850—1300 5 Штампосварные конструкции, работающие длительно при
ТС6 3 А1; 5 Мо; 11 Сг; 6 V 850—1300 6 температуре до 150—250 °С и кратковременно — до 750 ’С
ВТ32 2,5 А1; 8,5 Мо; 8,5 V; 1,1 Сг; 1,2 Ре 900—1200 0 6 -Сил а в
4201 33 Мо; 0,5 2г 800—850 10 Химическое машиностроение
типа имеют высокую термическую стабильность, хороню свариваются
и коррозиснностойки.
Псевдо а-сплавы имеют в основе а-структуру и небольшое количе-
ство Р-фазы (до 5 %), вследствие дополнительного легирования р-
стабилизаторами (см. табл. 1.43) они хорошо свариваются и отлича-
ются высокой технологичностью.
(а + Р)-сплавы имеют смешанную двухфазную структуру: твердые
растворы на основе а- и ^-модификаций титана. Оьи упрочняются тер-
мической обработкой (закалка с последующим старением). Эта группа
включает сплавы как средней прочности, имеющие предел прочности
750—1000 МПа (например, ВТ6С), так и высокопрочные (ВТ6, ВТ 14,
ВТ22 и др.). Первые используются главным образом в отожженном со-
стоянии (Тотж = 700 4- 800 °С), хорошо деформируются с подогревом,
удовлетворительно свариваются. Широко применяется сплав ВТ6С,
из которого изготавливают листы, поковки, штамповки, прутки, про-
фили и другие полуфабрикаты. Сплав такого типа рекомендуется для
изготовления штампосварных конструкций, например емкостей высо-
кого давления. Высокопрочные сплавы (ВТ6, ВТ14, ВТЗ-1, ВТ22
и др.) применяются после отжига, а в ряде случаев — после термиче-
ского упрочнения (закалка от 800—900 °С, старение при 450—600°С).
Эти сплавы деформируются только в горячем состоянии. После их
сварки обязательна термическая обработка. Удовлетворительно свари-
вается сплав ВТ6, отличающийся хорошей обрабатываемостью. Сплав
ВТЗ-1 относится к жаропрочным сплавам, предназначенным для из-
готовления деталей турбин [320(. При его сварке резко понижается пла-
стичность сварного соединения. В качестве конструкционного матери-
ала для изготовления тяжелонагруженных деталей конструкций
ответственного назначения применяют сплав ВТ22 критического сос-
тава, для которого требуется восстановление пластических свойств
после сварки термической обработкой [292].
р-Сплав марки 4201 является коррозионно-стойким, не упрочняется
в результате термической обработки. Он применяется для изготовле-
ния сварной аппаратуры, подвергающейся воздействию агрессивной
среды при повышенной температуре.
Псевдо Р-сплавы имеют в основе Р-модификацию титана. Поэтому
основными легирующими элементами таких сплавов являются Р-стабн-
лизаторы (см. табл. 1.43). Они эффективно упрочняются термической
обработкой, которая состоит из закалки (фиксация Р-твердого раство-
ра) и последующего старения при 400—500 °С (распад метастабилыюгэ
твердого раствора с выделением продуктов распада — а-фазы и
интерметаллидов). Такая термообработка приводит к значительному
повышению прочности при определенном снижении пластичности.
Псевдо Р-сплавы удовлетворительно свариваются, после сварки соеди-
нения обладают высокими пластическими характеристиками. Значи-
тельно более сложная задача — получение достаточно прочных и пла-
стичных соединений после их термического упрочнения. Эта задача до
настоящего времени полностью ие решена.
Циркониевые сплавы по физическим свойствам близки к титановым.
Легирующие элементы в циркониевые сплавы вводят для улучшения
механических свойств (особенно при высокой температуре), повышения
и стабилизация коррозионной стойкости. Если сплавы предназнача-
ются для применения в атомной энергетике, то предъявляются допол-
нительные требования к легирующим элементам: они не должны сильно
увеличивать поглощение тепловых нейтронов. Из легирующих эле-
ментов наибольший интерес представляет а-стабилизатор — олово и
Р-стабилизаторы — железо, хром, молибден н ниобий, так как эти эле-
менты отличаются сравнительно малым поперечным сечением захвата
тепловых нейтронов. Характеристика некоторых сплавов на основе
циркония приведена в табл. 1.44 [184]. Циркониевые конструкционные
сплавы удовлетворительно свариваются.
Таблица 1.44, Химический состав, %, и механические свойства
циркониевых сплавов
Силан Г4Ь 8п Не Сг м °В. МПа 6, %
Цпркалой-2 — 1,5 0,12 0,15 0.08 481 25
Циркалой-4 — 1,5 0,15 0,1 0,07 471 30
7г — 2,5 % КЬ 2,5 — — — — 422 25
7г — 1 % №Ь 1,0 — — — — 345 35
Ванадиевые сплавы начали разрабатываться недавно. Однако уже
в настоящее время созданы весьма эффективные сплавы, обладающие
повышенными прочностью, жаропрочностью н жаростойкостью по
сравнению с техническим ванадием [104, 310]. Они перспективны для
работы до температур 1100—1200 °С. Со многими металлами ванадий
образует широкие области твердых растворов, что позволяет получать
высокопрочные и пластичные сплавы. На механические свойства ва-
надия наиболее благоприятно влияют тнтан, цирконий, ниобий, тантал,
молибден. Характеристика некоторых сплавов на основе ванадия
дана в табл. 1.45 [104]. Так как большинство разработанных сплавов
имеют структуру однородного твердого раствора, они хорошо обраба-
тываются при комнатной и высоких температурах, удовлетворительно
свариваются.
Таблица 1.45. Химический состав, %, и механические свойства
ванадиевых сплавов
С п т а в Легирующие элементы пв, МПа 6, %
V—Т1 2,5 622 23.0
5,0 513 27,5
7,5 556 25,0
10,0 642 27,0
У-7г 1,0 342 34
2,5 371 23
\ -ХЬ 20,0 726 20
V—Т1—№ 20,0 МЬ; 5,0 Т1 1030 20
V—Т1-А1 40,0 Т1; 5,0 А1 928 23
Ниобиевые сплавы отличаются повышенными упругими и проч-
ностными свойствами, а также большой жаропрочностью. При легиро-
вании ниобия в основном используют растворный механизм упроч-
нения — получение сплавов повышенной прочности типа твердых рас-
творов (например, ИРМН-1, 5ВМЦп др.). Небольшая группа ниобие-
вых сплавов относится к сплавам с карбидным упрочнением (например,
сплав ВН4). В сплавах этой группы происходит дисперсионное упроч-
Б0
Таблица 1.46. Химический состав, %, и механически? свойства ниобиевых сплавов
Марка Состояние материала Мо 2г с т> ае , МПа б. %
ВН2 Прутки прессован- ные — 3,8 — 0,05 — 736 23
ВН2А Лист отожженный (1200 °С, 2 ч) — 3,5—4,7 0,5—0,9 0,08 — 605 20
ВИЗ Прутки прессован- ные — 4—5,2 0,8—2 0,08—0,10 — 784 18
ВН4 Прутки прессован- ные и отожжен- ные (1100 "С, 3 ч) — 8,5—10,5 1-2 0,25—0,4 0,01—0,05 794 16
ВН5А Лист рекристалли- зованный — 5—7 0,5—0,95 0,08—0,15 0,015—0,04 589 27
ВН2АЭМ Лист нагартован- ный — 6—8 0,5—0,9 0,05—0,09 — 784 4
ИРМН1 Прутки горячеко- ваные отожжен- ные 4—6 — — — 511 29
вне Лист нагартован- ный 4,5—6 4,5—6 1,2 0,01 10 875 4
Д36 Лист отожженный — — 1 — — 539 15
5ВМЦ То же Лист нагартован- ный 5 2 0,9 450 765 30 5
некие — выделение дисперсных фаз в матрице. В ряде высокожаро-
прочных сплавов применяется комплексное упрочнение (например,
сплав ВН6). При комнатной н повышенной температурах ниобий наи-
более интенсивно упрочняется вольфрамом, молибденом, цирконием
н ванадием [254, 336]. Характеристика некоторых сплавов на основе нио-
бия приведена в табл. 1.46 [210]. Наибольшее распространение полу-
чили низколегированные сплавы типа ВН2 и ВН2А, обладающие
достаточно высокой жаропрочностью. У сплава ВН2А этот показатель
выше примерно на 20 % (при 1400 °С) в связи с дополнительным леги-
рованием цирконием. Нанлучшими жаропрочными свойствами обла-
дает наиболее сильно легированный сплав ВН4 системы УЬ—Мо—Хг—
С. Повышенную окалиностойкость имеют сплавы, легированные тита-
ном (например, сплав ВН7, содержащий 40 % Т1) [186]. Сплавы на
основе ниобия отличаются высокой прочностью при температуре 1000—
1100°С, но при 1400 °С их прочность становится весьма низкой. По-
этому наиболее целесообразный рабочий температурный интервал для
ииобневых сплавов 1000—1370°С [152,361]. Ниобиевые сплавы удов-
летворительно свариваются.
Таблица 1.47. Механические свойства танталовых сплавов
Сплав т, °с МПа в. %
Та — 10 % XV — 1 % Хг 1000 388 11
1200 328 21
1430 226
1540 147
1650 124 —
Та — 5% ш —10% НГ 24 926 17 .
980 715 13
1200 706 38
Та — 18% XV —2% Н1 — 196 129 18
24 920 15
1200 583 15
1370 371 26
1650 141 60
Та — 9,6 % XV — 2,4% НГ — 0,01 %С — 196 1268 28
59 761 30
204 594 28
1200 433 23
1430 321 26
1650 167 26
1930 97,1 43
Та —4% МЬ — 4% НГ 24 793 17
1200 467 16
1370 164 88
1482 128 90
Танталовые сплавы (табл. 1.47) [76] обладают высокими жаропроч-
ностью и коррозионной стойкостью, хорошей технологичностью и сва-
риваемостью. По пластичности при низкой температуре сплавы тан-
тала и ниобия значительно превосходят сплавы на основе тугоплавких
металлов и не уступают другим промышленным цветным сплавам [73].
Прочность тантала повышается при легировании молибденом, ванадием,
вольфрамом, цирконием, гафнием, рением. Упрочнение тантала этими
элементами обусловлено растворным механизмом. Перспективны спла-
вы тантала с ниобием (20—50 % ЦЬ), успешно используемые в технике
как коррозионно-стойкие материалы, что позволяет в ряде случаев
заменить дорогостоящий и дефицитный тантал при создании химиче-
ской аппаратуры. Вольфрам, молибден, гафний и реннй эффективно
повышают температуру рекристаллизации тантала и тем самым увели-
чивают его жаропрочность [185]. Наибольшее применение нашли жаро-
прочные сплавы на основе тантала, легированные вольфрамом, с добав-
ками гафння, циркония и других элементов (см. табл. 1.47). Рабочая
температура изделий из таких сплавов может достигать 1750—1800 °С.
Молибденовые сплавы применяют в качестве жаропрочных конст-
рукционных материалов. Они перспективны для работы при темпера-
туре до 2000 °С. Подавляющее большинство легирующих элементов
охрупчивает молибден. Единственным элементом, повышающим его
пластичность, является рений. Молибденовый сплав с 40—50 % рения
(марки МР-47ВП) может деформироваться при комнатной температуре.
Однако применение этих сплавов ограничено малой распространенно-
стью рения. Молибденовые сплавы, используемые в промышленности,
в зависимости от легирования можно разделить на следующие основные
группы (табл. 1.48).
1. Сплавы с примесью только углерода, который вводится при
плавке для раскисления. К этой группе относится технический молиб-
ден марки МЧВП или ЦСДМ, который условно можно назвать чистым,
так как МЧВП (см. табл. 1.48) содержит до 0,10 % С , а ЦСДМ — до
0,004 % С. К этой же группе может быть отнесен сплав ТСМЗ, в который
дополнительно к углероду вводится 0,05—0,10 % никеля. Эти сплавы
имеют низкие температуру рекристаллизации и жаропрочность, высо-
кий порог хладноломкости, поэтому плохо свариваются.
2. Низколегированные молибденовые сплавы, в которые введены
незначительные добавки циркония, титана при ограниченном содержа-
нии углерода (ЦМ2А, ВМ1 и др.). Эти сплавы обладают повышенной
жаропрочностью, обусловленной наличием в молибдене циркония в
виде твердого раствора, но плохо свариваются из-за большой склонно-
сти к хрупкому разрушению. Дополнительное легирование бором сплава
ЦМ6 в сочетании с двойным переплавом заметно улучшает его сваривае-
мость. В настоящее время этот сплав дает наиболее пластичные свар-
ные соединения по сравнению с другими сплавами иа основе молиб-
дена [322].
3. Двухфазные сплавы с карбидным упрочнением. К этой группе
относится, например, сплав ТСМ4, в котором сочетается модифицирую-
щее и упрочняющее действие карбида циркония с благоприятным воз-
действием никеля на повышение пластичности молибденоуглеродистых
сплавов [184]. Прн соблюдении определенных требований по технологии
н технике сварки нз этого сплава можно получить сварные соедине-
ния, обладающие удовлетворительными свойствами при повышенной
температуре. Сплавы с карбидным упрочнением (ВМ2, ВМЗ, ВМ5 и
др.), как правило, менее технологичны, чем низколегированные спла-
вы второй группы. Гетерофазные сплавы (например, сплав ВМЗ) упроч-
няются старением после отжига прн температуре 1900—2000 °С в тече-
ние нескольких часов.
4. Сплавы системы Мо—XV, среди которых промышленное приме-
нение получил сплав ЦМВ30. Для него используется комплекс рас-
кислителей (углерод, цирконий, титан, бор). Рабочая температура из-
делий из этого сплава по сравнению с изделиями из других молибде-
новых сплавов может быть повышена на 200 °С. Сплав малопластичен
и плохо сваривается.
Таблица 1.48. Химический состав, %, и механические свойства молиб
Марка Состояние и 7.г ыь
ВМ1 Деформированный 0,07—0,3 0,08—0,25
В.М2 » <0,2 0,25—0,4
вмз Отожженный при 1300 °С 0,8—1,3 0,3—0,6 1,0—1,8
ЦМ2А То же при 1100 °С 0,1 0,1
ЦМ5 Деформированный — 0,4—0,6 —
ЦМ6 » — 0,1—0,2 —
ВМ1Д Отожженный при 1500°С 0,15 0,08—0,15 —
ТСМЗ То же прн 1100 °С — — ___
ТСМ4 То же — 0,15—0,25 0,05—0,1
МТ Деформи рованный 0,5 —
ЦМВЗО — — —
• При юоо °С.
• • При 400 °С.
Установлено, что наиболее эффективным путем повышения пластич-
ности и вязкости молибденовых сплавов является, с одной стороны,
устранение в ннх крупнозеренной неравномерной структуры и, с дру-
гой — удаление примесей, сегрегирующих на границах зерен, и в пер-
вую очередь раскисление (241, 322, 357], Уменьшение содержания
вредных примесей внедрения в металле— одна из основных задач
современной металлургии тугоплавких металлов и сплавов. Весьма
перспективным для создания пластичных, имеющих достаточно низкую
температуру перехода в хрупкое состояние, свариваемых молибденовых
сплавов является комплексное легирование малыми добавками моди-
фикаторов и раскислителей, такими, как цирконий, титан, никель,
бор, ниобий. Эти элементы вводятся в количествах, образующих с мо-
либденом твердые растворы. Характеристика некоторых молибденовых
сплавов такого типа приведена в табл. 1.48. В зависимости от условий
работы изделий сплавы применяют после отжига при 1000—1200 °С
или в рекристаллизованном состоянии. Температура рекристаллиза-
ции для технического молибдена примерно 1300 °С, для сплавов она
может быть ниже (1200 С для сплава ЦМ2А) или выше (1400 °С
для сплава ЦМ5) этого значения.
Хромовые сплавы имеют значительное преимущество по сравне-
нию с жаропрочными сплавами на основе молибдена и вольфрама. Их
можно использовать бе;, защитных покрытии при температуре, дости-
гающей 1100—1200 °С (с добавкой иттри я даже до 1350 °С), а молибде-
новые и вольфрамовые сплавы при высокой температуре необходимо за-
щищать специальными покрытиями. Сплавы на основе хрома могут
работать кратковременно или циклично при 1500—1600 °С. Наиболее
применяемые сплавы на основе хрома содержат в качестве легирующих
добавок ванадий, титан, никель, иттрий и другие элементы [236]. Хро-
мовые сплавы можно разделить на две группы: низколегированные
и высоколегированные, обычно обладающие низкой пластичностью.
К низколегированным сплавам относятся сплавы ВХ1И, ВХ2Ии ВХ2.
ВсплавВХШ иттрий (0,3—1,0%) вводится с целью рафинирования
леновых сплавов
ЬИ XV с Другие эле- мента ов, МПа а. %
<0,6 <0,1 784 10
— <0,2 <0,02 — 736 10
— — 0,25—0,5 — 500 6
0,004 745 18
— 0,04—0,07 — 589* 16
— — <0,004 0,001 — —0,003 в 775 12
— 0,02 — 510 45
627 12,6
0,05—0,1 — 0,06—0,1 —
0,05—0,1 — 0,02—0,04 — 811 9
— 0,01—0,02 0,05 Ьа, 7г, 441* 15
— 30 — Т1, А1, В 412** 20
хрома от примесей внедрения, а также для повышения его жаростой-
кости. В сплавах ВХ2И н ВХ2 (тройная система Сг—Т!—V) добавки
титана (0,1—0,2%)и ванадия (0,1—0,35%) находятся в твердом ра-
створе и сплавы имеют гомогенную структуру [184]. Эти легирующие
элементы способствуют упрочнению сплавов, а иттрий (0,2—0,3 %),
дополнительно вводимый в сплав ВХ2И, повышает его жаропрочность.
Сплавы хорошо деформируются в горячем состоянии, из них могут
быть получены листы, прутки, профили, штамповки и поковкн. В
конструкциях применяются сплавы в отожженном состоянии. Отжиг
производится при температуре 1200 °С в течение 1—2 ч. Низколегиро-
ванные сплавы на основе хрома свариваются лучше, чем технический
хром и его хрупкие высоколегированные сплавы. Однако и для этих
сплавов требуется применение специальной технологии и техники
сварки [76].
Вольфрамовые сплавы обладают повышенной жаропрочностью,
а в ряде случаев и пластичностью по сравнению с плавленым и металло-
керамическим вольфрамом. В качестве легирующи х элементов исполь-
зуют молибден, тантал, ниобий, цирконий, гафний, рений, бор и другие
элементы. Сплавы вольфрама можно условно разделить на две группы
[112]: однофазные типа твердых растворов; гетерофазные, упрочненные
дисперсными частицами карбидов, боридов и др. Широко распростра-
нены сплавы первой группы систем XV — Ке, XV — МЬ, XV—Мо и др.
[282]. Добавка рения (до 20—25 %) снижает температуру перехода
вольфрама в хрупкое состояние, повышает его пластичность при ком-
натной температуре н улучшает технологические свойства. Сплавы
вольфрама с ниобием (обычно не более 2 % МЬ) и молибденом (до 10—
15 % Мо), а также сплавы такого типа с дополнительными примесями
циркония, гафния, бора и других элементов пригодны для работы при
температуре выше 3000 °С с применением соответствующих защитных
покрытий, предохраняющих от окисления. Их используют для изготов-
ления сопел реактивных двигателей [275]. Гетерофазные сплавы па
основе вольфрама обычно упрочняются в результате выделения дисперс-
пых карбидных фаз [282]. Так, в сплаве ТСВ1 системы XV—Та—2г—С
(до 0,2 % Та) образуется тройной карбид (XV, Та, 2г) С, имеющий хо-
рошее структурное н размерное соответствие с вольфрамом и обладаю-
щий высокой температурой плавления, а также более высокой термо-
динамической устойчивостью в температурной зоне плавления вольфра-
ма. Образование в расплаве зародышевых частиц такого карбида вы-
зывает эффект модифицирования. Сплав системы XV—2г—С (0,48 %
2г; 0,048 % С) обладает жаропрочностью, превышающей жаропроч-
ность других вольфрамовых сплавов. Его предел прочности при
1650 °С составляет 550 МПа, а при 1925 °С — 430 МПа. Сплавы на осно-
ве вольфрама отличаются хрупкостью при нормальной температуре
и плохо свариваются. Для выполнения из них соединений требуется
применение специальной технологии и техники сварки.
Краткий обзор физико-химических свойств цветных металлов
и сплавов иа их основе позволяет сделать следующие выводы.
1. Из группы легки х металлов удовлетворительно свариваются
алюминий, его сплавы и некоторые сплавы иа основе магния. Хруп-
кость основного металла затрудняет сварку бериллия и его сплавов.
Однако из-за важных преимуществ бериллиевых сплавов (высокая
удельная прочность и др.) изыскивают пути повышения качества их
сварных соединений.
2. Наиболее распространенные тяжелые цветные металлы —
медь и никель, а также конструкционные сплавы на их основе — обла-
дают удовлетворительной свариваемостью. Освоена сварка относитель-
но мало встречающихся изделий из свинца и цннка, а также некоторых
сплавов на их основе. Благородные металлы свариваются удовлетвори-
тельно. Основная задача при освоении сварки металлов такого типа
заключается в изыскании технологии и техники сварки заменителей
драгоценных металлов, которые нередко имеют сложный состав и огра-
ниченно свариваются.
3. Химически активные и тугоплавкие м’е-
таллы можно условно разделить по свариваемости на такие группы:
а) титан, цирконий, гафний (основная подгруппа IV группы периодической
системы элементов) удовлетворительно свариваются; б) ванадий, нио-
бий, тантал (основная подгруппа V группы периодической системы эле-
ментов) удовлетворительно свариваются; в) молибден, хром, вольфрам
и сплавы на их основе (основная подгруппа VI группы периодической
системы) ограниченно свариваются. Сварка этих металлов связана
с серьезными затруднениями, вызванными их низкой пластичностью
и большой склонностью к переходу из вязкого в хрупкое состояние.
Глава 2
СПОСОБЫ СВАРКИ
И СВАРОЧНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Современные способы сварки достигли такого совершен-
ства, что позволяют получать соединения практически всех применяе-
мых в промышленности конструкционных цветных металлов и сплавов
на их основе от весьма малых до больших толщин. Каждый способ
сварки имеет свои особенности, которые необходимо учитывать для
наиболее эффективного использования прн изготовлении изделий раз-
ного назначения.
Существующие способы сварки по характеру образования соеди-
нения можно разделить на следующие основные группы: 1) плавлением
(газовая, дуговая, плазменная, электрошлаковая, электронно-лучевая,
световым лучом (лазерная) н др.); 2) давлением с подогревом металла
(контактная, высокочастотная, прессовая, диффузионная, сварка про-
каткой и др.); 3) давлением без подогрева металла внешним источником
теплоты (холодная, трением, ультразвуковая, взрывом, магнитно-им-
пульсная и др.).
Указанные группы соответствуют трем классам процессов сварки,
предусмотренным ГОСТ 19521—74: термическому (группа 1), термо-
механическому (группа 2) и механическому (группа 3).
2.1. Сварка плавлением
Сварка плавлением — наиболее распространенный н уни-
версальный способ получения неразъемных соединений. Сущность это-
го способа заключается в том, что свариваемые кромки деталей под-
вергаются плавлению под действием нагрева от сильного концентриро-
ванного источника теплоты: газового пламени, электрической дуги,
плазмы, расплавленного шлака, энергии сконцентрированного пучка
электронов, энергии светового (лазерного) луча. Расплавленный ме-
талл обеих кромок образует общий объем жидкого металла, так назы-
ваемую сварочную ванну. После кристаллизации и остывания металл
ваины превращается в сварной шов, который соединяет свариваемые
элементы в одно целое. В составе металла шва помимо оплавленных
кромок свариваемых деталей может присутствовать присадочный ме-
талл, который вводится дополнительно в сварочную ванну в процессе
сварки. Металл сварного шва обычно отличается от основного (сваривае-
мого) металла. Он имеет структуру литого металла. В результате вве-
дения в ванну сварочной проволоки, а также взаимодействия с окружа-
ющей средой в расплавленном состоянии и при высокой температуре
после кристаллизации может изменяться и его химический состав.
Сварное соединение образуют разные по составу и структуре участки:
металл шва, ЗТВ — участки основного металла, которые подвергались
воздействию источника тепла в процессе сварки и в которых произошли
Рпс. 2.1. Схема газовой сварки:
1 — свариваемые детали; 2 — присадоч-
ный пруток; 3 — газовое пламя; 4 —
горелка; а — «левый способ»; б — «пра-
вый» .
изменения структуры и свойств,
и основной металл, не претерпев-
ший изменений.
К главным преимуществам
способа сварки плавлением отно-
сятся его универсальность, воз-
можность механизации и автома-
тизации процессов сварки, до-
ступность неразрушающего кон-
троля качества швов и др. Однако
данный способ не лишен недостат-
ков, которые ограничивают в ряде
случаев его применение для высо-
копрочных конструкционных ма-
териалов и разнородных металлов.
К ним в первую очередь относят-
ся не всегда приемлемое распла-
вление кромок с последующей кри-
сталлизацией и специфические термические циклы ЗТВ, нередко при-
водящие к образованию хрупких фаз.
Газовая сварка использует в качестве источника нагрева пламя,
образующееся при горении горючего газа в смеси с кислородом
(рис. 2.1). Универсальным и эффективным горючим для газовой сварки
является ацетилен. Ацетилено-кислородное пламя обладает наиболее
высокой температурой по сравнению с пламенем любого другого газа,
легко регулируется как по мощности, так и по составу газов; регули-
ровка может быть осуществлена по внешему виду пламени [245].
Поэтому ацетилен получил широкое распространение для сварки не-
которых цветных металлов. Для полного сгорания одного объема аце-
тилена требуется два с половиной объема кислорода; примерно один
объем поступает из кислородного баллона, а полтора — из воздуха.
Многие виды сварки, в основном черных металлов, могут выполняться
заменителями ацетилена, в том числе природными газами. Для цветных
металлов, в частности для медных сплавов, преобладающее значение
имеет ацетилеио-кнелородпая сварка; другие виды горючего для них
ограниченно пригодны [10].
Тепловое воздействие пламени на металл зависит от его мощности.
Мощность сварочной ацетилено-кпслородной горелки, определяемая
часовым расходом ацетилена А, приближенно вычисляется по формуле
А = кЬ,
(2.1)
где Ь — толщина основного металла, мм; к — коэффициент, определя-
емый опытным путем. Для цветных металлов рекомендуется прини-
мать следующие средние значения к [379]: алюминиевые сплавы — 100;
медные сплавы — 140.
Тепловое воздействие пламени регулируют также углом наклона
оси пламени к поверхности металла. Пламя действует наиболее интен-
сивно, когда его ось нормальна к поверхности металла. С уменьшением
угла наклона тепловое действие пламени ослабевает и распределяется
по большей площади. Ниже приведены ориентировочные значения
угла наклона оси пламени к горизонтальной поверхности изделия прн
сварке металла разных толщин:
Толщина металла, мм <1 1—3 3—5 5—7 7—10 10—12 12—15 15
Угол наклона, град 10 20 30 40 50 60 70 80
Газовая сварка выполняется главным образом вручную с подачей
в зону сварки присадочного прутка. Пруток обычно располагается под
углом 45° к поверхности металла. Концу прутка, побуженному в ванну
расплавленного металла, сообщают зигзагообразные колебательные
движения в направлении, противоположном движению горелкн.
Сварка может производиться в нижнем, вертикальном и потолочном
положениях, так называемыми «левым» н «правым» способами (см.
рис. 2.1). При первом способе сварки впереди перемещается присадоч-
ный пруток, за ним следует горелка. При втором впереди перемещается
горелка, а за ней следует пруток. Для металла малых толщин (до 5 мм)
обычно применяют «левый» способ сварки. Присадочные прутки имеют
различный состав в зависимости от физико-химических свойств основ-
ного металла. Диаметр прутка выбирается в соответствии с толщиной
металла. Приближенно его можно определить из эмпирической формулы
Ь
й = -2+1, (2.2)
где й — диаметр прутка, мм.
При газовой сварке цветных металлов применяют флюсы, которые
играют такую же роль, как обмазка электродов при дуговой сварке.
Они позволяют раскислять металл сварочной ванны, а в ряде случаев
и легировать шов. Флюс в виде порошка или пасты наносится на по-
верхность свариваемых кромок или присадочного прутка.
К аппаратуре и устройствам для газовой сварки относятся ацети-
леновые генераторы, предохранительные затворы, баллоны для сжатых
газов, вентиль, редукторы, шланги и сварочные горелки.
Ацетиленовые генераторы — аппаратуры предназначенные для по-
лучения ацетилена из карбида кальция. Выделение ацетилена при вза-
имодействии карбида кальция (СаС2) с водой происходит по реакции
СаС2 + 2Н2О->С2Н2Са (ОН)2-)-(?. (2.3)
По ГОСТ 1460—76 карбид кальция выпускается в кусках следую-
щих размеров (грануляция): 2 X 8; 8 X 15; 15 X 25; 25 X 80 мм. Чем
крупнее куски карбида кальция, тем больше выход ацетилена. Теоре-
тически для разложения 1 кг СаС2 необходимо затратить 0,562 кг воды.
Прн этом получается 0,406 кг (372,5 л) ацетилена (С2Н2) и 1,156 кг
гашеной извести (Са(ОН)2). Реакция происходит с выделением теплоты
(1980 кДж/кг карбида кальция), которое в процессе получения ацети-
лена необходимо интенсивно отводить проточной водой.
Наиболее распространенные переносные ацетиленовые генераторы-
(ГОСТ 5190—67) выпускаются в основном двух типов: низкого давле-
ния систем В К («вода на карбид») и ВВ («вытеснением воды»), а также
среднего давления системы ВВ (предназначается главным образом для
монтажных и ремонтных работ) [101]. К первому типу относится гене-
ратор комбинированной системы ВК и ВВ АНВ-1,25-68 (производи-
тельность 1,25 м3/ч; рабочее давление 2,45—2,94 кПа; максимальнее
давление 9,81 кПа). Генератор не замерзает при работе зимой, гак
как его водоподающая система находится внутри корпуса н нагревается
теплотой от разложения карбидакальцня. Генератор среднего давлен:;я
АСМ-1,25-3 системы ВВ (производительность 1,25 м3/ч; рабочее давле-
ние 9,81—68,67 кПа: максимальное давление 147,1 кПа), имеет магсу
(без воды и карбида кальция) 16 г (рис. 2.2).
При газовой сварке могут возникать обратные удары, т. е. проник-
новение взрывной волны и пламени в трубопроводы и шланги, подво-
дящие горючие газы. Удар, происходящий с большой скоростью,может
привести к взрыву ацетиленового генератора. Предохранительный
затвор препятствует попаданию в генератор пламени при обратном удз-
ре. Он включается между горелкой и источником поступления горю-
чего газа (генератором, трубопроводом). Широко используется затвор
ЗСП-67 закрытого типа. На баллонах с горючими газами устанавлива-
ют сухие затворы (огнепреградители); на ацетиленовых баллонах
ЗВВ-1-66Н и на баллонах с пропан-бутаном и природным газом —
ЛЗС-1-67.
Баллоны для сжатых газов различаются вместимостью, конструк-
тивными особенностями, окраской. Наиболее распространены баллоны
вместимостью 0,04 м’. Принята следующая окраска баллонов: для
кислорода — голубой цвет, для ацетилена — белый, для воздуха —
черный, для водорода —темно-зеленый, для прочих горючих газов—
красный.
Баллоны наполняются кислородом до давления 14,7МПа
(ГОСТ 949—73). При таком давлении баллон емкостью 0,04 м3 содер-
жит 6 м3 кислорода (при температуре 20 °С и давлении 101 кПа). В бал-
лонах поставляется растворенный ацетилен (ГОСТ 5948—60). Балло-
ны заполняются специальной пористой массой (древесный уголь, пем-
за, инфузорная земля н др.), пропитанной ацетоном — хорошим ра-
створителем ацетилена, что позволяет существенно увеличить количество
ацетилена, накачиваемого в баллон. Помимо этого, ацетон снижает
взрывоопасность ацетилена. Давление ацетилена в наполненном балло-
Рис. 2.2. Передвижной ацетиленовый генератор системы ВВ типа
АСМ-1,25-3:
а — общий вид; б — схема; / — промыватель; 2 —шланг; 3 — клапан; 4 — гаэо
образователь; 5 — верхнее двище; $ —корзина с карбидом кальция; 7 — крышка;|
3 — вгкт; 9 — рычаг; 10 — шахта; //—стакан; 12 — трубка; 13 — водяной затвор;
14 — манометр; 15 — рукоятка.
не не должно превышать 1,86 МПа. При этом давлении в баллон ем-
костью 0,04 м3 вмещается 5—5,8 кг ацетилена по массе, или 4,6—5,3 м3
по объему (при температуре 20 °С и давлении 101 кПа).
Длн понижения давления газа с баллонного (или сетевого) до ра-
бочего и автоматического поддержания постоянного рабочего давления
независимо от давления газа в баллоне или сети служит редуктор. Про-
мышленность выпускает следующие баллонные редукторы: кислород-
ные ДКП-1-65 (одноступенчатый), ДКД-8-65 и ДКД-15-65 (двухступен-
чатые); ацетиленовый ДАП-1-65 (одноступенчатый) и ДАД-1-65 (двух-
ступенчатый); водородный ДВП-1-65 н пропан-бутановый ДПП-1-65
(одн осту пен чатые).
Для подвода газа к горелке используютсн шланги (рукава) из
резины с одной или двумя тканевыми прослойками (ГОСТ 9356—75).
Сварочные горелки служат для получения пламени необходимых
тепловой мощности, размеров и формы. Они разделяются на инжектор-
ные и безынжекторные, однопламенные и многопламенные, для газо-
образных горючих (ацетиленовые и др.) н жидких (пары керосина
и др.). Для сварки цветных металлов в основном используются инжек-
торные горелки, работающие на смеси ацетилена с кислородом. Они
выпускаются малой («Звездочка», ГС-2) и средней («Звезда^, ГС-3) мощ-
ности.
Несмотря на то что газовая сварка за последние годы в значитель-
ной степени вытесняется дуговой в среде защитных газов, а также
контактной сваркой, объемы ее применения при сварке цветных метал-
лов все еще значительны. Она успешно используется при сварке
тонких и легкоплавких металлов, сварке н ремонте литых изделий
и др.
Дуговая сварка — способ сварки плавлением, при котором кромки
свариваемых деталей и электродная (присадочная) проволока расплав-
ляются благодаря теплоте, выделяющейся электрической (сварочной)
дугой. Сварочная дуга представляет собой мощный устойчивый элект-
рический разряд, происходящий в газовом промежутке между электро-
дом и изделием. Питание дуги может осуществляться источником пере-
менного тока — сварочным трансформатором нли постоянного тока —
сварочным преобразователем или выпрямителем. Сварка цветных
металлов осуществляется в основном на постоянном токе. Сварка
на переменном токе применяется для легких металлов н их сплавов
(см. гл. 5).
По типу применяемого электрода дуговая сварка делится на сварку
плавящимся и неплавящнмся электродами. В промышленности для
цветных металлов широко используется дуговая сварка плавящимся
электродом. Однако не менее важное значение, особенно при изготов-
лении изделий из химически активных цветных металлов, приобрел
более универсальный тип дуговой сварки — сварка неплавящимся
электродом.
Сварка плавящимся электродом может выполняться вручную и
с помощью специальных автоматов и полуавтоматов. В качестве плавя-
щихся электродов при ручной сварке используют покрытые электроды.
Состав прутка и обмазки выбирается в зависимости от состава сваривае-
мого металла, требований, предъявляемых к швам, условий стабиль-
ного горения дуги и т. д. В процессе сварки расплавленное покрытие
в виде шлака всплывает над жидким металлом сварочной ванны, защи-
щая ее от воздуха. При взаимодействии металла шва со шлаком проте-
кают обменные реакции, в результате которых элементы обмазкн могут
переходить в шов, а вредные примеси удаляться из шва. На этих метал-
лургических процессах основано рафинирование, легирование и моди-
фицирование металла шва.
Тип и марка
Параметр малогабаритный для условий монтажа или ремонта с нормальным магнитным рассеиванием
тдп-1 ТСМ-250 ТСП-1 ТСП-2 ТСД-500 ТСД-1000-4 ТСД-2000-2
Номинальное на- пряжение, В 25 25 25 30 45 42 53
Напряжение холо- стого хода, В 68 68 65—70 62 80 71 79
Номинальный сва- рочный ток, А 160 250 160 300 590 1000 2000
Предел регулнро- 58— 92— 105— 90— 200— 400— 800-
ваиия сварочного тока, А Номинальная пот- ребляемая мощ- ность, кВ-А 180 250 180 300 600 1260 2200
П.4 16,0 12,0 11,8 42,0 78,0 165,0
Масса, кг 38 38 35 65 450 510 675
При сварке неплавящимся электродом (угольным, графитовым
или вольфрамовым) металл шва состоит из расплавленного основного
металла, но может включать и металл присадки.
По способу защиты зоны сварки от воздуха дуговая сварка де-
лится на следующие основные виды: покрытыми электродами, под флю-
сом, в среде защитных газов и в вакууме.
При ручной сварке покрытыми электродами защита сварочной
ванны от взаимодействия с газами атмосферы осуществляется за
счет шлака и газов, образующихся при плавлении покрытия.
Для качественного выполнения сварки вручную покрытыми элек-
тродами необходим комплекс оборудования, технологически свя-
занного между собой и объединенного в так называемый сварочный
пост. Стационарный сварочный пост для ручной сварки снабжен источ-
ником питания дуги, сварочными проводами, электрододержателем,
технологическими приспособлениями и инструментом. Для защиты
сварщика от излучения дуги служит щиток или маска со специальными
светофильтрами; пост ограждают шторами или щитами. Передвижные
посты используют при сварке крупногабаритных изделий в цехах пли
конструкций на строительных площадках. В последнем случае обору-
дуют специальные навесы.
При сварке на переменном токе источниками питания служат сва-
рочные трансформаторы (табл. 2.1) [350]. Для ручной сварки приме-
няют источники питания спадающими внешними характеристиками.
Для облегчения зажигания и стабилизации дуги переменного тока
при сварке неплавящимся (вольфрамовым) электродом в среде инерт-
ных газов применяют осцилляторы — приборы, создающие перемен-
ный ток высокой частоты (250—400 кГц) с высоким напряжением
(2500 В и более) (табл. 2.2). В сварочной цепи с осциллятором дуга
92
для дуговой сварки
трансформатора
с повышенным магнитным рассеиванием
с подвижным маг- нитным шунтом с обмоткой для подмагничивания шунта с подвижными обмотками
стш-зоо : СТШ-500М 1 ТДФ-1001 1 ТДФ-1601 ТДФ-2001 о о ТД-500 т д-502
30 63 300 110— 405 20,5 156 40 60 500 60—580 33,0 225 44 68—71 1000 400—1200 82,0 720 60 75—105 1600 600— 1800 182,0 1000 50 68—79 2009 800—2200 170,0 1000 30 61—79 300 60—400 19,4 137 30 60—76 500 100— 560 34,0 210 40 59—73 500 100— 560 26,6 230
возбуждается без предварительного замыкания электрода с изделием
(на расстоянии 1—3 мм от торца электрода до изделия). При сварке иа
постоянном токе источниками питания служат сварочные преобразова-
тели (табл. 2.3) и выпрямители (табл. 2.4). Сварочные выпрямители
подразделяются на однопостовые с падающими, пологопадающими,
жесткими и универсальными характеристиками и многопостовые с жест-
кими характеристиками. Однопостовые источники питания с пологопа-
дающими и жесткими характеристиками используют для дуговой
сварки плавящимся электродом в защитных газах. При сварке с при-
менением многопостовых выпрямителей ток на каждом посту регули-
руют с помощью балластных реостатов (табл. 2.5).
Таблица 2.2. Техническая характеристика осцилляторов
Марка Напряжение, В Потребляе- мая мощ- ность, В-А Частота, кГц Габариты, мм Масса, кг
первич- ное вторич- ное
ОС-1 65 2500 130 250 290x350x240 15
М-3 40—65 2500 150 250 290x350x240 15
ОСПЗ-1 65 2500 200 250—300 340x230x310 14,5
оспз- 220 6000 20 440 176x110x250 3,8
2М-1
ОСЦВ-2 220 2300 80 260 215X300X296 16
Таблица 2.3. Техническая характеристика сварочных преобразователей
Марка Напряжение, В Номи- нальный свароч- ный ток, А Предел регу- лирования сва- рочного тока, А пн, % Номи- нальная мощ- ность,кВт Масса, кг
номи- нальное ХОЛО- СТОГО хода
ПС-300М 35 50—76 340 80—380 65 14 600
ПС-500 40 62—80 500 120—600 65 28 960
псо-зоо 30 47—73 300 75—320 65 14 440
ПСО-315М 32 90 315 115—315 60 10,2 393
ПД-101 25 80 125 15—135 60 5,5 230
ПД-305 32 85 315 40—350 60 10,5 280
ПД-501 40 90 500 125—500 60 30 545
ПС-1000 44 50—90 1000 300—1000 100 114 1600
Таблица 2.4. Техническая характеристика сварочных выпрямителей
Марка Напряжение, В Номи- нальный свароч- ный ток, А Предел регу- лирования сварочного тока, А Номи- нальная мощ- ность, кВт пн,% Масса, кг
номи- нальное холо- стого хода
Однопостовый с падающей характеристикой
ВД-301 | 32 | 65—68 | 300 I 45—300 | 15,0 | 60 | 230
Однопостовый с пологопадающей характеристикой
ВДГ-301 15—32 46 300 40—300 15,0 60 210
ВДГ-302 16—38 46 315 50—315 18,0 60 275
В Д Г-601 40 60 630 100—700 69,0 60 530
ВС-300 30 20—40 300 30—300 22 65 250
ВС-500 40 20—53 500 50—500 31 65 350
ВС-600 40 24—49 600 60—600 38 65 490
ВКС-500-1 40 65—78 500 80—550 28 65 420
ВДГИ-301 30 10—35 315 40—325 13 60 350
ВСВУ-630 30 65—200 630 10—700 38 60 480
Однопостовый универсальный
ВДУ-504 72—76 24—50 500 70—500 40 65 400
ВДУ-1001 56—66 24—56 1000 300—1000 105 100 900
ВДУ1601 26—66 26—66 1600 500—1600 165 100 950
Многопортовый с жесткой характеристикой
ВКСМ-1000-1 60 70 1000 6x300 76 100 550
ВДМ-1601 60 70 1600 9x300 122 65 770
ВДМ-3001 60 70 3000 18x300 230 65 1750
Таблица 2.5. Техническая характеристика балластных реостатов
Марка Номинальный свароч- ный ток (при ПН=6О %),А Предел регулирования сварочного тока, А Масса, кг
РБ-201 200 10-200 30
РБ-300 300 10—300 38
РБ-301 300 10—300 35
РБ-501 500 10—500 40
РБГ-301 300 До 315 32
РБГ-502 500 До 500 40
Таблица 2.6. Техническая характеристика универсальных электрододержа-
телей
Номинальный сва- рочный ток, А Диаметр электрода, мм Сечение токоподводя- щего кабеля, мм2 Масса, кг. ие более
125 1—3 25 0,35
315 3—6 50 0,50
500 6—8 70 0,70
Примечание. ПН=60 % (при цикле 5 мин).
Для крепления электрода, подвода к нему сварочного тока и мани-
пулирования электродом служит электрододержатель. Требования
к универсальным держателям регламентированы ГОСТ 14651—69
(табл. 2.6). Сварочный провод, подводящий ток к электрододержателю,
должен обладать достаточно высокой гибкостью для облегчения мани-
пуляции с электродом. В соответствии с ГОСТ 6731—68 применяют
сварочные провода марок ПРГД, ПРГДОи АПРГДО. Ниже приведены
допустимые значения тока в сварочных проводах (при 20 °С):
Сечение провода, мм2 25—35 35—50 50—70
Допустимый сварочный ток, А До 200 200—300 300—400
Во время сварки лицо сварщика защищается от излучения дуги,
брызг металла и искр щитом или маской из легкого, нетокопроводя-
щего, нетоксичного и невоспламеняющегося материала. Их размеры
и конфигурация регламентированы ГОСТ 1361—69. Щитки и маски
снабжены защитными светофильтрами, которые изготовляют из цвет-
ного стекла — ТС-8 для сварщиков, ТС-1 для вспомогательных рабо-
чих (см. гл. 9).
Ручная сварка покрытыми электродами не может обеспечить на-
дежной и стабильной изоляции зоны сварки от атмосферы, поэтому она
применяется лишь для некоторых цветных металлов (алюминий, медь,
никель и сплавы на их основе). Для активных металлов (например,
для группы химически активных и тугоплавких металлов) такой вид
дуговой сварки непригоден.
Рис. 2.3. Схема сварки
под флюсом:
/ — электродная проволока;
2 — флюс; 3 — пузырь; 4 —
сварочная ванна; 5 — металл
шва; 6 — шлаковая корка.
Более совершенную защиту удается
достичь при механизированной сварке
плавящейся электродной
проволокой под флюсом (рис.
2.3). Флюс подается в зону дуги отдельно
от электродной проволоки. Дуга горнт
в пузыре, образованном парами и газами,
выделяющимися при плавлении флюса
и металла. Слой жидкого шлака, который
после кристаллизации и остывания шва
превращается в твердую корку на его по-
верхности, защищает зону сварки от взаи-
модействия с воздухом. В отличие от от-
крытой дуги, горящей при ручной сварке
покрытыми электродами, дуга при сварке
под флюсом закрытая, невидимая. Погру-
жение дуги во флюс позволяет выполнять сварку на токах, в 6—8 раз
превышающих токи при ручной сварке покрытыми электродами. Изме-
няется характер плавления основного металла — резко возрастает
глубина проплавления, снижается доля участия электродного металла
в составе шва: примерно 2/3 приходится на расплавленный основной
металл и 1/3 — иа электродный. Сварка цветных металлов под флю-
сом выполняется в основном на постоянном токе. Она отличается
высокой производительностью и стабильностью качества сварных
соединений. Сварка под флюсом осуществляется автоматически (пода-
ча электродной проволоки в дугу и перемещение дуги механизирова-
ны) и полуавтоматически (механизирована только подача проволоки,
дуга перемещается оператором вручную). В последнем случае элек-
тродная проволока малого диаметра (1,5—2 мм) подается полуавто-
матом в зону сварки через гибкий шланг (табл. 2.7). Поэтому такой
способ называют также полуавтоматической шланговой сваркой.
Таблица 2.7. Техническая характеристика полуавтоматов для дуговой
сварки
Марка Номинальный сварочный ток (при ПН=65 %). А Диаметр электрод- ной проволоки, мм Скорость по- дачи проволо- ки, м/ч Масса, кг
Для сварки под флюсом
ПДШР-500 | 500 | 1,6—25 | 100—420 | 13,0
Для сварки в защитных газах плавящимся электродом
ПДГ-305 315 0,8—1,4 120—1200 12,5
ПДГ-502 500 1,2—2,0 120—1200 13,0
ПДГ-507 500 1,6—2,0 120—960 24,0
ПДГ-601 630 1,2—2,5 120—1200 27.5
ПДГИ-101* 125 1,2—1,6 120—420 7,0
ПДГИ-302* 315 1,6—2,0 120—1200 10,4
ПРМ-2 420 0,8—2,8 100—700 5,0
ПРМ-4 500 0,8—2,0 100—800 5,0
ПШП-9 300 1,0—2,5 100—500 6,5
• Полуавтоматы для сварки импульсной дугой.
Для автоматической сварки под флюсом применяют аппараты раз-
личных типов (табл. 2.8) [6]. Крупногабаритные конструкции сварива-
ют неподвижными подвесными головками. В этом случае изделие вра-
щается или поступательно перемещается с помощью манипуляторов.
Сварочная головка может перемещаться по специальному рельсу
(самоходная головка) при неподвижном изделии. Наибольшее рас-
пространение получили сварочные тракторы — аппараты, которые
сами перемещаются по свариваемому изделию.
Таблица 2.8. Техническая характеристика автоматов для дуговой сварки
Марка Диаметр элек- трода, мм Номинальный сварочный ток, А Габариты, мм Масса, кг
Тракторы для сварки неплавящимся электродом
АДСВ-2 1,0—5,0 300 580 '600x620 95
АДСВ-5 1,0-4,0 300 825x450x790 65
АДН-300 2,0—6,0 300 790X540X638 75
Тракторы для сварки плавящимся электродом в защитных газах
А ДСП-2 1,0—2,5 400 560 x 600 x 480 63
АДПГ-500 0,2—2,0 500 425x265x570 22
АДГ-502 1,2—2,0 500 845X365X670 55
Тракторы для сварки под флюсом
ТС-17М-1 1,6—5,0 1000 715 X 345 X 540 45
ТС-32 2,0—5,0 900 805x380x440 45
АДФ-1001 2,0—5,0 1000 1050x365x655 60
АДФ-1003 2,0—5,0 1000 810x310x510 40
АДФ-1004 2.0—5,0 1000 1050 x 365 X 655 60
АДФ-1602 3,0—6,0 1600 1050x365x655 60
А ДС-1000-4 2,0—5,0 1000 1010x370x655 65
Двухдуговые тракторы для сварки под флюсом расщепленным
электродом
ТС-41 1 2,0—3,5 800 900X400X770 1 80
ДТС-38 | 2,0—5,0 1000 900x400x930 | 90
Самоходные подвесные головки для сварки под флюсом
АБСК 3,0—6,0 1000 760x710x1750 160
А-1401 2,0—5,0 1000 1660x870x1160 325
А-1410 2,0—5,0 2000 1660 x 870x1160 325
Универсальные сварочные тракторы для сварки в защитных газах
и под флюсом
ТС-35 1,6—5.0 1000 740x300x520 42
ТС-42 1,2—3,0 500 570x310x440 36
К автоматам с подвесными головками относится аппарат АБС. Он
состоит из узлов А, Б, С, каждый из которых специализирован для
выполнения определенных операций. Узел А — подвесная сварочная
головка с постоянной скоростью подачи электродной проволоки. Ско-
рость подачн настраивается с помощью сменных шестерен. Узел Б —
Рис. 2.4. Схема
процесса сварки в
среде защитных га-
зов:
1 - электрод: 2— цан-
га (мундштук); 5 —
сопло; 4—дуга; 5—
металл.
бункер с флюсоаппаратом для подачи и отсоса
флюса и подъемным механизмом для передви-
жения головки по вертикали. Узел С — самоход-
ная тележка, осуществляющая передвижение го-
ловки вдоль свариваемого изделия. Используя
только узлы А и Б, можно получить тяжелую
подвесную головку АБ, снабженную механизмом
для ее подъема и опускания, и флюсоаппаратом.
Автомат АБС работает как самоходная сварочная
головка. К этому типу относится и универсаль-
ный аппарат А-1401, предназначенный для свар-
ки под флюсом и в среде защитных газов.
Из сварочных автоматов тракторного типа
широко распространены тракторы типа ТС, в ко-
торых подача электродной проволоки осущест-
вляется с постоянной скоростью, независимой
от напряжения дуги. Тракторы серии АДС (на-
пример, АДС-1000-2) снабжены автоматическим
регулятором напряжения дуги с воздействием иа
скорость подачи электрода. Они могут плавно
изменять скорость сварки.
сварку под флюсом применяют для сваривания
ряда цветных металлов н нх сплавов (алюминий, медь, никель, титан).
Для алюминиевых сплавов однопроходную сварку под флюсом исполь-
зуют при толщине металла более 30 мм [4]. Металл меньших толщин
сваривают полуоткрытой или полупогруженной дугой. Этот способ
сварки назван также сваркой по флюсу. Для меди и некоторых ее
сплавов помимо сварки плавящимся электродом под флюсом возмож-
но использование сварки угольным электродом под флюсом [201]. Этот
способ, целесообразный для металла малых толщин и неответственных
конструкций, распространения не получил из-за развития сварки
неплавящнмся электродом в среде защитных газов. Создание флюсов
нового типа (так называемых бескислородных) для титана и его спла-
вов открыло перспективу использования высокопроизводительного
способа сварки под флюсом для других химически активных металлов.
Дуговая сварка в защитных газах является
наиболее универсальным способом сварки цветных металлов. Сущность
этого способа заключается в том, что дуга горит между электродом
и деталью в струе газа, который создает защиту зоны сварки и остываю-
щего шва от воздействия воздуха, практически не вступая в реакцию
с металлом сварочной ванны (рис. 2.4). Для цветных металлов исполь-
зуют инертные газы — аргои и гелий, а также их смеси. Возможно при-
менение других защитных газов, например азота, для сварки меди.
Свойства сварного соединения практически не зависят от вида
применяемого защитного инертного газа — аргона или гелия. Разли-
чен лишь расход газа: при использовании гелия расход газа увеличи-
вается до 30 % вследствие меньшей его плотности по сравнению с арго-
ном. Между аргонодуговой и гелиеводуговой сваркой существуют в ос-
новном технологические различия. Большее распространение получила
сварка в среде аргона. Для тугоплавких металлов отдают предпочте-
ние гелию, так как при гелиеводуговой сварке эффективная мощность
дуги выше, чем при сварке в среде аргона. При сварке плавящимся
электродом в ряде случаев используют смесь инертных газов, которая
обеспечивает получение бездефектных швов. Ручная сварка преиму-
щественно выполняется с применением аргона, который вследствие
большей плотности в условиях этого вида дуговой сварки позволяет
создать более надежную и стабильную защиту зоны сварки. Дуговая
сварка в защитном газе может осуществляться неплавящимся электро-
дом без присадочного металла и с присадкой, подаваемой в зону сварки
вручную (при ручной сварке) или механизированным способом (при
автоматической сварке), а также плавящимся электродом.
Наиболее распространенным способом сварки плавлением цветных
металлов является ручная и автоматическая дуговая сварка в
защитном газе неплавящимся вольфрамовым
электродом. Сварка электродами из технически чистого воль-
фрама не дает положительных результатов, так как электрод быстро раз-
рушается. Стойкость электродов значительно повышается при добавке
к вольфраму 1,5—2 % оксидов лантана или иттрия. Допустимые сва-
рочные токи для электродов разного диаметра приведены в табл. 2.9
[193]. Перед сваркой рабочий конец электрода обычно затачивают
под углом 30—45°. Форма заточки электрода влияет на форму и размеры
шва. С уменьшением угла заточки и диаметра притупления в некоторых
пределах глубина проплавления возрастает. При сварке неплавящимся
электродом применяют постоянный или переменный ток. Род тока
выбирают в зависимости от физико-химических свойств свариваемого
металла.
Таблица 2.9. Характеристика вольфрамовых электродов с активирующими добавками (ГОСТ 23949—80)
Марка Содержа- ние добав- ки, % Маркиров- ка торцов прутков Размер прутков, мм Допустимая токовая нагрузка. А, прн диаметре, мм
диаметр длина 2 3 4 5
ЭВЛ(ВЛ-Ю)* ЭВИ-1 (СВИ-1)* ЭВИ-2 ЭВИ-3 1,1—1,4 1,5—2,3 .2,0—3,0 2,5—3,5 Черный Синий Фиолетовый Зеленый 1,0—4,0 5,0—10,0 2,4—4,0 5,0—10,0 75:150 200; 300 75; 150 200; 300 20 90 180 190 250 320 380 490 610 590 720 900
* Марки электродов, изготовляющихся по ТУ до 1,01 1981 г.
Технологические свойства дуги в значительной мере определяются
родом и полярностью сварочного тока. При прямой полярности на из-
делии выделяется до 70 % теплоты дуги, что обеспечивает глубокое про-
плавление основного металла. При обратной полярности напряжение
дуги выше, чем при прямой. В этом случае на аноде — электроде — вы-
деляется большое количество энергии, что приводит к значительному
его разоиреву и оплавлению его конца. В связи с этим допустимые сва-
рочные токи резко снижаются. Сварка вольфрамовым электродом на
постоянном токе обратной полярности практически не используется.
Сварка неплавящимся электродом в защитных газах на постоянном
токе осуществляе1ся от однопостовых источников питания с падающи-
ми внешними характеристиками или от многопостовых с балластными
реостатами (см. табл. 2.3, 2.4).
Переменный ток применяется, например, при сварке алюминия
и его сплавов, а также медных сплавов, имеющих сравнительно высокое
содержание алюминия. При сварке этих металлов оксидные пленки на
поверхности сварочной ваниы препятствуют оплавлению кромок. При
использовании переменного тока в те полупериоды, когда свариваемое
изделие является катодом, тугоплавкая пленка оксидов разрушается
и за счет катодного распыления очищается поверхность сварочной
ванны. При сварке вольфрамовым электродом на переменном токе ста-
бильность горения дуги обеспечивается лишь в том случае, когда ре-
гулярно восстанавливается дуговой разряд при смене полярности.
Аргон и гелий обладают высокими потенциалами ионизации, в связи
с чем для сварки необходимы источники питания с повышенным напря-
жением холостого хода. Так как применение таких источников питания
недопустимо по условиям техники безопасности, в производственных
условиях используют сварочные осцилляторы (см. табл. 2.2): наложе-
ние тока высокой частоты обеспечивает устойчивое горение дуги на
переменном токе. При аргонодуговой сварке на переменном токе при-
ходится сталкиваться еще с одним затруднением — возникновением
в цепи постоянной составляющей [65]. Это явление при сварке алюми-
ниевых сплавов приводит к загрязнению сварочной ванны, плохому
сплавлению свариваемых кромок и ухудшению формирования шва.
Поэтому при аргонодуговой сварке на переменном токе снижают или
совсем устраняют составляющую постоянного тока путем последова-
тельного включения в сварочную цепь конденсаторной батареи актив-
ного сопротивления (иногда шунтируемого полупроводниковым венти-
лем).
Многие цветные металлы могут свариваться как на переменном,
так и на постоянном токе прямой полярности. Однако в связи с тем,
что большая стабильность процесса сварки и лучшее формирование
швов достигаются на постоянном токе прямой полярности, этот способ
получил преимущественное распространение; сварка на переменном
токе применяется только для алюминия, магния и их сплавов.
Разновидностью сварки вольфрамовым электродом является
сварка погруженной дугой (рис. 2.5) [6], успешно
используемая для металлов средних п больших толщин. Для этого
способа сварки применяют электрод повышенного диаметра и увели-
ченный сварочный ток. Давление защитного газа и дуги, вытесняя рас-
плавленный металл из-под дуги, способствует ее углублению в основ-
ной металл. Дуга горит в образовавшейся в металле полости, поэтому
электрод опускают так, чтобы дуговой разряд происходил ниже по-
верхности металла (погруженная дуга). Увеличение глубины проплав-
ления при одновременном повышении мощности погруженной дуги
позволяет выполнять однопроходные швы большого сечения и достигать
роста производительности сварочных работ. Такой вид дуговой сварки
используется для алюминия, титана и других цветных металлов.
Значительное повышение производительности сварочных работ
достигается также при использовании многодуговой свар-
ки неплавящимися электродами вереде а р г о-
и а. Такой вид сварки весьма эффективен при сварке труб из титано-
вых сплавов [50].
Рис. 2.5. Схема сварки вольфрамовым электродом погруженной дугой.
Рис. 2.6. Изменение сварочного тока и напряжения при импульсной
сварке вольфрамовым электродом.
/деж — ток дежурной дуги; /п — время паузы; /св время сварки.
Для сварки цветных металлов малых толщин используется и м-
п у л ь с н о-д уговая сварка неплавящимся электродом. Сва-
риваемый металл расплавляется дугой, горящей периодически в со-
ответствии с импульсами постоянного тока, с определенными интерва-
лами во времени (рис. 2.6). Для стабильного возникновения основной
сварочной дуги постоянно поддерживается вторая, маломощная, так
называемая дежурная дуга. При соответствующем подборе времени им-
пульса и длительности паузы шов состоит из отдельных перекрывающих
друг друга точек. Для титана, например, такие режимы достигаются
при 1 = 0,2 -4- 0,3 си /п = 0,1 -4- 0,2 с. При этом заметно уменьшается
перегрев металла, снижаются сварочные деформации, повышается
пластичность шва. В зависимости от толщины титана деформации по
сравнению с обычной аргонодуговой сваркой неплавящимся электро-
дом снижаются следующим образом: для толщины 0,5 мм — иа 30 %,
для 1 мм — на 25 % и для 2 мм — иа 15 %.
Для сварки конструкций из титана, а также других цветных метал-
лов и их сплавов применяется сварка в среде инертного
газа с наложением внешнего магнитного поля
[47]. Колебания, сообщаемые расплавленному металлу сварочной
ванны, изменяют характер его кристаллизации и способствуют измель-
чению зерна. При этом устраняются некоторые дефекты швов (напри-
мер, пористость).
Для цветных металлов весьма эффективен способ аргонодуговой
сварки неплавящимся электродом по флюсу
ис применением присадочных поршковых пр о-
волок. Первоначально этот способ был разработан для сварки
конструкций из титана и его сплавов. Он успешно применен также
для меди [120]. Установлена возможность его использования для молиб-
дена. Если при сварке в среде инертного газа достигается лишь физиче-
ская защита зоны сварки от воздуха, то введение в дугу галогенидного
флюса позволяет получить новое качество: воздействие на дуговой
разряд и металлургическую обработку сварочной ванны. При сварке
вольфрамовым электродом по флюсу происходит коитрагирование
столба дуги, сопровождающееся уменьшением диаметра анодного пят-
на и, как следствие, ширины шва, повышением анодного напряжения
и соответствующим уменьшением сварочного тока. Анодное падение
напряжения и сосредоточенность теплового потока дуги приводят к
увеличению ее проплавляющей способности. Отмеченные явления за-
висят от физико-химических свойств флюсов и особенно от активности
реакций взаимодействия расплавленного флюса со свариваемым метал-
лом при высокой температуре. Сварка по флюсу целесообразна для ме-
таллов малых толщин (до 3—4 мм). Для титана больших толщин разра-
ботан и применяется в производственных условиях способ сварки
вольфрамовым электродом с порошковой проволокой, которая ис-
пользуется в виде присадки и служит для введения в зону сварки гало-
генидных флюсов. Сварка по флюсу и с порошковой проволокой обес-
печивает проплавление кромок иа токах, в 1,5—2,5 раза меньших,
чём при обычной аргоиодуговой сварке неплавящимся электродом
(рис. 2.7). С уменьшением сварочного тока снижается тепловложение
при сварке и сокращается протяженность ЗТВ сварки. Значительно
уменьшается расход инертного газа. Коэффициент формы шва (отноше-
ние ширины шва к толщине металла) приближается к единице. Приме-
нение флюса и порошковой проволоки в ряде случаев позволяет заме-
нять многослойную сварку однопроходной, что значительно повышает
качество соединений и производительность сварочных работ. Металлур-
гические процессы, протекающие при сварке с галогенидными флюсами,
Рис. 2.7. Затраты погонной
энергии при сварке титана не-
плавящимся электродом без
флюса (1) и по флюсу АНТ-23А
(2).
способствуют рафинированию метал-
ла шва и, как следствие,устранению
склонности швов к образованию пор.
Сварка в защитном газе
плавящимся электродом
применяется для ряда цветных ме-
таллов и сплавов (алюминий, медь,
титан и др.). При сварке плавящимся
электродом шов образуют расплав-
ленный основной металл и электрод-
ная проволока. Поэтому формирова-
ние шва, его размеры в значительной
степени зависят от характера плав-
ления и переноса электродного ме-
талла в сварочную ванну. В свою
очередь перенос электродного метал-
ла определяется составом электрода
и защитного газа, плотностью сва-
рочного тока и другими факторами.
Дуга в инертных газах наиболее ста-
бильна при постоянном токе обрат-
ной полярности н так называемом
струнном (мелкокапельном) переносе электродного металла. Такой
перенос для электрода данного диаметра достигается выбором величп ны
сварочного тока, обеспечивающей достаточно высокую плотность
тока в электроде (см. гл. 4). Сварка плавящимся электродом в за-
щитном газе выполняется автоматами н полуавтоматами. Автомати-
ческая сварка производится в аргоне или смеси аргона с гелием элек-
тродной проволокой диаметром до 5 мм, полуавтоматическая— элек-
тродной проволокой малого диаметра (1,5—2,5 мм). Для сварки
используют источники питания с жесткими и пологопадающими внеш-
ними характеристиками (см. табл.2.4).
Импульс и о-дуговая сварка плавящимся
электродом в среде защитных газов позволяет
осуществлять в монтажных условиях сварку соединений, расположен-
ных в разных пространственных положениях. Этот вид сварки основан
на управлении магнитодинамическими процессами в дуге и, в част-
ности, капельным переносом металла при плавлении электродной про-
волоки. Схема процесса импульсно-дуговой сварки плавящимся элек-
тродом приведена на рис. 2.8. Наложение мощных кратковременных
Рис. 2.8. Схема процесса импульсно-дуговой сварки плавящимся элек-
тродом в среде инертных газов (а) и кривые тока и напряжения (б):
ИП — источник питания, ГИ — генератор импульсов,
импульсов на дугу постоянного тока делает формирование капли на
конце электродов регулируемым процессом. Данный способ сварки ус-
пешно применяется для алюминиевых и титановых сплавов. Возмож-
ности и преимущества нового способа сварки показаны на титановых
сплавах [76]. Применение генератора импульсов типа ИИП-2 (табл. 2.10)
при сварке титановой электродной проволокой диаметром 1,2—2,0 мм
обеспечило перенос одной капли металла при каждом импульсе тока.
Во время сварки без импульсов на токах 150—300 А электродный ме-
талл разбрызгивается, условия защиты зоны сварки ухудшаются, а
при сварке вертикальных швов процесс протекает нестабильно. При-
менение импульсно-дуговой сварки, позволившей управлять в опреде-
ленных пределах переносом металла, практически полностью устра-
нило разбрызгивание, стабилизировало проплавление основного ме-
талла, упростило технику сварки вертикальных швов.
Таблица 2.10. Техническая характеристика генераторов импульсов для
сварки плавящимся электродом
Марка Предел ре- гулирова- ния ампли- туды им- пульсов тока, А Диаметр электрода, мм Длитель- ность им- пульса, мс Число ступе- ней регулиро- вания Номиналь- ная мощ- ность, кВ.А Масса, кг
тока им- пульса дли- тельно- сти пул ьса
ИИП-1 400—850 1,6—2,0 1,5—2,0 3 4 5,0 180
ИИП-2 500—1000 0,8—2,5 1,6—2,8 3 4 10,0 25
ГИ-ИДС-1 400—1200 0,8—2,5 1,8—3,5 3 3 15,2 160
ГИД 450—1200 0,8—2,5 1,5—3,0 Плавное 11,0 200
Периодическое импульсное повышение тока дуги приводит к за-
метному снижению нижнего предела сварочного тока при автоматиче-
ской и полуавтоматической сварке и мелкокапельиому переносу ме-
талла. Принудительный, направленный перенос электродного металла
значительно улучшает формирование швов, выполняемых полуавтома-
том электродной проволокой малого диаметра, и делает возможной
полуавтоматическую сварку в вертикальном и даже потолочном поло-
жениях.
В производственных условиях достаточно надежно удается защи-
тить инертным газом короткие прямолинейные швы. Качественная
сварка изделий сложной конфигурации со швами, расположенными в
разных плоскостях, с местной защитой зон сварки на воздухе весьма
затруднена, а во многих случаях и невозможна. Поэтому для сварки
изделий из химически активных и тугоплавких металлов используют
герметичные камеры с контролируемой атмосферой инертного газа.
Сварку в камерах можно выполнять автоматами или вручную. При
ручной сварке оператор находится вне камеры, продевая руки в рука-
ва с перчатками из вакуумно-плотной резины. Корпус камеры может
быть металлическим или прозрачным. К последнему типу относятся так
называемые эластичные камеры. Перед заполнением камеры инертным
газом при небольшом избыточном давлении до 9,8 кПа ее вакуумируют
до 0,13—0,013 Па. В связи с увеличением габаритов и массы конструк-
ций из химически активных цветных металлов, например титана и его
сплавов, возникла необходимость в применении больших, так назы-
ваемых обитаемых камер с инертной атмосферой объемом до 450 м3
Рис. 2.9. Схема сварочного поста для ручной (а) и автоматической (б)
сварки.
1 — неточный питания; 2 — вольтметр постоянного тока; 3 — контактор включения
сварочной цепи; 4 — балластный реостат; 5 — амперметр постоянного тока; 6 —
шунт; 7 — горелка; 8 — защитная насадка; 9 — ротаметры; 10 — электромагнитный
клапан подачи газа; 11 — формирующая подкладка; 12 — кнопка «Пуск»; 13 ~
кнопка «Стоп»; 14 — контакты самоблокировки катушкя контактора; 15—катуш-
ка контактора; 16 — конденсатор защиты; /7 — дроссель защиты; 18 — осцилля-
тор; 19 — включение осциллятора.
и более. В этом случае оператор выполняет сварку, находясь внутри
камеры в специальном скафандре. Камеры такого типа оборудуют си-
стемами регенерации инертного газа, обеспечения сварщика возду-
хом, шлюзования и др. В некоторых случаях камеры для сварки
крупногабаритных изделий, например кольцевых швов, удается за-
менить местными защитными камерами небольших размеров. В такие
камеры с соответствующими уплотнениями помещается лишь сваривае-
мая часть изделия 1193]. К камерам данного типа относятся разъемные
малогабаритные камеры для сварки неповоротиых стыков трубчатых
конструкций из титановых и других сплавов.
Для сварки химически активных цветных металлов и сплавов на
их основе разработана дуговая сварка плавящимся электро-
дом в вакууме. Использование вакуума в качестве среды при
сварке дает возможность надежно защитить зону сварки получить
высокое качество металла шва. Дуговая сварка в вакуумных камерах
экономичнее сварки в камерах с контролируемой атмосферой, так как
в этом случае исключаются расходы на дорогостоящие инертные газы.
В настоящее время начали применять способ сварки в узкий зазор.
Сварку выполняют иа автоматах неплавящимся или плавящимся элек-
тродом в среде защитных газов. Свариваемые элементы толщиной до
200 мм собирают без скоса кромок с зазором 6—12 мм. Разделку за-
полняют наложением валиков одной или двумя последовательными
дугами. При сварке плавящимся электродом используют проволоку
малого диаметра (1,5—2,0 мм). Для сварки применяют смесь аргона
с гелием. Так, сварка алюминия и его сплавов осуществляется в сме-
си, состоящей нз 75—80 % аргона и 25—20 % гелия.
Схема и оборудование поста для сварки неплавящимся вольфрамо-
вым электродом в среде защитных газов зависят от того, для каких
цветных металлов он предназначается, т. е. с использованием какого
тока должна осуществляться сварка. Как отмечалось выше, подавляю-
щее большинство цветных металлов сваривают на постоянном токе
прямой полярности. Принципиальная схема поста для ручной аргоно-
дуговой сварки на постоянном токе приведена на рис. 2.9, а. Для свар-
ки металла малых толщин могут быть использованы источники постоян-
ного тока на 100—300 А, для средних и больших толщин — на 300—
500 А и более. Для регулирования и получения низких значений свароч-
ного тока, а также для обеспечения устойчивости дуги в сварочн\ю
цепь подключают балластные реостаты, например, типа РБ-200 и РБ-ЗОЭ
(соответственно для пределов по току 200 и 300 А). Для возбуждения
дуги без замыкания дугового промежутка в сварочную цепь вводят
осциллятор, отключающийся после зажигания дуги. Расход защит-
ных газов, подаваемых в зону дуги, измеряется ротаметрами (расходо-
мерами) двух типов — поплавковыми и дроссельными. Каждый рота-
метр снабжен графиком, на котором по оси абсцисс отложены деления
шкалы ротаметра, а по оси ординат — соответствующий расход газа при
заданном давлении. В основном применяют ротаметры типа РС: РС-ЗА,
РС-3 и РС-5 (соответственно на расход по аргону до 0,85; 8,9 и 56,6 л/мин).
Ротаметры рассчитаны на рабочее давление до 294,3 кПа
и предельную температуру среды 100 °С. Для снижения давления
газа, получаемого из баллона, до рабочего предназначены газовые
редукторы. Для сварки в среде защитных газов применяют двухсту-
пенчатые редукторы следующих типов (АР — для аргона; Г — для
гелия; А — для азота);
Тип редуктора АР-10 АР-40
Расход газа, л/мии 0,5—10 5—40
АР-150 Г-70 А-30 А-90
10—150 5—70 0,5—30 15—90
При монтаже газовых коммуникаций используют резинотканевые напор-
ные шланги типа Г с внутренним диаметром 9 мм (ГОСТ 8318—75).
Ручная сварка вольфрамовым электродом в среде защитных газов
выполняется сварочными горелками, предназначенными для закрепле-
ния в них неплавящегося электрода и подведения к нему сварочного
тока и защитной струи газа. По габаритам и подводимой мощности
горелки делятся на три вида: малые, средние и крупные; по типу ох-
лаждения — на водоохлаждаемые и без водяного охлаждения. Тех-
ническая характеристика некоторых наиболее распространенных горе-
лок приведена в табл. 2,11 (рис. 2.10). Обычно горелки снабжаются
сменными металлическими (АР-9, АР-10-2) или керамическими (ГРАД,
ГРА-150) соплами, имеющими разные выходные отверстия, что позво-
ляет изменять зону защиты в зависимости от сварочного тока. Некото-
рые горелки (АР-10-1, РГА-4) имеют керамические сопла для малых
сварочных токов и металлические — для больших. Более тонкую регу-
лировку расхода газа, оптимального для данного режима сварки, поз-
воляют выполнять горелки типа ЭЗР с помощью маховичка, располо-
женного иа держателе.
Схема поста для автоматической сварки вольфрамовым электродом
в среде защитных газов постоянным током приведена иа рис. 2.9, б.
В качестве источника питания используют выпрямители с падающей
характери стикой.
В ряде случаев, когда применяемый инертный газ ие соответствует
установленным требованиям по содержанию в нем кислорода и влаги,
приходится дополнительно осуществлять его очистку и осушку .Очистка
инертного газа от азота на месте потребления ввиду сложности и труд-
Рис. 2.10. Горелка для
ручной аргоиодуговон
сварки неплавящимся
электродом.
Таблица 2.11. Техническая характеристика горелок для ручной сварки
в защитных газах
Л’нрка Охлаждение Допустимый сварочный ток, А б/э, мм Л'асса. кг
ЭЗР-5-2 Воздушное 80 1—1,5 0,95*
АР-10-1 » 120 1—3 0,35
РГА-150 » 150 0,8—3 0.30
АР-3 э 180 1,5—3 0,5
АР-10-2 Водяное 200 2—4 0,4
ГРАД-200 » 250 2—4 0.2
МГ-3 Воздушное 300 1 — 1,5 0.45
АР-10-3 Водяное 400 3-8 0,5
РГА-400 » 400 4—6 0,43
МГВ-1 » 400 2—6 0,55
АР-9 » 400 1—6 0,45
ГРАД-400 » 400 3—7 0.4
ЭЗР-4-68 > 500 4—6 0.8
• Со шлангом н кабелем.
ности ее осуществления практически не производится. Наиболее про-
стые печи для очистки газа от кислорода заполняются медной стружкой
и обрезками медной проволоки. Успешно применяются очистители с ти-
тановой губкой. В качестве поглотителей влаги используют едкий ка-
лий, фосфорный ангидрид, селнкагель. активированный оксид алю-
миния и др.
Общим недостатком приведенных выше схем постов ручной сварки
вольфрамовым электродом в среде защитных газов является отсутствие
аппаратуры, управляющей очередностью и временем включения газа
(в отдельных случаях — блокировочной и сигнальной аппаратуры),
а также отсутствие устройств для понижения сварочного тока в конце
сварки и отключения сварочной установки в случае обрыва дуги или
короткого замыкания электрода на изделие. Этих недостатков лише-
ны специализированные установки для ручной сварки вольфрамовым
электродом. Для сварки иа постоянном токе применяются установки
следующих типов [65,96]: ПРМ-ЗМ (7СВ < 450 А; = 2 4- 5 мм,
расход защитного газа до 1200 л/ч); «Шторм> (/св < 350 А; г/3 =
= 2 -г 6 мм; расход защитного газа до 1200 л/ч); АП (полупроводнико-
вые, транзисторные). Последние могут быть использованы для сварки
импульсным током. Рассчитаны на номинальные сварочные токн 30 А
(АП-4), 100 А (АП-5) и 300 А (АП-6). Для сварки медн, титана и их
сплавов применяются установки типа ПАРС-1 (табл. 2.12). Для сварки
на переменном токе используют установки типа УДАР и УДГ [65],
рассчитанные иа номинальные сварочные токн до 300—500 А.
Сварку вольфрамовым электродом в среде защитных газов срав-
нительно просто механизировать. Поэтому механизированная и авто-
матическая сварка иеплавящимся электродом с присадочной проволокой
или без нее для цветных металлов широко распространена. Простей-
шая механизации достигается приспособлением горелки для ручной
сварки к любому механизму, позволяющему регулировать скорость
перемещения дуги (например, самоходные сварочные головки, свароч-
ные тракторы и др.).
Таблица 2.12. Техническая характеристика установок для ручной
аргонодуговой сварки неплавящимся электродом
Марка Напряжение. В Номинальный сварочный ток, Л Масса , кг
первичное вторичное
Шторм-2 380 60 350 470*
УДГ-101 220; 380 70 300 600*
УДГ-301 220; 380 70 300 550*
УД Г-501 220; 380 70 500 570*
ПАРС-1 220 50—70 250 15**
• С источником питания.
•• Без источника питания.
При сварке химически активных и тугоплавких металлов необхо-
димо защищать инертным газом не только сварочную ванну, но и осты-
вающие участки шва и околошовной зоны. Для этой цели горелка
снабжена дополнительной насадкой, через которую подается струя
инертного газа (рис. 2.11). Длину насадки для принятого режима
сварки и толщины свариваемого металла можно приближенно опреде-
лить, используя тепловые расчеты по Н. Н. Рыкалину [279]. При
этом исходят из того, что остывающие участки сварного соединения
следует защитить инертным газом до температуры, при которой исклю-
чено насыщение их газами атмосферы (см. гл. 4). Существует несколько
типов подвесных и самоходных головок, а также тракторов для сварки
неплавящимся электродом (см. табл. 2.8). На рис. 2.12 показан автомат
АРК-1 с подвесной головкой для сварки с подачей присадочной прово-
локи и плавящимся электродом. Условиями надежной работы такой
головки являются точное направление проволоки в сварочную ваииу
и постоянство скорости подачи. Для этого служит система корректоров
положения наконечника относительно горелки.
В ряде случаев целесообразно применять сварочные головки, ко-
торые пристраивают и перемещают над свариваемым изделием порталом
или закрепляют на специальном приспособлении над перемещающимся
или вращающимся изделием. К ним относится, например, головка
АГВ-2 (головка трактора АДСВ-2) с пультом управления и шкафом
электроаппаратуры. Автоматы «Луч-2» и АГТР-1 предназначены для
приварки труб к трубным решеткам неплавящимся электродом в ар-
Рис. 2.11.
Схема насадки для защиты остывающего металла сварного
соединения.
гоие'с подачей присадки на постоянном токе. Первый автомат прива-
ривает трубы диаметром 10—24 мм, второй — диаметром 18—40 мм
|65]. Для сварки в среде защитных газов неплавящимся электродов
в импульсном режиме используются специальные импульсные источ-
ники питания сварочной дуги (табл. 2.13).
Т 1блица 2.13. Техническая характеристика импульсных источников
питания дуги для сварки неплавящимся электродом
Марка Допустимый свароч- ный ток, А Предел регулиро- вания тока, Л Длительность им- пульса-паузы, с
ИПИД-150 150 5—150 0,04—0,4
ИПИД-300 300 30—350 0,08—0,5
Примечание. ПН=65 %, х = 65 В. /деж = I ЗА, частота импульсов
50 Гц.
В большинстве случаев сварка производится на постоянном токе
обратной полярности. В качестве источников питания дуги применяют
преобразователи и выпрямители с жесткими или пологопадающими
внешними характеристиками. Технические данные некоторых полу-
автоматов, наиболее широко применяемых для сварки плавящимся
электродом в среде защитных газов, приведены в табл. 2.7. Полуавто-
маты типа ПШП используются в основном для аргоиодуговой сварки
плавящимся электродом алюминия и его сплавов. Полуавтоматы типа
ПДГИ-101, ПДГИ-302 используются для импульсно-дуговой сварки
плавящимся электродом (рис. 2.13).
Автоматическая сварка плавящимся электродом в среде защитных
газов может выполняться теми же аппаратами, которые применяются
для сварки под флюсом (например, тракторного типа: ТС-17М, ТС-32
и др.) после переоборудования — установки соответствующей горелки.
Рис. 2.13. Пистолет полуав-
томата типа ПШП-10:
I — подающий ролик: 2 — редук-
гор; 3 — двигатель; 4 — проволо-
ка; 5 — горелка.
К числу специализированных
тракторов для сварки плавя-
щимся электродом в среде за-
щитных газов относится авто-
мат типа АДСП АДПГ (см.
табл. 2.8).
Плазменная (плазменно-ду-
говая) сварка — высокопроиз-
водительный процесс сварки.
при котором в качестве источника теплоты используют плазменную
струю — поток ионизированных частиц, обладающих большим за-
пасом энергии. Температура плазменной струи достигает 20 000-
Рис. 2.14. Сварка плазменной дугой:
а — схема процесса (/ — вольфрамовый электрод: 2 — цанга; 3 — сопло: 4 — плаз-
менная дуга, сжатая газовым потоком; 5 — свариваемое изделие); б — плазменная
горелка (/ — присадочная проволока: 2 — сопло для защитной газовой струи; 3—
сопло дли создании рабочей газовой струн; 4— мундштук для подачи присадоч-
ной проволоки; 5 — токоподвод; 6 — подвод плазмбобразующего газа; 7 — подвод
и отвод охлаждающей воды: 8 — неплавящийся электрод: 9 — корпус горелкн; 10 —
прокладка; // — подвод газа для защитной струн; 12 — свариваемое изделие; О —
диаметр отверстия сопла; /о —общая длина плазменной дуги; /—расстояние
от сопла до изделия).
Рис. 2.15, Схема микроплаз-
менной сварки;
/ — электрод: 2 — рабочее сопло;
3 — защитное сопло; 4 — сжатая
дуга (плазма); 5 — изделие.
30 000 К и выше [2091. От дугового
способа сварки плазменная сварка отли-
чается формой дуги. Дуга при сварке
неплавящимся электродом в среде ине-
ртного газа имеет форму колокола. При
плазменной сварке вследствие обжатия
стенки сопла дуга принимает форму ци-
линдра (так называемая сжатая дуга)
(рис. 2.14). Плазмообразующий газ по-
дается в камеру горелкн н, вытекая че-
рез сопло 3, сжимает дугу. Часть газа,
проходя через столб дуги, нагревается,
ионизируется и выходит из сопла 3
в виде плазменной струи. Наружный
слой, омывающий столб дуги, остается
относительно холодным и создает элек-
трическую и тепловую изоляцию между
дугой и соплом, предохраняя его от
разрушения.
При плазменно-дуговой сварке дуга может быть двух видов: пря-
мого н косвенного действии. Дуга, горящая между электродом 8 и из-
делием 12, называется дугой прямого действия, а дуга, г орящая между
электродом 8 и соплом 3, — дугой косвенного действия. Через газо-
защитное сопло 2 осуществляется дополнительная защита зоны сварки
инертным газом, которая необходима в связи с тем, что высокотемпера-
турная струя истекает с большой скоростью и увлекает с собой в зону
сзарки окружающий воздух. В основном применяются горелки пря-
мого действия.
Плазмотрон для сварки обычноимеет вторичную фокусировку. Она
заключается в том, что защитный газ подается под углом к оси горелки
и, омывая столб дуги, интенсивно охлаждает его. Вследствие этого при
удалении от сопла диаметр столба дуги уменьшается и высокая кон-
центрация плазменного потока достигается при относительно малой
скорости истечения. Горелки с вторичной фокусировкой плазменной
струи позволяют получить остроконечную плазменную дугу в области
малых токов.
Для соединения деталей из цветных металлов малых толщин (алю-
миниевые сплавы, титановые сплавы и др.) применяется м и к р о-
п л а змеиная сварка (рис. 2.15). В качестве нсточнп ка нагрева
используют сжатую дугу прямого действия, горящую между электро-
дом 1 и изделием 5. Стабильное горение и пространственная устойчи-
вость микроплазмы иа малых токах (0,1 А и выше) достигаются благо-
даря высокой степени сжатия столба дуги, которая обеспечивается при
использовании сопла с каналом малого диаметра (менее 1 мм) и непре-
рывно горящей между электродом 1 и соплом 2 дежурной дуги. При
этом плазмообразующий газ выносит из канала сопла поток ионизиро-
ванных частиц. Это обеспечивает ионизацию разрядного промежутка
и возбуждение основной дуги при подаче напряжения отисточника пи-
тания микроплазмы между вольфрамовым электродом и изделием, яв-
ляющимся анодом разряда. Мпкроплазмеиная сварка цветных металлов
осуществляется в основном на постоянном токе дугой прямой поляр-
ности, горящей в непрерывном или импульсном режиме. Для предот-
вращения взаимодействия сварочной ванны и ЗТВ с атмосферой по
кольцевому зазору между водоохлаждаемым 2 и дополнительным кера-
мическим 3 соплами подается инертный газ. Инертный газ подается также
в насадку и подкладку для защиты остывающих участков сварного
соединения и его корня (обратной стороны шва). В качестве плазмооб-
разующего газа используют аргон, а в качестве защитного — аргон,
гелий, азот, смеси аргона с водородом (до 0,15 объемных долей Н2/
аргона с гелием (до 0,70 объемных долей Не), аргона с азотом, азота
с водородом в зависимости от рода соединяемого металла [296],
Особенностью микроплазменной сварки на постоянном токе явля-
ется то, что катодная область дуги находится в атмосфере плазмо-
образующего газа (обычно аргона), а столб дуги и анодная область —
в атмосфере защитного газа. Применение защитной смеси молекулярных
газов и газов с высоким потенциалом ионизации повышает напряжение
дуги, увеличивает ее проплавляющую способность, что объясняется
прохождением в столбе дуги эндотермических реакций диссоциации
молекул. Это приводит к контрагированию столба дуги, которая при-
обретает форму конуса (иглы), сходящегося к изделию. При этом на
острие достигается плотность тока 5 • 103 А/см2. По сравнению со сжа-
той дугой без примесей водорода в защитном газе дополнительное конт-
рагирование столба дуги позволяет получить более концентрированный
источник нагрева и лучшую стабильность процесса сварки. Мнкроплаз-
меиная сварка может выполняться в непрерывном н импульсном ре-
жимах. Она успешно применяется для сварки изделий из особо тонко-
стенных металлов и сплавов, таких, как сильфоны, мембраны, мини-
атюрные трубопроводы, полупроводниковые приборы, узлы электрон-
ных ламп, конденсаторы н др.
При плазменной сварке используют следующие источники пита-
ния: выпрямители ВДГ, ВД, а также специализированные источники
питания, разработанные для плазменной резки, — ИПГ-500; УГР-300
и др. Для микроплазменной сварки используют специальные источники
питания с линейно-падающей характеристикой (табл. 2.14) [296].
Сварка изделий производится на установках, учитывающих спе-
цифику обработки особо тонкостенных металлов. Так, для автоматиче-
ской микроплазменной сварки особо тонкостенных труб из сплавов
па основе медн, титана, циркония н других цветных металлов применя-
ют установки типа УМПСТ [296]. В этих установках движение трубы
осуществляется за счет толкающего усилия формирующих роликов.
Используемая в установке схема формирования трубы обеспечивает
высокую стабильность совмещения стыка трубы с дугой, отсутствие
растягивающих напряжений в зоне сварки, возможность сварки труб
малых диаметров (50—3 мм). равномерность движения трубной
заготовки.
Таблица 2.14. Техническая характеристика источников питания для
микроплазменной сварки
Марка Режим работы Ток дуги, А Потребляе- мая мощ- ность, кВт Масса, кг
ОСНОВНОЙ дежурной
МПИ-З Импульсный 0.5—18 2,0 0,8 18
(0,02—5 с)
А-1255И То же 1,0—20 1,2—2,0 0,8 54
МПУ-РИ » 3—30 2,5—4,0 2,3 100
МПУ-М » 2—30 2,0—4,0 3,0 100
МП У-4 » 2,5—30 ОД—3,0 3,5 300
А-1255 Непрерывный 1,0—10 1,2-2,0 0,8 54
Примечание. Расход нлаэмообразующего газа 0,2—0,6 л/мии, защитного —
2—6 л/мин.
Рис. 2.16. Схема ЭШС проволочным электродом:
а —сварка одной проволокой (1 — металл шва; 2 — металлическая ванна; 3 — шла-
ковая ванна, 4 — проволока; 5—ползуны); б — сварка с возвратно-поступательным
движением одной проволоки по толщине свариваемых деталей.
Рис. 2.17. Схема ЭШС пластинчатым электродом с наддувом аргона:
1 — свариваемое изделие; 2 — пластинчатый электрод-. 3 — металл шва; 4 — фор-
мирующий водоохлаждаемый медный кокиль: 5 — шлаковая ванна; 6 — металличе-
ская ваииа; 7 — устройство для поддува аргона.
Электрошлаковая сварка (ЭШС) играет существенную роль в рас-
ширении областей применения ряда цветных металлов и сплавов на их
основе (алюминий, титан, медь) для изготовления изделий большой
толщины. Этот способ сварки основан на выделении теплоты при про-
хождении электрического тока через толстый слой расплавленного шла-
ка. Температура шлаковой ванны обычно превышает температуру плав-
ления основного металла, поэтому шлак расплавляет погруженный в
него электрод и кромки соединяемых деталей. Из схемы электрошлако-
вого процесса (рис. 2.16) видно, что ЭШС выполняется прн вертикаль-
ном положении осп шва в сочетании с принудительным формированием
сварочной ванны. Электродная проволока 4 непрерывно подается в шла-
ковую ванну, а формирующие ползуны ,5, которые одновременно явля-
ются шлакоудерживающпми приспособлениями, перемешаются вверх
со скоростью, соответствующей повышению уровня шлаковой и метал-
лической ванн. Прн сварке коротких швов отпадает необходимость
в двух скользящих ползунах. В этом случае формирующее и шлако-
удерживающее приспособление может быть выполнено в виде непод-
вижного кокиля. Для этой цели могут быть использованы также при-
вариваемые планки.
ЭШС выполняется различными приемами, зависящими от типа
электродов, способа введения их в разделку и подвода к ним сварочного
тока. Из них наибольшее распространение получили сварка проволо-
кой, сварка электродом большого сечения (пластинчатым электродом),
сварка плавящимся мундштуком (пластинчато-проволочным электро-
дом). Для сварки цветных металлов используют в основном последние
две разновидности ЭШС. Пластинчатыми электродами сваривают пря-
молинейные швы на металле толщиной до 200—300 мм и сравнительно
небольшой длины (до 1—1,5 м). Сварку плавящимся мундштуком ис-
пользуют для металла практически любой толщины при длине шва до
3 м и более. Такой способ сварки позволяет выполнять швы сложного
криволинейного профиля.
ЭШС имеет ряд особенностей, которые необходимо учитывать при
использовании этого способа для цветных металлов. При прохожде-
нии электрического тока через шлак ие происходит такого интенсивного
выделения газов, сопровождающегося разбрызгиванием шлака, как
при дуговой сварке. При установившемся электрошлаковом процессе
разбрызгивание шлака совсем отсутст-
вует. Это позволяет вести сварку стали
с открытой поверхностью шлаковой ван-
ны, так как толстый слой расплавленного
шлака надежно изолирует металлическую
ванну от газов атмосферы.
При сварке химически активных
цветных металлов (например, титана)
одной лишь шлаковой защиты недоста-
точно для получения наплавленного ме-
талла, не загрязненного вредными при-
месями-газами. При открытой поверх-
ности шлаковой ванны, т. е. при кон-
такте расплавленного шлака с возду-
хом, происходит частичное поглощение
газов шлаком. Конвективные потоки
ускоряют процесс переноса растворен-
ных газов к реакционной зоне, в кото-
рой происходит взаимодействие между
шлаком и металлом. Перенос газов мо-
жет происходить также в результате
образования химических соединений в
верхней части шлаковой ванны и пере-
дачи газа при взаимодействии металла
со шлаком в реакционной зоне. В ре-
зультате указанных процессов металл
шва загрязняется газами, поэтому при
сварке цветных металлов, и в первую
очередь химически активных, необхо-
димо изолировать шлаковую ванну от
воздуха. Надежную защиту можно по-
лучить путем наддува чистого аргона
над поверхностью шлаковой ванны (рис.
2.17).
Прн ЭШС плавящийся металл элек-
трода, поверхность жидкой металличес-
кой ваины, а также оплавляемая по-
Рис. 2.18. Аппарат типа
А-550 для ЭШС пластинча-
тым электродом:
1 — ходовой винт: 2 — электро-
додержатель; 3 — электрод: 4 —
рельс.
верхность основного металла постоянно омываются потоками жидкого
шлака. Поэтому конечный химический состав металла шва и его
свойства определяются составом исходных материалов и ходом ме-
таллургических реакций в процессе сварки, т. е. взаимодействием
жидкого металла, шлака и газовой фазы. Для цветных металлов и их
сплавов в основном используются бескислородные флюсы — шлаки.
В ванну подается небольшое количество флюса, равное количеству
отлагающейся на поверхности шва тонкой шлаковой корки толщиной
1 —1,5 мм. Такой коркн достаточно, чтобы защитить боковую поверх-
ность шва на стали от взаимодействия с воздухом. Однако при сварке
цветных металлов в ряде случаев приходится дополнительно обдувать
поверхность шва аргоном вплоть до температуры 300—400 °С с целью
изоляции его от воздуха.
Одной из отличительных особенностей ЭШС является замедленный
нагрев и охлаждение зоны термического влияния сварки; скорости на-
грева и охлаждения в разных точках зоны влияния в 10—100 раз мень-
ше, чем при дуговой сварке. Во много раз больше продолжительность
пребывания нагретых участков металла при высокой температуре.
Вследствие благоприятного направления роста кристаллитов в
швах, выполненных ЭШС в вертикальном положении, отсутствует так
Таблица 2.15. Техническая характеристика трансформаторов для ЭШС
Марка Число фаз Номи- наль- ный фазо- вый ток (При ПН= = 100%). А Число ступеней регули- рования напря- жения Предел регули- рова- ния на- пряже- ния, В Номи- наль- ная по- треб- ляемая мощ- ность, кВ-А Габариты, мм Масса, кг
ТШС-600-3 3 600 18 38—62 67 1160x1010 1160
1200 100
ТШС-1000-1 1 1000 18 38—62 56 980 X 690 510
ТШС-1000-3 3 1000 18 38—62 112 1470x900 1400
2000 170
ТШС-3000-1 1 3000 10 13—46 138 960 x 806 600
ТШС-30С0-3 3 3000 18 8—63 340 1360X1355 2200
6000 500
ТЩС-10000-1 1 10000 4 23—41 410 1300Х 1470 1050
ТШП-10(1) 1 10000 4 40—72 724 1740X1100 3050
ТШП-15-3 3 15000 10 14—50 1370 1450x1300 3250
Таблица 2.16. Техническая характеристика аппаратов для ЭШС пластин
Марка Характеристика аппарата Толщина сва- риваемого металла, мм, нс более Максимальные размеры пла- стинчатого электрода, мм
ширина толщина
А-372Р Самоходным, рель- сового типа; про- волочные и пла- стинчатые элек- троды 450 180 10
А-535 Самоходный, рель- сового типа; про- волочные и пла- стинчатые элек- 450 200 10
А-550У троды Стационарный; пластинчатые электроды 200 200 20
А-1517 Подвесной; плас- тинчатые элек- троды 150 130 10
А 645 Подвесной; плавя- щийся мундштук, шесть проволок 450 — —
А-1304 Подвесной; плавя- щийся мунд- штук, четыре проволоки 400
называемая зона слабины, наблюдаемая в швах большого сечения, сва-
ренных в нижнем положении. Благодаря этому значительно снижается
склонность швов к образованию кристаллизационных трещин, что для
цветных металлов имеет первостепенное значение.
ЭШС выполняется на переменном токе. Обычно применяется одно-
проходное стыковое соединение без разделки кромок; возможны также
тавровые и угловые соединения. ЭШС эффективна для металла толщи-
ной 40—50 мм и выше. В качестве источников питания при ЭШС приме-
няют трансформаторы типа ТШС н ТШП (табл. 2.15). ЭШС пластинча-
тыми электродами выполняется специализированными аппаратами
(табл. 2.16). Для сварки сравнительно коротких швов пластинчатыми
электродами используется аппарат марки А-550 (рис. 2.18).
Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) — эффективный способ сварки
плавлением, основанный на использовании кинетической энергии
электронов, движущихся с большой скоростью в вакууме. Пучок элект-
ронов, эмитированный раскаленным катодом, ускоряется в вакууме
напряжением до 100 кВ и более (ускоряющее напряжение). При этом
скорость электронов может достигать 162 00 км/с (при 7/уск с 100 кВ).
Кинетическая энергия электронов при торможении на поверхности ме-
талла (анода) превращается в тепловую, которая расходуется на плав-
ление свариваемых кромок. ЭЛС качественно отличается от всех ранее
рассмотренных видов сварки плавлением. Эти различия обусловлены
двумя главными факторами: применением нового мощного концеитри-
чатыми электродами
Скорость подачи, м/ч Скорость сварки, м/ч Предел регулиро- вания сварочного тока, А Габариты, мм Масса, кг
Проволоки 1 '0—500; пластины 1-10 1 — 10 400—1000 1200x730 320
Проволоки 63—480; пластины 0.4—9 0,4—9 300—1000 1600 X 820 380
0,8—10 — 3000—10 000 1200x575 440
3—30 — 3000—10 000 500X400 30
60—120 — 2000—6000 440x230 35
30—306 — 3000—4000 380x440 46
рованного источника теплоты и практически полным отсутствием газов,
окружающих зону сварки.
Важнейшей особенностью испо льзуемого в качестве источника на-
грева пучка электронов является то, что он сосредоточен на весьма ма-
лом пятне, диаметр которого может составлять десятые и даже сотые
доли миллиметра. Такая концентрация энергии достигается при спе-
циальной фокусировке луча в сварочных электронных пушках и де-
лает возможным сварку с необычным для электродуговых способов
соотношением глубины и ширины проплавления (до 20 : 1 и более),
а также при малых значениях погонной энергии.
ЭЛС выполняется, как правило, в вакуумных камерах при давле-
нии остаточных газов порядка 13,3 мПа. Прн сварке в вакууме исклю-
чается загрязнение шва газами, поэтому ЭЛС особенно эффективна для
сварки химически активных металлов и сплавов.
Электронно-лучевая сварочная установка включает герметичную
камеру, вакуумную систему с форвакуумным и высоковакуумным на-
сосами, сварочную пушку с системами электропитания, фокусировки,
управления лучом, вспомогательные цепи и контрольно-измерительные
приборы (рис. 2.19) [213].
Габариты вакуумных камер определяются размерами свариваемых
изделий. В настоящее время разработаны и эксплуатируются в произ-
водственных условиях сварочные камеры объемом в десятки кубиче-
ских метров. Внутри камеры располагаются устройства для перемеще-
ния свариваемого изделия или пушки, которая служит для получения
электронного луча, используемого при сварке. Корпусы сварочных ка-
мер в основном изготавливаются из углеродистых конструкционных
Рис. 2.19. Схема электронно-лучевой сварочной установки:
/ — вакуумная камера; 2— механизм перемещения; 3 — свариваемое изделие; 4 —
смотровое окно; 5— Форвакуумный насос; 6 — вакуум-провод; 7 — вентиль: 8 —
высоковакуумный насос; 9 — затвор высоковакуумного агрегата; 10— сварочная
пушка: // — катод; 12— анод; 13 — высоковольтный источник питания; 14 — си-
стема фокусировки луча; /5 —система электромагнитною отклонения пучка элек-
тронов.
сталей типа стали 20 и нержавеющих сталей типа 12Х18Н10Т. При вы-
боре толщины стенки камеры исходят из необходимости биологической
защиты от возникающего при сварке рентгеновского излучения.
Вакуумная система электронно-лучевой установки включает поми-
мо сварочной камеры вакуумпровод для удаления газа в откачивающую
систему, насосы, вакуумметры, вентили, ловушки и приборы для изме-
рения вакуума. Параметры некоторых типовых вакуумных систем
сварочных электронно-лучевых установок приведены в табл. 2.17.
Иногда в откачивающих системах для снижения остаточного давления
в камерах и предотвращения попадания в откачиваемый объем паров
рабочей жидкости насосов — масла и продуктов его распада— приме-
няются азотные ловушки, поставляемые в комплекте с высоковакуум-
ными агрегатами типа ВА. Принцип действия такой ловушки основан
на конденсации паров жидкостей при соприкосновении с охлажденными
до низкой температуры поверхностями. Однако полного устранения
тяжелых углеводородов — продуктов распада паров вакуумного мас-
ла — нз рабочего объема камеры удается достичь только при замене
паромасляных вакуумных насосов безмасляными титановыми [2131.
Такие насосы применяются при ЭЛС химически активных металлов
(титан, ниобий и др.). Для изменения давления газа в камерах уста-
новок для ЭЛС используют вакуумметры разного типа, из которых наи-
более распространенные — это ВТ-2А, ВТ-3, ВМ-5, ВИТ-1А, ВИТ-2.
Таблица 2.17. Техническая характеристика типовых вакуумных систем
сварочных электронно-лучевых установок
Объем камеры, ма Тип форвакуумно- го насоса Тип высоковакуум- ного агрегата Время достижения рабочего вакуума порядка 13,3 мПа, мнн
0,25 ВН-2 ВА-05-1 10—15
0,25—0,50 ВН-1 ВА-2-3 10—15
0,5—2,0 ВН-4 ВА-5-4 10—20
2,0—4,0 ВН-4 ВА-8-4 2—30
4,0—10 ВН-6 В А-20-1 20—30
Прн сварке крупных изделий из малоактивных металлов (напри-
мер, из медных сплавов) не предъявляются особые требования к чистоте
окружающей шов атмосферы. Поэтому наряду с высоковакуумными
установками разрабатывают и такие, в которых электронный луч вы-
водится из камеры пушки, где поддерживается давление не выше
13,3 мПа, а сварка производится при вакууме 13,3—1,33 Па в атмо-
сфере инертных газов или даже на воздухе.
Сварочные пушки — это электронные приборы, позволяющие
создавать узкие электронные пучки с большой плотностью энергии
(рис. 2.20). Катод пушки, нагреваясь до высокой температуры, эмити-
рует электроны. Для получения больших плотностей тока катоды из-
готовляют из металлов с небольшой работой выхода, допускающих на-
грев до высокой температуры при сравнительно малой скорости испа-
рения (вольфрам, тантал). В сварочных пушках широкое применение
нашли лаитанборидные (СаВв) катоды. Между катодом и анодом созда-
ется мощное электрическое поле: положительный потенциал анода до-
стигает нескольких десятков тысяч вольт, поэтому электроны на пути
к аноду приобретают значительную энергию н разгоняются до чрезвы-
Рис. 2.20. Электронная сварочная пушка:
0 ~ схема пушки (1 — катод; 2 — прикатодный электрод; 3 — анод; 4 — электрон-
ный пучок; 5 — фокусирующая электромагнитная линза; 6 — система отклонения
пучка; 7 — фокусное пятно; 3 — свариваемые детали; 9— шов); б — конструкция
пушки (7 — корпус; 2 — катодный узел; 3—изолятор; 4 — фокусирующая элект-
ромагнитная система; 5 — отклоняющая система); в — общий вид сварочной пушки
комплекса У-250А.
чайно больших скоростей. Они подвергаются сжатию в пучок с помо-
щью при катодного электрода (электростатическая фокусировка). Ка-
тод, прикатодный электрод и анод (ускоряющий электрод) образуют
прожектор, назначение которого — обеспечить первичное формирова-
ние сходящегося пучка электронов. Однако такой пучок электронов
нельзя еще использовать для сварки, его необходимо дополнительно
сжать (сфокусировать), чтобы добиться максимальной плотности энер-
гии в сечении пучка — пятне прн встрече его с поверхностью сваривае-
мого изделия. Для этой цели иа пути луча помещают специальные
устройства — фокусирующие электромагнитные линзы. В современ-
ных сварочных пушках используют такую комбинированную электро-
статическую и электромагнитную фокусировку. С помощью магнитной
отклоняющей системы корректируют положение луча относительно
кромок свариваемых деталей. Эта система может выполнять и ряд
других функций: расщеплять пучок электронов на два и более пучков
для одновременной сварки нескольких швов, предварительного, со-
путствующего или последующего нагрева и т. д. Электронно-лучевые
сварочные пушки разделяются на стационарные и перемещающиеся
внутри вакуумной камеры. Пушки второго типа используются для
крупногабаритных камер. Характеристики некоторых сварочных пушек
приведены в табл. 2.18. Питание сварочных пушек осуществляется
от специальных стабилизированных источников — выпрямителей мощ-
ностью 5—30 кВт. Значение ускоряющего напряжения современных
Таблица 2.18. Техническая характеристика сварочных пушек
Тип пушек (по уско- ряющему напря- жению, кВ) Марка Ускоря- ющее напря- жение, кВ Ток пучка, мА Диаметр пятна, мм Мате* риал катода Применение
<30 А-852- 18 20 100 0,4 БаВв Для прецизионной сварки изделии элек- тронной промышлен- ности
У-250А 30 450 0,8—1,0 То же Для универсальных
У-530М 30 40 170 0,2 0,6 » » установок с непо- движной или пере- мещаемыми пушками
40—80 ЭЛ-60М 60 35—45 0,7—0,8 Та Для специа лизпро-
ЭЛ- 60/ЮМ 60 170 0,8—1,2 То же ванных установок с неподвижными пуш- ками
>100 У-670 1 У-670М) 60/120 1000 500 0,5 ЬаВ6 или Та Для однопроходной сварки металлов больших толщин
пушек находится в пределах 30—200 кВ. Одним из наиболее распро-
страненных отечественных источников для ЭЛС является блок питания
У-250А, имеющий следующие основные характеристики:
Напряжение питающей сети, В
Диапазон ускоряющих напрян<е-
пий, кВ
Номинальный ток нагрузки, мА
Параметры блока разогрева катода:
напряжение, В
ток, А
Потребляемая мощность, кВ • А
Габариты, мм
Масса, кг
380
22—30
450
1000; 20
0,1; 15
20
1700X1200X1600
1800
Основными параметрами процесса ЭЛС является ускоряющее на-
пряжение, ток пучка, ток магнитной фокусирующей лнизы, скорость
сварки. Ускоряющее напряжение п ток пучка определяют значение за-
трачиваемой энергии при сварке. От тока, подводимого к электромаг-
нитной линзе, зависит не только диаметр активного пятна на изделии,
т. е. фокусировка луча, нои конфигурация пучка электронов, опреде-
ляющая форму проплавления основного металла. Изменением скоро-
сти сварки удается влиять на форму проплавления металла и кри-
сталлизацию сварочной ванны, а также на тепловое воздействие луча
на околошовную зону. ЭЛС отличается высокими скоростями сварки
(до 200 м/ч).
Глубокое проплавление металла при низких значениях погонной
энергии ЭЛС приводит к повышенной скорости кристаллизации малой
по объему сварочной ванны. Благодаря этому измельчается структура
сварного шва. Малый расход тепловой энергии при ЭЛС обеспечивает
минимальные расплавления и небольшие линейные размеры ЗТВ.
В результате достигается резкое снижение по сравнению с дуговой
сваркой деформации изделий.
Обычно ЭЛС осуществляется при непрерывном воздействии элек-
тронного луча на свариваемые детали. В ряде случаев, например при
сварке весьма тонкого металла или металлов, имеющих низкую темпе-
ратуру плавления и легко испаряющихся (магний, алюминий и др.),
необходимо прерывание луча. Такая сварка импульсно-модулирован-
ным пучком производится прн частоте до 300 имп/с и продолжитель-
ности импульса 0,01—0,00005 с помощью специальных автоматических
прерывателей [213].
Электронно-лучевым способом можно сваривать соединения тех же
типов, что и дуговым: стыковые, нахлесточные, по отбортованным
кромкам. Однако специфические особенности процесса ЭЛС (малое
поперечное сечение луча, перенос пучком электронов энергии на зна-
чительные расстояния, узкие швы при малой площади расплавляемого
металла и др.) позволяют выполнять сварные соединения принципиаль-
но новых видов (например, прорезными швами, в труднодоступных
местах, в узких разделках-щелях и др.) [209].
За последние годы создано большое количество различных по на-
значению и габаритам установок для ЭЛС, среди которых имеются уни-
версальные и специализированные установки, установки для микро-
сваркн малогабаритных детален, для сварки крупногабаритных изде-
лий с полной их герметизацией и др. (табл. 2.19). На рис. 2.21 показана
универсальная установка У-ЗМ. Она предназначена для сварки кольце-
вых швов в вертикальной и горизонтальной плоскостях и прямолиней-
ных швов в горизонтальной плоскости. Внутри вакуумной камеры
устанавливается один из трех сменных манипуляторов, позволяющих
сваривать кольцевые швы диаметром до 60 мм и продольные длиной
до 400 мм. Форвакуумный насос ВН-1 и высоковакуумный паромасля-
нын агрегат ВА-2-3 обеспечивают рабочее давление 6,7 мПа за 12—
15 мин. Наблюдение за процессом сварки ведется визуально через
смотровые иллюминаторы. При необходимости могут быть установле-
ны независимые оптические системы.
Таблица 2.19. Техническая характеристика установок для ЭЛС
Установ- ке! Свароч- ная пушка > скоря- ющее наир я- жение, кВ .Макси- мальная мощ- ность, кВт Источник пи)ания Размер вакуумной камеры, мм
А-306.13 А-852.18 20 5,0 В общем кор- пусе установ- ки 500x500x500
У-3 У-250А 30 13,5 У-250А 4=510, /=1320; 4=650, /=1500
У-401 У-250А 30 14,5 У-250А 1200Х 1200Х 180
ЭЛУ-4 ЭП-60 60 2,0 ИВ-60/4-1 700 X 700 х 1200
ЭЛУ-13 ЭП- 60/ЮМ 60 10,0 ИВ-60/15 10000x3400x5400
У-86 У-530 30 15,0 У-250А 4=2000, /=4000
Установку У-401 используют для ЭЛС химически активных метал-
лов и сплавов. Безмаслянып вакуум в камере достигается с помощью
сорбционного титанового насоса. Время откачки до рабочего давления
6,7—1,3 мПа составляет около
15 мин. Скорость сварки плав-
но регулируется в пределах
10—100 м/ч. Сварочная пушка
устанавливается на камере ста-
ционарно в одном из двух воз-
можных положений. Против
каждого люка пушки в корпу-
се камеры находится смотро-
вой иллюминатор, конструкция
которого позволяет устанавли-
вать бинокулярную оптичес-
кую систему наблюдени я с уве-
личением 4—8.
Сварка световым лучом вы-
полняется с использованием
в качестве источника света
мощной дуговой лампы или
квантового генератора. Мощ-
ность дуговых ксеноновых ламп
высокого давления составляет
5—10 кВт. Фокусировка све-
тового луча осуществляется
с помощью отражательной оп-
тики. На свариваемом изделии
пятно может иметь диаметр
от 2—3 мм до 20—50 мкм [6].
В настоящее время создан ряд
опытных установок для свар-
ки сфокусированной лучистой
энергией мощностью 0,5—10 кВт. В них используют дуговые ксеноно-
вые лампы типа ДКСШ (с воздушным охлаждением, мощностью 0,5—
3 кВт) и ДКСР (с комбинированным водяным и воздушным охлаждени-
ем, мощностью 3—10 кВт). Электропитание ламп осуществляется от ис-
точников постоянного тока с (7Х х 70 В и падающей характеристикой,
например ИПП-500В. Одна из таких опытных установок (УСПЭЛ-1-
МАТИ), работающая на ксеноновой лампе ДКСР-10000, дает лучистый
поток плотностью 2600 Вт/см2. КПД установок низкий, в зависимости
от оптической системы и типа лампы он может составлять 10—20 %.
Поэтому такие установки целесообразно использовать только для
сварки металла малых толщин.
Другим источником световой энергии служит квантовый генератор
(лазер). Он дает интенсивный остросфокусированный световой луч,
что позволяет концентрировать энергию на весьма малых пятнах,
диаметр которых может составлять тысячные доли миллиметра.
: Действие квантового генератора и усилителя основано на индуци-
ровании излучения, связанного с поглощением электромагнитных волн
или фотонов атомными системами '209]. Генерирование световой энер-
гии происходит в активном элементе (излучателе) этой системы, таком,
например, как рубин (твердый лазер). В качестве излучателя исполь-
зуют также жидкости (растворы оксида неодима н др.) и газы (водо-
род, азот, аргон, углекислый газ и др.). Для сварки применяют твердые
(рубин, неодимовое стекло, алюмоиттриевый гранат с неодимом) и га-
зовые (СО2—И2—Н,) лазеры (6]. Генерирование свеювой энергии
в сварочных установках осуществляется импульсами, частота повторе-
ния которых зависит от типа активного элемента. Так, прн использова-
нии рубина частота достигает 60 Гц, а при использовании неоди мо-
вого стекла она не выше 0,5 Гц. Вследствие сравнительно небольшой
частоты повторения импульсов в сварочных установках скорость свар-
ки невелика (до 10 м/ч).
Установки для лазерной сварки включают квантовый генератор,
источник питания, замкнутую систему охлаждения, оптическую си-
стему фокусировки лазерного луча на детали. Наблюдение за процес-
сом сварки осуществляется с помощью оптической системы (обычно
система снабжена стереоскопическим микроскопом). Сварка химиче-
ски активных металлов выполняется в среде инертных газов. В табл.2.20
приведены основные характеристики некоторых сварочных лазерных
установок.
Таблица 2.20. Техническая характеристика лазеров для сварки
Тип лазера, установки Характеристика Мощность излучения, кВт Разработчик
МТЛ-2 Технологический много- лучевой СО2-лазер с диф- фузионным охлаждением рабочей смеси и накач- кой разрядом переменного тока 2.0 —
ЛАНТАН- Технологический газораз- 3,0 (в непрерыв- ИПМ АН СССР,
2М рядный СО2-лазер им- пульсно-периодического действия с несамостоя- тельным разрядом ном режиме); 1,5 (в импульс- но-периодиче- ском) внииэсо
ТЛ-6 Быстроточный газораз- рядный СО2-лазер непре- рывного действия 5,0 ИАЭ им. И. В. Курчато- ва, н.-и. центр по технологи- ческим лазерам АН СССР
ЛТН-101 Твердотельный техноло- гический лазер непрерыв- ного действия на АИГ 0,063 —
ЛТН-102А То же 0,125
ЛТН-102Б 0,031 —
ЛТН-103 » » 0,250 —
При сварке световым лучом удается получать примерно такие же
плотности энергии, как и при электронно-лучевой. Лазерная сварка
применяется для деталей малых размеров в радиоэлектронной и других
отраслях промышленности.
2.2. Сварка давлением
с подогревом металла
Контактная сварка широко применяется для цветных ме-
таллов и сплавов (сплавы иа основе алюминия, магния, медн, титана
н др.). Этот внд сварки основан на нагреве металла теплотой, выделя-
ющейся при протекании электрического тока в месте контакта свари-
ваемых деталей, обладающих омическим сопротивлением. В зависимо-
сти от разновидности контактной сварки металл доводят до пластиче-
ского илн жидкого состояния, а затем сдавливают или осаживают.
Поэтому контактную сварку можно отнести к группе способов сварки
давлением. Применяются три основные разновидности контактной
сварки: точечная, шовная (роликовая) и стыковая.
Точечная сварка — вид контактной сварки, при которой
детали соединяются не по всей поверхности, а в отдельных точках.
Этим способом обычно сваривают листы, которые собирают внахлестку
и зажимают между медными стержнями-электродами, подводящими
ток и передающими усилие (рис. 2.22). Общее электрическое сопротив-
ление участка металла, зажатого между электродами, складывается из
сопротивления между электродами и деталями, сопротивления в месте
контакта между деталями н собственного сопротивления двух деталей
Сопротивление электрод — деталь примерно в 2 раза меньше сопротив-
ления деталь — деталь. Ток проходит от одного электрода к другому
через соединяемые детали. В связи с разным омнческнм сопротивле-
нием отдельных участков сварочной цепи происходит местный нагрев
металла теплотой, выделяющейся в контакте между деталями и в са-
мих деталях. Металл доводится до пластического состояния. Лишь
в центральной части соединения образуется сравнительно небольшой
объем расплавленного металла. Под действием усилия, приложенного
к электродам, уплотняются слон, окружающие зону жидкого металла
и препятствующие вытеканию его в зазор между свариваемыми дета-
лями. После получения зоны расплавлеиня необходимых размеров
сварочный ток выключают. Металл охлаждается, образуется сварное
соединение — точка с закристаллизовавшимся литым ядром в центре
и достаточно прочным соединением окружающих его слоев, возник-
шим в пластическом состоянии (без расплавления). Принимают диаметр
точки <1Т — 2Ь + 3 мм, где Ь — толщина более тонкой из свариваемых
деталей (Ь > 0,5 мм) [56]. К соединению примыкают участки металла
обеих свариваемых деталей, структура и свойства которых изменились
в результате нагрева в прочессе сварки — ЗТВ.
К основным параметрам точечной сварки относятся [56, 348|:
сварочный ток /св, плотность тока в контакте -лектрод — деталь /,
длительность включения сварочного тока /св, усилие сжатия Р, диа-
Рис. 2.22. Схема точечной сварки:
а — двусторонняя; б — односторонняя.
метр контактной поверхности электрода с!3 . Сварочный ток влияет на
прочность сварной точки, оптимальный ток зависит от электрической
проводимости свариваемого металла: с повышением последней он резко
возрастает (так, / примерно в 3—3,5 раза больше для алюминиевых
сплавов по сравнению со сталью). Сварочный-ток выбирают с таким
расчетом, чтобы получить нагрев, достаточный для расплавления
ядра заданных размеров. Плотность тока также должна возрастать
при сварке металлов с повышенной электрической проводимостью
(для алюминия ] в 2—3 раза больше, чем для стали). Длительность
включения сварочного тока определяется свойствами и толщиной
металла, влияет на размеры ядра и прочность соединения. Металлы
с высокими электрической проводимостью и теплопроводностью свари-
вают с кратковременным интенсивным нагревом («жесткие» режимы).
Усилие сжатия влияет на электрическое сопротивление и как след-
ствие на количество выделяемой при сварке теплоты, а также на степень
уплотнения ядра точки. Необходимое удельное давление р = Р/Рк
(Лк — площадь контакта электрод — деталь) растет с увеличением жа-
ропрочности свариваемого металла и уменьшением длительности на-
грева. Оно также возрастает с увеличением толщины свариваемого ме-
талла и при «жестких» режимах. Одним из главных условий качествен-
ной сварки является сжатие деталей силой, достаточной для обеспече-
ния надежного контакта между ними до включения тока, с целью
уплотнения металла в ядре при кристаллизации и предупреждения
выплесков. Для лучшего уплотнения ядра в ряде случаев помимо
основного усилия сжатия применяют дополнительное «ковочное»
давление Р Оно может превышать Р в 1,5—3 раза [56]. Диаметр
отпечатка электродов на поверхности свариваемых деталей при кони-
ческих электродах определяется их размером, а прн сферических —
радиусом сферы. Он зависит от усилия Р, а также от условий нагрева
и существенно влияет на размеры и прочность точки. С ростом толщи-
ны свариваемых деталей увеличивают. При сварке высокопрочных
и твердых металлов и сплавов на их основе возникают затруднения
в обеспечения стабильности диаметра отпечатка электрода вследствие
его износа. Их удается преодолеть выбором соответствующего материа-
ла для изготовления электродов.
Точечная сварка в основном производится на переменном токе. На-
ходит применение также сварка разрядом конденсаторов (конденсатор-
ная сварка) и импульсом выпрямленного техфазного тока. К числу
главных преимуществ этих способов относится стабильность условий
сварки и как следствие устойчивость качества соединений, поскольку
при сварке каждой точки используются одинаковая порция энергии,
не зависящая от внешних условий. Конденсаторная сварка успешно
применяется для сварки металлов малых толщин. Способ сварки им-
пульсом выпрямленного тока является основным при соединении дета-
лей из легких цветных металлов толщиной более 1,5 мм.
В производственных условиях для соединения деталей применяют
различные приемы точечной сварки, которые в основном характеризу-
ются способом подвода тока. Наибольшее распространение получила
сварка двумя электродами с двусторонним подводом тока (двусторон-
няя сварка). Возможен также односторонний подвод тока (односторон-
няя сварка). Особое значение для получения качественного соединения
при точечной сварке имеют тщательная очистка поверхности сваривае-
мых деталей н точная их сборка перед сваркой.
Принцип точечной сварки лежит в основе рельефной с в а р-
к и, при которой детали соединяются одновременно в нескольких
124
точках. Она отличается от точечной лишь тем, что положение точек
определяется выступами-рельефами, образованными штамповкой или
обработкой резанием на одной или обеих деталях. При рельефной сван-
ке контакт между деталями определяется формой их поверхности
в месте соединения, а не формой рабочей части электродов, как при
точечной сварке (рис. 2.23).
Шовная (роликовая) сварка — вид контактной свар-
ки, при которой между свариваемыми деталями создается непрерыв-
ный прочный или прочноплотный шов, образуемый последовательным
рядом частично перекрывающих друг друга сварных точек [56].Шовная
сварка выполняется с помощью вращающихся дисковых электродов-
роликов, между которыми с усилием сжатия прокатываются соединяе-
мые детали. Сварочный ток подводится к роликам. Как и прн точечной
сварке, теплота, затрачиваемая на нагрев и расплавление металла,
выделяется в месте контакта деталей. Шовная сварка производится при
непрерывном движении деталей и непрерывном протекании сварочного
тока, прерывистая — при непрерывном движении деталей и импуль-
сном включении тока. Прерывистое включение тока предупреждает
перегрев поверхности свариваемых деталей и электродов, уменьшает
их износ. Поэтому такой способ сварки является основным для цвет-
ных металлов.
Для соединения легких цветных металлов используется шаговая
сварка, при которой включение сварочного тока и перемещение свари-
ваемых деталей чередуются: сварка производится при неподвижных
деталях, а их перемещение — при отключенном токе. Для металлов
малых толщин весьма эффективна шовная конденсаторная сварка.
Шовная сварка, как и точечная, может быть двусторонней или од-
носторонней. Более распространен первый способ. Односторонняя
сварка применяется прн изготовлении крупногабаритных узлов и кон-
струкций.
Стыковая сварка разделяется на сварку сопротивлением
и оплавлением. Сварка сопротивлением—вид стыковой сварки, при
которой детали, зажатые в губках машины, доводят до соприкоснове-
ния под сравнительно небольшим давлением (рис. 2.24). Детали контак-
тируют только по отдельным выступам, где создается контактное со-
противление. После включения сварочного тока зоны металла, приле-
гающие к месту контакта, интенсивно нагреваются, доводятся до пла-
стического состояния и свариваются под действием давления осадки.
Для сжатия деталей используют постоянное нли резко возрастающее
к концу нагрева усилие, которое снимают после выключения свароч-
г’ис. 2.23. Типы рельефов с разными выступами;
и — круглый; 6 — вытянутый, в — кольцевой.
Рис. 2.24. Схема стыковой
сварки:
/ — свариваемые детали; 2 —зажи-
мы; 3 —торцы деталей.
кого тока. Для сварного соединения
характерно значительное усиление
в месте стыка, которое образуется
вследствие высадки металла. При
стыковой сварке качество соедине-
ний существенно зависит от устано-
вочной длины /н вылета деталей из
губок, удельного давления осадки
рос. плотности тока / и длительности
нагрева /св [55, 56]. Для цветных
металлов с повышенной электричес-
кой проводимостью длина /и возрас-
тает. Так, /н для алюминии примерно
в 3, а для меди в 4 раза больше, чем
для стали. Для цветных металлов рх
в 2—3 раза меньше, чем для стали.
Сварка сопротивлением (без оплавления) эффективна для деталей
из металлов, обладающих хорошей свариваемостью в пластическом
состоянии, сечением примерно до 300 мм2. Соединяемые торцы деталей
должны иметь простое, компактное сечение с небольшим отношением
периметра к площади сечени я (прутки, проволока, толстостенные трубы
малого диаметра). Сечення с более развитым периметром (угольник,
тонкая полоса, тонкостенная труба и др.) малопригодны для сварки
без оплавлеиия, так как в этом случае не удается получить равномерное
распределение тока по площади сечения. Для таких сечений применя-
ется стыковая сварка оплавлением — вид стыковой сварки, при кото-
рой торцы соединяемых деталей нагревают током до расплавления
металла при их сближении под действием небольшого усилия и затем
быстро сжимают детали осадкой.
Сварка оплавлением осуществляется без подогрева (непрерывным
оплавлением) или с подогревом (прерывистым оплавлением). Свар-
ка непрерывным оплавлением состоит из двух стадий: оплавления
п осадки. При оплавлении зажатые в губках детали, к которым подве-
дено напряжение, медленно сближаются до соприкосновения торцов
без приложения существенного усилия. Так как начальная площадь
контакта деталей невелика, в месте нх соприкосновения создается вы-
сокая плотность тока. Металл, примыкающий к контактирующим по-
верхностям, мгновенно нагревается до температуры кипения н испаря-
ется, взрывая перемычку. Это приводит к выбрасыванию из стыка части
мстлла перемычки в виде искр и брызг и интенсивному местному на-
греву всей поверхности торцов деталей. Постепенно на торцах образу-
ется равномерный расплавленный слой металла. В результате этого
процесса, который называется оплавлением, детали укорачиваются.
Цалее следует осадка, при которой детали сближаются с большой ско-
ростью и пластически деформируются под действием усилия осадки.
П1ри осадке расплавленный и перегретый металл выдавливается нз сты-
ка деталей в виде грата. Для соединения деталей больших сечений при-
меняют сварку оплавлением с подогревом, при которой перед оплавле-
нием концы детален нагревают несколькими импульсами тока анало-
гично сварке сопротивлением. Предварительный подогрев уменьшает
мощность, затрачиваемую на оплавление, облегчает осадку и позволяет
получать более благоприятные термические циклы сварки, исключаю-
щие появление закалочных структур н образование трещин.
Режим стыковой сварки оплавлением определяется следующими
параметрами: установочной длиной, которая включает припуски на
оплавление н осадку; усилием зажатия деталей в губках машины; током
и длительностью оплавления; величиной осадки и ее скоростью; током
и длительностью осадки; усилием осадки. При сварке оплавлением с
Подогревом дополнительно задают ток и длительность подогрева, дли-
тельность импульсов тока подогрева и пауз между ннмн [56].
Машины для контактной сварки в процессе работы выполняют две
основные функции — сжатие и нагрев соединяемых деталей. Машины
для шовной сварки имеют механизм для перемещения детален, а для
стыковой сварки — губкн (электроды) для зажатия деталей. Машины
для контактной сварки классифицируют по ряду признаков. По
конструкции они разделяются на две группы: для точечной, рельефной
и шовной сварки и для стыковой сварки. По назначению — универсаль-
ные (предназначены для сварки разных узлов) и специальные (для
сварки узлов одного типа). По возможности перемещения относительно
изделия — стационарные н передвижные (например, подвесные точеч-
ные и шовные машины, переносные головки и пистолеты для односто-
ронней точечной сварки и др.). По роду сварочного тока — машины
переменного тока (однофазные), низкочастотные (трехфазные), кон-
денсаторные (однофазные н трехфазные) н постоянного тока (с пита-
нием источника сварочного тока от трехфазной сети). По числу одно-
временно выполняемых точек — одноточечные и многоточечные (много-
электродные). По типу механизма подачи и осадки стыковых машин—
неавтоматические для сварки сопротивлением и оплавлением (подача
и осадка вручную) и автоматические для сварки оплавлением (ма-
шина имеет специальный электромеханический привод для непрерыв-
ного оплавления и осадки). По перемещению подвижного электрода —
машины с прямолинейным ходом (прессовые) и с ходом по дуге (ради-
альные). Рельефные и стыковые машины имеют только прямолинейное
перемещение подвижного электрода.
В табл. 2.21—2.23 приведены основные характеристики некоторых
контактных машин. Машины МС-202 н МС-403 предназначены для сты-
ковой сварки проволоки сопротивлением. На машине МС-403 можно
сваривать проволоку из алюминия и меди диаметром до 4,5 мм. Для
стыковой сварки деталей из стали, а также из цветных металлов и спла-
вов методом сопротивления, оплавления с подогревом н непрерывным
оплавлением выпускаются универсальные машины МС-301, МС-501,
МС-802. Машина МС-501 позволяет сваривать стержни из алюминия
и меди диаметром до 30 мм. На машинах МС-1202, МС-1602, МС-2008
сваривают изделия непрерывным оплавлением и оплавлением с пред-
варительным подогревом. Предусмотрена возможность отжига сварных
соединений непосредственно в губках машины.
Рис. 2.25. Схема высокочастотной сварки труб:
а —с подачей тока контактами (/ — труба; 2 — ферритный сердечник; 3 — чячтак-
ты; -/ — обжимные ролики); б —с индукционным подводом тока (/— труба; 2 —
индуктор; 3 — сердечник; 4 — обжимные ролики).
Таблица 2.21. Техническая характеристика машин для точечной и
Номинальный Номинальная Усилие, кН
Марка сварочный ток, кА мощность, кВ . Л номинальное минимальное
Точечная
МТ-604 6 14 2 0,4
МТ-810 8 20 3 0,5
МТ-1614 16 85 6,3 1,2
МТ-1223* 12,5 70 16 1,5
МТ-3201* 32 350 16 1,5
МТВ-6.04* 63 600X3 50 1,8
МТК-5001** 50 20 16 1.5
МТК-8004** 80 100 50 1,8
Шовная
МШ-2001-1 20 130 8 2,3
МШ-6301 -2* 63 600x3 25 2,0
МШВ-12001* 120 100x3 50 2,75
• Машины ответственного назначения, обеспечивающие высокую стабильность
••Машины для конденсаторной сварки.
Таблица 2.22. Техническая характеристика машин для рельефной сварки
Марка Номинальный сварочный ток, кА Номиналь- ная мощность, кВА Номиналь- ное усилие, кН Вылет, мм Расстояние между кон- такт нымн плитами, мм
МР-2517 25 160 16 300 70—330
МР-4017 49 350 25 300 70—330
МР-6303 63 600 32 300 50—450
МР-8001 80 850 32 300 50—450
Электроды для контактных сварочных машин, применяемых при
сварке цветных металлов, изготавливают из медных сплавов. Легиро-
вание меди повышает стойкость электродов и обеспечивает их длитель-
ную эксплуатацию (см. гл. 3).
Высокочастотная сварка используется в основном при производ-
стве труб. Свариваемые кромки отформованной трубы с клиновидным
зазором нагреваются током высокой частоты, поступающим от ламповых
или машинных генераторов. С помощью специальных контактов ток
подводится на определенном расстоянии от стыкуемых кромок. Раз-
личают два способа введения тока высокой частоты в металл: с помощью
скользящих нли роликовых контактов, прижимающихся к поверх-
ности трубы, и более удобный — индукционный бесконтактный
(рнс. 2.25) [20]. Последний позволяет упростить конструкцию и экс-
шовной сварки
Вылет, мм Раствор, мм Толщина свариваемых деталей нз цветных металлов, мм
алюминиевый сплав АМг магниевый сплав МА2 латунь Л 62 титановый сплав ОТ4-1
сварка
200—275 150—270
200—315 150—270
350—600 150—300
500 150—300
500 150—300
1500 450
600 150—300
1500 450
сварка
0,5—1,5
0,5—3,0
0,3—2,0
0,3—3,0
0,5—2,5
0,5—3,5
0,3—2,0
0,5—3,5
— 0,3—1
— 0,3—1,2
0,3—0,8 0,5—2
0,3—0,8 0,3—2,5
0,3—2,0 0,3—3,0
0,5—3,5 0,5—4,0
0,3—2,0 0,3—1,5
0,5—3,0 0,5—2,0
. 800 105 0,5—0,6 0,5—5,0 0,5—0,8 0,5—2,5
1200 300 0,5—3,0 0,5—3,0 0,3—3,5 0,3—3,5
1300 200 1,5—5,0 1,5—5,0 1,2—5,0 2—6
параметров режима и качества сварных соединений.
Таблица 2.23. Техническая характеристика стыковых машин
Марка Номи- нальный свароч- ный ток, кА Предел регулиро- вания вторич- ного напряже- ния. В При- вод осад- ки Усилие, кН Произ- водн- тель- ность, сварок/ч Потреб- ляемая мощность. кВ-А Мас- са, кг
зажа- тия осад- ки
МС-202 2,0 1,27—2,8 РП 0,32 0,032 10 4,0 55
МС-301 3.0 1,0—1,8 РП 5,0 1,2 200 5,0 170
МС-403 4,0 0,54—2,6 РП 6,63 0,16 200 7,2 80
МС-501 5,0 1,4—3,0 РП 5,0 1,2 200 11,7 180
МС-802 8,0 1,9—3,65 РП 25 20 120 40 340
МС-1202 12,5 2,5—5,0 РР 50 32 100 55 720
МС-1602 16,0 3,4—6,8 РР 75 50 60 96,5 750
МС-2008 20,0 4,05-8,1 эм 100 63 80 150 2050
Примечание. РП — ручной пружинный: РР — ручной рычажный; ЭМ —*
электромагнитный.
плуатацию трубосварочного стана, стабилизировать свойства свар-
иых соединений, так как в этом случае состояние поверхности трубы ио
влияет на качество контакта.
Характер нагрева свариваемых кромок токами высокой частоты
определяется двумя эффектами, присущими такому току. Вследствие
резко проявляющихся поверхностного эффекта и эффекта близости
[209] максимальная плотность тока высокой частоты, а следователь-
но, и наибольший нагрев наблюдаются на торцевых поверхностях кро-
мок, находящихся друг от друга на минимальном расстоянии. В резуль-
тате этого в точке смыкания кромок в начале клиновидного зазора
температура достигает точки плавления. По мере нагрева кромок
труба обжимается между двумя роликами, кромки постепенно доводят-
ся до полного соприкосновения и происходит сварка продольного сты-
ка трубы. Для уменьшения шунтирования сварочного тока в заготовку
вводится ферритный сердечник (см. рис. 2.25, а), вследствие чего
индуктивное сопротивление шунтирующих путей для токов высокой
частоты становится очень большим и утечка тока между контактами
помимо места сварки резко уменьшается.
Установки для высокочастотной сварки питаются от генераторов
мощностью до 200 кВт при частоте тока 70—450 кГц и более (радио-
частотная сварка). Преимущества имеет сварка па токе пониженной
частоты, поскольку генераторы такой частоты создают незначительные
помехи радиоприему и поэтому нетребуют защиты — экранировки.
Высокочастотная сварка — высокопроизводительный процесс, в
несколько раз превосходящий по производительности механизирован-
ную дуговую сварку в среде инертных газов. Скорость высокочастотной
сварки достигает 100 м/мин [238]. Высокочастотная сварка применя-
ется для труб из сплавов на основе алюминия, меди и титана, обеспе-
чивая высокое качество сварных швов. Одной из главных особенностей
концентрированного нагрева при высокочастотной сварке являются
чрезвычайно малые участки металла с максимальной температурой
[57]. В связи с этим ширина шва ЗТВ не превосходит десятых долей
миллиметра. Наружный н внутренний грат получаются незначитель-
ными. Механические и антикоррозионные свойства сварных соеди-
нений близки к свойствам основного металла.
Прессовая сварка применяется для алюминия и некоторых его
сплавов и выполняется с нагревом свариваемых деталей до значитель-
ной пластичности металла. Нагрев деталей осуществляется в печи,
а также через штампы, которые обогреваются обмотками сопротивле-
ния или индукционным способом токами высокой частоты. Высокую
производительность обеспечивает совмещение прессовой сварки со
штамповкой. Прессовая сварка с общим нагревом, требующая значи-
тельной направленной деформации, эффективна в том случае, когда
нагрев производится не специально для сварки, например при горя-
чей прокатке
Прессовым способом сваривают профили из алюмнннево-магние-
вого сплава АМгб сечением 6000 н 10 000 мм2 и другие узлы [364].
Хорошо соединяются прессовой сваркой алюминиево-марганцевые
сплавы [143]. Для деталей из легких сплавов максимальная темпера-
тура нагрева под сварку определяется условиями разупрочнения ме-
талла (для алюминиевых сплавов она не превышает 560 °С). Удельное
давление достигает 1471 —1962 МПа.
Соединяемые торцы перед сваркой должны быть тщательно очи-
щены химическим или механическим способом. Хорошие результаты
дает применение обоих способов очистки: вначале химическая обра-
ботка, а затем зачистка стальными щетками. Очистка должна произво-
диться непосредственно перед сваркой. Образующаяся в процессе на-
грева под сварку пленка оксидов в связи с высокой степенью деформа-
ции металла разрушается и вытесняется из места сварки в виде грата.
Диффузионная сварка — эффективный способ соединения цветных
и разнородных металлов. Она основана на использовании процесса
диффузии, протекающего в твердых металлах при высокой темпера-
туре. Сварка происходит в камере при вакууме 133—1,33 МПа
(рис. 2.26). Нагрев свариваемых деталей обеспечивается нагревателем
(индуктор, электронно-лучевая пушка н др.). Процесс сварки ведется
при непрерывном вакуумировании объема камеры, что способствует
Рис. 2 26. Схема установки для диффузионной сварки в вакууме:
7 — сварочная вакуумная камера; 2— корпус; 3— механизм нагружения; 4 —
нагреватель; 5 —стык свариваемых деталей; 6 — стол.
удалению газов, выделяющихся из свариваемых металлов. После
достижения максимальной температуры нагрева (температуры сварки),
обычно составляющей 0,7—0,8 7'пл, и соответствующей выдержки
прикладывают усилие сжатия, которое поддерживают постоянным в те-
чение всего процесса сварки. Продолжительность выдержки под на-
грузкой зависит от свойств свариваемого металла, давления, других
факторов и достигает десятков минут. Степень давления также зависит
от свойств металла, температуры сварки и других параметров и может
составлять 1,5— 10 Л1Па {1.32]. Надежный контакт свариваемых поверх-
ностей обеспечивается лишь при условии их обработки с высокой
степенью чистоты. Рекомендуется очистка металлической щеткой,
так как после очистки пескоструйным аппаратом возможны включения
абразивов. После химического травления поверхность необходимо
тщательно промыть для удаления продуктов реакции.
Соприкосновение свариваемых деталей с достаточно большим уси-
лием приводит к диффузионному обмену атомов на плоскостях кон-
такта, возникновению межатомных сил связи и прочному соединению
деталей. Процесс сварки давлением, в том числе диффузионного соеди-
нения металлов, обычно подразделяют на три стадии [57]: сближение
соединяемых металлов (образование физического контакта); активация
контактных поверхностей (образование активных центров); объемное
развитие взаимодействия.
Диффузионная сварка характеризуется незначительной общей де-
формацией деталей. Слон металла иа контактирующих поверхностях
не уходят в грат, как при других способах сварки давлением (например,
прессовой), а остаются в стыке. Это обусловливает необходимость вы-
бора температуры и времени сварки исходя из необходимости полной
очистки контактирующих поверхностей от возможных остатков ок-
сидных пленок. Очень важна достаточно высокая температура нагрева
металла, которая должна обеспечить очищение поверхности металла:
удаление с поверхности загрязнений и адсорбированных газов, а также
восстановление и растворение в металле оксидов.
При диффузионной сварке первые две стадии протекают одновре-
менно. Они приводят к образованию общей межзеренной границы,
ориентированной по первоначальной границе раздела стыкуемых по-
верхностей. Однако на границе сохраняются оксидные включения,
количество и размер которых зависят от примененных режимов сварки,
микрогеометрии поверхностей и степени их предварительной очистки.
Это свидетельствует о незавершенности первых двух стадий процесса.
Конечные свойства сварного соединения определяет заключительная
стадия процесса. При сварке однородных металлов критерием оконча-
ния объемного взаимодействия является полнота рекристаллизации,
приводящей к образованию общих зерен в зоне контакта и исчезнове-
нию исходной границы раздела. Диффузионные процессы, протекающие
на этой стадии, обусловливают устранение пор и остатков оксидных
включений в контакте. Пластическая деформация ускоряет диффузион-
ные процессы, что способствует также релаксации внутренних на-
пряжений (например, упругих искажений кристаллической решетки
в центрах схватывания). Охлаждение свариваемых деталей от темпе-
ратуры сварки до 400—100 °С под сжимающим давлением также бла-
гоприятно действует на прочность и пластичность соединения.
Сократить время сварки можно прн диффузионной сварке в жидкой
среде [369]. Интенсификация процессов образования соединения в твер-
дом состоянии, особенно для цветных металлов, достигается при
использовании эффекта сверхпластичности металлов — способности
металлов к чрезвычайно большим пластическим деформациям без
нарушения внутренней сплошности, появляющейся при высокой тем-
пературе под влиянием очень низких напряжений, величина которых
в значительной степени зависит от скорости деформации. Так, сварка
титана в режимах сверхпластичности по сравнению с обычной сваркой
давлением позволяет в 5—10 раз сократить длительность процесса,
уменьшить необходимое усилие сжатия и снизить температуру сварки.
Значительный эффект дает также использование промежуточной про-
слойки из металла или сплава, обладающего свойством сверхпластич-
иости при температуре сварки.
Высокой производительностью отличается способ сварки в твердом
состоянии с импульсным нагружением (ударная сварка в вакууме)
(рис. 2.27), характерной особенностью которого является чрезвычайно
малая продолжительность процесса образования соединения в резуль-
тате локальной пластической деформации — сотые и даже тысячные
доли секунды [229]. Это способствует созданию благоприятных усло-
вий для соединения разнородных металлов, так как исключается обра-
зование интерметаллидов
Основными параметрами ударной сварки в вакууме являются тем-
пература и энергия удара, обеспечивающая необходимую высокоско-
ростную деформацию приконтактных объемов свариваемых металлов.
В вакуумных установках для осуществления ударной сварки,например
марки У-394М и У-860, нагрев деталей осуществляется кольцевым
электронно-лучевым нагревателем, что резко снижает время пребыва-
ния металла в области высокой температуры. Ударная сварка в ваку-
уме успешно применяется для изготовления трубчатых переходников
из'разнородных металлов (ниобий — сталь и др.).
Диффузионная сварка относится к способам сварки в твердом
состоянии и поэтому имеет ряд преимуществ, присущих этим способам:
свариваемый металл не доводится до расплавления, что в ряде случаев
Рис. 2.27. Сварка в ваку-
уме с импульсным нагру-
жением:
а—цикл процесса сварки
(1Г — энергия удара; Тсв—
гемпература сварки; — вре-
мя нагрева до Тсв;— изо-
термически! выдержка; 1Я —
время сварки (10-1 — 10-3 с):
— время охлаждения); б—
общий вид установки типа
У-394 М.
позволяет получать качественные соединения не только трудносвари-
ваемых однородных металлов, но также разнородных металлов и спла-
вов. Можно получить равнопрочное соединение, близкое по физико-
химическим свойствам к основному металлу. Узлы, сваренные диффу-
зионным способом, отличаются высокой точностью размеров.Установка
для диффузионной сварки включает следующие основные узлы: ваку-
умную водоохлаждаемую камеру, вакуумную систему, механизм дав-
ления (обычно гидравлического типа), систему подогрева и пульт управ-
ления с приборами контроля вакуумной и электрической систем. Для
Таблица 2.24. Техническая характеристика установок для диффузионной
сварки в вакууме
Вид нагрева Марка Макси- мальная темпера- тура иагреаа, °С Ма кси- мальное усилие сжатия, кН Предель- ная вы- сота сва- риваемых деталей, мм Габариты, мм
Индукционный СДВУ-50 1500 30 400 1100x1100
СН-335 1500 6 140 1150x690
УДС-3 1500 10 100 1040X2200
Электронно- АЗОб-14 1500 100 180 1780x1730
лучевой СДВУ-38 1000 2 100 1550x1000
Радиационный (излучение от А308-13 1300 2 Мелкие детали 1300x1100
вольфрамовых стержней) А306-21 1200 2 То же 1600x1360
Рис. 2.28. Схемы одинарного
(а), двойного симметричного (6)
и двойного несимметричного
(в) пакетов, применяемых при
производстве биметаллического
проката:
1 — основной слой из углеродистой
нли низколегированной стали; 2 —
плакирующий слой нз цветного ме-
талла; 3— промежуточный раздели-
тельный слой; 4 — герметичный па-
кет; 5 — уплотняющие швы.
6
диффузионной сварки используются
установки в основном с гидравли-
ческими и механическими системами
давления (табл. 2.24) 1132, 209] и
разными видами нагрева: индукци-
онным, электронно-лучевым, радиа-
ционным, проходящим током, ком-
бинированным и др. Наибольшее
распространение получили установ-
ки с индукционным нагревом, в ко-
торых используются ламповые гене-
раторы [132].
Сварка прокаткой применяется
при производстве биметаллов, в том
числе при плакировании черных ме-
таллов цветными. Исходной заготов-
кой служит пакет, состоящий из двух
различных слоев металла в виде
пластин или слябов. В основном ис-
пользуются одинарные пакеты — для
изготовления одного листа биметалла
и симметричные двойные пакеты —
для производства двух листов биме-
талла одинаковой толщины (рис.
2.28).
Сварка прокаткой может выпол-
няться при нагреве металла и в хо-
лодном состоянии. В обоих случаях
в основе технологических процессов
получения биметаллов лежит сварка
давлением. При горячей сварке про-
каткой специально подготовленные пакеты подвергают нагреву до
температуры, зависящей от материала исходных заготовок, и обжа-
тию иа обычных листовых прокатных станах [64]. Для обеспече-
ния надежного соединения в процессе горячей прокатки химически
активных металлов деформацию биметаллических пакетов осуществля-
ют в вакууме или на воздухе — в герметичных обоймах. Внутри
обоймы размещают пирофорный материал (например, церий и его
сплавы), который при нагреве сгорает и связывает кислород воздуха.
Иногда пакет продувают аргоном.
Для определения усилий и контактных давлений при прокатке,
а также степени обжатия биметаллических заготовок разработан ряд
аналитических зависимостей и эмпирических методов, основанных иа
многочисленных экспериментальных данных [64]. При охлаждении би-
металла в зоне соединения возникает градиент остаточных напряжений,
способный оказать неблагоприятное влияние на прочность сварного
соединения и привести к образовиию микротрещии. Поэтому биметаллы
после прокатки, как правило, подвергают термической обработке
для снятия напряжений.
Метод холодной сварки прокаткой применяют для получения би-
металлов из пластичных металлов (например, медь + алюминий, алю-
миний + латунь и др.), а также изделий малой толщины (например,
лент биметаллов сталь + алюминий, алюминий + сталь + никель,
сталь + никель и др.). Прочное соединение слоев в биметалле при
холодной сварке прокаткой обеспечивается при значительной деформа-
ции и особой чистоте соединяемых поверхностей металлов.
2.3. Сварка давлением без подогрева металла
внешним источником теплоты
Холодная сварка выполняется в твердом состоянии при
нормальной температуре только приложением давления. Очистка
н выравнивание контактирующих поверхностей, а также создание на
иих активных центров достигаются при этом в результате пластиче-
ской деформации. Соединение образуется благодаря возникновению
прочной металлической связи между чистыми поверхностями, сближен-
ными на расстояние действия межатомных сил при местном давлении
по схемам, представленным на рис. 2.29.
Холодная сварка —универсальный способ, пригодный для многих
металлов. Она нашла широкое применение для получения соединений
из пластичных цветных металлов, таких, как алюминий и некоторые
его сплавы, медь, никель, в однородном и разнородных сочетаниях.
С использованием холодной сварки можно выполнять соединения пз
свинца, цинка, золота, платины, серебра, титана и др. К главным пре-
имуществам холодной сварки относятся простота рабочего инструмента,
высокая производительность процесса, легкость автоматизации, незна-
чительное изменение свойств металла.
Важным условием получения качественного соединения при холод-
ной сварке является тщательная очистка соприкасающихся поверхно-
стей металла. Подготовку поверхностей под сварку внахлестку выпол-
няют механическим (шабрение, зачистка металлическими щетками и
др.) и химическим способами. Для сварки встык торцы зачищают не-
посредственно перед сваркой (например, при сварке проводов удаляют
их концы ножницами илн кусачками) с целью получения так называе-
мой ювенильной поверхности — свежеобразоваиной поверхности ме-
талла, свободной от оксидов и других загрязнений. Оксидная пленка
легко окисляемых металлов, например алюминия, разрушается в про-
цессе сварки вследствие большого удельного давления, применяемого
при холодной сварке.
Внахлестку сваривают листы толщиной от 0,2 до 12—15 мм отдель-
ными точками круглой илн прямоугольной формы, а также сплошным
швом. Применяются пуансоны с узкой прямоугольной рабочей частью
Рис. 2.29. Схемы холодной сварки:
а — точечная внахлестку (/— свариваемые листы; 2— выступ (зубок): —опор-
ные поверхности пуансонов; 4 — пуансон); б — стыковая (/—зажимы; 2— свари-
ваемые стержни; 3 — насечка в зажимах); в — сдвигом в клиновом приспособле-
нии (/ — свариваемые детали; 2 — клин; 3 — выступ клина; 4 — обойма; Г —каса-
тельные усилия; Л/ — нормальные сжимающие усилия; а — угол скоса клина).
при следующем соотношении ширины и толщины: В = (1 4- 3) Ь.
При сварке точками выступ пуансона вдавливается в свариваемый ме-
талл на глубину до 0,9 толщины деталей.
Непрерывное шовное соединение получают путем одновременного
сдавливания деталей по всей длине или последовательного приложения
давления при прокатывании ролика. Величина деформации, при кото-
рой образуется прочное соединение, определяется свойствами металлов
и схемой деформирования. Так, при сварке точками удельные давления
пуансона в конце деформации для получения качественного соедине-
ния должны составлять для отожженного алюминия 300—600 Л1Па,
для наклепанного алюминия 1100—1750 МПа, для меди 2000 МПа
[17]. Ниже приведены значения деформаций, %, достаточные для обра-
зования падежных соединений, для разных металлов:
Медь 85—90
Алюминий 60—70
Сплавы на основе алюминия 75—90
Никель 85—90
Титан 70—75
Степень деформации при сварке разнородных металлов прини-
мают исходя из свойств того металла, который обладает большей
способностью к соединению сваркой давлением (т. е. соединяется при
меньшей степени деформации).
Стыковая холодная сварка осуществляется путем непосредствен-
ного сдавливания между собой свариваемых элементов, закрепленных
в зажимах (см. рис. 2.29, б). При осадке зажимы сближают до сопри-
косновения и острый край зажима отрубает грат. Деформируемый
металл стержней заполняет насечку, играющую роль уплотнителя
и мешающую вытеканию металла и смещению его в зажимах. Удельное
давление при холодной сварке встык составляет для алюминия 700—
800 МПа, для наклепанной меди 2000—2500 МПа, для меди с алюми-
нием 1500—2000 МПа [17]. Стыковая сварка применяется для соеди-
нения проволоки, стержней, полос и профилей сравнительно неболь-
шого сечения (до 10 мм2) из меди, алюминия, никеля, свинца, титана.
Встык можно сваривать алюминий с медью, сталью, никелем, цинком,
медь с серебром, свинец с железом, титан со сталью и др. Недостатком
точечной холодной сварки является образование вмятин в металле,
которые нередко достигают глубины, составляющей 80—90 % его
толщины.
Для соединения разнородных металлов особенно эффективна холод-
ная сварка при совместном действии нормальных и тангенциальных
сил. Такая схема пластической деформации достигается взаимным
смещением—сдвигом соединяемых поверхностей. В этом случае даже
при незначительном нормальном усилии, не приводящем к макроплас-
тической деформации, могут образовываться прочные узлы схватыва-
ния на отдельных участках контактирующих поверхностей [57].
Холодную сварку внахлестку выполняют на обычных прессах с
гидравлическим или эксцентриковым приводом, оснащенных специаль-
ными пуансонами для соединения одной или несколькими точками.
Разработаны также специализированные сварочные установки. Для
точечной сварки в монтажных условиях используется установка
УГХС-5, в основном для соединения внахлестку алюминиевых шин
толщиной 5 мм. В электротехнической и других отраслях промышлен-
ности применяется ряд специализированных машин, таких, как полу-
автомат типа МХСК-1 для сварки алюминиевых корпусов конденсаторов
с крышкой, машина типа МХСА-50 для армирования выводов алю-
миниевых обмоток, шин и других деталей медными накладками и пр.
Для стыковой сварки применяют переносные установки с ручными
гидравлическими или рычажными клещами и стационарные машины
серии МСХС. Наибольшее распространение получили ручные клещи
типа КС-6, предназначенные для сварки алюминиевых и медных прово-
дов, а также алюминиевых проводов с медными. Ниже приведена тех-
ническая характеристика клещей типа КС-6:
Сечение свариваемых алюминие- 2,5—10,0
вых проводов, мм2 Сечение свариваемых медных 2,5—4,0
проводов, мм2 Ход подвижного зажима, мм 8,0
Максимальное усилие осадки, кН 11,8
Масса, кг 1,4
Машины серии МСХС обеспечивают стыковую сварку алюминиевых
проводов и стержней сечением 0,8—1500 мм2 и медных — сечением
0,8—1000 мм2 (табл. 2.25).
Сварка трением выполняется в твердом состоянии при сжатии
осевым усилием вращающихся деталей (рис. 2.30). Сварное соедине-
ние образуется в процессе их пластического деформирования, вызван-
ного действием сил контактного трения, под влиянием теплоты, возни-
кающей при непосредственном преобразовании механической энергии
в тепловую.
Широкое применение стыковой сварки трением в различных отра-
слях промышленности обусловлено рядом особенностей этого способа:
простотой и экономичностью процесса, стабильностью качества соеди-
нений, высокой производительностью, возможностью сварки металлов
и сплавов в различных сочетаниях, а также металлических материалов
с неметаллическими (например, металлов с керамикой). Сварку треиием
успешно используют для цветных металлов, в основном для сплавов
иа основе алюминия, меди, никеля и титана. Важное преимущество
сварки трением — высокое качество сварных соединений. Оксидные н
абсорбированные пленки в процессе сварки удаляются в грат, все уча-
стки соединения отличаются малыми размерами и мелкозернистой
структурой. Это обеспечивает равнопрочность сварных соединений
основному металлу при хорошей пластичности и вязкости.
На качество и производительность сварки трением оказывают влия-
ние следующие параметры процесса: осевое усилие сжатия деталей,
скорость относительного вращения поверхностей трения, осадка и про-
должительность сварки. Осевое усилие сжатия деталей в значительной
степени определяет конечные свойства соединений. Обычно циклы
процессов нагрева торцов деталей при взаимном трении и их осадке
предусматривают ступенчатое давление: процесс начинается при отио-
Рис. 2.30. Схемы сварки трением:
а — вращением одной детали; б —вращением обеих деталей; в — неподвижных
деталей с вращающейся вставной; е — при возвратно-поступательном движении
одной нз деталей.
Таблица 2.25, Техническая характеристика машин для холодной стыковой
Марка Привод Усилие осадки, кН Максималь- ное раскрытие зажимных губок, мм
осадки зажатия
МСХС0.8 Пневматиче- Пневматиче- 8 4
СКИП ский
МСХС5-3 То же Ручной рычаж- ный 50 10
МАХС20-3 Гидравличе- Клиновой ГН- 200 16
скин дравлический
МАХС120-2 То же То же 1200 40
сительно низких удельных давлениях, а после достижения необходи-
мой температуры торцов осадка происходит при высоком давлении.
Для легких и пластичных цветных металлов удельные давления повы-
шаются от 6,7—9,8 до 24,5—39,2 МПа. Скорость относительного враще-
ния существенно не влияет иа качество сварных соединений в достаточ-
но широких пределах, однако определяет производительность процес-
са сварки. При сварке алюминиевых сплавов она может достигать
3000 об/мин, прн сварке меди — 6000 об/мин.
Применимость сварки трением ограничивается сечением деталей.
Диапазон сеченнй, которые целесообразно сваривать трением, —
30—8000 мм2 [209]. Область применения сварки трением, особенно при
соединении крупных деталей, вращение и торможение которых затруд-
нено, позволяет расширить использование вспомогательной детали —
вставки.
При сварке вибротрением одной из свариваемых деталей сообщают
возвратно-поступательное движение в плоскости трения с относитель-
но малыми амплитудами. В этом случае можно сваривать детали с раз-
личной формой поперечного сечения.
Осадку выбирают в таких пределах, чтобы обеспечить полное уда-
ление оксидов и загрязнений из стыка в гарт. Обычно для цветных
металлов эта величина превосходит такой же параметр для стали и
может достигать 20—30 мм. Время сварки зависит от остальных приня-
тых параметров: скорости относительного вращения деталей, осевого
усилия сжатия и необходимой величины осадки и должно быть доста-
точным для нагрева поверхностей трения до требуемой температуры.
Продолжительность сварки колеблется от 2 до 60 с в зависимости от
свойств металла и размера торцов свариваемых деталей.
В последнее время разработана и начала примениться инерцион-
ная сварка трением. При этом способе сварки механическая энергия
аккумулируется маховиком и далее передается свариваемой детали.
В отличие от обычной сварки трением маховое колесо рассеивает всю
свою кинетическую энергию в стыке при поджатии неподвижной дета-
ли к вращающейся практически при постоянном давлении за очень ко-
роткий промежуток времени. Это обусловливает высокий градиент тем-
пературы в месте стыка и чрезвычайно малую протяженность ЗТВ.
Время инерционной сварки примерно в 10 раз меньше, чем при обыч-
ной сварке треиием. Максимальные температуры в контакте при обоих
способах сварки трением одинаковых материалов сравнимы между
собой и, как правило, не достигают точек плавления металла.
сварки
Диапазон свариваемых сечений, мм Производи- тельность, сварок/ч Габариты, мм Масса, кг
алюминий медь
0,8—7,0 0,8—4,0 150 400x320x320 35
2,0—30 2,0—20 200 485X320x300 62
20—200 20—120 200 1000x920X1440 700
100—1500 100—1000 60 1670X1350X1700 2700
Для сварки трением можно использовать токарные (например,
типа ДИП-200), сверлильные и фрезерные станки. Однако так.I е стан-
ки ограниченно пригодны, так как не на всяком станке можно получить
требуемое число оборотов и осевое усилие сжатия. Станки быстро изна-
шиваются вследствие резкой остановки под нагрузкой. В связи с этим
созданы и применяются в промышленности специализированные ма-
шины для сварки трением (табл. 2.26).
Ультразвуковая сварка выполняется при совместном воздействии
на детали механических колебаний высокой частоты и небольших сдав-
ливающих усилий, которые передаются в специальных системах сва-
рочных установок (рис. 2.31). Свариваемые детали зажимаются между
рабочим выступом волновода и механизмом нажатия, к которому
прикладывают усилие для создания давления в процессе сварки. Ис-
точником высокочастотных упругих колебаний служит магнитострик-
ционный преобразователь, обмотка которого питается током высокой
Рис. 2.31. Схема установки для точечной ультразвуковой сварки:
1 — магнитострикционный преобразователь; 2 — кожух водяного охлаждения; .?-«
волновод; 4 — выступ; 5 — свариваемые детали; б — механизм иажатия.
Таблица 2.26. Техническая характеристика машин для сварки трением
Параметр Марка
МСТ-23 МСТ-35 МСТ-41 МСТ-51
Номинальная мощность, кВт 10 22 40 75
Скорость вращения шпинде- ля, об/мин Осевое усилие, Н: 1500 1000 750 500
максимальное (осадки) 500 1000 2000 4000
минимальное 50 100 200 400
Максимальная длина свари- ваемых заготовок, мм Диаметр свариваемых заго- товок, мм: 70 50 90 120
минимальный 10 16 22 37
максимальный 25 36 50 70
Производительность, сва- рок/ч Габариты, мм 150 120 100 70
1820Х Х580Х Х1250 1790Х Х720Х Х1290 2150Х Х770Х Х1350 2910Х Х1110Х X 1680
Масса, кг 2000 2700 3600 4550
частоты (20—70 кГц) от ультразвукового генератора. В преобразователе
энергия тока высокой частоты превращается в механические колебания.
Эти колебания передаются через волновод и выступ свариваемым де-
талям. При сварке ультразвуковые колебания вызывают в месте кон-
такта сдвиговые деформации, которые приводят к разрушению поверх-
ностных пленок и нагреву металла до сравнительно небольшой темпе-
ратуры (для алюминия она не превышает 300, для меди — 350 °С).
Сварное соединение формируется после приложения небольших сдав-
ливающих усилий, зависящих от толщины деталей и свойств сваривае-
мого металла.
Точечная и шовная ультразвуковая сварка обладает рядом преиму-
ществ: это возможность соединения особо тонких деталей, получения
в твердом состоянии при сравнительно незначительном нагреве металла
в зоне контакта качественных соединений из алюминия, меди, никеля,
титана и химически активных тугоплавких металлов (ниобия, тантала,
молибдена и вольфрама [380]), а также из разнородных сплавов; отсут-
ствие деформации поверхности деталей благодаря небольшим сдавлива-
ющим усилиям; небольшая мощность оборудования и несложность его
конструкции; высокая производительность процесса (длительность
точечной сварки составляет долн секунды); кроме того, не требуется
высокое качество подготовки поверхности. Точечная и шовная ультра-
звуковая сварка используется для сварки деталей из металлов малых
толщин (от десятых долей до 1,5—2 мм). Ультразвуковая сварка приме-
няется для соединения тонких деталей из однородных и разнородных
материалов в радио- и электронной промышленности, приборостроении
и других отраслях техники [380].
Для ультразвуковой сварки металлов разработана и выпускается
.серия машин типа МТУ (стационарные) и типа КТУ (ультразвуковые
сварочные клещи) (табл. 2.27).
Сварка взрывом основана на ис-
пользовании кумулятивной силы
распространения взрывной волны.
Образование соединения происходит
в процессе соударения двух сваривае-
мых деталей (пластин) под воздейст-
вием такой волны (рис. 2.32). Одну
из свариваемых пластин (неподвиж-
ную) устанавливают на жесткое осно-
вание (бетон, стальная плита и др.).
Вторую пластину (метаемую) распо-
лагают под углом (а == 3 -н 10) к по-
верхности неподвижней пластины,
на небольшом расстоянии Л;; в вер-
шине угла (2—3 мм). На метаемую
пластину равномерным слоем укла-
дывают заряд взрывчатого вещества
(ВВ). В качестве ВВ используют ам-
монал, гексоген и т. п. В вершине
Рис. 2.32. Схема получения би-
металла сваркой взрывом:
/, 2 — соответственно неподвижная и
метаемая пластины; 3— заряд ВВ;
4— основание; 5 —детонатор; й о' —
начальное расстояние между пласти*
нами; а — начальный угол между
деталями; стрелка показывает рас-
пространение взрывной волны со
скоростью V.
угла устанавливают электроденатор,
с помощью которого взрывают заряд ВВ. После инициирования взрыва
детонация распространяется в ВВ с постоянной скоростью (3—6 тыс. м/с),
зависящей от свойств ВВ, его плотности и толщины заряда. Развивае-
мое высокое давление газообразных продуктов детонации сообщает
метаемой пластине скорость, превышающую 1000 м/с. Соударение метае-
мой и неподвижной пластин сопровождается значительной пласти-
ческой деформацией и в результате — местным адиабатическим на-
гревом поверхностных слоев металла. При этом пластины очищаются
и сварка происходит между чистыми поверхностями обычно с образо-
ванием волнистой границы между свариваемыми деталями. Малога-
баритные детали сваривают взрывом в вакуумных камерах, изделия
значительных размеров — на полигонах.
Таблица 2.27. Техническая характеристика машин для ультразвуковой
сварки
Марка Мощность, кВт Частота, кГц Усилие сжатия, Н Толщина свариваемых металлов, мм Масса, кг
КТУ-1,5 1,5 22,0 1,5—12 0,1—0,5 80
МТУ-0,4 0,4 22,0 0,6—6 0,01—0,2 76
МТУ-1,5 1,5 22,0 1,5—15 0,1—0,5 82
МТУ-4 4,0 18,0 5-55 0,3—1,2 105
Сварка взрывом отличается от других способов сварки давлением:
практически мгновенное образование соединения (длительность про-
цесса сварки — миллионные доли секунды) позволяет сваривать разно-
родные металлы, для которых другие способы сварки (в том числе и
давлением с подогревом) непригодны из-за возникновения интерметал-
лических соединений, охрупчивающих металл: взрывом можно свари-
вать крупногабаритные изделия. Благодаря этим особенностям области
использования сварки взрывом непрерывно расширяются. Однако не-
обходимо учитывать, что выделение значительного количества теплоты
прн соударении свариваемых деталей может привести к возникновению
микроучастков, в которых металл подплавляется. После остывания
для этих участков характерна структура литого металла. При сварке
разнородных металлов такие участки охрупчивают сварное соединение.
Поэтому режимы сварки взрывом разнородных металлов выбирают та-
кими, чтобы исключить или свести к минимуму образование участков
литого металла.
Сварку взрывом применяют для изготовления заготовок под после-
дующий прокат биметалла, при плакировании сталей сплавами с осо-
быми физическими и химическими свойствами, для получения пере-
ходников нз разнородных металлов и сплавов и др. Этим способом
успешно сваривают медь, титан и алюминий, а также медь,титан, никель
со сталью и другие разнородные металлы [58]. Сварку взрывом исполь-
зуют для приварки труб к трубным доскам, сварки трубчатых элемен-
тов и др.
Магнитно-импульсиая сварка во многом подобна сварке взрывом,
однако в отличие от нее соударение свариваемых деталей обеспечивается
разрядом батареи конденсаторов высокой мощности. В основу данного
метода сварки положен электродинамический эффект — возникновение
ударной волны в жидкости вследствие высоковольтного импульсного
разряда. При этом длительность импульса соизмерима с продолжитель-
ностью сварки взрывом. Магнитно-импульсная сварка, обладая особен-
ностями, характерными для сварки взрывом, имеет технологические
преимущества: допускает точное регулирование процесса, удобна для
массового изготовления малогабаритных изделий простой формы
(трубы, оболочки и др.), не требует особых условий безопасности и мо-
жет осуществляться в цеховых условиях. К ее недостаткам относятся
следующие: давление на метаемую заготовку ограничивается прочно-
стью и долговечностью индуктора, ширина зоны соединения не превы-
шает нескольких десятков миллиметров, поэтому магнитно-импульсная
сварка применима лишь для изделий малых размеров. Этим способом
сваривают внахлестку тонкостенные трубы из разнородных металлов
(алюминий — медь, алюминий — нержавеющая сталь, цирконий —
нержавеющая сталь и др.), проволоку малого диаметра, фольгу из
цветных металлов и др.
Глава 3
МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ
ПРИ СВАРКЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
Для сварки металлов и сплавов, в том числе цветных, при,
меняют разнообразные материалы, которые можно разделить на две
большие группы:
1) непосредственно участвующие в образовании сварного шва
(электродные н присадочные проволоки, штучные плавящиеся электро-
ды при ручной дуговой сварке, флюсы и др.);
2) непосредственно не участвующие в образовании металла шва,
но влияющие на его качество (электроды машин для контактной сварки,
иеплавящиеся электроды, инертные защитные газы).
Номенклатура материалов обеих групп, выпускаемых для сварки
цветных металлов, велика. Их применение зависит от ряда факторов:
физико-химических свойств свариваемого металла, его толщины, ис-
пользуемого метода, сварки режимов сварки и др. Ко всем свароч-
ным материалам предъявляют требования, определяющие их техноло-
гичность, экономичность, доступность, необходимые свойства сварных
соединений при разнообразных условиях эксплуатации и др.
3.1. Сварочные проволоки и прутки
Сварочные проволоки применяют как плавящийся элек-
трод при автоматической и полуавтоматической сварке под флюсом
и в среде защитных газов, а также при электрошлаковой сварке. Из сва-
рочной проволоки изготавливают покрытые электроды для ручной
дуговой сварки. При газовой и дуговой сварке неплавящимися электро-
дами проволока используется в качестве присадочного металла. Для
сварки цветных металлов применяют проволоку разного диаметра (0,8—
12,5 мм), а также прутки диаметром до 12 мм.
Марки сварочной проволоки для алюминия н его сплавов приве-
дены в табл. 3.1. Кроме указанных марок используют сварочную про-
волоку из алюминия АД1, сплавов АКЗ, В92 и других, поставляемую
по специальным техническим условиям. Проволока в бухтах покрыта
оксидной пленкой и смазкой, которые перед сваркой удаляют химиче-
ской обработкой или электрополнрованием (см. гл. 5).
Для сварки распространенных деформируемых алюминиевых
сплавов рекомендуется применять следующие проволоки [262, 9]:
Свариваемый металл Проволока
АД00 АДО; АЛ1 АМц АМг2, АМгЗ АМг4, АМгб АМгб А85Т, СвА97 СвА1*. А85Т, СвА97 Св АМц СвАМгЗ, СвАМгб СвАМгб, СвАМгб, Св 1557 СвАМгб, СвАМг61, СвАМгбЦв. ч.*, Св1557
АД31, АДЗЗ, АВ
1915
АМг61
Ал2, Ал4, Алб
В92
СвАК5, Св1557
СвАМгб, СвАМгбЦв. ч.,
Св. 1557 СвАМгб!
Св А Кб
СвАКб, СвВ92*
•Поставляется по специальным техническим условиям.
Для сварки каждого сплава в зависимости от требуемых свойств
проволока выбирается в соответствии с рекомендациями (табл. 3.2)
[265]. Часто применяется универсальная проволока, обеспечивающая
удовлетворительные значения основных характеристик соединений.
Для сварки магниевых и бериллиевых сплавов используют прово-
локу, полученную в основном прессованием. Перед сваркой с поверх-
ности проволоки удаляют оксидную пленку химическим травлением
или электрополированием. В качестве присадочного металла применяют
следующие магниевые сплавы (см. табл. 1.37):
Свариваемый сплав
МА1
МА2, МА 2-1, МА8, МА9
МА13
МАП
МА14
Присадочный материал
МА1
МА2-1
МА13
4% Ж; 0,5—1,0% Ьа;
0,4—0,6 % 2г; 0,4 % Ас
4—5 % 2п; 0,6—1,1 % 2г
0,6—1,6%РЗМ
Для сварки меди и ее сплавов выпускаются проволока диаметром
0,8—8,р мм и прутки диаметром 6—8 мм (табл. 3.3). Используют также
проволоку и прутки из меди марок М1, М1Р, МЗР (см. табл. 1.9),
из латуни и бронзы (см. табл. 1.38, 1.39) и др.
Таблица 3.1. Химический состав проволок для сварки алкрииния и
Марка А1 Легирующие
Мд Мп Ре
СвА97 >99,97 __ __
СвА85Т Остальное — — —
СвА5 >99,5 — — 0,20—0,35
СвАМц Остальное — 1,0—1,5 0,30—0,50
СвАМгЗ » 3,2—3,8 0,3—0,6 —
СвАМг4 » 4,0—4,8 0,5—0,8 —
СвАМгб » 4,8—5,8 0,5—0,8 —
Св1557 » 4,5-5,5 0,2—0,6 Сг 0,07—0,15
СвАМгб » 5,8—6,8 0,5—0,8 —
СвАМгбЗ » 5,8—6,8 0,5—0,8 —
СвАМг61 » 5,5—6,5 0,8—1,1
СвАКб » — — —
СвАКЮ* » — — —
Св1201 » Си 0,6—6,8 0,20—0,40 V 0,05—0,15
* Изготавливается прессованием.
Для сварки меди и ее сплавов наиболее широко применяются
проволоки и прутки следующих марок [143, 183, 130, 153, 961:
Сварка неответственных конструкций
из медн
Сварка электротехнических изделий
из меди
Сварка меди плавлением всеми спосо-
бами
Сварка меди в защитных газах, авто-
матическая сварка меди и латуни под
флюсом
Сварка меди и медно-никелевых спла-
вов в защитных газах, в том числе
в среде азота; сварка меди с латунью,
бронзой и сталью; сварка медно-ни-
калевых сплавов с латунью, бронзой
и сталью
Сварка алюминнево-марганцевой брон-
зы, мышьяковистой латуни, меди и
медно-никелевых сплавов с алюмини-
ево-маргапцевой бронзой
Сварка в защитных газах и покрыты-
ми электродами оловянных и оловян-
но-фосфористых бронз
Сварка бронз в защитных газах, авто-
матическая сварка под флюсом хро-
мистой бронзы
Сварка латуни
•ТУ 48—21—285—73 [118].
его сплавов (ГОСТ 7871—75), %
М1 М1Р
МСр1
Бр. КМцЗ-1
Бр. 0Ц4-3
МНКЖТ5-1-0.2-0.2
Бр. АМц9-2
Бр. 0Ф6.5-0,15
Бр.Х0,7; Бр.ХНТ; Бр.НЦрТ;
Бр.Х0,7; Бр.ХТО,6-0.5*
ЛМц58-2; ЛЖМц59-1-1;
Л0К59-1-0,3; ЛК80-ЗЛ
элементы Другие
81 Т1 Ве 2г элементы, не более
- 0,03
— .0,20—0,50 — — 0,08
0,10—0,25 — — — 0,05
0,20—0,40 — — — 1,35
0,5—0,8 — 0,002-0,005 — 0,85
Сг , 0,06=-0,15 0,002—0,005 — 1,15
0,05—0,25 0,10—0,20 0,002—0,005 0,002—0,005 0,2—0,35 1.4 0,6-
0,10—0,20 0,002—0,005 1,2
— 0,002—0,005 0,15—0,35 1,15
— — 0,0001—0,0003 0,002—0,12 1,15
4,5—6,0 0,10—0,20 — — 1.0
7,0—10,0 — — — 1.1
— 0,10—0,20 0,0001—0,0008 0,1—0,25 0,3
—
Таблица 3.2. Рекомендуемые марки проволок для сварки распространенных
алюминиевых сплавов
Примечание. Т — повышенная стойкость швов против горячих трещин?
Пр — высокая прочность соединений: Пл — высокая пластичность соединений; К—»
повышенная коррозионная стойкость соединений: У — универсальная проволока,
обеспечивающая удовлетворительные свойства соединений. Звездочкой отмечены
сплавы» которые поставляются по специальным техническим условиям.
Таблица 3.3. Химический состав проволок и прутков для сварки меди
Марка Легирующие
Си Мп 81 Ге
МСр1 МНЖКТб-1-0.2-0,2 Бр. Х0.7 Бр. НХТ Бр. НЦр Бр. НЦрТ ЛК62-0.5 ЛКБ062-0.2-0.5 ЛОК59-1-0,3 98,5—99 Остальное » » » » 60,5—63,5 60,5—63,5 58—60 0,3—0,8 0,15—0,3 0,3—0.7 0,1—0,3 0,2—0,4 1.0—1,4
Разработаны также новые комплексно-легированные электродные
проволоки, содержащие эффективные раскислители РЗМ (Р3) — бор,
цирконий и титан [120]:
Сварка меди в защитных газах МР3ТБ0,1-0,1-0,08;
МР3ТЦрБ0,1-0,1-0,1*
Сварка меди (10 мм) незащищенной МР3КМцТ0,3-0,3-0,1-0,3**
дугой
•ТУ 48-21/0П-51-74 [120].
••ТУ 48-21-80—72 [120].
При сварке никеля и его сплавов используют проволоку диаметром
3—5 мм Н-1 (ГОСТ 2179—59) и НП-1, НП-2 (ГОСТ 492—73). В качестве
присадочного металла применяют также проволоку из сплава НМц-2,5
и нихрома (Х20Н80) по ГОСТ 492—73. Для сварки никеля разработаны
специальные комплексно-легированные проволоки, содержащие титан,
алюминий, марганец, кремний марок НМцАТЗ-1,5-0,6 и НМцТК1-
1,5-2,5-0,15 (ТУ48—21—284—73) [120]. Присадочные прутки для свар-
ки свинца и цинка обычно имеют тот же состав, что и основной металл
Для сварки серебра применяют серебряную проволоку, раскислен-
ную алюминием (0,5—1 % А1) или содержащую РЗМ. При сварке дру-
гих благородных металлов состав присадочной проволоки не отлича-
ется от состава основного металла.
Титановая сварочная проволока выпускается диаметром 1—7 мм
(табл. 3.4). Проволока поставляется с чистой и осветленной металличе-
ской поверхностью в травленом и дегазированном состоянии (содержа-
ние водорода не более 0,003 %) [253]. Проволока ВТ 1-00 применяется
для сварки технического титана, а также наряду с проволокой ВТ2св—
для низколегированных а- н псевдоа-сплавов; проволоки СПТ-2 и
СП-15 — для высокопрочных (а + Р)-сплавов.
3.2. Покрытые электроды
для дуговой сварки
Ручная дуговая сварка некоторых цветных металлов (алю-
миния, магния, меди, никеля и сплавов иа их основе) может выпол-
няться покрытыми (штучными) электродами. Назначение веществ, вхо-
дящих в покрытие электродов, — стабилизировать дугу, обеспечивать
и ее сплавов (ГОСТ 16130—72), %
элементы
№ $п Ай Т! Сг 1 2г
0,8—1,2
5—0,5 — — 0,1—0,3 — —
— —— — — 0,4—1,0 —
0,5—0,8 — — 0,05—0,15 0,15—0,35
0,3—0,6 — — — — 0,04—0,08
0,5—0,8 — — 0,1—0,2 1,4—1,6
—- — — — _— Остальное 2п
— 0,3—0,7 — — 0,03—0,01 То же
в
0,7—1,1 -— -— — »
Таблица 3.4. Химический состав, %, и механические свойства промыш
Легирующие элементы
Марка А1 V 2г Мо
ВТ-00
ВТ2св 2,0—3,0 — — —
ВТбсв 3,5—4,5 2,5—3,5 — —
СПТ-2 3,5—4,5 2,5—3,5 1.0—2,0 —-
ВТ20-1св 2,0 1,0 2,0 1,0
Примечание. Относительное удлинение указано прн <=.г>,65/р мм, где
достаточно надежную шлаковую и газовую защиту сварочной ванны от
газов атмосферы, при необходимости раскислять и легировать металл
шва. Образующиеся в процессе сварки шлаки должны обеспечивать
хорошее формирование шва н достаточно легко отделяться от его по-
верхности. Длина электрода при диаметре 1,6—3,0 мм составляет
225—300 мм, при диаметре 4—6 мм — 350—450 мм.
.. Помимо хороших технологических свойств покрытые электроды
должны обеспечивать получение металла шва с необходимыми соста-
вом, структурой и механическими свойствами при отсутствии дефектов
(пор, трещин, шлаковых включений и др.). Состав и качество металла
шва определяются как составом стержня электродов, так и компози-
цией покрытия. Легирование металла шва при сварке сплавов цветных
металлов осуществляется в основном выбором соответствующего состава
Таблица 3.5. Состав электродных покрытий для сварки алюминия и
Компонент Марка
Безлнтие
ЭА-/ ЭА-11Ф1 ВАМИ МЛТИ-1
Хлористый натрий 30 15 30 43
Хлористый калий 40 50 50 34
Хлористый магний — — — —
Хлористый литий — —— —— ——
Фтористый калий — — — ——
Фтористый алюми- ний — — — —
Криолит 30 35 20 23
Фтористый натрий — — — —
Однохлористая медь* — — — 0,1
Ферросилиций — — — —
Флюс АФ-4 А** — — — —
* От массы шихты.
•• Состав флюса АФ-4А см, в табл. З.Н.
ленных сварочных проволок из тигановых сплавов
и примеси Другие элементы (Ц мм ов МПа, не более в. %. не менее
И. О. Н,
не более
0,04 0,10 0,003 о,1 1.0—7,0 440 25,0
0,04 0,12 0,003 0,3 1,6—7,0 490 20,0
0,04 0,12 0,003 0,3 1,6—7,0 686 18,0
0,04 0,12 0,003 0,3 1,6—7,0 686 18,0
— — — — 2,0-7,0 589 15,0
Г •— площадь поперечного сечения проволоки, мм8,
стержня. Однако в ряде случаев для восполнения угара отдельных эле-
ментов (например, магния) применяют легирующие покрытия.
Покрытия электродов для сварки алюминия и его сплавов состоят
из хлористых и фтористых солен щелочных и щелочноземельных ме-
таллов (табл. 3.5) [7, 82, 141, 142]. Они делятся на две группы — без-
литиевые и литиевые. Безлитиевые покрытия (а также флюсы) более
просты по составу, менее гигроскопичны. Литиевые покрытия более до-
рогие и чрезвычайно гигроскопичны. Их рекомендуют применять
для металла малых толщин, в основном для алюминиевых сплавов, так
как при сварке технического алюминия они ие всегда обеспечивают
получение беспористых швов.
Для сварки алюминия и его сплавов применяют следующие марки
покрытых электродов [82, 142]:
его сплавов, %
покрытия
вые Литиевые
МАТИ-2 | I А1 АФ1 МВТУ А1Ф
40 6 19 18
30 64 33 — 20 32
—— 30 — — —
— — — — 24 9
— — — — 39 —.
8 — — — — —
22 — 33 35 33
— — 6 — 17 5
0,1 — — — — —
— — — — — 3
— — — 65 '— —
Технический алюминий
Сплавы типа АМг и АМц
Литейные сплавы Ал4, Ал5
Сплавы типа АМц
Сплавы типа АМг, АМц
Сплавы типа АМц, силумин
ЭА-1, ЭА-11Ф1
ВАМИ, А1
МАТИ-1,
МАТИ-2
МВТУ
АФ-1
А1, А1Ф
Промышленностью освоен выпуск электродов для сварки алюминия
марок ОЗА-1 и ОЗА-2. Электроды марки ОЗА-1 со стержнем из прово-
локи СвА1 предназначены для сварки изделий из технического алюми-
ния, электроды марки ОЗА-2 со стержнем из сплава СвАКб — для
сварки, наплавки, а также заварки брака литья на литых сплавах
типа Ал (Ал2, Ал4, Алб, Ал9 и Ал11). Покрытия электродов ОЗА-1
и ОЗА-2 выполнены на основе покрытия ЭА-1 (см. табл. 3.5) с некоторой
корректировкой его состава
Качество электродов, а следовательно, свойства швов в значитель-
ной степени определяются чистотой исходных материалов, способами
изготовления обмазочного состава и нанесения покрытия на электрод.
В качестве шихтовых материалов используют чистые компоненты
высших сортов.
Хлорид лития, готовый флюс АФ-4А и литиевые обмазки в связи
с большой гигроскопичностью хранят в закрытой стеклянной посуде.
Наиболее качественное покрытие получают из предварительно выплав-
ленной (при температуре 700—800°С) смеси компонентов. При плавле-
нии достигаются равномерность состава покрытия и удаление кристал-
лизационной влаги, при этом улетучивание компонентов шихты незна-
чительно. После остывания закристаллизовавшегося расплава его
дробят, размалывают в шаровой мельнице и просеивают; обмазку изго-
товляют из порошков проходящих через сито с 1800—3600 отв/см2. При-
менять для замеса обмазки жидкое стекло нельзя, так как оно вступает
в реакцию с компонентами покрытия. В качестве связующего вещества
используют водный насыщенный раствор поваренной соли (хлористого
натрия). В ряде случаев для укрепления в обмазку добавляют однохло-
ристую медь (например, электроды МАТИ-1, МАТИ-2, см. табл. 3.5).
Обмазки, содержащие хлористый натрий, могут быть замешаны на во-
де. Связующим веществом в покрытиях электродов для сварки алюми-
ния иногда служит водный раствор декстрина (60 г на 150 г воды),
подогретый до 70—80 °С. В качестве связующего предложен также
раствор карбоксилметилцеллюлозы (КМЦ).
Замес пихты покрытия на насыщенном растворе поваренной соли
производят до консистенции сметаны (около 250—300 см3 соляного рас-
твора на 1000 г сухой смеси) и методом окунания (чаще в два слоя,
с промежуточным просушиванием) наносят на электродные стержни.
При покрытии в один слой (после окунания) электроды сушат на воз-
духе в течение 2—3 ч, а затем прокаливают при температуре 200—250°С
в течение 3—4 ч при постепенном повышении температуры.При нанесе-
нии покрытия в два слоя электроды с первым слоем провяливают 3—4 ч
на воздухе или 1 ч при температуре 30 °С в сушильном шкафу. Электро-
ды с покрытием в два слоя подвергаются завершающему просушиванию
на воздухе и прокаливанию по тому же режиму, что и однослойные
электроды. Толщину покрытия выбирают в зависимости от диаметра
электрода [264]:
Диаметр электрода, мм 4 5 6 8
Толщина покрытия, мм 1,0—1,1 1,1—1,2 1,2—1,4 1,4—1,6
Значительное увеличение толщины слоя обмазки по сравнению
с указанной оптимальной толщиной приводит к образованию козырька,
мешающего вести сварку. При хранении электроды могут увлажняться,
поэтому перед сваркой их необходимо просушивать при температуре
70—100 °С. Значительно укрепляют электрод и защищают обмазку от
увлажнения покрытия, например, цапонлаком. Сварка алюминиевыми
электродами выполняется на постоянном токе обратной полярности.
Электродные обмазки, используемые для сварки магниевых спла-
вов, близки по составу к покрытиям для алюминия (табл. 3.6) [143].
Не отличается также способ изготовления покрытых электродов для
этих сплавов.
Таблица 3.6. Состав электродных покрытий для сварки магниевых
сплавов, %
Компонент Марка покрытия
ЛПИ-1М АН-А103 1
Фтористый цирконий 7 —
Фтористый кальций 28 — 16
Фтористый литий 15 31 20
Фтористый калий 9 22 —
Фтористый барий 24 10 35
Фтористый магний 17 — 26
Фтористый алюминий —. 16 —
Оксид магния — — 3
Хлористый калин — 21 —
Для сварки конструкций из меди и хромистой бронзы средних и
больших толщин (5—20 мм) наибольшее распространение получили
электроды марки АНЦ-1, АНЦ-З и АНЦ-ЗМ диаметром 4,5 и 6 мм.
Электроды разработаны в Институте электросварки (ИЭС) им. Е. О. Па-
тона АН УССР и выпускаются по ТУ ИЭС 593—86. Электроды марок
«Комсомолец-100» и ЗТ содержат компоненты, которые легируют и рас-
кисляют металл шва (табл. 3.7) [7, 130]. Для изготовления электродов
применяют стержни из проволок марок М1, Бр.КМцЗ-1, пруткн из
сплавов Бр.ОФ40,4, Л.90 и др. [130, 183]. Бронзовые стержни-прутки
диаметром 5—10 мм отливают в металлический кокиль. Покрытия на-
носятся окунанием (одни пли два раза) толщиной 0,4—0,8 мм на сто-
рону (в зависимости от диаметра). При сварке меди средних и больших
толщин можно пользоваться зависимостью [183]
^=(4-2)ч"г (3-°
Толщина покрытия медного электрода зависит от его диаметра
[130]:
Диаметр электрода, мм 3 4 5 6 7 8
Толщина покрытия, мм 0,3—0,4 0,4—0,5 0,5—0,6 0,6—0,7 0,7—0,8 0,8—0,9
Перед смешиванием компоненты дробят в шаровых мельницах до
размера зерен, проходящих через сито не менее 1200 отв/см2. Ферро-
сплавы и особенно ферросилиций рекомендуется после дробления пас-
сивировать (прокаливание в печи при 700—800 °С в течение 2—3 ч
Таблица 3.7. Состав электродных покрытий для сварки меди, %
Компонент Марка покрытия
«Комсомолец-! 00» зт
Плавиковый шпат 10 32
Полевой шпат 12 —
Марганцевая руда —- 17,5
Графит серебристый — 16
Ферросилиций 8 32
Ферромарганец (малоуглеро- дистый) 50 —
Алюминий в порошке — 2,5
Жидкое стекло (от массы су- хой шихты) 20 55—60
с целью обволакивания зерен оксидной пленкой, защищающей кремний
от окисления). В качестве связующего вещества применяют натриевое
жидкое стекло (ГОСТ 13078—67). После нанесения покрытия электроды
просушивают при температуре 200—400 °С в течение 3—4 ч. Сварку
электродами ЛНЦ, «Комсомолец-100» и ЗТ выполняют постоянным
током обратной полярности.
Таблица 3.8. Состав электродных покрытий для сварки медных
сплавов, %
Компонент Марка покрытия
для латуней для бронз для медно- никелевых сплавов МН-4
ММЗ-2 № 1П Бр.1/ЛИВТ ЦБ-1
Плавиковый шпат 30 17 17 35
Полевой шпат 14 9 —— — —
Мрамор — — — 38 30
Гранит — — — 16 —
Поташ 5 — — — 2
Криолит — — 15 16 8
Графит серебристый 8 — 6 9 —
Хлористый натрий — 15 — — —
Двуокись титана — —• — — 10
Бихромат калия — 1 — — —
Бура плавленая —. 26 — — —-
Хлористый калий — — — 21 —
Медно-кремнистая ли- гатура — 26 — — —
Симанал (сплав 81, Мп, А1) Ферросилиций 43 — — — —
— — 5 — —
Ферромарганец — — 55 — ——
Ферротитан — —— — — 5
Алюминиевый поро- шок — 2 10
Для сварки латуни, бронз и медно-никелевых сплавов предназна-
чены электроды марок ММЗ-2, № 1П, Бр.1/ЛИВТ, ЦБ-1, МН-4 и др.
(табл. 3.8) [7, 96, 130, 143} Особая технология изготовления приме-
няется для покрытия №1П [130]. Покрытие разводят на нитролаке;
стержни, предварительно смоченные раствором жидкого стекла, окуна-
ют в покрытие. Электроды просушивают при комнатной температуре
в течение 2—3 ч, а затем прокаливают в течение такого же проме-
жутка времени при температуре 180—200°С. Покрытие электродов мар-
ки БрП/ЛИВТ рекомендуется для сварки оловянных бронз, марки
ЦБ-1 — для алюминиевых бронз, марки МН-4 — для медно-никеле-
вых сплавов типа МН-5, МНЖ-5-1 и др. Покрытия изготовляют на
жидком стекле. Электроды прокаливают при температуре 200—250 °С
в течение 3—4 ч. Электроды с покрытием ММЗ-2 допускают сварку при
переменном токе, однако при этом по сравнению со сваркой на постоян-
ном токе увеличивается разбрызгивание.
В табл. 3.9 приведены некоторые составы покрытий для сварки
меди и ее сплавов со сталью [143]: № 1 — меди со сталью СтЗ; № 2 —
меди с нержавеющей сталью типа 08Х18Н10Т; № 3 — латуни типа
ЛО62-1 со сталью СтЗ; № 4 — латуни типа ЛО62-1 с нержавеющей
сталью типа 08Х18Н10Т; № 5 — латуни типа Л62, ЛО62-1, ЛС59-1
с медью. Покрытие изготовляют на жидком стекле. Толщина покрытия
составляет 0,5—0 9 мм на сторону. Электроды прокаливаются при тем-
пературе 200—300 °С.
Таблица 3.9. Состав электродных покрытий для сварки меди и ее
сплавов со сталью, %
Компонент Номер покрытия
1 2 3 4 5
Плавиковый шпат 10 6 6 10 10
Полевой шпат 14 10 10 12 14
Ферромарганец 26 26 34 40 28
Ферросилиций 18 — — — 8
Феррованадий — 4 — — —
Ферромолибден — 16 — — —
Ферротитан — — — 10 —
Кремнистая медь 12 18 30 8 20
Жидкое стекло 20 20 20 20 20
Для сварки никеля марки Н-1 применяют электроды с покрытиями,
марки которых приведены в табл. 3.10 [14, 8]. Наиболее качественные
швы обеспечивают электроды с покрытием «Прогресс-50» [14]. Стержни
электродов изготовляют нз проволоки Н-1 (ГОСТ 2179—59). Электроды
с покрытием «Прогресс-50» пригодны также для сварки никеля марок
НП-1 и НП-2. В этом случаев качестве электродного стержня исполь-
зуют никелевую проволоку марки НП-1 или НП-2 (ГОСТ 492 — 73).
Электроды с обмазкой ЭНХД-10 предназначаются для сварки никелево-
кремнистых сплавов: с обмазкой ЭНХМ-100 — для нихрома и никеле-
во-молибденовых сплавов. Для сварки сплавов типа ХН80ТБЮ,
ХН80ТБЮА, ХН70ВМТЮ и ХН75МВТЮ используют электроды
с покрытием типа ИМЕТ и ВИ-2-6. Хорошие результаты при сварке
медно-никелевых сплавов (например, типа МНЖ-5-1) дает применение
электродов с покрытием ЗТ (см. табл. 3.7). Химический состав стерж-
Марка покрытия
Компонент «Про- гресс-50» Н-10 Н-37 ЭНХД-10 о § X 01 ИМЕТ-7 ИМЕТ-10 ВИ-2-6
Двуокись титана 51 — — 10 — 17,7 8,3
Плавиковый шпат (или флюоритовый концентрат) 20 48,5 18 40 30 — 18,3 42,5
Хлористый натрий 6 — — — — — 16,7 —
Бентонит 1 — — 2 — — — —
Мрамор — 40 40 29 55 4,2 — 40,5
Каолин — — — — 5 — — —
Кварцевый песок — 3 — — — — — —
Сода кальциниро- ванная — 2 — 2 — — — —
Марганец метал- лический Мр-1 8 — 10 — — — — —
Титановый поро- шок 8 — — — — — — —
Алюминиевый по- рошок ПАН 1 6 — 7 3 — — — —
Ферромарганец Мн-0 — 3 — — — — 2,5 13,2
Ферротитан Ти-1 3 4 5 — —
Ферросилиций Сн-75 — 11 4 5 — — —
Лигатура (20 % М§, 80 % Ы1) — — 10 — — — — —
Кремнии кристал- лический — — — 10 — — — —
Фтористым каль- ций — — — — — 42 — —
Хромоникелевая лигатура — — — — — 4,2 — —
Оксид алюминия — — — — 10,6 4,2 —
Молибден — — — — 21,3 — 3,8
Хром — — — — — 33,3 —
Ферровольфрам — — — — — 16,7 —
Алюминат натрия (от массы сухой смеси) — — — — — 10—12 — —
Житкое стекло (от массы сухой смеси) 25—30 25— 30 28-30 30 25—30
ней аналогичен составу основного металла. Разработан и освоен про-
мышленный выпуск новых электродов для сварки никеля и его сплавов
[8]:
Никель НП-2, сплав НА-1; сварка плакирующего слоя би- 03Л-32
металла сталь — никель
НЖМц28-2,5-1,5; сварка плакирующего слоя СтЗсп — мо- В56У
нель, наплавка коррозионно-стойкого слоя на малоуглеро-
дистую сталь
ЭП-567, ЭП-760, ЭП-758; сварка плакирующего слоя биме- 0371-21
таллов из этих сплавов
ЭП-496, ЭП-814; сварка плакирующего слоя биметаллов из 03Л-23
этих сплавов
Сварка тонколистовых конструкций (6^6 мм) и нагрева- ОЗЛ-25
тельных элементов из сплавов типа ЭИ-435 ОЗЛ-25Б
ЭИ-652, ЭП-747 03Л-35
Для сварки нпкелево-хромистых сплавов марок ХН78Т (ЭИ435) и
ХН77ТЮР используют также электроды марок ЦТ-28 и ЦЧМ-З [8].
Диаметр электрода (1Э для сварки никеля и его сплавов прииима-
Ь
ют в зависимости от толщины свариваемого металла ф, = + 1 мм.
Обычно диаметр стержня электрода составляет 3—5 мм. Длина электро-
да в связи со значительным электрическим сопротивлением никеля не
превышает 300 мм. Толщина слоя покрытия составляет 1,0—1,5 мм на
сторону в зависимости от диаметра электрода. Электродные покрытия
замешиваются на жидком стекле, вводимом в количестве 25—30 %
массы сухой смеси, и наносятся окунанием на стержень. Возможно
также нанесение покрытия прессованием. Покрытые электроды после
сушки на воздухе прокаливают в течение 2 ч при температуре 250—
300 °С. Сварка никеля и его сплавов электродами с указанными выше
покрытиями производится на постоянном токе обратной полярности.
3.3. Флюсы и порошковые проволоки
Флюсы для газовой сварки (табл. 3.11, 3.12) [141, 245,
264] вводят в процессе сварки алюминия с присадочным прутком или
предварительно наносят на кромки свариваемого изделия в виде пасг,
разведенных на воде или спирте. При сварке меди флюсы в виде по-
рошка предварительно наносят на присадку, смоченную раствором
жидкого стекла, или в процессе сварки нагретый пруток опускают
во флюс. Можно также засыпать флюс на предварительно нагретые
кромки свариваемых деталей на ширину 10—15 мм. В случае нанесе-
ния на пруток флюса в виде пасты, замешанной на жидком стекле, ре-
комендуется проволоку предварительно протравить в азотной кислоте
и промыть в воде. При газовой сварке меди и особенно латуни можно
применять газообразные флюсы. К ним относя гея пары азеотропного
раствора борио-метилового эфира с метиловым спиртом, которые через
флюсопитатель падают непосредственно в пламя горелки, окрашивая
его в зеленый цвет (спектральный цвет бора) [376]. Фторидно-хлоридные
флюсы используются для газовой сварки алюминиевых бронз (табл. 3.13)
[376]. Фториды и хлориды щелочных металлов частично растворяют
А12Оя, благодаря чему происходит раскисление металла.
Для дуговой сварки алюминия и его сплавов плавящимся электро-
дом по слою флюса (полуоткрытой дугой) применяют в основном плаз-
Таблица 3.11. Состав флюсов для газовой сварки легких металлов
и сплавов, %
Марка флюса
Компонент для алюминия и его сплааов для его магния и сплавов
АФ-4 А АН-А201 ВАМИ 1 КМ-1 ё сч ё со ё
Хе» №2 №3
Хлористый натрий 28 30 20 33 19 41 40
Хлористый калий 50 — 50 45 45 29 51 —. — —
Хлористый литий 14 15 — — 15 — — —. 40 —
Хлористый барий — 70 — 20 — 48 — 15 — —
Фтористый натрин 8 — —. 15 — — 8 — — —
Фтористый кальций — — — — — 4 — 7 20 15
Фтористый литий — 15 —. — — — — 31 — 19
Фтористый калий — — — 7 — — — — — —
Фтористый алюминий — — — — — — — 33 — —
Фтористый магний 25
Фтористый барий 33
Криолит — — 20 — — — —- 14 — 5
Оксид магния — 3
Таблица 3.12. Состав флюсов для газовой сварки тяжелых металлов
и сплавов, %
Номер флюса
Компонент для меди Для никеля ДЛЯ цни- ДЛЯ свинца
1 2 3 4 5 6 1 2 3 1 1 2
Бура безводная Борная кислота Поваренная соль Фосфорнокис- лый калий Хлористый натрий Углекислый калий Фтористый калий Нашатырь Хлористый цинк Стеарин Канифоль 34 33 33 50 35 15 50 50 56 22 22 100 1111 1 1 1 1 1 31 100 25 75 30 50 10 10 50 50 100 1311 1 1 1 1 III
Таблица 3.13. Состав флюсов для газовой сварки алюминиевых
бронз, %
Компонент Номер флюса
1 2 3
Хлористый натрий 30 45 28
Хлористый калий 45 30 50
Хлористый литий 15 10 14
Фтористый натрий — — 8
Фтористый калий 7 15 —
Фосфорнокислый натрий 3 — —
левые флюсы (табл. 3.14) [82, 261] Флюс марки АН-А1 используют
для сварки технического алюминия (как в плавленом, так и в неплав-
леном виде). Для изготовления неплавленого флюса (механической
смеси) все материалы предварительно высушиваю! при температуре
350—400 °С. Хлористый натрий и хлористый калий измельчают.
Все материалы просеивают через сито с 400 отв/см2 и более. Просеян-
ные материалы взвешивают и затем тщательно перемешивают. При из-
готовлении плавленого флюса после высушивания хлористый натрий
и хлористый калий измельчают до размера зерен 1,5—2 мм в попереч-
нике. Шихту расплавляют в графитовых тиглях прн температуре
750—800 °С. После расплавления и небольшой выдержки в печи флюс
тонким слоем выливают на противень из окалнностойкой стали. Остыв-
ший флюс дробят на куски и измельчают на валках до размера зерен
Таблица 3.14. Состав флюсов для сварки алюминия и его сплавов, %
Марка флюса
Компонент для сварки по слою флюса для свар ки под флюсом ДЛЯ ЭШС
АН-А1 АН-А4 48-АФ-1 «9 < г МАТ И-10
ЖА-64» < к АН-301, АН-302, АН-304
Хлористый натрий 20 17 15 —
Хлористый калий 50 57 47 47 30 43 38 20-60
Хлористый литий — — — 8 — — — 10—40
Хлористый барий — 28 47 — 68 — — 5—30
Фтористый натрий — — — 42 — — — —
Фтористый калий — — 2 — — — —
Фтористый литий — 7,5 — — — — — 2—20
Фтористый кальций — — — — — — 3 —
Фтористый алюминий •— 7,5 — — — — — —
Криолит 30 — — 3 2 36 43 —
Фторцирконат калия — — 2 — — — —-
Песок кварцевый — — — — — 4 <1 —
Оксид хрома — — 2 — — —
• Керамический флюс.
0,2—1 мм. Плавленый флюс обеспечивает меньшую склонность швов
к образованию пор, но уступает механической смеси по формированию
швов [264]. Основные компоненты флюса АН-А1 не увлажняются, од-
нако примесь хлористого магния в поваренной соли может придать флю-
су некоторую гигроскопичность. Для алюминиево-магииевых сплавов
используются флюсы АН-А4, 48-АФ-1 и МАТИ-10; для алюминиево-
марганцевых — флюс МАТИ-1а. Керамический флюс марки ЖА-64
предназначается для механизированной сварки технического алюми-
ния закрытой дугой. Однако для получения коррозионно-стойких со-
единений из алюминия особой чистоты марки АД00 этот флюс не при-
годен из-за перехода кремния в металл шва при восстановлении его
из 8Ю2. Флюс ЖА-64А лишен этого недостатка, так как содержание
в нем 8Ю2 не превосходит 1 % (см. табл. 3.14). Такой флюс успешно
применяют для получения качественных швов с высокой коррозионной
стойкостью и электрической проводимосью на алюминии АД00 [271].
Керамические флюсы целесообразно применять при автоматиче-
ской сварке алюминия толщиной 30 мм и более [4]. Флюсы ЖА-64 и
ЖА-64А замешивают па водном растворе карбокснлметилцеллюлозы
(14—16 % к массе сухой шихты), протирают через сито с размером
ячейки 2,5 X 2,5 мм и затем прокаливают при температуре 280—
320 °С. Прокаленный флюс просеивают через сито с размерами ячейки
3 X 3 мм.
Автоматическая сварка изделий нз алюминия под флюсом (за-
крытой дугой) позволяет значительно уменьшить количество вредных
выделений в атмосферу, улучшить санитарно-гигиенические условия
труда [195].
Для ЭШС пластинчатым электродом алюминия АД1, а также
сплавов типа АМц, АМгб используют плавленые флюсы марок АН-А301,
АН-А302 и АН-А304. Для сварки меди толщиной до 20—25 мм приме-
няют стандартные плавленые флюсы АН-348А, ОСЦ-45, АН-20С,
АН-26С, предназначенные для сварки сталей (табл. 3.15). При сварке
меди под такими кислыми флюсами в металл шва переходят кремний
и марганец, восстановленные из шлака. В результате ухудшаются
теплофизические свойства и повышается удельное электросопротивле-
ние швов по сравнению с основным металлом. Применение бескислород-
ных фторидных флюсов, например марки АН-М1 (55 % МеГ2, 40 %
1ЧаЕ, 5 % ВаЕ2) [153], позволяет устранить этот недостаток. Благодаря
повышенной чистоте металла шва прн сварке под флюсом АН-М1
удельное электросопротивление соединений снижается примерно
в 1,5 раза, а теплопроводность повышается в 2 раза по сравнению со
швами, выполненными под кислым флюсом АН-348А 1153].Для электро-
дуговой сварки меди пригодны и керамические флюсы: ЖМ-1 для свар-
ки меди и К-13МВТУ для сварки меди со сталью. Состав этих флюсов
следующий (%) [376]: ЖМ-1: мрамор —28,0; полевой шпат — 57,6;
Таблица 3.15. Химический состав флюсов для автоматической сварки
меди и ее сплавов плавящимся электродом (ГОСТ 9087—69), %
Марка флюса ЗЮ, МпО СэО мво А 1,0, СаГ, Ее,О, К.о, К а, О
АН-348А 41—44 34—38 До 6,5 5—7,5 До 4,5 4—5,5 До 2
ОСЦ-45 38—44 38—44 До 6,5 До 2,5 До 5,0 6—9 До 2 —
АН-20С 19—24 До 0,5 3—9 9—13 27—32 25—33 До 1 2—3
АН-26С 29—33 2,5—4,0 4—8 15—18 19—23 19—23 До 1,5 —
плавиковый шпат — 8,0; древесный уголь — 2,2; борный шлак — 3.5;
алюминий (порошок) —0.8. К-13МВТУ: глинозем — 20; плавиковый
шпат — 20; кварцевый песок — 8—10; магнезит — 15; мел — 15;
бура безводная — 15—19; алюминий (порошок) —3—5.
С увеличением толщины меди и сплавов на ее основе указанные
выше флюсы становятся ограниченно пригодными, так как не обеспечи-
вают требуемой плотности и необходимой пластичности сварных швов.
Снизить пористость при сварке меди и хромовой бронзы толщиной
30—40 мм позволила смесь, состоящая из 80 % флюса АН-26С н 20 %
флюса АН-20С. Лучшие результаты по плотности швов обеспечивает
флюс сухой грануляции марки АН-М13 (ТУ 88 УССР 085.341—82).
При аргоиодуговой сварке неплавящнмся электродом тонколисто-
вой меди (толщиной 2—6 мм) с целью повышения качества швов реко-
мендуется применять активирующий флюс-пасту АН-М15.
Для ЭШС меди применяют легкоплавкий флюс на фторидной ос-
нове марки АН-М10 (системы ЫаГ—[ПР—СаР2) [118]. Для плаз-
меино-дуговой сварки хромовой бронзы разработана присадочная
порошковая проволока марки ПП-Бр.ХТ 12-2, содержащая 10—15 %
Сг; 1,5—3 % Т1 [118]. Сварка никеля может осуществляться под флю-
сами двух типов: керамическим (ЖН-1) и плавлеными фторидны-
ми бескислородными и высокоосновными (АН-Ф5, АН-Ф7, АН-8,
48-ОФ-6, АН-29, АН-292 и др.) [13, 350] (табл. 3.16) Флюс ЖН-1
используют при сварке никеля марок Н-1, Н-2, НП-1 и НП-2. В случае
применения при сварке проволоки марки НМц-2,5 производится
перерасчет состава флюса, из которого исключается металлический
марганец. Плавленые фторидные флюсы (например, АН-Ф7) приме-
няют при дуговой сварке и ЭШС никелевых сплавов.
Таблица 3.16. Химический состав флюсов для автоматической сварки
никеля и его сплавов плавящимся электродом, %
Марка флюса 810, А12О, СаЕ, МпО СаО
ЖН-1* 18-20 14—16 50—55 7—9
А НФ-5 <2 —_ 75—80 — —
АНФ-7 <2 — 65—75 — 18—30
АНФ-8 <2 25—35 45—55 — 12—18
48-ОФ-6 <4 20—27 45-60 До 0,3 16-23
АН-29 Следы 40—50 10-15 — 35—45
АН-292 <1,5 58—61 — — 33—37
Марка флюса мео КаЕ Ка,О Мп Т1 А1
ЖН-1* 5-6 4—5 1,5—2,0 5,5—6,5
АНФ-5 17—25 —_
АНФ-7 —
АНФ-8
48-ОФ-6 До 3 — — — — —
АН-29 __ __ ——
АН-292 4-7 — — — — —
• Керамический флюс.
Плавленые бескислородные фторндно-хлоридные флюсы серии
АНТ предназначены для автоматической сварки титана и его сплавов
(табл. 3.17). К особенностям этих флюсов относятся сравнительно вы-
сокие темпера1уры плавления (выше 1400 °С). Они принадлежат к кате-
гории «коротких» шлаков. Шихта флюсов подготавливается из химиче-
ски чистых компонентов. В табл. 3.17 приведены марки флюсов, выпус-
каемых ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР. Титановые присадочные
порошковые проволоки (табл. 3.18) позволяют сваривать неплавящимся
электродом за один проход сплавы толщиной до 16 мм. При этом можно
получать швы без усиления (проволока ППТ-1) и с усилением (прово-
локи ППТ-2 и ППТ-3).
Таблица 3.17. Сварочные флюсы для сварки титана и его сплавов
Марка флюса Толщина свари- ваемого металла, мм Назначение
АНТ-1 3—7 Для сварки плавящимся электродом под флюсом
АНТ-3 6—12 То же
АНТ-7 8—20
АНТ-23А 0,8—3 Для сварки неплавящимся электродом низколегированных а- и (а-фР)-спла- вов
ФАН-1 3-6 Для сварки неплавящимся электродом средне- и высоколегированных (а + Р)- и р-сплавов
АНТ-2 Свыше 40 Для ЭШС титана и низколегирован- ных сплавов
АНТ-4 То же Для ЭШС высокопрочных титановых сплавов
АНТ-6 « « То же
Таблица 3.18. Характеристика порошковых присадочных проволок для
дуговой сварки титана и его сплавов неплавящимся электродом
Марка проволоки Диаметр, мм Толщина свариваемого металла, мм Назначение
ППТ-1 2,2—2,6 4—16 Однопроходная сварка низко- легированных а- и (а + Р)-спла- вов
ППТ-2 3,0—3,5 8—16 Однопроходная сварка низко- легированных а- и (а + р)-спла- вов и получение швов с усиле- нием
ППТ-3 3,0—3,5 8—16 То же для высоколегированных сплавов
3.4. Газы
Горючие газы, В качестве горючего газа для сварки цвет-
ных металлов используют в основном ацетилен, а для газовой резки
и подогрева — природный газ и пропан-бутановую смесь. Из замени-
телей ацетилена пропан-бутановая смесь дает наиболее высокотемпера-
турное пламя, которое можно применять не только для подогрева, но
и для сварки металлов со сравнительно низкой температурой плавле-
ния. Из 1 кг карбида кальция в среднем получается 250 л ацетилена.
Для повышения температуры газового пламени при сварке исполь-
зуют смесь горючего газа с кислородом. Масса 1 м3 газообразного кис-
лорода составляет 1,33 кг (пря атмосферном давлении и температуре
20 °С), 1 л жидкого кислорода — 1,14 кг. Жидкий кислород транспорти-
руют в специальных танках, газообразный — в стальных баллонах,
окрашенных в голубой цвет, при давлении 14,7 МПа (емкость баллона
6 мя).
Защитные газы. Наиболее универсальными защитными газами
являются аргон и гелий. Для защиты меди и ее сплавов может быть
использован азот (табл. 3.19). Для сварки химически активных и туго-
плавких металлов следует применять инертные газы (аргон, гелий).
Такие же газы рекомендуется использовать для сварки ответственных
конструкций из алюминия, магния и других цветных металлов, чувст-
вительных к примесям — азоту и кислороду. В ряде случаев лучшее
формирование швов и большая их плотность достигаются при примене-
нии аргоно-гелиевых смесей (например, при сварке титана и алюминия
плавящимся электродом)
Таблица 3.19. Характеристика защитных газов
Газ ГОСТ, ТУ Сор» Объемное содер- жание чистого газа, %
Аргон 10157—79 Высший 99,99
То же Первый 99,98
ТУ 6—21—12—76 Высокой чистоты 99,997
Гелий ТУ 51—940—80 » > 99,99
Азот 9293—74 Особой чистоты 99,996
Высший 99,994
Первый 99,5
Второй 99,0
Третий 97,0
Водород 3022—70 А 99,8
Б 98,5
В 98,0
Примечание. Газ повтавляетоя в баллонах в газообразном ооотоянии под
давлением 14,72 ± 0,49 МПа.
Наиболее широко в качестве защитного газа применяют аргон.
В газообразном виде аргон хранят и перевозят в стальных баллонах.
Баллоны для технического аргона окрашивают в черный цвет с белой
горизонтальной полосой с надписью «Аргон технический». Баллоны для
чистого аргона окрашивают следующим образом: нижнюю половину
в черный цвет, а верхнюю — в белый с надписью «Аргои чистый». При
большом потреблении аргона он доставляется в специальных цистер.
нах в сжиженном состоянии и через газификаторы подается в мяги-
страль к сварочным постам. Для перевозки жидкого аргона используют
специально оборудованные автомобильные цистерны типа АГЧ или
прицепные резервуары типа ТРЖК, а также железнодорожные цистер-
ны типа 8Г513.
Гелий поставляется в баллонах в газообразном виде. Баллоны
окрашивают в коричневый цвет с надписью белыми буквами: «Гелий»
или «Гелий в. ч.» для гелия высокой чистоты.
Азот хранят и транспортируют в стальных цельнотянутых балло-
нах. Их окрашивают в черный цвет с поперечной полосой коричневого
цвета, желтой краской делаю: надпись «Азот».
3.5. Неплавящиеся электроды
Дуговая сварка. В качестве неплавящихся электродов
используют вольфрамовые прутки с активирующими добавками (см.
табл. 2.9), которые вводятся с целью повышения их стойкости против
сплавления. Наиболее стойкими при сварке являются итерированные
электроды (рис. 3.1), допускающие максимальную токовую нагрузку.
Контактная сварка. К материалам и конструкции электродов
для машин контактной сварки предъявляются особые требования. Они
обусловлены специфическими условиями работы электродов — значи-
тельным нагревом с одновременным сжатием, тепловыми напряже-
ниями, возникающими внутри электрода вследствие неравномерного
нагрева, и др. Стабильность качества сварного соединения зависит от
сохранения формы рабочей поверхности электродов, контактирующих
со свариваемыми деталями. Поэтому электроды должны длительное
время сохранять эту форму, т. е. быть стойкими. Обычно стойкость
электродов точечных машин оценивается по количеству свариваемых
точек в интенсивном режиме, при котором диаметр торца электрода
увеличивается до размеров, требующих его заточки (примерно па
20 %).
Электроды для машин контактной сварки являются сменным рабо-
чим инструментом. Они изготавливаются из медных сплавов, отличаю-
щихся повышенной износоустойчивостью при достаточной высокой
Количество циклов зажигании
Рис. 3.1. Зависимость расхода
вольфрама от количества цик-
лов зажигания дуги:
1 — чистый вольфрам: 2 —лантанн-
рованныА вольфрам: 3 — титрирован-
ный вольфрам.
электрической проводимости. Леги-
рование меди заметно снижает эту
характеристику сплава. Минималь-
ное действие в этом направлении
оказывают кадмий, цинк и хром
(см. рис. 1.3). Поэтому они наряду
с некоторыми другими элементами,
повышающими твердость и износо-
стойкость сплава, применяются для
получения медных сплавов, предна-
значенных для изготовления элек-
тродов. В настоящее время для элек-
тродов точечных машин применяют
особо стойкие материалы (например,
кирит А (55—60 % \У)) с твердостью
225 НВ [244). Однако такой сплав,
получаемый методом порошковой
металлургии, имеет низкую удельна ю
электрическую проводимость (не вы-
ше 45 % электрической проводимости
меди). Невысокой электрической про-
водимостью обладает также сплав
Си — Со — Ве (не более 45 %) с твердостью 180 НВ, который ис-
пользуется для электродов, предназначенных для точечной сварки
титановых сплавов.
При точечной сварке применяют электроды разнообразной формы,
которая зависит от конфигурации свариваемых изделий. Часто ис-
пользуют электроды цилиндрической формы с посадочной частью
в виде конуса с конусностью 1 : 10 (для тУ3 <: 32 мм) и 1 : 5 (для с!э >-
;> 32 мм). В зависимости от усилия сжатия по нормам Международ-
ного института сварки диаметр электрода выбирают исходя из соотно-
шения Р <: 2,5 (Гэ, где Рэ — усилие сжатия электрода, кН. Обычно
пользуются соотношением Рэ = (3 ч- 4)<У”. Конусность 1 : 10 приме-
няют прн <: 1,5 кН; а 1 : 5 — при Рэ > 1,5 кН.
Форма рабочей части электрода выбирается в зависимости от кон-
струкции и материала свариваемых деталей, а также от типа машины.
Основные типы электродов предусмотрены ГОСТ 14111—69. При свар-
ке цветных металлов широко.используются слошные электроды со сфе-
рической рабочей частью и составные электроды. Корпус составного
электрода изготавливается из сплава с высокой электрической про-
водимостью, а съемная рабочая часть электрода — вставка из мате-
риала с особыми свойствами (высокими твердостью, износостойкостью
и др.). Такие электроды применяются в миогоэлектродиых машинах
для точечной сварки. Электроды для шовной (роликовой) сварки пред-
ставляют собой диски из электродного сплава. Форму рабочей поверх-
ности роликов выбирают в зависимости от свариваемого металла, а
также от толщины деталей. Для сварки легких сплавов применяют
ролики со сферической поверхностью. Электроды для рельефной свар-
ки могут быть плоскими и сферическими. Форма электродов (контакт-
ных губок) для стыковой сварки зависит от конфигурации свариваемых
деталей. Для сварки полос, листов, брусков и т. и. обычно применяют
контактные губки с плоской рабочей поверхностью. Круглые детали
(стержни, прутки) сваривают с использованием призматических кон-
тактных губок. Для тонкостенных труб применяют губки с цилиндри-
ческими протцчками, для профильного материала — губки с фигурны-
ми пазами.
Глава 4
ОСОБЕННОСТИ ФИЗИКО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ ПРИ СВАРКЕ ЦВЕТНЫХ
МЕТАЛЛОВ ПЛАВЛЕНИЕМ
4.1. Тепловые процессы при сварке
и закономерности плавления основного
и электродного металлов
Тепловые процессы н свариваемом изделии и электродном
(или присадочном ) металле — результат подвода тепловой энергии от
источников сварочного нагрева, распространения теплоты в металле
изделия и отвода в окружающую среду. Воздействие источников сва-
рочного нагрева на металл определяет характер основных процессов,
сопровождающих образование сварного соединения: плавление основ-
ного и электродного (присадочного) металлов и кристаллизация шва,
фазовые и структурные превращения в разных участках сварного
соединения, возникновение физической и химической неоднородности,
объемные изменения и, как следствие, появление упругопластических
деформаций, внутренних (сварочных) напряжений и др.
Кинетика протекания этих процессов и степень их влияния на
качество сварных соединений и конечные свойства изделий зависят
от физической природы источника нагрева (плотности энергии) пара-
метров процесса сварки и при прочих равных условиях от теплофизиче-
ских свойств свариваемого металла. Вследствие различия теплофизи-
ческих свойств цветных металлов оии по-разному реагируют на тепло-
вое воздействие. Это прежде всего влияет на закономерности плавле-
ния металлов.
При сварке плавлением до жидкого состояния доводятся кромки
соединяемых деталей — основной металл, а при подаче электродной
или присадочной проволоки — основной и дополнительный металл
Плавление осуществляется в зоне сварки — плавильном пространстве.
Расплавленный металл образует общую сварочную ванну, находящую-
ся в состоянии непрерывного движения и перемешивания. Ее объем
(в зависимости от способа сварки) может колебаться от десятков куби-
ческих сантиметров (при ЭШС) до долей миллиметра (при лазерной
сварке). После затвердевания металл ванны образует сварной шов,
поэтому максимальное поперечное сечение ванны практически соответ-
ствует сечению шва. Обычно в сварочной ванне выделяют головную
и хвостовую части (рис. 4.1). В головной части происходит плавление
основного и электродного металлов. Здесь металл нагревается до тем-
пературы, намного превосходящей его температуру плавления. В этом
участке наиболее интенсивно протекает взаимодействие металла с окру-
жающей средой (шлаком и газами). В хвостовой части ванны, наиболь-
шей по размерам, температура близка к температуре плавления основ-
ного металла (см. рис. 4.1).
Часто для приближенной оценки температурных условий взаимо-
действия металла сварочной ванны со шлаком и газами условно опре-
деляют среднюю температуру сварочной ванны. Накоплен некоторый
экспериментальный материал, позволяющий оценить эту температуру
для стали и ряда цветных металлов (алюминий, титан и др.) [193, 262,
164
378). Установлено, что средняя тем-
пература сварочной ванны выше тем-
пературы плавления основного ме-
талла. Так, превышение средней тем-
пературы ванны над точкой плавле-
ния для алюминия составляет 340—
580 °С 1103, 262], для титана — 250 —
380 °С [ 193).
Единого мнения о влиянии ре-
жима дуговой сварки на температуру
ванны нет. Наряду с исследованиями
по сварке стали под флюсом, показы-
вающими, что не существует зако-
номерности в зависимости темпера-
туры ванны от режима [249], опуб-
ликованы данные, позволяющие сде-
лать вывод о том, что такая законо-
Рис. 4.1. Схема строения сва-
рочной ванны и распределения
температуры по ее длине.
мерность наблюдается при аргонолу-
говой сварке стали и алюминия [419[:
прн сварке алюминия плавящимся
электродом током 330 А повышение
скорости сварки в 2 раза (с 9 до
18 м/ч) приводило к увеличению
1,71 кДж/г и ее температуры от
энтальпии ванны от 1,46 до
1050 до 1250 °С. Приближенно сред-
нюю температуру сварочной ванны можно определить также расчет-
ным путем по уравнению В. И, Дятлова [100] с поправкой, предло-
женной И. И. Фруминым:
Т ~ Т -4-
В ПЛ г
ет <Л,Л Тр) 2^пд
(4-1)
где 7’в — средняя температура ваины, °С', Тпл — температура плавле-
ния металла, °С; То — начальная температура, °С; Ст — средняя теп-
лоемкость твердого металла, Дж/(кг • К); гж — средняя теплоемкость
жидкого металла, Дж/(кг - К); <7ПЛ — скрытая теплота плавления
металла, Дж/кг.
В плане сварочная ванна имеет эллипсовидное вытянутое вдоль
направления сварки очертание. Ширина и глубина ванны непрерывно
изменяются по ее длине. В хвостовой части ванны металл охлаждается
и затвердевает, поперечное сечение ее уменьшается. Форма ванны в
этой части определяется формой фронта затвердевания (кристаллиза-
ции). В максимальном поперечном сечении ванны — на стыке головной
и хвостовой частей — глубина и ширина ванны практически совпадают
с глубиной проплавления и шириной шва. При дуговой сварке наи-
более характерной является форма провара, приближающаяся к полу-
окружности; при ЭЛС — клиновидная кинжальная форма. Точно рас-
считать форму и размеры сварочной ванны нельзя. Теоретическое
очертание ванны не совпадает с действительными, так как в расчетах
не учитывается ряд параметров, влияющих на форму ванны (конвек-
тивные потоки в жидком металле, распределение теплового потока по
пятну нагрева, переменные значения теплофизических коэффициентов,
зависящих от температуры, и др.).Расчет позволяет лишь приближенно
оценить длину п ширину сварочной ванны в зависимости от теплофи-
зических свойств основного металла и параметров процесса сварки.
Для наплавки валика на поверхность массивного тела размер сва-
рочной ванны за местом ввода теплоты источником, т. е. основной части
ванны, определяется из уравнения [279)
а
Л = ЫСГпл ’ (4,2)
где Л — длина сварочной ванны, см;
<7 = Мсв^д- (4-3)
Здесь г]и характеризует долю энергии, передаваемой источником на-
грева свариваемому металлу, и зависит от способа и технологии сварки.
Значения эффективного КПД нагрева металла для различных способов
сварки приведены ниже:
Газовая 0,030—0,080
Дуговая
угольной дугой 0,50—0,60
штучными электродами
на постоянном токе 0,75—0,85
под флюсом 0,80—0,90
в среде аргона
плавящимся электродом 0,70—0.80
неплавящимся электро- 0,55—0,65
дом
Электрошлаковая 0,60—0,90
Элек гронно-лученая 0,80—0,95
Поскольку при сварке данного металла X и Тпл — постоянные
величины, приближенную оценку длины сварочной ванны можно
выполнить с использованием упрощенной зависимости [103, 2811
к = к ^дУсп , (4.4)
1000
где к — коэффициент пропорциональности, зависящий от способа
сварки в мощности источника теплоты (табл. 4.1) [103].
Таблица 4.1. Значения коэффициента пропорциональности для
вычисления длины сварочной ванны
Способ сварки *св* А мм/кВт
Штучными электродами 100—300 3,2—5,5
Под флюсом 150—370 3,5—4.8
550—3000 2,4— 3,2
В среде аргона плавящимся электро- 200—300 3,8—4,8
ДОМ
В среде аргона неплавящимся элек- 500 2,85
тродом
Ширина ванны (зоны проплавления) приближенно определяется
из уравнения [279]
В = 0,968 1/----Ч . (4.5)
' ^свТпл
Отношение длины ванны к ее ширине (коэффициент формы ванны)
Ф = Ь/В вычисляется из уравнения [279]
Ф = Л (4.6)
где А — постоянный коэффициент для данного металла,
,4 = 11/^Е. (47)
4у V 2хТпл
Глубина проплавления приближенно определяется выражением
д
Н = 4лА7'плф • (4-8)
Расчеты термических циклов для участков, находящихся вблизи источ-
ника, например, нагревающихся до Т = Тпл, не совпадают с экспери,
ментальными данными, особенно для металлов с относительно боль-
шой скрытой теплотой плавления (алюминий и др.). Расчеты уточняют
путем введения поправочных коэффициентов, которые определяют
при сопоставлении расчетной длины сварочной ванны 7. и ее ширины
В с экспериментально найденными 7.' и В';
1 В
(4.9)
где ти п — поправочные коэффициенты. Их численные значения
зависят от величины погонной энергии <?/о. Для алюминия /п =
= (0,0023<7/о) ,+ 0,6; п = (0,00205г;/о) + 0,8 [279].
Предложен ряд зависимостей, позволяющих определить параметры
луча для получения заданной глубины проплавления при ЭЛС. Одно
нз таких эмпирических соотношений приближенно связывает глубину
проплавления с мощностью луча и теплофизическими свойствами сва-
риваемого металла [222);
Р = 0,38. 10’3____пл св- /г1-9, (4.10)
св > 0.9 1 '
где Рсв — эффективная мощность луча, кВт. Более достоверными яв-
ляются значения полученные нз зависимости, которая учитывает
также диаметр фокального пятна [467]:
+ ] + 1>2.|о-«л /' ,.ср + ।
. \а Е 2 /
(4.Н)
где т/р — диаметр фокального пятна, см; Нпл — энтальпия плавле-
ния металла, Дж моль-1.
К числу важных характеристик сварочного процесса относятся
объем сварочной ванны и время пребывания металла в расплавленном
состоянии. В случае быстродвижущегося источника теплоты В. И. Дят-
лов получил следующее уравнение для объема сварочной ванны [100]:
И =----------------
в 8лЛсТо(:в7’2л ’
(4-12)
где Ув — объем ванны, см3.
Для этого источника найдено расчетное выражение для определе-
ния средней длительности пребывания металла в сварочной ванне
в жидком состоянии:
!___________!1У д _ ит д
в“ 8пХсуоев7’2л т)и 8пХоосв7’2л т]и ’
(4-13)
где Ну — удельная энтальпия единицы объема расплавленного метал-
ла, включая скрытую теплоту плавления; Нт — удельная энтальпия
единицы массы расплавленного металла; т]и зависит от характеристик
источника теплоты. Для дуговой сварки т]н = 0,25 0,40; для газовой
сварки т]н — 0,02 4- 0.08 [279].
Время пребывания металла в сварочной ванне в жидком состоянии
можно определить также из зависимости
(4.14)
св
Плавление электрода происходит главным образом за счет тепло-
вой энергии дуги. Количество теплоты, вводимой в электродную про-
волоку дугой за единицу времени, определяется из выражения
4.в/свУд’1э- (4-15)
Для дуговой сварки г)э = 0,20 4- 0,40 [350]. При достаточно высо-
кой плотности сварочного тока плавящийся электрод на вылете допол-
нительно нагревается теплотой, выделяющейся при протекании тока.
В ряде случаев, особенно для химически активных металлов (например,
титана), очень важно установить оптимальные условия плавления
проволоки, исключающие перегрев электрода на вылете. Для устано-
вившегося процесса автоматической сварки плавящимся электродом
(в защитных газах или под флюсом) приближенную зависимость темпе-
ратуры подогрева электрода на вылете от сварочного тока находят из
уравнения [279]
Тп = е——^, (4.16)
“э
де Тп— температура подогрева электрода вследствие тепловыделе.
ния от протекающего в нем тока, °С; И — величина, зависящая от ре-
жима сварки и. теплофизических характеристик электродной прово-
локи,
864 р а Ц
. (4.17)
сар
Здесь рср— усредненное значение удельного электрического сопротив-
ления электродной проволоки, Ом • см; I — длина вылета прово-
локи, см.
Пример. Определить величину вылета электродной проволоки
из титана ВТ1-00 диаметром 3 мм при автоматической сварке под флю-
сом (/св = 400 А, (7Д = 34 В, ар — 15,6 г/ (А • ч)), при которой темпе-
ратура проволоки на вылете не превысит 400 °С. Для титана
аэ = 3 • 10"3 град-1 [371); рср = 61 • 10“' Ом • см [385); с —
400-4 400-4
= 0,522 Дж/(г • град): / ~ = 3 0 = 5660 А/см2. Из
(4.16) находим ей = + 1, = 3 • ’ю-3 -400 + 1 = 2.20, °™У-
да О = 0,79. Из (4. 17) получаем / =-----Е_ = 1,72 см. Длина вы-
лй2
лета 17—18 мм обеспечивает устойчивый процесс сварки титана под
флюсом, исключает загрязнение проволоки примесями-газами (в свя-
зи с ограничением температуры нагрева) и является оптимальной при
сварке электродной проволокой из сплава ВТ1-00 диаметром 3 мм
[74].
При расчете мощности <?э, выделяемой на вылете электрода при про-
хождении тока и расходуемой на нагрев и плавление проволоки, поль-
зуются уравнением, предложенным Б. Е. Патоном [237]:
п _ .-2П „.2 ап (е-ре-1
1 Ролгэ ттй (е
__«э (Т’пл Л,)
Р1
(4.18)
где ро — удельное электросопротивление' электродной проволоки при
0 °С, Ом • см; г3 — радиус проволоки, см;
Р1(2 = -^±/Д—а₽. (4-20)
4а2
Удлиняя вылет электрода, можно повысить производительность сварки
(этот способ известен как /2Д-нагрев). Однако роль нагрева электрода
на вылете для металлов, обладающих повышенной электрической про-
водимостью (медь, алюминий), незначительна.
Основная характеристика плавления электрода — линейная или
массовая скорость плавления, измеряемая длиной или массой расплав-
ленного электрода в единицу времени. Скорость плавления зависит от
многих факторов: состава электродной проволоки, покрытия, флюса,
защитного газа, плотности и полярности тока, вылета электрода,
режимов сварки и др. [350]. На практике пользуются следующими
характеристиками: средняя массовая скорость плавления электрода
Ср и средняя массовая скорость наплавки Сн. определяемыми из выра-
жений
(4-21)
он = *ан/св, (4.22)
где к — коэффициент, зависящий от выбора единиц измерений. Раз-
ница между ар и ан определяется потерями электродного металла в
процессе сварки на разбрызгивание, испарение и т. п. Коэффициент
потерь фп вычисляется по формуле
ав—• ан
Фп = ----Ю0 %. (4.23)
О
При дуговой сварке открытой дугой коэффициент потерь может дости-
гать 15 % [243]. Минимальное значение (1—3 %) он имеет прн свирке
под флюсом [350]. Значения ар можно определить, исходя из энергети-
ческих характеристик, с учетом энтальпий металла и электродного
стержня [280]:
864т)^д
- /7К-/7СТ
р
(4.24)
где Нк — энтальпия металла капель, Дж/г; НС1 — энтальпия элек-
тродного стержня при начальной температуре, Лж/г.
Коэффициент наплавки при ручной дуговой сварке цветных метал-
лов покрытыми электродами может быть достаточно высоким. Так,
при сварке алюминия он достигает 20 г/(А -ч) [142], а при сварке меди
высокопроизводительными электродами марки АНЦ-1 и АНЦ-2 —
24 г/(А • ч) [118]
Значительное влияние на формирование сварного шва и кинетику
процессов взаимодействия металла со шлаком и газами оказывает
характер переноса электродного металла [243.350]. К основным пока-
зателям, характеризующим этот перенос через дуговой промежуток,
относятся доля капли, оставшейся на торце электрода |т, и доля ото-
рвавшейся части капли /к:
1‘ = т0/тк-, 1К = шп/щк,
(4.25)
где тк — масса капли на конце электрода перед переходом, г; тп —
масса остающейся на конце электрода капли, г; тп — масса переходя-
щей части капли, г; ц = 0,1 -4- 0,9 [239].
Полнота протекания реакций между металлом капли и окружаю-
щей средой зависит от удельной поверхности капли (отношение площади
поверхности капли к ее массе) и времени взаимодействия, При устано-
вившемся процессе сварки в момент перед очередным переходом
тк = "'о + тп- (4-26)
Средняя масса капли жидкого металла щср, существующей на конце
электрода в течение времени I, определяется выражением
"’н
тср = "'о + -у • (4-27)
Для оценки взаимодействия электродного металла с окружающей сре-
дой в процессе переноса принимают усредненный промежуток времени
/то 1 \
'ср=(шп+г)'- <4-28)
то
Выражение /ср в уравнении (4.28) показывает, в течение какого
промежутка времени произойдет обновление металла, остающегося на
электроде, а <ср/2 представляет собой усредненное время существова-
ния переходящей капли с массой тп. Для мелкокапельного переноса,
когда /ср чрезвычайно мало, величиной <ср/2 можно пренебречь. Тогда
С учетом (4.25) имеем
с₽
(4.30)
Перенос электродного металла в сварочную ванну осуществляется
под действием различных сил. Наибольшее влияние оказывают сила
тяжести, сила поверхностного натяжения, удерживающая каплю
на конце электрода, и электромагнитные силы; действуют также газо-
вые потоки (аэродинамические силы), образующиеся в столбе туги.
В качестве примера ниже приведен баланс сил (%), действующий иа
каплю при сварке алюминиевой проволокой диаметром 1,6 мм в арго-
не, /св = 147 -? 243 А [249, 417]:
Сила тяжести 1,5—2,5
Электромагнитная сила 40—46
Аэродинамическая сила 52—58
Сила поверхностного натяже-
ния, удерживающая каплю на
торце электрода 100
Для оценки силы поверхностного натяжения Рп н используют
выражение [238]
\ V /
где Ткр — критическая температура для данного металла, К, 7^ =
□
= —Т ; Т — температура расплавленного металла в данный момент
2 КИП
времени, К; М — молекулярная масса металла, г • моль.
Соотношение сил, действующих па каплю, определяет ее массу,
а скорость плавления электрода — частоту перехода капли в свароч-
ную ванну. Йа величину этих сил влияет ряд факторов, из которых
главными являются сварочный ток, диаметр электрода, состав шлако-
вой и газовой фаз и др.
При сварке цветных металлов различают три основных типа пере-
носа: крупнокапельиый, мелкокапельный и струйный. Тип переноса
зависит от состава покрытия или флюса, рода тока и полярности, ре-
жима сварки и др. Наиболее благоприятным сточки зрения формирова-
ния шва является струйный перенос. Он отличается главным образом
большой частотой упорядоченного отрыва и следования через дуговой
промежуток чрезвычайно мелких капель электродного металла, создаю-
щих видимость сплошной струи. Такой перенос наиболее характерен
для сварки в защитных газах. Аналогичный перепое мелких капель
в виде непрерывной струи обнаружен также при сварке покрытыми
электродами и под флюсом [249].
При малых диаметрах электрода и больших плотностях тока повы-
шение сварочного тока приводит к измельчению капель, так как с уве-
личением тока значительно возрастают электромагнитные силы, а
вследствие роста температуры капель уменьшается поверхностное на-
тяжение. При достижении критического тока происходит качественное
изменение характера переноса — он становится струйным (рис. 4.2)
[418]. Дальнейшее увеличение тока практически ие влияет на размер
капель.
Величина критического тока зависит от физико-химических и
теплофизических свойств свариваемого металла, защитного газа, по-
лярности и других факторов. При прочих равных условиях она воз-
растает с увеличением диаметра электрода (уменьшается плотность
тока) и уменьшается с удлинением его вылета. На прямой полярности
критический ток выше, чем на обратной [242]. Значительное увеличе-
ние критического тока имеет место при замене аргона гелием. Вели-
чина критического тока может быть определена из выражения [242]
7кр = (4.32)
где к — коэффициент, определяемый экспериментально.
Эффективным средством управления характером процесса пере-
носа является импульсный ток [350]. Поэтому импульсная сварка
плавящимся электродом все шире применяется для цветных металлов
(алюминий, титан и др.).
Взаимодействие расплавленного металла с окружающей средой
при сварке плавлением протекает не только в сварочной вание, но
и при прохождении капель электродного металла через дуговой проме-
жуток. Для оценки характера и полноты химических реакций между
каплями, газом и шлаком необходимо знать температуру капель Из-
вестно, что их средняя температура всегда выше средней температуры
металла в сварочной ванне [245, 249]. На основании работ [158, 419]
можно полагать, что энтальпия капель при сварке алюминия в аргоне
на 30—40 % превышает энтальпию сварочной ванны. При сварке
в инертных газах температура капель и их энтальпия с увеличением
тока непрерывно возрастают (рис. 4.3).
Распространение теплоты в изделии при сварке происходит по за-
конам теплопроводности и в значительной степени определяется тепло-
физическими свойствами металла, а также формой и размером изде-
лия. Вследствие теплопроводности металла и теплообмена на поверх-
Рис. 4.2. Влияние сварочного тока на характеристики процесса переноса
электродного металла при аргонодуговой сварке алюминиевой проволо-
кой диаметром 1,6 мм на токе обратной полярности;
1 — объем капли; 2— частота переноса.
Рис. 4.3. Зависимость энтальпии капель от сварочного тока при аргоно-
дуговой сварке:
1 — 1 “10 -т-12 мм; 2, 3 — I —10 -4- 15 мм. 1,2 — сварка алюминия проволокой диа-
метром 1,6 мм; 3 — сварка меди проволокой диаметром 2,4 мм.
Рис. 4.4. Зависимость эффективного КПД нагрева изделия от толщины
металла при ЭШС.
Рис. 4.5. Зависимость эффективного КПД нагрева изделия от тока в
электронном пучке при ЭЛС (4/ус = 20 кВ).
иости теплота отводится от объема, подвергающегося нагреву до мак-
симальной температуры. Это приводит к замедлению местного нагрева
и снижению его эффективности. Для управления сварочными процес-
сами во многих случаях необходимо знать, как распределяется теплота
по объему металла и его поверхности, как изменяется температура
металла во времени и т. д. Ответы на эти вопросы дают расчеты, основан-
ные на фундаментальной теории тепловых процессов при сварке, кото-
рая разработана Н. Н. Рыкалиным.
Точный учет конфигурации изделия и истинного характера рас-
пределения теплоты источника нагрева чрезвычайно усложняет расчет
тепловых процессов. Поэтому при расчетах схематизируют распреде-
ление теплового потока источника. Чаще всего для упрощения прини-
мают, что теплота источника сосредоточена в элементарном объеме:
в точке (точечный источник), по отрезку прямой (линейный источник)
или по участку плоскости (плоский источник). Расчеты, основанные на
таких упрощениях, позволяют получать с достаточной для практики
точностью температурные поля в свариваемом изделии — распределе-
ние температур в теле в данный момент времени. Для получения более
точных результатов необходимо учитывать распределения темпера-
туры в источнике теплоты, описываемые соответствующими законами
[229, 290], что значительно усложняет расчеты и во многих случаях
делает их невыполнимыми.
Большое значение для достоверности тепловых расчетов при
сварке плавлением имеет правильный выбор т)и. Значение этого коэф-
фициента зависит прежде всего от способа сварки, т. е. использован-
ного источника нагрева (см. табл. 4.1). Но величина т)и не постоянна
Н в пределах одного способа сварки. Она зависит от угла наклона го-
релки (при газовой сварке), толщины металла, его теплофизических
свойств При дуговой сварке оиа возрастает с увеличением толщины
металла, уменьшением длины дуги (особенно в случае погруженной
дуги). Для оценки т]и при сварке в защитных газах следует учитывать
расход газа и потери теплоты в сварочной горелке, зависящие от ее
конструкции и интенсивности охлаждения. Существенное влияние
на значение т)и оказывают свойства защитного газа (например, при
сварке в азоте т)н больше, чем при сварке в аргоне [103]). При сварке
под флюсом значение т]и может колебаться в связи с изменением на-
Таблица 4.2. Тепловая характеристика ацетнлеио-кислородиого пламени
Номер наконечника Расход ацетилена, л/ч д, Вт ги
1 150 1670 0,72
2 250 2500 0,68
3 400 3140 0,51
4 600 4000 0,44
5 1000 5230 0,36
6 1700 7300 0,30
7 2600 9400 0.25
пряжения дуги (величиной дугового промежутка): с удлинением дуги
возрастают тепловые потери и т]|( снижается. При ЭШС т]и увеличи-
вается при переходе от плит толщиной 50 мм к плитам толщиной 400 мм
(рис. 4.4). При ЭЛС повышение тока в электронном пучке приводит
к возрастанию т]и (рис. 4.5) [103],
В расчетах тепловых сварочных процессов помимо указанных
выше принимаются такие допущения: простейшая форма тела (беско-
нечное тело, полубесконечное тело, бесконечная пластина, полубес-
копечная пластина, плоский слой, бесконечные и полубесконечные
стержни и др.); теплофизическне коэффициенты, не зависящие от тем-
пературы.
Расчетные схемы процесса распространения теплоты рассматрива-
ются обычно для трех его стадий [279, 280, 343]: теплонасыщение,
когда температура в поле, перемещающемся вместе с источником тепло-
ты, продолжает нарастать; предельное квазистационарное состояние,
когда подвижное поле практически устанавливается; выравнивание
температуры по окончании сварки. Наиболее часто необходимо опреде-
лять уравнения процесса распространения теплоты от движущихся
непрерывно действующих сосредоточенных источников постоянной
мощности по схемам, приведенным на рис. 4.6.
Тепловые процессы при наплавке валика на массивное изделие
описываются схемой распространения теплоты от точечного источника
теплоты эффективной мощностью д, Вт, перемещающегося на поверх-
ности полубесконечного тела со скоростью осв, см/с (рис. 4.6, а). Тем-
пература предельного состояния процесса определяется соотношением
[279]
ееи (*+/<)
Т (Н, х)= 4^? р е , (4.33)
где /?, х (или у, г) — координаты точки, для которой рассчитывается
температура, /?2 = х2 + у- + г2; а= Х/су
Температура предельного состояния при наплавке валика на
массивное изделие мощной быстродвижущенся дугой вычисляется по
формуле [279]
"о+го
-г_____? ~ ' (4.34)
2лХс’св^
где I = х/вса — время, прошедшее после пересечения дугой плоскости,
в которой расположена рассматриваемая точка поля.
Рис. 4 6. Расчетные схемы процесса распространения теплоты при дви-
жении непрерывно действующего источника нагрева со скоростью осв:
а — точечного на поверхности полубесконечного тела: б—линейного в бесконеч-
ной тонкой пластине толщиной Ь: в — плоского в бесконечном стержне: О0 —
исходная точка начала движения источника нагрева; О — начало координат по-
движной системы; А — точка, в которой определяется температура; Я — расстоя-
ние точки .4 от начала координат подвижной системы; х, у. г—координаты
точки А.
Распространение теплоты прн дуговой однопроходной сварке лис-
тов встык можно описать схемой перемещения линейного источника
теплоты по бесконечной пластине с теплоотдачей по поверхностям
и полным выравниванием температуры по толщине (рнс. 4.6, б) При
этом температура предельного состояния процесса при нагреве плас-
тины определяется по формуле 1279]
д
Т =—ь .лт-г—, е <а‘. (4.35)
освЬ У 4лЛсу/ 1
Длительность наступления квазисташюнарного состояния темпера-
турного поля (период теплонасышення) зависит от параметров режима
сварки, расстояния рассматриваемой точки от источника нагрева и
интенсивности отвода теплоты от него. Период теплонасьпцения сокра-
щается с уменьшением расстояния от источника нагрева, с ростом
скорости сварки, интенсивности отдачи теплоты в окружающую среду
и увеличением массивности изделия Значительное влияние на тем-
пературное поле оказывают теплофизические свойства металла
(рис. 4.7) [279, 399). Наиболее заметно влияет теплопроводность ме-
таллов. Повышение теплопроводности при прочих равных условиях
примерно соответствует случаю одновременного уменьшения мощности
источника и скорости сварки при постоянной погонной энергии. Изо-
термы значительно укорачиваются по длине и несколько сужаются по
ширине. При увеличении теплоемкости металла изотермы укорачива-
ются и сужаются. Конфигурация температурного ноля в значительной
степени определяется эффективной мощностью источника нагрева
и параметрами процесса [190|. При постоянной эффективной мощности
изотермы, соответствующие определенным температурам, уменьша-
ются по длине и ширине примерно пропорционально скорости сварки.
С возрастанием эффективной мощности источника области, нагретые
выше определенной температуры, увеличиваются быстрее по длине,
чем по ширине, Одиако увеличение по ширине опережает рост д. Одно-
временное увеличение <? и осв при постоянной погонной энергии приво-
дит в основном к увеличению длины изотерм. Ширина изотерм также
увеличивается, но стремится к определенному пределу.
Рис. 4.7. Температурные поля предельного состояния при сварке металла
с разными теплофизическими свойствами
(Ь = 1 см; сси — 0,2 см/с; а = 4200 Вт) [343]:
а —титан технический; б — сталь малоуглеродистая; в —алюминий; а —сталь
хромоникелевая; д — медь.
Для оценки термического влияния на свариваемый металл часто
приходится определять размеры зоны, нагревающейся выше задаивой
температуры. Расчеты, выполненные с использованием выводов теории
распространения теплоты при сварке, позволяют устанавливать зави-
симости размера такой зоны от параметров процесса сварки и теплофи-
зических свойств основного металла [343].
По мере продвижения температурного поля вдоль стыка цикли-
чески изменяется температура различных его точек во времени. Тер-
мические циклы точек, расположенных на различных расстояниях от
оси движения источника, различны, а расположенных на равном рас-
стоянии от оси движения — одинаковы, но смещены во времени. В бо-
лее удаленных точках температура повышается медленнее и, следова-
тельно, позже достигает максимальных значений. Поэтому циклы раз-
ных точек отличаются как стадией нагрева, так и стадией охлаждения.
Основные параметры термического цикла в данной точке — максималь-
ная температура нагрева Ттах, мгновенная скорость охлаждения и>0,
длительность пребывания металла выше заданной температуры <и.
Эти параметры зависят от теплофизических свойств свариваемого
металла, способа и режимов сварки, конфигурации изделия, условий
охлаждения и др. В качестве примера иа рис. 4.8 [193] представлены
термические циклы в точках, расположенных в зоне термического
влияния при сварке титанового сплава толщиной 2—4 мм. Сварка
осуществлялась за одни проход двумя способами: неплавящимся
электродом в аргоне и плавящимся электродом под флюсом АНТ-1.
Применяли четыре режима сварки, отличающиеся затратами погонной
энергии при сварке:
Номер режима 12 3 4
<7/псв, кДж 1,25 4,43 7,98 12,54
Термические циклы, определенные по этим данным методом расче-
та, свидетельствуют о том, что скорость охлаждения титана в зоне тер-
мического влияния может изменяться в широких пределах. В интерва-
ле температур р -> а-превращения (950—600 °С) скорость охлаждения
изменяется от нескольких до десятков градусов в секунду в зависи-
мости от режима сварки и толщины металла Время пребывания около-
шовных участков ЗТВ в области высоких температур (область высоко-
температурной Р-фазы) особенно возрастает при погонной энергии
более 8 кДж/см.
Для оценки основных параметров термического цикла точек
ЗТВ широко используют расчетные методы теории тепловых процессов
при сварке. Для массивного тела при наплавке валика максимальные
температуры в околошовиой зоне иа расстоянии г = Г4?2 + </2 от оси
шва приближенно можно оценить, используя зависимость (343)
„ 0,368 2?
^тах — То + пг2су Усв ’ <4,36)
где То — начальная температура тела, °С.
Мгновенная скорость охлаждения в точке околошовиой
ходящейся при температуре Т,
2лА (Т — То)2
“’° “ ‘ГА’св
зоны, на-
(4-37)
Длительность нагрева ется выражением металла выше заданной температуры определи- (4.38) М' тах~ Го>
где /3 — коэффициент, который выбирается по номограмме (рис. 4.9)
Т__т
(280) в зависимости от безразмерного параметра 0 = ,=------у- •
' тах ' о
При сварке листов встык за один проход или наплавке валика на
лист небольшой толщины максимальная температура в точке около-
шовного участка зоны термического влияния, удаленной от центра
шва на расстояние у, приближенно оценивается по зависимости
В этом
т -т > ^св + °.47«Л ау*\
та’ оФ Ъ^Гу 1 М]'
случае
_2ЯМ(Гпмх-7’0)2 .
-------------------
1°св6/
(4.39)
(4.40)
(4.41)
{ д \2
1,-/2 ^(Ттп-т^
где коэффициент определяется аналогично по номограмме.
>,0-
0,9
О
-4
0,05
:.-о,б-
0,20
У-0,20
У-0,25
10,25
I
0,5-0,30
0,30
°'30 --- ОзЯ
-:-:°^-\о,5о
0,35-
0,30'
0,50-
-/7,5
0,60 л
0,70 :
0,80--
0,90-’
7,00 :
7,50 '-
0,2-
; 0,60
: 0,80 |
6,90
7,00
7,50
2,0
\-3,0
\3,0
1,70 \-0,1
5
Рис. 4.8. Термические циклы в околошовпой зоне титанового сплава ОТ4:
а — участок перегрева (крупного аерпа) (/— «/о-1,25 кДж/см; 2 — 4.43 кДж/см;
3 — 7,98 кДж/см; 4 — 12,54 кДж/см); б — на разных участках зоны при <?/: =
—4.43 кДж/см (/ — участок крупного зерна; 2 —участок полной перекристаллиза-
ции; 3 — граница между зоной и основным металлом).
Рис. 4.9. Номограмма для расчета длительности нагрева металла выше
заданной температуры:
а — При наплавке валика нв массивное тело; б — при однопроходной сварке встык.
Пример I. Определить, во сколько раз замедлится мгновенная
скорость охлаждения точки, расположенной у зоны сплавления, при
наплавке валика на массивное изделие из меди и алюминия при тем-
пературе предварительного подогрева 300 °С; = 20 °С.
Из уравнения (4.37) для равных условий сварки получаем
^0 _ <Лгт - 2°)2
и’зоо (Т'пл 300)2
для меди (Тпл = 1083 "С (см. табл. 1.1))
_ (1083-20)» _
№300 -(Ю83 — 300)2 ~ 1,Ь>
для алюминия (Тпл = 660 °С (см табл. 1.1))
^20 _ (660 - 20)2 _
^300 - (660 - 300)2 -
Таким образом, при предварительном подогреве до 300 °С процесс
охлаждения на металлах с высокой теплопроводностью замедляется
примерно в 2—3 раза.
Пример 2. Определить длину насадки к горелке, обеспечивающей
защиту охлаждающегося шва и основного металла вплоть до темпера-
туры 400 °С, при сварке в среде аргона стыкового соединения из плас-
тин титана ВТ1-0 толщиной 2 мм на массивной медной подкладке.
В данном случае приближенно принимаем схему расчета распро-
странения теплоты, соответствующую нагреву точечным источником
полубесконечного тела. Для точек, лежащих на оси шва позади движу-
щегося источника, /? = —х. Из (4.33) находим
"Св (х— х)
1 (*> - 2пХ/? е - 2лХй •
Режим сварки: /са = 120 А; (7Д = 11 В; осв = 0,6 см/с; т]и =
о
= 0,6; X = 0,15 Дж/(см • с • град); = 794 Дж/с; /? = 2П^Т =
794
= 2—з [4 .д' 15 7'400 = 2' мм; ширина насадки В = 2/? = 42 мм.
Длину насадки определим по времени охлаждения (I = 12 с) шва
до 400 °С [399] из выражения
/и = ^св-/?< (4-42)
гле-( — время охлаждения шва до заданной температуры, с; /? — ра-
диус сопла горелки, мм; 1а = 12 • 6 — 21 = 51 мм.
Пример 3. К массивному изделию из сплава ВТ14 приваривают
два фланца: большой — под флюсом и малый — вольфрамовым элект-
родом в аргоне. Сравним максимальные скорости охлаждения в около-
шовной зоне при температуре 0 -► а-превращения (960 °С [611) и время
пребывания участков металла вблизи зоны сплавления выше этой тем-
пературы. Для сплава ВТ14 X = 0,084 Дж/(см • с • град [61]. Режим
сварки: 1) под флюсом — /св = 600 А; 6/д = 32 В; псв = 1,4 см/с;
г]н = 0,8; 2) вольфрамовым электродом в аргоне — /св = 150 А;
{/ = 12 В; осв = 0,6 см/с; т]н = 0,6. Принимаем для расчета ю,,
уравнение (4.37), для (н — уравнение (4.38).
1. Сварка под флюсом
? = 16 кДж/с; = 1® = 11,43 кДж/см;
исв 1,4
2 • 3,11 • 0.084 (960 —20)2
=----------ГТ43О---------= 40,8 гРад/с:
11430
1н = 0,084(960—20) ~ ’ 145:
0 =
960 — 20
1668 — 20 - 0,57
(Т = 960 °С; То = 20 °С; 7тах = 1668 °С). По номограмме (см. рис.4.9)
для 0 = 0,57 /з = 0,26; /н = 0,26 • 145 = 37,7 с.
2. Сварка неплавящимся электродом
о 1,08
9=1,08 кДж/с; — = -р-р- = 1,797 кДж/с;
(2 — 3,14.0,084) (960 — 20)2
ОУо = ----------(797---------= 259,4 град/с;
Ю80
= 0.084 (960—20) = ^з • I3-67 = °-26 • 13,67 = 3,55 с.
Таким образом, расчеты показывают, что при принятых условиях
сварки скорость охлаждения околошовиой зоны при сварке в среде
аргона более чем в 6 раз превышает скорость охлаждения при сварке
под флюсом Время пребывания околошовиой зоны выше температур
а -> 0-превращення при сварке под флюсом превосходит такой же па-
раметр для сварки в среде аргона примерно в 10 раз.
Пример 4. Произвести сравнительную оценку термических цик-
лов в околошовиой зоне титана и стали.
Принимаем наиболее простой вариант расчета — наплавка валика
на толстый лист. В этом случае мгновенная скорость охлаждения
вычисляется из уравнения (4.37) При одинаковых условиях сварки,
т. е. при равных значениях соотношение скоростей охлаждения
для стали и титана определяется из выражения
^СТ-Чт^СТ-^о)2
?-т (7'т — 7’0)2 ’
где Х.ст = 0,42 Дж/(см с град) [371]; Хт = 0,15 Дж/(см • с град)
(см. табл 1.1)
Найдем соотношение скоростей охлаждения для двух температур:
близкой к солидусу, т. е. для участка околошовиой зоны, где мгновен-
ные скорости охлаждения максимальны: вблизи точки мартенситного
превращения. Так как в околошовиой зоне титановых сплавов происхо-
дят мартенситные превращения, представляет интерес произвести та-
кое сравнение с легированной сталью, для которой кинетика превра-
щения может быть также мартенситной. Температура плавления стали
1500 °С, титана 1668 °С. Принимаем Тп = 20 °С. Тогда
и>„ 0,42 • 14802 „
-81 = ---------- = 2,258.
и>т 0,15 - 16482
Принимая для легированной стали температуру начала мартенситного
превращения, примерно равную 500 °С, и такую же температуру для
сплава титана [182], получаем
№ст_ 0,42-4802_28
аут 0,15 • 4802
Таким образом, скорость охлаждения тита-
на в участках ЗТВ, прилегающих к зоне
сплавления, при равных условиях при-
близительно в 2—3 раза меньше, чем ста-
ли. Расчеты показывают, что для титана
по сравнению со сталью примерно во
столько же раз увеличивается длитель-
ность пребывания металла вблизи зоны
сплавления в области высокой температуры
(800—900 °С) [74].
При нагреве металла газовым пламе-
нем температура в разных его точках
определяется из следующих уравнений
[280, 2931:
при нагреве листов малых толщин
Рис. 4.10. Зависимость
отношения поглощаемой
мощности к мощности
луча, падающего на из-
делие, от порядкового но-
мера свариваемого ме-
талла в таблице периоди-
ческой системы элемен-
тов (для энергии элек-
тронов 10—100 кэВ).
—-----------Ы
X [4лХсу (/ + /0)] 2 е *а(‘ + (4.43)
при нагреве поверхности массивного
тела мощным быстродвижущимся пламенем
<?
Т{у’ г< 4лосвХ//(/ + /„)
_г*_________у‘
е 4а1 - 4а/(/„+/)
(4.44)
где ( — время, отсчитываемое от момента, когда центр пламени пересек
рассматриваемую плоскость, с.
При ЭЛС температура металла на расстоянии х от сварного шва
ко времени I определяется из зависимости [467]
Т _____у ___ ^л^ус^п ___________/ х8
<*•'> ° освУ4лЛСе/" ₽ Ы’ <445)
где Т]Л — отношение полной мощности луча к поглощенной,
К*
К в'
(4.46)
Здесь Мд — количество отраженных электронов; Мв —общее количе-
ство электронов в пучке при его вертикальном положении; отношение
Мд/Мв зависит от порядкового номера г свариваемого металла
(рис. 4.10) [467]. Время охлаждения до комнатной температуры уча-
стков металла, расположенных по оси шва, находится из выражения
[467]
Ь2 4л7.<?с (Т—Т0)2 '
(4.47)
"Ил ^ус^п
Где Рт = -----— _ энергия, приходящаяся на единицу длины
усв
шва, Дж.
4.2. Кристаллизация металла шва
и строение околошовиой зоны
Кристаллизация металла шва происходит в условиях,
отличающихся от условий затвердевания слитка в изложницах или
отливки в форме. К особенностям условий кристаллизации относятся
воздействие на ванну жидкого металла непрерывно перемещающегося
источника теплоты; влияние участков основного металла на Гранине
ванны высокого градиента температур при значительном перегреве
металла в центральной части ванны; малый объем ванны; высокая ско-
рость роста кристаллитов; ограниченное количество центров кристал-
лизации в виде подплавляющихся зерен основного металла на границе
сплавления и др.
Скорость роста кристаллитов неодинакова по сечению шва: оиа
минимальна у границы сплавления и увеличивается по направлению
к центру ваниы, приближаясь к максимальному значению скорости
перемещения источника роста кристаллитов Определяется она по
формуле [393]
-к='свсоза’ <4-48)
де а — угол между направлением роста кристаллитов и направлением
перемещения источника в определенный момент кристаллизации.
Истинная скорость кристаллизации участков, расположенных на
одной изотерме, связана с теплофизическими свойствами металла и
параметрами процесса сварки следующей зависимостью [331]:
V а11п ЗлА.ссв/Ткр
где Тк?—температура кристаллизации, °С; /— время существования
рассматриваемого объема металла в расплавленном состоянии, с.
Для приближенных расчетов значений ок принимают среднюю дли-
тельность пребывания жидкого металла в сварочной ванне /в, опреде-
ляемую, например, по формуле (4.13).
При дуговой сварке средние значения находятся в пределах
0,1—0,4 см/с. Максимальные значения ов вблизи центра ванны могут
быть выше 1 см/с.
Кристаллизация металла сварочной ванны носит прерывистый ха-
рактер. Периоды ускоренного роста кристаллитов чередуются с замед-
лением роста или остановками. Периодические остановки происходят
в результате прекращения понижения температуры из-за выделения
екрытой теплоты плавления. Прерывистая кристаллизация определяет
слоистое строение металла шва (рис. 4.11). Толщина слоя обычно не
превышает десятых долей миллиметра. На слоистое и чешуйчатое
строение шва влияет также волнообразное поступление металла при
дуговой сварке. Слоистость не нарушает направления и характера
кристаллизации, так как сохраняется кристаллографическая ориенти-
ровка. Слоистое строение проявляется особенно четко при сварке пла-
вящимся электродом в связи с капельным переносом металла.
При затвердевании расплава для металла шва обычно характерна
дендритная кристаллизация (первичная кристаллизация), завершаю-
щаяся вследствие специфических условий охлаждения образованием
столбчатой, так называемой первичной структуры. Столбчаше кристал-
литы растут перпендикулярно к поверхности охлаждения — криволи-
нейной границе сплавления, в направлении, обратном отводу теплоты,
в глубь сварочной ванны. Размеры столбчатых кристаллитов, измеряю
птнеся при дуговой сварке в достаточно широких пределах, их форма
и характер разветвлений зависят от способа и параметров режимов
сварки, условий теплоотвода (предварительный подогрев, теплоотво-
дящие планки и др.). Увеличение длительности пребывания сварочной
ванны в жидком состоянии в области высоких температур приводит
к укрупнению столбчатых кристаллитов. Так как дендриты металла
шва начинают расти от зерен основного металла на границе сплавле-
ния, размер кристаллитов зависит и от величины этих зерен. Поэтому
предварительное измельчение зерен основного металла (термическая
обработка, горячая обработка давлением) способствует некоторому
уменьшению размеров кристаллитов шва. Определенное влияние ня
процессы кристаллизации оказывают физико-химические свойства
свариваемого металла, в частности силы кристаллической сязи
[343].
С увеличением размеров сварочной ванны резче проявляется
разница в скоростях кристаллизации в централтпой части сварочной
ванны и ее периферийных слоях у зоны сплавления. В центральной
части ванны, где скорость кристаллизации максимальна, возникают
участки со структурой, близкой к равноосной.
Кристаллизация расплавленного металла сварочной ванны сопро-
вождается возникновением химической, физической и структурной
неоднородности. Химическая неоднородность может быть макро- и
микроскопической. Первый вид неоднородности связан с колебаниями
в химическом составе шва, которые связаны с различием состава
электродной (или присадочной) проволоки и основного металла, а
также с наличием во флюсе, электродном покрытии, защитном газе
элементов, отсутствующих в свариваемом металле. Микрохимическая
неоднородность проявляется в объеме кристаллита (внутрикристаллит-
ная ликвации) или в зонах срастания кристаллитов (межкристаллит-
ная ликвация). Такая неоднородность характерна для сплавов п обус-
Рис. 4.11. Слоистое строение металла шва на титановом сплаве ВТ15
(хЮ).
ловлена наличием у них интервала кристаллизации, а следовательно,
различной для центральной и периферийной частей кристаллитов сте-
пенью обогащения ликвирующими примесями, легирующими элемен-
тами, и образованием межкристаллитных прослоек. Существенную
роль в развитии ликвации играет контакт твердой и жидкой фаз в про-
цессе кристаллизации. В результате различной растворимости элемен-
тов в этих фазах возникает, например, разница в химическом составе
пограничного участка основного металла и прилегающего к нему
участка металла шва. Из твердого металла в жидкий может переме-
щаться ликвирующая примесь (например, кислород в меди). При крис-
таллизации сварочной ванны и последующем охлаждении металла шва
такая примесь не успевает перераспределиться, что приводит к возник-
новению участков с повышенным ее содержанием. В условиях за-
твердевания сварочной ванны кристаллизация протекает в большин-
стве случаев по бездиффузиониому механизму. Причем с увеличением
скорости сварки снижается степень химической микронеоднородности
металла шва.
Зональная ликвация (неравномерное распределение элементов по
сечению шва) проявляется в сварных швах редко и зависит от размера
ванны, условий ее остывания и главным образом от химического
состава металла.
Химическая неоднородность отрицательно влияет на физико-
химические и физико-механические свойства сварных соединений,
а в процессе кристаллизации способствует образованию дефектов
в швах — кристаллизационных трещин. К числу основных мер, на-
правленных на предупреждение микрохимической неоднородности, от-
носится повышение скорости кристаллизации и соответственно умень-
шение размеров дендритов и междендритных участков. Коэффициент
формы шва Чг = Ь/И оказывает существенное влияние на его первич-
ную структуру. Узкая и глубокая сварочная ванна (Т < 2) приводит
к неблагоприятным условиям кристаллизации: кристаллиты, растущие
по нормалям к поверхностям охлаждения, встречаются в центральной
части шва, образуя зону слабины. Такие швы склонны к возникновению
в них кристаллизационных трещин. Чрезмерно широкие швы с малы-
ми значениями коэффициента формы (Ч' = 0,8 -? 1,5) также склонны
к образованию кристаллизационных трешин. Лучшей формой ванны
является чашеобразная (Чг « 3) [13]. При такой форме кристаллиты
растут в осевом направлении и не соприкасаются торцами. Выбирая
оптимальные формы ванны и режимы сварки, можно достичь благо-
приятных размеров и расположения кристаллитов в металле шва. Зна-
чительно повышаются стойкость швов к образованию трещин и комп-
лекс их механических свойств при создании условий кристаллиза-
ции, препятствующих образованию столбчатой структуры.
На столбчатую структуру металла шва можно влиять путем вве-
дения в сварочную ванну следующих модификаторов: тугоплавких
металлов или их соединений, являющихся дополнительными центрами
кристаллизации (модификаторы 1-го рода); поверхностно-активных
элементов, располагающихся на поверхности кристаллитов и препят-
ствующих их росту (модификаторы 2-го рода). Модификаторы 1-го рода
наиболее эффективны для швов на металлах и сплавах со сравнительно
низкой температурой плавления (например, титан и цирконий для
алюминиевых и магниевых швов). Модификаторы 2-го рода являются
более универсальными и могут быть применены для металлов с повы-
шенной температурой плавления (например, лантан для швов на
0-сплавах титана).
Для цветных металлов способ подавления столбчатых кристалли-
тов заключаются в создании избыточных фаз в области высоких темпе-
184
ратур: типа твердых растворов (например, легированная а-фаза в швах
псевдоР-тигановых сплавов), первичных карбидов (например, в свар-
ных швах сплавов на основе ниобия и молибдена), эвтектик (в сварных
швах сплавов иа основе алюминия, никеля и др.).
Эффективным средством воздейс<вия на сварочную ванну являет-
ся электромагнитное перемешивание расплавленного металла. Такой
способ позволяет измельчать структуру шва. Он успешно применен
при дуговой сварке алюминия, титана и других металлов и сплавов
[46, 47, 232, 338]. Физическая неоднородность в металле шва обус-
ловлена процессами, сопровождающими кристаллизацию, и прежде
всего полигонизацией уже затвердевшего металла — дроблением крис-
таллитов иа субзерна с небольшой угловой разори ентировкой при ма-
лых начальных деформациях. Границы субзерен образуются в резуль-
тате перегруппировки несовершенств кристаллического строения ли-
того металла — дислокаций и вакансий [2()С|. Этот процесс приводит
к уменьшению внутренних напряжений и искажениям в микрообъемах.
Полигонизация связана с сегрегацией иа вновь образованных грани-
цах примесей и легирующих элементов. Вследствие этого физическая
неоднородность ухудшает свойства сварных соединений: снижает их
коррозионную стойкость, повышает склонность к хрупкому разруше-
нию, а также к образованию кристаллизационных и холодных трещин.
Для подавления развития физической неоднородности используют раз-
ные методы. Для сварных швов цветных металлов и сплавов — это вы-
бор соответствующих режимов сварки (в частности, способствующих
ускоренному охлаждению металла сварочной ванны в области высоких
температур), введение в однофазные швы элементов, повышающих
энергию активации (например, молибден, вольфрам, рений, тантал для
сплавов на основе никеля) и др.
При многослойной сварке структура швов существенно отличается
от строения однопроходных швов. Наложение каждого последующего
валика оказывает повторное тепловое воздействие на нижележащие
валики, что влияет на их структуру. Обычно такая своеобразная тер-
мическая обработка приводит к измельчению структуры. Сварные
швы на металлах и сплавах, не претерпевающих вторичных превраще
ний (полиморфных, фааовых), сохраняют структуру, сформированную
при первичной кристаллизации. В швах на полиморфных металлах
и сплавах наблюдаются превращения в твердом состоянии, которые
нередко приводят к существенному изменению структуры (распад
твердых растворов с выделением новых фаз, образование эвтектик
и др.).
В результате охлаждения металла шва с большой скоростью, ха-
рактерной для условий сварки, могут произойти закалка с образова-
нием метастабильных фаз и снижение пластичности сварного соединения
(например, образование высоколегированного мартенсита в сплавах
иа основе титана и циркония). Такого же типа превращения наблюда-
ются и в околошовных участках ЗТВ полиморфных металлов. По ха-
рактеру изменения структуры в этой зоне такие металлы, как титан,
цирконий, гафний, можно сравнить со сталями. ЗТВ в цветных метал-
лах и сплавах состоит из структурных участков, аналогичных уча-
сткам в стали (рис. 4.12). Участок частичного расплавления — узкая
переходная полоска от металла шва к основному металлу, включаю-
щая подплавлеииые и затвердевшие верна основного металла. На
этом участке твердожидкого состояния кристаллиты шва сращива-
ются с крупными зернами основного металла; здесь, как отмечалось,
возможна ликвация примесей. Поэтому данный участок оказывает
существенное влияние на качество сварного соединения. Участок
перегрева или крупного зерна характеризуется высокой температурой
рие. 4.12. Схема н темпера-
турные границы структур-
ных участков сварного соеди-
нения из полиморфных ме-
таллов:
/ — зона со структурой литою
металла (металл шва); //— уча-
сток частичного расплавления
(зона сплавления); /// — участок
перегреве (крупного зерна);
IV — участок полной перекри-
сталлизации; V — участок непол-
ной перекристаллизации (погра-
ничный с основным металлом,
не получивший структурные из-
менения). Участки //—V образу-
ют зтв.
нагрева, намного превышлошей темпе-
ратуру полиморфного превращепия ме-
талла, и, как следствие, значительным
укрупнением зерен. Степень роста зерен
снижается по мере уменьшения погон-
ной энергии при сварке. Этот участок
омичается максимальными скоростями
охлаждения. Неблагопри ятные струк-
турные изменения на участке пере-
грева могут привести к заметному сни-
жению пластичности и вязкости свар-
ного соединения. Участок полной пе-
рекристаллизации, или нормализации,
претерпевает вторичные превращения
в условиях нагрева до температуры,
незначительно превышающем темпера-
туру фазовых изменений. Длительность
пребывания прн этой температуре неве-
лика, поэтому зерно ие успевает вырас-
ти Конечная мелкая равноосная струк-
тура данного участка способствует по-
лучению достаточно высоких механи-
ческих свойств Участок неполной пе-
рекристаллизации находится на Гранине
между ЗТВ и областями основного ме-
талла, не изменившими структуру в ре-
зультате воздействия термического ци-
кла сварки. Здесь также незначительно
увеличиваются зерна и практически со-
храняются свойства основного металла.
В металлах и сплавах, подвергну-
тых предварительной термической обра-
ботке или холодной обработке давле-
нием, наблюдаются дополнительные
участки ЗТВ в области низкотемпературного нагрева: рекристалли-
зации и отпуска. Участки ЗТВ не имеют резких границ, переход
одной структуры в другую происходит постепенно. Неблагоприят-
ные фазовые и структурные изменен:,я, происходящие в участках ЗТВ,
прилегающих ко шву, а также напряженное состояние, всегда со-
путствующее этим превращениям, могут вызывать образование
холодных трещин. В сплавах на основе титана и циркония возникнове-
ние трещин всегда связано с гндридным превращением, сопровождаю-
щимся резким локальным изменением объема металла. Снижение
протяженности ЗТВ — важная мера, направленная на улучшение
качества сварного соединения
При сварке мономорфных цветных металлов н сплавов, не претерпе-
вающих пторичных превращении (ниобий, тантал, молибден, вольф-
рам и др.), структура и свойства ЗТВ в основном характеризуются
процессами роста зерен и рекрисаллизации, а также выделением
вюричных фаз (оксидов, карбидов и др.)
Сплавы цветных металлов по-разному реагируют на термические
циклы сварки. Например, в а-сплавах титана свойства околошовноп
зоны по сравнению с основным металлом изменяются мало. Однако
высокопрочные (а + Р)-сплавы и нсевдоР-сплавы чувствительны
к термическим циклам сварки. Участки ЗТВ вблизи шва могут име,ь
пониженные механические свойства. Поэтому для них после сварки
необходима термическая обработка соединений, что улучшает их
структуру и свойства (например, сплав ВТ22).
Существенные изменения в ЗТВ наблюдаются в сплавах, предва-
рительно упрочняемых термической обработкой. Так, в термически
уточненных алюминиевых сплавах происходит оплавление границ
|260]. Образование жидких прослоек на границах зерен приводит к
ухудшению механических свойств сварных соединений и нередко —
к возникновению трещин. Например, при сварке дуралюмина Д16
в закаленном состоянии отмечается наличие сплошной сетки оплавлен-
ной эвтектики вокруг зерен. Сварные соединения из закаленного спла-
ва имеют низкую пластичность и легко разрушаются при небольшой
деформации. Последующая термическая обработка не позволяет вос-
сгаповпть свойства зоны. В закаленном и искусственно состаренном
сплаве А1 + 4 % Си также обнаружена склонность к оплавлению
границ зерен в ЗТВ вследствие появления на границах зерен эвтекти-
ки. Ширина полосы с оплавленными зернами изменяется в зависимости
от метода и режимов сварки, т. е. зависит от термических циклов в око-
лошонной зоне. Наиболее широкая полоса появляется при газовой
сварке, наиболее узкая — при автоматической дуговой сварке. Так
как под влиянием теплового и деформационного воздействий сварки
свойства околошовиой зоны могут заметно ухудшаться по сравнению
со свойствами металла, одним из основных критериев выбора свароч-
ного технологического процесса является обеспечение оптимальных
условий формирования зоны с необходимым качеством металла в этом
структурном участке соединения.
4.3. Металлургические процессы при сварке
К числу главных задач, которые приходится решать при
сварке цветных металлов плавлением, относится обеспечение защиты
зоны сварки от вредного влияния газов атмосферы. Способ защиты за-
висит от физико-химических свойств свариваемого металла н прежде
всего от его химической активности при высоких температурах. При-
емлемыми средствами защиты (газы, флюсы, электродные покрытия)
оказываются лишь те, которые не только изолируют расплавленный
металл от воздуха, но и сами не оказывают отрицательного влияния
на сварочную ванну. Так, газовая сварка ввиду несовершенства защиты
и других особенностей не всегда обеспечивает требуемые свойства
соединений при изготовлении конструкций ответственного назначе-
ния и применяется лишь для ограниченного числа цветных металлов
(алюминий, магний, медь, никель, свинец, цинк и некоторые сплавы
на их основе). До настоящего времени ие удалось изыскать покрытия
штучных электродов, которые бы защитили при ручной сварке швы
иа химически активных металлах и сплавах (например, титан, щ,р-
коин и).
Необходимость сварки большой группы химически активных ме-
таллов и сплавов на их основе обусловила создание способов сварки
в среде инертных газов (аргон, гелий, их смесь). Весьма эффективна
в этом плане сварка в вакууме. Электронно-лучевая сварка в ваку-
умных камерах в настоящее время становится одним из основных спо-
собов сварки плавлением химически активных и тугоплавких металлов
и сплавов.
В зависимости от способа сварки используют разные пути защи-
ты сварочной ванны. При газовой сварке это достигается вытеснением
воздуха из зоны сварки продуктами сгорания и создания нейтральной,
а в ряде случаев даже восстановительной среды за счет избытка аце-
тилена. Для газовой сварки цветных металлов в основном используют
Рис. 4.13. Строение
ацетилено-кислород-
ного пламени и рас-
пределение температу-
ры по его оси:
1 — ядро; 2— средняя зо-
на (воспламенения); <3 —
наружный факел (зона
догорания).
нормальное пламя. Такое пламя характери-
зуется соотношением [143, 245]
0 = = 1,0-5- 1,2, (4.50)
где Ук — объем подаваемого в горелку кисло-
рода; Иг — обьем используемого газа.
В ряде случаев (например, при сварке
латуни) применяют окислительное пламя
(0 > 1,3). Нормальное ацетилено кислород-
ное пламя состоит из грех зон (рис. 4.13).
Форма, вид и относительные размеры этих
зон зависят от величины р. Температура в зо-
нах различается. Максимальная температу-
ра — на оси пламени вблизи ядра —достигает
3100 °С.
Горение ацетилена протекает в несколько
стадий [10, 245]. В ядре происходит подго-
товка ацетилена к сгоранию — его распад:
СаН2 -> 2С 4- Н2 226 кДж/моль; (4.51)
горение во второй зоне приводит к образованию СО и На:
СаНа->2С + Н2О„_-► 2СОНа + 471,5 кДж/моль. (4.52)
Продукты этой реакции окисляются при третьей стадии горения —
в зоне догорания:
2СО-|-О2~> 2СО2 + 570,1 кДж/моль; (4.53)
Н2 + О2 -» Н2О -|- 241,6 кДж/моль. (4.54)
Л
Цвет образующегося факела зависит от значений 0: при 0 = 1 факел
имеет оранжево-фиолетовый, при 0 < 1 — желто-оранжевый, при
0 > 1 — фиолетовый оттенок.
В пламени с избытком кислорода (0 > 1,3) обнаруживается боль-
шое количество кислорода. Поэтому такое пламя обладает значитель-
ной окислительной способностью. При недостатке кислорода (0 < 1)
в средней зоне пламени появляется повышенное количество свободного
углерода и водорода, что может привести к насыщению шва этими
примесями. Однако и в нормальном пламени есть свободный водород,
азот и оксид углерода (объемные доли: СО <: 0,6; На С 0,2; К'а «
~ 0,08 [245]), что может оказывать отрицательное действие при сварке
металлов с повышенной химической активностью. Кроме того, газы
средней зоны сварочного пламени во многих случаях не могут восста-
новить оксиды цветных металлов.
Для исключения возможности окисления шва при газовой сварке
цветных металлов используют дополнительные средства защиты —
специальные флюсы. Их назначение — раскисление расплавленного
металла и очищение металла шва от оксидов и неметаллических включе-
ний. При сварке флюсы образуют на поверхности шва пленку шлака,
которая предохраняет металл от дальнейшего взаимодействия с атмо-
сферой. В состав флюсов, например, для сварки алюминия входят
галогениды щелочных металлов (калня, лития), интенсивно взаимо-
действующие с металлом и растворяющие оксиды алюминия, а также
соли щелочноземельных металлов (кальция и др.). Взаимодействие
хлоридов шелочных металлов с оксидами алюминия происходит по
реакци ям
6КС1 + А12О3 Х2А1С1, + ЗК2О; (4.55)
6МС1 + А12О2^2А1С1;1 + 31л2О. (4.56)
Хлорид алюминия имеет температуру кипения 183 °С. Он легко улету-
чивается, а окснд калия или лития всплывает на поверхность сварочной
ванны в виде шлака. В состав флюса для сварки алюминия вводят
также компоненты, способные растворять оксиды алюминия (например,
криолит №3А1РЙ)
Кислые флюсы, применяющиеся для газовой сварки меди, обычно
имеют в составе буру №2В4О, • ЮН2О, борную кислоту Н3ВО3 или
их смеси. Перед употреблением буру прокаливают для удаления крис-
таллизационной влаги. Взаимодействие таких флюсов с металлом
происходит в две стадии [101]:
1) разложение буры и борной кислоты
1Ча2В4О7 2№ВОа + В2О3; (4.57)
2Н3ВО3 ->- В2О3 + ЗН2О; (4.58)
2) взаимодействие продуктов реакций с оксидом меди
2№ВО2 + В2О3 + СиО ->- (№ВО2)2 • Си (ВО2)2. (4.59)
При этом образуется соль натрия и меди метаборной кислоты, которая
переходит в шлак. Аналогично протекают реакции взаимодействия
буры с оксидом цинка.
Обычно при газовой сварке меди через присадку вводят раскис-
лители — фосфор, кремний, марганец Наиболее эффективное раскис-
ление достигается при использовании в качестве раскислителя фос-
фора:
2Р +5 Си2О 10Си + Р2О4; (4.60)
Р2О6 + ЗСи2О^Р2О5(Си2О)3. (4.61)
Так как избыточный фосфор оказывает вредное влияние на свойства
шва, его содержание в проволоке ограничивают: для сварки тонкой
меди — до 0,2 %, для металла Ь > 10 мм — 0,3 % [245].
При ручной сварке качественными электродами и под флюсом по-
крытия и флюсы не только изолируют сварочную ванну от газов атмо-
сферы. С их помощью в большинстве случаев осуществляется металлур-
гическая обработка расплавленного металла, в результате которой
шов раскисляется и дегазируется. Нередко металлургическое воздей-
ствие на жидкий металл приводит к изменению химического состава
шва в желательном направлении, а также к модифицированию его
структуры. Для этой цели в электродные покрытия и керамические
флюсы вводят ферросплавы, порошки графита и некоторых металлов
(например, алюминия). Примером металлургической обработки свароч-
ной ванны может служить взаимодействие жидкого алюминия с хлор
содержащими компонентами обмазок или флюсов 1142]. Известен метод
дегазации алюминия хлором при его разливке. Аналогичные процессы
протекают и при сварке алюминия.
В результате диссоциации хлоридов (КС1, К’аС1 и др.) образуется
хлор. Взаимодействие хлора с жидким металлом начинается на конце
электрода и протекает в дуговом промежутке при прохождении через
него капель. Хлор реагирует с растворенным в металле водородом:
С12 + На->2НС1. (4.62)
Удаление водорода из электродного металла способствует снижению
его концентрации в шве и пористости. Установлено, что по мере увели-
чения содержания хлора в обмазке уменьшается количество пор в ме-
талле шва [142]. В результате обменных реакций алюминия с хлори-
дами, например с хлоридом кальция, содержащимся в обмазке, в про-
цессе плавления образуется газообразный хлористый алюминий, до-
полнительно защищающий зону сварки.
Для литого металла алюминиевого шва титан п цирконий являются
модификаторами. Их вводят в состав электродных покрытий в виде
хлоридов и легкоплавких фторидов (например, Т!С14, К22гРг). Взаимо-
действие этих солей с жидким алюминием в сварочной ванне идет по
реакци ям
ЗТ1С1,+ 4А1^:4К1С13 + ЗТ1; (4.63)
ЗК22гР„ + 4А1^ А1Р34-6КР + 32г. (4.64)
Количество солей в покрытии рассчитывается с учетом необходимого
перехода в металл шва металлического титана и циркония в пределах
до I % ]142]. Однако более стабильные результаты дает применение
электродной проволоки, содержащей эти элементы. В этом случае для
определения необходимой концентрации титана или циркония в элек-
тродной проволоке экспериментально устанавливают коэффициент
перехода элемента (М) в металл шва в процессе сварки:
^пер
°п М
0 в шве
% М„ проволоке
(4.65)
Коэффициент перехода титана составляет 0,6 [142].
При сварке меди под силикатными плавлеными флюсами происхо-
дят обменные реакции окисления — восстановления в результате вза-
имодействия оксидов, входящих в состав флюса, с жцктм металлом
|153|:
5Ю2 + 4Си 2Си2О + 51; (4.66)
МпО + 2Си Сц2О -ф- Мп; (4.67)
РеО 2Сц Си2О -4- ге; (4.68)
0,5 А1,Э, (- ЗСи X 1,5 Си2О ф- А1. (4.69)
Переход в шов элементов из флюса в количестве даже сотых долей
процента ухудшает теилофизические свойства шва по сравнению со
свойствами основного металла. Этого не происходит при использова-
нии фторидных флюсов серин АНМ (см. гл. 3).
На интенсивность металлургических реакций между металлом
и шлаком влияет режим сварки. При возрастании напряжения дуги
и уменьшении скорости сварки увеличивается длительность взаимо-
действия металла со шлаком в области максимальных температур,
близких к температуре кипения меди, при которых реакции протекают
наиболее интенсивно. Благодаря этому повышается интенсивность пе-
рехода элементов из шлака в металл шва. Так, при сварке меди под
флюсом АН-348А уменьшение скорости сварки от 37,5 до 16,0 м/ч при-
водит к повышению содержания кремния в металле шва более чем
в 2 раза (от 0,0215 до 0,0441 % 1153]).
Окислительно-восстановительные реакции, протекающие между
шлаком и металлом, приобретают особое значение при сварке такого
химически активного металла, как титан. Для титана непригодны си-
ликатные флюсы, содержащие даже в небольших количествах оксиды
кремния, марганца, алюминия, титана, циркония н др. Такие флюсы
Рис. 4.14. Зависимость содержания кислорода в металле шва на титане
от суммарной концентрации оксидов во флюсе:
/-А1,О3; ИгО, Т1О,: 2-810,; СаО, М8О.
Рис. 4.15. Влияние содержания кислорода, азота и водорода в защитной
атмосфере на концентрацию этих примесей в металле шва на титане.
приводят к заметному окислению металла шва. Так, уже при 1,5—2 %
А12О3 во флюсе концентрация кислорода в шве чрезмерно высока —
более 0,1 % (рис. 4.14) 1193]. Поэтому сварка титана возможна лишь
под специальными флюсами, не содержащими оксидов (названными бес-
кислородными). При сварке титана под бескислородными галогенид-
ными флюсами протекают реакции нескольких типов, из которых
первостепенное значение имеют обменные реакции титана и его оксидов
с некоторыми компонентами флюса |74]. Так, при содержании во флю-
се фтористого лантана реакция первого типа записывается в виде
ЗТ1 -|-4ЬаР3^:4Ьа + ЗТ1Р4. (4.70)
Лантан, переходя в металл шва, может оказывать на него раскисляю-
щее воздействие.
Четырехфтористый титан Т1Р4 имеет температуру кипения 284 °С
[68] и легко вступает во взаимодействие с водородом, как и другие
соединения титана с фтором (Т1Р3, Т1Р2), образующиеся в зоне дуги
при сварке титановых сплавов с применением флюсов серии АНТ
(м. гл . 3). Эти реакции протекают следующим образом:
[Н]т1ж + ^Т!Р^7Т!ж + НР; (4-71)
[Н]Пж + Т1Р„- ПР^Ч- НР; (4.72)
[Н]т1ж + Т1Р4 + Т1ж Т1Р2 + 'ПР + НР. (4.73)
Реакции второго типа записываются в виде
ТЮ2 + 2СаР2;*2СаО + Т1Р4; (4.74)
ТЮ2 + 4.\’аР 2.\'а2О + Т1Р4. (4.75)
Свойства фторидов кальция, натрия вступая в реакцию с оксидом
титана, восстанавливать его, а также их способность растворять оксиды
титана играют важную роль в предохранении металла шва от загряз-
нения кислородом в процессе сварки. К существенным преимущест-
вам фторида кальция, являющегося основой бескислородных туго-
плавких флюсов для сварки титана, относятся инертность по отноше-
нию к титану и активность при взаимодействии с водяным паром:
СаР2 + Н2О СаО -[- 2НР.
(4-76)
Такая реакция реализуется лишь при температуре выше 2000°С, т. е.
в газовой фазе. Возможность удаления влаги из зоны сварки и благо-
даря этому защита металла шва от насыщения газами, в первую очередь
водородом, является важнейшей особенностью сварки титана и спла-
вов на его основе под флюсом.
Сварка в инертных газах — ручная и механизированная — наи-
более универсальный способ, широко распространенный для боль-
шинства конструкционных цветных металлов и сплавов иа их основе.
Эффективность защиты при этом способе сварки определяется чистотой
газа и характером газового потока.
Необходимая чистота газа в свою очередь определяется степенью
химической активности свариваемого металла и его чувствительностью
к примесям-газам. Наиболее высоки требования по чистоте инертного
газа для химически активных и тугоплавких металлов (рис. 4.15)
[355]. Для них положительные результаты дает лишь применение при
сварке инертных газов высокой степени чистоты (например, аргон
1-го сорта, высшего сорта и др . (см. гл. 3)). Аргон и гелий обеспечива-
ют практически одинаковую защиту зоны сварки. Одиако энергетиче-
ские характеристики дуги зависят от применяемого газа. Так как теп-
лопроводность гелия примерно в 8 раз больше, чем аргона, а его потен-
циал ионизации самый высокий среди инертных газов, то при прочих
равных условиях площадь проплавления при сварке в гелии также
больше.
Поскольку дуга в гелии менее стабильна, чем в аргоне, в ряде
случаев используют смеси этих газов (например, при сварке плавя-
щимся электродом). Кроме того, смесь газов позволяет получить ряд
технологических преимуществ, а при определенном составе смеси —
оказать металлургическое воздействие на металл шва (103]. Например,
применение смеси аргона с водородом прн сварке алюминия препят-
ствует образованию оксидных пленок иа поверхности сварочной
ванны.
При сварке в струе инертного газа надежная защита обеспечива-
ется, если исключить попадание воздуха в газовый поток. Это дости-
гается выбором оптимальной конструкции сварочной горелки, расхода
газа, расстояния сопла горелки от поверхности свариваемого металла,
а также обеспечением стабильности дуги. Дополнительное введение
в зону сварки неплавящимся электродом галогенидов (в виде флюса-
пасты или с порошковой проволокой) позволяет осуществить металлур-
ги ческую обработку сварочной ванны, вследствие чего устраняется
склонность к образованию пор в металле шва. Помимо этого, резко
повышается проплавляющая способность дуги на титане, меди и других
металлах. В результате взаимодействии паров галогенидов с водоро-
дом и парами влаги в дуге (по реакциям типа (4.76)) образуются стой-
кие соединения водорода, нерастворимые в жидком титане. Парциаль-
ное давление водорода в атмосфере дуги снижается, что интенсифици-
рует процесс его выделения из металла сварочной ванны. Галогениды
титана связывают водород не только в атмосфере дуги, но и в свароч-
ной ваине [193]. Эффективность контрагирования дуги галогенидами
и изменение этим характера проплавления металла и формирования
швов зависят от физико-химических свойств этих веществ и прежде
всего от способности смачивать металл, диссоциировать, взаимодей-
ствовать с металлом и др. Рафинирующие флюсы-пасты (например,
для титана — типа ФАН-1 [193]) содержат соединения активных к кис-
лороду и азоту элементов (церий, лантан, иттрий и др.).
Увеличение проплавляющей способности дуги благодаря ее конт-
рагированию, а также снижение концентрации водорода в металле шва
наблюдаются н прн добавках к аргону газо- и парообразных фтори-
192
дов и хлоридов (ВР3, 8Рв, 81С14, СС14) в количестве объемной доли до
2,5 %. Например, при сварке титанового сплава ВТ16 в аргоне С добав-
кой объемной доли 0,3 % газообразного фторида ВР3 или парообраз-
ного хлорида 81С14 содержание, водорода в металле шва снизилось
примерно в 3 раза по сравнению с его содержанием в швах, выполнен-
ных в среде чистого аргона [51]. Взаимодействие этих соединений
с титаном происходит по реакциям
Т1 + ВР3^Т1Р3 + В; (4.77)
Т1 + 81С14 Т|С14 + 81. (4.78)
Трифторид и тетрахлорид титана связывают водород по реакциям,
подобным (4.71)—(4.73).
При сварке с использованием аргона с добавками активных газов
наблюдается модифицирование структуры металла шва. Благодаря
взаимодействию галогенидов с оксидами титана такие добавки Обла-
дают также и раскисляющими свойствами. Раскисление происходит по
реакциям
ТЮ2 + ВР3^Т1Р3+ВО2; (4.79)
ТЮ2 + 81С14 Т1С14 + 81О3. (4.80)
Взаимодействие металла сварочной ванны с газообразными галоге-
нидами предупреждает образование пор в швах. При сварке в аргоне
с добавками активных газов сварные соединения титановых сплавов
имеют несколько пониженные значения ударной вязкости.
*--- Для оценки вероятных металлургических процессов примениют
термодинамические расчеты. Они основаны иа законах химической
термодинамики и позволяют определить вероятность и возможное иа-
°== правление реакций в данной системе путем сопоставления в равиовес-
н.ых условиях исходных веществ и продуктов реакции. Зная иаправле-
ние реакции между взаимодействующими веществами в разных агрегат-?
ных состояниях (твердое, жидкое, газообразное) в определенных ин-
сервалах температур, можно исключить те, которые протекают в небла-
---- гоприятном направлении, и усилить реакции, дающие положительный
,о= эффект. Применительно к сварочным процессам термодинамические
расчеты дают возможность оценить взаимодействие металла с окружаю-
°= щей средой (шлак, газы) на всех стадиях формирования сварного шва.
~'|^в Металлургические процессы при сварке протекают, как правило,
зри постоянном давлении и рассматриваются для данной температуру,
Г. е. в изобарно-изотермических условиях. В этих условиях критерием,
----характеризующим направление реакции, служит изменение энергий
Гиббса, которую определяют из выражения [158, 326]
Д6 = Д/7 — ТД8.
(4.81)
Обычно выполняют серию расчетов для разных температур и устанав-
ливает изменение энергии Гиббса системы для рассматриваемой реак-
ций. Положительное значение ДО свидетельствует о том, что при дан-
ной температуре процесс развиваться не будет, а отрицательное —
отд№, что реакни я Может протекать, причем тем более интенсивно, чем
больше абсолютное значение ДО.
Для унификации расчетов (что позволяет пользоваться табличными
значениями термодинамических величин) исходные дяйные принимают
для веществ, находящихся в стандартных условиях (р = сопД; Т =
= 298 К (25 °С)), и вводят для них следующие обозначения: ДО^эз»
Д//293, ^293- Для индивидуальных элементов Д6°98 принимает рав-
ним нулю, а для химических реакций АО^эз определяют суммированием
найденных значений этих потенциалов для соединений, участвующих
в реакции. При расчетах принимают справочные значения исходных
данных или вычисляют их.
Пример. Определить, с какими компонентами возможно взаимо-
действие жидкого титана при сварке под бескислородным флюсом,
в состав которого входят фторид и хлорид щелочноземельных металлов
(Сар2 и ВаС12) и фторид щелочного металла (Ъ!аЕ). Основные реакции
при взаимодействии жидкого титана с указанными компонентами
имеют вид
Т1ж+2СаР2ж^2Саг + Т1Р4г; (4.82)
Т1Ж + 4ЫаРж^4Ыаг + Т1Р4г; (4.83)
Т1ж + 2ВаС12ж^2Ваг + ТГС14г. (4.84)
Энтальпия жидкого титана при стандартной температуре 298 К рас-
считывается по упрощенной схеме: нагрев твердого титана до темпера-
туры плавления — плавление — гипотетическое охлаждение жидкого
титана до температуры 298 К. При этом принимаются следующие тепло-
физические константы титана: температура плавления 1941 К (1668 °С);
скрытая теплота образования 18,4 кДж/моль [347]; теплоемкость твер-
дого титана 160,773 — 693,569 • 10-:) Т (Дж/моль • К) [347]; тепло-
емкость жидкого титана 46,8 Дж/моль • К [347]. Получаем, что для
жидкого титана = 15,9 кДж/моль.
Энтропию жидкого титана Д$о98 рассчитываем по аналогичному
циклу и получаем значение АЗ^ = 36,2 Дж/моль • К.
Для расчета термодинамических констант других жидких веществ,
участвующих в реакциях (4.82)—(4.84), используем табличные данные
из работ [227, 347]. Термодинамические константы веществ, участвую-
щих в этих реакциях, сведены в табл. 4.3.
Таблица 4.3. Термодинамические константы веществ, участвующих
в реакциях
Вещество иДж/моль о Д5298, Дж/моль-К Примечание
Т1ж 15,9 36,2 Расчет
СаРзж —1160 115,4
Сар 179 155,1 [347]
Т!Г4г —1839 501 [2271
№РЖ -437 77,9 [227}
Каг 108,5 153,9 [347]
ВаС12ж —838 145,1 Расчет
Ваг 2060 171,1 (347|
Т1С14г —756 354 [60]
Подставляя константы в уравнение энергии Гиббса (4.81) и произ-
ведя расчеты, получаем зависимости А6Т от температуры (рис. 4.16)
774]. Из рисунка видно, что титан
не должен реагировать с фторидом
кальция и тем более с хлоридом ба-
рия. Однако реакция титана с фтори-
дом натрия должна протекать весь-
ма интенсивно во всем диапазоне
принятых температур. На это ука-
зывают большие отрицательные зна-
чения изобарных потенциалов при-
веденных реакций.
Термодинамические расчеты при-
меняются также для нахождения кон-
стант равновесия реакций, характер-
ных для зоны сварки, и соответст-
вующих им температур.
4.4. Напряжения
и деформации
сварных соединений
Рис. 4.16. Изобарные потенци-
В результате локально- алы реакций жидкого титана с
го нагрева и неравномерного расши- Маг, СаРг и ВаС12:
рения металла при сварке возника- м’7Леакци>| <4,83); 2—(4.82); з —
ют сварочные напряжения и дефор- 8 ''
мации. Напряжения в сварном изде-
лии относятся к разряду внутренних собственных напряжений,
так как существуют без приложения внешних нагрузок. Причиной
возникновения внутренних напряжений и деформаций при сварке
являются также литейная усадка и вторичные структурные превра-
щения в металле шва и ЗТВ. Литейная усадка, связанная с уменьше-
нием объема металла при остывании и кристаллизации сварочной
ваины, создает сжимающие напряжения в продольном и попереч-
ном направлениях. Влияние фазовых превращений и структурных
изменений на внутренние напряжения особенно проявляется при
сварке высокопрочных закаливающихся сплавов.
В зависимости от объемов, в которых уравновешиваются внутрен-
ние напряжения, различают наприжения 1-го рода — в пределах мак-
рообъемов; 2-го рода — в пределах одного или нескольких зерен;
3-го рода — в пределах ультрамикроскопических объемов (в кристал-
лической решетке). Напряжения 3-го рода отражают искажения ячеек
решетки.
Напряжения и деформации можно разделить на временные (вы-
званные неравномерным нагревом и охлаждением в процессе сварки)
и остаточные (сохранившиеся после полного остывания изделия). При
разной толщине свариваемого металла наблюдаются поля остаточных
напряжений двух типов: двухосное (на металле малых и средних
толщин) и трехосное (объемное), характерное для металла больших
толщин.
По направлению действия остаточные напряжении разделяются
на продольные (направленные параллельно оси шва) и поперечные
(перпендикулярно к оси шва). Для разных слоев металла сварного
соединения они различаются как по величине, так и по знаку (растяги-
вающие и сжимающие). Деформации сварной конструкции проивля-
ются в виде продольного или поперечного (по отношению к оси шва)
укорочения, а также изгиба, связанного с образованием угловых де-
формаций, что в свою очередь приводит к потере устойчивости.
В ряде случаев, особенно при сварке высокопрочных или трудно*
свариваемых материалов в однородном или разнородном сочетании,
сварбчные напряжения оказывают отри нательное влияние на конечные
свойства соединений. Они так же, как изменение структуры и потери
пластичности металла шва и ЗТВ, приводит к возникновению трещин,
а при наличии и других неблагоприятных факторов (низкие темпера-
туры, концентраторы напряжений) — к хрупкому разрушению кон-
струкции. Дефекты швов (поры, шлаковые включения и др.) служат
концентраторами напряжений. Они усиливают отрицательное влия-
ние остаточных напряжений, особенно при знакопеременных нагруз-
ках. Остаточные напряжения могут понизить жесткость конструкции,
а также оказать существенное влияние на замедленное разрушение
даже при отсутствии рабочих нагрузок (например, прн гидрндных
превращениях в сварных соединениях из сплавов на основа титана
и циркония). При наличии остаточных напряжений может понизиться
коррозионная стойкость сварных соединений [336]. Поэтому оценке
напряженного состояния сварных изделий ответственного назначения
из цветных металлов н особенно мерам по снижению или даже полному
устранению остаточных напряжений в сварных соединениях при обе-
спечении работоспособности изделий в разнообразных условиях эк-
сплуатации уделяется большое внимание. Остаточные напряжения
в сварных соединениях определяют экспериментально или расчетами
[2, 412, 42].
Экспериментальные механические методы основаны на разрезке
металла, в результате чего он освобождается от остаточных напряже-
ний. По степени деформации металла, возникающей после разрезки,
с учетом известных положений теории упругости определяют остаточные
напряжения. На этом принципе построены разнообразные методики
измерения остаточных напряжений. К физическим методам относится
просвечивание металла рентгеновскими лучами. С помощью этого ме-
тода оценивают степень искажения кристаллической решетки. По
изменениям расстояний между атомными плоскостями определяют ос-
таточные напряжения 3-го рода. В настоящее время все шире приме-
няют методы моделирования, например поляризационно-оптический
метод. Он основан на определении напряженного состояния на прозрач-
•ных моделях из оптически чувствительных материалов (например,
поликарбонат марки «Макролон-300» [412]).
Расчетные методы нахождения знака и величины остаточных на-
пряжений из-за сложности явлений разработаны только для простей-
ших конструкций (однопроходная сварка пластин, балок, наплавка
валика на кромку пластины и др.) [42, 93, 218]. Некоторые из этих
методов позволяют лишь качественно оценить распределение сиароч-
' ных напряжений.
Характер напряженного состояния в сварных соединениях из
цветных металлов и сплавов аналогичен характеру полей остаточных
напряжений в соединениях из стали. Например, распределение ‘бста-
точных сварочных напряжений в алюминиевых и титановых сплавах
такое же, как и в малоуглеродистых и аустенитных сталях. Об этом
свидетельствует эпюра продольных остаточных напряжений при свар-
ке алюминиевого сплава АМгб (рис. 4.17). Максимальная величина
напряжений наблюдается в шве, причем характерной особенностью
распределения напряжений (как и в других алюминиевых сплавах)
является некоторый спад их в центральной части шва и околошов-
ной зоне.
Характер распределений остаточных напряжений вдоль сварного
соединения из сплава 0Т4 (рнс. 4.18) также не отличается от распре-
деления напряжений в соединении из малоуглеродистой стали. В от-
1-96
X
Рис. 4.18. Распределение остаточ-
ных напряжении вдоль сварного
соединения из пластины титано-
вого сплава ОТ4 размером 300Х
X 150Х 1,5 мм.
Рис. 4.17. Распределение
остаточных продольных
напряжений при сварке
стали и алюминиевых
сплавов:
а — малоуглеродистая сталь
(схема); б — сплав АМгб
(толщина 10 мм); в —сплав
Д20 (толщина 8 мм).
личие от малоуглеродистой и аустенитной стали, для которых на-
пряжения в сварных соединениях близки к пределу текучести, макси-
мальные остаточные напряжения в швах на алюминиевых и титановых
сплавах ниже предела текучести и составляют обычно 0,5—О,7о02
(табл. 4.4). Такое различие можно объяснить прежде всего тем, что
Таблица 4.4. Значения максимальных продольных остаточных
напряжений в сварных соединениях рида металлов
Металл а0 2, МПА сттах’ МПа
Малоуглеродистая сталь 206—235 206—235
Аустенитная сталь типа 12Х18Н9Т 275—294 275—294
Титановый сплав ОТ4-1 Алюминиевый сплав типа АМгб (в 490— 687 290—392
отожженном состоянии) 157 78—118
Рис. 4.19. Распределение
продольных остаточных
напряжений по оси шва,
выполненного аргоноду-
говой сваркой неплавя-
щимся электродом, на
пластине из ниобиевого
размером 200x120x2 мм
(/св = 240 А; (7Д = 10 В;
7
50о
О
сплава системы 1ЧЬ—2г
усв= 15 м/4)'
Рис. 4.20. Распределение продольных остаточных
напряжений по ширине пластины в сварном сое-
динении из ниобиевого сплава системы Г4Ь—2г
(Ь — 2 мм):
а — после сварки; б — после термической обработки.
Рис. 4.21. Максимальные растягивающие остаточ-
ные напряжения в сварных соединениях, выпол-
ненных аргонодуговон сваркой неплавящимся
электродом на титановых сплавах (6 = 2мм) с
различным содержанием р-стабилизирующпх эле-
ментов.
алюминиевые и титановые сплавы обладают меньшим запасом темпера-
турной деформации ет = атТ по сравнению со сталью (<х„, — коэффи-
циент термического линейного расширения).
Аналогичное распределение остаточных напряжений наблюдается
при сварке пластин из тонколистового ниобиевого сплава системы
ЫЬ—7г (рис. 4.19, 4.20) [234]. Термическая обработка (нагрев в ваку-
уме 1,33 • 10"3 Па до 1200 °С, выдержка в течение 1 ч) снижает оста-
точные напряжения на 80 %. Следует учесть, что уровень и распределе-
ние остаточных напряжений на приведенных эпюрах ориентировочный,
так как прн других размерах свариваемых элементов и соответственно
режимах сварки они будут изменяться.
Максимальная величина остаточных напряжений зависит от ис-
ходной структуры свариваемых сплавов и фазовых и структурных
превращений в соединении под воздействием термического цикла
сварки. Так, у титановых сплавов наиболее высокие остаточные напря-
жения возникают в сварных соединениях однофазных а- и 0-сплавов,
а также псевдо0-сплавов (рис. 4.21) [307]. У двухфазных (а + 0)-
сплавов марок ВТ14, ВТЗ-1 и особенно ВТ16 н ВТ22 с более высоким
содержанием 0-фазы остаточные напряжения значительно меньше, что
обусловлено протеканием 0 а-превращения в процессе охлаждения
соединения после сваркн, способствующего снятию остаточных напря-
жений.
Распределение остаточных напряжений в многослойных швах
сложнее, чем в однопроходных. В этом случае максимальные оста-
точные напряжения в корне шва превышают напряжения при однопро-
ходной сварке. Так, для соединений алюминиевых высокопрочных
сплавов толщиной до 300 мм нх значения достигают 0,8о02 [230].
Сварочные напряжения 2-го рода в соединениях из титанового
сплава значительно ниже предела текучести сплава: соответственно
362 и 834 МПа [193]. В ЗТВ по сравнению со швом напряжения сохра-
няют знак, но уменьшаются до 50 %. Оценка уровня остаточных напря-
жений в соединениях титанового сплава толщиной 5—8 мм при двух
способах сварки (неплавящимся электродом и' электронным лучом)
позволила установить, что более высокие напряжения 2-го рода возни-
кают при сварке неплавящимся электродом (рис. 4.22) [193].
С уменьшением мощности источника нагрева продольные остаточ-
ные напряжения снижаются (рис. 4.23) [42]. Это связано с изменением
формы температурных полей: изотермы становятся более округлыми,
отношение продольной оси изотермы к поперечной ум;еньшается.
Рнс. 4.22. Распределение остаточных напряжений 2-го рода на равном
расстоянии от оси шва при сварке стыковых соединений сплава ВТ6:
о — аргонодуговая сварка неплавящимся электродом; б — ЭЛС.
Рис. 4.23. Зависимость максимальных остаточных продольных напряже-
ний при сварке стыковых соединений из сплава ОТ4 от мощности источ-
ника (6=1 мм).
Рис. 4.24. Остаточные напряжения в сварном тавровом
соединении из сплава АМгб:
1,2 — валики.
При сварке тавровых соединений зона пластических деформаций
от валика 2 (рис. 4.24) на большей своей части перекрывает зону плас-
тических деформаций валика /. Размер суммарной зоны пластических
деформаций в этом случае принимают на 15 % больше, чем от одного
валика [42]. Вследствие изгиба сварного тавра от нецентрального по
отношению к оси приложения усадочной силы напряжения в стенке
тавра дважды изменяют знак. Остаточные напряжения в стенке дву-
тавра могут явиться причиной потери ее устойчивости.
В кольцевом шве цилиндрической оболочки остаточные напряже-
ния снижаются по сравнению с напряжениями в продольном шве. Это
объясняется возникающим после сварки прогибом оболочки и в связи
с этим перераспределением напряжений. Уменьшение жесткости кон-
тура приводит к увеличению прогиба и соответственно к снижению
остаточных напряжений в кольцевом шве. У металлов с малым запасом
температурной деформации ет (алюминий, титан и сплавы на их основе)
напряжения снижаются в большей степени, чем у металлов с большим
запасом ет, для которых оост « о0 2 (стали). Так, прн сварке титанового
сплава ОТ4-1 продольные остаточные напряжения в однопроходных
стыковых соединениях составляют 294—392 МПа; в кольцевых швах
того же сплава напряжения значительно ниже — 49—98 МПа [42].
Среди способов по снижению или устранению сварочных напря-
жений главными являются следующие.
1. Рациональный порядок ведения процесса сварки конструк-
ции, при котором не образуются жесткие контуры, ограничивающие
перемещение отдельных ее элементов (швы, создающие такие контуры,
выполняют в последнюю очередь); использование специальных сбороч-
ио-сварочных приспособлений, позволяющих вести сварку без прихва-
ток; режимы и порядок наложения швов, обеспечивающие равномер-
ный нагрев конструкции по сечению и др.
2. Предварительный и сопутствующий подогрев прн сварке. Бла-
годаря уменьшению разности между максимальной температурой при
сварке и начальной температурой снижается скорость охлаждения на
разных участках сварного соединения, улучшается их структура
и повышается пластичность; для высокопрочных сплавов устраняется
возможность закалки. При предварительном нагреве до температуры
200—250 °С снижение растягивающих продольных напряжений может
достигать 50 %.
3. Отжиг или высокий отпуск сварных конструкций. Снятие
напряжений происходит во всей конструкции одновременно. Поэтому
данный способ получил широкое распространение в промышленности.
При отжиге или высоком отпуске сварочные напряжения удается сни-
зить на 85—90 :% [42]. В ряде случаев применяют местный отпуск, при
котором нагревают лишь часть конструкции в зоне сварного соединения.
Используя такой способ, добиваются плавного изменения температуры
на участках перехода от нагретого к иенагретому узлу. Эффективность
местной термической обработки сварных соединений из цветных метал-
лов иллюстрируют результаты измерений остаточных напряжений
в кольцевых швах обечаек из титанового сплава АТЗ толщиной 26 мм
1192]. После автоматической сварки под флюсом в несколько проходов
продольные остаточные растягивающие напряжения достигали О,5о09—
270 МПа. Местная термическая обработка шва (нагрев с помощью ин-
дуктора полосы металла шириной 120 мм до температуры 660—700 °С
в течение 20 мин) позволила снизить напряжения до 24—30 МПа.
4. Проковка металла. Она выполняется непосредственно после
сварки, по горячему металлу. Применяется для пластичных металлов
и сплавов. Позволяет снизить уровень растягивающих напряжений,
а при интенсивной проковке перевести их в сжимающие. Такие напря-
жения способствуют повышению прочности соединений, особенно при
переменных нагрузках [165]. При многослойной сварке выполняют
послойную прокбвку. Проковка швов после полного остывания не
всегда дает положительные результаты, так как приводит к снижению
пластичности металла.
5. Обжатие зоны сварного соединения путем прокатки между ро-
ликами. Этот способ, отличающийся равномерной пластической де-
формацией, позволяет снизить уровень растягивающих напряжений
и перевести их в сжимающие. Применяется для тонколистовых кон-
струкций. Связь между напряжениями в металле и параметрами режима
прокатки роликами описывается формулой [42]
р2 _ 6,7Ло0>2 (окон - о0,2)2 (онач - 1,5акон + 0,5о0 2)
з* ^(О,7о012 + 0,Занач) ’
где р — необходимое давление на ролики при прокатке, МПа; з — ши-
рина рабочего пояска ролика, см; <1 — диаметр роликов, см; онач —
начальные остаточные напряжения в сварном соединении, МПа; акон —
напряжения в сварном соединении после прокатки, МПа. Если анач =
= о02, акон = 0, то формула (4.85) упрощается в виде
ра = (4.86)
Е
Установлено, что для каждого металла при заданных размерах роликов
и толщине металла в зоне прокатки существует определенное давление
р0 иа ролики, при котором остаточные напряжения могут быть доведе-
ны до нуля. При этом утонение металла не превышет 1 %. Это давление
в значительной степени зависит от предела текучести металла [42].
6. Термомеханическая обработка сварного соединения. Участки
основного металла, находящиеся по обе стороны от зоны пластиче-
ских деформаций, нагреваются движущимися газовыми горелками или
индукторами до температуры 150—200 °С. Сразу после нагрева участки
охлаждаются водой. Такая обработка приводит к снижению макси-
мальных растягивающих напряжений.
7. Приложение нагрузки к сварным соединениям в процессе свар-
ки или после остывания шва. Свариваемый элемент растягивается или
изгибается. Может быть применена вибрация сварного соединения. Ис-
пользование такого способа затруднено, особенно для крупногабарит-
ных конструкций.
Расчет деформаций сварных изделий труден, а в ряде случаев
невозможен. Разработаны методики расчетов для простейших кон-
струкций. которые можно свести к пластинам или балкам |2, 42, 93,
218]. Для наиболее простого случая — однопроходное сварное соеди-
нение двух пластин встык — максимально возможная скорость переме-
щения кромок 2г>шах связана с теплофизическими свойствами свари-
ваемого металла и параметрами сварки зависимостью
Фактическая величина поперечной усадки при дуговой однопроходной
сварке пластин встык без зазора определяется формулой
Лпоп = 0.°-М) М8)
1 Г "•'св
Эта формула справедлива для алюминиевых и титановых сплавов тол-
щиной до 16 мм. Формулой можно пользоваться при сварке угловых
швов. При ЭШС пластин с зазором
АПОп = °.8%ах- (4.89)
Продольные остаточные деформации укорочения при сварке пластин
встык, если ие возникают деформации изгиба в процессе сварки, опре-
деляют, пользуясь методом фиктивных сил, по формуле
Р1
Дпп = — - , (4 .90)
ПР рр ’ ' '
где Рус — приведенная, так называемая усадочная сила, Н; I —дли-
на свариваемых пластин, см; Р — площадь поперечного сечеиия плас-
тины, см2. По Окерблому,
о
рус=^~’
св
где Р — коэффициент, зависящий от размерности Ру0, типа соедине-
ния и физических свойств металла.
Для конструкций из алюминиевого сплава АМгб усадочную силу
(при толщине основного металла 5—12 мм) можно определить из сле-
дующих зависимостей [219]:
в стыковых соединениях при однопроходной сварке
а
Рус = (1,4 4-1,5) -^-; (4.92)
исв
в тавровых соединениях такой же толщины с одним угловым
швом
Рус = (1,6 + 1,7) ; (4.93)
при двух угловых швах в одной стенке! если второй шов сварива-
ется после остывания первого шва
Рус=1,15—(4.94)
«'св
м ти етод фиктивных сил дает достоверные результаты, если длина плас- н превосходит их ширину. При сварке пластин разной ширины (В1 и В2) Р 1 Д„ = . (4.95) п₽ В^ + В^ (
П| рогиб / в середине пластин вычисляется по формуле / = ^-, (4-%) Ос 7
ГД е 7 — момент инерции сечения пластин относительно оси, см4, &(В, В2)‘‘ /2 • (4.97)
М и — изгибающий момент, Л/и = Рус№ (4.98)
у0 — расстояние от оси, проходящей через центр тяжести пластин
до точки приложения Рус).
Угол поворота концов пластин относительно друг друга (рад)
М„1
<₽ = _Л_
* Е^
(4.99)
Деформации тавра рассчитывают для каждого сварного соединения
в отдельности. После сварки шва (рис. 4.25) [42] в тавре возникают
прогиб, угловой поворот концов и продольное укорочение:
ЧЛ3
№ ’
(4.100)
Л1/
Л = ;
пр ЕР
М., = РУС1,
(4.101)
(4.102)
(4.103)
где Г. — длина балки, см; Г — площадь поперечного сечения тав-
ра, см2.
Рис. 4.25. Деформация тавровой балки при сварке углового шва.
Пря сварке углового шва для вычисления Рус по формуле (4.91)
принимают [219]
<?/осв = Ой\ (4.104)
гдей — катет углового шва, см; О —коэффициент, О = 30 000 Дж/см3
при автоматической и О — 40 000 Дж/см3 при ручной сварке.
При выполнении угловых сварных соединений (тавровых и нахлес-
точных) части погонной энергии, вводимые в свариваемые элементы,
определяются в зависимости от соотношения толщин. Погонная энер-
гия, вводимая в полку толщиной Ьп и в стенку толщиной йс, прибли-
женно вычисляется по формулам
о 2ЬП о Ь
” ^55^ <’ ,<8> (4106)
Деформации при сварке можно уменьшить или даже предотвратить.
Методы уменьшения деформации разделяют иа три группы в зависи-
мости от того, применяются они до сварки, в процессе сварки или
после сварки [170].
Методы, используемые до сварки, предусматривают прежде всего
рациональное конструирование сварного изделия (симметричное рас-
положение швов относительно оси конструкции, выбор минимально
допускаемых по расчету сечений швов, расположение швов на жест-
ких элементах с целью уменьшения деформаций листовых конструкций
и др.). Вырезку заготовок листовых и балочных конструкций и их
сборку под сварку часто осуществляют с учетом величины и характера
ожидаемых деформаций. Так, применяют сборку элементов под углом
с таким расчетом, чтобы после сварки соединение заняло прямолиней-
ное положение; раскрой стенки тавра с начальной кривизной и др.
Для компенсаций укорочений от продольной и поперечной усадки
принимают увеличенные начальные размеры конструктивных элемен-
тов. В ряде случаев эффективно создание деформаций, обратных сва-
рочным, закреплением изделия в приспособлениях. Закрепление сни-
мают после завершения сварки. К числу важных мер относится умень-
шение количества наплавляемого металла, использование способов
сварки и сварных соединений, требующих минимальных затрат погон-
ной энергии.
Методы, используемые в процессе сварки, заключаются в следую-
щем: выбор рациональной технологии сварки и в первую очередь
последовательности выполнения швов, обеспечивающей небольшие
суммарные деформации (например, при сварке листовых конструкций
сначала выполняют поперечные швы отдельных поясов, а затем свари-
вают пояса между собой); снижение погонной энергии при сварке;
уменьшение площади зоны пластических деформаций путем охлажде-
ния водой (например, в конструкциях из алюминиево-магниевых
сплавов сварочные деформации удалось снизить при использовании
прижимных полых планок, по которым циркулировала вода); закреп-
ление изделия в жестком приспособлении.
Методы, используемые после сварки, основаны иа применении тер-
мической правки (терморихтовки, термофиксации), а также иа созда-
нии пластических деформаций, обратных сварочным. При термической
правке осуществляют местный нагрев тех участков, усадка которых
может снизить или устранить остаточные деформации. Возможно при-
менение общего нагрева в соответствующей оснастке. Для создания
пластической деформации применяют изгиб, растяжение, прокатку ро-
ликами и др. Приложения ударных нагрузок следует избегать.
Глава 5
ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ
ЛЕГКИХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
5.1. Алюминий и его сплавы
Алюминий и сплавы на его основе являются одними из
самых легких и распространенных конструкционных материалов. Они
отличаются высокой технологичностью, большинство сплавов хорошо
деформируется, отливается, сваривается. Это позволяет получать изде-
лия довольно сложной формы, а физические, химические и электриче-
ские свойства материалов способствуют его широкому использованию
во всех отраслях техники.
Алюминий и его сплавы делятся по способу получения на деформи-
руемые, подвергаемые обработке давлением, и литейные, используе-
мые в виде фасонною литья; по применению термической обработки —
нз термически неупрочняемые и термически упрочняемые, а также по
системам легирования. Легирующими элементами в алюмпниев.ых
сплавах являются марганец, медь, литий, цинк, магний, кремний, желе-
зо, никель и др., модифицирующими добавками — титан, цирконий,
бор. Основные легирующие элементы определяют физические и хими-
ческие свойства сплавов. Марки свариваемых алюминиевых сплавов
и их химический состав приведены в табл. 1.33. Подробно сведения
о свойствах алюминия и его свариваемых сплавов в зависимости от
системы легирования и их механические свойства рассмотрены в рд-
боте [260], а общая характеристика закономерности взаимодействия
алюминия с легирующими элементами и виды термообработки алюми-
ниевых сплавов — в работе [144],
Металлургические и технологические особенности сварки. Для
алюминия и его сплавов применяют практически все промышленные
способы сварки плавлением и давлением. Газовую и дуговую сварку
угольными или графитовыми электродами, а также сварку вручную
покрытыми электродами к настоящее время используют редко. Наи-
более широкое распространение для изготовления конструкций, осо-
бенно ответственных, приобрела сварка в среде инертных газов. При
ЭЛС алюминия и некоторых его сплавов получаются швы, обладаю-
щие, высокими механическими свойствами. Автоматическая дуговая
сварка с использованием флюсов (полуоткрытой и закрытой дугой)
применяется для крупногабаритных конструкций, а ЭШС — для
сплавов больших толщин. Из способов сварки в твердом состоянии
широко, используется контактная сварка. Такие виды сварки, как
диффузионная и холодная для алюминия и особенно его сплавов, при-
меняются в ограниченных масштабах главным образом из-за трудно-
стей при создании особо чистых поверхностей соединяемых деталей,
свободных от оксидных пленок. Специфические теплофизические свой-
ства алюминия и его сплавов (высокая теплоемкость, теплопроводность
и. скрытая теплота плавления при сравнительно низкой температуре
плавления) определяют оптимальные параметры процесса сварки. Так,
при сварке алюминия плавлением необходим сварочный ток, превосхо-
дящий в 1,2—1,5 раза ток для стали, несмотря на то что температура
плавления алюминия значительно ниже, чем стали.
Затруднение при сварке вызывает также большая склонность ме-
талла шва к образованию пор и кристаллизационных трещин (особенно
характерных для сплавов на основе алюминия). На сплавах повышен-
ной прочности (например, легированных цинком и магнием) наблюда-
ется появление холодных трещин. Для их предотвращения применяют
предварительный подогрев изделия (или зоны расположения швов)
до температуры 250—400 °С. Предварительный подогрев также эффек-
та вен для снижения затрат погонной энергии, особенно при сварке
массивных деталей. Большая жидкотекучесть алюминия н малая его
прочность при температуре выше 550 °С обусловливают применение
подкладок при сварке.
Значительная усадка прн затвердевании сварного шва, а также
высокий коэффициент линейного расширения приводят к существен-
ным остаточным деформациям (большим, чем деформации конструкций
из малоуглеродистой стали). При сварке нагартоваиного алюминия
и термически упрочненных алюминиевых сплавов снижается прочность
сварного соединения по сравнению с прочностью основного металла,
что создает определенные трудности.
Существенные затруднения при сварке возникают вследствие лег-
кой окисляемости алюминия в твердом и расплавленном состояниях.
Образующаяся тугоплавкая пленка оксида алюминия А12О3 препят-
ствует формированию шва и является источником неметаллических
включений в металле шва. Для получения качественных соединений
при сварке плавлением необходимы защита шва от насыщения приме-
сями-газами атмосферы и принятие специальных мер для удаления
или разрушения пленки оксидов.
Подготовка к сварке. Качество сварных соединений из алюминия
и его сплавов в значительной степени определяется подготовкой поверх-
ности свариваемых кромок и электродной проволоки.
Перед сваркой тщательно удаляют жировую смазку, которой
покрывают полуфабрикаты при консервации. Поверхность металла
иа ширине 100—150 мм от кромки обезжиривают ацетоном, авиацион-
ным бензином, уайт-спиритом или другими растворителями. Пленку
оксидов, находящуюся под жировой смазкой, удаляют механическими
способами или химическим травлением. При механических способах
свариваемые кромки иа ширине 25—30 мм зачищают наждачной бума-
гой, шабером или металлической щеткой. Для щеток рекомендуется
использовать проволоку из нержавеющей стали диаметром не более
0,15 мм. Зачистка кромок шабером и металлической щеткой предпочти-
тельнее, так как не создает опасности загрязнения шва абразивом.
Шабрение рекомендуется выполнять непосредственно перед сваркой.
В случае удаления пленки оксидов химическим способом детали
травят в течение 0,5—1 мин в реактиве следующего состава (143]:
50 г едкого натра технического и 45 г фтористого натрия технического
на 1 л воды. После травления следуют промывка в проточной роде и
осветление в течение 1—2 мин в 30—35 %-ном растворе азотной кисло-
ты для алюминия и сплавов типа АМц или в 25 %-ном растворе орто-
фосфорной кислоты для сплавов типа АМг и В95. После повторной
промывки в пробочной воде обработка заканчивается сушкой сжатым
воздухом при температуре 80—90 °С до полного испарения влаги.
Подготовленная таким образом поверхность сохраняет свои свой-
ства в течение 3—4 дней. При более длительном хранении на зачищен-
ной поверхности адсорбируется влага из воздуха и образуется оксид-
ная пленка. Для того чтобы избежать дефектов швов, необходимо по-
вторно зачистить кромки. Изучению кинетики образования и структу-
ры оксидной пленки на поверхности алюминия посвящено большое
число исследований [86, 135. 220, 432, 446].
Для очистки поверхности алюминиевой сварочной проволоки ре-
комендуется следующая ее обработка [143]: промывка растворителем
для обезжиривания; травление в 15%-ном растворе технического едкого
натра в течение 5—10 мин при Т = 60 — 70 °С; промывка в холодной
воде, сушка, дегазация при Т — 350 °С в течение 5—10 ч при вакууме
0,133 Па (вакуумная сушка). Операция вакуумирования может быть
заменена прокалкой в атмосфере воздуха при температуре 300 °С в те-
чение 10—30 мин.
Хорошие результаты по очистке поверхности алюминиевой прово-
локи дает электрополирование ее поверхности. В качестве электролита
используют раствор следующего состава: 70 мл Н3РО4, 300 мл Н2ЗО4,
42 г Сг2О3. Полирование происходит при температуре 95—100 °С. Для
каждого диаметра проволоки при постоянной скорости протяжки
ее через ваииу существует минимальная величина тока, при котором
возможен процесс полирования. Так, при скорости протяжки 100 м/ч
электрополирование проволоки марки АМгб диаметром 1,6 мм воз-
можно при токе 19,8 А, а диаметром 2,5 мм — при токе 130 А [349].
Для уменьшения пористости швов и удаления адсорбированной
влаги после химической обработки рекомендуется сварочную прово-
локу подогревать в инертном газе при Т = 200 ч- 480 °С в течение
30—80 мин. Подогрев проволоки в аргоне снижает содержание адсор-
бированной влаги не менее чем в 5 раз [4].
Требуемая чистота кромок и сварочных материалов достигается при
сварке изделий из алюминия и его сплавов на специально оборудован-
ных участках.
Газовая сварка. Этот способ осуществляется с использованием
ацетилена. В отдельных случаях возможно применение пропан-бутано-
вой смеси и метана. Сварка производится нормальным пламенем при
незначительном избытке ацетилена (р = 1,1 4- 1,2). При выборе го-
релки исходят из расхода примерно 100 л/ч ацетилена на 1 мм толщины
основного металла. Номер наконечника выбирают в зависимости от
толщины свариваемого металла:
Ь, мм 1—1,5 2—4 4—6 7-9 10—12 14—16
Номер наконечника (при 1 2 3 4 5 6
ацетилеио-кислородном
пламени)
При сварке пропан-бутановым или метановым пламенем выбирают на-
конечник на одни-два номера больше, чем при использовании ацети-
лена.
Для защиты металла от окисления газами пламени и удаления воз-
можных оксидов с кромок деталей при сварке применяют специальные
флюсы (см. гл. 3). Наибольшее распространение получил флюс АФ-4А,
который обладает лучшими технологическими свойствами. Диаметр
присадочной проволоки выбирают в зависимости от толщины свари-
ваемого металла:
Ь. мм 1,5 1,5-3 3—5 5—7 7—10
мм 1,5—2 2—3 3—4 4—4,5 4,5—5,5
Сварка алюминия и его сплавов выполняется «левым» способом.
Длинные швы сваривают с применением прихваток при шаге от 15 мм
(Ь =Д 4- 1,5 мм) до 35—40 мм (4=44-5 мм). Металл (Ь — 4 мм)
сваривают без разделки кромок, в один проход. Для металла больших
толщин выполняют разделку кромок (табл. 5.1) [264]. При сварке тон-
колистовых конструкций применяют отбортовку кромок, а также спе-
циальные меры для борьбы с короблением (дополнительные жесткости
в виде выштампованных зиговок, располагаемых вдоль свариваемых
кромок, и др.). При сварке листов толщиной более 8—10 мм произво-
дят общий или местный подогрев газовой горелкой до температуры
250—300 °С. После сварки остатки флюса удаляют, так как они могут
привести к разъеданию шва и основного металла. Для этой цели швы
промывают теплой или подкисленной водой (2%-ным раствором хромо-
вой кислоты). Прн заварке дефектов литья также рекомендуются пред-
варительный подогрев деталей до 300 °С и их отжиг после сварки.
Таблица 5.1. Подготовка кромок стыковых соединений алюминия
при газовой сварке
Ь, мм Тип разделки кромок Угол разделки, град Притупле- ние, мм Зазор, мм Расход присадки, г/м шва
1.5 Без разделки 1 49
2 — — 1,5 64
3 — — 2 117
4 —- — 2 145
5 Односторонняя 70 1,5 2 176
6 11-образная 70 1,5 2 216
7 70 2 2,5 267
8 70 2 2,5 318
9 70 2 2,5 396
10 90 3 3 564
12 Двустоооияя 90 3 2,5 583
14 Х-образиая 90 3 3 737
16 90 4 3,5 908
18 90 4 3,5 4070
20 90 4 4 1448
Механические свойства сварных соединений прн газовой сварке,
как правило, несколько ниже свойств основного металла [349]: предел
прочности соединений из технического алюминия 63,8—86,8 МПа, из
сплавов АМц — 86,8 — 112,8 МПа, АМг5 — 176,6 — 215,8 МПа.
Дуговая сварка. Сварка угольным или графито-
вым электродом применяется редко (например, при соединении
электрических шив и др.). Она выполняется постоянным током прямой
полярности (минус на электроде). Сваривают стыковые соединения
и с отбортовкой кромок. Применяют стальные, алюминиевые или гра-
фитовые подкладки. Концы электродов затачивают на конус под углом
60—70 °С. Металл толщиной до 2—2,5 мм сваривают без разделки ‘кро-
мок; при большей толщине металла стык собирают с зазором или: вы-
полняют разделку кромок (угол разделки а = (70 4- 90°). Диаметры
электрода и присадочной проволоки выбирают в зависимости от тол-
щины свариваемого металла (табл. 5.2) [293].
При сварке применяют флюсы, аналогичные по составу флюсам для
газовой сварки (см. гл. 3). Механические свойства сварных соединений
близки к свойствам соединений, получаемых при газовой сварке.
Ручная сварка покрытыми электродами
применяется в основном при изготовлении малонагруженных кон-
208
Таблица 5.2. Ориентировочные режимы сварки алюминия и его сплавов
графитовым электродом
Ь, мм йэ, мм ^пр. п» мм ^СВ’ А
3—4 8 4—5 120—200
4—7 10 4—5 200—280
7—10 15 6—8 280—370
10-15 15 8—12 370—500
струкций нз технического алюминия, алюминиевых сплавов типа АМц
н АМг, содержащих до 5 % Мд, а также изделий из силумина. Сварка
производится постоянным током обратной полярности. Для ручной
сварки алюминия необходим подогрев (для металла средних толщин —
до 250—300 °С, для больших толщин — до 400 °С\ который позволяет
получать требуемое проплавление при умеренных сварочных токах.
При сварке крупногабаритных конструкций часто используют пред-
варительный подогрев лишь отдельных участков. Наиболее приемле-
мым типом сварного соединения для алюминия является стыковое.
Соединений внахлестку и тавровых избегают, так как возможно зате-
кание шлака в зазоры, из которых его трудно удалить при промывке
после'сварки. Наличие шлака в зазоре может вызвать коррозию металла.
Минимальная толщина свариваемого металла обычно составляет
4 мм4 При сварке металла толщиной до 20 мм ие требуется разделка
кромок. Стыки ссбираются с зазором, который не.должен превышать
0,5—1 мм. Сварка производится на стальных подкладках, как пра-
вило, с двух сторон. Для сварки металла толщиной более 20 мм выпол-
няют разделку кромок с общим углом раскрытия 70—90 °, притупле-
нием, 3—5 мм и зазором 1,5—2 мм.
.Техника сварки алюминия отличается от техники сварки стали.
Различия обусловлены прежде всего тем, что алюминиевый электрод
расплавляется в 2—3 раза быстрее стального. В связи с этим скорости
сварки алюминия должны быть соответственно выше. Применяемые
для алюминиевых электродов обмазки имеют значительное электро-
сопротивление. При случайных обрывах дуги кратер покрывается кор-
кой шлака, препятствующей повторному зажиганию Дуги. Такой же
коркой покрывается конец электрода. Поэтому сварку алюминия ре-
комендуется выполнять непрерывно в пределах одного электрода.
Сварку ведут без колебания конца электрода.
Сварочный ток выбирают по диаметру электродного стержня в за-
висимости от толщины основного металла (табл. 5.3) [264]. Для обеспе-
чения устойчивого процесса сварки при минимальных потерях на раз-
брызгивание рекомендуется принимать сварочный ток из расчета не
болре 60 А на 1 мм диаметра электрода. Тавровые и нахлесточные сое-
динения сваривают на режимах, рекомендуемых для стыковых соеди-
нений из металла такой же юлщины при двусторонней сварке. Угловые
швы имеют катеты не менее 6X6 мм в связи с трудностью выполнения
швов электродами малого сечения (менее 5 мм), которые плавятся
с большой скоростью. Например, ручная сварка электродами ОЭА-1
производится короткой дугой. Перед сваркой электроды рекомендуется
просушить при температуре 150—200 °С.
Прихватку кромок выполняют с предварительным подогревом до
200— 250 Т. Прихватки, а также нижележащие слои при многослойной
Таблица 5.3. Ориентировочные режимы ручной дуговой сварки алюминии
и его сплавов покрытыми электродами
Ь, мм мм Расход электродов г/м шва Л:в» А Уд. в В, мм
е 5 132 280—300 30—34 10
8 е 171 300—320 30—34 14
10 6-7 247 320—380 30—34 16
12 8 288 350—450 32—36 20
14 8 451 400—450 32—36 22
16 8 685 400—450 32—36 24
18 8—10 916 450—500 32—36 26
20 8—10 1178 500—550 32—36 28
сварие тщательно зачищают от шлака и оксидов. После сварки остатки
шлака промывают теплой водой с помощью волосяной щетки. Для
придания шву нормального блеска применяют последующее травление
в 5—10 %-ном растворе азотной кислоты.
При сварке алюминия вручную покрытыми электродами получаемые
соединения обладают удовлетворительными механическими свойствами
[142]. Лучшие показатели прочности и пластичности, а также корро-
зионной стойкости сварных соединений (табл. 5.4) обеспечиваются
при использовании электродов с обмазкой ЭА-1, на основе которой
созданы современные отечественные электроды типа ОЭА-1. Такие
электроды позволяют получать сварные соединения с пределом проч-
ности до 83,4 МПа и углом загиба 180°. Сварка электродами ОЭА-2
алюминиевых литейных сплавов типа АЛ обеспечивает ов >• 98,1 МПа,
6 >4 %.
Таблица 5.4. Мехавические свойства и данные коррозионной стойкости
сварных соединений алюминия АДОО, выполненных электродами трех
марок
Марка ав, МПа а, град Скорость коррозии в кипящей 98 %-ноЛ
НГчОа, г/м* • ч, при продолжительности, ч
24 48 72 96 Г 20
ЭА-1 80,3 180 0,636 0,490 0,570 0,527 0,509
ЭА-11Ф1 76,9 166 0,814 0,684 0,623 0,546 0,583
ВАМИ 75,7 114 0,846 0,571 0,591 0,529 0,616
Автоматическая сварка с применением
флюсов. 1. Сварка по флюсу используется при изготовлении кон-
струкций типа цистерн, котлов и емкостей из технического алюминия
и сплава АМц толщиной 10—30 мм. Сварка по флюсу производится
постоянным током обратной полярности от стандартных источников
с пологопадающей или жесткой внешней характеристикой. Флюсы
для сварки алюминия состоят из галогенидов и криолита (см. гл. 3).
Такие флюсы практически не взаимодействуют с жидким алюминием,
защищают сварочную ванну от воздействия газов атмосферы и удаляют
из нее оксид алюминия.
Благодаря высокой концентрации энергии при сварке алюминия
по флюсу достигается глубокое проплавление основного металла. При
равных токах глубина проплавления алюминия в 2—3 раза выше, чем
стали. Свариваемые кромки подогреваются теплотой достаточно мощ-
ной дуги, поэтому при сварке по флюсу не требуется предварительный
подогрев свариваемых деталей посторонним источником теплоты.
Вследствие глубокого проплавления отпадает необходимость в скаши-
вании кромок металла толщиной 20—25 мм и более. Сварка может
выполняться одной электродной проволокой (табл. 5.5) [2641 или дву-
мя, одновременно подаваемыми в сварочную ванну (так называемая
Таблица 5.5. Ориентировочные режимы автоматической сварки алюминия
по флюсу одной электродной проволокой
Ь, мм мм ^СВ' А “св- м/ч Слой флюса, мм
Высота Ширина
4 1.0—1,1 140—160 24—26 7 25
6 1.2—1,3 170—180 24—26 8 26
8 1,4—1,5 190—210 20—22 9 26
10 1,6—1,7 220—250 20—22 9 27
12 1,8—1,9 260—280 18—19 10 27
14 2,1—2,3 300—350 17—18 11 29
16 2,5—2,6 350—370 16—17 11 32
18 2,8—2,9 400—450 15—16 12 32
20 3,0—3,1 450—470 14—15 14 40
22 3,2—3,3 470—480 13—14 15 44
25 3,5—3,7 500—550 12—13 16 46
сварка расщепленным электродом) (табл. 5.6) [142]. Сварка одной
проволокой выполняется на стальных подкладках, как правило, дву-
сторонними швами. Сварка расщепленным электродом имеет ряд
преимуществ: уменьшаются требования к сборке и точности поджатия
подкладок, сварку можно производить на флюсовой подушке, рас-
пределение энергии по сечению шва получается более благоприятным
и опасность прожогов металла резко снижается, повышается стойкость
швов против образования пор. Расщепленный электрод применяется
при сварке стыковых соединений из алюминия толщиной более 12 мм.
Таблица 5.6. Ориентировочные режимы автоматической сварки
алюминии по флюсу расщепленным электродом
Ь, мм им Расстояние между осями проволок, мм Сумыар** ный ток, А "д.в “св. “/Ч Слой флюса, мм
Высота Ширина
12 1.6 7—9 320—340 34—36 17—18 11 30
16 2,0 8—10 400—450 38—40 15—16 12 42
20 2,5 9—12 460—500 38—40 12—14 16 46
При сварке по флюсу обеспечиваются высокие механические свой-
ства сварных соединений (табл. 5.7) [7].
Таблица 5.7. Механические свойства сварных соединений из алюминия
и его сплавов при сварке по флюсу
Свариваемый металл Электродная проволока Флюс ав, МПа а, град
А1 АД1 АН-А1 68,7 — 78,5 180
АМц АМц АН-А1 122,6— 137,3 150—180
АМгб АМгб МАТИ-10 274,7 — 304,1 40—70
Для обеспечения хорошего формирования швов и легкой отдели-
мости шлаковой корки высота слоя строго ограничивается и не должна
превышать оптимальных значений, выбираемых в зависимости от режи-
мов сварки (см. табл. 5.5, 5.6). Шлак должен покрывать шов тонким
слоем. Для начала и окончания швов рекомендуется использовать вы-
водные планки. Это позволяет предотвратить дефекты в швах. Планки
привариваются вручную с предварительным подогревом.
Для автоматической сварки по флюсу разработаны специальные
тракторы, отличающиеся конструкцией отдельных узлов.
2. Сварка под флюсом (закрытой дугой) производится при больших
плотностях тока, благодаря чему достигается глубокое проплавление
металла и не требуется разделка кромок. Сварка выполняется рас-
тепленным электродом переменным или постоянным током на обратной
полярности (табл. 5.8).
Таблица 5.8. Ориентировочные режимы автоматической сварки
алюминия под флюсом расщепленным электродом
Ь, мм Флюс (!э, мм Л: в» А уд. в "си- М/Ч "под- м/ч
14 ЖА-64 3,0 550—620 28—34 13 184
34 ЖА-64А 2,5 1100—1200 32—36 13 476
40 ЖА-64А 3,0 1400—1500 34—38 13 496
. 50 ЖА-64А 3,0 1800—1900 36—38 13 624
62 ЖА-64 А 3,6 1900—2100 36—42 8 515
Применяемые флюсы ЖА-64 и ЖЛ 64А (см. гл. 3) обеспечивают
получение удовлетворительно сформированных швов без дефектов
(пор, трещин, шлаковых включений и др.). Сварные швы, выполненные
на алюминии марки АДОО и под флюсом ЖА-64А электродной проволо-
кой той же марки, что и основной металл, имеют <тв = 72,6 -4- 74,6 МПа
и угол загиба 180° [271]. При сварке под флюсом по сравнению со свар--
кой полуоткрытой дугой улучшаются условия труда сварщиков. !
Сварка в инертных газах — наиболее распространенный
способ сварки, применяющийся для изготовления сварных конструк-
ций из алюминиевых сплавов ответственного назначения. Сварка
выполняется неплавящимся вольфрамовым электродом (механизиро-
ванная и ручная) н плавящимся электродом (полуавтоматическая и
автоматическая). В качестве защитного инертного газа используют
в основном аргон первого сорта или гелий высокой чистоты, а для свар-
ки плавящимся электродом.— смесь аргона с гелием. Выбор вида свар-
ки в инертных газах определяется толщиной металла, конструкцией
изделия и масштабами производства. !
Таблица 5.9 Ориентировочные режимы ручной аргонодуговой и гелневодуговоЙ сварки алюминия неплавящимся
электродом
Тип соединения Ь, мм (1э, мм Аргон Гелий Число проходов
Вольфрамовый электрод Присадочная проволока ^св* А Расход газа, л/мин ^СВ» А Расход газа, л/мин
С отбортовкой кро- 1,0 1,0 — 45—50 4—5 35—40 12—15 1
мок 1,5 1,5—2,0 — 70—75 5—6 50—60 18—20 1
2,0 1,5—2,0 — 80—85 7—8 65—75 20—22 1
Встык, без разделки 2,0 1,5—2,0 1,0—2,0 55—75 5—6 50—60 18—20 1
кромок, односторон- 3,0 3,0—4,0 2,0—3,0 100—120 7—8 80—100 24—30 1
4,0 3,0—4,0 2,0—3,0 120-150 8—10 90—120 26—31 1
Встык, без разделки 4,0 3,0-4,0 3,0—4,0 120—180 7—8 100—160 20—26 2
кромок, двустороннее 5,0 4,0—5,0 3,0—4,0 200—250 8—10 160—200 22—28 2
6,0 4,0—5,0 3,0—4,0 240—270 8—10 200—240 22—28 2
Встык, с разделкой 6,0 4,0—5,0 3,0-4,0 220—280 7—8 180—240 20—26 3
кромок 8,0 4,0—5,0 4,0—5,0 270—300 9—12 250—280 27—35 3
10,0 5,0-6,0 4,0—5,0 270—300 9—12 250—280 27—35 5
Тавровое, угловое и 2—4 2,0—4,0 1,5—4,0 100—200 5—7 80—160 16—18 1—2
нахлесточное 4—8 4,0—5,0 3,0—4,0 200—300 7—8 180—250 20—24 2—4
10 5,0—6,0 4,0—5,0 270—320 9—10 250—300 25—28 2—4
I. Сварка неплавящимся электродом диаметром 2—6 мм целесо-
образна для алюминия и его сплавов толщиной до 12 мм. Металл тол-
щиной до 3 мм сваривают за один проход иа стальной подкладке; при
толщине металла 4—6 мм сварку выполняют с двух сторон, а начиная
с толщины 6—7 мм, применяют разделку кромок (V- или Х-образ-
иую).
При ручной сварке металла толщиной до 5—6 мм используют
вольфрамовые электроды диаметром 1,5—5 мм. Максимальный свароч-
ный ток выбирают в зависимости от диаметра электрода по уравнению
[342]
/сп = (60 65) <*э. (5.1)
Питание дуги осуществляют от источника переменного тока, что обе-
спечивает разрушение оксидной пленки. Скорость сварки обычно со-
ставляет 8—12 м/ч.
С целью обеспечения эффективной газовой защиты для каждого
режима сварки устанавливают оптимальный расход газа (табл. 5.9)
[65]. Надежность защиты в процессе сварки определяется также диа-
метром и формой сопла горелки, расстоянием сопла от поверхности
свариваемого изделия и другими факторами (например, отсутствием
сквозняка на участке сварки). Рекомендуются следующие диаметры
сопла горелки в зависимости ог диаметра электрода [65|;
Диаметр вольфра- 2—3 4 5 6
мового электрода,
мм
Диаметр выходного 10—12 12—16 14—18 16—22
отверстия сопла,
мм
При сварке стыковых соединений применяют присадочную проволоку
диаметром 1—5 мм. Соединение с отбортовкой кромок целесообразно
для металла толщиной 0,8 — 2 мм.
При выполнении швов на алюминии вручную неплавящимся элек-
тродом особые требования предъявляются к технике сварки. Угол
между присадочной проволокой и электродом должен составлять
около 90°. Присадка подается короткими возвратно-поступательными
движениями. Недопустимы поперечные колебания вольфрамового
электрода. Длина дуги обычно не превышает 1,5—2,5 мм, а расстоя-
ние от выступающего конца вольфрамового электрода до нижнего среза
наконечника горелки при стыковых соединениях — 1 —1,5 мм, при
тавровых (угловых) — 4—8 мм.
Для уменьшения опасности окисления размеры сварочной ванны
должны быть минимальными. Сварку металла толщиной до 10 мм обыч-
Таблица 5.10. Ориентировочные режимы механизированной
аргоиодуговой сварки неплавящимся электродом алюминиевого
сплава АМгб
Ь, мм ^св* ид. В осв, м/ч Расход аргона, Л/МКН
3 185 12 15 25
10 580 16 10,5 25
14 680 18 5 30
Примечание. Сварка выполняется за одни проход.
Рис. 5.1. Некоторые типы конструктивных элементов подготовки кромок
под сварку [65].
но ведут т. н. «левым» способом, который позволяет снизить перегрев
свариваемого металла. Скорость сварки должна соответствовать элек-
трическому режиму и расходу инертного газа. Чрезмерный расход газа
приводит к его турбулентному истечению и засасыванию в зону дуги
воздуха, т. е. к нарушению газовой защиты. При малом истечении
газа или чрезмерно большой скорости сварки защита зоны сварки
будет недостаточной. Давление аргона в зависимости от расхода уста-
навливается в пределах. 0,01—0,05 МПа. Подачу аргона включают за
3—5 с до возбуждения дуги, а выключают через 5—7 с после обрыва
дуги. Включение и выключение подачи удобнее всего осуществлять
с помощью электромагнитного клапана, который устанавливается
в цепи аппаратуры управления.
Для механизированной сварки используют токи, большие, чем при
ручной (табл. 5.10) [265]. Сварку выполняют за один проход или дву-
сторонними швами. Разделку кромок рекомендуется производить на
металле толщиной более 6 мм (рис. 5.1). При автоматической сварке не-
плавящийся электрод обычно располагается вертикально, а приса-
дочная проволока подается таким образом, чтобы ее коиеи опирался на
край сварочной ванны. Для сварки алюминия и его сплавов неплавя-
щимся электродом выпускаются специализированные установки
УДГ-501, полуавтоматы ПШВ-1, ПШВ-3, автомат АДНГ-ЗООи др.
Наряду с переменным током достаточно широко применяют сварку
неплавящимся электродом на постоянном токе прямой полярности
[217, 453], которая по сравнению с обычно применяемыми способами
сварки алюминия имеет ряд отличительных особенностей. В качестве
защитного газа целесообразно использовать гелий, физические свойства
которого и прямая полярность влияют иа концентрацию тепловой
энергии дуги, передаваемой изделию, и обеспечивают более глубокое
проплавление металла. Высокая концентрация энергии дуги способ-
ствует получению узких швов и уменьшению размеров ЗТВ, что осо-
бенно важно при изготовлении конструкций из термически упрочняе-
мых алюминиевых сплавов. Этот способ не требует сложной разделки
кромок, дает меньше дефектов в сварных швах, требует меньшего коли-
чества присадочного материала. Высокая проплавляющая способность
телиеводуговой сварки прямой полярности позволяет выполнять соеди-
нения толщиной до 20 мм без разделки кромок [34] (табл. 5.11).
Низкая теплован нагрузка на неплавящийся электрод дает возмож-
ность придавать рабочему торцу необходимую геометрию, избегать его
расплавления и попадания вольфрама в сварной шов |95].
Прн сварке алюминиевого сплава типа АМг4 толщиной 12 мм встык
без разделки кромок за один проход в нижнем, горизонтальном и верти-
кальном положениях использовались торированные вольфрамовые
электроды диаметром 4 мм [453]. Оптимальный расход гелия составлял
35—46 л/мин, /св = 360 ~ 410 А; (/д = 14 -5- 16 В; % = 9,1-г
Таблица 5.11. Сравнительные режимы однопроходной сварки сплава 1201
ь, мм Способ сварки ^СВ» А ссв, м/ч «7/с, Дж/см
4 Гелиеводуговая 160 25 142,8
Аргонодуговая 200 12 276,0
10 Гелпеводуговая 350 12 648,0
Аргоно дуговая 580 10 792,0
20 Гелиеводуговая 550 6 2052,0
4- 10,6 м/ч. Для формирования обратного валика при сварке приме-
няли подкладки из стали. Оптимальные размеры подкладки: толщина
9,5 мм, ширина 75 мм, ширина каиавки 8 мм, глубина каиавки 0,4 мм.
Канавка имеет форму желоба с радиусом Г2 мм.
Важным параметром процесса, существенно влияющим на ка-
чество сварного соединения, является расстояние от конца электрода
до поверхности свариваемых пластин. Если это расстояние положитель-
но (т. е. торец электрода находится над поверхностью свариваемых
пластин), то отношение глубины проплавления к ширине шва всегда
меньше единицы. В том случае, когда это расстояние отрицательно
(торец электрод^ погружен ниже уровня поверхности пластины), то
отношение глубины проплавления к ширине шва больше единицы.
В начальный момент сварки это расстояние должно быть положитель-
ным. После достижения стабильности дугового процесса (3—5 с) сва-
рочную горелку нужно переместить к пластине, чтобы обеспечить
заданное погружение электрода относительно свариваемой пластины.
Оптимальные режимы сварки (табл. 5.12) [217] обеспечивают высокое
качество сварных швов. Механические свойства соединений из сплава
АМгб прн механизированной гелиеводуговой сварке погруженным
электродом выше, чем при многослойной ручной дуговой сварке
(табл. 5.13). Жесткие технологические требования при сварке на пре-
дельно короткой дуге с погружением ее в основной металл вызывают
необходимость применения автоматической системы для поддержания
заданного напряжения дуги — АРНД. Применительно для гелиево-
Таблица 5.12. Оптимальные режимы сварки сплава АМгб погруженным
вольфрамовым электродом
Ь> мм ^св* в усв, «/ч Расход гелия, л/мни Погружение электрода, мм
10 350—400 11 10 22 2,0-4,5
18 470—500 11 7 22 3,0—4,0
Таблица 5.13. Механические свойства сварных соединений сплава АМгб
Способ сварки ств, МПа а, град ан, кДж/Л1!
Механизированная гелиеводуго- вая погруженным электродом 310,0 67,2 382,5
Ручная аргонодуговая 266,8 63,0 284,5
дуговой сварки в ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР разработаны сва-
рочные горелки с подвижным цангодержателем и электронный блок
управления положением электрода. Конструкция горелок позволяет
задавать высокие скорости перемещения электрода, что обеспечивает
необходимую точность поддержания напряжения дуги [34]. Техниче-
ская характеристика горелок приведена в табл. 5.14.
Таблица 5.14. Техническая характеристика сварочных горелок
для гелиеводуговой сварки
Параметр Тип горелки
А-1736-1 А-1736-2
Сварочный ток, А Диаметр электрода, мм Скорость перемещения электрода, мм/с Ход электрода, мм Диаметр сопла, мм Охлаждение цангодержателя и сопел 315 2; 3; 5 5—6 ± ю 9; И; 14; 15 Воздушное 630 3; 4; 5; 6; 8; 10 5—6 ±10 20; 25; 30 Водяное, воздушное
Примечание. Применяется электродвигатель МН145.
При сварке пластин погруженной дугой без применения присадоч-
ной проволоки на поверхности шва образуется канавка. В этом случае
для заполнения канавки и формирования усиления сварного шва не-
обходим дополнительный проход с применением присадочной про-
волоки.
Важным вопросом при сварке алюминия и его сплавов является
необходимость разрушать оксидную пленку во время сварки. При
сварке на переменном токе или током обратной полярности разруше-
ние оксидной пленки происходит вследствие катодного распыления,
действие которого невозможно в дуге прямой полярности. При сварке
на прямой полярности и использовании гелия в качестве защитной
среды возникают условия, способствующие развитию реакции диссо-
циации оксидов и разрушению пленки вследствие термохимической
реакции с образованием газообразного соединения А12О [346]. Поэто-
му для получения высокого качества сварного шва необходима тща-
тельная хими ческая и механическая очистка свариваемых кромок
металла [453].
Весьма эффективна для алюминиевых сплавов сварка иеплавя-
щимся электродом на асимметричном переменном токе [129]. При таком
способе сварки, осуществляемом при питании от специального источ-
ника тока промышленной частоты типа ОАРС, токи при прямой и об-
ратной полярности различаются. Выбор соответствующих токов позво-
ляет обеспечить необходимую катодную обработку сварочной ванны
в период действия тока обратной полярности и увеличить проплавляю-
щую способность дуги путем воздействия усиленных импульсов тока
прямой полярности. Сварочный ток в этом случае характеризуется
коэффициентом асимметрии
*ас = , ’ <5'2>
1 п.п "Г 'о.п
где 7П п 10 п — средние значения тока соответственно прямой и обратной
полярности, А.
Питание дуги асимметричным переменным током наиболее целесо-
образно производить при к— 0,2 0,8. При этом обеспечивается
возможность активно воздействовать на форму шва и сохраняется
удовлетворительное сочетание стойкости неплавящегося электрода и
степени катодной очистки. Максимальным проплавляющим воздей-
ствием характеризуется дуга при #ас ~ 0,6. При сварке на асиммет-
ричном токе можно снизить затраты погонной энергии (табл. 5.15)
[129) и благодаря этому сузить участок разупрочнения по сравнению
со сваркой на переменном токе пли на постоянном обратной поляр-
ности. Сварные соединения, выполненные на асимметричном перемен-
ном токе, отличаются хорошим формированием. Механические свойства
соединений из сплава АМг5 следующие: ов = 294,3 -4- 304,1 МПа,
<= 150 4- 155 °.
Таблица 5.15. Ориентировочные режимы сварки стыковых соединений
из алюминиевого сплава АМг5 разными способами
Род тока, источник питания &ас ^п. п, А 'о. п, А /, А "д. в Дж/см
Асимметричный переменный, 0,72 115 45 205 10 266
ОАРС-5 0,56 97 75 200 11 278
0,35 60 ПО 195 12 292
Переменный, УДГ-501 — — — 185 13 290
Постоянный, ВС-500 — — — 135 18 368
Примечание. Ь= 3 мм.
В. П. Черныш показал, что для интенсификации катодной очистки
ванны от оксидной пленки и снижения содержания ее включений
в швах может быть применена сварка дугой, помещенной в аксиальное
магнитное поле. При перемещении катодного пятна дуги, вращающейся
в таком поле по траектории, близкой к круговой, п одновременном
передвижении дуги вдоль стыка со скоростью сварки катодным пятном
обрабатывается практически вся площадь сварочной ванны. В этих
условиях время очистки от оксидной пленки сокращается в 3—5 раз.
Необходимая индукция внешнего магнитного поля не превышает
15—18 мТл.
Производительность сварки неплавящимся электродом иа пере-
менном токе можно повысить в 3—5 раз прн использовании трехфазной
дуги . Этот способ основан на том, что дуги горят в одном факеле между
двумя изолированными друг от друга вольфрамовыми электродами,
а также между каждым из них и изделием. Вследствие этого резко воз-
растает тепловая мощность дуги, улучшается ее стабильность. Трех-
фазной дугой можно сваривать без разделки кромок за один проход
(на подкладке из меди или нержавеющей стали) алюминий толщиной
до 30 мм (табл. 5.16) [99].
Стабильное возбуждение и горение дуги обеспечиваются прн оп-
тимальном расстоянии между электродами, которые можно найти из
соотношения
а = ( 0,5-4- 0,75) с19, (5.3)
где а — расстояние между торцами электродов, мм.
Глубину и ширину проплавления наряду с выбором соответствую-
щего тока можно регулировать и расположением электродов: последо-
218
Таблица 5.16, Ориентировочные режимы аргонодуговой сварки алюминия
трехфазной дугой
6, мм Способ сварки <13, мм Л:в* ^св* м/ч Примечание
Нейла- ВЯЩНЙСЯ электрод Приса- дочная прово- лока
2 6 Ручная » 1,5—2 3 2—3 3 60 150 10—12 8-12 Сварка на весу То же
10 Механизи- рованная 8 2 390—430 28—30 Сварка без раз- делки, на под- кладке
14 10 2 500—540 13—15 То же
20 » 10 2,5 520—550 7—8 » »
30 10 2,5 620—650 4—6 » »
нательное расположение увеличивает глубину проплавления и умень-
шает ширину шва, поперечное расположение относительно осн шва
уменьшает глубину проплавления и увеличивает ширину шва.
Питание трехфазной дуги осуществляют от двух стандартных
однофазных трансформаторов, соединенных открытым треугольником,
или от специальных трансформаторов, предназначенных для трехфаз-
ион сварки (например, ТТСД-1000 и др.) [255]. С целью увеличения
допустимого предела плотности тока н его величины в сварочную цепь
переменного тока вводят постоянную составляющую (до 10—15 %
общей величины тока). Это позволяет значительно расширить диапазон
толщин, свариваемых за один проход [99|. До последнего времени трех-
фазиая дуга применялась в основном для автоматической сварки алю-
миниевых сплавов. Использование ее при ручной сварке (например,
в монтажных условиях на строительстве) ограничивалось отсутствием
надежного и удобного в работе оборудования, в частности горелок.
В настоящее время разработаны источник питания ИТД-350 н днух-
электродная горелка типа ГАСТ-6Р [235[. Горелка рассчитана на мак-
симальный ток в электродах 350—400 А, что эквивалентно силе тока
в изделии 600—690 А. При такой сравнительно большой токовой на-
грузке горелка ГАСТ-6Р имеет массу 0,48 кг, что в 3 раза повышает
ее эффективность по сравнению с одноэлектродпыми горелками. Техни-
ческая характеристика горелок УДАР (большая) и ГАСТ-6Р приве-
дена ниже:
Максимальный сварочный
ток, А
Габаритные размеры, мм
Отношение максимального
тока к массе, А/кг
УДАР ГАСТ-6Р
(большая)
550 690
350 X 58 X 200 200 X 45X110
500 1437
Для сварки алюминия и его сплавов малых толщин применяется
импульсная сварка неплавящимся электродом с питанием от специаль-
ных импульсных источников юка [349|. Стыковые соединения из алю-
минии толщиной 0,2—1 мм сваривают на стальных подкладках с фор-
мирующей канавкой и использованием присадочной проволоки диа-
метром 0,6—0,9 мм. При этом коробление стыка снижается по сравнению
с обычной сваркой неплавящимся электродом на 40—60 %.
2. Сварка плавящимся электродом—экономичный способ сварки
алюминия и его сплавов толщиной более 4 мм. Надежное разрушение
пленки оксидов при таком способе автоматической и полуавтоматиче-
ской сварки в аргоне, гелии или смеси этих газов достигается лишь при
питании дуги постоянным током обратной полярности. Механизм уда-
ления оксидной пленки в этом случае заключается в разрушении и
распылении ее тяжелыми положительными ионами, бомбардирующими
катод (используется так называемый эффект катодного распыления)
[33]. Недостаток способа сварки алюминия плавящимся электродом —
некоторое снижение по сравнению со сваркой неплавящимся электро-
дом показателей механических свойств. Так, для сплава АМгб сниже-
ние предела прочности может достигать 15 % [265]. Уменьшение проч-
ности шва объясняется тем, что электродный металл, проходя через
дуговой промежуток, перегревается в большей степени, чем присадоч-
ная проволока при сварке неплавящимся электродом. К преимуще-
ствам этого способа сварки относятся хорошее перемешивание свароч-
ной ванны и в связи с этим лучшее очищение шва от оксидных включе-
ний, а также высокая производительность.
Для сварки применяют проволоку диаметром не менее 1,2—1,5 мм,
так как нз-за недостаточной жесткости сварка алюминиевой проволо-
кой меньшего диаметра затруднена. При использовании проволоки
указанных диаметров устойчивый процесс можно получить при токах
не менее 130—140 А, позволяющих сваривать за один проход металл
толщиной 4—5 мм (табл. 5.17, 5.18) [65]. При сварке в горизонталь-
ном или потолочном положении сварочный ток уменьшается на 10—
15 % . Для питания дуги используют источники тока с жесткой внешней
характеристикой.
Рабочее давление инертного газа такое же, как и при сварке
неплавящимся электродом. Рекомендуется устанавливать расстояние
между нижним срезом наконечника горелки и поверхностью изделия
Таблица 5.17. Орнентировочные режимы полуавтоматической аргоно-
дуговой сварки алюминия плавящимся электродом
Тип соединения д, мм (1э, мм 'св- А Уд. В УСВ’ м/ч Рас- ход арго- на, л/мин Число прохо- дов
Встык, без раздел- 4—6 1,5—2,0 140—240 19—22 20—30 6—10 2
кн кромок 8—10 1,5—2,0 220—300 22—25 15—25 8—10 2
12 2,0 280—300 23—25 15—18 10—12 2
Встык, с V-образ- ной разделкой кромок на под- 5—8 1,5—2,0 220—280 21—24 20—25 8—10 2—3
10—12 2,0 260—280 21—25 15—20 8—12 3—4
кладке 12—16 2,0 280—360 24—28 20—25 10—12 2—4
Встык, с Х-образ- 20—25 2,0 330—360 26—28 18—20 12—15 4—8
ной разделкой 30—60 2,0 330—360 26—28 18—20 12—15 10-40
4—6 1,5—2,0 200—260 18—22 20—30 6—10 1
Тавровое, угловое, 8—16 2,0 270—330 24—26 20—25 8—12 2—6
нахлесточное 20—30 2,0 330—360 26—28 20—25 12—15 10—40
Таблица 5.18. Ориентировочные режимы механизированной аргонодуговой
сварки алюминия плавящимся электродом
Тип соединения д, мм 4Э, мм ^СВ’ 1/д.В с'св- м/ч Рас- ход арго- на, л/мин Чис- ло ,про- хо- дов
Встык, без раз- 4—6 1,5—2,0 140—220 19—22 25—30 6—10 2
делкн кромок 8—10 1,5—2,0 220—300 20—25 15—25 8—10 2
12 2,0 280—300 20—25 15—20 8—10 2
Встык, с У-об- 6—8 1,5—2,0 240—280 22—25 15—25 8—10 1
разной раз- делкой кро- мок, на под- 10 2,0—2,5 420—460 27—29 15—20 8—10 . 1
кладке Встык, с Х-об- 12—16 2,0—2,5 280—300 24—26 12—15 12—20 2—4
разной раз- 20—25 2,5—4,0 380—520 26—30 10—20 28—30 2—4
делкой кро- 30—40 2,5—4,0 420—540 27—30 10—20 28—30 3—5
мок 50—60 2,5—4,0 460—540 28—32 10—20 28—30 5—8
Тавровое 4—6 1,5—2,0 200—260 18—22 20—30 6—19 1
8—12 2,0 270—300 24—26 20—25 8—12 1—2
в пределах 5—15 мм. Сварку плавящимся электродом выполняют в ар-
гоне или смеси аргона с гелием (объемное содержание гелия до 70 %’).
Газовая смесь заслуживает предпочтения при сварке металла больших
-толщин. При объемном содержании в смеси 30 % Аг и 70 %. Не за
один проход можно сварить металл толщиной 16 мм, а за два прохода —
толщиной до 30 мм. При защите зоны сварки смесью (объем 35 % Аг
и 65 % Не) повышается плотность металла шва [196].
Значительное увеличение производительности сварки алюминия
плавящимся электродом достигается при использовании импульсно-
дуговой сварки (табл. 5.19) [265]: существенно уменьшается нижний
предел сварочного тока и благодаря этому расширяются диапазоны
рабочих токов с направленным мелкокапельным переносом металла;
улучшаются стабильность горения дуги и формирование швов, что
Позволяет применять этот вид сварки в различных пространственных
положениях с уменьшением пористости и снижением деформации
тонколистовых конструкций (толщиной 2—4 мм) [225].
Таблица 5.19. Ориентировочные режимы механизированной импульсно-
дуговой сварки алюминия и его сплавов плавящимся электродом в аргоне
Ь, мм 4Э, мм ^СВ» А 1/д, В Частота импуль- сов, С“1 УСВ’ м/ч Расход аргона, л/мин Число прохо- дов
4 1,4—1,6 130—150 17—19 50 20—25 10—12 , 1
5 1.4—1,6 140—170 17—19 50 20—25 10—13 1
6 1,4—1,6 160—180 18—21 100 20—25 12—14 (1...
. 8 2,0 160—190 22—24 100 25—30 12—14 , 2
10 2,0. 220—280 24—26 100 25—30 14—16 2
Все способы н режимы сварки технического алюминия пригодны
и для термически неупрочняемых алюминиевых сплавов типа АМц
и АМг. Прн сварке высокопрочных алюминиевых сплавов и особенно
термически упрочненного основного металла в каждом конкретном
случае приходится изыскивать пути повышения стойкости шва и око-
лошовной зоны против образования трещин и устранения других де-
фектов (металлургические приемы — выбор присадочного металла
оптимального состава в сочетании с технологическими приемами —
подбор режимов сварки, рациональный порядок выполнения швов,
предварительный и сопутствующий подогрев и др.), а также увеличения
коэффициента прочности сварных соединений. Введение модификато-
ров (цирконий, титан, бор) в проволоку позволяет резко повысить
стойкость швов против образования кристаллизационных трещин
[258, 265]. Для ряда высоколегированных сплавов (например, систем
А1—М§ и А1—Си) хорошие результаты достигаются при использовании
проволоки с пониженным содержанием сопутствующих примесей
(кремния н др.). В ряде случаев удовлетворительные свойства швов на
высокопрочных сплавах можно получить при сварке проволокой, от-
личной по составу от основного металла (например, проволока марки
СвАК5 для сплавов типа АВ, АД31, АДЗЗ) [265].
Прн оптимальных режимах сварки в среде инертных газов коэф-
фициент прочности сварных соединений из технического алюминия
и сплавов типа АМц и АМг достигает единицы. Заметно снижается
Таблица 5.20. Предел прочности сварных соединений нз тонколистовых
алюминиевых сплавов, выполненных аргонодуговой сваркой неплавящимся
электродом
Сплав Ь, мм Обр азец Состояние образца <тв, МПа, при Г, °С
20 200 250
АД1 1,5 Основной металл Сварное соедине- ние Отожженный После сварки 86,3 83,4 — —
АМц 1,5 Основной металл Сварное соедине- ние Отожженный После сварки 118,7 118,7 —• —
1.5 Основной металл Сварное соедине- ние Полунагартован- нын После сварки 186,4 117,7 —
АМгЗ 2,0 Основной металл Сварное соедине- ние Отожженный После сварки 230,5 220,7 — —
АМгб 2,0 Основной металл Сварное соедине- ние Основной металл Сварное соедине- ние Отожженный После сварки Нагартованиын После сварки 361,0 367,9 459.1 359,0 201,1 206,0 260,0 255,0 145,1 174,6
Д20 2,0 Основной металл Свтрное соедине- ние Закаленный и ис- кусственно со- старенный После сварки 443,4 272,7 343,4 235,4 —
прочность сварных соединеияй по
сравнению с прочностью основного
металла при сварке сплавов в нагар-
товаином состоянии н особенно при
сварке высоколегированных терми-
чески упрочняемых сплавов. В этом
случае коэффициент прочности свар-
ных соединений составляет 0,5—0,65
(табл. 5.20, 5.21) [65, 196]. Сущест-
венное повышение прочности свар-
ных соединений в этом случае дости-
гается путем термической обработ-
ки — закалки с последующим ста-
рением — или только естественного
старения (табл. 5.22)[ 180]. Усталост-
ная прочность сварных соединении
из алюминиевых сплавов заметно
снижается по сравнению с прочностью
основного металла. Швы со снятым
усилением имеют усталостную проч-
ность выше, чем швы с усилением
(рис. 5.2) [196].
Рис. 5.2. Кривые усталости при
повторно-статическом растяже-
нии [196]:
1 — основной металл — сплав АМгб,
Ь = 2 мм; 2 —сварное соединение
со снятым усилением; 3 — сварное
соединение с усилением.
Сварные швы на алюминии хорошо противостоят воздействию кон-
центрированной азотиой кислоты. Соединения из наиболее распро
страиенных алюминнево-магниевых сплавов обладают высокой корро-
зионной стойкостью в атмосферных условиях н морской воде. Однако
оии непригодны для эксплуатации в азотной кислоте н других агрессив-
ных средах. Коррозионная стойкость под напряжением сварных соеди-
нений из алюминиевых сплавов в значительной степени определяется
составом и свойствами исходного металла, режимами и условиями
сварки, а также последующей термической обработкой. Повышение
чистоты сплава, применение дуговой сварки в гелии, искусственное
старение повышают сопротивление соединений (например, сплава
1201) коррозионному растрескиванию [156].
Таблица 5.21. Механические свойства сварных швов, выполненных
плавящимся электродом в аргоне
Марка а0 2. МПа ав. МПа в, % кДж/м»
сплава электродной проволоки
АМг5В АМг5В 112,8 278,6 18,4 186,4
АМг5В АМгС1 142,2 303,1 16,3 196,2
АМгб АМгб 147,1 299,2 17,2 186,4
АМгб АМгб! 154 293,3 13,6 186,4
АМгб АМгб! 153 292,3 18,6 215,8
Плазменная и микроплазменная сварка. Плазменная сварка в
связи с необходимостью разрушения и удаления оксидной пленки вы-
полняется сжатой дугой переменного [300] и постоянного тока обрат-
ной полярности [321]. Она обеспечивает ряд технологических преиму-
ществ по сравнению с обычной аргонодуговой сваркой алюминия и его
сплавов неплавящимся электродом, позволяет повысить производи тель-
Таблица 5.22. Механические свойства сварных соединений из алюмиНиеЗЮГО
сплава 1915 после естественного старения
Образец Время старения» сутки °0,2» МПа <»в. МПа в. %
Основной металл, 1 (после горячего прессова- 234,5 320,8 11
Ь = 8 мм иия) 90 (после горячего прессова- 300,2 423,8 11
Сварное соедние- ния) 157 230,5 6
ние 15 236,4 304,1 6
45 253,1 315,9 6
120 263,9 328,6 6
Примечание. Ручная аргонодуговая сварка неплавящимся электродам
с У-образной разделкой кромок; присадочная проволока диаметром 2 мм марки
01557-1 (СТУВ 10-2-67).
ность сварочных работ на 50—70 %, снизить расход аргона в 4—6 раз,
улучшать качество сварных соединений. При плазменной сварке иа
переменном токе эффективный КПД нагрева повышается до 65—70 %
по сравнению с 45—50 % при обычной аргонодуговой сварке иеплавя-
щимся электродом на переменном токе [981. Из сравнения режимов
плазменной и аргонодуговой сварки (табл. 5.23) [321] следует, что
минимальная погонная энергия соответствует сварке сжатой дугой иа
постоянном токе при обратной полярности. Поэтому данный способ
имеет преимущества в первую очередь при сварке конструкций из
иагар гованных и термически упрочненных алюминиевых сплавов.
Уменьшая погонную энергию при сварке, можно снизить суммарный
объем несплошностей в шве вследствие торможения реакции разложе-
ния остатков влаги в оксидной пленке во время существования сва-
рочной ваины [208]. При плазменной сварке иа постоянном токе снижа-
ется расход присадочной проволоки до 40 %, заметно сужаются швы,
можно получить удовлетворительные механические свойства швов при
нетравленом основном металле. В этом отношении лучшие результаты
дает сварка проникающей сжатой дугой [321 [. Так как электросопро-
тивление пленки оксидов Л12О3 высокое (1 107 Ом/см [208]), сварка
по неочищенной от пленки оксидов поверхности металла приводит к
сужению активного пятна и увеличению проплавляющей способности
дуги. Сжатая дуга проникает через кратер в ванне на всю толщину
Таблица 5.23. Ориентировочные режимы аргонодуговой и плазменной
сварки стыковых соединений из сплава АМгб
Способ сварки 'св. А в С'св’ м/ч С>пр’ м/ч мм Ж
Аргонодуговая Плазменная: 200 14 20 120 1,8 277‘
обратная полярность 87 33 23 70 1,8 225
переменный ток 220 21 20 85 2,0 415
Примечание. Ь = 3,2 мм.
основного металла; прн этом особенно эффективно проявляется катод-
ная очистка. Для заполнения отверстия под дугой в зону сварки пода-
ется присадочная проволока. Погружение сжатой дуги в металл воз-
можно не только при механизированной, но и при ручной сварке.
Плазменную сварку стыковых соединений из алюминиевых спла-
вов толщиной до 8 мм выполняют без разделки кромок с зазором до
1,5 мм за один проход на стальной подкладке или с двух сторон на весу.
Для сварки иа переменном токе (табл. 5.24) [300] используются серий-
ные трансформаторы, обладающие требуемыми электродинамическими
характеристиками. Вторичные обмотки включают последовательно,
обеспечивая при этом напряжение холостого хода 120 В. Постоянную
составляющую уменьшают путем включения в цепь батареи конден-
саторов или омического сопротивления (например, балластного реоста-
та типа РБ-300). Между вольфрамовым электродом (анодом) и соплом
(катодом) горит вспомогательная дуга, которая питается выпрямлен-
ным током 20—25 А [300].
Таблица 5.24. Ориентировочные режимы плазменной сварки стыковых
соединений из сплава АМгЗ на переменном токе
Ь, мм А 1/д. в «св- «Л Расход плазмо- образующего газа, л/мин
3 120 16 50 2—3
4 150 16 30 2—3
5 220 18 30 3—4
6 300 18 30 4—5
7 350 20 25 5—6
8 380 20 25 5—6
Используют специальную аппаратуру, например сварочный трак-
тор А-1054 (создан на базе трактора ТС-17), для сварки с присадочной
проволокой диаметром 1,6—2,0 мм.
Режимы сварки алюминиевых сплавов толщиной 2—5 мм на по-
стоянном токе обратной полярности рекомендуется выбирать исходя
из соотношения [321]
'св = 0,18псвЙВ. (5.4)
При плазменной сварке получаются швы с высокими механическими
свойствами как при выполнении швов на переменном токе (табл. 5.25)
1300], так н на постоянном токе обратной полярности (для сплава
АМгб при Ь = 3,2 мм, ав = 316,9-^-327,7 МПа, а = 78 4- 81°).
Таблица 5.25. Механические свойства сварных соединений из сплава
АМгб толщиной 5 мм, выполненных плазменной сваркой иа переменном
токе
Образец ов, МПа он, кДж/м8 а, град
Основной металл 351,2 247,2
Сварной шов 334,5 343,4 67
Мнкроплазмеиная сварка успешно применяется для алюминия
и его сплавов толщиной 0,2—1,5 мм. Сварка выполняется на перемен-
ном токе (10—100 А) от специализированных источников питания
(например, типа А-1281М) [48], Питание для малоамперной дежурной
дуги (1,0—5,0 А) подается от отдельного источника постоянного тока.
В качестве плазмообразующего газа используют аргон (расход газа
0,25—0,3 л/мин), для защиты зоны сварки — аргон и гелий [397].
Расход защитного газа — гелия —для алюминия толщиной 0,2—1,5 мм
не более 2,5 л/мин. Прн механизированной сварке может быть достиг-
нута скорость до 60 м/ч. При ручной сварке скорость составляет 12—
16 м/ч. Возможна сварка с присадочной проволокой диаметром 0,8—
1,5 мм. Соединения, выполненные мнкроплазменной сваркой, прак-
тически равноценны основному металлу — техническому алюминию
(ов = 58,9 -г- 78,5 МПа). При сварке алюминиевых сплавов коэффи-
циент прочности швов около 0,9. Для мнкроплазменной сварки металла
малых толщин требуется прецизионная технологическая оснастка.
Необходимо обеспечить плотное прижатие свариваемых кромок к под-
кладкам и надежный теплоотвод от кромок.
При сварке стыковых швов допускаются зазоры не более 15 %
толщины металла и превышение одной кромки над другой не более
20 % толщины. Одной из важных особенностей мнкроплазменной
сварки является снижение деформации изделий (на 25—30 %) по
сравнению с обычной аргонодуговой сваркой.
Электронно-лучевая сварка. ЭЛС является эффективным способом
соединения деталей п узлов из алюминиевых сплавов. КПД электрон-
но-лучевого нагрева, зависящий от порядкового номера элемента
в периодической системе, для алюминия (т]п = 0,89) выше, чем для
других цветных металлов (например, по сравнению с медью —на 16 %,
с ниобием — на 22 %) [4381.
В условиях ЭЛС в вакууме успешно решается вопрос разрушения
и удаления оксидной пленки на поверхности свариваемых кромок.
Это достигается вследствие механического воздействия на пленку паров
металла, а также разложения оксида алюминия в процессе контакта
алюминия с пленкой при остаточном давлении не более 0,13 Па и тем-
пературе 1450 °С по реакции
А12О3тв + А1Ж-> ЗА1ОГ. (5.5)
Упругость паров субоксида АЮ прн высокой температуре во много раз
выше, чем алюминия [273], поэтому реакция будет идти вправо.
В вакууме создаются благоприятные условия для удаления из ме-
талла шва водорода и азота (благодаря диссоциации нитридов алюминия
в вакууме). Этот процесс положительный с точки зрения снижения
склонности к образованию пор в шве.
ЭЛС по сравнению с другими способами сварки плавлением имеет
большое преимущество: твердожидкое состояние металла при сварке
соответствует весьма короткому промежутку времени, поэтому вре-
менные внутренние напряжения не успевают воздействовать на крис-
таллизующийся металл, т. е. не успевают возникнуть кристаллиза-
ционные трещины. Для высокопрочных алюминиевых сплавов можно
избежать разупрочнения металла в околошовной зоне при высоких
скоростях сварки, обеспечивающих минимальное термическое воздей-
ствие на основной металл [202].
Преимущества ЭЛС по сравнению с автоматической дуговой свар-
кой (АДС) иллюстрируют показатели сварки шпангоута из алюминие-
вого сплава типа 2219 толщиной 60,4 мм, приведенные ниже [3191:
Число проходов
Время подготовки, ч
Присадочный металл, см3
Качество швов
Отношение глубины к шири-
не шва
Коэффициент прочности, %
Скорость сварки, м/ч
элс
2
8
Нет
Хорошее
19 :1
75
60
Аргонодуговая
100
80
4916
Удовлетвори-
тельное
1:5
50
6
Рекомендуется перед ЭЛС свариваемые кромки подвергать хими-
ческому травлению с последующей зачисткой до блеска. Прн сварке
остаточное давление в камере обычно составляет 0,013—0,065 Па. На-
личие в алюминиевых сплавах легко испаряющихся легирующих
элементов (например, цинка и магния) создает определенные трудности
при ЭЛС, особенно металлов большой толщины: возникает опасность
пробоев в сварочной пушке при попадании мощного потока их паров
в высоковольтную область. Поэтому при сварке алюминиевых сплавов
больших толщин, учитывая прямолинейное распростраиеиие паров
Таблица 5.26. Ориентировочные режимы ЭЛС алюминиевых сплавов
различной толщины
Сплав Ь, мм б'уск- кВ /св. мА осв. м/ч Пространственное положение стыка
АМгб 0,5 24 15 60 Нижнее
2 16 60 90 »
5 20 85 70 »
10 22 120 72 »
30 30 210 35 Горизонтальное
100 60 350 15 »
300 100 800 15 »
АМгбН 2 15 60 90 Нижнее
14 27 160 50 >
30 30 350 50 Горизонтальное
1201 2 14 70 60 Нижнее
5 45 60 70 Горизонтальное
10 45 100 70 >
16 60 120 70 >
40 60 300 70 >
100 60 500 20 »
150 60 700 20 Вертикальное
250 105 1000 20
350 ПО 1000 12 >
01420 5 13 55 55 Нижнее
10 20 130 55 »
15 27 130 45 »
В95 10 22 185 90 >
В93 35 28 300 25 >
АДО, АД1 10 25 250 70 >
АК4, 18 28 280 60 Горизонтальное
АК4-1
Рис. 5.3. Зависимость глубины
проплавления от тока луча
(€7ус = 30 кВ; осв =40 м/ч) при
ЭЛС алюминиевого сплава
АЦМ (4,3 % 2п; 21 % М8;
2,1 % Мп) [202].
металла вплоть до их осаждения на
корпусе сварочной пушки, элек-
тронно-оптическую систему изгиба-
ют [202]. Кроме того, потери этих
элементов в условиях вакуума могут
быть значительны, что отрицательно
влияет на свойства соединений и спо-
собствует образованию дефектов в ме-
талле шва. Особенно большие потери
могут наблюдаться в случае много-
кратной подваркн одного и того же
соединения при исправлении дефек-
тов. Для предотвращения заметных
потерь на испарение таких элемен-
тов, как магний, цинк, литий, сварку
следует выполнять на скорости бо-
лее 40 м/ч [31]. В этом случае и после
трехкратной подварки нх потери
в шве не превышают заданных норм.
Пары металлов, как и раство-
ренные в основном металле газы,
в момент перехода его из жидкого
состояния в твердое способствуют
образованию в металле шва дефектов типа пор, раковин, корневых де-
фектов и др. Лучшие результаты достигаются при сватке стыка на весу
без применения формирующих устройств и подкладок, когда обеспечи-
вается двусторонний выход газов и паров металла из канала проплав-
ления или выбор пространственного положения шва (горизонтальное,
вертикальное), при котором облегчается газовыделение. Режимы свар-
ки алюминиевых сплавов различных систем легирования толщиной
0,5—350 мм приведены в табл. 5.26 [31].
ЭЛС позволяет выполнять соединения из алюминия и его спла-
вов различного типа: стыковые, нахлесточные, угловые, прорезные
и др. Сварку стыковых соединений из металла толщиной до 20 мм луч-
ше выполнять на весу за один проход. Сварку сплавов больших тол-
щин можно выполнять с двух сторон или однопроходными швами.
В последнем случае целесообразно использовать сварочные пушки,
работающие на повышенных ускоряющих напряжениях (//ус =»
= 60 кВ и более) с тем, чтобы не пришлось производить сварку при
чрезмерно низких скоростях. Это особенно важно для высокопроч,
ных алюминиевых сплавов, так как снижение скорости сварки н соот-
ветственно повышение погонной энергии приводят к увеличению ши-
рины зоны разупрочнения в сварном соединении (по данным работы
[263], ширина зоны разупрочнения прн изменении скорости сварки от
80 до 30 м/ч для одного и того же сплава заданной толщины увеличи-
вается в 2—3 раза). Сварку алюминиевых сплавов рекомендуется вести
при возм ожно более высоком значении С/ус и для получения оптималь-
ной формы швов. Закономерности изменения параметров шва от эле-
ментов ЭЛС для алюминия аналогичны зависимостям, наблюдаемым для
других металлов: с увеличением тока луча глубина и ширина про-
плавления возрастают (рис. 5.3). Растет глубина проплавления и при
повышении ускоряющего напряжения при постоянном токе луча.
С увеличением скорости сварки глубина проплавления снижается. При
изменении скорости сварки от 20 до 80 м/ч ширина проплавлении
уменьшается в 1,3—1,5 раза [263].
Рис. 5.4. Зависимость механических свойств сварных соединений из алю«
миниевых сплавов от скорости ЭЛС [263]:
а — АМгбН (40 % наюртовки); б — Д20-1.
При сварке стыковых соединений зазор между кромками не дол-
жен превышать 0,1—0,15 мм. При использовании присадки (обычно
диаметром 1,2—1,5 мм) требования к точности сборки деталей несколько
снижаются: зазор между кромками может быть увеличен до 0,5 мм.
В торцевых соединениях или при сварке с отбортовкой кромок допусти-
мы зазоры до 0,5—0,8 мм и превышение кромок 1—2 мм. Прорезные
соединения сваривают на режимах, обеспечивающих проплавление
нижней детали иа 0,4—0,6 толщины металла [263].
Механические свойства сварных соединений из технического алю-
миния и термически неупрочняемых алюминиевых сплавов при , ЭЛС
близки к свойствам основного металла. С повышением легирования
и соответственно увеличением прочности сплава резко проявляется
зависимость прочностных показателей сварных соединений от режимов
сварки: с увеличением скорости сварки предел прочности заметно воз-
растает (рис. 5.4). Для некоторых сплавов существует оптимальный
диапазон режимов сварки, обеспечивающий наиболее благоприятное
сочетание механических свойств соединений.
После сварки коэффициент прочности соединений из высокопроч-
ных алюминиевых сплавов составляет примерно 0,7—0,8. Так, при
ЭЛС плит (Ь = 40 мм) из сплава 1201 коэффициент прочности достигал
0,75—0,80, в то время как при аргонодуговой многослойной сварке он
не превышал 0,5—0,6 [288]. Закалка с последующим искусственным
старением позволяет довести этот показатель для ряда сплавов до
0,9—1,0 (табл. 5.27) [44, 263].
Таблица 5.27. Механические свойства сварных соединений нз алюми-
ниевых сплавов, выполненных ЭЛС после упрочняющей термической
обработки
Сплав Ь, мм Термическая обработка сварного соединения ОВ. МПа а. град б, % *пр
Д20-1 2,5 Закалка при 530 °С в воду; старение при 170 °С, 16 ч 381,6 47 — 0,9
В95 10 Закалка при 475 °С в воду; двухступенчатое старение при 120 °С, 3 ч; при 160 °С, 3 ч 637,7 12 1.0
Для некоторых деформируемых термически упрочняемых сплавов
механические свойства основного металла и сварных соединений суще-
ственно улучшаются путем термической обработки их в вакууме перед
сваркой. К таким сплавам относится, например, сплав типа 01420
системы А1——Ы (введение в сплав магния и лития снижает его
плотность на 11 % и повышает модуль упругости на 4 % по сравне-
нию со сплавом Д16). Такая термическая обработка приводит к удале-
нию основной массы водорода из сплава (от 1,2—1,3 [Н2] см3/100 г
металла в исходном сплаве до 0,3—0,4 [Н2] см3/100 г металла после
термической обработки) [124]. Соединения из сплава типа 01420,
выполненные ЭЛС, практически равнопрочны основному металлу при
хороших пластичности и вязкости [124].
Электрошлаковая сварка. ЭШС алюминиевых сплавов производится
электродами большого сечення — пластинчатыми и плавящимися мунд-
штуками. Швы небольшой протяженности сваривают пластинчатыми
электродами с помощью аппаратов типа А550М. Для выполнения
протяженных швов при толщине свариваемого металла 200—300 мм
рекомендуется плавящийся мундштук в двух вариантах [128, 452]:
с подачей в зону сварки по плавящемуся мундштуку ленты и с ис-
пользованием проволоки, подаваемой по каналам мундштука. Послед-
ний вариант наиболее целесообразен для протяженных криволинейных
швов. Сварка плавящимся мундштуком выполняется автоматами типа
А-1126, А-645М и др.
Для ЭШС используют источники питания с жесткой характерис-
тикой — ТШС-3000-1, ТШП-10-1 и др. Применяют флюсы (например,
АН-А301) на основе галогенидов щелочных и щелочноземельных ме-
таллов (см. гл. 3). Формирование шва осуществляется медными
водоохлаждаемыми или графитовыми кристаллизаторами.
Режимы ЭШС обеспечивают высокую производительность свароч-
ных работ, что видно из сравнения двух способов сварки заготовок се-
чением 140 X 630 мм из сплава АМгб [285]:
ЭШС Аргонодуговая
Подготовка кромок — X-образная
Число проходов 1 100—150
Продолжительность 7 900
сварки, мин
Плотность тока, А/мм2 2,5 12
Для алюминия коэффициент прочности сварных соединений равен
единице. При сварке алюминиевых сплавов существенное влияние
на механические свойства швов оказывает химический состав электро*
да. Так, при сварке сплава АМгб лучшие результаты дает применение
электродов из сплава АМгб Цв. ч., содержащего около 0,25 % 7л
[285]. Такие электроды обеспечивают максимальную прочность и плас-
тичность швов при коэффициенте прочности сварных соединений,
равном 0,9 : 0П = 208 4- 238 МПа; 00 2 = 123,6 138,3 МПа; б =
= 10,2—12,5 %. Ударная вязкость при этом возрастает в 2—2,5 раза
по сравнению с таким же показателем для швов, сваренных электро-
дами из сплава АМгб того же состава, что н основной металл, и дости-
гает 196 кДж/м2 [128].
Механические свойства соединений из алюминиевых сплавов,
выполненных ЭШС, зависят от ширины шва (табл. 5.28) [128]. Такая
закономерность объясняется главным образом более равномерным рас-
пределением легирующих элементов и основных примесей (железа,
кремния и др.) в металле широкого шва (шириной более 50 мм) [128].
Установлена также зависимость механических свойств сварных швов
от содержании натрия в сварочных материалах [428]. Натрин, кон-
центрируясь на границах зерен, снижает прочность и пластичность
швов, особенно иа алюминиевых сплавах. При ЭШС таких сплавов ре-
комендуется использовать безнатриевый флюс, содержащий 30 %
КС1; 30 % МдС1; 30 % 1ЛГ; 10 % М§Гг. В сочетании с электродами,
имеющими пониженное количество железа, кремния и микродобавку
титана, такой флюс обеспечивает высокие механические свойства свар-
ных соединений (например, из сплава А1М§4Мп5).
Таблица 5.28. Механические свойства сварных соединений из сплава
АМгб при разной ширине шва
В, мм ав, МПа в, % Расстояние от места разрушения до линии сплавления, мм
92—104 250 9,0 17—25
80—88 245 8,2 18-22
68—77 232 6,7 20—33
Контактная сварка. Из существующих способов контактной
сварки для алюминия и его сплавов широко применяется точечная,
а также шовная сварка. Стыковая сварка алюминиевых сплавов приме-
няется реже.
Для получения качественных соединений особое внимание следует
обратить на подготовку поверхности деталей. Листовые элементы перед
точечной и роликовой сваркой зачищают с двух сторон на ширине
30—50 мм в местах расположения сварных точек или швов. Детали,
подготавливаемые для стыковой сварки, должны быть зачищены по
торцам и на участках в местах закрепления в зажимах сварочной ма-
шины. Лучшие результаты дает химическая очистка — травление дета-
лей в специальных ваннах после предварительного обезжиривания.
Рекомендуется травление выполнять при 17—25 °С в водном растворе
концентрированной ортофосфорной кислоты (Н3РО4) с добавкой 0,1 —
0,3 % хромпика (К2Сг2О,). Продолжительность травления 10—15 мин,
далее просушка горячим воздухом (Т = 70 -? 80 °С) [55]. После трав-
ления допускается хранение деталей перед сваркой до 3 суток при ис-
пользовании машин переменного тока и до 24 ч при сварке запасенной
энергией.
Точечная сварка алюминия и его сплавов связана с не-
которыми трудностями. Поскольку алюминий обладает высокой
электрической проводимостью, сварка сопровождается перегревом
металла у контакта между электродом н деталью и, как следствие, их
свариванием. Для того чтобы исключить это отрицательное явление
в ряде случаев применяют теплоизолирующие прокладки из стали
12Х18Н9 толщиной 0,2—0,5 мм между электродом и деталью из алю-
миния (рис. 5.5). Такне прокладки не привариваются к деталям. Прн
сварке алюминиевых сплавов необходимо обеспечивать небольшое
и по возможности постоянное электросопротивление пленки оксидов на
поверхности изделия: при сварке на машинах переменного тока —
100—300 мкОм, при использовании запасенной энергии — менее
100 мкОм [55]. Для контроля качества поверхности детали зажимают
между электродами специального пресса или точечной машины. При
измерении контактного сопротивления можно пользоваться микромет-
ром типа М246или другими приборами, предназначенными для измере-
ния малых сопротивлений.
Рис. 5.5. Схема точечной
сварки алюминия с исполь-
зованием прокладок из нер-
жавеющей стали 12Х18Н9:
1 — электрод; 2 — прокладка;
3 — свариваемые детали.
метр ядра точки при сварке
Для алюминия и его сплавов то-
чечная сварка применяется при тол-
щине металла от 0,04 до 5—6 мм. Наибо-
лее характерные типы соединений, вы-
полняемые точечной сваркой, показаны
на рис. 5.6. Элементы, собранные под
сварку, должны плотно прилегать друг
к другу; допускаются зазоры не более
0,3 мм на длине 100 мм.
Точечная сварка алюминия п его
сплавов требует применения сварочных
токов весьма большой плотности — до
1000 А/мм2 и выше, что значительно
превосходит плотность тока при сварке
малоуглеродистой стали. Применяемые
токи в 3—4 раза больше, чем при свар-
ке стали (табл. 5.29). Рекомендуемое
удельное давление 59—98 МПа. Диа-
алюминия толщиной 2—3 мм составляет
8 —11 мм. Так как в результате нагрева при точечной сварке алю-
миниевые сплавы разупрочияются, причем размеры зон разупрочне-
ния зависят от времени сварки, сплавы такого типа сваривают при
сравнительно коротких импульсах тока продолжительностью 0,08—
0,3 с (жесткие режимы). В зависимости от толщины металла применяю*
следующие радиусы сферы электродов [143];
Толщина металла, мм 1 2 >3
Радиус сферы электрода, мм 75 100 150
При сварке легких сплавов обеспечивают минимальное выделение
теплоты в контакте электрод — деталь н интенсивное охлаждение
электрода. В связи с этим электрическая проводимость сплава для
изготовления электродов должна быть не ниже 85—90 % проводимости
меди (см. гл. 3).
При точечной сварке высокопрочных алюминиевых сплавов, на-
чиная с толщин 1,5—2 мм, лучшее уплотнение ядра и соответственно
устранение склонности сварной точки к порам н трещинам достигаются
при использовании графика переменного усилия с «ковочным» давле-
нием Рк (рис. 5.7). Обычно принимают Рк = 1,5 + 3 Рсв, где Рсв —
Рис. 5.6. Типы соединений при точечной сварке алюминия и его спла-
вов [264],
Таблица 5.29. Ориентировочные режимы точечной сварки алюминиевых
сплавов
Сплав Ь9 мм Усилие на электрод, кН 1св, кА <, с Библиогра- фический источник
Технический 0,5-| -0,5 2,45 15 0,08 [264]
алюминий 1,5- -1,5 2,84 22 0,1
2,5-1 1-2,5 3,43 28 0,16
4,8-| -4,8 4,12 42 0,30
АМг-АМ 0,5-| -0,5 1,28 22 0,04 [390]
1.0- -1,0 2,45 30 0,06
1,5-| -1,5 3,43 34 0,08
2,0-| -2,0 4,91 38 0,10
АМгбТ 1,5-| г1.5 7,85 46 0,21 [143]
2,0-| -2,0 6,77 33,4 0,23
3,0-| гЗ,0 6,87 41,5 0,22
АМц-АМ 1,0- 1-1,0 4,91 43 0,13 [143]
2,0-| 1-2,0 6,13 42,5 0,23
3,0-1 НЗ,0 8,93 53 0,18
Д16-АТ 0,5п 1-0,5 2,16 23 0,08 [390]
0,8- [-0,8 3,4 27 0,10
1,0- 1-1,0 4,41 28 0,12
1,5- [-1,5 6,38 34 0,16
усилие, приложенное к электродам во время сварочного нагрева. Так,
для сплава Д16-АТ при толщине листа 1,5 мм Рсв = 6500 Н, а Рк =
= 9810 4- 11800 Н [390]. Для того чтобы избежать перегрева металла
в контакте электрод — деталь, уменьшить износ электродов и улуч-
шить качество поверхности деталей нз алюминиевых сплавов, в ряде
случаев (например, для ответственных деталей) применяют модулирова-
ние импульса сварочного тока с постепенными его нарастанием и спа-
дом (рнс. 5.8). Для точечной сварки металла малых толщин (0,02—
0,5 мм) используют конденсаторную сварку на машинах типа ТКМ-4
мощностью 100 Вт и др.
При сварке алюминиевых сплавов точки, обладая высокой проч-
ностью при работе на срез, относительно плохо сопротивляются раз-
рыву (табл. 5.30) [143].
Рис. 5.7. Циклограмма одноимпульсной точечной сварки алюминиевых
сплавов с «ковочным» давлением.
Рис. 5.8. Циклограмма точечной сварки с постепенными нарастанием
и спадом тока.
Таблица 5.30. Среднее разрушающее усилие сварных точек на
алюминиевых сплавах
Марк» Ь, мм Диаметр ядра» мм Разрушающее усилие, кН
на срез на отрыв
АМц-АМ 2,04-2,0 8,5 5,2 3,8
3,0+3,0 и.о 7,2 6,0
АМг5В 2,0+2,0 8,0 5,4 2,5
2,5+2,5 9,0 6,1 2,7
АМгбТ 2,0+2,0 9,0 8,4 4,0
3,0+3,0 10,5 9,3 3,7
Д16-АМ 2,0+3,0 8,5 6,6 2,8
2,5+2,5 10,0 7,9 3,4
Д16-АТ 2,0+2,0 9,0 6,5 2,3
3,0+3,0 10,5 10,6 3,9
Шовная сварка успешно используется при изготовлении
изделий из алюминиевых сплавов толщиной до 4 мм, требующих герме-
тичности. Для легких сплавов на основе алюминия и магния такая
сварка осуществляется двумя способами — прерывистым и шаговым.
При первом способе свариваемые детали перемещаются относительно
электродов машины непрерывно, а сварочный ток включается импуль-
сами длительностью /и, чередующимися с паузами /п. Прерывистое
включение тока позволяет исключить перегрев поверхности сваривае-
мых деталей и резко снижает износ электродов. Для алюминиевых
'и
сплавов — = 0,3 -г- 0,45 [56]. При втором способе, весьма эффек-
'п
тивном для алюминиевых сплавов, включение сварочного тока и пере-
мещение детален чередуются; сварка осуществляется при неподвижных
деталях, а их перемещение — при выключенном токе и постоянном
давлении.
Основные типы соединений при шовной сварке алюминия такие же,
как для стали и других металлов (рис. 5.9). Размер С принимается в за-
висимости от толщины сплава [56]:
Ь, мм 1 1,5 2
С, мм 14 17 20
Ширина рабочей части роликов равна 2—12 мм и увеличивается с рос-
том толщины свариваемого металла. Диаметр электрода составляет
150—200 мм. При толщине металла 0,5 мм применяют электроды мень-
шего диаметра — 40—50 мм. Для сварки легких сплавов используют
ролики со сферической рабочей поверхностью. При шовной сварке
алюминия и его сплавов необходимо обеспечить протекание значитель-
ного тока в сварочной цепи (табл. 5.31) [293]. Поэтому применяют ро-
ликовые машины большой мощности (250—350 кВА).
Усилия сжатия электродов близки к усилиям для малоуглеродистой
стали той же толщины. Скорость сварки ниже, чем для стали, и лежит
в пределах 0,5—1,0 м/мин. Она уменьшается с увеличением толщины
свариваемых деталей.
Рис. 5.9. Основные типовые соединения при шовной сварке алюминия
и его сплавов:
а — внахлестку; б — бортовое.
Рис. 5.10. Прессованные профили из алюминиевых сплавов, свариваемые
стыковой сваркой.
Таблица 5.31. Ориентировочные режимы прерывистой шовной сварки
алюминиевых сплавов
мм Ширина ролика, мм ^СВ’ КА 6 С Усилие сжатня, кН С'СВ’ м/мин Шаг точ ки, мм
деЛствня тока паузы
0,64-0,6 2,8 26 0,04 0,08 2,6 0,7 1,4
1,0+1,0 3,6 32 0,06 0,1 3,3 0,75 2,0
1,5+1,5 4,8 38 0,06 0,18 4,2 0,65 2,5
2,0+2,0 6,6 41 0,08 0,24 4,8 0,5 2,5
Существенное влияние на качество шва прч шовной сварке так же,
как и при точечной, оказывает состояние поверхности сплава.
Стыковая сварка алюминия и его сплавов возможна
как сопротивлением, так н оплавлением. При сварке алюминия сопро-
тивлением плотность тока примерно в два раза выше, чем при сварке
малоуглеродистой стали (при одинаковой длительности процесса).
Нагрев проводится с большими скоростями, превышающими скорости
нагрева деталей из стали. Для алюминия потребляется значительно
большая мощность, чем для стали. Так, при сварке сопротивлением
стержней диаметром 8 мм для малоуглеродистой стали необходима
мощность 5 кВА, для алюминия — 15 кВА.
Наиболее эффективна для алюминия и его сплавов стыковая свар-
ка оплавлением, так как при данном процессе исключается окисление
металла в стыке, опасность которого при сварке этого металла очень
велика. Известны примеры сварки оплавлением изделий из алюминие-
вых сплавов на машинах мощностью более 500 кВА с усилием осадки
выше 150 кН, а также сварки многочисленных простых сечений мень-
ших размеров (стержни, трубы, полосы и др.) [131]. В строительстве
стыковая сварка широко применяется для соединения различных
сложных профилей, которые свариваются под различным углом друг
к другу (рис. 5.10).
Стыковая сварка ведется с большой скоростью непрерывного оп-
лавления, достигающей 8 мм/с и более (при сварке стали она редко
превышает 2—3 мм/с) [55]. Необходимы значительные скорости осадки
Рис. 5.11. Схема стыковой свар-
ки алюминиевых заготовок с
принудительным формировани-
ем соединения.
(150 мм/с и выше), большие, чем
при сварке малоуглеродистой стали
[130, 348]. Давления при осадке для
алюминиевых сплавов могут дости-
гать 196,1—215,7 МПа (табл. 5.32).
Поэтому для их сварки требуются
машины относительно большей мощ-
ности с автоматическим управле-
нием.
Для алюминиевых сплавов ве-
сьма эффективна стыковая сварка
оплавлением со срезанием грата но-
жами и с принудительным форми-
рованием стыка (рис. 5.11). Эти способы обеспечивают благоприятную
структуру соединения при повышенном давлении с устранением расслое-
ния и рыхлости, наблюдаемых при обычных схемах осадки [130]. При
сварке термообработанных деталей большого сечения применяют подо-
грев (при повышенной установочной длине и плотности тока 5—7 А/мм2)
Таблица 5.32. Ориентировочные режимы стыковой сварки оплавлением
алюминиевых сплавов
Сплав
АМгб
Д16-АМ
АК6
5—8
3—5
45
30
14
22 7
15 3
10 1,8
6—8
5-6
7—8,5
150 157
150 98
100—150176—215
0,17
0,28
0,4
до 200—300 °С в течение 30—40 с (подогрев не должен заметно влиять
на разупрочнение сплава). Рекомендуются следующие параметры
процесса сварки [130]: перед подогревом торцы выравнивают предва-
рительным оплавлением, а затем сдавливают при давлении 19,6—
49,0 МПа. После подогрева оплавление возбуждают ступенчато, прн
скоростях оплавления 0,5—1 мм/с, далее при 3—5 мм/с и, наконец,
при 10—25 мм/с; давление осадки 147,2—245,3 МПа. Эффективно также
импульсное оплавление. Лучшие результаты получаются при сварке
алюминиевых сплавов в защитной атмосфере инертных газов. Однако
опыт показывает, что во многих случаях возможна сварка без защиты
газами (особенно для малых сечений).
Механические свойства стыков нз заданного сплава зависят от
применяемых режимов сварки. Для обеспечения максимальной проч-
ности давление должно быть согласовано со скоростью осадки: с увели-
чением давления скорость осадки уменьшают. Прочность стыков из
алюминия в среднем составляет 68,7—88,3 МПа. На сплаве типа АМгб
можно получить сварные соединения, равнопрочные основному металлу
прн удовлетворительной их пластичности (табл. 5.33) [379]. На высоко-
прочных сплавах (например, Д16-АТ) прочность и пластичность
стыков ниже, чем у основного металла. Термическая обработка (отжиг)
оказывает существенное влияние на прочность п пластичность соедине-
ний из некоторых сплавов, например АК6 [143].
Таблица 5.33. Механические свойства соединений пластин из алюминиевых
сплавов, выполненных стыковой сваркой оплавлением
Сплав Ь, мм Г, мм2 ов, МПа а. град
Основной металл Сварное соединение Основной металл Сварное соединение
Д1-АМ АМгб Д16-АТ 4—8 2,5—6 4 200—2400 200—4000 200—1000 210 294—353 431—451 157—206 274—353 147—265 180 100—120 45—48 30—60 31—39 <5
Проволоки из алюминия и его сплавов соединяют встык конденса-
торной сваркой (табл. 5.34) [143]. Механические свойства сваренных
стыков определяются для алюминиевой проволоки диаметром 2—3 мм
6—8 перегибами под углом 180°.
Таблица 5.34. Ориентировочные режимы стыковой конденсаторной
варки алюминиевых проволок
Сплав ^пр мкФ в Припуск на оплавление, мм Усилие осадки, Н
Технический 2,8 250 1400 9 1569,6
алюминий 3,5 550 1500 14 1666,8
АЛ5 3,5 550 1200—1500 6 1079,1
Холодная и прессовая сварка. Для алюминия и его сплавов приме-
няют холодную сварку внахлестку и встык. По показателю ет|п =
=* к/Ь (к — глубина вдавливания пуансона при сварке внахлестку)
Таблица 5.35. Степень относительной деформации при холодной сварке,
внахлестку и различных способах подготовки поверхности деталей
Металл Подготовка поверхности деталей ет(п’ %
Золото Отжиг, без дополнительной очистки 35
Серебро Отжиг, очистка тонкой проволочной щеткой 50
Свинец Очистка тонкой проволочной щеткой 55
Алюминий Наклепанный, очистка тонкой прово- лочной щеткой 67
Медь Отжиг, очистка грубой проволочной щеткой 90
Железо То же 81
Малоуглеродистая сталь » » 84
Примечание. &=! мм; диаметр круглых пуансонов для вдавливания 5 мм.
Рис. 5.12. Зависимость деформации схватывания от температуры [57]
/ — медь; 2 — алюминий; 3 — Д16; 4 — цинк.
Рис. 5.13. Зависимость деформации схватывания от температуры плав-
ления металлов с ГЦК решеткой [57].
характеризующему достаточную степень деформации для получения
прочного соединения, алюминий занимает промежуточное положение
между серебром и медью (табл. 5.35) [458]. Относительная деформация
вдавливания пуансона ет|П уменьшается с повышением температуры,
при которой выполняется сварка, что особенно заметно у высокопроч-
ных сплавов иа основе алюминия (рис. 5.12). Однако темп снижения
ет|п для алюминия более медленный, чем для некоторых других цветных
металлов, например цинка. Для металлов с одинаковой кристалличе-
ской решеткой наблюдается тенденция к ухудшению свариваемости
(росту ет|П) с повышением температуры плавления |57|. Алюминий,
имеющий сравнительно низкую температуру плавления, относится
к группе хорошо сваривающихся металлов с ГЦК решеткой (рис. 5.13).
Предварительный наклеп свариваемого металла снижает ет|п, что можно
объяснить увеличением плотности подвижных дислокаций в процессе
последующей сварки [398]. Для алюминия и его сплавов снижение 6т|П
составляет около 8 % [57]. Ниже приведены значения ет1п для техни-
ческого алюминия (99,95 %) н сплава АМц (6 = 3 мм):
Технический алюминий
отожженный наклепанный АМц отожженный наклепанный 57,1 52,7 63,2 58,5
В таком же направлении действуют тангенциальные усилия при холод-
ной сварке, в результате чего облегчаются условия растекания металла
и локализуется деформация в зоне соединения. Для алюминия и его
сплавов весьма эффективен способ холодной сварки сдвигом, в основу
которого положено такое приложение усилий. При сварке алюминия
сдвигом объем деформированного металла незначителен. Деформация
высокой степени протекает в очень тонком слое только у поверхности
детали и почти не затрагивает остальной объем металла [383]. При
оптимальных параметрах процесса сварки достигается равнопроч-
ность соединения с основным металлом. Так, при сварке технического
алюминия (6=4 мм, площадь сварки около 650 мм2) необходим
сдвиг 6 мм, касательное усилие Рт = 39,2 кН, нормальное усилие
27,5 кН, отношение к = = 1,43 при
скорости сдвига исд = 25 мм/мин (1,5 м/ч)
[383]. Помимо технически чистого алюминия
холодная сварка сдвигом успешно применя-
ется для ряда деформируемых алюминиевых
сплавов.
Чистота поверхности свариваемых дета-
лей оказывает существенное влияние на усло-
вия холодной сварки и конечные механи-
ческие свойства соединений. В наибольшей
степени ухудшают свойства органические за-
грязнения. Пленку жира и других органи-
ческих веществ с поверхности алюминия уда-
ляют прокаливанием при 350—400 °С. При
прокаливании деталей на воздухе адсорби-
рованные органические пленки улетучива-
ются и выгорают [17]. Для предотвращения
повторного образования оксидной пленки иа
свариваемых деталях предложен способ
очистки поверхностей алюминия и других
легко окисляющихся металлов под холодную
[84]. После зачистки н прекращения подачи
Рис. 5.14. Зависимость
прочности сварного
соединения от степени
Деформации:
1 — алюминий в накле-
панном состоянии; 2—
электролитическая медь;
3 — отожженный алюми-
ний.
сварку в инертном газе
защитного газа поверх-
ность детали покрывается несколькими слоями плотно адсорбирован-
ных молекул инертного газа, которые остаются связанными с зачи-
щенной поверхностью в течение незначительного времени, достаточ-
ного для осуществления холодной сварки.
Степень деформации определяет прочность соединений. Можно
подобрать значения е, при которых прочность сварных соединений бу-
дет максимальной (рис. 5.14). Для алюминия такой показатель близок
к 60 %. Холодная сварка применяется для технического алюминия и
конструкционных алюминиевых сплавов типа АМг, АМц, дуралюминов
и др.
Удельные усилия при холодной сварке алюминия н его сплавов
точками должны обеспечить разрушение оксидных пленок. Хотя твер-
дость оксида металла или отношение твердости оксида к твердости
основного металла нельзя рассматривать как количественную харак-
теристику свариваемости, свойства пленки оксидов оказывают большое
влияние на выбор оптимальных параметров процесса холодной сварки.
По твердости оксидов алюминий превосходит другие конструкционные
цветные металлы (табл. 5.36) [57]. В связи с этим и усилия при его
Таблица 5.36. Твердость металлов и их оксидов
Металл По Виккерсу По Моосу
"и ^ок „ОК "7 "м ^ОК ^ок "7
Алюминий 15 1800 120 2,3 9,0 3,9
Цинк 35 200 5,7 2,7 4.3 1,6
Медь 40 130 3,2 2,9 3.7 1,3
Железо 120 150 1,2 3,2 6,0 1,9
Примечание. Нм — твердость металла, — твердость оксида.
Таблица 5.37. Ориентировочные режимы холодной сварки алюминия
и алюминиевых сплавов
Сплав Диаметр пуансона, мм Усилие иа пуансон, мм Среднее усилие среза точки, кН
Технический 3,5 14,7 1,7
алюминий 4,2 21,6 1,8
5,0 29,4 2,4
6,0 32,4 2,3
7,5 47,1 2,5
АМц-АМ 3,5 31,4 1,5
4,2 29,4 1.6
5,0 37,3 2,1
6.0 58,9 2,3
7,2 58,9 2,9
АМг-АМ 3,5 24,5 1,2
4,2 25,5 1,8
5.0 45,6 2,6
6,0 54,9 3,0
7,2 58,8 3,3
Д1-АМ 3,5* 28,4 0,9
4,2 30,8 1,8
5,0* 44,1 1,6
Примечание. Толщина листа 2 мм, звездочкой отмечена толщина листа
1,5 мм.
сварке достигают значительных величин. Для сплавов они могут пре-
вышать усилия при сварке технического алюминия в 1,5—2 раза
(табл. 5.37) [315].
При сварке в вакууме и наличии на поверхности алюминия пленки
оксидов, соизмеримой с мономолекулярным слоем, необходимая де-
формация меньше, чем для сварки на воздухе. Так, по данным работы
[41], в вакууме можно осуществить холодную сварку алюминия при
еп>1п = Ю 4-35%.
Холодную сварку встык используют в основном для соединения
алюминиевых проводов. Применяемые давления превышают предел
прочности сплава на разрыв в 3—4 раза. Вылет при стыковой хо-'
лодной сварке принимают в зависимости от диаметра заготовки
(табл. 5.38) [17].
Таблица 5.38. Ориентировочные режимы и прочность стыков прн
холодной сварке алюминиевых проводов
Диаметр заготовки, мм Длина вылета при сварке, мм Отношение длины вылета к диа- метру. % ств, МПа
8 4 50 64,7—66,7
10 5 50 75,5—77,5
12 6 50 83,4-84,4
20 7 35 65,2
Полоса 20x20 7 — 76,0
Сварные соединения из ряда алюминиевых сплавов обладают высо-
кой прочностью прн удовлетворительной пластичности [335]:
Марка сплава АМц АМг АМг5В АМгб Д1М Д16М
ов, МПа 157 186 314 373 206 226
Алюминиевые провода сечением до 25 мм2 сваривают клещами
типа КС-6 (для ручной сварки) и СНС-2 (настольные). На машинах
МСХС-30 сваривают алюминиевые прутки сечением до 250 мм2, на
машине МСХС-60 — алюминиевые стержни сечением до 700 мм2.
Прессовая сварка алюминия предусматривает подогрев сваривае-
мых деталей до 350—400 °С [382]. Для конструкционных алюминие-
вых сплавов рекомендуются более высокий подогрев и удельные дав-
лений около 150 МПа [394]:
Марка сплава АМгЗ АМг5 АМгб
Температура подогрева 400—430 430—450 450—480
для прессовой сварки, °С
После подогрева стыкуемые поверхности деталей зачищают обез-
жиренной проволочной щеткой (толщина проволок 0,2—0,3 мм). Зачи-
щают.и боковые поверхности, выступающие из зажимов. Длину высту-
пающих концов выбирают с таким расчетом, чтобы при полной осадке
увеличить вдвое площадь свариваемой поверхности. Поверхностные
пленки загрязнений и включений, препятствующие образованию свар-
ного соединения, выдавливаются в грат. Зона соединения отличается
мелкозернистой структурой, что способствует получению высоких ме-
ханических свойств сварных соединений (табл. 5.39) [394].
Таблица 5.39. Механические свойства соединений, выполненных
прессовой сваркой
Сплав Образец ав, МПа а, град
АМгЗ АМг5 Основной металл Сварное соединение Основной металл Сварное соединение 196—222 176—250 270-295 255—294 180 102—180 120—160 80—140
Ультразвуковая сварка. Этот способ используют для соединения
деталей из алюминиевых сплавов малых толщин. Максимальная проч-
ность соединений достигается при оптимальных значениях сжимающего
усилия, времени сварки и амплитуды упругих колебаний (табл. 5.40)
[314]. Соединения, сваренные ультразвуком, имеют высокую прочность
на отрыв и срез. При циклических нагрузках они обладают практиче-
ски таким же пределом выносливости, как и соединения, сваренные
контактным точечным способом.
Сварка трением. Она обеспечивает удовлетворительные механиче-
ские свойства соединений из алюминия и ряда сплавов на его основе.
На качество и производительность сварки трением влияют относитель-
ная скорость вращения, давление и степень пластической деформации
нагретого металла (табл. 5.41) [37]. Нагрев деталей при сварке трением
осуществляется теплотой, генерируемой за счет работы сил трения.
Таблица 5.40. Ориентировочные режимы ультразвуковой сварки
алюминия и его сплавов и срезывающее усилие
Сплав Ь, мм Усилие сжатия, кН ^СВ’ с Амплитуда, мк Материал наконечника Усилие среза, кН
А1 0,5 0,29 0,15 10 Сталь 45 0,52
1,0 0,58 1,0 15 То же 1,01
1,5 0,87 2,5 15 » » 1.47
Д16-АМ 0,5 0,29 0,15 15 ШХ15 0,71
1.0 0,78 1,5 23 То же 2,16
1,5 0,98 3,5 22 9 9 2,32
Д16-АТ 0,8 0,88 2,0 22 » » 1,43
1,0 1,08 2,5 22 1,60
1,5 1,27 3,0 22 » » 1,67
АМгбТ 0,5 0,49 1,5 18 Сталь 45 1,07
АМгЗМ 0,8 0,78 0,5 22 То же 1,27
Д1-АМ 0,5 0,49 0,5 10 » 9 0,73
Примечание. Радиус сферы наконечника 10 мм, диаметр точки 4 мм.
Таблица 5.41. Ориентировочные режимы сварки треиием алюминия
Сплав Диаметр заготовок, мм Лотн* об/мии Давление, МПа Осадка, мм /, с
при нагреве при проковке
АД1 20 3000 8 8 6—7 3
40 760 30 30 30 10
Д16 40 760 100 100 20 13
Соединения с высокой прочностью и особенно пластичностью могут
быть получены только в том случае, если прекращение трения (оста-
новка системы) сопровождается достаточной пластической деформа-
цией (проковкой). Прн сварке стержней большого диаметра и толсто-
стенных труб давление проковки повышают.
Диффузионная сварка. Этот способ сварки может с успехом приме-
няться для соединения деталей из алюминиевых сплавов. Решающую
роль для получения качественных соединений при диффузионной свар-
ке играет подготовка поверхности [132]. Очистка от оксидной пленки
и активация соединяемых поверхностей могут осуществляться раз-
личными способами: чистовым точением, шабрением кромок, обработ-
кой металлическими щетками на воздухе пли в вакууме, химической
обработкой.
Температура диффузионной сварки деформируемых алюминиевых
сплавов после механической зачистки соединяемых поверхностей,
как правило, ниже температуры нагрева сплава под закалку [133].
Оптимальный режим сварки следующий: Т = 500 °С; р = 10 МПа;
I = 10 мин; вакуум — 133 • 10'6 Па. О монолитности соединения,
полученного на этом режиме, свидетельствует отсутствие границы раз-
дела между свариваемыми деталями. Сварка на указанном режиме
алюминиевых сплавов АМгб и АМгб не вызывает ухудшения механиче-
ских свойств, так как отсутствует коагуляция нитерметаллидов в эоне
соединения, что улучшает механические свойства и повышает пластич-
ность металла [132].
Известны и другие способы очистки поверхности перед диффузион-
ной сваркой: взаимным скольжением соединяемых поверхностей в
вакууме, нагревом детален в вакууме, обработкой поверхностей тлею-
щим разрядом при давлении в камере 133 • 10“2 Па. После такой очи-
стки температура нагрева при сварке не превышает 400 °С, а время —
1 мин [448|. Недостаток этих способов заключается в необходимости
дополнительной оснастки в вакуумных камерах и усложнении техно-
логического процесса.
Наиболее широко применяемым способом подготовки свариваемых
поверхностей алюминия и его сплавов остается их химическое травле-
ние. Для предотвращения образования и роста оксидных и адсорбиро-
ванных пленок иа травленой поверхности существует способ ее консер-
вации. Заключается он в том, чтобы не допустить контакта очищенной
поверхности с воздухом н сохранить ее свойства вплоть до нагрева
деталей в вакууме. Осуществляется это путем использования одного
и того же вещества в качестве основы травителя, удаляющего оксид-
ную пленку, жидкости для промывки после травления и защитного
покрытия. Для алюминия таким веществом является глицерин. Перед
загрузкой деталей в сварочную камеру нет необходимости удалять его
с соединяемых поверхностей, так как в процессе нагрева он полностью
испаряется. Поверхность сохраняет свои свойства под защитным по-
крытием в течение 12 ч.
Разрушить оксидную пленку, активизировать процесс диффузион-
ного взаимодействия алюминиевых сплавов и снизить температуру
сварки можно, применяя промежуточные прослойки, образующие эв-
тектики при нагревании с алюминием и другими компонентами сплава
[133]. В качестве материала прослоек можно использовать медь,
магний, цинк в виде фольги или покрытий. В случае прослоек из цинка
температура сварки составляет 480—500 °С, магния — 470—490 °С,
меди — 400—450 °С. Качество соединений в значительной мере зави-
сит от толщины промежуточных прослоек. При толщине более 3 мкм
количество эвтектики достаточно велико. За счет деформации эвтектика
частично удаляется из зоны соединения. Уменьшение толщины проме-
жуточной прослойки до 1—2 мкм позволяет получить соединения
с более высокой прочностью, достигающей 0,85—0,95 прочности свари-
ваемых деформируемых сплавов.
Наибольшую трудность представляет получение сварных соедине-
ний алюминиевого сплава Д16, температура под закалку которого ма-
ла и составляет 500 °С. В результате нагрева при сварке выше 500 °С
наблюдается значительная неоднородность состава сплава, изменяется
распределение легирующих элементов магния и меди в глубинных и
поверхностных слоях металла. В реальных условиях на поверхности
контакта деталей магний образует эвтектику с алюминием. Изменение
концентрации названных компонентов сплава Д16 наблюдается на
расстоянии до 3—3,5 мм от поверхности. Описанные диффузионные
процессы делают невозможным получение соединений сплава Д16
при температурах выше 500 °С. Соединения сплава Д16 получены через
прослойку цинка толщиной 1,5 мкм. Предел прочности их равен 280—
300 МПа [133].
Диффузионной сваркой можно соединять также литейные алюми-
ниевые сплавы АЛ25, АЛ26. Оптимальная температура сварки 500—
510 °С. Особое внимание при сварке литейных сплавов нужно уделять
абсолютной деформации прилегающих к границе соединения объемов
сплава. При значительных деформациях вблизи границы соединения
Наблюдается избыток включений кремния, способных при определен-
ных условиях приводить к возникновению микротрещин в зоне кон-
такта материалов [1331.
5.2. Магний и его сплавы
Металлургические и технологические особенности сварки.
Магниевые сплавы при сварке проявляют чрезвычайно высокую актив-
ность к окислению с образованием пленки оксидов. Значительная раз-
ница в температуре плавления оксида магния и магния (соответственно
2800 и 680 °С), а также большая плотность М§0, превышающая в 2 раза
плотность металла, обусловливают иесплавленпе кромок основного ме-
талла, препятствуют сплавлению металла с присадкой, приводят к по-
паданию оксидов в сварочную ванну.
В отличие от пленки на алюминиевых сплавах оксидная пленка
на поверхности магниевых сплавов не защищает их от дальнейшего
окисления. В связи с этим полуфабрикаты из магниевых сплавов
покрывают защитной пленкой из солей хромовой кислоты, а также сло-
ем смазки. Расплавленный металл защищают от окисления главным
образом с помощью инертных газов. Газовая сварка с применением рас-
кисляющего флюса или сварка обмазанными электродами для магния
не дает достаточно стабильных результатов. В связи с этим такие
способы сварки, как газ угольными и металлическими электро-
дами с покрытием, приме-яются редко, для малоответственных
изделий.
При дуговой сварке магниевых сплавов в среде инертных газов раз-
рушение оксидной пленки происходите результате катодного распыле-
ния (при обратной полярности). Сварку магниевых сплавов неплавя-
щимся электродом выполняют на переменном токе, поскольку при
сварке на постоянном токе трудно получить хорошее формирование
швов. Эффект катодного распыления проявляется в полупериоды об-
ратной полярности.
Вследствие повышенной жидкотекучести расплавленного магния
н практически полной потери прочности металла при температуре
твердожидкого состояния обязательным условием получения удовле-
творительно сформированного шва является применение подкладок (из
меди или нержавеющей стали). Как правило, швы выполняются с пол-
ным проплавлением кромок для удаления оксидных пленок из металла
шва. Для этой цели служат также канавки в подкладках.
Низкие значения теплоты плавления и удельной теплоемкости
магния обусловливают чрезвычайно большую концентрацию нагрева
при сварке. Эта особенность наряду с низкой температурой плавления
магния способствует локальным перегревам и прожогам металла. Для
расплавления магния требуется теплоты приблизительно на 1/3 меньше,
чем для равного по объему алюминия [437]. Поэтому при сварке магния
применяют пониженные по сравнению с алюминием токи. Магний имеет
сравнительно высокий коэффициент линейного расширения, вследствие
чего сварные изделия из магниевых сплавов подвержены значительным
деформациям [439].
Магниевые сплавы обладают меньшей склонностью к образованию
пор в сварных швах, чем алюминиевые. Это связывают со значительно
меньшей относительной разницей между растворимостью водорода
в жидком и твердом состояниях для магния, чем для алюминия [180].
Одиако и для магниевых сплавов нередко следует принимать меры, на-
правленные на повышение устойчивости швов против пористости.
При сварке магниевых сплавов приходится часто решать задачу
предотвращения образования кристаллизационных трещин в металле
шва. В наибольшей степени склонны к образованию трещин в швах
сплавы магния с алюминием и цинком, кристаллизующиеся в сравни-
тельно большом интервале температур. Склонность к возникновению
кристаллизационных трещин обусловлена также возможностью обра-
зования легкоплавких эвтектик: М§—Си (Гпл = 485 °С); —А1
(Тпл = 436 °С); М§ — № (Тпл= 508 °С) и др. При сварке магниевых
сплавов (например, системы М§ — Мп) необходимо учитывать их
склонность к росту зерен и избегать в связи с этим чрезмерных пере-
гревов в ЗТВ.
Подготовка к сварке. Она включает расконсервацию полуфабрика-
тов, вырезку элементов конструкции, разделку кромок и зачистку их
под сборку и сварку.
При расконсервации с листов удаляют заводскую смазку скреб-
ками и щетками, а затем обезжиривают растворителями (бензин, уайт-
спирит, ацетон, авиационная смывка). От момента расконсервации полу-
фабрикатов до их сварки период времени не должен превышать 20 суток.
Кромки под сварку зачищают механическим путем (щеткой, ша-
бером, напильником) или химической обработкой — травлением. Трав-
ление целесообразно в условиях серийного производства сварных
узлов (кроме сплава МАИ). Рекомендуется следующий технологиче-
ский процесс химической обработки поверхностей деталей под сварку
[180]: химическое обезжиривание при температуре 60—90 °С в течение
5—10 мин в водном растворе состава 20—30 г/л тринатрийфосфата
Ша3РО4 • 12Н2О], 30—50 г/л кальцинированной соды (Ка3СО3), 20—
50 г/л едкого натра (№ОН), 3—5 г/л жидкого стекла; промывка в про-
точной горячей воде при температуре 50—60 °С в течение 0,5—1 мии;
удаление защитного покрытия в ваине состава 200—300 г/л №ОН
при температуре 70—80 °С в течение 10—15 мин; промывка в проточной
горячей воде при температуре 50—60 °С в течение 0,5—1 мин; промывка
в холодной воде; травление при комнатной температуре в течение
0,5—2 мин в ваине следующего состава: 150—200 г/л хромового ангид-
рида (Сг2О3), 25—35 г/л азотнокислого натрия (1\1аМО3), 2—3 г/л фто-
ристого кальция (СаР2) при комнатной температуре; промывка в хо-
лодной воде; сушка сжатым воздухом при температуре 60—90 °С.
Поверхность сварочной проволоки обрабатывают по приведенной
выше технологии или в ванне, содержащей 180 г/л Сг2О3, при темпе-
ратуре 90 °С в течение 5 мин [349]. После травления проволоку необхо-
димо хранить в сухом помещении (срок хранения не более 4 суток)
или в специальной герметичной упаковке. В последнем случае срок
хранения может быть значительно увеличен.
Дуговая сварка. Для магниевых сплавов применяют ручную и ме-
ханизированную сварку вольфрамовым электродом и механизированную
сварку трехфаэной дугой неплавящимися электродами в среде аргона
первого сорта. Значительно реже используют автоматическую сварку
плавящимся электродом.
Сваркой вольфрамовым электродом встык
без разделки кромок за один проход могут быть выполнены соединения
из листов толщиной 2—6 мм. Сварка производится на переменном токе.
В зависимости от толщины свариваемого металла принимают размеры
канавки в подкладке из нержавеющей стали (ширина 6—8 мм, глубина
0,8—2,0 мм). Сварку магниевых сплавов выполняют с наибольшей
возможной скоростью при соответственно увеличенных сварочных
токах (табл. 5.42) [180]. Это позволяет свести к минимуму тепловое
воздействие сварки на металл ЗТВ. Длину дуги поддерживают мини-
Таблица 5.42. Ориентировочные режимы аргонодуговой сварки
неплавящимся электродом магниевых сплавов
Соединение Ь, мм /Св> гсв» м/ч Присадочная проволока Расход ар гона, л/мин
и, мм гпод» м/ч
Автоматическая сварка
Встык, без разделки, 2,0 165—175 24 2,0 120 12—14
один проход 3,0 180—200 18—20 2,5 95—100 14—16
5,0 260—270 18 2,5 100—180 16-18
6,0 280—290 18 2,5 90—100 16—18
Механизированная сварка с ручной подачей присадки
Встык, без разделки, 2,0 110—120 18—20 2,5 — 12—14
одни проход 3,0 170—175 18 3,0 — 14—16
5,0 240—250 18 3,0 — 14—16
6,0 260—270 18 4,0 — 14—16
Ручная сварка
Встык, без разделки, 2,0 100—105 — 2,5 — 12-14
один проход 3,0 180—190 — 2,5 — 12—14
5,0 230-240 — 3,0—4,0 — 16-18
Встык, с разделкой, 6,0 200—220 — 4,0 — 16-18
три прохода 8,0 200 — 4,0 —- 16-18
Встык, с разделкой, четыре-пять проходов 10,0 200 — 4,0 — 16-18
Встык, с разделкой, многослойная 30,0 220—230 4,0 16-18
мальиой (1,0—1,5 мм) для эффективного разрушения оксидной пленки
за счет катодного распыления и надежной защиты зоны сварки инерт-
ным газом. Для металла толщиной более 5 мм необходима разделка
кромок (рис. 5.15). При выполнении двусторонней сварки встык реко-
мендуется поддув инертного газа с обратной стороны при сварке
первого шва аналогично сварке титановых сплавов (см. гл. 7).
При аргоиодуговой сварке магниевых сплавов диаметр выходного
отверстия сопла сварочной горелки выбирают в зависимости от свароч-
ного тока (толщины металла):
/св, А 50 100 200 300 >400
Л, мм 8 8—10 10 14—20 20
Сварка магниевых сплавов сопровождается значительным выделе-
нием оксидов (большим, чем при сварке алюминия) — дымлением.
Черный налет, которым покрываются шов и околошовная зона, легко
удаляется с их поверхности при зачистке металлическими щетками.
При многослойной сварке необходима тщательная зачистка предше-
ствующего слоя. Для сплавов толщиной более 10—12 мм целесооб-
разно использовать трехфазную сварку. Так как автоматическая арго-
Рис. 5.15. Подготовка кромок под аргонодуговую сварку вольфрамовым
электродом соединений из магниевых сплавов [181].
нодуговая сварка позволяет получать более стабильное качество сварных
соединений, чем ручная, последнюю следует применять лишь в тех
случаях, когда затруднено использование автоматов.
Значительные трудности возникают при использовании традицион-
ной технологии (многопроходная сварка иа переменном токе в раздел-
ку) для сварки крупногабаритных конструкций из магниевых сплавов.
В швах часто образуются трещины и не обеспечивается получение
требуемой точности геометрических размеров конструкции из-за значи-
тельной поперечной усадки металла шва [40]. Для повышения произво-
дительности и качества соединений при изготовлении конструкций из
металла толщиной более 10 мм применяется гелиеводуговая сварка
погруженным неплавящимся электродом на постоянном токе прямой
полярности. Режимы сварки сплава МА2-1П4 приведены в табл. 5.43
[40].
Сварка выполнялась в два прохода. Первый производили погру-
женным электродом на постоянном токе прямой полярности в гелии.
Второй проход для улучшения внешнего формирования шва выполня-
ли либо поверхностной дугой без присадочного материала на токе
прямой полярности, либо на переменном токе с присадкой.
Таблица 5.43. Ориентировочные режимы гелиеводуговой сварки
сплава МА2-1П4 погруженным неплавящимся электродом
Ь, мм ^СВ’ в Г’Св, м/ч Заглубле- ние элек- трода, мм Расход гелия, л/мин
12 350—400 10—12 18—20 2,5—3,0 20—25
20 550—600 10—12 6-8 5—6 20—25
Как по формированию швов, так и по механическим свойствам
рассмотренные технологические приемы практически равноценны и обе-
спечивают уровни прочности и пластичности металла, близкие к ана-
логичным уровням основного материала (табл. 5.44).
Некоторое повышение пластичности соединений при выполнении
второго прохода на переменном токе объясняется меньшим колпче-
Таблица 5.44. Механические свойства основного металла и сварных
соединений сплава МА2-1П4
Способ сварки ав, МПа ар 2» МПа в, % КСИ, Дж/см2 ^И. Дж/см1, шов
Основ- ной металл ЗТВ
Основной металл 273,0 174 12 11
Постоянным током (два прохода) 244 89 9,8 — 10 11
Комбинированная(по- стоянный-|-перемен- ный ток) 247 84 11,2 — 10 10
Переменным током (семь проходов) 226 ПО 6,1 — 11 10
ством оксидных включений в металле валика. Поэтому для изготовле-
ния изделий рекомендован способ двухпроходиой комбинированной
сварки (постоянный + переменный ток).
Аргонодуговую сварку магниевых сплавов плавящимся электродом
целесообразно выполнять при толщине металла более 5—6 мм. Сварка
производится от источника постоянного тока на обратной полярности.
В зависимости от диаметра проволоки и параметров режима сварки
наблюдаются различные типы переноса металла через дуговой промежу-
ток (рис. 5.16). Для сварки магниевых сплавов больших толщин лучшие
результаты получаются на режимах, соответствующих струйному пере-
носу (табл. 5.45) [437]. Листы толщиной до 5 мм рекомендуется свари-
вать встык за один проход без разделки кромок, толщиной 10—20 мм—
с У-образной разделкой (притупление 2—6 мм, угол раскрытия 50 —
60°), плиты толщиной более 20 мм — с Х-образной разделкой (притуп-
ление 2—3 мм, угол раскрытия 60—80 °).
Таблица 5.45. Ориентировочные режимы сварки магниевого сплава,
соответствующие струйному переносу металла
мм с'под, м/мнн ^СВ’ А С’д, в А:в тах» &
1,2 20,3—21,6 180—200 24—28 420
1,62 13,0—14,2 220—265 24—28 420
2,4 8,1—8,4 325—350 24—28 500
3,2 7,0—7,6 420—440 26—30 620
Скорость плавления магниевой электродной проволоки вдвое
больше скорости плавления алюминиевой проволоки такого же диа-
метра при одинаковом сварочном токе (рис. 5.17). Поэтому сварка
плавящимся электродом магниевых сплавов эффективнее, чем сварка
алюминиевых сплавов, особенно при многопроходной сварке [180,197].
Техника сварки плавящимся электродом имеет некоторые особен-
ности. Для обеспечения надежной газовой защиты необходимо, чтобы
расстояния от сопла до поверхности изделия и от токоведущего мунд-
248
Рис. 5.16. Характер переноса металла через дугу в зависимости от диа-
метра проволоки, сварочного тока и скорости плавления проволок [18Ц-.
/ — короткое замыкание; 2 — область сварки короткой дугой; 3 — крупнокапельный
перенос,• 4 — струйный перенос; 5 — неустойчивый процесс — разбрызгивание ме-
талла.
Рис. 5.17. Зависимость скорости плавления магниевой (1) и алюмииие-
вей (2) проволок диаметром 1,6 мм от тока при сварке плавящимся
электродом [181].
штука до края сопла были оптимальными (10—15 и 5—10 мм соответ-
ственно). При их увеличении ухудшается газовая защита, увеличива-
ется разбрызгивание электродной проволоки. Уменьшение размеров
приводит к перегреву мундштука, засорению сопла брызгами металла.
Положение электрода оказывает существенное влияние на формирова-
ние швов; ось проволоки должна находиться под углом 90° к изделию
при сварке стыковых соединений без разделки кромок или с небольшой
разделкой кромок. Сварку магниевых сплавов большой толщины с глубо-
кой разделкой целесообразно выполнять наклонными электродами —
углом вперед под 7—15° к вертикали.
Импульсно-дуговая сварка весьма перспективна
для магниевых сплавов [180, 443]. Импульсно-дуговую сварку плавя-
щимся электродом рекомендуется выполнять в смеси с объемным со-
держанием 75 % Ат, 25 % Не . При таком способе сварки получаются
устойчивые режимы при повышенных диаметрах электродной проволоки.
Уменьшается пористость швов, что объясняется повышенной погонной
энергией и как следствие более длительным существованием сва-
рочной ванны, а также возможностью выхода газов из жидкого ме-
талла [180].
При аргонодуговой сварке магниевых сплавов и использовании
оптимальной присадки коэффициент прочности шва достигает 0,85—
1,0; при дуговой сварке угольным и металлическим электродами с по-
крытием — 0,70—0,80; при газовой сварке — 0,60—0,75 [6, 180].
Близкие по прочности к основному металлу сварные соединения
при аргонодуговой сварке можно получить на термически неупрочня-
емом сплаве МА2-1 (табл. 5.46) [180]. Снижение прочности сварного
соединения из сплавов МА8 и МА9 связано со значительным ростом
кристаллитов в сварном шве. Прочность и пластичность соединений
вависят от состава присадочной проволоки. Лучшими для сплава МА8
являются присадки из сплавов МА5 и МЛ7, для сплава МА9 — из спла-
ва МА2-1 (см. табл. 5.46). Применение комплексно-легированной про-
волоки (с добавками М§, Ыб, Ьа, 2г) позволяет получать удовлетвори-
тельные механические свойства сварных соединений из сплава МАИ
после термической обработки (закалка с последующим старением),
а проволоки с добавками РЗМ — из сплава ВМ65-1.
Таблица 5.46. Механические свойства стыковых соединений
из деформируемых магниепык сплавов*, выполненных аргонодуговой
сваркой с присадкой
Сплав Присадочный металл ов, МПа а, грач
МА2-1 МА2-1 260,0 80
МА8 МА8 155,0 80
МА5 213,9 78
МЛ7** 220,7 74
МА9 МА 9 148,1 60
МА2-1 174,1 65
МАИ МАИ 182,5 45
МАП 155,0*** 45
М<?—5М—Ьа—2г**** 213,9 50
ВМ65-1 ВМ65-1 157,0 43
ВМ65-1 + РЗМ 209,0 41
• 4 = 2—Я мм.
*♦ Сплав —А|—2п—Мп—Са,
После термической обработки: закалка на аоздухе от 490 °С, выдержка
4 ч, старение при !75°С, выдержка 24 ч.
Сумма легирующих элементов до 7 %.
Электронио-лучевая сварка. При ЭЛС магниевого сплава ИМВ2
получали продольные швы листов толщиной 5 мм в нижнем положе-
нии н кольцевые швы штамповок толщиной 26 и 45 мм в нижнем и вер-
тикальном положениях ]287]. Сварку проводили без присадочного ма-
териала. Удовлетворительное формирование и качество швов получили
при перефокусировке луча. Для кольцевых швов штамповок предпочти-
тельна сварка горизонтальным лучом.
Основным дефектом при сварке являются единичные поры в шве
диаметром 0,3—1,0 мм, количество которых увеличивается при вра-
щении луча. Снижение пористости достигается проведением подготовки
под сварку, включающей обезжиривание органическими и неоргани-
ческими растворителями, щелочное и кислотное травление, промывку,
сушку и шабрение кромок. При сварке кольцевых швов характерны
цепочки пор на участке выведения луча (корневой дефект).
Предел прочности сварных соединений в интервале температур
196—100 °С снижается от 260—280 до 120—140 МПа аналогично сни-
жению прочности основного металла. Уровень прочности соединений
при комнатной температуре — 200—220 МПа независимо от типа полу-
фабриката, толщины и положения сварки. Коэффициент прочности
при всех температурах испытаний не менее 0,9. Наличие зоны отжига,
прилегающей к ЗТВ и расположенной иа расстоянии 5—15 мм от шва
в зависимости от свариваемой толщины, объясняет некоторое снижение
прочности сварных соединений по сравнению с прочностью основного
металла.
Характеристики пластичности и вязкости сварных соединений
с уменьшением температуры испытаний снижаются. При отрицательных
температурах сварные соединения сплава ИМВ2 склонны к хрупкому
разрушению. При комнатной температуре угол загиба составляет
не менее 30°, а ав > 4 Дж/см2 [287].
Контактная сварка. При аргонодуговой сварке магниевых сплавов
значительно снижается коррозионная стойкость металла шва и ЗТВ
[351]. Поэтому для магния толщиной 0,3—7 мм широко используют
точечную и. роликовую сварку. Так как теплопроводность и электриче-
ская проводимость таких сплавов приближаются к аналогичным пока-
зателям алюминиевых сплавов, режимы сварки магниевых и алю-
миниевых сплавов весьма близки (табл. 5.47) [391].
Таблица 5.47. Ориентировочные режимы точечной сварки магниевых
сплавов
Ь, мм Радиус сферы электрода, мм Усилие сжатия электродов» кН 'св» с /Св» КА *ков» с
сварочное ковочное
На низкочастотных машинах
0,84-0,8 75 1,96 3,92 0,06 26 0,08
1,04-1,0 75 2,45 5,88 0,08 28 0,10
1,54-1,5 100 3,43 7,84 0,10 35 0,12
2,04-2,0 100 4,41 9,81 0,14 41 0,16
2,54-2,5 150 5,43 13,73 0,16 43 0,20
3,04-3,0 150 6,38 19,72 0,20 48 0,28
4,04-4,0 150 7,84 25,51 0,24 53 0,32
На машинах переменного тока
0,84-0,8 50 2,94 — — 20 —
1,04-1,0 70 3,92 —- —. 24 —"
1.54-1,5 100 4,91 — — 27 —
2,04-2,0 100 6,87 — —. 30 —
Перед сваркой поверхность деталей тщательно очищают от пленки
оксидов. Очищенные детали могут храниться до сварки в сухом поме-
щении лишь несколько часов. При точечной сварке коррозионная
стойкость соединения снижается вследствие диффузии медн в сплав
в местах касания медных электродов. Поэтому должны быть предусмот-
рены мероприятия, не допускающие наличия меди электродов на по-
верхности деталей после окончания контактной сварки. При сварке на
роликовых машинах используют режимы точечной сварки с увеличе-
нием сварочного тока и усилия сжатия на 5—10 %. При точечной и
роликовой сварке на машинах постоянного тока параметры те же,
что и в случае сварки на низкочастотных машинах [391].
Для оценки качества сварных соединений при испытаниях конт-
рольных образцов, а также при расчетах пользуются минимально до-
пускаемой прочностью сварных точек на срез, которая устанавливается
исходя из минимального размера литой зоны и с учетом возможного
разброса прочности соединений. Из табл. 5.48 [391] видно, что мини-
мально допустимые разрушающие усилия точек на срез для магниевых
сплавов несколько ниже, чем для алюминиевых сплавов равной проч-
ности. Прочность сварных точек на отрыв составляет в среднем 25 %
прочности на срез. Для магниевых сплавов также снижают минимально
допустимые разрушающие напряжения на статический срез роликовых
швов по сравнению с алюминиевыми сплавами (табл. 5.49) [391].
Таблица 5.48. Минимальные разрушающие усилия сварных точек
на срез, кН
Толщина тонкой детали, мм Минималь* ный диаметр ядра точки, мм Алюминиевые сплавы при 0В, МПа Магниеаые сплавы при °в = = 240 Ч- — 300 МПа
<130 130—200 200—320 >320
0,8 3,5 0,74 0,94 1,03 1,3 0,98
1,0 4,0 0,98 1,28 1,37 1,57 1,37 '
1,2 5,0 1,28 1,67 1,77 2,16 1,86
1,5 6,0 1,69 2,23 2,45 3,24 2,65
2,0 7,0 2,31 3,38 3,78 4,71 3,43
2,5 8,0 3,09 4,22 5,30 6,57 3,92
3,0 9,0 3,53 4,61 6,38 8,73 5,40
4,0 10,0 6,38 8,34 10,79 14,72 8,34
Таблица 5.49. Минимальные разрушающие напряжения на статический
срез (разрыв) роликовых швов, % вв основного металла
Толщина тонкой детали, мм Минимальная ширина литой зоны, мм Алюминиевые сплавы при о3, МПа Магниевые сплавы прн 0й = = 240 — 300 МПа
150—230 230—320 >320
0,8 3,5 100 80 60 65
1,0 4,0 100 80 60 65
1,2 5,0 100 75 55 60
1.5 6,0 100 75 55 60
1,8 6,5 100 75 50 55
2,2 7,0 100 70 45 55
2,5 7,5 100 65 40 50
3,0 8,0 100 60 40 50
Нахлесточные соединения, выполняемые точечной сваркой в кар-
касных конструкциях из магниевых сплавов обладают низкими корро-
зионной стойкостью и выносливостью. Связано это с высоким уровнем
концентрации напряжений в соединениях с точечным креплением об-
шивки па жестком каркасе и с интенсивной коррозией в щелевом зазоре.
Наиболее действенным способом резкого улучшения служебных харак-
теристик подобных конструкций является получение комбинирован-
ных клеесвариых соединений [392]. Точечную сварку магниевых сплавов
МА2-1, МА15иМА20 выполняли с применением клеев ВК-37, ВК-39,
грунтов КФ-030, ГФ-0114, ФЛ-086, а также паст АЛКМ-1 и КСП-1.
Используют два варианта технологии — сварку по клею и заливку
в зазор между соединенными внахлестку конструктивными элемента-
ми. При испытаниях на повторную статику прочность сварных соеди-
нений с клеем в 2—3 раза превышает аналогичные характеристики
соединений без клея при напряжении в листе до 80 МПа.
Для повышения коррозионной стойкости сварных точечных соеди-
нений применяют грунты марок КФ-030, ГФ-031, ГФ-0114, ФЛ-086.
Сварка осуществляется по слою сырого грунта. Допустимое время
сварки по сырым грунтам не превышает 15—60 мин с момента нанесе-
ния, что затрудняет их применение при сварке крупногабаритных узлов.
Свойства пасты АЛКМ-1 позволяют рекомендовать ее для приме-
нения при сварке сложных узлов с длительным циклом изготовления.
Наличие пасты АЛКМ-1 под нахлесткой гарантирует полную защиту
от коррозии сварных узлов при эксплуатации в разных климатиче-
ских условиях. Пасту АЛКМ-1 можно применять только для конструк-
ций, работающих при температурах до 120 °С. Пасту КСП-1 применяют
в конструкциях с температурой работы до 400 °С (длительно) и до
500 °С (кратковременно). После сварки узлов с использованием этой
пасты допускается их химическая обработка для нанесения защитных
покрытий типа оксидирования, анодирования, кадмирования и. т. д.
Паста КСП-1 обеспечивает также возможность шовной сварки маг-
ниевых сплавов.
5.3. Бериллий
Металлургические и технологические особенности сварки.
Хрупкость бериллия и его высокая химическая активность по отно-
шению к примесям-газам (кислороду, азоту и водороду) вызывают
затруднения при сварке. Швы на бериллии весьма склонны к образо-
ванию пор, холодных и кристаллизационных трещин. Возникновение
последних связывают с присутствием в металле алюминия, который
образует с бериллием легкоплавкую эвтектику (Тпл = 644 °С). Сни-
жение содержания алюминия в основном металле до 0,064 % позволяет
повысить стойкость швов против возникновения кристаллизационных
трещин. В качестве меры борьбы с трещинами в швах на бериллии
применяют и предварительный подогрев основного металла до 260—
600 °С в зависимости от толщины металла и режима сварки [160, 431).
Наличие на бериллии пленки оксидов и образование ее в процес-
се сварки на поверхности ванны жидкого металла также создает труд-
ности. Для дуговой сварки бериллия в основном применяют перемен-
ный,гок, который вследствие эффекта катодного распыления позволяет
разрушить пленку оксидов.
Расплавленный бериллий при высокой температуре вступает во
взаимодействие со многими металлами с образованием интермстал-
лидов и твердых растворов. Поэтому сборочно-сварочные приспособле-
ния (подкладки, зажимы и др.) изготовляют из нержавеющей стали
с нанесенным слоем оксида алюминия толщиной 0,1 мм.
Дополнительные затруднения прн сварке создает большая склон-
ность бериллия к росту зерен при нагревах. Поэтому сварку бериллия
плавлением выполняют в узком интервале оптимальных режимов
сварки, не приводящих к чрезмерному росту зерен в металле шва и
околошовной зоне [440].
Подготовка к сварке. Детали нз бериллия следует подготавливать
к сварке так же тщательно, как из других легких металлов.
Для удаления оксидных пленок перед сваркой в среде инертных
газов рекомендуется травление деталей прн комнатной температуре
в растворе такого состава (по объему): 40 % НМО;,, 2 % НР, 58 % Н2О.
Время травления зависит от размеров детали [444]. Хорошие результаты
получены прн травлении в растворе с объемным содержанием 40 %
Н2РО3, 2 % НС1, 58 % Н2О [431]. Для подготовки под ЭЛС рекоменду-
ется травитель более простого состава (по объему): 30 % Н2РО3, 70 %
Н2О [454]. После травления детали промывают в воде и сушат сжатым
воздухом прн температуре 60 °С.
Рис. 5.18. Оптимальные диапазоны режимов ручной сварки бериллия
разной толщины вольфрамовым электродом в контролируемой атмосфе-
ре (объемное содержание 50 % Аг; 50 % Не) [160].
Рис. 5.19. Зависимость предела прочности бериллия н его сварных швов
от величины зерна [160]:
1 — основной металл; 2 — металл шва.
Дуговая сварка. Для бериллия применяют как ручную, так и меха-
низированную сварку неплавящимся электродом в среде инертных га-
зов. Лучшие результаты по стабильности качества соединений дает
сварка в камерах с контролируемой атмосферой смеси газов с объем-
ным содержанием 50 % Аг, 50 % Не. Перед заполнением инертным га-
зом высокой степени чистоты (первого сорта) в камере создается раз-
режение 133 (10-3 -?5 • 1(Г4) Па. Сварка выполняется при избыточ-
ном давлении газа (р = 20 кПа).
Сварку проводят с минимально возможным тепловложением, кото-
рое экспериментально определяется для каждой толщины металла
(рис. 5.18). Превышение сварочного тока на 25 % по сравнению с опти-
мальными значениями приводит к увеличению размера зерен в попереч-
ном сеченни до 50 % [444]. Рекомендуются максимальные (прн ручной
сварке до 15 м/ц) скорости сварки.
Электронно-лучевая сварка. Такой способ сварки весьма перспек-
тивен для соединений деталей нз бериллия. Сварка выполняется при
давлении в камере не ниже 133 • 10-3 Па, так как с понижением дав-
ления возрастает интенсивность возгонки бериллия [466]. Уже прн
давлении 133 • 10'4 Па теоретически температура кипения бериллия
(1170 °С) ниже точки плавления (1284 °С), т. е. бериллий будет субли-
мировать. При наличии пленки оксидов процесс сублимации идет менее
интенсивно. При давлении 133 • 10'5 Па возгонка металла нарушает
процесс.
Режим сварки оказывает существенное влияние на качество свар-
ных соединений. Только высокие ускоряющие напряжения позволяют
обеспечить наибольшую концентрацию энергии электронного пучка
и как следствие — выполнять сварку с минимальными погонными
энергиями. В сочетании с высокими скоростями сварки такие режимы
наиболее благоприятны с точки зрения получения мелкозернистой
структуры металла шва и околошовной зоны [433].
От величины кристаллитов металла шва в значительной степени
зависит его прочность (рис. 5.19). Измельчение структуры шва на
бериллии — один из основных путей получения сварных соединений,
254
приближающихся по прочности к основному металлу: при уменьшении
размера кристаллитов в 3—4 раза (от 1,0 до 0,25 мм) предел прочности
металла шва возрастает в 3 раза — от 137,3 до 411,9 МПа [466].
Для бериллия малых толщин (0,6—0,8) рекомендуется следующий
режим ЭЛС [454]: Уус = 130 кВ; /п = 2 мА; осв = 90 м/ч.
Сварные соединения нз бериллия отличаются большим разбросом
показателей механических свойств. Так, для соединений из бериллия
толщиной 1,6 мм, выполненных ЭЛС, предел прочности колеблется
в интервале 68,7—372,8 МПа. Последующая термическая обработка
в вакууме при 825 °С с выдержкой 30 мин позволяет несколько ста-
билизировать прочность соединений и повысить их пластичность
[431, 444].
Контактная сварка. Точечную сварку бериллия выполняют на ма-
шинах, оснащенных устройством для постепенного нарастания и спада
тока. Для предотвращения образования трещин рекомендуется предва-
рительный подогрев деталей внешним источником до температуры
400 °С. После завершения цикла сварки внешний источник отключают
[160].
Режимы контактной сварки зависят от электросопротивления
в месте соприкосновения свариваемых деталей. Для обеспечения мини-
мального электросопротивления предложены следующие способы под-
готовки бериллия: 1) травление в реактиве такого состава: 95 см3
НМО3 (70—71 %-ной), 95 см3 воды и 23 г алюминия; 2) обдувка дробью
н погружение в водный 10% -ный раствор НМО3 (70—71 %-ной), про-
мывка в теплой воде, погружение в 10 %-иый раствор Н25О4 (95,5—
96,5 %-ной).
При электросопротивлении 0,23 • 10“’—4,9 • 10-4 Ом для берил-
лия (Ь = 0,06 4- 0,1 мм) рекомендуется следующий режим точечной
сварки: I = 4,0 4- 4,2 кА; I) = 0,8 4- 1,2 В; усилие на электрод 90—
100 Н; диаметр ядра точки 0,5—0,6 мм. При роликовой сварке берил-
лия примерно такой же толщины усилие на ролик диаметром 12,7 мч
увеличивают до 900 Н. Разрушающая нагрузка при испытаннн растя-
жением иа срез сварных соединений бериллия толщиной 0,4 мм состав-
ляет 700 Н на точку [434].
Диффузионная сварка. Осуществляется прн вакууме в камере
133 • (5 • 10"5 — 1 • 10~4) Па и нагреве до Т = 900 4- 975 °С [423]
Для сварки внахлестку листов толщиной 1,6; 3,2 и 6,3 мм, содержащих
не более 1 % ВеО, рекомендуется следующий режим: нагрев до Т =
— 760 4- 780 °С в течение 3 ч; давление 10,3 МПа; минимальная дефор-
мация 5 %. Высокопрочное соединение бериллия можно получить при
сравнительно низкой температуре нагрева (Т <316 °С), если поверх-
ность деталей покрыть чистым серебром [81].
На бериллиевых образцах, полученных прессованием порошка,
прочность сварного соединения близка к прочности основного металла
(ов = 274,7 МПа при 6 = 2,3 %). На образцах, подвергнутых после
прессования горячей вытяжке, прочность и пластичность сварных сое-
динений повышаются (ов = 412,0 МПа; 6=5,6 %) [450]. Предваритель-
ное электролитическое нанесение тонких пленок (толщиной около
10 мкм) золота, медн нлн никеля на поверхность свариваемых
деталей позволяет улучшить структуру соединений и их механические
свойства [445].
Глава 6
ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ
ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
6.1. Медь и ее сплавы
В различных областях современной техники широкое при-
менение находят медь и сплавы на ее основе — бронзы, латуни, медно-
никелевые сплавы, обладающие рядом особых физико-химических
Свойств. За последние годы в сварке тяжелых цветных металлов дости-
гнуты значительные успехи [119]: разработаны новые технологические
процессы и высокоэффективные сварочные материалы, освоены и успеш-
но ведутся работы по более широкому внедрению высокопроизводи-
тельных автоматических способов сварки. Особенно эффективно разви-
вается ведущий технологический процесс — дуговая сварка, прежде
всего в среде защитных газов.
Дальнейшее развитие для изготовления сварных конструкций из
меди и ее сплавов получила автоматическая сварка под флюсом, кото-
рая успешно применяется прн серийном и массовом производстве изде-
лий ответегвениого назначения в металлургической промышленности,
химическом аппаратостроении, судостроении и других отраслях.
В связи с необходимостью изготовления крупногабаритных метал-
лоемких конструкций из медн больших толщин и сечеиий разработаны
высокопроизводительные процессы сварки плавлением — плазменно-
дуговой н электрошлаковый.
При необходимости получить сварные соединения меди и ее спла-
вов со специфическими свойствами используют ЭЛС, а также различ-
ные способы сварки давлением.
Металлургические и технологические особеиностн сварки. При
сварке меди необходимо учитывать специфические свойства этого ме-
талла, из которых главными являются высокая теплопроводность,
большая жидкотекучесть и значительная активность металла при
взаимодействии с кислородом и водородом в расплавленном состоянии.
Вследствие высокой теплопроводности меди (почти в 6 раз большей,
чем у стали) для сварки плавлением необходимо применять источники
нагрева с большой тепловой мощностью, а также повышенную по срав-
нению со сталью погонную энергию. Например, дуговую сварку выпол-
няют на увеличенных токах электродами больших диаметров. Высокие
тепло- и температуропроводность приводят также к весьма существен-
ным скоростям охлаждения металла шва и околошовной зоны и малому
времени пребывания сварочной ванны в жидком состоянии. Это ухуд-
шает формирование шва и вызывает затруднения при металлургиче-
ской обработке ванны. Хорошее формирование шва можно сохранить
с помощью предварительного подогрева, обеспечивающего более равно-
мерное распределение теплоты в сварочной вание. Помимо устранения
дефектов (подрезов, наплывов, трещин, пористости) предварительный
н сопутствующий подогрев основного металла улучшает условия крис-
таллизации сварного шва, снижает внутренние напряжения н устра-
няет склонность металла шва к образо-
ванию трещин. Изделия толщиной более
10—15 мм подогревают газовым пламенем,
рассредоточенной дугой и другими спосо-
бами до следующей температуры: нз ме-
ди _ 250—300 °С, латуни — 300—350 °С,
бронзы — 500—600 °С [349, 427].
Из-за высокой теплопроводности меди
особые требования предъявляются к типам
соединений и технике сварки плавлением.
Равномерное формирование швов можно по-
лучить лишь при симметричном располо-
жении источника нагрева по отношению
к свариваемым кромкам. Поэтому удобно
типы сварных соединений
для меди.
сваривать стыковые соединения илн при-
ближающиеся к ним по характеру теплоотвода в свариваемые де-
тали (рис. 6.1) [153]. Тавровые и нахлесточные соединения нз меди
трудновыполнимы.
Большая жидкотекучесть меди, превосходящая примерно в 2—2,5
раза такой же показатель для стали, не позволяет производить на весу
одностороннюю стыковую сварку с полным проплавлением кромок
и хорошим формированием шва с обратной стороны. Для однопроход-
ных стыковых швов требуется применение подкладок, плотно прилегаю-
щих к свариваемому металлу: медных, графитовых, из сухого асбеста,
флюсовых подушек н др. Большая жидкотекучесть меди затрудняет
также сварку в вертикальном и особенно в потолочном положении.
Вертикальные швы удается сварить аргоиодуговым способом на меди
толщиной до 10 мм. Прн этом применяют особые технологические
приемы, направленные на уменьшение размеров сварочной ванны н сни-
жение жидкотекучести металла путем легирования его кремнием [153].
Указанное затруднение относится и к сварке кольцевых швов с гори-
зонтальной осью вращения. Сварка таких швов выполнима лишь при
обеспеченнн наименьших размеров сварочной ванны и минимального
времени пребывания металла в жидком состоянии. Сварка кольцевых
швов усложняется с уменьшением диаметра изделия и увеличением
толщины металла.
Так как медь активно поглощает газы — кислород и водород, ока-
зывающие отрицательное влияние на механические свойства сварных
соединений и повышающие их склонность к пористости и кристаллиза-
ционным трещинам, то при сварке должны быть приняты меры для
надежной защиты металла шва от загрязнения вредными прнмесями-
газами. Соответствующие требования должны быть предъявлены к
сварочным материалам.
Большим препятствием прн сварке является пористость, свизаниая
с выделением растворенного в меди водорода в процессе охлаждения
и кристаллизации металла шва. Причина выделения пузырьков газа
заключается в снижении растворимости водорода при кристаллизации
шва. Большая скорость охлаждения в связи с высокой теплопровод-
ностью меди создает благоприятные условия для возникновения пор.
Поры н трещины могут вызывать также водяные пары, образующиеся
в результате реакции водорода с оксидом меди (см. гл. 1). При наличии
оксида углерода возможно его взаимодействие с оксидом меди. Образую-
щийся углекислый газ, не успевая выделиться из металла, также вы-
зывает пористость. Отсутствие кипения сварочной ванны при сварке
меди медной проволокой усугубляет процесс порообразования. Кипе-
ние ваниы при сварке других металлов, например стали, способствует
удалению газов из жидкого металла. Серьезным затруднением, с кото-
9 9-366
рым приходится сталкиваться при сварке меди, является склонность
швов к образованию кристаллизационных трещин, чему способствует
ее специфические теплофизические свойства: большие коэффициенты
теплового расширения и теплопроводности, значительная усадка при
затвердевании и др. Примеси, присутствующие в меди, и в первую очередь
кислород, сурьма, висмут, сера и свинец, образуют с металлом легко-
плавкие эвтектики, которые скопляются на границах кристаллитов
и снижают их прочность. Так, свинец, образующий оксиды (РЬО,
РЬО2, РЬО3), дает легкоплавкую эвтектику с температурой плавления
326 °С, а висмут, образующий оксиды (ВЮ, В12О3, В|’2О5), — эвтектику
с температурой плавления 270 °С. Поэтому ограничивают содержание
примесей в меди, предназначенной для сварных конструкций (кислоро-
да — до 0,03 %; висмута — до 0,003 %; сурьмы— до 0,005 %; свинца —
до 0,03 %). Для ответственных конструкции содержание вредных при-
месей в меди должно быть еще ниже (кислорода — до 0,01 %; висму-
та — до 0,0005 % ; свинца — до 0,004 %) [153, 268, 349]. Для особо от-
ветственных изделий, эксплуатируемых при высокой температуре и в
условиях вакуума или восстановительной водородсодержащей атмо-
сферы, рекомендуется использовать в качестве конструкционного мате-
риала бескислородную медь с еще более низким содержанием кисло-
рода— менее 0,003 % [153].
Чтобы избежать хрупкости швов при повышенной температуре
в результате образования эвтектики Си28 — Си, содержание серы
в свариваемой меди должно быть менее 0,1 %. Фосфор в небольших
количествах (до 0,1 %) благоприятно влияет, так как является раскис-
лителем шва и переводит оксиды в шлак. Раскислителями при сварке
меди могут быть также кремний и марганец, однако они менее эффек-
тивны, чем фосфор [143, 245].
Для швов на меди характерна крупнозернистая столбчатая струк-
тура, обусловленная большой теплопроводностью металла. Интенсив-
ный теплоотвод от оси шва в основной металл создает благоприятные
условия для направленной кристаллизации — вытягизаш-я крупных
по размерам кристаллитов в направлении теплового потока. Крупно-
кристаллическое строение швов усугубляет их склонность к образова-
нию кристаллизационных трещин.
Теплофизические свойства меди обусловливают значительные де-
формации сварных изделий и повышенные остаточные сварочные на-
пряж ения.
При температуре выше 200°С снижается прочность меди с одновре-
менным уменьшением пластичности (в отличие от других металлов,
например стали, у которых снижение прочности прн повышенной тем-
пературе связано с повышением пластичности). В интервале температур
250—550 °С, при которых пластичность меди достигает минимальных
значений, могут возникать трещины. В связи с этим следует избегать
жестких закреплений. Не рекомендуется выполнять швы в два прохода,
так как первый проход уже создает жесткое закрепление. Прихватки
следует заменять скользящими закреплениями. Проковки швов,..кото-
рые применяют для повышения их пластичности, нельзя осуществлять
в указанном интервале температур.
При переходе от сварки меди к сварке сплавов на ее основе —лату-
ней и бронз — возникают дополнительные затруднения. При сварке
латуни цинк может испаряться (его температура кипения 907 °С, т. е.
ниже температуры плавления меди), что приводит к образованию пор.
Пары цинка, соединяясь с кислородом, образуют оксид цинка, кото-
рый, как и сами пары, ядовит и выделяется в виде плотного белого
облака. Поэтому при сварке латуин особые требования предъявляются
к вентиляции рабочих мест сварщика. Предварительный подогрев ме-
талла и повышение скорости сварки позволяют уменьшить растекание
жидкой латуни и снизить испарение цинка. В связи с интенсивным ис-
парением и выгоранием цинка его концентрация в металле шва умень-
шается. Дополнительное введение в шов кремния нли марганца снижает
потери циика. Наиболее благоприятное влияние оказывает кремний:
образующаяся на поверхности сварочной ванны тонкая оксидная
пленка препятствует испарению циика. В этом отношении весьма эф-
фективна присадка из сплава ЛК 62-0,5 по ГОСТ 16130—72.
Сварка бронз сопровождается появлением хрупкости и снижением
прочности при высокой температуре. Выгорание примесей может
привести к образованию пор и трещин, изменению состава шва. При
сварке алюминиевых бронз образуется тугоплавкий оксид алюминия
А12О3, который так же отрицательно влияет на формирование шва, как
и прн сварке алюминиевых сплавов: ухудшается плавление металла,
появляются поры и трещины. Поскольку оксид алюминия не растворя-
ется в бронзе, он загрязняет металл шва в виде неметаллических вклю-
чений и снижает механические свойства сварных соединений. Для по-
лучения качественных швов необходимо разрушить оксидную пленку.
Это достигается применением при дуговой сварке специальных галоид-
ных флюсов. Оловянные бронзы в расплавленном состоянии и при
кристаллизации не образуют на поверхности металла достаточно проч-
ную, непроницаемую для газов пленку. Поэтому металл может насы-
щаться газами, в том числе водородом, что приводит к возникновению
пор в сварном шве. Медно-оловянные сплавы имеют очень большой ин-
тервал затвердевания, намного больший, чем медные сплавы других
типов (табл. 6.1) [430]. Это способствует образованию кристаллизацион-
ных трещин. Против возникновения трещин принимают меры, направ-
ленные на снижение напряжений в сварных швах, в частности не допус-
кают такого жесткого закрепления деталей, как при сварке стали.
Наиболее пригодны для сварки кремнистые (около 30 % 8>, 15 % 2п)
и малокремнистые (3,0 % 81, 15 % 2п) бронзы. Хорошими сварочными
свойствами обладают кремнемарганцовистые бронзы (около 3 % 81,
1 % Мп). Тонкая пленка оксида кремния изолирует сварочную ванну
от взаимодействия с газами. В отличие от пленки оксида алюминия она
легко растворяется во флюсе.
Таблица 6.1. Интервалы затвердевания медных сплавов
Сплав г, °с Температурный интервал к ристал- лкзацни, °С
солидуса ликвидусе
Латунь (63 % Си, 37 % 2п) 902 915 13
ОлЬвянная бронза (92 % Си, 8 % 8п, 0,38 % Р) 850 гозо 180
Алюминиевая бронза (93 % Си, 7 % А1) Кремниевая бронза (98,75 % Си, 1 % 81, 0,25 % Мп) 1040 1042 2
1040 1070 30
Для меди и ее сплавов применимы все основные способы сварки
плавлением и в твердой фазе.
Подготовка к сварке. Свариваемый металл и проволока перед
сваркой тщательно очищаются от оксидов н загрязнений до металли-
ческого блеска и обезжириваются. Зачистка кромок может выполняться
механическим способом (наждаком, металлическими щетками и др.).
Абразивным камнем пользоваться не рекомендуется, так как оставляе-
мые им на поверхности металла глубокие риски служат очагами после-
дующих загрязнений и затрудняют обезжиривание органическими
растворителями. Сварочную проволоку и кромки основного металла
очищают травлением в растворе, состоящем из 75см3/л Н1<ОЭ, 100 см3/л
Н2$О4 и 1 см3/л НС1, с последующей промывкой в воде и щелочи, снова
в чистой воде и просушкой горячим воздухом [94].
Газовая сварка. Преимущественно выполняется ацетиленокнсло-
родным пламенем. Заменители ацетилена (пропан-бутановая смесь и др.)
целесообразно использовать при сварке меди и латуни малых толщин
1143, 207]. Высокая теплопроводность меди обусловливает применение
пламени большой мощности, примерно в 2 раза превышающей мощ-
ность для сварки малоуглеродистой стали. Для металла малых тол-
щин (до 3—4 мм) мощность пламени выбирается из расчета 150— 175 л/ч
ацетилена на 1 мм толщины, а при толщинах до 8 —10 мм мощность пла-
мени увеличивается до 175—225 л/ч на 1 мм толщины. При больших
толщинах рекомендуется использовать две н даже три горелки, причем
сварка может вестнсь’одной горелкой, а другие предназначаются для
подогрева [245]. Сварка должна проводиться только в одни слой с мак-
симальной скоростью во избежание роста зерен н образования пор. При
использовании двух горелок расход ацетилена на подогрев составляет
150—200 л/ч на 1 мм толщины, а в сварочную горелку — 100 л/ч на
1 мм толщины [376]. Медь и бронзу сваривают нормальным пламенем
(Р = 1,0 4- 1,1). Для того чтобы уменьшить потери цинка, для латуни
принимают р = 1,241,4 (окислительное пламя связывает водород
в Н2О, уменьшая этим растворение водорода в жидком металле, что в
свою очередь приводит к снижению интенсивности испарения цинка).
Расход горючего газа — заменителя ацетилена (ог) — опреде-
ляется из уравнения [207]
ог = (10 4- 12) ф36 . 10-», (6.1)
где ф3 — коэффициент замены ацетилена, ф3 = V3/Vл (о3 и оа — рас-
ходы заменителя ацетилена и ацетилена, л/ч, определяемые из графика
(рис. 6.2)). При использовании газов-заменителей значительно возра-
стает расход кислорода (например, при пропан-бутановой смеси Р мо-
жет достигать 3,5).
Применение при газовой сварке меди присадки из обычной медной
проволоки не дает положительных результатов: швы, особенно на ме-
талле больших толщин, получаются пористыми, склонными к образова-
нию трещин. Продукты горения ацетилена не обеспечивают полнойизо-
ляцнн сварочной ванны от атмосферы, и шов обогащается растворен-
ным оксидом меди. Поэтому сварочная ванна нуждается в раскнслейни.
Раскисление при газовой сварке меди достигается двумя путями: вве-
дением раскислителей в присадочный металл и применением флюсов,
растворяющих окенд меди. Для сварки меди толщиной до 10 мм реко-
мендуется использовать медную присадочную проволоку, содержащую
до 0,2 % Р, а для меди большей толщины — дополнительно 0,15—
0,30 % 81. Избыток раскислителей в металле шва нежелателен, так
как большое количество фосфора и кремния приводит к снижению важ-
ных свойств медн: теплопроводности и электрической проводимости.
Процесс раскисления металла шва при
введении в сварочную ванну фосфора
протекает по реакции
5Си2О + 2Р Р2О5 + ЮСи. (6.2)
Вводимый фосфор увеличивает жид-
котекучесть меди, и это облегчает
всплывание на поверхность ванны при-
месей и шлака.
Наряду с правильным использова-
нием теплового режима сварки меди
весьма важен н выбор размера присад-
ки. В зависимости от толщины свари-
ваемого металла принимают следующие
диаметры присадки [245]:
Рис. 6.2. Зависимость эффек-
тивной мощности пламени от
расхода ацетилена и горючих
газов-заменителей [207]:
/ — пропан-бутан (0=3,5); 2 —
ацетилен (0 = 1.15); 3 — метан (0=
= 1,15); 4 — коксовый газ (0=0,8);
5 — водород (0 = 0,4).
Толщина металла, мм 1,5 1,5—2,5 2,5—4 4—8 8—15 15
Диаметр присадки, мм 1,5 2 3 4—5 6 8
Присадку в процессе сварки не рекомендуется держать в свароч-
ной ванне, так как это приводит к дополнительному отводу теплоты
и охлаждению ванны. Присадочную проволоку расплавляют обычно
второй зоной пламени.
При сварке медных сплавов, содержащих активные раскислители
(алюминий, кремний, марганец), можно использовать присадку того
же состава, что и основной металл. Например, для сварки латуни —
присадочный металл, способствующий уменьшению потерь цинка —
кремнистую латунь типа ЛК 62-0,5 (62 % Си, 0,3—0,7 % 81, остальное
2п). Для растворения и удаления оксидов при сварке меди применяют
флюсы на основе буры н бориой кислоты с добавками солей натрия
и калия (см. гл. 3).
Медь толщиной до 3 мм сваривают без разделки кромок, с предель-
ным зазором до 1 мм. При больших толщинах рекомендуется разделка
под углом 60—70° с притуплением 1,5 мм. Зазор в этом случае ие
должен превышать 1,5 мм.
Пламя горелки следует держать примерно под прямым углом
К свариваемым деталям на расстоянии ядра от поверхности деталей,
Таблица 6.2, Ориентировочные режимы газовой сварки меди
Ь, мм Номер Наконечни ка Расход газа, л/ч Метод сварки
Ацетилен Кислород
1,5-1,6 2—3 225—250 230—270 Один сварщик
3—4 4—5 450—700 480-750 » »
5-6 5 1050—1500 1100—1570 Два сварщика: один подогревает, а другой сваривает
8—10 6—7 2000—2800 2100—3000 Два сварщика: по одному с каждой стороны
яе превышающем 5—6 мм. Сварка меди обычно выполняется «левым»
способом без перерывов по возможности на максимальных скоростях.
Как правило, сваривают металл на всю толщину за одни проход в ниж-
нем положении или на подъем (угол до 10° ) (табл. 6.2) [267, 4301. Металл
толщиной до 8 мм предварительно нагревают в начале шва сварочной
горелкой. Для меди больших толщин такой подогрев оказывается не-
достаточным. В этом случае применяют общий предварительный или
сопутствующий подогрев свариваемых кромок на всю длину шва.
Газовую сварку меди толщиной более 14—15 мм осуществляют
в вертикальном положении. В этом случае сварку целесообразно вы-
полнять одновременно с обеих сторон стыка (двумя сварщиками).
После сварки участков шва длиной 80—150 мм его подогревают до тем-
пературы 800—900 °С и проковывают с обеих сторон пневматическими
молотками. При проковке получается мелкозернистая структура шва
и повышаются его пластические свойства. Проковке подвергают также
швы на тонком металле (без подогрева, сразу после сварки) и металле
средних толщин (при подогреве до 500—600 °С). Механические свой-
ства сварных соединений улучшаются также при дополнительной терми-
ческой обработке (нагрев до 500—600 °С, охлаждение водой), которая
следует за проковкой.
При правильно выполненной сварке н последующей проковке
сварные швы имеют прочность ов = 166,8 215,8 МПа и угол загиба
120—180° (иа раскисленной меди МЗС). При сварке латуни Л62 с при-
садкой ЛК62-0.5 швы получаются плотными, с хорошими механиче-
скими свойствами (ов = 392,4 МПа; а — 180°; ан = 765,2 кДж/м8
при сварке в нижнем положении и ов = 313,9 МПа; а = 170°; ан =
= 784,8 кДж/м2 при сварке в вертикальном положении).
Соединения деталей из латуни толщиной более 10 мм, выполненные
всеми способами сварки плавлением, рекомендуется подвергать проков-
ке, а затем отжигу при 600—700 °С. Сварные соединения из кремнистой
бронзы практически равнопрочны основному металлу (Кпр « 0,95).
Пластичность соединений составляет 85 % пластичности основного
металла [245]. Бронзовые детали (катаиые) после сварки плавлением
проковывают. Отжигу (при 500—600 °С с охлаждением в воде) подвер-
гают катаную п литую бронзу.
Дуговая сварка. Сварка угольным электродом применя-
ется ограниченно, преимущественно для изделий, не испытывающих зна-
чительных нагрузок. Угольные электроды целесообразно использовать
прн толщине меди до 15 мм. При больших толщинах лучшие ре-
зультаты получаются при графитовых электродах [183]. Сварка выпол-
няется электродами, заточенными на конус на 1/3 длины электрода,
постоянным током прямой полярности (табл. 6.3) [293[.
Таблица 6.3. Ориентировочные режимы сварки стыковых соединений
меди и ее сплавов графитовым электродом
Ь, мм мм /д, «« ^СВ» А
2 6—7 5—8 125—200
5 8 10—15 200—350
8 10—12 15—20 300—450
13 15 25—30 500—700
Примечание, /д — длина дуги.
Процесс сварки ведется длинной дугой, чтобы избежать вредного
влияния на сварочную ванну выделяющегося оксида углерода (СО)
С этой же целью, а также в связи с возможностью охлаждения ванны
присадку ие погружают в ванну, а держат под углом примерно 30 ’
к изделию на расстоянии 5—6 мм от поверхности ванны. Угольный
электрод держат под углом 75—90° к свариваемому изделию. Напряже-
ние на дуге определяется из выражения [166]
(7Д= 18+1.8/д. (6.3)
Для угольного электрода диаметром 12—18 мм при длине дуги 16—
18 мм рекомендуется найденные значения увеличивать на 10—15 %
[143]. В среднем рабочее напряжение при сварке составляет 40—50 В.
Применяя в качестве присадочного металла проволоку, содержа-
щую такие раскислители, как фосфор, марганец, кремний (например,
типа БрКМцЗ-1), сварку выполняют без дополнительных мер защиты.
Диаметры проволоки или прутков зависят от толщины свариваемого
металла и подготовки кромок [143]. Ниже приведены данные о зави-
симости диаметра присадочной проволоки (прутков) от толщины сва-
риваемого металла:
Толщина металла, мм <1,5 1,5—2,5 2,5—4,0 4,0—8,0 8,0—10,0 <15
Диаметр присадки, мм 1,5 2 3 5 8 10
Для сварки латуни используют проволоку из латуни марки ЛК60-0.5,
ДК80-3, ЛМц40-4,5 и др., для бронзы — литые стержни диаметром
5—12 мм того же состава, что и основной металл. Флюс для сварки меди
угольной дугой (см. гл. 3) наносят на присадочную проволоку или за-
сыпают в разделку. Латунь во избежание выгорания цинка сваривают
погруженной дугой.
В зависимости от толщины металла рекомендуется следующая под-
готовка кромок: отбортовка кромок для металла толщиной 1—2 мм;
стыковое соединение без разделки кромок — толщиной 5—10 мм;
У-образное стыковое соединение (угол скоса кромок 70’, притупление
3 мм) — для металла больших толщин.
Сварку угольным электродом выполняют «правым» и «левым» спо-
собами. «Правый» способ более производительный, так как на основном
металле концентрируется больше теплоты, что позволяет вести сварку
стыковых соединений из металла больших толщин без разделки кромок.
Сварка проводится преимущественно в нижнем положении или при не-
большом наклоне свариваемых деталей иа графитовых подкладках
с канавками. В ряде случаев могут применяться также стальные под-
кладки. Для повышения качества швов рекомендуется их проковка
после сварки на режимах, применяемых при газовой сварке. В случае
использования прнсадкн из Бр.КМцЗ-1 сварные соединения из меди
Таблица 6.4. Ориентировочные режимы сварки меди под флюсом
угольным электродом
Ь. мм Размер присадки, мм Время подогрева, с осв. и/ч
Толщина Ширина
5 5 12 3—5 20
6 6 12 3—5 18
8 8 12 5-7 12
10 10 14 10-15 6-8
имеют следующие показатели механических свойств: ов — 274,7 МПа;
а = 180° [143].
Автоматическая сварка под флюсом уголь-
ным электродом выполняется иа постоянном токе прямой
полярности с использованием стандартных флюсов, применяемых
для сварки стали: АН-348А, ОСЦ-45и др. Угольный (или графитовый)
электрод затачивают в вид: плоской лопатки, а присадку (из латуни
или томпака) для раскисления металла шва цинком закладывают в
стык [222]. Сварка ведется дугой, закрытой под флюсом (табл. 6.4)
|376[. Начальный участок стыкового соединения предварительно подо-
гревается замыканием электрода на изделие. Применяют графитовые
подкладки. Механические свойства металла шва на меди М1 толщи-
ной 5 мм следующие: ов = 176,6 -~ 182,5 МПа; 6 = 25 33 %. Об-
катка роликами несколько повышает прочность шва [222].
Электродуговая сварка покрытыми элек-
тродами выполняется на постоянном токе обратной полярности
(табл. 6.5) [143]. При многослойной сварке меди толщиной более 10—
12 мм (3—6 слоев) используют электроды диаметром 6—8 мм при сва-
рочном токе до 500 А. Медь толщиной до 4 мм сваривают без разделки
кромок; до 100 мм — с односторонней разделкой при угле скоса кро-
мок до 60—70 °, притуплением 1,5—3 мм. При большей толщине реко-
мендуется Х-образная разделка. Сварку ведут короткой дугой без по-
перечных колебаний электрода. Лучшее формирование шва обеспечи-
вает возвратно-поступательное движение электрода. Удлинение дуги
ухудшает формирование шва, увеличивает разбрызгивание, ухудшает
механические свойства сварных соединений. При сварке стыковых со-
единений используют металлические (стальные или медные) или асбе-
стовые прокладки. Сварку производят в нижнем или слегка наклон-
ном положении (иа подъем). При ручной сварке меди покрытыми элек-
тродами подогрев кромок необходим, начиная с толщины 4 мм. Темпера-
тура подогрева возрастает с увеличением толщины свариваемых кромок
и габаритов изделия. При толщине свариваемых кромок 5—8мм ме-
талл подогревают до 200—300 °С, при толщине 24 мм —до 750—800 °С
[264]. Скорость сварки принимают максимально возможную. Она уве-
личивается с повышением температуры предварительного подогрева
и снижается с возрастанием толщины металла.
Таблица 6.5. Ориентировочные режимы ручной однопроходной сварки
меди покрытыми электродами
Ъь мм </9, мм ^св* Уд, в
2 2—3 100—120 25—27
3 3—4 120—160 25—27 . -
4 4—5 160—200 25—27
5 5—6 240—300 25—27
6 5—7 260—340 26—28
7-8 6—7 380—400 26—28
9—10 6—8 400—420 28—30
Удовлетворительные механические свойства соединений обеспечи-
ваются при сварке электродами «Комсомолец-100» (см. гл. 3) со'стерж-
нем из меди М1 (табл. 6.6). В этом случае у металла шва 6= 18 -г
-4-20 %; Он = 588,6 -е- 784,8 кДж/м2 [264]. Достаточно высокие меха-
иические свойства шва и сварного соединения на меди можно получить
также при использовании электродов со стержнями из бронзы
Бр.КМцЗ-1 с обмазкой ЗТ (см. гл. 3) (табл. 6.6).
Таблица 6.6. Механические свойства сварных соединений листовой
меди, выполненных покрытыми электродами
Покрытие Металлический стержень ав, МПа а, град
«Комсомолец-100» ЗТ М1 М1 Бр. КМцЗ-1 Бр. ОФ4-0.3 Л90 180—200 170—200 190—230 200—230 200—230 180 150—180 180 180 180
Примечание. Ь = 2 4 мм.
Проковка швов на меди без нагрева увеличивает прочность метал-
ла швов при некотором снижении пластичности [143]:
ав, МПа а, град
Без проволоки 202—215 180
С проволокой в холодном 235,4—242,3 143—180
состоянии
Специальные высокопроизводительные электроды марки АНЦ-1
(см. гл. 3) обеспечивают выполнение сварки без подогрева для металла
толщиной до 15 мм или с невысоким подогревом для металла больших
толщин. Стыковые соединения на меди толщиной 20 мм выполняются
без разделки кромок одно- или двусторонними швами, на графитовых
подкладках. Рекомендуемые режимы: 1св = 85 4- 100 А; =
= 45 -т- 50 В. Необходимым условием получения качественных швов
является применение источников постоянного тока — сварочных вы-
прямителей или преобразователей с напряжением холостого хода
1/х х <: 70 В [120]. Аналогичные электроды для сварки меди марок ЕС
и СТ разработаны польскими специалистами [460].
Теплопроводность и электрическая проводимость швов при сварке
меди покрытыми электродами по сравнению с аналогичными пара-
метрами основного металла значительно снижаются. В процессе плав-
ления электрода с покрытием «Комсомолец-100» в шов переходит
0,2—0,25 % 81, 0,5—0,6 % Мп, 1,1 —1,2 % Ре. Электрическая прово-
димость такого легированного шва составляет всего 20 % электриче-
ской проводимости меди М1. Примерно в такой же степени снижается
электрическая проводимость шва при сварке электродами со стержнями
из бронзы Бр.КМцЗ-1.
Ручная дуговая сварка латуни применяется редко, так как интен-
сивное испарение цинка крайне затрудняет работу сварщика. Для на-
блюдения за сварочной ванной необходим непрерывный отсос газов
с ее поверхности. Покрытыми электродами можно сваривать латунь
толщиной более 4 мм. Двустороннюю сварку выполняют без разделки
кромок при толщине металла до 10 мм, а одностороннюю — прн тол-
щине металла 5 мм и более с У-образной разделкой, при толщине ме-
талла 12 мм и более — с Х-образной разделкой. Сварочный ток выби-
рают в зависимости от толщины металла, диаметра электрода и типа
разделки. Так, для электрода диаметром 5 мм ток составляет 125—
200 А [94]. При сварке латуни необходим предварительный подогрев
металла. Благодаря подогреву сварку можно проводить иа понижен-
ном юке более короткой дугой и ва повышенной скорости; при этом
уменьшаются потери цинка.
Сварные соединения нз латуни марки Л62 толщиной 4—20 мм име-
ют следующие механические свойства [143]: ов = 243,3 4- 340,4 МПа;
а = 126 Ч- 180°.
Сварку бронз покрытыми электродами выполняют постоянным
током обратной полярности как без предварительного подогрева, так
и с предварительным и сопутствующим подогревом. Выбор режима
подогрева зависит прежде всего от типа бронзы. Оловянные бронзы
имеют невысокие прочность и пластичность при температуре 400 °С.
Резкие изменения температуры ведут к образованию термических на-
пряжений, которые, складываясь с остаточными сварочными напря-
жениями, вызывают образование трещин в металле шва и около шовной
зоне. Поэтому для оловянных бронз до предела сужают зону разогрева,
стремясь к плавному понижению температуры от шва к основному,
металлу [94]. При многослойной сварке оловянных бронз рекоменду-
ется выполнять проковку каждого валика при температуре не выше
200 °С. Сварочный ток выбирают в зависимости от диаметра электрода
(табл. 6.7) |94|.
Таблица 6.7. Ориентировочные режимы ручной сварки броиз покрытыми
электродами
Тип бронз Металлический етержеиь мм /св- А
Оловянные Алюминиевые БрОФ9-0,3 Бр.ОФ6,5-0,4 Бр.АЖ9-4 Бр.АЖМцЮ-3-1,5 5—6 7—8 5—6 160 — 220 220 — 260 220 — 280 220 — 280
Алюминиевые бронзы обладают повышенной теплопроводностью.
Поэтому при сварке изделий с толщиной стеики более 16 мм необходим
сопутствующий подогрев. При многослойной сварке короткими швами
(длиной до 300—400 мм) подогрев осуществляется лишь перед наложе-
нием первого валика, и сварку выполняют без перерыва. В качестве
электродного стержня используют прутки из сплавов Бр.АЖ9-4 и
Бр.АЖМцЮ-3-1,5. В процессе ручной сварки алюминиевой бронзы
покрытыми электродами состав шва по сравнению с присадкой не-
сколько изменяется: содержание алюминия в металле шва уменьшается
не более чем на 2 %, а кремния на 0,4 %. Сварные соединения получа-
ются достаточно прочными при удовлетворительной пластичности
(табл. 6.8) [94].
Автоматическая сварка под флюсом плавя-
щимся электродом выполняется обычными сварочными автоматами
на постоянном токе обратной полярности. Сварка под керамическим
флюсом типа ЖМ-1 (см. гл. 3) может выполняться на переменном токе.
Для меди толщиной 4—10 мм сварка под стандартными плавлеными
флюсами (АН-26С; АН-20С; АН-348А и ОСЦ-45) не вызывает затрудне-
ний. Для металла больших толщин необходимо примеиеиие специаль-
ные флюсов сухой грануляции, например АНМ-13 (см. гл. 3).
Основным преимуществом автоматической сварки меди под флюсом
является возможность получения стабильных высоких механических
свойств соединений без предварительного подогрева. Поэтому при
266
Таблица 6.8. Механические свойства сварных соединений из
алюминиевых броиз
Способ сварки Свариваемый металл Ь, мм Металл шва Сварное соединение
ав, МПа | в, % ав, МПа | а, град
Металлическим Бр. АМц9-2 10 460—490 25—30 420—480 25—50
электродом (покрытие ЦБ-1) 3 — — 460—520 140—180
Автоматическая Бр.АМцЮ-2 15 560—620 19—28 440—510 25—60
под флюсом Бр.АЖ9-4 15 530—570 30—34 431—490 15—20
Бр.АЖМцЮ- 3-1,5 15 618—657 24—30 441—579 10-33
Неплавящимся электродом в аргоне Бр. АМц9-2 3 520—530 170—180
изготовлении крупногабаритных сварных конструкций из меди боль-
ших толщин технологический процесс достаточно прост и практически
ие отличается от сварки изделий из стали.
Сварку обычно выполняют за одни проход с полным проплавле-
нием стыкуемых кромок. Рекомендуется применение нагартованной
электродной проволоки из бескислородной меди МБ или технической
меди марки М1 (с содержанием кислорода менее 0,01 %) [153]. В этом
случае, если сварные швы не должны обладать высокими теплофизи-
ческими свойствами, с целью повышения прочности соединений сварку
меди и бронзы (например, марки Бр.Х081 выполняют бронзовыми
проволоками (Бр.ХТО.6=0,5; Бр.Х07; Бр.КМцЗ-1; Бр.ОЦ4-3 и др.).
Металл толщиной до 20—25 мм сваривают одним электродом
диаметром 4—5 мм без разделки кромок. Прн большей толщине металла
рекомендуются 1_1-образная разделка (притупление 5—8 мм) и расщеп-
ленный электрод (расстояние между осями электродных проволок, рас-
положенных поперек шва, около 20 мм) из проволок диаметром 5 мм
пли сварка одним электродом диаметром 6 мм (табл. 6.9) [120]. При вы-
боре режимов автоматической сварки меди под флюсом можно руковод-
ствоваться графиками, приведенными на рнс. 6.3, 6.4 [153].
Таблица 6.9. Ориентировочные режимы автоматической сварки меди
под флюсом
Тип соединения 1>, мм Разделка кромок ^СВ’ А Уд.В чса. «/ч
Стыковое 5—6 Без разделки 500-550 38—42 45—40
10—12 « » 700—800 40—44 20—15
16—20 « » 850—1000 45—50 12—8
25—30 С-образная 1000—1100 45—50 8—6
35—40 « 1200—1400 48—55 (5 4
16—20 Односторонняя 850—1000 45—50 12—8
Угловое 25—30 « 1000—1100 45—50 8—6
35—40 Ц-образная 1200—1400 48—55 6—4
45—60 « 1400—1600 48—55 3—5
Рис. 6.3. Зависимость сварочного тока при сварке однопроходных свар-
ных соединений от толщины меди.
Рис. 6.4. Зависимость удельной погонной энергии при сварке меди под
флюсом от толщины металла.
Поскольку медь обладает чрезвычайно низким электросопротивле-
нием, скорость расплавления медной проволоки не зависит от величины
вылета электрода. Коэффициент расплавления электродной проволоки
составляет около 20 г/А • ч [376]. Для легированных проволок ско-
рость расплавления возрастает с увеличением вылета электрода.
Для удержания жидкого металла сварочной ванны и формирования
обратной стороны шва на меди применяют графитовые подкладки
(при толщине металла до 10—12 мм и швах небольшой протяженности)
или флюсовые подушки. Короткие швы на меди небольшой толщины
можно сваривать на флюсовой подушке без дополнительного поджатия
флюса к внутренней стороне кромок при сварке. Для узлов из меди
больших толщин независимо от длины шва необходим поджим флюса,
обычно достигаемый пневматическим способом [153].
Качество соединений при сварке меди под флюсом в значительной
степени определяется подготовкой под сварку. Так как медь весьма
склонна к окислению и подвержена влиянию водорода, для того чтобы,
избежать возникновения дефектов (трещины, поры), кромки и электрод-
ная проволока должны быть тщательно зачищены до металлического
блеска, а сварочные материалы (флюс, графитовые блоки) прокалены
перед сваркой.
Для возбуждения дуги при сварке под флюсом проволоку закора-
чивают на изделие через мелкую обезжиренную медную стружку или
пружину, навитую из медной проволоки диаметром 0,5—0,8 мм. При-
хватки кромок перед сваркой выполняют под флюсом при отключен-
ном механизме перемещения; шаг прихваток составляет 300—400 мм.
Начало и конец шва выводят иа технологические медные планки, при-
варенные к изделию. Допускается использование приставных графито-
вых плаиок, толщина которых должна быть равна толщине сваривае-
мого металла. Для того чтобы не допускать возникновения трещин
в шве, зазор между планкой и торцом изделия не должен превышать
1 мм. При соблюдении технологического процесса сборки и сварки из-
делий под флюсом обеспечивается получение сварных соединений вы-
сокого качества из металла толщиной 30—40 мм.
Используя бескислородный фторидный флюс, например АНМ-1
(см. гл. 3), получают швы, не отличающиеся по теплопроводности и
электрической проводимости от основного металла [153]. Механиче-
ские свойства металла шва, сваренного медной электродной проволокой
иа технической меди, несколько ниже, чем основного металла. Приме-
неиие бронзовых проволок повышает прочность и пластичность швов
(табл. 6.10).
Таблица 6.10. Механические свойства технической меди и ее
сварных швов
Образец Электродная проволока ав, МПа О0 2> МПа в. % Ф, %
Основной металл — 213 70,6 49,8 66,3
Сварной шов М1 171,7 86,3 38,3 49,8
Бр.КМцЗ-1 308 194 30,0 53,4
Бр.АЖМцЮ- 3-1,5 248 123,7 39,2 64,8
Латуни успешно сваривают под флюсом. Применяют плавленые
флюсы (АН-20, ФЦ-10), а также специально разработанный для лату-
ней флюс МАТИ-53. В качестве сварочных проволок используют брон-
зовые (Бр.КМцЗ-1, Бр.ОЦ4-3) и латунные (ЛК80-3) проволоки. Худ-
шие механические свойства сварных швов получают при применении
электродной проволоки из меди.
Без разделки кромок сваривают латунь толщиной до 20 мм (двусто-
ронним швом). За один проход сваривают металл толщиной до 12 мм.
При толщине металла 14 мм и более выполняется V- или Х-образная
разделка.
Для сварки латуни под флюсом характерно низкое напряжение
дуги, так как с уменьшением напряжения дуги снижается интенсив-
ность испарения цинка (табл. 6.11) [94]. Вылет электродной проволоки
принимают равным 20—60 мм и увеличивают с возрастанием диаметра
проволоки. Режимы автоматической сварки проволокой диаметром
1,5—2 мм (см. табл. 6.11) пригодны для полуавтоматической сварки.
Сварка выполняется иа подкладках из стали или флюсовых подушках.
Таблица 6.11. Ориентировочные режимы автоматической сварки латуни
под флюсом АН-20 проволокой Бр.ОЦ4-3
Ь, мм 4Э, мм ^св» А Уд. в осв. м/ч Примечание
3 1,5 160—180 24—26 20 Односторонняя сварка
4 1,5 180—200 24—26 20
• » 1.5 140—160 24—26 25 Двусторонняя сварка
8: 1.5 360—380 26-28 20 Односторонняя сварка
1,5 260—300 28—30 22 Подварочный шов
1,5 320-340 28—30 24 Второй проход
12 2,0 450—470 30—32 25 Односторонняя сварка
2,0 360—375 30—32 25 Подварочный шов
2,0 400—425 30—32 28 Второй проход
18 3,0 650—700 32—34 30 Подварочпый шов
3,0 700—750 32—34 30 Второй проход
Примечание. Латуни ЛС59-1, ЛО62-1, Л62, ЛМц53-2.
Сварные швы на латуни имеют удовлетворительные механические
свойства. Так, предел прочности сварного соединения из латуни марок
Л62, ЛМц58-2, ЛО62-1, ЛС59-1 толщиной 4—12 . мм, выполненного
проволокой Бр.ОЦ4-3 под флюсом АН-20, без усиления шва составляет
245,3—343,4 МПа, а с усилением шва — 294,3—392,4 МПа; угол загиба
еварного соединения — 100—180°.
Хорошо свариваются автоматом под флюсом бронзы (алюминиевые,
хромистые, свинцовистые и др.). Сварку бронзы, как и меди, выполня-
ют постоянным током при обратной полярности (табл. 6.12) [94]. Для
улучшения формирования шва и устранения дефектов «побитости»
поверхности шва ограничивают высоту слоя флюса. С этой же целью
рекомендуется применять флюс крупной грануляции (2,3—3,0 мм).
Механические свойства швов, сваренных на алюминиевых бронзах под
флюсом, вполне удовлетворительны. Сварные соединения из хромистой
бронзы (например, Бр.Х0,8) по прочности не уступают основному
металлу [297].
Таблица 6.12, Ориентировочные режимы автоматической сварки
алюминиевых бронз под флюсом АН-20 проволокой Бр.АМц9-2
Ь, мм Разделка кромок 'св. А Уд. в О СВ’ м^4 Высота слоя флюса, мм Примечание
10 Без разделки 450 35—36 25 25 Двусторонняя
15 У-образная 550 35—36 25 25 Первый проход
650 36—38 20 30 Второй проход
650 36—38 25 30 Подварочный шов
26 Х-образяая 750 36—38 25 30 Первые проходы
800 36—38 20 30 Вторые проходы
П риыечание. I. Бронзы Бр.АМц9-2, Бр.АЖ9-4, Бр. АЖМц10-3-1,5, 2. 4Пр=>
= 5 мм.
Автоматическую сварку под флюсом успешно используют для со-
единения меди со сталью. Сварка производится со смещением электрода
иа медь, практически без оплавления стали. При этом расплавленная
медь смачивает стальную кромку и соединение осуществляется за счет
диффузии меди в железо. Применяется специальная разделка кромок
[153]: скос только медной кромки под углом 45° с притуплением, рав-
ным половине толщины. Стыковое или угловое соединение собирается
без зазора, расстояние оси электрода от края медной кромки составляет
0,65—0,70 толщины меди. Сварка выполняется одинарным электродом.
Режим сварки такой же, как и при сварке медных соединений, кроме
сварочного тока, который снижают на 15—20 %.
Сварка в среде защитных газов меди и ее сплавов производится
неплавящимся и плавящимся электродами. Неплавящимся вольфрамо-
вым электродом сваривают в аргоне без предварительного подогрева
медь толщиной до 4—6 мм, в гелии и азоте — толщиной до 6—8 мм.
Плавящимся электродом можно сваривать без подогрева металл боль-
шей толщины: в аргоне — до 6—8 мм, в гелии и азоте — до 10—12 мм.
Необходимость применения предварительного, а при больших толщи-
нах и сопутствующего подогрева — серьезное затруднение при сварке
меди в среде защитных газов. Гелий и азот обеспечивают более высокий
по сравнению с аргоном КПД процесса
сварки, поэтому они заслуживают пред-
почтения. Однако аргон, являясь наиболее
универсальным защитным газом, широко
применяется и для меди (первый и второй
сорта по ГОСТ 10157—73). Целесообразно
использовать газовые смеси (например,
следующего объемного содержания: 70—
80 % Аг, 20—30 % М,) для экономии арго-
на и увеличения производительности сва-
рочных работ.
Рис. 6.5. Статистические
характеристики дуг при
сварке меди неплавящим-
ся электродом в разных
защитных газах (длина
дуги 1\2—12 мм; Не —
3 мм; Аг — 3 мм).
Для аргоиа и гелия длина
Сварку вольфрамовым электродом ве-
дут на постоянном токе прямой полярнос-
ти. Медь толщиной до 5—6 мм можно сва-
ривать без разделки кромок. Для металла
больших толщин применяется V- или X-
образиая разделка с углом раскрытия
60—70°.
Техника сварки в разных защитных
средах различается в основном необходи-
мостью поддержания разных по длине дуг.
дуги должна быть как можно меньше (обычно около 3 мм). Значи-
тельно длиннее дуга в азоте (около 12 мм) 1427]. Поэтому в зависи-
мости от среды, в которой выполняется сварка меди, резко различа-
ются и статические характеристики дуг — зависимость напряжения
дуги от величины сварочного тока (рис. 6.5). При данном сварочном
токе напряжение дуги, а следовательно, ее мощность и тепловложеиие
самые высокие в азоте (в 3—4 раза больше, чем в аргоне). В гелии эти
показатели примерно в 2 раза выше, чем в аргоне.
При сварке в азоте швы более склонны к порообразованию, осо-
бенно при малых размерах сварочной ванны и повышенной скорости
ее охлаждения Это объясняется тем, что в азоте металл сварочной
ванны проявляет тенденцию к уменьшению жидкотекучести [427].
Расход защитного газа, зависящий во многом от его теплофизпческих
свойств и плотности, в среднем следующий [376]: аргона —8—10 л/мии,
гелия — 10—20 л/мин и более, азота — 15—20 л/мин. Смеси газов для
сварки меди применяются редко. Для повышения скорости сварки ре-
комендуется смесь аргона с азотом или гелием, где объемное содержа-
ние азота или гелия составляет 30 %. При сварке используют графи-
товые подкладки или медные пластины, охлаждаемые водой.
Сварка в среде аргона обычно ведется справа налево при наклоне
электрода по отношению к изделию углом вперед на 80—90°; угол на-
клона присадочной проволоки 10—15°, вылет неплавящегося электро-
да 5—7 мм. При сварке в среде азота применяются пониженные по
сравнению с аргоном сварочные токи (табл. 6.13, 6.14) [94, 267].
Сварка меди неплавящимся электродом выполняется с использованием
присадочного металла из раскисленной меди, медно-никелевого сплава
МНЖКТ5-1-0,2-0,2, бронзы Бр.КМцЗ-1, Бр.ОЦ4-3, а также специаль-
ных сплавов, содержащих эффективные раскислители — РЗМ (см.
гл. 3). Оптимальные параметры режимов предварительного подогрева
и сварки меди неплавящимся электродом выбирают исходя из номо-
граммы [441] (рис. 6.6).
Распространенная технологи я аргонодуговой сварки меди с приме-
нением присадочных проволок МНЖКТ5-1-0,2-0,2 и Бр.КМцЗ-1, ко-
торые позволяют получать швы удовлетворительного качества, в ряде
случаев не обеспечивают теплофизических свойств металла шва и эк-
сплуатационной надежности сварных соединений. Для сварки изде-
Таблица 6.13. Ориентировочные режимы сварки меди в среде аргона
неплавящимся электродом
ь. ММ мм ^прк мм Число проходов (кроме подвароч- ного) ^СВ’ А Расход аргона, л/мии
1, 2* 2,5—3,0 1.6 1 — 120—130 7,0—8,5
1, 5* 2,5—3,0 2,0 1 — 140—150 7,0—8,5
2, 5* 3,5—4,0 2,5—3,0 1 — 220—230 7,5—9,5
3 * 3,5—4,0 2,5—3,0 1 — 230—240 7,5—9,5
10 ** 4—4,5 3,0 3 1-й проход 200—350 7—8
4-4,5 5,0 2-й проход 200—350 7,0
4—4,5 6,0 3-й проход 200—400 7,0
4—4,5 3,0 250—350 7,0
Подварочный шов
12 ** 4—4,5 3,0 4 1-й проход 250—350 8—10
4—4,5 5,0 2-й проход 250—400 8-10
4—4,5 6,0 3-й проход 300—450 8—10
4—4,5 6,0 4-й проход 300—450 8—10
4—4,5 3,0 250—350 8—10
Подварочный шов
19 * ** 5—5,5 3,0 6 1-й и 2-й проходы 10—12
250—400
5—5,5 5,0 3-й и 4-й проходы 10-12
250—450
5—5,5 6,0 5-й и 6-й проходы 10—12
300—550
25 *** 5—5,5 3,0 8 1-й и 2-й проходы 12—14
250—400
5—5,5 5,0 3-й и 4-й проходы 12—14
300—450
5—5,5 6,0 5-й и 6-й проходы 12—14
300—550
5-5,5 6,0 7-й и 8-й проходы 12—14
350—600
• Без разделки кромок.
•• У-образная разделка кромок, а = 70 — 90°.
••• Х-образная разделка кромок, а = 70 — 90®.
Таблица 6.14. Ориентировочные режимы сварки тонкслистсг.сй вехи
в среде азота неплавящимся электродом
!>, мм 4Э, мм </пр, мм ^СВ- А Днам етр выходного сопла горелки, мм
1,2—1,5 2,5—3,0 1,6—2,0 120—120 6—8
2,5—3,0 3,0—4,0 2,5-3,0 200—230 8—10
лий электротехнической промышленности создана присадочная про-
волока марки СвМЛ0,2 [270]. Электрическая проводимость швов со-
ставляет 80—95 % электрической проводимости основного металла. Наи-
лучшие свойства при сварке кислородсодержащей медн обеспечиваются
при использовании в качестве защитной среды гелия. Угол загиба
сварных соединений составляет 180°; ов = 190 4- 210 МПа.
Наиболее часто встречающиеся дефекты сварных швов на меди —
пористость и горячие трещины [67]. Образование трещин в процессе
кристаллизации сварных швов связано с наличием остаточных приме-
сей в основном металле, таких, как висмут, кислород, свинец, сера,
селен, теллур, фосфор [126].
По характеру влияния на образование трещин примеси могут
быть разделены на три группы.
1. Примеси, повышающие склонность к образованию и распро-
странению трещин при сварке— висмут, теллур, селен, фосфор, сви-
нец. Указанные примеси, кроме фосфора, оказывают вредное влияние
Рис. 6.6. Рекомендуемые режимы подогрева и сварки, формы разделок
меди для ручной сварки неплавящимся электродом [441],
на свариваемость меди при их концентрациях в тысячных и десятиты-
сячных долях процента. Влияние фосфора проявляется при его содер-
жании в меди более 0,01 %. Наибольшее влияние оказывают висмут
и теллур. Свинец начинает существенно влиять только при больших ско-
ростях сварки (более 14 м/ч), а прн введении его в медь, раскисленную
фосфором, даже уменьшает склонность к образованию и распростране-
нию трещин.
2. Примеси, оказывающие в зависимости от концентрации пере-
менное влияние на образованней распространение трещин. При малых
концентрациях (до 0,01 %) они увеличивают склонность к образованию
и распространению трещин, а при больших — уменьшают ее. Такими
примесями являются кислород, сера, кадмий.
3. Примесь, практически не влияющая на образование трещин,—
мышьяк. По характеру влияния на образование кристаллизационных
трещин легирующие добавки (при содержании их до 0,6 %) можно
разделить на следующие группы: элементы, уменьшающие склонность
швов к образованию н распространению трещин, — хром, ниобий,
иттрий, в меньшей степени —титан, марганец, ванадий, кремний;
элементы, практически не влияющие на образование трещин, но
уменьшающие склонность к их распространению,— железо, никель,
кобальт, алюминий, цинк; элементы, оказывающие переменное влияние
на образование трещин в зависимости от нх концентрации и скорости
сварки, —бор, цирконий, магний.
Такое действие легирующих добавок связано с влиянием их на
характер кристаллизации и различной раскисляющей способностью
по отношению к меди.
Повышенной склонностью к образованию горячих трещин харак-
теризуются также комплексно-легированные медно-никелевые и марган-
цево медные сплавы, алюминиевые и оловянные бронзы. При сварке
сплавов на медной основе возможно образование горячих трещин как
в металле шва, так и в зоне термического влияния. Горячие трещины
в металле шва, как правило, обусловлены широким эффективным ин-
тервалом кристаллизации сплавов [127]. Основной причиной образова-
ния таких трещин можно считать низкие пластические свойства этих
сплавов при повышенных температурах, обусловленные наличием про-
вала пластичности, который наблюдается в большинстве сплавов на
медной основе. Температурные границы и минимальная пластичность
в этом интервале для разных сплавов различны. Чем больше интервал
потери пластичности, чем больше он смещен в область низких темпера-
тур и чем меньше пластичность в этом интервале, тем выше склонность
сплава к образованию трещин. Наибольшей склонностью к горячим
трещинам в металле шва обладают марганпево-медные сплавы, наи-
меньшей — алюминиевые бронзы. Образованию трещин в ЗТВ под-
вержены медно-никелевые сплавы, а наиболее стойкими против образо-
вания таких трещин являются алюминиево-никелевые и марганнево-
алюмнниевые бронзы.
Для обеспечения отсутствия трещин в ЗТВ сплавов системы
Си—ЬЛ—А1 и Мп—Си сварку производят узкими валиками с охлажде-
нием после каждого прохода до температуры ниже 100 °С.
Для повышения стойкости металла шва против горячих трещин раз-
работаны сварочные проволоки Бр.АЖНМцЗ,5-4-5-1,5; Бр.МцАЖН12-
8-3-3; ММц40. С применением указанных материалов производится
ручная аргонодуговая сварка неплавящимся электродом на постоян-
ном и переменном токах и полуавтоматическая аргонодуговая сварка
плавящимся электродом. Механические свойства сварных соединений
обеспечиваются практически на уровне свойств основного металла
(табл. 6.15).
Таблица 6.15. Механические свойства медных сплавов и их сварных
соединений
Материал ав, МПа Од 2» МПа б. % ч>. %
Алюминиево-никелевая бронза Основной металл 642 238 22,9
Сварное соединение 691 390 18,4 —
Наплавленный металл 703 294 27,5 26,4
Марганцево-алюминиевая бронза Основной металл 663 280 32,0
Сварное соединение 701 404 17,4 —
Наплавленный металл 766 464 28,1 34,2
Медно-никелевые сплавы с 5—6 % № Основной металл 366 68,5
Сварное соединение 376 — 38,9 —
Наплавленный металл 378 239 32,0 45,8
Медно-никелевые сплавы с 40 % № Основной металл .
Сварное соединение — — — —
Наплавленный металл 596 279 40,6 45,3
Марганцево-медный сплав Основной металл 525 310 35,3 44,8
Сварное соединение 526 320 30,0 44,6
Наплавленный металл 532 240 36,7 48,0
Высокую производительность сварочных работ обеспечивают новые
эффективные способы и приемы сварки [1201. К ним относится ручная
гелиеводуговая сварка меди на форсированных режимах (7СВ = 700 4-
4- 900 А; = 25 4- 30 В), которая позволяет успешно решать вопрос
изготовления и ремонта медных конструкций. Резко повышает произво-
дительность работ двухдуговая сварка неплавящимся электродом.
Сварку меди плавящимся электродом в среде защитных газов ве-
дут на постоянном токе обратной полярности. Она применяется для
меди толщиной не менее 6—8 мм. Рекомендуются V- и Х-образные
Таблица 6.16. Ориентировочные режимы сварки меди плавящимся
электродом
Параметр Защитный газ
Гелий Азот
Диаметр электродной проволоки из Бр.КМцЗ-1, мм Сварочный ток, А Скорость сварки, м/ч Скорость подачи электродной проволоки, м/ч Расход газа, л/мин Температура предварительного подогрева, “С 2,5 260—270 4,5—5,0 5,8 20,0 175—210 1,5 280—290 4,5—5,0 6,0 16,7 150—175
Примечание. Ь = 12 мм.
Рис. 6.7. Рекомендуемые ре-
жимы сварки меди плавя-
щимся электродом [441].
разделки (рис. 6.7). Производительность
сварки меди плавящимся электродом
примерно в 2—3 раза выше, чем при
сварке неплавящимся электродом. Однако
при плавящемся электроде сложно обес-
печить стабильность процесса и полу-
чить беспористые швы. Так, при плот-
ности сварочного тока выше 300 А/мм2
в аргоне и 110 А/мм2 в азоте образуется
пористый шов. Для каждых защитной
средни режима сварки выбирают опти-
мальный диаметр проволоки (табл. 6.16)
[143]. Лучшие свойства металла шва при
сварке меди плавящимся электродом
в среде инертных газов обеспечивает
применение проволоки, легированной
0,22 % М§, 0,22 % 1л, 0,2 % Сг [270].
Она обладает лучшими сварочно-техиоло-
гическими свойствами по сравнению с за-
рубежными и отечественными прово-
локами, предназначенными для сварки
меди в среде инертных газов, в част-
ности имеет более высокую стойкость
к образованию пори трещин, обеспечи-
вает стабильное горение дуги и струйный перенос электродного метал-
ла, более высокую электрическую проводимость швов. При сварке меди
плавящимся электродом в среде азота на пористость швов влияют
легирующие элементы в металле проволоки. Положительное влияние
при этом оказывают такие элементы, которые активно образуют нит-
риды и в которых азот малорастворим [270]. Как показывает опыт,
при сварке меди в среде азота наблюдается повышенное разбрызгива-
ние электродного металла. Существенно улучшает перенос и умень-
шает разбрызгивание легирование проволоки литием н магнием [123].
Длина дуги прн сварке меди плавящимся электродом является од-
ной из важнейших характеристик процесса [175], так как от нее зави-
сят не только потери электродного металла, насыщение его водородом
и окисление, ио и эффективный КПД дуги. При сварке меди током
прямой полярности длина дуги зависит как от состава защитного газа,
так и от состава электродной проволоки. Удовлетворительное формиро-
вание швов при сварке проволоками различного химического состава
можно получить при длине дуги 4—5 мм.
При сварке меди плавящимся электродом наилучшие результаты
достигаются в условиях струйного переноса электродного металла
на токе обратной полярности в аргоне, а также на токе прямой поляр-
ности как в инертных, так и в активных газах при использовании элек-
тродов.
Наилучшие результаты при сварке плавящимся электродом полу-
чают при струйном переносе электродного металла, наблюдающемся
при сварке на токе обратной полярности в аргоне, а также на токе пря-
мой полярности как в инертных, так и в активных газах при использо-
вании электродов с поверхпостно-активирующими покрытиями [294].
Сварку неплавящимся электродом применяют для листовой лату-
ни малых толщин (до 3—4 мм). Прй сварке латуни плавящимся электро-
дом используют бронзу, легированную алюминием с добавкой фосфо-
ра, а также Бр .КМцЗ-1. Режимы сварки латуни практически те же, что
и при сварке меди. Предварительный подогрев необходим Лишь при
сварке листов толщиной более 12 мм.
Высокие механические свойства соединений из бронзы получают
при сварке в среде инертных газов. Так, на алюминиевой бронзе этот
способ позволяет получать наиболее прочные и пластичные соединения
по сравнению с другими способами сварки (см. табл. 6.8). В качестве
защитного газа используют аргон и гелий. Применение гелия обеспе-
чивает сварку бронз без предварительного подогрева длинной дугой
при напряжении, на 25 % большем, чем при сварке в среде аргона. Прн
ручной сварке тонколистовых бронз (6=14-2 мм) неплавящимся
электродом в среде аргона /св = 100 4- 140 А; при автоматической
сварке /св = 190 4- 220 А; псв = 30 4- 35 м/ч [1431. Сварку алюминие-
вой бронзы плавящимся электродом выполняют проволокой из брон-
зы диаметром 1,6 мм при /св = 325 А; = 390 м/ч; 1/д = 27 4- 29 В
и расходе аргона 17—23 л/мин.
Наиболее высокие механические свойства соединений достигаются
при сварке раскисленной меди с применением такого же присадочного
металла (ов = 211,9 МПа; а = 180°) [424]. При сварке нераскисленной
меди пластичность швов снижается.
Механические свойства сварных соединений из латуней (табл. 6.17)
[143] практически такие же, как и основного металла.
Таблица 6.17. Механические свойства сварных соединений из латуней,
выполненных в среде аргона
Латунь ав, МПа а, град
Л 62 314—343 180
ЛМц58-2 338—363 180
ЛС59-1 299-314 180
Примечания. I. Толщина основного металла 4 мм. 2. Образцы для испы-
тания на разрыв плоские, со снятым усилением.
Сварка незащищенной дугой производится ме-
ханизированным способом специальной комплексно-легированной про-
волокой сплошного сечения марки МРзКМцТО,3-0,3-0,1-0,3 (см. гл. 3)^
Проволока обеспечивает при оптимальных режимах сварки (табл. 6.18)
[295] стабильное горение дуги иа воздухе, удовлетворительное форми-
рование швов, отсутствие пор и трещин вследствие того, что металл
шва не загрязняется газами атмосферы. Сварка незащищенной дугой
рекомендуется для меди толщиной до 10 мм. При толщине металла
свыше 6 мм необходим предварительный подогрев до 300—400 °С.
Сварные соединения обладают удовлетворительными механическими
свойствами: ов = 206 4- 240 МПа; а — 160—180° [295]. Однако данный
способ пока не нашел широкого применения.
Сварка медных стыков в различных пространственных положениях
вызывает особые трудности, связанные с высокой теплопроводностью
и жидкотекучестью меди. Для обеспечения удовлетворительного фор-
мирования шва и его качества необходимо одновременно поддерживать
на весу расплавленный металл, подавать в зону дуги присадочный ма-
териал и перемещать горелку вдоль стыка.
Сварка модулированным током была применена при монтаже непо-
воротных стыков медных трубопроводов диаметром 108—159 мм [395].
Модулирование сварочного тока благоприятно влияет на качество на-
плавленного металла и его формирование в различных простраиствен-
Таблица 6.18, Ориентировочные режимы сварки меди незащищенной
дугой
Тип соединения мм (1$, мм 7СВ, А Уд. В Гсв, м/ч
Стыковое, на медной под- 2 1,0 160—170 25—26 20—26
кладке 4 1.2 210—240 29—32 20—24
6 1,2—1,6 300—340 30—32 17—20
Стыковое, двусторонним 4 1,2 200—240 29—32 10—24
швом на весу 6 1,2—1,6 300—340 30—32 16—20
Нахлесточное и угловое 2 1,0 180—200 26—27 18-22
4 1,2 230—250 30—32 22—25
6 1,2—1,6 300—350 32—34 16—18
Примечание. Длина вылета электрода 10—15 мм.
них положениях шва. Значительно облегчается техника ведения про-
цесса в этих положениях. При модулировании сварочного тока у свар-
щика отпадает операция по дозированию теплоты, поступающей в ван-
ночку. Оиа осуществляется блоком управления источником питания,
и ведение процесса значительно упрощается. Формирование шва улуч-
шается и становится более равномерным, уменьшается пористость ме-
талла шва. Регулирование тепловложения осуществляется за счет из-
менения длительностей импульсов и пауз. Сварку неповоротных стыков
труб модулированным током проводили иа режиме 7СВ = 90 -г- 130 А;
/нып = 1$0 220 А, частота следования импульсов 0,5—3 Гц, диаметр
ненлавящегося электрода 3 мм.
Аргонодуговая сварка меди с использованием флюсов-паст позво-
ляет увеличить проплавляющую способность дуги [122]. Разработанные
для сварки меди флюсы-пасты (АНМ-15Аи др.) предназначены для ме-
талла определенной толщины, и их сварочно-технологические свой-
ства проявляются в сравнительно небольшом диапазоне режимов. Так,
трехкомпонентный флюс-паста системы МдЕ2 — А1ЕЯ — МпЕ, опти-
мальный по проплавляющей способности при сварке медных пластин
толщиной 5 мм на режиме /св = 300 А; псв = 17 м/ч. Эффект от при-
менения флюсов-паст оценивается по площади проплавления металла.
Проплавляющая способность флюсов зависит от их химического состава
и погонной энергии при сварке.
Увеличение погонной энергии резко снижает эффект от примене-
ния флюсов. Поэтому оптимальный состав флюса-пасты является пере-
менным, он зависит как от тока, так и от скорости сварки [38]. Флюсы
могут быть использованы при ручной аргонодуговой сварке нанесением
непосредственно на стык или при автоматической сварке неплавящимся
электродом в виде наполнителей присадочных проволок [38].
Плазменная сварка. Этот способ имеет ряд преимуществ при сое-
динении элементов из меди и ее сплавов больших толщин: возможность
осуществления больших тепловложений в свариваемые кромки, свар-
ка стыковых соединений без разделки кромок, минимальный объем
механической обработки дои после сварки [120, 365]. В качестве плаз-
мообразующего газа используется смесь аргона с гелием (объемная доля
Не 80—85 %). Для защиты сварочной ванны от взаимодействия с атмо-
сферой и хорошего формирования шва сварка выполняется по слою
флюса (например, АН-26С). Применяется специальная порошковая
проволока марки ППБр.ХТ-12-2, позволяющая раскислять и деле-
гировать металл шва (см. гл. 3). Благодаря этому устраняется склон-
ность шва к образованию кристаллизационных трещин и повышается
деформационная способность сварных соединений.
Таблица 6.19. Ориентировочные режимы плазменной сварки бронзы
Бр.ХТ0,8
Тип шва Ь, мм /СВ* А Уд. В осв, м/ч Расход газа, л/ч
Аргон Гелий
Односторонний 20 850—900 44—46 3,2—4,0 300 1200
30 1100—1150 50—52 2,2—2,4 300 1300
40 1150—1200 50-54 2,0—2,2 400 1400
Двусторонний 40 1050 48—52 2,8—3,0 300 1300
60 1250—1300 50—54 1,8—2,0 400 1400
80 1350 52—56 1,2—1,4 600 1600
Сварка металла толщиной до 50—60 мм выполняется без разделки
кромок за один проход. При большей толщине применяется двусторон-
няя сварка. Рекомендуемые режимы одно- и двусторонней сварки спла-
ва Бр.ХТО,8 различных толщин приведены в табл. 6.19 [120]. При
сварке меди ток и расход газа следует увеличить на 10—15 %. При
плазменной сварке меди используют сварочные плазмотроны прямого
действия, рассчитанные на длительную работу при форсированных
режимах, и специальные источники питания.
Для сварки меди, а также для наплавки меди на сталь разработай
комбинированный плазменный способ в сочетании со сваркой плавя-
щимся электродом [459}. Сварка производится электродной проволокой
малого диаметра (1,2—1,6 мм) при /св = 175 4- 375 А, токе в плазме
90—105 А; плазмообразующий газ — аргон или смесь аргона с гелием,
защитный газ — аргон.
Микроплазменная сварка. Этот вид сварки применяется для из-
готовления труб с толщиной стенки 0,2—0,5 мм и других особо тонко-
стенных изделий из меди М1. латуней Л63, Л68, Л90, бериллиевой
бронзы и др. [296}. Сварка стыковых соединений без отбортовки кро-
мок выполняется на специализированной установке УМПСТ-1 с ис-
пользованием источников питания марки МПУ-РИ и МПУ-4 (с преде-
лом регулирования тока до 30 А); плазмообразующий газ — аргон,
защитный газ — гелий. Диаметр внутреннего сопла плазмотрона 1 мм.
Высокая сосредоточенность теплового потока малоамперной сжатой
дуги обеспечивает большую производительность процесса микроплаз-
менной сварки особо тонкостенных труб из медных и других сплавов
(табл. 6.20) [296}. Наиболее эффективная защита зоны сварки достига-
ется при использовании закрытой микрокамеры, в которой распола-
гается плазмотрон. При этом швы получаются плотные, без дефектов.
Электронио-лучевая сварка. ЭЛС весьма эффективна при изготов-
лении электровакуумных приборов. Так, при сварке особочистой меди
МБ обеспечиваются высокие физико-механические свойства сварных
соединений с сохранением исходной чистоты металла в сварном шве
и околошовиой зоне [202]:
ог, % н,. %
Медь МБ 0,001 0,0002
Шее ЭЛС 0,0001 0,0001
Таблица 6.20. Ориентировочные режимы автоматической
мнкроплазменной сварки труб
Металл Размер трубы, мм Расход газа, л/мнн 7вВ’ А 1’св« м/ч
плаз мо- образую- щего защит- ного для защи- ты обрат- ной сторо- ны шва
Медь М1 6,0 хр,5 0,5 1.5 0,4 29 60
Латунь: Л63 8,8x0,3 0,4 1.7 0,2 26 140
Л68 8,8 X 0,3 0,4 1.5 0,2 28 135
Л90 8,8 х 0,3 0,4 1,4 0,3 29 ПО
Бронза Бр.Б2 8,8 X 0,3 0,2 1,5 0,3 26 90
При ЭЛС меди (табл. 6.21) возникают трудности, связанные с интенсив-
ным испарением металла в вакууме при перегреве выше температуры
плавления, а также с его высокой теплопроводностью. Высокая кон-
центрация мощности при сварке тонколистовой меди приводит к ослаб-
лению сечения шва из-за потерь металла при испарении, а при сварке
металла больших толщин —к интенсивному его разбрызгиванию и не-
удовлетворительному формированию шва. При превышении определен-
ного значения удельной мощности в пятне нагрева обычно не удается
получить хорошее качество сварного соединения из меди. Поэтому свар-
ку малых толщин выполняют не острофокусированным лучом, а лучом,
для которого фокус располагают несколько выше уровня поверхности
изделия [202, 293]. По указанным причинам для сварки и ее сплавов
предпочтение отдают применению колеблющегося'пучка [289]. Большое
влияние на режим ЭЛС меди оказывает содержание в ней примесей
(табл. 6.22) [436]. Увеличение содержания примесей приводит к умень-
шению глубины проплавления и размеров ЗТВ. При этом сдержива-
ются рекристаллизациия и рост зерен.
Таблица 6.21. Ориентировочные режимы ЭЛС меди
мм /п> А Уус, кВ с-си, "/ч
1 70 14 20
2 120 16 20
4 200 18 18
6 250 20 18
При сварке меди больших толщин используют электронно-опти-
ческие системы, обеспечивающие равномерность тока по сечению пуч-
ка, либо системы, в которых максимальная плотность тока смещена за
пределы некоторой центральной области. Необходимы также значи-
тельные тепловложения. Например, для получения проплавления
на глубину 15 мм при скорости сварки 50 м/ч необходима мощность
примерно 14 кВт при (>ус= 28 кВ [202].
При ЭЛС медн и некоторых ее сплавов (например, бронзы
Бр.Х0,8) получают швы с мелкозернистой структурой и с хорошими
механическими свойствами, практически равноценными свойствам ос-
новного металла (табл. 6.23) [202].
Таблица 6.22. Глубина проплавления меди прн ЭЛС в зависимости
от содержания примесей в металле и положения фокуса луча
Суммарное содержание примесей, % Мощность луча, кВт Глубина проплавления, мм Средняя глубина проплав- ления, мм
Фокус ниже поверх- ности Фокус на поверх- ности Фокус выше поверхности
0,035 6,9 7,0 7,5 8 1
5,7 5,0 5,75 6,25 1 5,5
4,о 2,5 3,25 3.5 ]
0,0048 (медь бес- 6,9 6,75 7,5 8.5 1
кислородная) 5,7 5,5 6,0 6,5 } 6,0
4,0 4,5 4,25 3,75 )
Примечание. Уус = 27 кВ.
Таблица 6.23. Механические свойства соединений при ЭЛС меди М1
Образец ов, МПа °0,2. МПа в. % ф. %
Основной металл 216 127 36,3 41,2
Сварное соединение 216 75 36,6 45,9
Электрошлаковая сварка. ЭШС успешно применяется для меди
больших сечений. Вследствие высокой теплопроводности меди сварку
необходимо вести на больших погонных энергиях. Для сварки меди
наиболее приемлем электрод большого сечения — пластинчатый (для
коротких швов) или пластинчато-проволочный — плавящийся мунд-
штук (для швов большой протяженности).
Учитывая, что ЭШС исключает возможность введения легирую-
щих элементов через флюс, шов легируют, применяя пластинчатые
электроды соответствующего состава. Для ЭШС меди применяют спе-
циальные легкоплавкие флюсы на фторидной основе (например, типа
АНМ-10), обеспечивающие устойчивый процесс, подогрев н плавление
кромок на требуемую глубину, хорошее формирование швов и легкое
удаление шлаковой корки с их поверхности.
Для того чтобы получить максимальную концентрацию теплоты
н свести к минимуму тепловые потери, при сварке заготовок из меди
применяют специальные формирующие устройства из графита. Шири-
на зазора между свариваемыми кромками влияет на устойчивость про-
цесса и глубину их проплавления. Уменьшение зазора приводит к на-
рушению стабильности процесса из-за коротких замыканий пластинча-
того электрода на изделие, а также к снижению глубины проплавления.
При чрезмерно большом зазоре уменьшается производительность
сварки и увеличивается расход присадочного материала. Так, при
сварке медных заготовок сечением 140 X 160 мм принимают зазор
56—60 мм, толщину пластинчатого электрода 18 мм.
Особенностью режимов ЭШС меди являются повышенные свароч-
ные токи. Ддя заготовок указанного сечения рекомендуется следую-
щий режим сварки: /св = 8000 4- 10000 А; 1} = 40 -=- 50 В; уэ = 12—
15 м/ч. При ЭШС меди используют возможно более высокое напряже-
ние, при котором процесс протекает еще устойчиво. Это связано с обес-
печением высокой эффективной мощности, необходимой для проплавле-
ния металла. Однако фторидные флюсы позволяют вести сварку лишь
при сравнительно низких напряжениях холостого хода источника
питания (до 30 В). При высоких напряжениях необходимо смягчать
жесткость внешней характеристики трансформатора путем введения
в сварочную цепь дополнительной индуктивной нагрузки. Глубина
шлаковой ванны при сварка меди пластинчатым электродом окаты-
вает большое влияние на устойчивость процесса и форму провара.
Для приведенного выше режима сварки глубина шлаковой ванны под-
держивается в пределах 50—70 мм.
ЭШС меди производится на стандартном сварочном оборудовании.
Для сварки пластинчатым электродом используют установку А-550,
источник питания — трансформатор ТПШ-10/1 или ТШС-3000-3.
При ЭШС меди с флюсом типа АНМ-10 обеспечивается надежная
защита металлической ванны от взаимодействия с газами атмосферы
[179]. Швы имеют характерное транскристаллитиое строение, при
котором столбчатые дендриты встречаются по оси шва. Они отлича-
ются высокой плотностью. Механические свойства сварных швов,
выполненных ЭШС, практически равноценны свойствам основного
металла (табл. 6.24) 1179].
Таблица 6.24. Механические свойства швов на меди, сваренных ЭШС
Образец Ов> МПа ”0.2. МПа 0, % Ч-, % ан. кДж/м* а. град
Основной металл Шов 200—218 190—197 70—109 63—76,5 46,1—60,4 46,3—47,5 77,4—87,2 73,3—75,0 1648,1 — 1677,5 1559,8— 1579,4 180 180
Контактная сварка. Для меди и ее сплавов контактная сварка
затруднена вследствие их высокой электрической проводимости и
теплопроводности, а также узкого диапазона температур, в котором
металл может свариваться давлением. Свариваемость медных сплавов
лучше, чем технической меди, так как они обладают пониженной
электрической проводимостью н теплопроводностью. Однако не все
сплавы свариваются одинаково хорошо. Чаще контактная сварка при-
меняется для латуней и кремнистых бронз. Средн них хорошо сварива-
ются а-латуни (например, марки Л68), электрическая проводимость
которых не более 28 % электрической проводимости меди. Повышение
содержания цинка в латуни приводит к ухудшению ее свариваемости
вследствие уменьшения пластичности сплава. Уменьшение концентра-
ции цинка неблагоприятно влияет иа свариваемость, поскольку пони-
жается электросопротивление сплава. Хорошо свариваются кремни-
стая бронза (до 4 % 81, электрическая проводимость равна примерно
10 % электрической проводимости меди) и медно-инкелевые сплавы,
например мельхиор (80 % Си, 20 % №, электрическая проводимость
равна 8 % электрической проводимости меди).
Для получения чистой контактной поверхности заготовок рекомен-
дуется их очистка механическим способом, а также травлением в тетра-
ялорметане и^и растворе каустической соды с последующей тщатель-
ной промывкой в проточной воде. Для растворения пленки оксидов
применяют травление в следующих смесях: 10 %-ный раствор серной
кислоты, бихромат натрия; серная кислота, фтористый алюминий
н бихромат натрия [425].
Точечная и роликовая сварка меди возможна
только с применением электродов из тугоплавких металлов, обладаю-
щих теплопроводностью н электрической проводимостью, более низ-
кими, чем основной металл, для уменьшения отвода теплоты во время
сварки (например, из вольфрама или молибдена). При использовании
таких электродов поверхность деталей сильно нагревается, а местами
расплавляется, портится внешний вид изделия и быстро изнашиваются
электроды. В связи с этим точечная и роликовая сварка технической
меди ограниченно пригодна для промышленного применения.
Качество сварных точечных швов можно повысить, используя
теплоизолирующие прокладки (например, из нержавеющей стали),
размещаемые между электродами и поверхностями свариваемых дета-
лей [55], а также покрывая соприкасающиеся поверхности деталей,
например, серебром [426].
Для медных сплавов применение мягких режимов нецелесообраз-
но. Обычно длительность нагрева медных сплавов при точечной сварке
ограничивается 0,2—0,4 с [55]. Точечная сварка латуни производится
короткими импульсами при больших значениях сварочного тока
(табл. 6.25) [204]. В связи с высокой электрической проводимостью
латуни толщина свариваемых листов на одной и той же машине прини-
мается примерно в 2 раза меньше, чем толщина листов из стали. Шов-
ная сварка латуни требует относительно большого удельного давления
электродов, чем точечная (табл. 6.26) [204]. При сварке латуни марки
Л62 псв = 1 м/мин обеспечивает прочный плотный шов. Режимы,
указанные в табл. 6.26, могут приниматься как ориентировочные для
латуней других марок. При ширине роликов, равной 3—5 мм, сва-
рочный ток для латуни приблизительно определяется из уравнения
143]
/св = (30000 - 50000) Ь. (6.4)
Таблица 6.25. Ориентировочные режимы точечной сварки латуни Л62
Ь, мм Радиус поверхно- сти элект- рода, мм р, кПа Р, кН ^СВ» кА 0 с П огреб- Л5.-емая мощность, кВА
0,5+0,5 50 67 1,3 1,6 ОД 68
1.0+1,0 50 98 1,8 18,3 0,2 95
1.5 + 1,5 70 78 2,6 26,8 0,2 167
3,0+3,0 150 117 3,9 38,6 0,35 290
Латунь малых толщин (0,05—0,5 мм) можно соединять конденса-
торной сваркой.
При точечной сварке медных сплавов с высоким электросопротив-
лением (кремнистая бронза, мельхиор) по сравнению со сваркой мало-
углеродистой стали ток увеличивают примерно на 25 %, мощность —
на 50 %, давление на электроды принимают близким давлению при
сварке стали [55].
Стыковая сварка оплавлением требует особой
техники из-за трудности поддержания на торцах свариваемых деталей
Таблица 6.26. Ориентировочные режимы шовной сварки латуни Л62
Ь, мм Ширина роликов, мм Р, кН /Св, кА Потребляемая мощность, кВА
0,54-0,5 3 2,45 22,3 но
0,5-)-0,5 3—4 2,45 25,5 140
1,04-1,0 4—5 ‘ 3,7 27,0 160
слоя жидкого металла, а также при прогреве их на значительную глу-
бину для последующей осадки. Лучшие результаты получаются при
осадке стыка под током. Установочную длину вылета медных деталей
определяют таким образом:
/в = (2,0 4- 2,5) а, (6.5)
где а — диаметр свариваемых стержней, мм. Скорость оплавлении
ориентировочно равна 10 мм/с. Цикл сварки (табл. 6.27) [143] не должен
превышать 1—2 с. Прочность стыка прутков из меди марки М1 в сред-
нем составляет 206—215,8 МПа, угол загиба — 180°.
Таблица 6.27. Ориентировочные режимы стыковой сварки оплавлением
заготовок из меди
Параметр Размер заготовки, мм
Пруток, 4=10 Труба, 9,5X1,5 Полоса. 44,5х Ю
Установочная длина, мм 20 20 20
Давление осадки, МПа 372 284,5 216
Сварочный ток, кА 33 20 60 ,
Вторичное напряжение, В 6 5 10
Удельная мощность, кВА/мм2 2,6 2,7 1,4
Медь соединяют стыковой сваркой сопротивлением. Провод и прут-
ки из чистой меди диаметром 7—16 мм сваривают при / = 380 А/мма
и средней температуре нагрева 0,7—0,75 7'пл. Начальное давление со-
ставляет 0,98—2,9 МПа, а конечное — 343,4—392,4 МПа. Концентри-
рованный нагрев контактной зоны и большие скорости осадки (150—
250 мм/с) исключают разупрочнение металла н обеспечивают высокие
пластические и электрические свойства соединений [130]. Для соеди-
нения медных проволок успешно применяется стыковая конденсатор-
ная сварка (табл. 6.28) [137]. Латунь и бронза соединяются стыковой
сваркой легче, чем медь. Для их сварки требуются большие конечные
скорости оплавления и осадки (табл. 6.29) [379]. Хорошо соединяются
стыковой сваркой заготовки из деформируемых бронз марок Бр.Х0,5;
Бр.ОФ6,5-0,15; Бр.АМц9-2. Поскольку скорость охлаждения бронзы
значительно больше, чем стали, и бронза в интервале температур
750—770 °С имеет достаточно высокую прочность, прн ее сварке давле-
ние должно быть выше, чем при сварке стали.В ряде случаев для повы-
шения пластичности сварных соединений рекомендуется их последую-
Таблица 6.28. Ориентировочные режимы стыковой конденсаторной
сварки медной проволоки
<?пр. ММ Ск, мкФ и, кВ Усилие осадки, кН
1,6 256 0,9 1,4
2,0 380 1,0 1,4
2,8 380 1,4 1,5
3,0 540 1,5 1,6
3,2 550 1,5 1,8
Таблица 6.29. Ориентировочные режимы стыковой сварки латуни
и бронзы
Сплав
П враметр Л 62 Бр.ОФ6,5-0,15
Толщина металла, мм Установочная длина (суммарная), мм Припуск на оплавление, мм Длительность оплавления, с Скорость оплавления перед осад- кой мм/с Средняя скорость оплавления, мм/с Длительность осадки под током, с Давление осадки, МПа Удельная мощность прн оплавле- нии, кВА/мм4 Удельная мощность при осадке, кВА/мм2 3—5 30 15 3 11 5 0,3 157 0,05 0,4 2—5 5-8 30 45 15 22 3 9 И 6 5 2,5 0,3 0,5 177 137—157 0,07 0,03—0,035 0,4 0,2
щая термическая обработка: для соединений из бронзы типа Бр.Х0,5—
закалка в воде от 950—980 °С, из бронзы Бр.ОФ6,5-0,15 — отжиг при
500—550 °С (его можно дать после сварки на машине).
Диффузионная сварка. Для соединения деталей из меди и ее
сплавов вакуумно-плотными швами применяется диффузионная свар-
каи<Сварка выполняется в камерах при вакууме 133 (10“3 4- 10-4) Па.
Перед сваркой торцы деталей тщательно зачищают и обезжиривают.
Оптимальный режим сварки (Т — 880 °С; р = 5,5 МПа; I =
= 8 мин) [143] обеспечивает получение качественных соединений и
минимальные относительные деформации.
Холодная сварка. Этот способ широко используется для сварки
меди. При точечной сварке в зависимости от состояния поверхности
применяют давления 344—785 МПа [130]. Относительная глубина вдав-
ливания пуансона для меди 85—90 %. Для получения соединения,
равнопрочного основному металлу, рекомендуется в конце деформиро-
вания доводить давление пуансона до 1960 МПа [209]. Деформация,
при которой образуется наиболее прочное соединение, не одинакова
для различных металлов. Для меди она составляет около 70 % [57[.
Медь можно сваривать сдвигом. Соединения, равнопрочные основ-
ному металлу, при сварке меди толщиной 4 мм (площадь сварки 650 мм2,
скорость сдвига — 1,5 м/ч) получаются при касательных усилиях
88 кН, нормальных усилиях 68 кН и сдвиге около 6 мм [383].
Наиболее широко холодная сварка применяется для соединения
встык медных проводов. Длина вылета медного стержня составляет
1,25—1,5 (3 — диаметр стержня). Усилие зажатия провода в зажи-
мах с насечкой сварочной машины должно превышать усилие осадки
при сварке меди более чем на 80 % [209]. Давление при холодной свар-
ке меди встык составляет 1960—2450 МПа. Прочность стыковых соеди-
нений из меди обычно не ниже прочности основного металла. Термиче-
ская обработка сварных соединений повышает их прочность и пластич-
ность. Так, нагрев до 700 °С (выдержка в течение 1 мин) сварных
соединений стержней, выполненных с деформацией 82 %, повышает
разрушающую нагрузку от 180 до 860 Н [315].
Ультразвуковая сварка. Ультразвуковая сварка меди выполня-
ется на частотах до 70 кГц [314]. Основные параметры ультразвуковой
сварки — продолжительность пропускания ультразвука (время свар-
ки) и контактное давление — значительно влияют на усилие среза
соединений из меди (табл. 6.30). Шовные соединения, сваренные ультра-
звуком, обладают высокой статической прочностью на срез и отрыв.
Так, при сварке меди М1 (Ь — 1 + 1 мм) получены следующие сред-
ние результаты: для шва длиной 20 мм Р — 4,2 кН; для основною
металла Р = 4,0 кН |380].
Таблица 6.30. Ориентировочные режимы ультразвуковой сварки меди М1
и значения усилия среза
Ь, мм Усилие в контакте, Н С о Амплитуда упругих колебаний, мкм Диаметр точки, мм Усилие среза, кН
0,5 637 1.5 20 4 1.1 2,2
1.0 785 2,0 22 4
Примечание. Наконечник из стали 45, радиус сферы 10 мм.
Прочность одноточечных и многоточечных соединений из тонко-
листовой меди практически одинакова. Одиако прочность соединений
зависит от шага между сварными точками: уменьшение шага снижает
Таблица 6.31. Ориентировочные режимы сварки трением деталей
из меди и ее сплавов
Металл Диаметр стержня, мм Относитель- ная скорость вращения, мин”1 п, МПа Осадка, мм 1, с
прн нагреве при проковке
Медь 40 920 34,3 147 20 30
Л62 16 3000 32,4 32,4 6-7 3
ее. Это связывают с тем, что прн уменьшении расстояния междуточ-
ками возможность взаимного смещения свариваемых деталей умень-
шается [380]. Оптимальный шаг между точками выбирают в зависимости
от свойств свариваемого металла и его толщины.
Сварка трением. Этот вид сварки применяют для соединения дета-
лей из меди и ее сплавов. Режимы сварки меди и медных сплавов су-
щественно различаются (табл. 6.31) [57].
6.2. Никель и его сплавы
Металлургические и технологические особенности сварки.
Сварка никеля и его сплавов затруднена вследствие особых физико-
химических свойств, а также большой чувствительности к примесям,
в первую очередь к растворенным газам. Растворимость газов О2, На
и СО в расплавленном никеле значительна, при остывании ограничен-
на, что вызывает пористость металла шва, а также водородную болези:.
К резкому охрупчиванию металла шва приводит образование эвтекти-
ки (Тпл = 1438 °С, содержание 1ЧЮ 1,1 %), которая при кристаллиза-
ции шва располагается вокруг кристаллитов. В связи с этим к числу
главных задач, возникающих при сварке никеля, особенно при сварке
плавлением, относятся обеспечение надежной защиты зоны сварки от
газов атмосферы, применение сварочных материалов высокой чистоты,
а также раскисление и дегазация сварочной ванны. В качестве наиболее
эффективных раскислителей для никеля применяют алюминий и титан.
При выборе оптимального состава флюсов исходят из возможностей
раскисления сварочной ванны.
Затруднения при сварке никеля обусловлены также большой
склонностью металла шва к образованию кристаллизационных тре-
щин. Значительное влияние на свойства никеля и возникновение тре-
щин в металле шва оказывают сера и фосфор, к которым никель прояв-
ляет большое химическое сродство. Образующиеся на границах круп-
ных кристаллитов легкоплавкие эвтектики типа Г41а8± — № (Л1Л ~
— 645 °С) и М13Р — М1 (Тпл = 880 °С) ослабляют металл шва н приво-
дят к возникновению кристаллизационных трещин. В связи с этим
необходимо ограничивать содержание вредных примесей в основном
металле (8 > 0,001 %; Р :> 0,005 % [14]), а также в сварочных мате-
риалах. Снижение вредного влияния серы достигается введением в шов
марганца (например, при использовании сварочных проволок типа
НМц2,5 и НМц5, содержащих 2,5 и 5 % Мп соответственно). Для сни-
жения роста кристаллитов шва сварку ведут на ограниченной погон-
ной энергии, а в металл шва вводят модификаторы (титан, молибден,
алюминий и др.).
При сварке никеля следует учитывать также то, что металл обла-
дает сравнительно низкими литейными свойствами. Металл в сварочной
ванне менее жидкотекуч, чем при сварке стали, основной металл
проплавляется на меньшую глубину. Поэтому несколько увеличивают
угол разделки кромок н уменьшают притупление.
Специфические физико-химические свойства никеля особенно про-
являются при сварке сплавов на его основе. Например, широко рас-
пространенный сплав системы ГД — Си с добавками железа и марган-
ца — монель-металл — имеет большие по сравнению с никелем линей-
ную усадку, удельное электросопротивление и меньшую теплопровод-
ность; сплав системы М1 — Сг — нихром — имеет большее электросо-
противление и меньшую теплопроводность, склонен к образованию прн
сварке плавлением тугоплавкой пленки оксида хрома СгаО3, затрудня-
ющей формирование шва.
Прн сварке никеля н его сплавов принимают меры к тому, чтобы
химический состав металла шва отличался от состава основного метал-
ла. Это обусловлено тем, что получить качественный шов на этих ме-
таллах, особенно на техническом никеле, можно лишь при условии его
Комплексного легирования.
ЗТВ на никеле и его сплавах с медью не закаливается и не имеет
таких дефектов, для предотвращения которых потребовался бы пред-
варительный подогрев или последующая термическая обработка. Од-
нако для некоторых сплавов (никеля с молибденом, никеля с молибде-
ном и хромом и др.) требуется последующая термическая обработка
сварных соединений (нагрев до 700—800 °С с последующим охлаждени-
ем на воздухе или в воде). Термическая обработка сварных соединений
нз технического никеля позволяет получить мелкозернистую н дезо-
риентированную структуру, частично или полностью снять свароч-
ные напряжения [455].
Для соединения никеля и некоторых его конструкционных спла-
вов применяются следующие способы сварки: газовая и дуговая уголь-
ным электродом (в ограниченных масштабах), покрытыми электрода-
ми, автоматическая под флюсом и в среде защитных газов, плазменная,
ЭЛС, ЭШС, контактная.
Подготовка к сварке. Важным условием получения качественных
швов на никеле и его сплавах является обеспечение чистоты сваривае-
мого металла и сварочной проволоки. Кромки и прилегающие к ним
участки металла на расстоянии 20—30 мм тщательно зачищают меха-
ническим способом до металлического блеска и обезжиривают ацето-
ном, уайт-спиритом или чистым бензином. При длительном хранении
никеля и медно-никелевых сплавов в заводской атмосфере на них обра-
зуется налет, содержащий серу. Этот налет не снимается при обезжи-
ривании, поэтому требуется обязательная механическая зачистка
перед сваркой.
Как правило, химическое травление кромок на никеле и его спла-
вах перед сваркой не требуется. Однако в ряде случаев при наличии
пленки оксидов на поверхности технического никеля, сохранившейся
после длительного высокотемпературного нагрева, рекомендуется обра-
ботка металла в травильном растворе следующего состава [14]: 1000 см3
Н2О; 1500 см3 Н28О4; 2250 см3 НМО3; 30 г ЫаС1. Перед травлением
деталь промывают в горячей воде, затем погружают в травильную
ваину, а после травления вновь промывают в горячей воде. Длитель-
ность травления детали в ванне примерно 5—10 с. После травления
и промывки остатки кислот нейтрализуют в 1 %-ном водном растворе
аммиака и деталь просушивают в кипящей воде.
Газовая сварка. Этот вид сварки преимущественно применяется
для соединения никеля малой толщины (до 3—4 мм) или изделий не-
больших габаритов. Используется главным образом ацетилено-кисло-
родное нормальное или слегка восстановительное пламя (0 = 0,97 4-
4* 1,0). Значительный избыток ацетилена может явиться причиной
появления пористости и хрупкости металла шва. При сварке сплйвов,
содержащих хром, пламя должно быть более восстановительным,
однако ие настолько, чтобы науглероживать металл шва, насыщать его
водородом, оксидом углерода и другими газами.
Горелку подбирают с таким расчетом, чтобы обеспечить расход
газа примерно 120—130 л/ч на 1 мм толщины металла [244]. Прн сварке
ядро пламени должно находиться на расстоянии 3—4 мм от поверхно-
сти ванны. Не рекомендуется перемешивать ванну присадкой.
При газовой сварке никеля используют преимущественно много-
компонентные флюсы (см. гл. 3). Для лучшего раскисления сварочной
ванны в ряде случаев применяются присадочные прутки (до 3 % Мп
или 0,06 % Мп и примерно 0,2 % 81). При многослойной сварке тех
нического никеля применяется присадочная проволока нз нихрома
марки ЭИ-334 (20,7 % С|; 74,5 % №).
Сварка тонких листов никеля ведется «левым» способом. Для лис-
тов больших толщин применяют «правый» способ. Горелку рекоменду-
ется держать под углом 90° к присадке и под углом 45° к изделию.
Чаще всего сварка ведется за один проход при окунании конца приса-
дочного прутка в жидкую ванну. Сварку никеля следует выполнять без
задержек и возврата на сваренный участок во избежание перегрева
околошовной зоны, сопровождающегося образованием трещин. Следует
также избегать многослойной газовой сварки. Сварку никеля толщиной
до 1 мм, как правило, производят по отбортованным кромкам. Металл
толщиной 1—2 мм сваривают однопроходными швами без скоса кро-
мок. Для стыковых швов металла больших толщин требуется У-образ-
ная разделка. Обычно кромки скашивают с общим углом 70°. Сварные
соединения из никеля толщиной до 10 мм, выполненные газовой сваркой,
имеют ов = 274,7 4- 313,9 МПа при а = 90 4- 120°. Нормализация
соединений при температуре 825—900 °С повышает их пластичность
и вязкость [143].
Нихром сваривают с максимально возможной скоростью и без
перерывов. Следует избегать многослойной сварки и повторного рас-
плавления шва, вызывающих рост зерен и образование трещин. Приме-
няется пламя с небольшим избытком ацетилена при мощности 50—
70 л/ч на 1 мм толщины [244]. В качестве присадочного прутка исполь-
зуют проволоку, близкую по составу к основному металлу, с понижен-
ным содержанием углерода и содержанием хрома по верхнему преде-
лу. Применяется флюс следующего состава: 40 % буры, 50 % борной
кислоты, 10 % хлористого натрия или фтористого калия [244]. После
отжига предел прочности сварных соединений из нихрома составляет
343,4—441,5 МПа.
Дуговая сварка угольным электродом. Этот способ используется
в основном для сплавов никеля. Обычно применяются те же флюсы,
что и для газовой сварки (на борной основе). В качестве присадоч-
ного прутка используют проволоку марки НМц2,5. В отдельных слу-
чаях для повышения качества металла шва во флюс добавляют порош-
ки алюминия, ферротитана и феррованадия. Как правило, угольным
электродом сваривают сплавы малых толщин: с(э = 6 4- 8 мм, посто-
янный ток прямой полярности, /св = 120 4- 140 А; Од = 22 4-26 В.
При сварке нихромовой проволоки или полосок нагревательных
элементов (печей, реостатов и др.) применение угольного электрода
(4, = 8 4 10 мм) особенно эффективно. При этом сварка может произ-
водиться на переменном токе (/св = 60 4- 90 А). Процесс ведется
быстро, и дуга немедленно убирается, как только образуется шарик
оплавленного металла.
Сваркой угольным электродом соединяют детали из никель-алю-
миниевого сплава (25 % М1; 15 % А1; 60 % Ре), используемого в радио-
технике. Для того чтобы избежать образования трещин, сварка этого
сплава ведется с предварительным подогревом до 650 °С. При сварке
не допускают значительных перегревов металла, так как они приводят
к утрате магнитных свойств сплава. В качестве присадки используют
проволоку из монель-металла, а в качестве флюса — плавленую буру.
Режим сварки угольным электродом диаметром 6—8 мм следующий:
ток прямой полярности, /Св — 160 4- 180 А; II = 28 4- 32 В.
Электродуговая сварка покрытыми электродами. Эта сварка вы-
полняется в основном для соединения металла толщиной более 1,5 мм
электродами с качественными покрытиями (см. гл. 3) на постоянном
токе обратной полярности. Основной трудностью при сварке никеля
покрытыми электродами является образование пор в сварных швах.
Главная причина пористости — азот воздуха, проникающий в зону
сварки в результате недостаточной защиты. Для создания надежной
защиты в состав покрытия необходимо вводить газообразующие компо-
ненты. Наиболее приемлемы для сварки никеля карбонаты, количество
которых должно быть не менее 45 % массы сухой шихты покрытия
[15]. Совместно с карбонатами в покрытии необходим углерод или его
соединения с металлами, которые способствуют изменению состава за-
щитной газовой атмосферы в результате реакций
С + СО2 2СО; (6.6)
МеС + СО2 ;* 2СО + Ме. (6.7)
Равновесие этих реакций при температуре выше 1000 °С почти полно-
стью сдвигается в сторону образования оксида углерода, а газовая
среда переходит из окислительной в восстановительную.
Сочетание в покрытиях карбонаты—карбяды металлов обеспечивает
получение беспористых швов с высокими механическими свойствами.
Наиболее рационально'применение карбидов металлов основных под-
групп IV, V, VI групп периодической системы элементов. Легирование
сварного шва через электродное покрытие незначительно, поэтому кар-
биды металлов даже в малых количествах оказывают модифицирующее
действие [19].
Для сварки никеля выпускаются электроды марки 03Л-32 с ру-
тилофтористокарбонатным покрытием. Пермским политехническим
институтом разработаны новые электроды марок ЭНР-1, ЭНС-1, ЭНС-3.
Таблица 6.32. Ориентировочные режимы ручной дуговой сварки никеля
и его сплавов покрытыми электродами
Ь, мм мм 1э, мм /св, А
<2 2 150—200 30—50
2—2,5 2—3 200—225 40—80
2,5—3 3 225—250 70—100
3-5 3—4 250—300 80—140
5—8 4 300 90—160
8—12 4—5 300—400 100—165
При сварке никеля используют пониженный ток (табл. 6.32) [8]
с целью предупреждения перегрева электрода и получения мини-
мально возможных внутренних напряжений в шве. При этом дости-
гается также снижение угара раскисляющих и стабилизирующих
элементов, содержащихся в электродной проволоке. Сварка выполня-
ется при короткой дуге и небольшой скорости — примерно на 15 %
меньше скорости сварки стали (7—9 м/ч). Сварку следует по возможно-
сти вести в нижнем положении. Однако некоторые электроды, на
пример «Прогресс-50», 03Л-32, позволяют производить сварку в вер
тикальном и потолочном положениях. При выборе оптимальных зна-
чений сварочных токов пользуются зависимостью [120]
/св = (35 ч- 40) аэ. (6.8)
Незначительные продольные колебания конца электрода обеспечивают
хорошее газоудаленае и получение более плотных швов, чем при по-
перечных колебаниях. Электрод держат примерно перпендикулярно
к плоскости шва с наклоном не более 15° в сторону свариваемых кро-
мок.
При сварке никеля и его сплавов больших толщин (более 15 мм)
рекомендуется предварительный подогрев кромок до 200—250 °С
[143], что обеспечивает лучшие формирование и плотность шва при
многослойной сварке. Никель и его сплавы толщиной до 3—4 мм сва-
ривают без разделки кромок. В зависимости от типа соединения и тол-
щины свариваемого никеля кромки рекомендуется подготавливать
(табл. 6.33) [14] механическим способом (пневматическим зубилом,
на строгальных или фрезерных станках). Подготовленные кромки
и поверхность листов на ширину 30—40 мм в сторону от шва необхо-
димо очищать от оксидной пленки, следов коррозии, масла и грязи до
металлического блеска. Рекомендуется вести сварку по возможности за
один проход. При больших толщинах в случае применения многопро-
ходной сварки необходима хорошая очистка поверхности промежуточ-
ных слоев. Для уменьшения деформаций длинные швы рекомендуется
выполнять участками с небольшими разрывами, которые заварива-
ются после очистки от шлака.
Таблица б.33. Подготовка кромок при сварке никеля и сплавов
покрытыми электродами
Ь. мм
Схема подготовки кромок
а, мм
2—4
4—6
6-12
8—12
12-20
1,0—2,0
0,5—1,0
1,5—2,0
1,5—2,5
2,0—3,0
1,5—2,0
1,5—3,0
1,5—3,0
2,0—4,0
Сварку обычно проводят на медных подкладках. Средине значения
показателей механических свойств сварных соединений из никеля НП-2
н металла шва в состоянии после сварки электродами «Прогресс-50»
характеризуются следующими величинами [14]: ав = 490,5 -4-
~ 510,1 МПа; ан = 2452,5 -4- 2943 кДж^2; б = 40 -4- 45 %; а = 180°.
Коррозионная стойкость сварных швов, выполненных электродами
«Прогресс-50», не уступает стойкости основного металла (в расплавах
едкого натра и калия при Т = 500 °С). Термическая обработка сварных
соединений при температуре 825—900 °С с охлаждением на воздухе
улучшает их качество, снижает напряжения и благодаря этому умень-
шает опасность образования трещин |143]. Механические свойства
сварных швов на некоторых никелевых сплавах, выполненных покры-
тыми электродами, приведены в табл. 6.34.
Таблица 6.34. Механические свойства сварных швов на никелевых
сплавах, выполненных покрытыми электродами
Сплав Марка ов, МПа кДж/м* в. % а, град
Нихром ЭИ442 330 10
Х20Н80 575 1118,3 23,3 —
Никелево-молибдено- ЭИ460 500 — — 180
вый ЭП496 810 745,6 — —
Никелево-хромово-мо- либденовый ЭП567 736 726 — —
Автоматическая сварка под флюсом. Длн никеля возможно приме-
нение автоматической сварки под керамическим флюсом типа ЖН-1,
а для никелевых сплавов — под основными (низкокремнистыми) или бес-
кислородными фторидными флюсами (см. гл. 3). Используется никеле-
вая проволока (НП-1, НП-2, НП-3), а также проволока с добавкой рас-
кислителей (например, НМц2,5). Для никелевых сплавов электродную
проволоку выбирают близкой по составу к основному металлу. Диа-
метр проволоки практически не зависит от толщины металла и выбира-
ется в зависимости от подготовки кромок в пределах 3—5 мм. При
сварке металла малых толщин (5—6 мм) используется проволока диа-
метром 3 мм, сварка стыковых соединений выполняется без скоса
кромок, без зазора. Сварка никеля и его сплавов больших толщин
производится обычно с V-или Х-образной разделкой кромок (табл.6.35)
[14]. При сварке с полным проплавлением кромок используют медные
или флюсовые подкладки.
Таблица 6.35. Подготовка кромок под автоматическую
и полуавтоматическую сварку никеля под флюсом
Ь, мм
Схема подготовки кромок
мм
а, мм
6,0—12,0
12,0—20,0
60-70с
I
1,0—2,0 0,5—2,5
2,0—4,0 1,5—3,0
Сварку под флюсом выполняют постоянным током обратной поляр-
ности на обычных стандартных автоматах и полуавтоматах. Автомати-
ческая сварка под керамическим флюсом ведется дугой средней длины
при Ил = 30 -т- 34 В (табл. 6.36) [14]. Для того чтобы избежать пере-
грева металла и связанного с ним чрезмерного роста зерна, сварку
стремятся выполнять швами небольшого сечения. Из-за высокого
электросопротивления никелевой проволоки вылет электрода умень-
шают в 1,5—2 раза по сравнению с вылетом стальной проволоки.
Сварные соединения никеля, выполненные автоматической и полу-
автоматической сваркой под флюсом ЖН-1, имеют достаточно стабиль-
ные и высокие показатели механических свойств (табл. 6.37) [14]. Пока-
затели механических свойств сварных соединений из некоторых нике-
левых сплавов приведены также в табл. 6.38, 6.39 [8].
Таблица 6.36. Ориентировочные режимы автоматической сварки
стыковых соединений из никеля под керамическим флюсом ЖН-1
Ь, мм (1э, мм Л:н» А Усв, м/ч Зазор в стыке, мм
5 3 340—360 23—25 0-0,5
6 3 350—370 22—24 0—0,5
7 4 400—430 24—26 1,0—1,25
8 4 420—450 23—25 1,0—1,25
9 4 440—470 22—24 1,25—1,5
10 4 460—490 21-23 1,25—1,5
5 520-560 24-26 1,5—2,0
И 4 480—510 20—22 1,5—2,0
5 550—590 23—25 2,0—2,5
12 4 500-530 19—21 1,5—2,0
5 580—620 22—24 2,0—2,5
Сварка в среде защитных газов. В настоящее время этот способ
является основным для сварки никеля и его сплавов. Задача обеспе-
чении требуемого качества швов при сварке в среде аргона неплавя-
щимся электродом решается путем выбора присадочных проволок,
содержащих раскислители и нитридообразующие элементы (например,
НМц2,5, НМц.5). В последние годы разработаны специальные ком-
Таблица 6.37. Механические свойства сварных швов и соединений
при сварке никеля НП-2 под керамическим флюсом ЖН-1
Образец ав, МПа аИ, кДж/м8 6, % а, град
Основной металл 530—544 36,3—41,4 180
Металл шва и соединения при автоматической сварке 516—534 2383—3090 36,1—51,3 180
Металл шва и соединения при полуавтоматической сварке 464—480 2295—2668 35,4—41,7 180
Таблица 6.38. Механические свойства металла шва и сварных
соединений никелевых сплавов
Сплав Ь, мм Сварочная проволока Снос об сварки Образец МПа "н. кДж/м8 б, %
ЭИ437Б 12 ЭИ437А Под Шов 782 — 5,9
флюсом
АНФ5
Нимоник 0,9 Нимоник В среде Сварное 806 -— 27,0
80А ’ 80А аргона соедине-
ние
1,6 Без при-
садки То же Го же 839 — 9,0
ЭП496 3,0 То же В в Шов 773 912 —
5,0 В в в в В 782 706 —
10,0 в в в в в 990 608 —
ЭП567 3,0 в в в в в 768 — —
5,0 в в в в в 760 1972 —
10,0 в в в в в 824 942
плексно-легированные проволоки марок НМцАТЗ-1,5-0,6и НМцАТК-1-
1,5-2,5-0,15 (см. гл. 3). Эти проволоки наиболее надежно обеспечивают
получение швов без пор и трещин.
Дуговую сварку неплавящимся электродом выполняют на по-
стоянном токе прямой полярности с применением аргона первого сорта.
Для получения качественных швов необходимы тщательная зачистка
свариваемых кромок и прилегающих к ним участков металла на рас-
стояние 20—30 мм, обезжиривание кромок и присадочных материалов,
защита аргоном обратной стороны шва, применение газовых сопел
специальной конструкции, как при сварке титана, и др.
Таблица 6.39. Показатели длительной прочности сварных соединений ни
Сплав Способ сварки Ь, мм Электрод
ЭИ437Б Под флюсом АНФ-5 12 ЭИ437А
ЭИ437Б* Нимоник 80А** ЭШС пластинчатым электродом, флюс АНФ-7 Аргонодуговая неплавя- щимся электродом 100 1,5 ЭИ437Б
* Режим термообработки сварного соединения: 1080 °С, 8 ч, воздух 4-700° С,
•* Режим термообработки сварного соединения: 1050°С, 15 мин, воздух
Таблица 6.40. Ориентировочные режимы ручной аргонодуговой сварки
никеля и его сплавов
Ь, мм Разделка кромок Число проходов мм ‘'пр, мм ^СВ* А Расход аргона, л/мин
2 Без разделки 1 1,5—2,0 1,0—1.5 70—90 8—10
4 То же 2 2,0—2,5 1,5-2,0 80—100 8—10
4 У-образиая 2 2.0—2,5 2,0—2,5 80—100 8—10
6 То же 3 2,0—2,5 2,5-3,0 80—100 10—12
10 » » 4 2,5—3,0 3,0 100—120 10-12
6 Х-образная 2 2,0—2,5 2,5—3,0 90—120 10—12
8 То же 4 2,5—3,0 2,5—3,0 90—120 10—12
10 » » 4 2,5—3,0 2,5—3,0 100—120 10-12
Сварка никеля производится при минимально возможной длине
дуги и повышенной силе тока. Сварочный ток выбирается из расчета
40—50 А на 1 мм толщины основного металла, напряжение дуги 10—
12 В (табл. 6.40, 6.41) [8]. При ручной сварке никеля следует приме-
нять «левый» способ при максимально возможной скорости процесса
с минимальными поперечными колебаниями электрода. Рекомендуется
угол наклона горелки к оси шва не более 60°, а вылет неплавящегося
электрода 12—15 мм. Присадочный металл следует подавать под углом
20—30° к оси шва. Прн многопроходной сварке последующие швы на-
кладывают после полного охлаждения, зачистки от шлака и обезжи-
ривания предыдущих слоев. Швы, подвергающиеся воздействию агрес-
сивных сред, выполняют в последнюю очередь. Швы на никеле, выпол-
ненные в среде аргона, характеризуются высокой прочностью при
хороших пластичности и вязкости (рис. 6.8).
При аргонодуговой сварке сплавов на основе никеля большое зна-
чение имеет правильный выбор состава присадочного материала [8].
Так, для иикельмолибдеповых сплавов Н70М27 (ЭП495) и Н70М27Ф
келевых сплавов
Условия испытания Время до разрушения, ч а, %
т. ° с Постоянное напряжение, МПа Шов Сварное соединение Основной металл
550 736 4 55 15,3
662 170 — 4,3
700 431 23,0 30 51 1,35
392 — 46—79 — 0,13—4,3
750 294 33,0 41 141 1,3
265 — 55—90 — 0,6—2,75
700 432 40—67 24—42 — —
392 50 116 — —
750 206 — 125—161 84—183 0,8—1,3
16 ч, воздух.
4-700° С, 16 ч, воздух.
Рис. 6.8. Механические свойства соединений из никеля марки НП-2, вы-
полненных аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом [14]:
незаштрнховапные столбцы — присадочная проволока марки НМцАТЗ-1-0.6, за-
штрихованные— марки Н-1.
Таблица 6.41. Ориентировочные режимы автоматической аргонодуговой сварки неплавящимся электродом тонколистовых никелевых сплавов
6, мм Сварка без прнсадкн Сварка с присадочной проволокой
Число проходов 'св. А '«• в Число проходов ^СВ' А Рд, В
1,5 2,0 3,0 4,0 1—2 2 2 100—120 170—200 230—250 10—12 13—15 14—17 1 1—2 2 85-90 120—150 190—200 10—12 10—12 12-14
(ЭП490) рекомендуется применять электродную проволоку марки
ЭИ639 или Н70М27, для сварки никельмолибденового сплава
0Х15Н55М16В — проволоку марки 0Х15Н55М15В (ЭП567). Для
сварных соединений указанных сплавов желательна термическая об-
работка: нагрев до 1050 °С, выдержка в течение 3 мин на 1 мм толщи-
ны, но не менее 20 мин, охлаждение в воде [8]. При сварке конструк-
ций из сплава типа инконель первый проход (корневой шов) рекомен-
дуется выполнять без присадочной проволоки, а каждый последующий
проход — после охлаждения предыдущего до температуры ниже 90°С.
Данные о механических свойствах сварных соединений из некоторых
сплавов на основе никеля приведены в табл. 6.38, 6.39.
Электрошлаковая сварка. ЭШС никелевых сплавов может выпол-
няться пластинчатыми электродами с использованием фторидных бес-
кислородных флюсов (например, АНФ-7). Обычно химический состав
электрода принимается такой же, как и основного металла (табл. 6.4?)
[8]. Режимы ЭШС никелевых сплавов близки к режимам сварки стали.
Контактная сварка. Для сплавов никеля (монель, инконель, ни-
хром и др.) наиболее просто осуществляется контактная сварка. Тех-
нический никель труднее поддается контактной сварке, поскольку об-
ладает значительно большей электрической проводимостью,чем сплавы
Таблица. 6.42. Механические свойства металла шва и сварного
соединения при ЭШС никелевых сплавов
Сплав Ь, мм Электрод, флюс Образец Ств. МПа т, °с °Н. кДж/м1 "| '1»
ЭИ437Б 100 ЭИ437Б, Шов после сварки 20 667 2158 41
АНФ-7 700 490 — 46
Шов после закал- 20 745 647 18
ки и старения 700 657 — 18
Сварное сое ди не- 20 657 — 44
ние
Сварное соедине- 20 785 — 17
ние после за- калки и старе- ния
ЭИ 435 125 ЭИ435, АНФ-1 Шов после сварки 20 626 3973 17
на его основе. В связи с этим точечная сварка сплавов осуществляе,ся
при меньшей силе тока, чем сварка технического никеля. С целью полу-
чения качественных сварных соединений необходимо выбирать мини-
мальные точки, чтобы избежать излишнего перегрева металла и связан-
ны х с ним дефектов (табл. 6.43). Сравнительно высокая прочность
никеля и его сплавов обусловливает применение высоких давлений на
электроды. Сварку теплоустойчивых сплавов рекомендуется выполнять
Таблица 6.43. Ориентировочные режимы точечной сварки тонколистового
никеля и его сплавов
Металл Ь, мм Р, кН р, МПа ^СВ- кА 1, с Библно> графиче- ский ИСТОЧНИК
Технический 0,5—1,8 1,1 137,3 7,8 0,51—0,67 [264]
0,9-1,5 2,0 240,3 9,2 0,51—0,67
1.6—2,2 7,8 240,3 21,6 0,83—1,0
2,3—2,5 10,5 206,0 26,4 1,67—2,0
3,2 15,0 206,0 30,8 2,67—3,34
Монель- 0,5—0,8 1,8 103 6,2 1,67—2,0 [264]
металл 0,9—1,5 3,1 171,6 10,6 1,67—2,0
1.6—2,2 8,9 274,7 15,3 1,67—2,0
2,3—2,5 12,2 240,3 20,0 2,67—3,34
3,2 17,5 240,3 21,3 4,18-5,0
Сплавы ни- 0,5-0,8 0,8 103,0 4,0 1,67—2,0 [264]
келя с же- 0,9—1,5 1.7 206,0 5,7 1,67—2,0
лезом 1,6—2,2 8,9 274,7 6,1 1,68—2,0
2,3-2,5 14,0 274,7 12,7 2,67—3,34
3,2 24,0 240,3 20,1 4,18-5,0
Инконель 0,5 0,8 103,0 4,0 0,2 [14]
0,8 3,0 171,7 6,7 0,2
1.5 и.о 343,4 9,3 0,2
2,5 14,0 274,7 12,7 0,33
С усиленным охлаждением зоны сварки. Для этой цели электроды и
свариваемое изделие погружают в воду или охлаждают зону сварки и
электроды струей воды.
В связи с применением больших давлений на элеюроды их необхо-
димо изготавливать из сплавов высокой твердости. При сварке никеля
и его сплавов применяются сферические или конические электроды с
плоским торцом. Диаметр электродов выбирают в зависимости от тол-
щины свариваемого металла [264];
Толщина листа, мм 0,5—1,5
Диаметр электрода, мм 3—6
1,5—2,5
6—8
2.5—3,0
8—10
Перед сваркой необходимо тщательно очистить поверхности деталей
механическим способом нли травлением. При стыковой контактной
сварке оплавлением сплавов на основе никеля (ВЖ98 и ВЖЮ1) основ-
ным дефектом, ответе тленным за ухудшение механических свойств сое-
динений, являются оксидные пленки [269]. Хотя фратментированные
оксидные пленки не нарушают общего вязкого характера разруше-
ний, однако их наличие в сварном соединении может вызвать резкое
снижение его механических свойств п является недопустимым дефектом.
Режимы шовной и стыковой сварки никеля и его сплавов можно
ориентировочно принимать по режимам для сварки титана (см. гл. 7).
Тонкие никелевые проволоки хорошо свариваются на конденса-
торных машинах,- внахлестку — на точечной типа ТК, а встык — на
стыковой типа СК. Ориентировочный режим конденсаторной сварки
встык проволок диаметром 0,5 мм емкость конденсаторов 960 мкФ,
напряжение заряда конденсаторов 560 В, сила сжатия стыка 160 11
1143].
Для никеля стыковая сварка возможна как оплавлением, так
и сопротивлением. Рост зерен при нагреве требует ограничения пребы-
вания металла при высокой температуре и повышенной пластической
деформации. Для никелевых сплавов дополнительные трудности свя-
заны с наличием хрома и алюминия, которые образуют тугоплавкие
оксидные пленки. Рекомендуется предварительный подогрев, а также
большие конечные скорости оплавления и осадки. Давление осадки
вследствие высокой жаропрочности н большой скорости осадки дости-
гает 392,4—490,5 МПа. Подогрев снижает требуемые давления [143].
Так, для профильных колец из нихрома марки ЭИ435 (76,5 % М:,
21,2 % Сг) сечением 875 мм2 рекомендуются следующие параметры ре-
жима стыковой сварки оплавлением [55];
Суммарная установочная 70
длина, мм
Припуск, мм:
на подогрев 10—15
на оплавление 16—18
на осадку под током 6
на осадку без тока 2
Усилие осадки, кН 29,4
Ток короткого замыкания, 47,2
кА
Скорость оплавления, мм/с
в конце оплавления 3,5
в начале осадки 15
Продолжительность свароч- 40
ного цикла, с
Механические свойства сварных соединений таковы: ов = 642,6 МПа;
6 = 35,4 % при прочности основного металла ов = 696,5 МПа;
6 = 43,4 %.
Диффузионная сварка. Диффузионная сварка никеля и его спла-
вов успешно применяется в электротехнике и электронике.
В связи с тем что диффузионную сварку проводят при температу-
рах значительно ниже температуры плавления, в процессе соединения
отсутствует первичная кристаллизация металла и уменьшается опас-
ность возникновения пор н горячих трещин. При нагреве в вакууме
очистка нинеля от оксидов протекает достаточно эффективно.
Для никеля марок НП-1 и НП-2 установлены следующие оптималь-
ные параметры режима диффузионной сварки [132]; Т ~ 1000 °С;
р = 14,7 МПа; I — 10 мни; вакуум 133 • 10 4 Па. Сварку можно про-
водить в среде водорода с точкой росы —40 °С. Сварные соединения
имеют прочность иа разрыв ав = 539,6 МПа при относительной де-
формации е = 0,72 %. Все соединения получаются вакуумно-плот-
ными.
Технология сварки никелевых сплавов типа монель, константан
существенно не отличается от сварки технического никеля. Для них
обычно принимают несколько пониженную температуру (Т = 900 °С)
и повышенную выдержку при температуре сварки (/ = 15 мин).
Диффузионная сварка в вакууме жаропрочных никелевых сплавов
имеет ряд особенностей, обусловленных химическим составом и свой-
ствами этих сплавов.
Для улучшения жаропрочности и ползучести сплавов в них вводят
молибден, вольфрам, ванадий и другие элементы, подавляющие диффу-
зию. По сравнению с техническим никелем, для сварки жаропрочных
сплавов характерны повышенные температуры и давления. Так, для
сплава ХН75МБТЮ (ЭИ602) рекомендуются следующие параметры ре-
жима [132]: Т = 1150 — 1175 °С; р = 19,6 4- 29,4 МПа; I = 6 4-
4- 10 мин; вакуум 133 • 10*4 Па. При этом сварные соединения имеют
ав — 747,5 МПа, 6 = 45 %. Для сплава ЭП99 оптимальный режим
сварки Т = 1150 4- 1175 °С; р = 29,4 4- 39,2 МПа; I = 10 мин; вакуум
13 3- 10’4 Па.
Основные затруднения при получении качественных соединений из
жаропрочных сплавов вызваны наличием на поверхности деталей стой-
ких оксидных пленок. Обычно применяемый при диффузионной сварке
вакуум 133 • (10-4 4- 10-6) Па недостаточен для диссоциации или во-
ронки стойких оксидов алюминия, титана и других элементов. Поэтому
равнопрочность соединений из сплава ХН75МБТЮ с суммарным со-
держанием алюминия и титана до 1,5 % достигается легче, чем при
сварке сплава ЭП99, в котором суммарное содержание алюминия и
титана до 3 %.
Для улучшения качества соединений из сплавов с высоким содер-
жанием элементов, образующих термодинамически устойчивые оксиды,
необходимо применение активных веществ, восстанавливающих металл
из оксида, или самофлюсующих расплавляющихся промежуточных
прослоек [136]. Восстановлению металла из оксидов способствует
применение веществ, дающих газообразные продукты реакции восста-
новления, например углерода, взаимодействующего с оксидами
металлов по реакции
МеаО(, + ЬС = аМе 4- 6СО. (6.9)
Непрерывная откачка газов при диффузионной сварке смещает реак-
цию вправо и повышает активность углерода. Но при этом возможно
повышение в зоне стыка содержания углерода, что для жаропрочных
сплавов нежелательно.
Другим способом удаления оксидных пленок может быть приме-
нение прослоек из высокоактивного по отношению к кислороду фторис-
того аммония [132]. При нагреве в вакууме фтористый аммоний начинает
разлагаться при температуре ниже 600 °С с образованием азота, водо-
рода и фтористого водорода. Последний взаимодействует с оксидами
металлов, образуя летучие фториды алюминия, титана, кремния и др.
Образующийся водород также создает восстановительную атмосферу
в стыке и способствует получению чистых от оксидов поверхностей.
Применение прослоек из фтористого аммония способствует улучшению
механических свойств соединений и обеспечивает стабильность резуль-
татов сварки.
При сварке сплава ХН80ТБЮА (ЭИ607А) рекомендован следую-
щий режим: Т = 1200 °С; р = 20 МПа; I— 6 мин; для сплава
ХН65ВМТЮ (ЭИ893): Т — 1170 °С; р = 20 МПа; I = 20 мин. В обоих
случаях вакуум не хуже 133 • 10 4 Па.
Диффузионная сварка может использоваться для изготовления
конструкций из никелевых сплавов, работающих при температурах
Т С 975 °С. Детали из сплава ВЖ98 сваривались на режиме Т =
= 1000 °С; р = 20 МПа; I = 20 мин; вакуум 665 • 10“4 Па. Прочность
сварного соединения близка к прочности основного металла. Примене-
ние дополнительной выдержки после сварки при температуре рекрис-
таллизации сплава ВЖ98 (1200 °С в течение 20 мин) незначительно
влияет на прочность соединения, но очень повышает его пластичность.
Сплав ЖС6ВКП сваривается на режиме Т = 1000 °С; р = 20 МПа;
(=10 мин; вакуум 133 • 10-4 Па.
При получении прецизионных соединений из никелевых сплавов
целесообразно использовать промежуточные прослойки. Так, при
решении задачи диффузионной сварки магнитного сплава ЮНДК24Т2
в качестве промежуточной прослойки был успешно применен высоко-
дисперсный (с дисп’ рсностью 1 мкм) неотожженный порошок никеля,
который способствовал легкому образованию физического контакта
и позволил существенно снизить температуру сварки.
6.3. Свинец
Низкие теплопроводность и теплосодержаине расплавлен-
ного свинца позволяют его сваривать при малых тепловложениях —
мощность дуги при сварке свинца составляет около 5 % мощности,
необходимой для сварки стали равной толщины [461]. Сварка плавле-
нием свинца производится при любом пространственном расположе-
нии швов, однако при выполнении вертикальных швов требуется особая
техника сварки. Свариваемость свинца оценивается как хорошая в свя-
зи с низкой склонностью металла швов к образованию трещин.
Прочность сварных соединений и прочность основного металла
близки, хотя структура сварных соединений более крупнозернистая.
Для достижения равнопрочиости поперечное сечение шва усиливают
на 30 % по отношению к толщине пластины. Сопротивление ползучести
сварных соединений обычно выше, чем основного металла [461].
Для надежной и длительной работы химической аппаратуры при
переменных термических нагрузках сплавов и сварных соединений
свинца необходимо, чтобы сплав был мелкозернистым не только в де-
формированном, но и в литом состоянии. Для стабилизации структуры
основной металл и присадочные прутки легируют модификаторами —
палладием (до 0,03 %), селеном (до 0,02 %) н др.
Свинец и его сплавы покрыты тонкой пленкой РЬО (плотность
9,4 г/см3; ТЛ1 = 850 °С), которая не растворима в жидком металле
и препятствует образованию качественных сварных соединений. Перед
сваркой кромки на ширину до 20—40 мм (в зависимости от толщины сва-
риваемого металла) очищаются механическим способом до металличе-
ского блеска или травлением. Удовлетворительные результаты дает за-
чистка проволочными щетками. Для травления используется 10—40 %-
ный раствор уксуснокислого аммония в уксусной кислоте или четырех-
хлористый углерод. Очищенная поверхность сохраняется незначи-
тельное время. Непосредственно перед сваркой кромки зачищают
шабером.
Для сварки свинца применяются следующие способы: газовая,
дуговая угольным электродом и неплавящимся электродом в среде
инертных газов, холодная, а также горячим токоведущим инструмен-
том. В качестве присадочного металла используются экструдированные
прутки диаметром 3—6 мм состава, близкого к составу основного метал-
ла, или нарезанные из листов ленты в виде лапши шириной 5—12 мм
и длиной до 400 мм.
В связи с высокой пластичностью свинца специальные меры по
борьбе со сварочными напряжениями не требуются. Однако при свар-
ке сплавов свинца с сурьмой возможно образование трещин, что долж-
но учитываться прн выборе оптимальной технологии сварки.
При сварке свинца швы обладают по сравнению с основным метал-
лом высокими прочностью и пластичностью и ие уступают ему по корро-
зионной стойкости [245, 257].
В связи с выделением аэрозолей свинца н его оксидов при темпе-
ратуре выше 800 °С при сварке свинца необходим контроль окружаю-
щей атмосферы. Качество сварных соединений свинца определяется
металлографическим анализом или ультразвуковым импульсным эхоме-
тодом с прозвучиваннем продольными волнами с частотой до 2 МГц
[465].
Газовая сварка. Этот способ наиболее широко применяется для
соединении листов толщиной 0,8—30 мм и более. Дли сварки исполь-
зуют ацетилеио-кислородяое и водородо-кислородиое пламя, а также
любой горючий газ — заменитель ацетилена. При сварке в нижнем
положении наряду с кислородом может быть использован воздух.
Применяется плами нормальной регулировки при сравнительно не-
большом расходе газов (табл. 6.44). Используются горелки малых
номеров. Мощность пламени К'п = 100 • Ь л/ч. Диаметр прутков при
сварке принимают большим, чем толщина свариваемых листов. Для
толщин до 1,2; 2; 3; 8 мм принимают соответственно диаметры приса-
док 3; 6; 8; 10—12 мм.
Таблица 6.44. Ориентировочные режимы газовой сварки свинца
Ь, мм Положение ''пр. мм р, Па Расход газа, л/ч
Кислород Ацетилен
< 1 Нижнее 1-1,5 100 5 5
2—3 » 3—6 180—190 7—12 7—12
4—5 » 4—7,5 190—210 12—60 12—60
7—10 » 7—10 240—280 85—125 70—130
3,5—4,5 Вертикальное 4—7,5 200—240 25—40 25—40
6 >; 7,5—9 240—275 75—85 75—90
9 » 9—10 275—310 100—120 100—125
1
Рис. 6.9. Схема сварки листов
из свинца в угол (а) и с приме-
нением стального башмака (б):
1 — наконечник газовой горелки; 2 —
стальной башмак; 3 — ручка прижи-
ма; 4 — присадочный пруток.
Сварка листов из свинца выполняется внахлестку и встык. При
толщине листов до 1,5 мм сварку проводят по отбортовке кромок с вы-
сотой борта, равной толщине листа. Металл толщиной до 4 мм сварива-
ют без разделки кромок, и без зазора. Листы толщиной до 6 мм свари-
вают без разделки кромок, но с зазором, равным толщине листов. Листы
ббльших толщин сваривают с У-образной разделкой кромок под углом
60—90° без зазора. Для улучшения качества при вертикальной газовой
сварке свинца с У-образной разделкой применяют стальной башмак,
формирующий ванну и форму валика сварного шва (рис. 6.9).
Соединение труб обычно выполняют без скоса кромок различными
методами, зависящими от толщины стенок. Это касается, в первую
очередь, сварки неповоротных стыков труб. При одном из методов
сварки трубопроводов стыковые соединения заменяют нахлесточными
с использованием разбортовки конца трубы (рис. 6.10). Конец одной
трубы разрезается, как показано на рисунке. Створки отгибаются
наружу. Начало сварки выполняется внутри внизу трубы, а заканчи-
вается она на верхней стороне снаружи трубы. Створки возвращаются
в первоначальное положение, и производится их сварка на наружной
поверхности [462].
Флюс для сварки свинца (см. гл. 3), расплавляясь, покрывает сва-
рочную ванну и близлежащие участки металла. При использовании
в качестве флюса стеарина или расплава стеарина с канифолью ими на-
тирают зачищенные кромки листов и поверхность присадочных прут-
ков. Перед нанесением флюса свариваемые листы в стыке подогревают
горелкой. Флюс только защищает свинец от окисления, а не вступа-
ете ним в реакцию. В процессе сварки оксиды свинца всплывают па
поверхность расплавленного флюса и удаляются от места сварки пла-
менем горелки.
Сварка свинца производится «левым» способом с максимально воз-
можной скоростью, чтобы ие допускать вытекания металла из стыка.
Горелку наклоняют под углом 45° к горизонту, а присадочный пруток
подают под углом 10—40°.
Рис. 6.10. Схема сварки свинцовых труб:
а разбортовка и сборка; б — сборка и сварка труб большого диа-
метра; I, 2 — первая и вторая створки; 3 — линия сварки.
Сварка тонкого свинца производится отдельными каплями, пода-
ваемыми с присадки на расплавленные кромки так, чтобы последую-
щая капля перекрывала предыдущую примерно на половину ее дли-
ны. При сварке металла толщиной Ь >• 1,5—2 мм шов выполняют в не-
сколько слоев. При сварке многопроходных швов первый слой, как
правило, выполняется без присадки.
Сварка угольным или графитовым электродом. При сварке ис-
пользуются переменный или постоянный ток. Однако лучшие резуль-
таты достигаются при сварке на постоянном токе прямой полярности.
В качестве источников сварочного тока могут быть использованы заряд-
ные агрегаты или источники тока для гальванических ванн. Более
стабильное качество швов получается при сварке с теми же флюсами,
что и при газовой сварке. При сварке коротких швов использование
флюса необязательно. Сварщик удаляет пленку шлака механическим
путем.
Угольный электрод при сварке располагается перпендикулярно
к свариваемому изделию, а присадочный пруток подается под углом
30—45 0 к листу. Рекомендуется пульсирующая дуга: наряду с пере-
мещением электрода ему сообщаются небольшие вертикальные колеба-
ния. В начале сварки, задерживая дугу на месте, подогревают первый
участок шва. Сварку выполняют без перерыва, а при случайном обрыве
дуги сварку продолжают после зачистки до металлического блеска
кратера и прилегающих участков металла. С целью сглаживания свар-
ного соединения применяются обрубка и проковка шва.
При сварке металла толщиной Ь < 10 мм (усв С 1,3 м/ч) скос
кромок не производится. Свинец толщиной Ь < 4 мм сваривается встык
за один проход, а металл больших толщин — в два и три прохода. Ре-
жим сварки приведен в табл. 6.45. При /св> 100 А происходит резка
свинца. В случае односторонней сварки металла толщиной 4 >6 мм
с полным проваром выполняют скос кромок под углом 35° (с каждой
стороны) и притуплением до 4 мм. Соединения внахлестку следует избе-
гать, за исключением сварки горизонтального шва на вертикальной
плоскости [257].
Диаметр присадочной проволоки при сварке угольным электродом
принимается равным толщине свариваемого металла (но не более 8 мм).
Для повышения производительности сварочных работ при выполнении
сварочной облицовки в монтажных условиях присадочную проволоку
закладывают в зазор стыка.
Таблица 6.45. Ориентировочные режимы дуговой сварки свинца
угольным электродом
6, мм 4Э, мм ^св» А Гд, мм
1—5 6—12 25—40 4—6
5—10 10—15 40—65 6-8
10—12 15—20 65—95 8—12
15—30 15—20 95—100 8—12
Примечание. Vд = 10 —12 В.
Сварка в среде инертных газов неплавящимся электродом. Этот
способ — наиболее производительный процесс сварки свинца, приме-
няемый для изготовления конструкций со швами, расположенными в
различных пространственных положениях, а также для механизации
сварочных работ [206], Сварку выполняют на постоянном токе прямой
полярности.
В табл. 6.46 приведены режимы сварки свинца толщиной 6^3 мм
малоамперной короткой дугой в среде аргона. Сварку выполняют в два
прохода — первый без присадки, второй при соединении внахлестку —
за счет проплавления кромок верхнего листа, а при стыковом соедине-
нии— с применением присадки толщиной 2 мм.
Таблица 6.46. Ориентировочные режимы аргоиодуговой сварки
тонколистового свинца неплавящимся электродом
Положение шва в пространстве <?э, мм ^СВ’ 1„, мм А Расход аргона, л /мин
Потолочное встык 1 8—10 1 1,5
Нижнее встык и горизонталь- 1,5 12—15 1,5 1.5—2,0
ное внахлестку Вертикальное внахлестку и 1 8—10 1 1,5
встык
Примечание. Ь = 3 мм.
Для сварки свинца толщиной 3—5 мм нашла применение и м п у-
льсно-дуговая сварка [59]. Этим способом сваривают (оса=
= 10 4- 30 м/ч) нахлесточные швы в вертикальном положении без
присадки с оплавлением верхней кромки листа и стыковые швы в ниж-
нем положении с присадкой. Оптимальные параметры прн сварке в
нижнем положении: жесткость режима Ор = 34- 4; время цикла
0,6—0,7 с. При сварке вертикальных швов для удовлетворительного
формирования шва Ор :> 2. Шаг точек при Ь = 3 мм составляет 2,5—
3,5 мм, при Ь = 5 мм — 1,5—2,5 мм.
Аргонодуговая сварка свинца обеспечивает высокое
качество сварных соединений. Применение импульсно-дуговой сварки
Рис. 6.11. Схема свар-
ки свинца электрокон-
тактным нагретым ин-
струментом:
/ — инструмент; 2 — сва-
риваемое изделие; 3 —
подложка; 4— цепь разо-
грева рабочей эоны инст-
румента; 5 — цепь свар-
ки изделия, стрелка ука-
зывает продольное уси-
лие.
позволяет значительного 25 раз) снизить сто-
имость сварочных работ по сравнению с газо-
вой сваркой.
Сварка горячим токоведущим инструмен-
том. Токоведущий инструмент погружается
в металл и перемещается вдоль свариваемых
кромок [23]. Для сварки используется нихро-
мовый инструмент с рабочей зоной овальной
формы сечением 70—80 мм-(рис. 6.11). Прн
сварке металла толщиной 8—10 мм инстру-
мент погружается в деталь на глубину 5—
7 мм и перемещается с усилием 30—50 Н. По-
требляемая мощность инструмента 0,4 —
1,4 кВт. Нагрев инструмента контролируется
термопарами. Наиболее целесообразно ком-
бинированное подключение инструмента к ис-
точнику питания. До соприкосновения инстру-
мента с изделием его рабочая зона предвари-
тельно нагревается (цепь 4). После соприко-
сновения инструмента с изделием в его пе-
редней части повышается плотность тока (цепь
5). Токи в электрических цепях регулиру-
ются переключением ступеней источника питания. Скорость сварки
достигает 3 м/ч.
Сварка давлением. При нормальной и повышенной температурах
при сварке свинца толщиной 2—2,5 мм сварка давлением имеет огра-
ниченное применение, так как требует полного освобождения сварива-
емых поверхностей от РЬО. Свинец успешно сваривается взрывом [113,
435, 462, 463].
6.4. Цинк
Низкие температуры плавления и кипения цинка, высокое
линейное расширение, а также легкая его окнсляемость в нагретом и
особенно расплавленном состоянии затрудняют сварку. Пары цинка
вредны для здоровья, поэтому при его сварке плавлением обязательно
оборудование местной вытяжной вентиляции, а во многих случаях
и использование индивидуальных средств защиты органов дыхания
сварщи ков.
Для соединения деталей из цинка применяют следующие способы
сварки: газовую, дуговую в среде инертных газов, контактную [245,
464].
Газовая сварка. Является наиболее распространенным способом
сварки с использованием в качестве горючих газов ацетилена, водо-
рода, метана, бутана, пропана. Сварку выполняют нейтральным или
слегка восстановительным пламенем «левым» способом, избегая пере-
грева сварочной ванны. Давление и расход ацетилена устанавливаются
в пределах 0,005—0,015 МПа и 12—40 л/ч соответственно на 1 мм тол-
щины свариваемого металла. В качестве присадки используют прутки,
нарезанные из листового цинка. Флюс (см. гл. 3) перед сваркой наносят
в небольшом количестве на свариваемые кромки и по мере надобности
добавляют на нагретом конце присадки. Остатки флюса по завершении
сварки тщательно удаляют промывкой в горячей воде.
Листовые соединения толщиной 0,3—0,5 мм сваривают по отбор-
товке кромок (высота борта 1,5 Ь) или внахлестку (усв = 12 15 м/ч);
соединения толщиной 0,75—1,0 мм — встык без зазора и разделки или
внахлестку (сварка с двух сторон, осв = 9 4- 18 м/ч). Цинк толщиной
1—4 мм сваривают без разделки кромок с зазором, равным толщине
основного металла (усв = 7,5 -5- 12 м/ч). При Ь > 3 мм сварка выпол-
няется на подкладке. Стыковые соединения листов толщиной более
4 мм выполняют с У-образной разделкой кромок (угол раскрытия
70—90°). При Ь 5 мм сварку выполняют без зазора на подкладке
(нсв = 3 4- 6 м/ч), а при Ь :> 7 мм — на подкладке с зазором, равным
0,5 Ь (осв = 2,5 4- 5 м/ч). Основные дефекты при газовой сварке — пог
ры и включения оксида алюминия. Прочность сварных соединений
низкая [464].
Контролируемый отжиг газовым пламенем при 150—180 °С с после-
дующим медленным свободным охлаждением благотворно сказывается
на свойствах соединения. Проковка при 100°С с последующим быстрым
охлаждением водой приводит к заметному повышению прочности шва
[154].
Дуговая сварка. Ручная сварка в среде аргона неплавящимся
электродом выполняется встык без зазора на постоянном токе прямой
полярности на медной подкладке. Для упрочнения металла швов вво-
дится присадка чистого алюминия, в результате чего прочность свар-
ного соединения увеличивается в 3 раза. Режимы сварки приведены
в табл. 6.47 [389].
Таблица 6.47. Ориентировочные ре- жимы ручной аргоиодуговой сварки циика неплавящимся электродом Автоматическая аргоноду- говая сварка цинка выполня- ется неплавящимся электро- дом встык без разделки кро- мок на постоянном токе пря- мой полярности. Сварку ведуг на специальных охлаждаемых или массивных медных под- кладках, мало нагреваемых прн сварке. Оптимальный ре- жим сварки цинка толщиной 6 мм следующий: /св = 300 4- 4- 340 А; 1/д = 12 4- 15 В; осв = 40 4- 47 м/ч; расход ар- гона 14—16 л/мин; /д = 2 4- получаются чистые, плотные, и обратного валика. Процесс
6, мм /св, А осв, м/ч
2 4 6 8 90—100 110—120 140—150 160—170 27 25 20 15
Приме 10 л/мин. 4- 3 мм; с хорошим чалке. Расход аргона 8 — э — 3 4- 4 мм [464|. Швы формированием усиления
сварки практически лишен недостатков, связанных с интенсивным
испарением металла. При обработке шва давлением происходит вырав-
нивание свойств сварного шва и основного металла.
Контактная сварка. Разработаны технологии точечной и шовной
сварки листов цинка толщиной 0,25—2,5 мм. Режимы точечной и шов-
ной сварки листов цинка Ь= 1 мм соответственно следующие; усилия
сжатия 1,4 и 1,8 кН; в обоих случаях /св — 17 кА. При точечной свар-
ке — 12,7 мм; при шовной — ширина рабочей части электрода
6,35 мм, время сварки 12 периодов.
6.5. Благородные металлы
Металлургические и технологические особенности сварки.
При сварке плавлением металлов данной группы наибольшие трудности
возникают при соединении полуфабрикатов из серебра и его сплавов,
которые вызваны особыми физическими свойствами серебра. К ним
относятся необходимость применения концентрированных источников
теплоты и предварительного подогрева до 500—600 °С (из-за большой
теплопроводности), а также возникающие значительные напряжения
и деформации изделий (из-за высокого коэффициента теплового расши-
рения). Сварку плавлением серебра и его сплавов приходится выполнять
в иижнем или слегка наклонном положении вследствие большой жид-
котекучести и подвижности расплава.
В одном объеме жидкого серебра может раствориться до 20 объемов
кислорода. Серебро, содержащее кислород, затвердевает, образуя
твердые растворы, которые по сра внению с расплавом обеднены кислоро-
дом. С понижением температуры расплава значительно возрастает рав-
новесное давление кислорода и происходит выделение последнего, со-
провождаемое разбрызгиванием металла. Давление кислорода в рас-
плаве при этом может достигать 5 МПа. Растворенный кислород за-
медляет рост зерна при кристаллизации из расплава и рекристалли-
зации. При плавлении и сварке серебро ингесивно испаряется [187].
В качестве метода упрочнени я серебра распространено внутреннее
окисление металлических сплавов, содержащих примерно до 1 %
неблагородного компонента: алюминия, марганца, магния, бериллия,
натрия и пр. Сварка таких сплавов затруднена из-за повышенной проч-
ности и низкой пластичности [22, [87].
Для соединения благородных металлов используются следующие
способы сварки: газовая, дуговая неплавящимся электродом в среде
инертных газов, мккроплазменная, а также контактная, кузнечная
(путем высокотемпера[урной пластической деформации) и термоком-
прессионная.
Подготовка к сварке. Перед сваркой стык и присадочную прово-
локу рекомендуется обработать ветошью, смоченной в спирте.
Газовая сварка. Серебро сваривается нормальным или слегка вос-
становительным ацетилено-кислородным и метано-кислородиым пламе-
нем. Сварка в водородо-кислородном пламени возможна, однако
качество полученного при этом шва будет ниже из-за возможного по-
глощения расплавленным металлом кислорода с последующим водо-
родным охрупчиванием. Мощность пламени принимают из расчета
100—150 л/ч горючего газа на 1 мм толщины свариваемого металла.
В качестве присадки используется пруток из серебра с 1 % раскисли-
теля — алюминия. Для сварки используется флюс, состоящий из эти-
лового спирта и равных количеств буры и борного ангидрида с добав-
кой 10 % стандартного флюса для газовой сварки алюминия. Флюс на-
носят на свариваемые кромки или присадочный пруток. Механические
свойства соединений из серебра, выполненных газовой сваркой, не-
стабильны.
Сварка золота и металлов платиновой группы выполняется в водо-
родо-кислородном пламени. Применение ацетилено-кислородного пла-
мени для сварки может привести к поглощепиюуасплавленным металлом
углерода и его охрупчиванию [24, 154|.
Газовая сварка выполняется «левым» способом без поперечных коле-
баний. Горелку располагают под прямым углом или слегка наклонно
к свариваемой поверхности, выдерживая расстояние от ядра пламени
3—4 мм. Швы весьма склонны к образованию пор. Для получения
прочных соединений швы проковывают в холодном состоянии запод-
лицо с основным металлом.
Дуговая сварка. Сварка металлов данной группы в среде инертных
газов неплавящимся электродом осуществляется преимущественно
(хотя возможна на любом токе) на постоянном токе прямой полярности
с использованием аргона 1-го сорта (ГОСТ 10157—79), а также гелия
ВЧ (для иридия) [449]. При ручной сварке процесс ведут справа налево
углом вперед без поперечных колебаний. Угол наклона горелки к плос-
кости свариваемых деталей 60—70°, присадочную проволоку подают
под углом 90° к неплавящемуся электроду. Присадочную проволоку не
рекомендуется выводить из защищаемой инертным газом зоны, так как
ее конец может окислиться. Сварку стыковых соединений осуществляют
на подкладках с защитой корня шва инертным газом.
Для сварки серебра в качестве присадки используется проволока
с добавками раскислителей (никель, палладий, РЗМ и др.). При сварке
серебра на весу по мере нагрева металла для выполнения швов без
прожогов и протеков необходимо снижать сварочный ток (табл. 6.48).
Ручная аргонодуговая сварка неплавящимся электродом серебря-
ных трубопроводов диаметром 55—155 мм с толщиной стенки 2—3 мм
выполняется с предварительным и сопутствующим подогревом до 500—
600°С, позволяющим стабилизировать режим сварки на /св = 90 -?
4- 180 А. При этом режиме обеспечивается удовлетворительное форми-
рование шва во всех пространственных положениях. Сварка ведется
с разделкой (угол раскрытия 60° и притупление О,5+о’5 мм) без зазора
за два прохода. Первый проход выполняется без присадки сформиро-
ванием корня шва за счет оплавления кромок, а второй—с присадкой
диаметром 2—3 мм при малых поперечных колебаниях горелки. Ре-
Таблица 6.48. Ориентировочные режимы ручной аргоиодуговой
сварки серебра неплавящимся электродом
ь, мм Условия сварки <7Э, мм ^св» А ''пр* мм Расход аргона, л/мин
1 Встык с отбортовкой 2 60—70 3-4
кромок
2 Встык без зазора 2 120—130 2—3 4—5
иа весу
3 То же 3 150—160 3 6—7
Примечание, рсн «4-^5 м/ч.
жим сварки: /св = 90 4- 150 А; 1/д = 15 4- 20 В; осв = 3 4- 5 м/ч;
расход аргона 8—12 л/мин [18]. Сварка в условиях монтажа выполня-
ется с разбортовкой кромок (глубина погружения около 10 мм) за один
проход с присадкой (7СВ = 120 -4- 180 А; (7Д = 15 4- 25 В; осв =
= 44-6 м/ч; расход аргона 10—12 л/мин).
Механические свойства соединений из серебра, сваренных непла-
вящимся электродом вереде аргона, лучше, чем соединений, выполнен-
ных газовой сваркой. Предел прочности шва близок к такому же пока-
зателю основного металла. Наиболее стабильными свойствами облада-
ют соединения, выполненные в камере с контролируемой атмосферой
аргона [374].
Для аппаратов, работающих при повышенных температуре и дав-
лении, нашли применение биметаллические листы сталь -ф серебро.
Обычно серебро на сталь наплавляют атомно-водородной сваркой с ис-
пользованием серебряной присадки. Для улучшения сцепления се-
ребра со сталью в ряде случаев выполняется промежуточное покрытие
медью, никелем или сплавами на их основе. Проковка наплавленного
металла в горячем состоянии позволяет уплотнить и повысить его
пластичность, а также приводит к значительному снижению остаточ-
ных напряжений. При агронодуговой наплавке с флюсами (30—35 %
тетрафторбората калия, 35—40 % криолита, 20—22 % фтористого
натрия, 5—10 % хлористого натрия) сцепление серебра со сталью повы-
шается. Сварку биметалла сталь + серебро рекомендуется выполнять
по схеме, приведенной на рис. 6.12 [291].
Сварка иридия неплавящимся электродом. Эта сварка выполня-
лась в среде гелия. Металл толщиной 0,625 мм сваривали неплавя-
щимся электродом диаметром 3 мм на следующем режиме: /св =
= 41 А; псв = 18 м/ч; длина дуги 1 мм. Исследования показали, что
металл шва имеет столбчатую структуру. Это привело к его разрушению
Рис. 6.12. Сварное стыковое соединение биметалла сталь — серебро )58]:
1 — корпус из углеродистой стали; 2 — серебряный плакирующий слой: 3 — шов
иа углеродистой стали; т — наплавленное серебро; 5 — серебряная полоса, прива-
ренная кузнечной сваркой.
в процессе эксплуатации. Повышение скорости сварки до 45 м/ч с
увеличением тока сварки до 65 А (расход газа 0,5 л/мин) и применение
вибрации с частотой 375 Гц позволило получить в шве тонкую равно-
осную структуру и высокие эксплуатационные характеристики свар-
ного соединения [4491.
Сварка платиноидов неплавящимся электродом в среде аргона.
Эта сварка ведется при минимальных затратах погонной энергии
(табл. 6.49). Сварка платины на повышенных токах приводит к обра-
зованию кристаллизационных трещин [24, 43[. В связи с тем что склон-
ность к трещинам в металле соединений особенно велика при сварке
сплавов, для них рекомендуется применение способов с более концент-
рированным по сравнению с аргонодуговым вводом энергии, например
плазменной сварки.
Таблица 6.49. Ориентировочные режимы аргоиодуговой сварки
платины неплавящимся электродом
мм ?СВ‘ А Расход аргона, л/мин
0,3 . 18—22 3
0,5 25—30 4
0,6 30—35 4
0,7 35—40 4
1,0 40—45 4—5
Применение. 4 3 = 1 ММ, ЙПр = 1 1,5 мм.
Микроплазмениая сварка. Фольгу из палладии и платиноидов
сваривают в аргоноводородных смесях (объемное содержание водорода
до 4—7 %). Применение аргона не обеспечивает получение беспорис-
тых швов. Режим сварки палладиевой фольги толщиной 0,05 мм
следующий (торцевые соединения): /св = 2,2 А; С/д = 17—20 В;
осв == 20 м/ч; расход газа — защитного 6 л/мии, плазмообразующего
0,3 л/мин. При сварке на этом режиме швы получаются плотными
и прочными [43, 224, 246].
Контактная сварка. Контактная сварка с импульсным подводом
тока применяется для соединения проволоки из золота и платины
(диаметр 0,18 —0,8 мм) с многожильным медным проводом. Перед
сваркой на конец провода наносят серебряное покрытие. Электроды из-
готавливают из молибдена (со стороны медного проводника) и меди
или стали (со стороны благородных металлов). Оптимальное усилие
на электроды 90 кН. Для повышения качества соединения и стойкости
электродов сварка выполняется в среде технического спирта [149].
Термокомпрессионная сварка. Используется для соединения прово-
локи из золота (4 = 30 -4- 50 мкм) с алюминиевой пленкой (6=1-5-
-5- 8 мкм), нанесенной на поверхность полупроводникового кристал-
ла из кремния [415]. Для получения соединения конец проволоки в пла-
мени водородной горелки оплавляется до получения шарика диаметром
80— 100 мкм с его последующей деформацией пуансоном иа поверхности
пленки. Режим сварки: температура нагрева кристалла 240—300 °С;
нагрузка на пуансон 0,005—0,01 Н, время выдержки под нагрузкой
0.2 с. В результате интенсивной пластической деформации шарика
происходит очистка поверхности алюминиевой пленки в контакте.
Необходимый размер очищенной площадки достигается при деформа-
ции шарика, равной 45 %.
Г лав а 7
ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ХИМИЧЕСКИ
АКТИВНЫХ И ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ
И СПЛАВОВ
7.1. Титан и его сплавы
Металлургические и технологические особенности сварки.
К числу основных затруднений, встречающихся при сварке титана,
относится большая химическая активность металла при высокой тем-
пературе, особенно в расплавленном состоянии, по отношению к газам
(кислороду, азоту и водороду). Обязательным условием получения ка-
чественного соединения при сварке титана плавлением является надеж-
ная защита от газов атмосферы не только сварочной ванны, но и осты-
вающих участков металла шва и околошовной зоны вплоть до темпера-
туры 200—400 °С. Необходимо также тщательно защищать и обратную
сторону (корень) шва даже в том случае, если слои металла не расплав-
лялись, а только нагревались выше этой температуры.
Из-за высокой химической активности титана по отношению к га-
зам для защиты зоны сварки от воздуха можно применять только инерт-
ные газы высокой степени чистоты или бескислородные фторидно-хло-
ридные флюсы [74]. В последнем случае между шлаком и металлом
возможно протекание химических реакций типа
лМеОж + Т!ж пМег + ТЮП; (7.1)
0,5пМее2ж + Т1ж 0,5пМег + Т1С„. (7.2)
Так как фториды не растворимы в жидком металле, реакции ие загряз-
няют металл шва неметаллическими включениями, ио могут привести
к переходу в сварочную ванну элементов из флюса.
Дополнительные затруднения при сварке титана создает большая
его склонность к росту зерен при нагреве до высокой температуры,
особенно в области 0-фазы (выше 882 °С). Низкая теплопроводность
титана способствует увеличению времени пребывания шва и околошов-
ной зоны прн высокой температуре, усугубляя этим рост зерен. Для
преодоления указанного затруднения сварку плавлением а- н псевдо а-
сплавов выполняют при минимально возможной погонной энергии, а
контактную — с кратковременными нагревами. При сварке двухфаз-
ных (а + 0)-сплавов, чтобы избежать неблагоприятного сочетания
а- и 0-фаз и возможности образования ы-фазы, погонную энергию
увеличивают. Режимы с малыми скоростями охлаждения обеспечиваю!
на таких сплавах повышение пластичности околошовных участков
ЗТВ. Высоколегированные (а + 0)-сплавы, псевдо 0- и 0-сплавы сва-
ривают на режимах, позволяющих получать среднюю и высокую ско-
рости охлаждения [193).
По сравнению с другими конструкционными металлами титан
отличается максимальной температурой плавления. Поэтому при
сварке титана требуются концентрированные источники теплоты. В то
же времи в связи с более низким, чем у стали, коэффициентом теплопро-
водности, повышенным электросопротивлением и пониженной теплоем-
костью при сварке титана плавлением тратится меньше энергии, чем при
сварке углеродистой стали.
Титан и его сплавы не склонны к образованию кристаллизационных
трещин в металле шва. Эго объясняется благоприятным сочетанием
физико-механических свойств тигана и его сплавов: малой величиной
литейной усадки наряду с повышенной прочностью и пластичностью
металла в области высоких температур. Для титановых швов харак-
терен узкий интервал кристаллизации. Так как пластичность металла
в этом интервале высока, сварные швы извесгных в настоящее время
титановых сплавов стойки против образования кристаллизационных
трещин.
Сварные соединения титана отличаются малым временем пребыва-
ния в температурном интервале хрупкости [193]. Для швов легирован-
ных жаропрочных сплавов эю время составляет 1,2 с, а для металла
в ЗТВ —0,7—1,0 с. Высокая деформационная способность металла
в ЗТВ в температурном интервале хрупкосги обеспечивает стойкость
сварных соединений титановых сплавов и против образования под-
солидусных трещин.
Наиболее частыми дефектами сварных швов являются поры и хо-
лодные трещины. Основная причина образования пор в швах — газо-
вые примеси (в первую очередь водород), растворенные в основном
и присадочном металле и адсорбированные на поверхностях сваривае-
мых кромок и проволоки. Значительную роль в образовании пористо-
сти в гитансвых швах играют наследственные дефекты полуфабрика-
тов — газовые коллекторы и микропоры, иа базе которых при сварке
зарождаются газовые пузырьки. Для того чтобы получить беспорнстые
швы, необходимо обеспечить требуемую чистоту основного металла и
сварочных материалов, а также чистоту обработки кромок: сварку вы-
полнять иа оптимальных режимах с соблюдением всех требований тех-
нологии. Наиболее радикальным методом предупреждения пор в швах
является применение галогенидных флюсов при сварке.
Холодные трещины в сварном соединении возникают при пониже-
нии пластичности разных его участков. К этому приводит повышенное
содержание в основном металле и шве примесей внедрения — газов.
Трещины такого типа могут возникать сразу же после сварки, а также
после вылеживания сварных изделий (процесс замедленного разруше-
ния). Основной причиной замедленного разрушения является выделе-
ние водорода нз твердого раствора с образованием гидридов титана,
связанное с охрупчиванием металла в результате возникновения лока-
льных внутренних напряжений. Последние складываются с остаточ-
ными растягивающими напряжениями, а также с напряжениями от
внешней нагрузки.
При сварке сплавов на основе титана, чувствительных к термиче-
ским циклам сварки ((а + Р)-сплавы, псевдо Р-сплавы), затруднения
возникают из-за возможности образования хрупких фаз (например,
со-фаза, интерметаллиды) и неблагоприятной структуры отдельных со-
ставляющих в результате распада Р-фазы в процессе охлаждения после
сварки, а также последующей упрочняющей термической обработки
(закалка с последующим старением).
Специфические физические свойства титана определяют ряд техно-
логических особенностей сварки. Вблизи точки плавления поверхно-
стное натяжение жидкого титана составляет 1,39 Па [385], что в 1,5
раза выше, чем, например, алюминия. Это обеспечивает благоприятное
формирование корня шва при сварке на весу. Однако при несоблюдении
требований к гочности сборки под сварку трудно избежать прожогов,
так как расплавленный тиган обладает низкой вязкостью (коэффи-
циент вязкости уменьшается в 2,5 раза при возрастании температуры
от 1730 до 1920 °С).
Для титана и его сплавов применяются следующие способы сварки:
дуговая в среде инертных газов плавящимся и неплавящимся электро-
дами, ЭЛС, автоматическая под флюсом, все основные разновидности
ЭШС, контактная, диффузионная, прессовая (в вакууме и инертной ат-
мосфере), холодная, взрывом, прокаткой.
Подготовка к сварке. Качество сварных соединений во миогом
определяется технологией подготовки кромок деталей и титановой
проволоки под сварку. Подготовительные операции выбирают в зави-
симости от исходного состояния заготовки. Плоские листовые заготов-
ки после резки на гильотине, детали простой формы, изготовленные
холодной штамповкой и т. п., подготавливаются под сварку механиче-
ской обработкой кромок.
Для предварительной разрезки заготовок с последующей механи-
ческой обработкой кромок используется газовая и плазменная резка.
Газовую резку необходимо выполнять на повышенной по сравнению со
сталью скорости и пониженной мощности пламени из-за более интен-
сивного выделения теплоты в зоне реза. Обработка кромок механиче-
ским способом после резки должна производиться на глубину не менее
3—5 мм. Непосредственно перед сваркой кромки на ширине 15—20 мм
от стыка зачищают металлической щеткой или шабером и обезжири-
вают спиртом-ректификатом или ацетоном квалификации Чили ХЧ.
Заготовки, подвергнутые перед сваркой горячей обработке (валь-
цовка, ковка, штамповка и др.) или термической обработке в печах
без защитной атмосферы, проходят комплексную обработку, включаю-
щую дробеструйную или гидропескоструйную очистку поверхности
с последующим химическим разрыхлением оксидно-нитридной пленки,
травлением, осветлением и промывкой (табл. 7.1) [193). Промывка сва-
риваемых кромок и прилегающих к иим участков металла на ширине
до 20 мм выполняется бензином Б-70 с последующим обезжириванием
этиловым спиртом-ректификатом или ацетоном.
Прн неполном удалении газоиасыщенной пленки на поверхности
титана может остаться альфированный слой (см.гл. 1). Сохранение
такого слоя на свариваемых кромках недопустимо, так как переход
газов из слоя в шов вызывает его охрупчивание. Чтобы определить
полноту удаления альфированного слоя и отсутствие наводороживаиия;
Таблица 7.1, Состав растворов для химической обработки поверхности
деталей из титана перед сваркой
Назначение раствора Состав Длительность травления
Разрыхление ок- сидной пленки 150—250 г/л нитрита натрия, 500—700 г/л углекислого натрия М ч
Травление 220—300 мл/л плавиковой кислоты (плотность 1,13 г/см3), 480—550 мл/л азотной кислоты (плотность 1,4 г/см3), Т < 25 °С 1—20 ч
Осветление 600—750 мл/л азотной кислоты (плот- ность 1,4 г/см3), 85—100 мл/л пла- виковой кислоты (плотность 1,13 г/см3) 3—10 мин
в процессе травления, применяют спектральный метод контроля кон-
центрации водорода иа поверхности свариваемых кромок. Для предо-
хранения шва от наводороживания используют сварочную проволоку,
предварительно подвергнутую вакуумному отжигу (содержание водо-
рода в проволоке не превышает 0,002—0,004 %). Перед сваркой прово-
лока обезжиривается.
В помещениях, где производится сварка титана и его сплавов,
температура не должна быть ниже 15 °С, а скорость движения воздуха
не должна превышать 0,5 м/с.
Дуговая сварка. Сварка в среде инертных газов
применяется как неплавящимся (автоматическая, ручная), так и пла-
вящимся (автоматическая, механизированная) электродом. Сварка
может выполняться непрерывно горящей и импульсной дугой.
Качество сварных соединений определяется главным образом на-
дежностью защиты зоны сварки и чистотой инертного газа. Для защиты
используют в основном аргон 1-гои высшего сортов поГОСТ 10157—79
аргон высокой чистоты по ТУ 6-21-12—76 и гелий очищенный марки
Б по ТУ51-940—80, а в ряде случаев (при сварке плавящимся электро-
дом и неплавящимся электродом погруженной дугой) — смесь аргона
и гелия
В зависимости от конфигурации и размеров свариваемых узлов при
сварке титана и других химически активных металлов различают
три типа защиты инертным газом; струйная защита, осуществляемая
непрерывным обдувом сварочной ванны и остывающн х участков соеди-
нения путем перемещения сопла с удлиненной насадкой; защита свар-
ного соединения с использованием местных камер; общая защита узла
в камере с контролируемой атмосферой инертного газа.
Камеры с контролируемой атмосферой обеспечивают наиболее на-
дежную и стабильную защиту зоны сварки, остывающих участков шва
и ЗТВ и обратной стороны (корня) шва. В камерах создается и под-
держивается в процессе сварки инертная среда заданной чистоты. При
этом возможно использование системы газовой очистки, для чего обе-
спечивается циркуляция инертного газа из камеры в систему газовой
очистки, а очищенного газа — снова в камеру. Применение таких камер
особенно целесообразно в серийном производстве, для конструкций
сложной конфигурации при расположении швов в труднодоступных
для струйной защиты местах, ненадежности результатов последующе-
го контроля сварных соединений и др. В производстве сварных изделий
из титана и его сплавов наибольшее распространение получили камеры
с однократным использованием инертного газа типа ВКС-1, ВУАС-1,
УСБ-1 и др. В зависимости от оснащенности эти камеры позволяют
выполнять сварку как вручную, так и автоматами. Крупногабаритные
обитаемые камеры с обеспечением в них условий для работы сварщи-
ков, например типа «Атмосфера», предназначены для сварки кон-
струкций больших размеров.
В отечественной практике контроль состава инертного газа в ка-
мере осуществляют с помощью таких приборов, как «Циркон» (для
определения содержания кислорода), «Байкал» (для определения со-
держания влаги), хромотографы (например, марки ЛХМ, 8МД и др. для
комплексного определения кислорода и водорода), прибор ИСП-51 (для
спектрального определения примесей) и др.
Для сварки трубчатых конструкций, кольцевых поворотных и не-
поворотных стыков применяют местные или малогабаритные накидные
камеры [19.3|, обеспечивающие стабильное качество сварных соеди-
нений
Создание в камере после размещения в ней деталей и узлов, подле-
жащих сварке, инертной атмосферы осуществляют двумя способами.
Рнс. 7.1. Горелки для ручной (а) и механизированной (б) сварки тита-
на с подачей присадочной проволоки, конструкции завода «Уралхим-
маш».
Первый предусматривает вакуумирование камеры до разрежения не
хуже 133 • 10“3 Па с последующим заполнением инертным газом. Во
время работы внутри камеры поддерживается избыточное давление
(1 -г- 3) • 10-2 МПа. При втором способе заполнение камеры происхо-
дит путем вытеснения из нее воздуха при пропускании инертного газа.
При использовании аргона в качестве защитной атмосферы его подают
в камеру через газовую линзу, расположенную в нижней точке камеры,
так как плотность аргона больше плотности воздуха и последний посте-
пенно вытесняется из камеры. В таких камерах состав атмосферы не
контролируется, а ее чистота определяется экспериментально в зависи-
мости от времени заполнения при определенном расходе аргона. Защиту
корня шва при сварке в местных камерах осуществляют, вдувая во
внутреннюю полость детали инертный газ.
Наибольшее распространение получила сварка неплавящимся
электродом на воздухе, хотя обеспечить надежную защиту зоны сварки
инертным газом в этом случае достаточно сложно. Для этого разработа-
ны специальные горелки, насадки, подкладки и другие приспособле-
ния. Наиболее стабильное качество сварных соединений, выполненных
на воздухе, обеспечивается при автоматической сварке.
Для ручной сварки применяются горелки типа РГА, АР-9 и др.
(рис. 7.1). При автоматической сварке удовлетворительные результа-
ты получают при использовании горелок, которыми комплектуются
автоматы типа АДСВ-5, АДСВ-6 (до /св < 250 А), типа А-1272 (до
700 А) и др. Подвод газа в сопло горелки обычно осуществляется через
большое количество мелких отверстий, направленных на стенки сопла.
Наиболее эффективная зашита достигается при использовании «газо-
вых линз», представляющих собой вкладыши из пористого материала
или пакет из сеток с мелкими ячейками (80 —250 отв/см2) [193]. Пред-
почтения заслуживают «газовые линзы», так как металлические сетки
быстро выгорают при сварке. Сопло имеет форму конуса с телесным
углом 15—25°. Конус оканчивается цилиндрической частью, длина
которой не менее диаметра. Диаметр цилиндрической части обычно не
Рис. 7.3. Защита корня шва:
а —в —с помощью формирующей подкладки, про-
дуваемой инертным газом при толщине основного
металла 0,8—3 мм (а); 4—8 мм /б); 8—18 мм (в);
г—с помощью дополнительной насадки: 1 — го-
релка; 3— присадка; 3 — изделие; 4 — местный
поддув.
превышает 30 мм. Длину цилиндрической
части сопла можно определить по формуле
[1931
/>0,0015 (О2 — с!2) Ке, (7.3)
где I — длина цилиндрической части, см; О —внутренний диаметр
сопла, см; — диаметр цанги, см; Ке — число Рейнольдса.
Горелка наиболее эффективно защищает металл при сварке, когда
из сопла истекает ламинарный поток аргона. Длина ламинарной части
потока (при прочих равных условиях) зависит от расхода газа. Го-
релки снабжаются водяным охлаждением и рассчитаны на длительную
работу.
Для защиты остывающих участков сварного соединения от кон-
такта с воздухом используются специальные насадки, закрепленные иа
горелке (рис. 7.?). Ширина насадки выбирается из размеров зоны тер-
мического влияния, а длина приближенно определяется расчетным пу-
тем с применением теории распространения теплоты Н. Н. Рыкалина
(см. гл. 4). Приближенно об эффективности газовой защиты в процессе
сварки и при последующем охлаждении сварного соединения можно
судить по его внешнему виду. Блестящая серебристая поверхность шва
свидетельствует о хорошей защите и удовлетворительных свойствах
шва. Желто-голубой цвет шва или появление на нем серых налетов
указывает на плохую защиту. Такая поверхность присуща швам, обла-
дающим пониженными пластичностью и вязкостью вследствие загрязне-
ния вредными примесями-газами.
Защиту корня шва и прилегающих нагретых участков сварного
соединения осуществляют плотным поджатием кромок к медным нли
стальным подкладкам с формирующими канавками и системой отверстий
для подачи инертного газа (рис. 7.3). Для этой же цели применяются
подкладки из пористого материала. При сварке сосудов или трубчатых
конструкций защита корня шва достигается продувкой инертного газа
внутрь изделия. Для уменьшения расхода инертного газа при много-
слойной сварке обратную сторону соединений рекомендуют защищать
водяным душем. Это допустимо лишь в случае, когда температура по-
верхности, соприкасающейся с водой, не превышает 500—600 °С. В свя-
зи со сложностью контроля температуры поверхности этот способ не
нашел широкого применения.
Сварка титана неплавящимся электродом осуществляется постоян-
ным током прямой полярности, т. е. электрод является катодом. Рабо-
чая часть неплавящегося электрода затачивается на конус. Угол заточ-
ки зависит от толщины свариваемого металла и составляет 30—45°.
Могут применяться электроды и с большими углами заточки, однако
при этом снижается глубина проплавления. Для улучшения формирова-
ния шва при автоматической сварке с присадочной проволокой и повы-
шения стойкости электрода его конус притупляют до диаметра 0,5—
0,8 мм. Это способствует расфокусировке дуги и более плавному пере-
ходу от основного металла к усилению. Работоспособность неплавя-
щегося электрода увеличивается со снижением шероховатости его ко
ни ческой части.
Качество защиты при сварке влияет не только на газонасыщенность
швов, но и на стойкость неплавящегося электрода. Диаметр неплавя-
щегося электрода выбирается в зависимости от величины сварочного
тока с учетом допустимой токовой нагрузки на электроды (см. гл. 3).
Наиболее широко распространены электроды марок СВИ и ВЛ. Их
применение технологически и экономически целесообразней, чем элек-
тродов ЭВЧ.
Чтобы избежать излишнего перегрева околошовных участков, при
дуговой сварке титана ограничивают сварочный ток. Максимальный
ток при сварке титана поверхностной дугой неплавящимся электродом
обычно не превышает 300 А. Это позволяет сваривать без разделки
кромок за один проход титановые сплавы тощиной до 3 мм. Стыковые
соединения титана ббльших толщин выполняют многослойной сваркой
с разделкой кромок и подачей присадочной проволоки (табл. 7.2)
[1931. Ручная сварка ведется без колебательных движений горелки на
короткой дуге углом вперед. Угол между электродом и присадочной
проволокой поддерживается в пределах 90°, а подача проволоки осуще-
ствляется непрерывно. После окончания сварки или случайного обрыва
дуги аргои должен подаваться до тех пор, пока металл не остынет при-
мерно до 400 °С. На рнс. 7.4 представлены типичные разделки кромок
стыковых соединений. Для получения хорошего формирования обрат-
ного валика, свободного от таких дефектов, как утяжины, проолабле-
ния и др., рекомендуют рюмкообразную форму разделки.
Таблица 7.2. Ориентировочные режимы ручной аргонодуговой сварки титана неплавящимся электродом
мм ^СВ’ А в ,7пр. М1" Число проходов
1 40—60 10—14 1,2—1,5 1
2 70—90 10—14 1,5—2,0 1
3 120—130 10—15 1,5—2,0 2
4 130—140 11 — 15 1,5—2,0 2
5 140-160 11—15 2,0—2,5 2—3
10 160—200 11—15 2,0—3,0 10—14
Примечание. Расход аргона для защиты зоны сварки 5—8 л/мии, для
защиты корня шва — 2 л/мин [355].
В качестве присадочных материалов для сварки технического ти-
тана, а- и псевдоа-сплавов применяются сварочные проволоки
Рис. 7.4. Типичные разделки кромок для сварки неплавящимся электро-
дом тигана разной толщины [193];
0 — 4 — Ю мм; 6—10—15 мм; в — свыше 15 мм.
ВТЬООсв, ВТ2, ВТ2В, ВТ20-1св, ВТ20-2св. Для большинства (а+
+ расплавов в тех случаях, когда конструкция подвергается только
отжигу, можно использовать проволоку СПТ-2. Более универсальной
является проволока СГП5. Она предназначена для (а Д- расплавов,
сварные конструкции из которых подвергаются после сварки как от-
жигу, так и упрочняющей термической обработке. В ряде случаев при-
меняются проволоки ВТбсв, ВТ20-1св и ВТ20-2св. Режимы автома-
тической сварки титана по сравнению с режимами ручной отличаются
повышенными сварочными токами и расходами аргона (табл. 7.3),
но в то же время и большей скоростью процесса [193].
Для сварки твтана и его сплавов толщиной 0,5—2,0 мм приме-
няется ручная и механизированная нмпульсн о-дуговая
сварка неплавящимся электродом. Она ведется им-
пульсами тока прямой полярности. Между неплавящимся электродом
и свариваемым изделием постоянно поддерживается от отдельного
источника питания малоамперная дежурная дуга (0,8—10 А), на кото-
рую накладываются импульсы тока. Регулируя ток, скорость сварки,
а также длительность импульса и паузы, можно в достаточно широких
пределах изменять размеры шва (табл. 7.4).
При сварке импульсной дугой деформации конструкций из тита-
новых сплавов на 15—30 % меньше, чем при сварке непрерывной ду-
гой. Можно также снизить уровень остаточных напряжений и склон-
ность к образованию пористости в швах. Уменьшаются протяженность
ЗТВ н размеры кристаллитов в металле шва. Все это способствует за-
метному улучшению механических свойств соединений [130, 333).
Таблица 7.3. Ориентировочные режимы автоматической аргоиодуговой
Ь, мм ^СВ’ А В «св. м/ч 1/3, мм
1 60—80 8—10 25—30
2 120—160 8—10 20—25 —
3 200—240 10—12 15-20 —
5 180—210 200—240 9—11 13—15 10-13 13—15 2.5
6 180—210 220—250 10-12 11—13 10-15 10—15 2,5
8 190—240 240—290 10—12 11 — 13 6—10 6—Ю 2,5
Примечание- При сварке листов большей толщины следует увеличить
Таблица 7.4, Ориентировочные режимы
импульсно-дугово 1 сварки неплавящимся электродом в среде
аргона стыковых соединений из гитана Гез разделки кромок
Способ сварки 6, мм ^СВ' 'д. п Чсв, М/ч /, с
импульса паузы
Односторонняя 0,5 30—50 8,9 10—15 0,15—0,20 0,15—0,20
1,0 70—130 6—10 10—25 0.12—0,20 0,10—0,20
1,5 90—120 10-12 10—15 0,15—0,20 0,15—0,20
2,0 160—200 10—12 10—15 0,15—0,20 0,15—0,20
Двусторонняя 1,5 85—135 6,8 12—24 0,12—0,22 0,10—0,12
2,0 130—175 6-8 12—24 0,16—0,38 0,10—0,14
3,0 250 10 24 0,16 0,12
Примечание. Установочная дчина дуги 1—1,5мм, ток дежурной дуги
5—8 А.
При импульсно-дуговой сварке титана неплавящимся электродом
используются специализированные источники питания типа ИПИД,
ВСВУ и приставки к обычным установкам для сварки неплавящимся
электродом в среде защитных газов.
С целью повышения эффективности использования теплоты дуги
и увеличения ее проплавляющей способности при сварке в среде инерт-
ных газов неплавящимся электродом разработай ряд разновидностей
этого способа. Для титана и его сплавов применяются следующие
разновидности сварки: погруженной дугой, сквозным проплавлением,
по флюсу, с присадочной порошковой проволокой, с магнитным пере-
мешиванием сварочной ванны, в узкую (щелевую) разделку и др.
При сварке погруженной дугой благодаря значи-
тельному увеличению коэффициента использования тепловой мощно-
сти дуги можно сваривать за один проход без разделки кромок титановые
сплавы толщиной до 20—25 мм. С увеличением сварочного тока под
воздействием давления дуги происходит оттеснение жидкого металла
из-под электрода. При этом поддержание заданного напряжения (дли-
ны) дуги осуществляется путем опускания электрода ниже поверхности
сварки стыковых соединений из титана неплавящимся электродом
"пр- м/4 Число проходов Расход аргона, л/мин
в горелку в ивсадку для аащиты обратной стороны шва
1 5—7 5—8 1—2
— 1 8-10 10—13 3—4
— 1 12—15 14—18 4—5
— 1 12—15 16—20 4—5
60—80 2—3 12—15 16—20 4—6
— 1 12-15 16—20 5—8
120—180 2—3 12—15 16—20 5—8
— 1 15—18 16—20 5—8
50—100 2-3 15—18 16—20 5—8
число проходов.
Рис. 7.5. Зависимость погружения электрода в основной металл х (сплав
титана) от сварочного тока при 15 В и оСв = 20 м/ч |243].
Рис. 7.6. Зависимость погружения электрода в основной металл х (сплав
титана) от напряжения дуги при о св = 20 м/ч [243]:
1 — /св = 700 А; 2 — /сд = 400 А.
свариваемого металла (рис. 7.5). Глубина погружения электрода зави-
сит также от напряжения (длины) дуги (рис. 7.6). Поскольку длина ду-
ги составляет доли миллиметра, возможны частые замыкания электро-
да. Устойчивый процесс обеспечивается, если в сварочную цепь ввести
специальную систему, автоматически регулирующую длину дуги. В
качестве электродов применяются вольфрамовые стержни диаметром
до 10 мм марок ЭВЛ или ЭВИ. Угол заточки электрода 15°, притупле-
ние 0,2—1,5 мм.
Возможна и двусторонняя сварка погруженной дугой. При этом
с каждой стороны выполняют два прохода, причем при первом проходе
погруженной дугой получают проплавление необходимой глубины,
а вторым проходом с подачей присадочной проволоки устраняются
подрезы, образовавшиеся при первом проходе, и создается усиление
шва необходимых формы и размеров.
Величину сварочного тока при сварке погруженной дугой находят
по эмпирической формуле [193]
где А — толщина жидкой прослойки металла на дне сварочной ванны,
А = 1,5 Ч-]2,0мм; Ка — коэффициент пропорциональности, учитываю-
щий род инертного газа и скорость сварки, мм/А; его выбирают по
рис. 7.7.
Прн сварке погруженной дугой в металле шва могут возникать
пустоты, обусловленные спецификой гидродинамических процессов
в сварочной ванне, в результате которых нарушается равновесие между
силами давления дуги, поверхностного натяжения и гидростатического
давления жидкого металла [164]. Плотные швы удается получать лишь
в сравнительно узком диапазоне параметров режимов сварки
(табл. 7.5) или при замене аргона гелием, а также смесью этих газов.
К недостаткам этого способа сварки относятся чрезмерная ширина
швов и соответственно ЗТВ, невозможность регулировать химический
состав металла шва. Для многих титановых сплавов это неприемлемо.
При сварке сквозным проплавлением электрод
не погружается в металл. Установочная длина дуги составляет 0,5—
1,0 мм [85]. Режимы сварки подбираются так. чтобы в свариваемом ме-
талле под дугой образовалось отверстие, заполняемое жидким металлом
по мере передвижения дуги (табл. 7.6) [85]. За один проход можно
320
ния дуги от скорости сварки
и при использовании различ-
ных инертных газов [193]:
1 — гелий; 2 — аргон.
сваривать металл толщиной до 12 мм.
Для получения полномерного шва ре-
комендуется выполнять второй проход
с подачей присадочной проволоки. Слож-
ность регулирования химического соста-
ва по всему сечению шва в ряде случаев
ограничивает использование этого спо-
соба сварки
Эффективным способом воздействия
на проплавляющую способность дуги,
а также на формирование и структуру
шва является сварка с введе-
нием в атмосферу дуги г а-
логенидиых флюсов (см. гл. 3).
Контрагирующее действие таких флюсов
на дугу в случае сварки титана в значи-
тельной степени зависит от трех основ-
ных факторов: 1) появления в дуговом
промежутке фторидов титана, способных
присоединять электроны и деионизировать периферийную область
дуги. Образование фторидов титана происходит в результате взаимо-
действия галогенида с титаном по реакции типа (7.1), (7.2); 2) влия-
ния паров фторида на теплопроводность столба дуги; 3) смачиваю-
щей способности фторида. В состав флюсов обычно включаются фто-
риды, обладающие максимальной способностою смачивать титан (СаРа,
§гр2, МёР2, Ь1Р и др.).
Таблица 7.5. Ориентировочные режимы сварки титана погруженной
дугой
Ь, мм ^св» "д. В "св- М/4 Зазор в стыке, мм Число проходов
4 210—250 12—14 15—20 0-0,3 1—2
7 320—350 13-15 12—14 0—0,5 1—2
8—10 340—380 13—15 10—12 0—0,5 1—2
13-15 450—500 13—15 7—8 0—0,7 1—2
23—24 800—850 15—16 13—15 0—1,0 1—3
Примечание. Расход аргона в сопло горелки 15—20 л/мин, в приставку
для защиты остывающего шаа 15—30 л/мин, для защиты корня шва 6-~10 л/мин
[&43].
Таблица 7.6. Ориентировочные режимы сварки титана сквозным
проплавлением
Ь, мм 'св. А /д, мм есв, м/ч
5 340 0,5—1,0 30
6 300 0,5—1,0 16
7 320—330 0,8—1,0 15,6
8 390 0,8—1,0 15
12 405 0,8—1,0 9
Рис. 7.8. Зависимость сварочного тока и поточной энергии от толщины
титана при сварке различными способами [292]:
1 — погружсшГой дугой; 2 — под флюсом; 3 — аргонодуговой неплавящимся элек-
тродом с флюсом.
Рис. 7.9. Зависимость ширины шва (1,3) и обратного валика (2) от сва-
рочного тока при аргонодуговой сварке неплавящимся электродом с
флюсом (1,2) и без флюса (3) (сплав ОТ4, 6 = 5 мм) [292].
В результате увеличения проплавляющей способности дуги аргоно-
дуговая сварка с флюсом, нанесенным на поверхность свариваемых
кромок, позволяет получать однопроходные швы на титане толщиной
до 10—12 мм без разделки кромок. При этом благодаря повышению кон-
центрации тепловой энергии в анодном пятне значительно уменьша-
ются необходимые для сварки ток и погонная энергия (рис. 7.8). В за-
висимости от состава флюса напряжение дуги возрастает на 1,5—
4,7 В. Флюс не только способствует увеличению глубины провара,
но и изменяет форму проплавления (рис. 7.9). С увеличением сварочного
тока ширина обратного валика при сварке по флюсу увеличивается
быстрее, чем ширина шва. Улучшаются условия формирования обрат-
ного валика и уменьшается возможность прожогов при сварке на весу.
Этому же способствуют пониженные токи (табл. 7.7, 7.8).
Таблица 7.1. Ориентировочные режимы автоматической однопроходной
сварки стыковых соединений из титана и его сплавов по флюсу
АНТ-23А
6, мм ^св> 67 д- 8 есв, м/ч Расход аргона, л/мин
в горелку в насадку для защи- ты обрат- ной сторо- ны швв
0,8 13—35 7—8 11-25 2—3 2—3 1—2
1,0 20—40 7—8 11-25 2—3 2—3 1—2
1,5 40—60 7—8 10-20 2—3 2—3 1—2
2,5 80—100 8—9 10—20 3-4 3—4 1—2
Таблица 7.8. Ориентировочные режимы автоматической аргоиодуговой
сварки неплавящимся электродом титана и его сплавов по флюсу
ФЛН-1 иа вертикальной плоскости
Сплав 6, мм ^св> А »св- м/ч Направление сварки
ВТ6 4 140—145 15 Снизу вверх
ОТ4 4 160—165 15 Сверху вниз
В Тб 6 200—210 10 Снизу вверх
ОТ4 6 360—370 15 Сверху вниз
ВТ1-00 4 135—140 15 Горизонтальное
Снижение погонной энергии при сварке, уменьшение размеров
структурных участков ЗТВ, благоприятные структурные изменения
в шве (уменьшение размера кристаллитов и измельчение внутризерен-
ной структуры) и повышение плотности литого металла благодаря от-
сутствию пористости (в результате интенсификации дегазации свароч-
ной ванны и связывания фтором водорода, растворенного в титане)
при сварке по флюсу способствуют повышению работоспособности
сварных соединений из титана и его сплавов.
Деформация конструкций из титановых сплавов в резу- Таблица 7.9. Предельные отклонения
льтате применения флюсов или порошковых присадочных про- при сборке детален под флюсу сварку по
волок снижается на 15—25%. Использование рафинирующих флюсов особенно важно при Ь, мм Зазор, мм Превышение кромок, мм
сварке термически упрочняе- мых и высоколегированных титановых сплавов [292]. При- менение флюсов при аргоиоду- говой сварке неплавящимся электродом изменяет требова- ния к сборке изделий и тех- нике сварки. При сварке по 1 2 3 4 о,1 0,1 0,2 0,2 о,1 0,1 0,1 0,2
флюсу требуется более высокая точность сборки, чем при обычной
аргонодуговой сварке (табл. 7.9) [193]. При сварке титана толщи-
ной до 3—4 мм флюс в виде пасты (50 г флюса на 100 г спирта) на-
носят тонким слоем на кромки свариваемых деталей. Стабильное
глубокое проплавление непосредственно зависит от толщины этого
слоя. С увеличением толщины глубина проплавления вначале воз-
растает, а затем стабилизируется. При дальнейшем утолщении слоя
она уменьшается, поскольку большая часть энергии дуги расходуется
на плавление флюса. При сварочном токе до 150 А толщина слоя флюса
оказывает небольшое влияние на глубину провара, с увеличением сва-
рочного тока эта зависимость становится значительнее. Оптимальные
размеры слоя флюса, наносимого на свариваемые кромки, составляют
по толщине 0,08—0,12 мм при сварочных токах до 150 А и 0,2—0,3 мм
при больших. Ширина слоя флюса составляет соответственно 15—20
и 40—50 мм.
Для стабильной дозировки флюса прн сварке титана толщиной
более 4—5 мм его вводят в дугу в виде наполнителя присадочной по-
рошковой проволоки с оболочкой из титана При этом сохраняются
все преимущества сварки по флюсу и появляется возможность одно-
проходной сварки титана толщиной до 16 мм. После сварки по флюсу
и с порошковой проволокой на поверхности шва остается слой затвер-
девшего шлака, который дополнительно защищает остывающий металл.
Он удаляется механической зачисткой или химическим способом [193].
Коррозионная стойкость металла, с которого удалена шлаковая корка,
сохраняется на уровне стойкости металла, не реагировавшего с флю-
сом. Применение флюса позволяет выполнять в автоматическом режиме
однопроходную сварку титана толщиной до 6 мм на вертикальной
плоскости. Для стабилизации положения дуги относительно стыка в
этом случае необходимо использовать горелку типа ОБ-1855, создаю-
щую поперечное магнитное поле для управления формированием шва.
Режимы сварки на вертикальной плоскости приведены в табл. 7.8.
Флюс и порошковая проволока применяются для получени я тавро-
вых соединений прн сварке со стороны полки (рис. 7.10).
При сварке неплавящимся электродом с флюсом можно привари-
вать электрозаклепками листы из титановых сплавов толщиной до 12 мм
без выполнения засверловок или углублений в верхнем листе. При этом
форма проплавления близка к цилиндрической. Возможна также свар-
ка многослойных конструкций. Сравнительно малый объем сварочной
ванны позволяет сваривать замкнутые кольцевые швы на весу. Сварка
осуществляется на стандартном оборудовании, применяемом для арго-
нодуговой сварки неплавящимся электродом. Благодаря металлурги-
ческой обработке сварочной ванны сварка с флюсом и порошковой про-
волокой имеет преимущества перед сваркой погруженной дугой, что
обусловливает широкое внедрение этого способа в производство сварных
конструкций ответственного назначения из титановых сплавов.
Некоторое повышение качества сварных соединений титановых
сплавов достигается также путем воздействия переменного и постоян-
ного магнитных полей на процессы кристаллизации сварочной ванны
[83, 232, 302]. При этом несколько уменьшается склонность сварных
швов к образованию пор, измельчаются кристаллиты в металле шва,
изменяются форма и величина а- и а'-фаз — они приобретают тонко-
игольчатую форму с небольшой длиной игл, характерную для мелко-
зернистого металла [367, 338]. Наиболее благоприятные структурные
изменения происходят при сравнительно невысоких значениях индук-
ции управляющего электромагнитного поля (ЭМП) — (0,8 -г 1,5) X
X 10-2 Т !394). Изменение отруктуры литого металла и повышение его
плотности при сварке в аксиальном магнитном поле способствуют в ряде
V .....
Рис. 7.10. Тавровое соединение, сваренное с титановой порошковой про-
волокой со стороны полки.
случаев повышению работоспособности сварных соединений. В част-
ности, в некоторых средах отмечаются более высокая коррозионная
стойкость и коррозионно-усталостная прочность сварных швов титана
и некоторых его сплавов. Сварка неплавящимся электродом с ЭМП
выполняется на стандартном оборудовании. Аксиальное прерывистое
реверсируемое магнитное поле создается с помощью соленоида, питае-
мого от специальных аппаратов управления (например, типа Ф-724).
Значительное повышение производительности сварочных работ
достигается при многодуговой сварке титана и его
сплавов неплавящимися электродами [50]. В
частности, одностороннюю многослойную сварку титановых сплавов
средней и большой толщины (до 50 мм) целесообразно выполнять дву-
мя неплавящимися электродами, расположенными в плоскости, перпен-
дикулярной к оси шва [193]. Для двухдуговой сварки титана разра-
ботана сварочная установка типа ОБ-2146, обеспечивающая высокую
производительность процесса (10—12 кг наплавленного титана в 1 ч)
и позволяющая сваривать металл толщиной 50 мм всего за 8—10 про-
ходов с использованием присадочной проволоки диаметром 5—7 мм.
Сварка плавящимся электродом в среде инерт-
ных газов применяется для стыковых, тавровых и нахлесточных соеди-
нений из титана и титановых сплавов толщиной более 3—4 мм в ниж-
нем положении. Сварку выполняют на постоянном токе обратной поляр-
ности (табл. 7.10). При автоматической сварке используют проволоку
диаметром 2—5 мм, прн механизированной сварке полуавтоматами —
диаметром 1,6—2,0 мм.
Таблица 7.10. Ориентировочные режимы сварки стыковых соединений
из титана плавящимся электродом в среде инертных газов без
разделки кромок
Ь, мм мм ^СВ’ А "д- в “св- М/4 1в, мм Расход защитного газа, л/мии
3—8 1,6 350—450 28—36 22—28 25—40 20—25 30—40 20—30
10—12 1,6—2 440—520 38—40 30—34 20—35 20—28 70—90 35—45
15 3 600—650 42—48 30—32 25—30 25—30 70—100 35—50
16—36 5 780—1200 46—52 34—38 15—25 40—55 100—120 50—60
Примечание. Над чертой » прн сварке в гелии, под чертой —• при сварке
в аргоне.
Размеры титановых швов и их формирование так же, как и при
сварке других металлов, зависят от использованного инертного газа.
Прн сварке в гелии швы получаются с более плавным переходом от уси-
ления к основному металлу. При прочих равных условиях проплавле-
ние основного металла в аргоне более глубокое и узкое. Применение
гелия позволяет повысить тепловую мощность дуги и производитель-
ность процесса расплавления, что особенно важно при сварке сплавов
средних н больших толщин. Однако аргон имеет свои преимущества:
Рис. 7.11. Зависимость скорости подачи проволоки от сварочного тока
при сварке сплава ВТ14 плавящимся электродом разного диаметра при
устойчивом горении дуги [292]: О — /„ = 24 мм; • — /в = 12 мм.
Рис. 7.12. Зависимость глубины проплавления от мощности дуги
(4Э =3 мм; /в ~ 25 мм) [292].
расход этого газа в 1,5—2 раза меньше, чем гелия; при сварке в аргоне
снижается также напряжение на дуге. Поэтому при сварке титановых
сплавов рекомендуется использовать смесь, в которой по объему 80 %
гелия и 20 % аргона [65].
Устойчивое горение дуги с минимальным разбрызгиванием рас-
плавленного металла достигается при струйном характере переноса
электродного металла. Эта форма переноса обеспечивается при опре-
деленном соотношении тока сварки, напряжения на дуге, скорости
подачи электродной проволоки и вылета электрода (рис. 7.11). Переход
к струйному переносу при сварке титановых сплавов наблюдается при
соответствующей плотности тока, зависящей от диаметра электродной
проволоки [292]. Устойчивое горение дуги обусловливается также ис-
пользованием источников питания с жесткой или пологопадающей
вольт-амперной внешней характеристикой с высокими динамическими
свойствами (см. гл. 2).
Зависимость глубины проплавления от мощности дуги (рис. 7.12)
указывает на то, что однопроходная сварка титановых сплавов плавя-
щимся электродом целесообразна при толщине металла ие более 25 мм.
Для ббльших толщин рекомендуется применять многопроходную свар-
ку с разделкой кромок [292]. Оптимальный угол раскрытия кромок 60°,
притупление 3—5 мм.
Сварка титановых сплавов плавящимся электродом в среде инерт-
ных газов выполняется стандартными автоматами для сварки в защит-
ных газах. Автомат оснащается специальной горелкой, конструкция
которой зависит от величины сварочного тока, а также защитным при-
способлением (например, секционным фартухом гусеничного типа
(рис. 7.13)). С целью увеличения коэффициента наплавки при стабиль-
ном горении дуги и повышения скорости автоматической сварки
в среде инертных газов для титана применен способ сварки подогревае-
мым плавящимся электродом (рис. 7.14). На длине нагреваемого уча-
стка проволока предварительно подогревается от отдельного низко-
вольтного трансформатора за счет ее омического сопротивления. Чем
выше температура предварительного подогрева, тем быстрее она пла-
вится. С увеличением длины нагреваемого участка проволоки возраста-
ет коэффициент наплавки и уменьшается сварочный ток. Требуемый
струйный перенос металла достигается в короткой дуге при меньших
токе и напряжении дуги. При использовании подогретой проволоки
коэффициент наплавки увеличивается, а глубина проплавления умень-
шается. Во избежание деформации нагретой сварочной проволоки
в наконечнике горелки подогрев включается после возбуждения дуги
н выключается одновременно с выключением сварочного процесса. Об-
щий расход электроэнергии, потребляемой при сварке, может быть
Рис. 7.13. Секционный фартух гусеничного типа для защиты остываю-
щих участков сварного соединения при сварке титановых сплавов пла-
вящимся электродом в среде инертных газов [193]:
/ — смотровое устройство; 2 — корпус горелки; 3 — мундштук; 4 — секционное 8а-
щитное приспособление гусеничного типа; 5 — распределитель газа.
снижен на 10—12% по сравнению с ее
расходом при сварке без подогрева сва-
рочной проволоки при расчете на рав-
ное количество наплавленного металла.
Для сварки сплава ВТ1-0 толщи-
ной 6 мм в аргоне проволокой ВТ 1-00 св
диаметром 3 мм рекомендуется следую-
щий режим [193]: /св = 430 -г 450 А;
С/д = 32 В; оп = 280 м/ч; осв = 35 м/ч;
расход аргона в горелку 30 л/мин; подо-
грев при / = 200 А; С/д = 6,3 В.
Поскольку надежная защита зоны
сварки на воздухе при использовании
плавящегося электрода связана с рядом
трудностей, такой способ применяется
ограниченно. Большое распространение
получила сварка плавящейся электрод-
ной проволокой в камерах с контроли-
руемой атмосферой. Импульсно-дуговая
сварка плавящимся электродом в среде
инертных газов позволяет выполнять
соединения в монтажных условиях, рас-
положенных в различных пространст-
венных положениях [75]. Сварка пре-
Рис. 7.14. Схема сварки пла-
вящейся предварительно по-
догреваемой электродной
проволокой:
1 — низковольтный трансформа-
тор; 2 — источник сварочного
тока; 3 — горелка; 4 — баллон;
5 — подающий механизм; 6 — ка-
тушка.
имущественно механизированная, осу-
ществляется проволокой диаметром 1,2 мм с помощью специального
полуавтомата «Импульс-1» [248]. Источник питания импульсов тока
пмеег частоту 100 Гц при токе до 800 А и длительности до 2 мкс.
В качестве защитной среды применяется гелий.
Режимы механизированной импульсио-дуговой сварки титановых
сплавов (табл. 7.11) [193] обеспечивают повышение производительности
сварочных работ в 2—3 раза по сравнению с ручной сваркой неплавя-
щимся электродом при одновременном снижении погонной энергии
в 2—2,5 раза. Это облегчает создание надежной защиты зоны сварки
и позволяет получать на титане и его сплавах швы необходимого ка-
чества.
Таблица 7.11. Ориентировочные режимы механизированной импульсно-
дуговой сварки тавровых соединений из титановых сплавов
плавящимся электродом
Тип соединения Ь, мм Катет шва, мм 'св. А "д. В усв» м/ч Область применения
С разделкой 4—9 4—7 60—70 27—32 35—40 В конструкциях с пол-
кромок 10—16 4-7 «0 — 100 30—32 20—30 ным проваром корня
18—46 4-7 90-100 30—32 20—30 шва
Без разделки 3 3—4 60—80 27—32 30—35 В конструкциях с не-
4—8 5-6 60—80 27—32 30—35 полным проваром кор-
9—10 6—7 60—80 27—32 30—35 ня шва, работающих на статическую на- грузку при растяже- нии и вибрационную при изгибе
Примечание. /д = 40-г- 45 А, расход гелия 15—18 л/мин, Л3 = 1,2 мм.
При опенке пригодности тех нли иных технологических процессов
сварки плавлением, в том числе в среде инертных газов, для изготовле-
ния конструкций из титановых сплавов исходят прежде всего из того,
насколько в производственных условиях они обеспечивают защиту всех
участков соединения от загрязнения примесями, и в первую очередь
газами. Критерием такой оценки могут служить допустимые нормы со-
держания примесей в сварных швах некоторых титановых сплавов при
изготовлении конструкций общего назначения, разработанные на
основе многолетней эксплуатации сварных конструкций (табл. 7.12)
[307, 352]. Для ответственных изделий, работающих в особо тяжелых
условиях и требующих длительного ресурса работы, содержание
примесей в сварных швах ограничивают еще в более жестких пределах.
Например, для соединений из сплава типа ОТ4 в некоторых случаях
содержание водорода и азота устанавливается соответственно ие более
0,008 и 0,04% [307].
Таблица 7.12. Содержание примесей в сварных соединениях
из титановых сплавов, %, ие более
Сплав О, н, с 51 Ре
ВТ1-0 0,12 0,04 0,008 0,07 0,10 0,20
ОТ4-0 0,15 0,05 0,010 0,01 0,15 0,30
ОТ4-1 0,15 0,05 0,010 0,01 0,15 0,30
ОТ4 0,15 0,05 0,010 0,01 0,15 0,30
ВТ14 0,12 0,04 0,008 0,01 0,15 0,30
ВТ16 0,12 0,04 0,008 0,01 0,15 0,25
ВТ22 0,12 0,04 0,008 0,01 0,15
ВТ23 0,12 0,04 0,008 0,01 0,15 —
Дуговая сварка в вакууме применяется для титана
и его сплавов толщиной от 2 до 40—50 мм. Сварка выполняется плавя-
щейся электродной проволокой диаметром 1,6—5,0 мм на постоянном
токе обратной полярности. Сварочные головки располагаются в ка-
мерах, в которых создается разрежение 133 • 10"3 Па. Режим сварки
электродной проволокой диаметром 3 мм титана толщиной 50 мм с
У-образной разделкой при поперечных колебаниях примерно следую-
щий [318]: = 380 -т- 400 А; С' = 29 30 В; осв = 15 м/ч; число
проходов 6—8.
Важное преимущество сварки в вакууме — обеспечение высокой
чистоты шва по отношению к примесям-газам и неметаллическим
включениям, в результате чего повышается пластичность соединений.
Высококачественная защита зоны сварки титана и других химиче-
ски активных тугоплавких металлов достигается при сварке в в а к у-
уме полым электродом. Этот способ отличается высокой
концентрацией энергии и по проплавляющей способности занимает
промежуточное положение между сваркой плазмой и электронным лу-
чом. В процессе сварки в горелку подается аргон в количестве 0,5—
2,0 л/ч, что позволяет экономить инертный газ [318]. Выбор способа
сварки зависит от химического состава сплава, его толщины, типа
соединения, а также требований, предъявляемых к сварным швам и др.
а- и псевдоа-сплавы могут свариваться различными способами, причем
удовлетворительные результаты получаются как при сварке без приса-
дочного металла (непосредственным проплавлением основного металла),
так и при использовании присадки. Для металла шва характерна
крупнокристаллическая структура, размеры кристаллитов зависят от
величины погонной энергии. Формирование игольчатой, мартеисито-
подобной микроструктуры металла шва (фаза а') в основном зависит от
скорости охлаждения в интервале (5 -► а-превращения: при малых ско-
ростях охлаждения образуются широкие и длинные пластины; с увели-
чением скорости охлаждения а'-фаза приобретает вид мелких игл.
На структуру а'-фазы значительное влияние оказывают также
тип легирующих элементов и содержание в сплаве примесей виедренг я
(кислорода и азота). Однако свойства шва и околошовиой зоны данных
сплавов малочувствительны к изменению термических циклов сварки,
что позволяет сваривать эти сплавы в широком диапазоне режимов.
Практически для а-сплавов всех толщин, применяя ту или иную тех-
нику и приемы сварки в среде инертных газов, можно получить соеди-
нения с высокой прочностью при удовлетворительных пластичности
и вязкости. При расчетах принимают прочность сварных соединений
е коэффициентом К = 0,9 -4- 0,95. Различие в прочности и пластич-
ности сварного соединения и основного металла возрастает о повыше-
нием легирования и соответственно прочности сплава, когда сварное
соединение становится более чувствительным к концентраторам напря-
жений, порам и другим дефектам сварных соединений.
Для сварных соединений из тонколистового технического титана,
выполненных аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом без
присадки н е присадкой ВТ1-00, характерны следующие показатели
механических свойств при комнатной температуре:
1) основной металл ВТ1-00: а_ = 0,95авосн а„ = 115 Дж/см2;
а = 180° для листа толщиной до 5 мм.
2) основной металл ВТ 1-0: ав = 0,95пвосн мет; аи = 98 Дж/см2:
а = 160° для листа толщиной до 5 мм.
Газовый состав и механические свойства сварных соединений из
технического титана ВТ1-0 больших толщин, выполненных плавя-
щимся электродом ВТ1-00, неплавящимся электродом погруженной
дугой и методом сквозного проплавления, находятся на уровне соответ-
ствующих показателей для основного металла. Сварные соедииеиия из
низколегированных а- и псевдоа-сплавов практически равнопрочны
основному металлу при удовлетворительной пластичности (табл. 7.13).
Они обладают достаточно высокой термической стабильностью (до
300—450 °С) и выносливостью при испытаниях на малоникловую уста-
лост> и не требуют обязательного стабилизирующего отжига после
сварки. Сварные соединения некоторых сплавов сохраняют сравнитель-
но высокую прочность до температуры 450—500 °С (рнс. 7.15). Для
длительной работы при 450 °С используют сварные изделия из сплава
ВТ5-1, при 500 °С — из сплава ВТ20 [61].
По коррозионной стойкости сварные соединения из технического
титана практически равноценны основному металлу. Это особенно
относится к тем средам, в которых титан находится в устойчивом
пассивном состоянии (кислородные соединения хлора, растворы хлори-
дов, азотной кислоты и др.) [373]. Сварные соединения в серной и соля-
ной кислотах корродируют с такой же скоростью, как и титан без
сварки. Предельные концентрации серной и соляной кислот, при кото-
рых титан сохраняет стойкость, одинаковы для сварных и несварных
образцов [414].
В отечественной промышленности согласно Гостехнадзору разре-
шается использовать технически чистый титан для изготовления свар-
ных аппаратов, работающих в интервале температур от —269 до
+250 °С [250]. Применение коррозионно-стойкого комплексно-легиро-
ванного титанового сплава АТЗ для изготовления сварных химических
аппаратов позволяет повысить рабочую температуру до 300—350 °С
[83].
Таблица 7.13. Механические свойства сварных соединений из титановых
сплавов, выполненных неплавящимся электродом без присадки
Сплав Образец <тв, МПа а, град Библиографи- ческий источник
ОТ4-1 Основной металл 706 85 [307]
Сварное соединение 725 71
ОТ4 Основной металл 824 72 [307]
Сварное соединение 804 58
ВТ5-1 Основной металл 824 44 1307]
Сварное соединение 820 50
АТ2 Основной металл 647 120 [25]
Сварное соединение 696 100
АТЗ Основной металл 699 100 [193]
Сварное соединение 664 86
Примечание. Ь= 2 — 3 мм.
По выносливости сварных соединений титан и его низколегирован-
ные конструкционные сплавы подобны другим металлам (сталь, алю-
миниевые сплавы): они имеют близкие значения соотношений пределов
выносливости сварного соединения и основного металла. Предел вы-
носливости соединений прн оптимальной технологии сварки достигает
80 % предела выносливости основного металла. Дефекты швов (не-
провары, подрезы, поры), а также нарушение газовой защиты могут
снизить предел выносливости сварного соединения на 40—60 % [193].
Наибольшую выносливость при малоцикловых нагрузках (5—200 цик-
лов в минуту) сварные соединения из титановых сплавов обеспечивают
при симметричном конструктивном усилении не более 20 % толщины
металла с плавными радиусами перехода, обработанными с высокой чис-
тотой поверхности [292].
Для сварных соединений из а- и псевдоа-сплавов применяют
неполный (низкотемпературный) и полный отжиг. Рекомендуемые тем-
пературы (°С) неполного и полного отжига сварных конструкций из
титановых сплавов приведены ниже [307]:
Неполный отжиг
ВТ1-00, ВТ1-0 445—485
ОТ4-0, АТ2 480—520
ОТ4-1 520—560
ОТ4, АТЗ 545—585
ВТ4, ВТ5, ВТ5-1, ВТбс 550—600
ВТ6, ВТ14, ВТ22, ВТ16, ВТ23 550—650
ОТ4-2, ВТ20, ТС-5 600—650
Полный отжиг
а- и псевдоа-сплавы
ВТ1-00, ВТ1-0 550—680
ВТ5-1 720—820
ВТ5 720—820
ОТ4-0 600—680
ОТ4-1 620—700
ОТ4 620—720
ВТ4 650—750
ОТ4-2 700—820
ПТ-7М 580—680
ВТ20 700—800
АТ2 600—700
АТЗ 670—820
АТ4 700—850
(а + Р)-сплавы
ВТ6С 720—800
ВТ6* 720—800
ВТ14 ** 790—810
ПсевдоР-сплавы
ВТ15 790—810
ТС6 740—760
• Отжиг с последующим охлаждением
на воздухе.
♦* Ступенчатый отжиг: нагрев до 790 —
810 °С, выдержка, охлаждение с печью (перенос
в другую печь) до 610—660 °С, выдержка
30 мин, охлаждение на воздухе.
Отжиг с полной фазовой перекристаллизацией для этих сплавов
нецелесообразен, так как не дает дополнительного улучшения физико-
механических свойств сварных соединений. Неполный отжиг позволяет
на 50—70 % снизить остаточные напряжения и заслуживает предпоч-
тения: благодаря сравнительно низкой температуре его можно осуще-
ствлять в печах с воздушной атмосферой без обязательного последующе-
го удаления загрязненного газами поверхностного слоя металла. Пол-
ный отжиг позволяет снять остаточные напряжения практически на
100 %, а также стабилизировать структуру сварного соединения. Так
как температура нагрева превышает 550—600°С, полный отжиг необхо-
димо осуществлять в печах с защитной атмосферой аргона либо гелия
Рис. 7.15. Зависимость проч-
ности сварных соединений
из а- и псевдоа-сплавов
титана от температуры ис-
пытаний при аргонодуговой
сварке неплавящимся элект-
родом без присадки [307]:
1 — сплав ВТ20; 2 — ОТ4-2; 3 —
ВТ4; 4 — ОТ4; 5 — ВТ5-1; 6 —
ОТ4-1; 7 —ОТ4-0.
или в вакуумных печах (вакуум не хуже
0,6 Па). Длительность неполного отжи-
га выбирают в пределах 1—4 ч в зави-
симости от типа сплава (с ростом содер-
жания Р-стабилизаторов в металле шва
длительность выдержки при отжиге
увеличивается), сложности сварного
узла и величины внутренних напряже-
ний. Продолжительность полного отжи-
га обычно регламентируется толщиной
свариваемых кромок и изменяется от
15 мин (до 1,5 мм) до 1 ч (6—50 мм) [307].
Для повышения стабильности структу-
ры и свойств сварных соединений, пред-
назначенных для эксплуатации при по-
вышенных температурах, рекомендует-
ся отжиг с последующим медленным
охлаждением (не более 2—4 °С/мин)
[307].
При сварке высокопрочных двух-
фазных (а + Р)-сплавов получить ка-
чественные швы значительно сложнее.
Такие сплавы весьма чувствительны
к термическим циклам сварки. Полиморфное превращение при охлаж-
дении в участках, нагретых выше критической температуры, про-
исходит (по сравнению с а-сплавами) при более низкой темпера-
туре (рис. 7.16). Температурный интервал превращения расширяется
с увеличением легирования и ростом скорости охлаждения. Структура
околошовных участков ЗТВ на сплавах такого типа представляет собой
Рис. 7.16. Типы термокинетических диаграмм фазовых превращений в
титановых сплавах на участках полной перекристаллизации околошов-
ной зоны [400]:
I — технический титан, а-н псевдоа- сплавы, II — низколегированные (а + распла-
вы; III — среднелегнрованные (а + Р)-сплавы; IV — высоколегированные метаста-
бильные псевдоР-сплавы.
мартенситную а'-фазу (или а"-фазу) на фоне остаточной Р-фазы, количе-
ство которой возрастает с увеличением содержания в сплаве ^-стаби-
лизаторов и скорости охлаждения (см. рис. 7.16). У высоколегирован-
ных сплавов может наблюдаться р -> «-превращение, с которым свя-
зано резкое снижение пластичности сварного соединения.
Чувствительность двухфазных средне- и высоколегированных
титановых сплавов к термическим циклам сварки проявляется в су-
щественном изменении механических свойств сварных соединений
в зависимости от затрат погонной энергии и соответствующих им скоро-
стей охлаждения ЗТВ. Значение оптимальных скоростей охлаждения
в ЗТВ прн сварке зависит от количества легирующих элементов в спла-
ве, стабильности Р-фазы и кинетики ее распада. Так, для сплава ВТ6
при содержании кислорода в металле до 0,12 % скорость охлаждения
может составлять 15—75 °С/с. При большей концентрации кислорода
в сплаве (0,12—0,2 %) оптимальные значения скорости охлаждения ле-
жат в интервале до 30—40 °С/с. Для сплава ВТ14 удовлетворительное
сочетание механических свойств после сварки можно получить как при
очень малых (2—15°С/с), таки при больших (300—600 °С/с) скоростях
охлаждения. В широком интервале средних скоростей охлаждения
(20—150 °С/с) [398] наблюдается снижение пластичности ЗТВ. Поэтому
для получения оптимальной структуры и механических свойств
околошовной зоны необходим соответствующий выбор параметров ре-
жима сварки применительно к типу соединения, толщине металла и др-
Получение требуемых механических свойств металла шва дости-
гается выбором химического состава присадочной проволоки. Для
некоторых высокопрочных сплавов, особенно при большой их толщине
(например, типа ВТ 14, ВТ22), дуговая сварка без присадки, т. е. только
проплавлением основного металла, не позволяет получать достаточно
прочные и пластичные соединения. В большинстве случаев для обеспе-
чения высоких пластических свойств металла шва его химический со-
став должен отличаться от состава основного металла. Для таких
сплавов широко применяются сварочная титановая проволока марки
СПТ-2, позволяющая получать после сварки и отжига швы, близкие по
прочности к основному металлу прн удовлетворительных пластичности
и вязкости (табл. 7.14) [329].
Таблица 7.14. Механические свойства сварных соединений,
выполненных с использованием проволоки СПТ-2
Сплав Способ сварки Ов, МПа ан, Дж/см* Выносли- вость при о=0,7ов, тыс. циклов
Металл швв ЗТВ
ВТ14 Неплавящимся электродом с при- садкой 900 45 40 85
Плавящимся электро- дом 930 40 35 55
ВТ22 Неплавящимся элек- тродом с присадкой 930 45 35 100
Плавящимся электро- дом 980 40 35 41,5
Примечание. 4«= 15 мм, полный отжиг.
Для получения оптимального соотношения прочности и пластич-
ности, а также для повышения термической стабильности сварных
соединений применяют полный отжиг. Двухфазные (а + Р)-сплавы
чувствительны к скорости охлаждения от температуры отжига, поэто-
му опа относится к числу регламентируемых параметров. В ряде слу-
чаев применяют ступенчатое охлаждение. Так, сварные конструкции из
сплава ВТ23 рекомендуется отжигать при 750 °С с охлаждением в печи
до 400 °С, а затем на воздухе [307].
Для сварных соединений из двухфазных сплавов весьма эффек-
тивны термомеханические виды обработки, которые заметно повышают
их выносливость [49].
Наиболее сложно обеспечить равнопрочность соединений при не-
обходимых их пластичности и вязкости в термически упрочненном
состоянии. Эта задача решена для ряда промышленных двухфазных
сплавов (ВТ6, ВТ14, ВТ22 и др.) путем применения комплексно-леги-
рованной присадочной проволоки системы СП15 и особых параметров
режимов термического упрочнения [109, 117, 303) (табл. 7.15, 7.16).
Таблица 7.15. Механические свойства сварных соединений из титановых
сплавов после термической обработки [193]
Сплав Термообработка Основной металл Сварное соединение
ав, МПа Дж/СМ* ов, МПа (7И, Дж/СМ1
ВТ6 Отжиг 940 65 922 59
Закалка, старение 1265 59 1232 38
ВТ14 Отжиг 963 67 951 61
Закалка, старение 1226 63 1211 44
ВТ22 Отжиг 1069 42 1059 44
Закалка, старение 1178 39 1157 35
ВТ23 Отжиг 1020 76 1015 62
Закалка, старение 1182 69 1164 61
Примечания: I. Сварка соединений толщиной 5—30 мм иеплавящнмси
электродом о использаваине .1 комплексно-легированной проволоки СП15. 2. Режимы
упрочняющей термической обработки применялись в соответствии с данными, при-
веденными в твбл. 7.16.
Рекомендуемые режимы закалки и старения сварных соединений
отличаются от режимов, применяющихся только для основного ме-
талла без сварки. Главная отличительная особенность заключается
в низкотемпературном старении (температура старения не превышает
400 °С, в то время как применяющиеся режимы для сплавов без сварки
характеризуются температурой старения выше 500—550 °С). Такие
режимы в равной мере приемлемы для основного металла, швов и ЗТВ.
При этом в швах и ЗТВ обеспечивается достаточно высокая химическая
и структурная однородность, что определяет благоприятное сочетание
механических свойств сварных соединений.
Физико-механические свойства швов псевдоа-сплавов в состоянии
после сварки близки к соответствующим свойствам основного металла.
Так, сварные соединения сплава ВТ15 (Ь = 4 мм) имеют предел проч-
ности до 900 МПа и угол загиба 180° [292]. Механические свойства
сварных соединений после о жига во многом определяются скоростью
охлаждения от температуры отжига: чем она выше, тем пластичней
Таблица 7.16. Рекомендуемые режимы упрочняющей термической
обработки сварных соединений из титановых сплавов
Сплав Температура закалки, °С Старен не
Т, аС 1. ч
ВТ6 900* 370 4—6
ВТ14 880* 370** 8
620*** 2,5
ВТ22 830, 2 ч, охлаждение 400 (1-я ступень) 4
с печью до 650—700 °С
1 ч, на воздухе 600 (2-я ступень) 2
ВТ23 750—780, 380 (1-я ступень) 8—12
охлаждение на воздухе 550 (2-я ступень) 2
* ^зак ~ гп. п — <2® 30) °С (7П.п — температура полиморфного превраще-
нии).
• • Для сплава ВТ14, содержащего до 5 % алюминия.
• •• Для сплава ВТ14, содержащего более 5 % алюмииня.
металл шва. Однако упрочняющая термическая обработка сварных со-
единений, как правило, сопровождается резким снижением пластично-
сти. Лучшие результаты дают аргонодуговая сварка с флюсом ФАН-1
и ЭЛС [216].
Сплавы со стабильной ^-структурой удовлетворительно сварива-
ются всеми видами сварки плавлением. Сварные соединения из сплава
4201 имеют механические и коррозионные свойства на уровне свойств
основного металла.
Электроино-лучевая сварка. При ЭЛС титана и его сплавов для
получения качественных швов требуются значительно большая точность
сборки изделий под сварку и строгое соблюдение допустимых размеров
зазора между кромками (рис. 7.17). В ряде случаев свариваемые стыки
подготавливают с технологическими утолщениями. Так, для листов
толщиной 20 мм верхнее технологическое утолщение свариваемой кром-
ки принимается равным 3 мм, а нижнее — 2 мм. Для листов толщиной
40 мм эти утолщения составляют 4 и 3 мм соответственно. После сварки
утолщения сострагивают [193].
Несмотря на то что оптимальные режимы сварки металла заданной
толщины в определенной степени зависят от конструкции сварочной
пушки (в частности, от рабочего расстояния эмиттера-катода до изде-
лия), рекомендуется принимать приближенные зависимости глубины
проплавления титана от вводимой энергии при ЭЛС. График, представ-
ленный на рис. 7.18, позволяет ориентировочно определить исходные
параметры ЭЛС титановых сплавов толщиной до 75 мм.
Предложена достаточно простая зависимость, устанавливающая
связь между глубиной проплавления на низколегированных титановых
сплавах и основными параметрами процесса — мощностью пучка и
скоростью сварки с учетом теплофизических свойств материала и диа-
метра пучка [177]:
2,16 Рп
й — V 0,815 ’
св
где Рп — мощность пучка, Вт.
При ЭЛС возможны многие комбинации параметров режимов свар-
ки, обеспечивающие заданное проплавление кромок титанового сплава.
Рис. 7.18. Зависимость энергии, необходимой на единицу длины шва
при ЭЛС, от толщины свариваемых титановых сплавов [469].
Это облегчает выбор параметров при изыскании оптимальной ЭЛС
сплава заданных типа и состава, не только исходя из хорошего форми-
рования шва и отсутствия дефектов, но и с учетом лучших показателей
физико-механических свойств после сварки и после термической обра-
ботки, в том числе упрочняющей.
Таблица 7.17. Ориентировочные режимы ЭЛС титановых сплавов
Номер режима Ь, мм /п, мА ^уС» кВ С'св» м/ч Использованный сплав Примечание
1 0,7 4 90 90 Т1А16У4 *
2 1,3 5 100 190 Т1У13Сг11А13
3 3 28 60 40 ВТ15
4 3 26 65 55 ВТ14 С продольным коле-
банием луча
5 4,5 28 65 100 ВТ14 Сварка
6 60 4 ВТ14 Разгладка
6 5 16 60 20 ВТ15
7 5 26 65 55 Т1А16У4 С продольным коле-
банием луча; часто-
та до 50 Гц
8 6 21 60 20 ВТ15
9 8 26 55 20 ВТ15
10 10 185 26 60 Т1А16У48п2
11 10 35 60 10 ТВ5-1
12 15 90 60 60 ВТ6
13 20 150 46 72 Т1А16У4
14 51 250— 55—57 25 ВТ6
260
15 90 800 40 8 ВТ6
16 115 700 60 18 ВТ6 Сварка горизонталь-
ным лучом
17 120 730 60 15(4,2) ВТ6 То же
18 150 800 60 15(4,2) ВТ6 >
Зависимости глубины проплавлений металла от тока в пучке
и скорости сварки при постоянном ускоряющем напряжении иллю-
стрирует рис. 7.19, а. Из рисунка видно, что прн толщине металла
до 10 мм глубина проплавления наиболее возрастает при повышении
тока в пучке до 14—16 мА. Дальнейший рост тока в значительно мень-
шей степени влияет на провар. С повышением ускоряющего напряже-
ния при прочих равных условиях проплавление становится более глу-
боким (рис. 7.19, б). Необходимые затраты погонной энергии при ЭЛС
титана заданной толщины зависят от скорости сварки (рис. 7.20). С ее
увеличением погонная энергия сначала уменьшается очень резко,
а начиная с 4 см/с — незначительно.
Техника сварки титановых сплавов практически не отличается
от техники сварки других металлов. Ориентировочные режимы ЭЛС
некоторых титановых сплавов разных толщин приведены в табл. 7.17.
Из таблицы видно, что сварку титановых сплавов осуществляют при
разных значениях ускоряющего напряжения. По-видимому, нельзя
сделать вывод о закономерности роста 1/ус источника питания сва-
рочных пушек с увеличением толщины свариваемого металла в рас-
смотренных пределах толщин металла (до 150 мм). Однако анализ опуб-
ликованных за последние годы работ показывает, что металл толщиной
40—50 мм сваривают при ускоряющем напряжении не ниже 60 кВ, а
для толщин 80—100 мм делается попытка поднять его даже до 150 кВ
[404].
Выбор оптимальных режимов ЭЛС для обеспечения хорошего фор-
мирования швов затрудняется из-за образования подрезов [404]. В ка-
Рис. 7.19. Зависимость
глубины проплавле-
ния титановых спла-
вов при ЭЛС от пара-
метров процесса:
а — от тока в пучке при
различной скорости свар-
ки и постоянном ускоряю-
щем напряжении (> =
"10 мм) |469|. б—от ско-
рости сварки при различ-
ном ускоряющем напря.
женин постоянных общей
(10 кВт) н удельной
(примерно 50 кВт/мм3)
мощности в сечении элек*
тронного пучка (в пятне,
радиус 0,25 мм) [404].
погонной энергии от ско-
рости сварки титанового
сплава Т1У13Сг11А13
[ 4691•
честве основных путей их устранения реко-
мендуется сварка в два прохода с «раз-
гладкой-» шва вторым проходом (см. табл.
7.17, режим 5), а также сварка с продоль-
ным колебанием луча (режим 7). При свар-
ке титанового сплава ВТ14 подрезы пол-
ностью устраняются при подаче на откло-
няющие катушки переменного напряжения
2—6 В сравнительно небольшой частоты
(20—50 Гц). Сварка с поперечными колеба-
ниями луча не уменьшает подрезы, а, на-
оборот, способс!вует их увеличению.
Сварка лучом, колеблющимся вдоль
шва, позволяет бороться и с другим воз-
можным дефектом сварных швов — пусто-
тами [404]. Такие дефекты возникают в том
случае, если скорость сварки превышает
некоторое определенное значение и полос-
ти, образующиеся в канале проплавления (кратеры), не успевают
заполниться жидким металлом. При сварке лучом, колеблющимся
вдоль шва, энергию луча дозируют так, чтобы при перемещении луча
в направлении сварки плотность увеличивалась, а при перемеще-
нии в обратном направлении — снижалась. Частоту колебания под-
бирают таким образом, чтобы средняя скорость движения луча отно-
сительно свариваемых деталей была по крайней мере на порядок выше
скорости теплоотвода от пятна нагрева и скорости перемещения де-
тали относительно пушки.
Основной дефект швов при ЭЛС титана и его сплавов — пористость.
Поры имеют разные размеры и располагаются внутри металла шва или,
чаще, вблизи зоны сплавления. Для предупреждения пор необходимо
прежде всего обеспечить удаление с поверхности свариваемых кромок
и присадочной проволоки (если она используется) адсорбированной
влаги и жировой пленки, а также создать условия для максимальной
дегазации сварочной ванны.
ЭЛС заготовок больших толщин (100 мм и более) в нижнем поло-
жении связана с рядом трудностей прежде всего при обеспечении рав-
номерного формирования швов. Поэтому предложено производить
сварку горизонтальным лучом (см. табл. 7.17, режимы 17, 18), а рас-
стояние между уровнем жидкого металла и осью луча поддерживать
постоянным. Вытекание жидкогб металла предотвращается с помощью
двух охлаждаемых формирующих устройств, в одном из которых име-
ется отверстие для прохождения луча. В начале шва предусмотрено
отверстие, диаметр которого в 2—2,5 раза больше диаметра луча [233].
Швы иа титане и его сплавах, выполненные ЭЛС в ннжнем поло-
жении (вертикальным пучком), как и на других металлах, имеют узкую
клиновидную форму проплавления. Благодаря этому кристаллиты
растут навстречу друг другу, располагаются практически в одной гори-
зонтальной плоскости и встречаются по оси шва. Иную форму имеют
швы, сваренные горизонтальным лучом на вертикальной плоскости.
В этом случае шов примерно одинаков по ширине, однако характер
кристаллизации аналогичен предыдущему. Микроструктура разных
участков сварного соединения в принципе не отличается от строения
аналогичных участков при других способах сварки плавлением. Одна-
ко их протяженность при ЭЛС минимальна, как и размеры кристалли-
тов в шве, зерен высокотемпературной Р-фазы и продуктов ее распада.
Сплавы а- и псевдоа характеризуются хорошей свариваемостью
методом ЭЛС. Термический цикл сварки, для которого скорости охлаж-
дения достигают десятков и даже сотен градусов в секунду [468], обе-
спечивает достаточно высокие пластичность и вязкость сварных соеди-
нений (табл. 7.18) [72].
Таблица 7.18. Химический состав металла шва и механические свойства
сварных соединений из сплава ВТ5-1, выполненных ЭЛС
Образен Содержание, % ав> МПа 6. % Ф, % °и. Дж/см1
А1 5п
Основной металл 4,37 2,46 828 10,1 31,2 82
Шов 4,27 2,44 833 14.8 36,2 55
Примечание. Ь=Ю мм.
На циклическую прочность сварных соединений существенное
влияние оказывает наличие пор в металле шва. Предел выносливости
бездефектного шва составляет 90 % такого же показателя основного
металла, а имеющего мелкие поры — 60 % [307]. ЭЛС позволяет полу-
чать удовлетворительные механические свойства сварных соединений
из (а + Р)-сплавов 1итана (табл. 7.19) [51, 404]. Отжиг практически
не влияет на механические свойства шва на наиболее распространенном
сплаве такого типа ВТ6, но заметно повышает ударную вязкость око-
лошовной зоны (рис. 7.21), что связано с устранением сегрегации при-
месей внедрения в зоне [272]. Критерий К1с, определяемый при испы-
таниях сварных соединений на вязкость разрушения и позволяющий
оценить их стойкость против хрупкого разру-
шения, после термической обработки соедине-
ния приближается к такому же показателю
для основного металла.
При ЭЛС псевдоР-сплава Т1У13СгА13 по-
лучены удовлетворительные механические
свойства соединений после закалки от 460 °С
при выдержке перед закалкой в течение 4 ч
[404]. Сплав такого же типа ВТ15 обладает
удовлетворительной свариваемостью при ЭЛС,
если ограничить содержание в нем кислорода
(до 0,08 %) и водорода (до 0,005—0,008 %)
[69]. Хорошо свариваются ЭЛС сплавы со ста-
бильной Р-структурой (например, 4201). Свар-
ные соединения имеют механические свойства,
бли зкие к свойствам основного металла (ов=
Рис. 7.21. Ударная
вязкость различных
участков сварного со-
единения из сплава
ВТ6 толщиной 15 мм
(7п = 90 мА; рС8 =
= 60 м/ч; 1/ус = бОкВ)
[272]:
/ — носле сварки; 2 —
после отжига (800 °С в
течение 4 ч).
= 784,9 4- 833,9 МПа; 6 » 15 %). Для свар-
ных соединений рекомендуется отжиг при
800—850 °С.
Микроплазмениая сварка. Применяется
для соединения титана толщиной до 1,5 мм.
Она осуществляется сжатой дугой прямого
действия постоянного тока прямой поляр-
ности. В качестве плазмообразующего газа
применяется аргон, защитного — гелий или
смесь гелия с аргоном (объемное содержание
гелия — 50—75 %). Электродами являются
вольфрамовые прутки диаметром 0,8—2 мм
й Таблица 7.19. Механические свойства сварных соединений (а 4* Р)-сплавов титана, выполненных ЭЛС
Сплав Ь, мм Образец Ов, МПа 6, % 4. % °н> Дж/см2 Режим термообработки
ВТ6 12,5 Основной металл 1150 11,8 —. —_. Отжиг при 500 °С в течение 4 ч
Сварное соединение 1112 12,5 —-• —.
25 Основной металл 917 13,1 37,4 Отжиг при 650 °С в течение 4 ч, от
Сварное соединение 937 13.6 35,8 — 200 °С охлаждение на воздухе
45 Основной металл 905 —— — 74 Отжиг при 750 °С в течение 1 ч, охла-
Сварное соединение 902 —. —-. 62 ждение на воздухе
55 Основной металл 870 10,7 36,0 63 Вакуумный отжиг прн 750 °С в тече-
Сварное соединение 940 8,9 39,0 46 ине 2 ч
115 Основной металл 912 —- —» 76 Отжиг при 750 °С в течение 2 ч, охла-
Сварное соединение 920 —-- 62 ждение на воздухе
120 Основной металл 912 —- — 76 То же
Сварное соединение 921 63 » »
ВТ15 3,5 Основной металл 1089 27 Закалка от 800 °С, старение при 520 °С
Сварное соединение ПОЗ —— —— 20 в течение 16 ч
40 Основной металл 1150 6 16 42 Закалка от 920 °С , старение при 620°С
ВТ23 Сварное соединение 1180 27 в течение 2,5 ч
30 Основной металл 978 16 52 110 Отжиг при 750° С в течение 1 ч, охла-
Сварное соединение 970 29 ждение на воздухе
Основной металл 1250 10 32 61 Отжиг при 750 °С в течение 1 ч, охла- ждение на воздухе, старение при 380°С
Сварное соединение 1220 —. — 27
ВТ22 в течение 8 ч, старение при 550 °С в течение 2 ч
20 Основной металл 1090 15 40 47 Отжиг при 830 °С в течение 2 ч, ох-
Сварное соединение 1080 40 лаждение с печью до 700 °С. выдерж- ка в течение 1 ч, охлаждение на воз- духе, старение при 400 °С в течение 4 ч, охлаждение на воздухе, старение при 600 °С в течение 2 ч, охлаждение на воздухе
Таблица 7.20. Ориентировочные режимы микроплазменной сварки титана
Ь, мм Тип соединения Я о С с ст 3? й □ 1 Состав । защитного газа Расход газа, л/мин
импульса паузы |
плазмо- образу- ющего 1 защит- ного
0,08 С отбортовкой 3 9 Аг 0,15 4
Торцевое 1,5—2 — — 7—45 75 % Не, 0,15 4
0,1 Стыковое 5—6 — — 20 25 % Аг 0,15 4
С отбортовкой 7 0,16 0,08 13 Не 0,15 4
0,2 Стыковое 5—8 — — 36—60 Не 0,4 3—4
Торцевое 3,5—7,5 — — 9—18 Не 0,2—0,4 2—4
Стыковое 14 0,16 0,08 13 Не 0,2 5
0,3 Стыковое 6—10 — — 30—60 Не 0,4—0.5 3—4
Торцевое Стыковое 5—8 12—15 — 7—10 24—48 Не Не 0,4 0,5—0,6 3—4 5—6
0,5 Стыковое 12—15 — — 24—48 Не 0,5—0,6 5—6
Торцевое 6—10 — — 6—9 Не 0,4—0,5 3—4
Стыковое 24 0,16 0,08 13 Не 0,4 8,5
1,0 Стыковое 25—30 — — 6—12 Не 0,7—0,8 8,0
Торцевое 17—25 — — 4,5 Не 0,6—0,7 6—8
Стыковое 90—100 0,35— 0,45 0,35— 0.45 10-15 Не 0,4 8-10
Примечание. При отсутствии данных о длительности импульса н паузы
дуга непрерывная.
марок ВЛ и ВИ. Микроплазменную сварку осуществляют в непре-
рывном и импульсном режимах. Детали с толщиной соединяемых эле-
ментов до 0,3 мм сваривают по отбортованным кромкам. При большей
толщине металла при меняют другие типы соединений.
При микроплазменной сварке к сборке стыковых и торцевых со-
единений предъявляются высокие требования. Сборка деталей под свар-
ку производится в прецизионных приспособлениях. Оснастка должна
обеспечивать плотный прижим свариваемых кромок как к подкладной
пленке, так и друг к другу. Шероховатость кромок должна быть не ху-
же Да = 12,5 мм. Непосредственно перед сваркой оснастку и кромки
очищают и обезжиривают.
В процессе сварки необходимо строго соблюдать все параметры ре-
жима сварки (табл. 7.20) [193], в первую очередь тока, а также задан-
ного расхода плазмообразующего газа, поскольку он во многом опре-
деляет кинетическую энергию и проплавляющую способность микро-
плазменной струи.
Микроплазменные аппараты комплектуются плазмотронами для
ручной и механизированной сварки типа ОБ 1 ШОА, ОБ 1213, Ю7М2
и др. (рис. 7.22). Для механизированной сварки могут применяться
как специализированные автоматы типа А-1342, так и стандартные типа
АДПГ, АДСВ с установкой плазмотронов. Удобны для использования
также сварочные стенды типа АСТЭ [193]. В качестве источников пита-
ния используют МПУ-4, МПУ-РИ и другие с пределом регулирова-
ния тока до 30 А.
Микроплазменная сварка титана применяется при изготовлении
особо тонкостенных труб из сплава ВТ1-0 диаметром 8,8 X 0,2 мм.
(табл. 7.21) [296]. Сварку выполняют на установке типа УМПСТ-1
Рис. 7.22. Конструкция (а) и внешний вид (б) плазмотрона для автома-
тической микроплазмеиной сварки особо тонкостенных труб из титана
и других химически активных металлов [296]:
I — плазмообразующее сопло; 2 — рубашка; 3 — цаига; 4 — изолятор; 5 — корпус;
6 — токопровод; 7 —диафрагма; 8 — керамические втулки.
(рис. 7.23). Для обеспечения стабильной защиты зоны сварки титана
и других химически активных металлов используют микрокамеру,
условия сварки в которой близки к условиям защиты в камере с контро-
лируемой атмосферой 1296]. Механические свойства сварных соединений
из титановых сплавов, выполненных мнкроплазменной сваркой, прак-
тически равноценны свойствам основного металла [296, 396].
Таблица 7.21. Ориентировочные режимы мнкроплазменной сварки
груб
Материал Типоразмер трубы Расход газа, л/мин ^СВ* ’св» м/ч
плазмообра- зующего защитного для защиты обратной стороны шва
Технический титан ВТ1-0 Циркониевый сплав 100 8,8 X 0,2 6,0x0,5 0,2 0,2 1,0 1,5 0,2 0,4 7—8 26—27 70—75 45—50
Плазменная сварка. Плазменная сварка применяется на токах до
500 А, возможна без разделки кромок при толщине титана до 15—16 мм.
При сварке стыковых соединений типа «замочная скважина» диапазон
толщины однопроходных соединений возрастает [193]. Так как давле-
ние проникающей сжатой дуги в 6—7 раз превышает давление свобод-
ной дуги, отклонение режимов сварки от оптимальных значений пара-
Рис. 7.23. Установка УМСТ-1 для автоматической мнкроплазменной
сварки особо тонкостенных труб [296]:
/ — станина; 2 — кассета для ленты; 3 — формующая оснастка; 4 — проводки:
> — фильерный узел с плазмотроном.
метров (табл. 7.22) [193] может вызвать прожоги и появление дефектов
швов в виде газовых полостей и др. Допускается колебание расхода
газа и сварочного тока в пределах ±6 % оптимальных значений. При
сварке с разделкой кромок (У-образная, угол раскрытия 60°, притуп-
ление 4—5 мм) в переднюю часть сварочной ванны может подаваться
присадочная проволока. Для плазменно-дуговой сварки титана исполь-
зуют следующие источники питания; преобразователи типа ПСО,
выпрямители ВДГ, ВД, а также специализированные источники
ИПГ-500, УГР-300 и Др. Механические свойства сварных соединений,
выполненных сжатой дугой, не уступают свойствам соединений, сварен-
ных аргонодуговым способом.
Таблица 7.22. Ориентировочные режимы плазменной сварки титана
Ь, мм 'св- А уд. в 'СВ* “/Ч Расход газа в плазмотрон, л/мии
2 120—140 22—23 30—40 4,2
6,3 245 23 14 15,1
10 380 28 15 16,9
12-15 540 23—30 10—16 22
Примечание. Расход газа для защиты остывающих участков сварного
соединения 3,5—4,0 л/мии.
Сварка под флюсом применяется для титановых сплавов
толщиной от 2,5—3 до 30—40 мм. Сварку выполняют постоянным током
обратной полярности с использованием бескислородных галоидных
флюсов сухой грануляции серии АНТ (см. гл. 3). Перед употреблением
флюс необходимо высушить при температуре 300—400 °С. Содержание
влаги во флюсе допускается не более 0,05 %. Высота слоя флюса должна
быть не меньше вылета электрода. Так как титан обладает большим
электросопротивлением, сварку выполняют при небольших вылетах
электродной проволоки, зависящих от ее диаметра [76];
Диаметр проволоки, мм 2—2,5 3—4 5
Вылет электрода, мм 14—16 17—19 20—22
Под флюсом сваривают стыковые, угловые и нахлесточные швы-.
Сварку стыковых швов листового титана выполняют на медной под-
кладке с канавкой, на флюсовой подушке, а также иа остающихся под-
кладках (табл. 7.23) [74]. Последний способ наиболее удобен для ме-
талла небольшой толщины (до 3 мм). Титан толщиной до 10—12 мм сва-
ривают однопроходными швами без разделки кромок. При толщине
металла до 20—25 мм может быть применена двусторонняя сварка.
Для улучшения формирования швов в этом случае рекомендуется вы-
полнять разделку кромок с углом раскрытия 90° и притуплением
3—5 мм.
Швы, сваренные под флюсом, отличаются высокой плотностью и
отсутствием пор. Они равнопрочны основному металлу прн удовлетво-
рительной пластичности (табл. 7.24) [193]. Для приближения пластич-
ности и вязкости металла шва к таким же свойствам основного металла
при сварке особо ответственных конструкций может быть применен
комбинированный флюсогазовый способ защиты. Его сущность заклю-
чается в том, что благодаря специальной конструкции бункера флюс
продувается аргоном и это полностью исключает попадание газов атмо-
сферы в сварочную ванну [193].
Таблица 7.23. Ориентировочные режимы автоматической сварки
под флюсом стыковых швов титановых сплавов
Ь, мм Метод сварки ‘'пр. мм ^СВ’ "д- в гпр. «/я гсв, м/ч
2,5 На остающейся подкладке 2 180—200 30—32 150—170 45—55
3 То же 2,5 240—260 30—32 150—170 45—55
4 В » 2,5 270—290 30—32 170—190 45—55
4 На медной под- кладке 3 340—360 32—34 145—155 45—55
5 То же 3 370—390 32—34 160—170 45—55
6 В в 3 390—420 30—32 170—180 45—50
8 Двусторонняя 3 350—380 32—34 160—170 45—50
8 На медной под- кладке 4 590—600 30—32 90—100 40—50
10 Двусторонняя 3 440—460 32—34 180—190 45—55
12 в 3 450—500 32—34 190—200 45—55
16 » 4 590—600 30—32 90—100 40—45
18—20 в 4 600—610 32—34 90—100 40—45
Таблица 7.24. Механические свойства соединений, сваренных
под флюсом АНТ-3
Сплав ств, МПв в. % Ф, % ап, Дж/см*
ОТ4 796 15,2 31,8 68
ВТ5-1 804 16 31 47
ВТ6 1020 12,6 31,5 43
АТЗ 745 15,2 46 48
АТ4 840 16,7 46 53
Техника автоматической сварки титана под бескислородным флю-
сом достаточно проста и практически не отличается от техники сварки
стали. Шов очищают от шлаковой корки после остывания всех его
участков до 300—350 °С.
Электрошлаковая сварка эффективна при толщине деталей из ти-
тана и его сплавов более 40 мм. В связи с большим электросопротивле-
нием титана для сплавов такого типа наиболее целесообразны разно-
видности ЭШС, при которых используются электроды большого сече-
иня: пластинчатые электроды н плавящиеся мундштуки. ЭШС можно
выполнять проволочными электродами, но при увеличенных по сравне-
нию со сваркой стали диаметрах проволоки (до 5 мм).
Для сварки применяют тугоплавкие бескислородные флюсы типа
АНТ-2 (см. гл. 3). Поверхность шлаковой ванны защищают аргоном
первого сорта по ГОСТ 10157—79.
При сварке пластинчатым электродом (табл. 7.25) формирование
коротких швов (длиной до 300—400 мм) осуществляется с помощью
разъемных медных кокилей, охлаждаемых водой. Нижняя часть под-
кладок кокиля образует карман-полость, в которой возбуждается элек-
трошлаковын процесс н формируются первые порции наплавленного
Таблица 7.25. Ориентировочные режимы ЭШС и его сплавов
Ь, мм Зазор между кромками, мм Число проволочных электродов ^СВ’ Расход арго- на, л/мин Примечание
Сварка пластинчатыми электродами [76]
30—50 23—25 — 1200-1600 5—6 (7=16 4-18 В, глу-
50—80 23—25 1600—2000 7—10 бина шлаковой ван-
80—100 24—26 — 2000—2400 10—12 ны 20—30 мм
100—120 24—26 — 2400—2800 12—14
Сварка плавящимся мундштуком [410]
100—110 200—250 30—32 30—32 1—2 2—3 2510—2980 4760—6210 25 35—40 (7 = 19 ~ 22 В, глу- бнна шлаковой ван-
300—350 32—34 3 7590—9260 45—50 ны 30— 40 ММ
400 32—34 4 10970 50
Сварка проволочными электродами диаметром 5 мм [410]
40-60 30—32 1 760—830 45 (7 = 30 = 34 В,
60—80 30—32 1 760—830 45 «п = 120 м/ч,
80—100 30—32 1 760—830 45 сухой вылет элект-
100—120 30—32 2 1520—1660 50 рода 40—60 мм,
120—140 30—32 2 1520—1660 50 глубина шлаковой
140—160 30—32 2 1520—1660 50 ванны 30—40 мм
металла. В верхней части кокиля располагается трубка с отверстиями
для продувки аргона над поверхностью шлаковой ванны. Для сварки
титановых поковок сечением до 120 X 120 мм применяют кокиль типа
Р-918 (рис. 7.24). Концы поковок обрабатывают механическим способом
на длине 40—50 мм. Благодаря этому достигается плотное прилегание
планок, формирующих шов, к поверхности свариваемых деталей.
Уплотнение возможных зазоров между поковками и стенками кокиля
производится сухим асбестом или асбополотном. Толщину титанового
пластинчатого электрода принимают 8—18 мм, ширину — равной
толщине свариваемых заготовок, сухой вылет — не более 500 мм.
ЭШС плавящимся мундштуком применяется для соединения круп-
ногабаритных изделий из титановых сплавов На каждые 100 мм тол-
щины свариваемого металла подается одна электродная проволока диа-
метром 5 мм прн толщине мундштука 9—18 мм. Устойчивый электро-
шлаковый процесс обеспечивается при оптимальных режимах сварки
(см. табл. 7.25), когда поддерживается саморегулирование плавления
мундштука и электродных проволок в шлаковой ванне. Зазор между
мундштуком и свариваемой кромкой принимают не менее 7 мм, рас-
стояние между боковыми кромками мундштука и изделия — 10 мм,
а расстояние от осей крайних проволок до кромок изделия — около
20 мм [80].
Для защиты зоны сварки от газов атмосферы по специальным ка-
налам плавящегося мундштука к поверхности шлаковой ванны пода-
ется аргон. Аргон поступает также через выводные планки. Для пре-
дупреждения короткого замыкания плавящегося мундштука на сва-
Рис. 7 24. Медный водоохлаждаемый кокиль типа Р-918 для ЭШС тита-
новых сплавов.
риваемые кромки на его поверхности наносят слой изоляционного ма-
териала (три части фторида кальция и одна часть раствора КМЦ).
Обмазка надежно изолирует плавящийся мундштук, не снижая стабиль-
ности процесса ине влияя на состав и свойства металла шва. Для этой
же цели применяют электроизоляторы, изготовленные из такого же
материала и крепящиеся на поверхности мундштука с помощью прива-
риваемых титановых колец.
Для ЭШС изделий из титановых сплавов плавящимся мундштуком
применяются специализированные установки А-977, А-1494, их пи-
тание осуществляется от трансформаторов с жесткой вольт-амперной
характеристикой типа ТШС-1000-3, ТШС-3000-3 и др. Для ЭШС титана
проволочными электродами применяется титановая проволока диамет-
ром 5 мм, так как проволоки меньших диаметров при большом сухом
вылете, характерном для этого способа сварки, перегреваются и не обе-
спечивают стабильный процесс.
В связи с высокой жидкотекучестью фторидных флюсов, приме-
няемых для ЭШС титана, а также с его специфическими физико-хими-
ческими свойствами к формирующим водоохлаждаемым ползунам
предъявляются особые требования. В частности, они должны плотно
прилегать к поверхностям деталей (с зазором не более 0,5 мм). Ползу-
ны должны обеспечивать интенсивное охлаждение шлака у краев ка-
навок, формирующих шов, и подачу аргона в пространство над поверх-
ностью шлаковой ванны. Защищать аргоном необходимо также раска-
ленную поверхность шва, выходящего из-под ползунов. Конструкция
мундштуков для подачи электродных проволок в процессе сварки долж-
на обеспечивать защиту аргоном электрода на вылете, разогретого до
высокой температуры. Этим требованиям удовлетворяет устройство
А-1022 (рис. 7.25).
В связи с низким напряжением электрошлакового процесса (33—34 В),
характерным для бескислородных фторидных флюсов, понижается теплосо-
держание шлаковой ванны. Это может привести к нарушению электро-
шлакового процесса и появлению дугового разряда на поверхности шла-
ковой ванны. При этом резко ухудшается качество сварных швов —
Рис. 7.25. Устройство А-1022
для ЭШС титановых спла-
вов проволочными электро-
дами [193]:
/ — подающий механизм; 2 —
проволочный электрод; 3 — мунд-
штук; 4 — свариваемая деталь;
5 — формирующий медный пол-
зун; 6* — газовый коллектор; 7 —
металлическая ванна; 8 — за-
кристаллизовавшийся сварной
шов; 9 — медная токоподводя-
щая внлка; /0 —штуцера.
возникают непровары, шлаковые включения и другие дефекты. Выбор
оптимальных параметров режимов сварки (см. табл. 7.25), обеспечиваю-
щих допустимую энергию процесса, позволяет получать хорошо сфор-
мированные швы.
Сплавы а- и псевдо-а, а также низколегированные (а + 0)-сплавы
титана хорошо свариваются электрошлаковым способом. Несмотря
на крупнокристаллическую мартенситоподобную структуру швов, при
сварке на оптимальных режимах и надежной защите зоны сварки арго-
ном механические свойства сварных соединений таких сплавов вполне
удовлетворительны при использовании электродов (пластины, плавя-
щиеся мундштуки, электродная проволока) того же состава, что и ос-
новной металл (табл. 7.26).
Таблица 7.26. Механические свойства сварных соединений из титана
ВТ1-0, выполненных ЭШС плавящимся мундштуком и титановой
проволокой ВТ1-00
Ь, мм Число проволочных электродов Металл шва ои, Дж/см2 /
ств, МПа б, % Ф, % Основной металл Металл шва Зона сплавле- ния
по 2 419 29 67 119 153 126
250 3 398 30 70 — 166 —
400 4 430 28 68 — 137 —
Примечание. Используется флюс АНТ-2.
Сварка высокопрочных двухфазных (а + Р)-сплавов электродом,
близким по составу к основному металлу, не всегда дает положитель-
ные результаты. Это особенно проявляется в том случае, если сварные
соединения подвергаются упрочняющей термической обработке. В свя-
зи с этим приходится изыскивать оптимальный состав шва, отличаю-
щийся от состава основного металла. Так прн ЭШС поковок из сплава
ВТ6 металл шва равнопрочен основному металлу и имеет близкие по-
казатели пластичности и вязкости при использовании в качестве элек-
тродов пластин из сплава АТ8 (7,0 % А1; 1,5 % (Сг + Ре + 81 + В)).
Для некоторых двухфазных титановых сплавов не удается полу-
чить удовлетворительную пластичность и вязкость соединения, выпол-
ненного ЭШС в состоянии после сварки. Улучшение механических
свойств соединений таких сплавов в ряде случаев достигается термиче-
ской обработкой. Примером может служить сплав ВТ22. При ЭШС
заготовок большого сечения из этого сплава наблюдается резкое сниже-
ние ударной вязкости металла околошовной зоны (до 10 Дж/см2 по
сравнению с 50 Дж/см2 для основного металла). Это явление связано
с появлением в зоне субзеренной структуры в результате полигониза-
ции, происходящей в условиях напряженного состояния, характерного
для околошовной зоны. Ступенчатый вакуумный отжиг по режиму
830 °С 3 ч, охлаждение с печью до 750 °С 1 ч, охлаждение с печью
до 500 °С, повышение температуры до 600 °С 4 ч, охлаждение с печыо
до 200 °С, воздух позволяет восстановить вязкость околошовной зоны,
так как способствует более равномерному выделению продукта распада
0-фазы — мелкодисперсной а-фазы. При этом субструктура исчезает
и ударная вязкость повышается в 4—5 раз по сравнению с исходным
состоянием после сварки [193]. Аналогичные результаты дает упрочня-
ющая термическая обработка по режиму, приведенному в табл.7.19.
Контактная сварка. Точечная сварка листового титана
и его сплавов дает хорошие результаты. Даже без защиты зоны сварки
инертным газом можно получить высокие показатели механических
свойств соединений благодаря плотному контакту между деталями.
Весьма важным условием качественного соединения деталей является
очистка поверхности металла от оксидных пленок и загрязнений,
а также выполнение сварки в минимальные промежутки времени. Пе-
ред сваркой рекомендуется провести травление листов в осветляющем
кислом растворе [193]: объемная доля азотной кислоты 30 % (70 %-ной
концентрации); объемная доля плавиковой кислоты 3 % (49 %-ной
концентрации); объемная доля воды 67 %; время травления 1 мин.
Далее следуют промывка в воде (не менее 5 мин), обезжиривание,
обезвоживание ацетоном и протирка бязью. При такой обработке тол-
щина удаляемого слоя не превышает 0,005 мм, а контактное сопро-
тивление снижается до 50—60 мкОм. Выдержка листов после травле-
ния приводит к повышению контактного сопротивления вследствие
образования иа листах тонкой пленки оксидов титана. Поскольку кон-
тактное сопротивление не должно превышать 100 мкОм, длительность
выдержки после травления- до сварки не должна превышать 45—
50 ч.
Точечная сварка титановых сплавов может выполняться на стан-
дартных контактных машинах без каких-либо существенных конструк-
тивных изменений.
Режимы точечной сварки титана и его сплавов (табл. 7.27) [193]
близки к режимам сварки хромоникелевых сталей, поскольку имеют
близкие физические свойства. Они должны быть жесткими с учетом
оптимальной скорости охлаждения в интервале температур р -* а-
превращения [193]. С целью повышения пластических свойств сварных
соединений нз высокопрочных титановых сплавов, исключения зака-
лочных структур и снятия в конструкциях остаточных напряжений
рекомендуется производить повторный нагрев точки током меньшей
величины (0,7—0,9 значения /са) [130].
Для технического титана и низколегированных титановых сплавов
отношение разрушающих нагрузок прн испытании точки на отрыв
и на срез — не менее 0.25 (табл. 7.28) [58].
Таблица 7.27. Ориентировочные режимы точечной сварки титана
Ь, мм Радиус сферы электродов, мм /Св- кА г, с Р, кН Диаметр ядра ТОЧКИ, мм
0,5 + 0,5 25—40 4,5 0,08—0,10 1,5—2,0 3,0
0,8 + 0,8 50—75 5,5 0,10—0,15 2,0—3,4 4,0
1,0+ 1,0 75—100 6,0 0,15—0,20 2,5—2,94 5,0
1,2 + 1,2 75—100 6,5 0,20—0,25 2,94—3,4 5,5
1,5 + 1,5 75—100 7,0 0,25—0,30 3,43—3,9 6,0
1,7 + 1,7 75—100 7,5 0,25—0,30 3,7—4,2 6,5
2,0 + 2,0 100—150 9,0 0,30—0,35 4,4—4,9 7,0
2,5 + 2,5 100—150 10,0 0,30—0,35 5,9—7,4 8,0
3,0 + 3,0 100—150 12,0 0,35—0.40 7,8—8,8 9,0
Таблица 7.28. Механические свойства сварной точки на листах
из титановых сплавов
Сплав Ь, мм Усилие разрушения снарной точки, кН Долговечность сварной точки при повторно статическом растяжении на срез, циклы
иа срез на отрыв
ВТ1-0* 1,5+ 1,5 9,81 3,1 10000; Ргпах = 3,9 кН
ОТ4-1* 1,5 + 1,5 Н,8 3,5
2,0 + 2,0 15,2 — —
ОТ4* 1,5+ 1,5 12,8 3,9 9500,• Ртах = 4,9 кН
2,0 + 2,0 16,2 —, —
ОТ4-2* 1,5+ 1,5 13,2 3,9 —
2,0 + 2,0 17,7 — —
ВТ4* 1,5+ 1,5 12,8 4,1 —
2,0 + 2,0 16,7 —
ВТ5-1* 1,5+ 1,5 12,3 3,7 —
2,0 + 2,0 16,3 — —
ВТ14** 1,5 + 1,5 14,7 4,2 И 00; ^пах = 5'6 кН
ВТ20* 1,5+ 1,5 12,3 4,0 6500; Ртах = 5,4 кН
2,0 + 2,0 16,2 —
ВТ22** 1,5 + 1,5 16,3 4,2 5500; Ртах = 5,9 кН
* После сварки.
•• После сварки и отжига.
Выносливость точечных соединений технического титана невысока
и близка к выносливости однотипных соединений высокопрочных алю-
миниевых сплавов. Наиболее эффективно повышает этот параметр
сварка с приложением ковочных усилий — повышенных усилий сжатия
электродов, прилагаемых почти в самый момент окончания импульса
сварочного тока. Применение ковочного усилия позволяет существенно
измельчить крупнокристаллическую структуру ядра точки, приблизив
ее к мелкозернистой структуре основного металла, что приводит к повы-
шению пластических свойств сварного соединения [193]. Глубина вмя-
тин по сравнению со сваркой без проковки увеличивается в среднем
на 15—20 мк, т. е. не более чем на 2 % . При сварке титановых спла-
вов ковочные усилия ие должны превосходить сварочные более чем
в 4 раза.
Шовная сварка используется для соединения листов из
титановых сплавов тощиной до 2—2,5 мм с защитой зоны сварки инерт-
ным газом (аргоном 1-го или высшего сорта). Для титана наиболее
приемлемо шаговое перемещение деталей и включение тока в момент
остановки роликов. При этом создаются благоприятные условия для
кристаллизации расплава под давлением и обеспечивается более глу-
бокий провар без перегрева наружной поверхности. Скорость вращения
роликов при выключенном токе нарастает до максимальной величи-
ны и снижается до нуля в момент включения тока.
Обычно шовную сварку титановых сплавов выполняют по отбор-
товке или внахлестку на стандартном оборудовании без каких-либо
существенных конструктивных изменений. Наружное водяное охлажде-
ние роликов при сварке титана обязательно, так как оно способствует
не только уменьшению износа роликов, но и оптимизации качества
сварного соединения благодаря уменьшению времени пребывания ра-
зогретого металла в контакте с газами атмосферы.
Шовная сварка по аналогии с точечной выполняется на жестких
режимах (табл. 7.29) [226, 399]. При сварке листов встык используют
теплоизолирующие накладки обычно с двух сторон. Толщина накла-
док зависит от толщины свариваемого металла и принимается [193]
для металла толщиной до 1 мм — 50 % толщины, для металла толщиной
более 1мм — 30 % толщины. Деформации при шовной сварке превы-
шают коробление при точечном процессе. Обкатка шва роликами вхо-
лостую практически полностью устраняет сварочные напряжения.
Таблица 7.29. Ориентировочные режимы шовной сварки титана
Ь, мм Радиус сферы роликов, мм /Св> кА с Р кН ГСВ‘ м/мии Примерная ширина шва, 1 мм
импульса паузы
0,3 15—25 5—5,5 0,08—0,10 0,12—0,14 0,98—1,5 1,0-1,2 2,5
0,5 25—50 5,5—6 0,10—0,12 0,14—0,16 2,0—2,45 0,9—1,0 3,0
0,6 50—75 5,5—6 0,10—0,12 0,14—0,16 2,5—2,94 0,9—1,0 3,5
0,8 50—75 6—6,5 0,12—0,14 0,16—0,18 2,95—3,4 0,8—0,9 4,0
1,0 75—100 6,5—7 0,14—0,16 0,20—0,22 3,43—3,9 0,7—0,8 5,0
1,5 100—150 8-9 0,18—0,20 0,30—0,34 4,4—4,9 0,6—0,7 6,0
2,0 100—150 10—10,5 0,20—0,22 0,36—0,40 5,4—6,4 0,5—0,6 7,0
2,5 150—200 11—11,5 0,24—0,26 0,32—0,44 6,9—8,3 0,4—0,5 8,0
3,0 150—200 12—13 0,28—0,32 0,34—0,48 8,8—10,8 0,3—0,4 9,5
Шовные соединения титановых сплавов имеют несколько понижен-
ные механические свойства по сравнению с точечными соединениями
вследствие более длительного пребывания металла при повышенной
температуре. Однако по прочности они не уступают основному металлу:
разрушение соединений, как правило, происходит по основному метал-
лу. Это свидетельствует о том, что металл шва и околошовная зона не-
сколько упрочняются из-за образования мартенситоподобной а'-фазы
Выносливость шовных соединении на ппаие в значительной степени
зависит от шага точек и может изменяться в весьма широких преде-
лах (от 19,6—24,5 до 137,3—147,2 МПа [399]).
Стыковую сварку титана и его сплавов производят мето-
дом оплавления как с подогревом торцов деталей, так и без него.
Сварка титана сопротивлением затруднена и не обеспечивает удовлет-
ворительной пластичности соединений. Качественные сварные соеди-
нения получаются при создании защитной среды из инертного газа и
коротких циклах плавления и осадки.
При сварке оплавлением с подогревом торцы деталей подогревают
индуктором или непосредственно в сварочных машинах при периоди-
ческом их сдавливании небольшим давлением (3—7,85 МПа). После
подогрева детали оплавляются и осаждаются. Подогрев уменьшает тре-
буемую мощность, конечную скорость и припуски на оплавление, а так-
же позволяет понизить давление и скорость осадки. Например, каче-
ственное сварное соединение из сплава ВТ6 получается с подогревом
при удельном усилии осадки 20 МПа, в то время как при сварке без
подогрева удельное усилие составляет 50 МПа [341].
Режимы стыковой сварки оплавлением титана и его сплавов
(табл. 7.30) [341] характеризуются применением повышенных токов
(примерно в 2-3 раза больше, чем для сварки стали) и минимальным
временем его прохождения. Стыковую сварку титана оплавлением осу-
ществляют на стандартных машинах (например, типа МСГА-300.
МСГА-500) при их соответствующей модернизации.
Таблица 7.30. Ориентировочные режимы стыковой сварки оплавлением
титаиа
Площадь свариваемого сечения, мм2 Удельное усилие осадки, МПа /в, мм Припуск, мм Скорость оплавления, мм/с Ток оплавления, А
Оплав- ление Осад- ка началь- ная конеч- ная
150 2,0—3,9 До 25 8 3 0,5 6,0 1500—2000
250 4,9—7,9 35 10 6 0,5 6,0 2500—3000
500 9,8—14,7 45 10 6 0,5 6,0 5000—7000
1000 19,6—24,5 50 12 10 0,5 5,0 5 000
2000 39,2—98,1 65 18 12 0,5 5,0 10 000
4000 147,2—294,3 НО 24 15 0,5 4,0 20 000
6000 343,4—490,5 140 28 15 0,5 3,5 30 000
8000 343,4—588,6 165 35 15 0,5 3,0 40 000
10000 490,5—981 200 40 15 0,5 2,5 50 000
Стыковая сварка титана и его низколегированных сплавов сред-
ней прочности позволяет получать сварные соединения с пределом
прочности, превышающим 90 % прочности основного металла, и плас-
тичностью, составляющей 60 % пластичности основного металла
(табл. 7.31) [193]. Для предотвращения образования трещин в соеди-
нениях из высокопрочных титановых сплавов рекомендуется отжиг при
температуре 700—750 °С сразу же после сварки. Такую термообработку
можно производить в стыковой машине путем пропускания через сва-
ренное изделие тока, несколько меньшего, чем сварочный.
Диффузионная сварка. Диффузионная сварка титана и его спла-
вов выполняется в вакууме не хуже 0,133—0,0133 Па. При выборе оп-
тимальных режимов сварки деталей (табл. 7.32) прежде всего исходят
из того, насколько полно растворяется оксидная пленка на соприкасаю-
щихся поверхностях. При этом нельзя допустить чрезмерного перегрева
металла, так как рост зерен в зоне контакта приводит к снижению
прочности и пластичности сварных соединений.
Таблица 7.31. Механические свойства соединений из титановых
сплавов, выполненных стыковой сваркой
Сплав ав, МП» в, % 4. %
не м енее
ОТ4-1 539,6-735,8 8 20
ОТ4 637,7—882,9 7 20
ОТ4-2 833,9—1079,1 6 17
ВТ5 637,7—932,0 7 17
ВТ6 833,9—1079,1 5 15
ВТЗ-1 882,9—1177,2 6 15
Таблица 7.32. Ориентировочные режимы диффузионной сварки
титановых сплавов
Сплав Т, ’С р, МПа мин Библиографический источник
ВТ1-0 800 7,4 7 191)
ВТ5-1 1000 4,9 5 [132]
ВТ 15 800 4.4 21 [214]
ВТ6 900 2,0 — 1214]
Примечание. Для сплава ВТ6 степень пластический деформации менее 1%.
На выбор параметров режимов диффузионной сварки существенное
влияние оказывает подготовка поверхностей свариваемых деталей. Так,
для технического титана полировка поверхностей позволяет по сра-
внению с чистовой токарной обработкой в 2 раза уменьшить удельное
усилие сжатия, на 300 °С снизить температуру сварки и до 2 % — оста-
точную деформацию деталей (при 4—6 % для деталей, прошедших чис-
товую токарную обработку) [193].
Микроструктура зоны контакта сварного соединения зависит от
режима сварки, шероховатости соединяемых поверхностей и исходной
структуры сплава. При оптимальных условиях сварки зона контакта
не обнаруживается под микроскопом. Несоблюдение оптимальных
условий в зоне контакта может привести к возникновению дефектов
(поры, остатки оксидной или жировой пленки и др.), которые ориенти-
рованы вдоль исходной границы раздела. Дефекты влияют на свойства
соединений, определяемые при динамических испытаниях и в меньшей
мере — при статических. Высокотемпературный последующий отжиг
может уменьшить или устранить пористость и улучшить механические
свойства соединений. При сварке на оптимальных режимах прочность
и пластичность сварных соединений практически не отличаются от та-
ких же свойств основного металла.
Для улучшения свариваемости и ускорения процессов диффузион-
ной сварки титана используется сварка с прокладками или промежу-
точными покрытиями. Применение промежуточной медной прокладки
в виде фольги или напыленного слоя меди [470] основано на использо-
вании медио-титановой эвтектики, образующейся в зоне контакта ниже
температуры сварки (870—890 °С). Рекомендуется следующий режим
сварки для получения качественных сварных соединений из сплава
ВТ6: Т = 900 °С; р = 4,9 4- 9,8 МПа; I = 5 мин. После сварки сле-
дует изотермический отжиг (Т = 900 °С; /=14-2 ч). Применение
промежуточной прокладки особенно эффективно при сварке сложных
конструкций с поверхностями большой протяженности, а также при
соединении титана с другими металлами.
При сварке в жидких средах на основе расплавленных солей ско-
рость нагрева деталей под сварку повышается в 3—6 раз по сравнению
с нагревом этих же деталей в вакууме. Для сварки титановых сплавов
используют в качестве теплоносителя смесь солей такого состава:
70 % ВаС12 + 30 % КС1 [369]. Оптимальные режимы сварки: для
сплава ОТ4 Т = 950 °С; р = 4,9 МПа; /= 10 мин; для сплава ВТ6
Т = 950 °С; р = 9,8 МПа; / = 15 мин.
Процесс диффузионной сварки титановых сплавов интенсифи-
цирует наложение ультразвуковых колебаний (амплитуда 0,5—5 мкм,
время воздействия иа зону соединения около 1 с) [93] Резко сокра-
щает продолжительность процесса, повышает качество и стабильность
механических свойств соединений титана с другими металлами сварка
при повышенных давлениях (р < 539,6 МПа) [90].
Весьма эффективно применение для титана и его сплавов сварки
на режимах сверхпластичности (табл. 7.33) [3041. По сравнению с обыч-
ной сваркой при постоянном давлении с подогревом такой способ диф-
фузионной сварки позволяет в 6—30 раз сократить длительность
процесса, снизить в 4 раза необходимое усилие и на 50—150 град тем-
пературу нагрева. Диффузионную сварку в режиме сверхпластичности
производят на специальных установках, оборудованных системами де-
формирования с заданной скоростью.
Таблица 7.33. Ориентировочные режимы диффузионной сварки
титановых сплавов в условиях сверхпластичиости
Сплав Т, "С удеф» с“‘ 1, мин
ОТ4 4-ОТ4 900 2 . 10-3 1,2
ВТ6 4- ВТ6 900 7,5 • 10'4 3,2
ОТ4 4-ВТ15 920 2 - 10-з 10,0
Примечание. Удеф — скорость деформации.
Холодная и прессовая сварка. Эти способы сварки могут быть
использованы для соединения титановых деталей. Прессовую сварку
целесообразно осуществлять при нагреве до температуры 700—900 °С
[193]. Сварные соединения необходимо подвергать отжигу. В результа-
те полной рекристаллизации через первоначальную границу раздела
завершается прорастание общих зерен, исчезают дефекты в зоне кон-
такта, повышается пластичность и улучшаются показатели ударной
вязкости сварных соединений.
Для соединения деталей из титана в ряде случаев используют
сварку трением, в том числе инерционную [301. Оптимальный режим
сварки заготовок диаметром 16 мм из сплава ОТ4 следующий: давление
нагрева 59 МПа; деформация 2 мм; давление осадки 98 МПа; деформация
4 мм; длительность цикла сварки 5с. Механические свойства соедине-
ний находятся на уровне свойств основного металла (ов = 870 МПа;
6 = 12 %; аи = 56 Дж/см2).
Рис. 7.26. Зависимость
прочности соединения на
отрыв от начального рас-
стояния между пластина-
ми биметалла сталь+ти-
тан прн различной тол-
щине титановой пластины
[161].
Сварка взрывом. Прочность соединений титановых сплавовводно-
родном сочетании определяется основными технологическими пара-
метрами процесса сварки взрывом: отношением массы ВВ к массе мета-
емой пластины, скоростью детонации и начальным расстоянием между
соединяемыми пластинами (рис. 7.26). Сварка на оптимальных пара-
метрах позволяет получить прочность соединения на уровне соответ-
ствующих показателей основного металла (табл. 7.34) [201].
Таблица 7.34. Механические свойства соединений из сплава ВТ16,
сваренных взрывом
Образец Термическая обработка □ в. МПа 6, % а» град
Основной ме- талл Отжиг при 780 °С, ние с печью со охлажде- скоростью 949,6 8,7 79,0
Сварное соеди- нение 2—4 °С/мин 954,5 8,6 76,3
Основной ме- талл Закалка в воде от 820 °С, ста- рение при 500 ®С в течение 1351,8 7,1 28,0
Сварное соеди- нение 16 ч 1345,9 7,1 27,8
7.2. Цирконий, гафний
Металлургические и технологические особенности сварки.
Цирконий и гафний — аналоги титана, принадлежат к основной под-
группе IV группы периодической системы элементов и по свариваемо-
сти близки к нему. Для циркония и гафния применяются те же техноло-
гия и техника сварки, что для титана. Однако цирконий более чувстви-
телен к примесям внедрения, которые не только в большей степени
ухудшают пластичность и вязкость швов, но резко снижают коррозион-
ную стойкость сварных соединений. Особенно вредное влияние на кор-
розионную стойкость соединений оказывают азот и углерод. Поэтому
содержание этих примесей в швах ограничивают [329]: М, — 0,003 %:
С-0,03 %.
Водород, азот и кислород влияют на пористость швов, последний
в значительно меньшей степени. Водород, как и в титане, вызывает
склонность к трещинам и замедленному разрушению вследствие гид-
ридного превращения.
Для циркония и гафиия, а также для сплавов на их основе реко-
мендуются следующие способы сварки: дуговая в камерах с контроли-
руемой атмосферой инертных газов (преимущественно неплавящимся
электродом), ЭЛС и плазменная. Эти металлы удовлетворительно сва-
риваются контактной и диффузионной сваркой.
Подготовка к сварке. Чтобы исключить возможность насыщения
поверхностных слоев металла водородом, следует избегать травления
кромок перед сваркой. Предпочтения заслуживает механическая
очистка. В отдельных случаях при тщательном соблюдении всех требо-
ваний технологических инструкций допускается химическая очистка
кромок в реактиве следующего объемного содержания: 30 % НМО3;
5 % НЕ; 65 % П2О, продолжительность травления при 55—60 °С
не более 2 мин. После травления заготовки переносят для осветления
в ванну с раствором такого состава: 15 % азотнокислого алюминия
(А1(МО3)3 • 9Н2О), 85 % 1 и. НМО3 (64 мл НМО3 плотностью 1.42 па
1 л воды). После осветления их промывают в проточной воде и просу-
шивают при 200 °С. Непосредственно перед сваркой обязательны про-
мывка и обезжиривание кромок спиртом-ректификатом или ацеюьом.
Дуговая сварка. В камерах с контролируемой атмосферой созда-
ется предварительный вакуум не хуже 133 • 10"4 Па. В качестве за-
щитного газа обычно применяется гелий или смесь с объемным содер-
жанием 73 % Не, 27 % Аг, так как прн сварке в среде аргона повыша-
ется склонность швов к образованию пор [1431. Используемый инертный
газ высокой степени чистоты дополнительно очищают н осушают, про-
пуская ею через селикагель, алюмогель и нагретую до 900—1000 °С
титановую стружку [61. Режимы сварки циркония характеризуются
повышенными сварочными токами (табл. 7.35, 7.36). Для выбора вели-
чины тока при сварке в среде гелия рекомендуется принимать прибли-
женное соотношение [76]: 1 А на 0,03 мм провара. При сварке гаф-
ния также применяют повышенные токи. Для неплавящегося электро-
да диаметром 3 мм оптимальные параметры режима сварки следующие:
/св — 125 4- 135 А; </д = 14 4- 18 В; есв = 10 м/ч. При сварке на
воздухе с газовой струйной защитой для металла толщиной до 12,5 мм
рекомендуется такой средний расход гелия: в горелку и для зашиты
остывающего сварного соединения — 24 л/мин, для защиты обратной
стороны шва — 8 л/мин. Защиту шва необходимо осуществлять при
охлаждении до 370 °С [1431. При скорости сварки до 25 м/ч длина
насадки к горелке должна быть не менее 27 мм. Материал присадочной
проволоки обычно соответствует составу свариваемого сплава. Часто
используется проволока из сплава типа циркаллой.
Таблица 7.35. Ориентировочные режимы сварки циркония и его
сплавов неплавящимся электродом без разделки кромок в среде гелия
д, мм </9, мм %р, мм ^СВ" А
0,8 1,6 45
1.5 3,0 1.2 50
2,3 З.о 2,0 60
3,0 3,0 2,0 95
Электронно-лучевая сварка. ЭЛС — один из основных технологи-
ческих процессов соединения деталей из циркония, гафния и их спла-
вов. Сварка выполняется при остаточном давлении в камере не выше
Таблица 7.36. Ориентировочные режимы сварки циркония и его
сплавов с разделкой кромок в камере, заполненной гелием
Ъ, мм Разделка кромок ^св» Уд, в есв. м/ч Число проходов
3 У-образная, 70 16,5 15 1
6 а = 60°, притупление 0,3 мм То же 100 16,6 15 2
57 Двусторонняя рюмкообразная 300 Первый 20 проход 12—15 1
а = 60°, притупление 8 мм 175 Заполнение раз- делки 15 | 12—15 32
Примечание. Ток постоянный прямой полярности, диаметр неплавящегося
электрода и присадочной проволоки 3 мм.
0,0133 Па. Оптимальные режимы сварки (табл. 7.37) обеспечивают
хорошее формирование швов и отсутствие в них дефектов. Применяется
непрерывная и импульсная ЭЛС. Последний способ используют глав-
ным образом для сварки циркония и его сплавов, он улучшает формиро-
вание швов и обеспечивает оптимальные условия доя регулирования
структуры соединения. Для сплавов малых толщин применяется мик-
роплазмениая сварка (см. табл. 7.21).
Таблица 7.37. Ориентировочные режимы ЭЛС технического циркония
Ь, мм /п, мА У ус» кВ 1’св, М/Ч Библиографический источник
1 60 10 30 [408]
2 100 10 30
3 75 29,5 46,8
3 18,5 100 36 [421]
4 Корень шва 50—60 Заполнение шва 60—80* 20 10
4 55—80** 20 10 [329]
* С присадочной проволокой диаметром 1,4—1,6 мм.
••В импульсном режиме без присадки.
Механические свойства соединений из циркония практически иден-
тичны при сварке в камере с контролируемой атмосферой особо чистого
инертного газа и ЭЛС (табл. 7.38) [76]. Прочность сварных швов близ-
ка к прочности основного металла. Показатели пластических свойств
для швов заметно понижаются, оставаясь, однако, на удовлетворитель-
ном уровне. Такое же снижение наблюдается для сплавов на основе
циркония (табл. 7.39) [76].
Таблица 7.38. Механические свойства сварных соединений
из технического циркония
Образец ов, МПа в, % Ф, %
Основной металл 284,5—333,5 33—40 48-53
Сварное соединение, выполнен- 313,9—353,2 18—23 47—50
ное в камере с контролируе- мой атмосферой Соединение, выполненное ЭЛС 294,3—313,9 18—22 47—54
Примечание. Ь = 1,5 мм.
Таблица 7.39. Механические свойства стыковых соединений
из циркониевых сплавов
Сплав Ь, мм Основной металл Сварное соединение
ав, МПа б. % ов. МПа 6. %
2г+ 2,5% 8п 3,2 477,7 25,0 507,2 15,0
2г + 5%8п 3,2 593,5 12,0 620,0 4,0
2г + 3 % МЬ + 1 % 8п 0,9 510,1 21,0 647,5 10,0
Примечание. Сварка в камере, заполненной гелием.
Для устранения склонности швов к образованию холодных тре-
щин и к замедленному разрушению, а также для стабилизации качества
сварных соединений сразу же после сварки их подвергают термической
обработке [76]: нагрев до 750—850 °С, выдержка 40—60 мин, охлажде-
ние с печью (технический цирконий) или в воде (сплавы циркаллой
системы 2г—Ь1Ь и др.). После термической обработки сварные изделия
из циркониевых сплавов (например, оболочки тепловыделяющих эле-
ментов ядерных реакторов из сплавов циркаллой 2 и циркаллой 4)
обладают высокой коррозионной стойкостью [416].
Контактная сварка. Цирконий и его сплавы хорошо свариваются
точечным и шовным способами. При точечной сварке применяют режимы
для титановых сплавов с повышенной в 1,6—1,7 раза плотностью тока
[130]. Шовная сварка производится с защитой аргоном. Сварку можно
выполнять также в воде с погружением шва на глубину до 20 мм. Послед-
ний способ обеспечивает заметное уменьшение ширины зоны термиче-
ского влияния. При сварке сплавов системы 2г—МЬ толщиной 2 мм
в воде ширина зоны термического влияния (по обе стороны шва) состав-
ляет 2 мм, при защите аргоном — 8 мм; твердость зоны при обоих спо-
собах защиты примерно одинакова. Режим сварки сплавов толщиной
2 мм следующий: /св = 15 кА; Р = 6,5 кН; длительность сварки
5 периодов, паузы 1 период; ксв = 50 м/ч; <1Э = 145 мм; ширина кон-
тактной поверхности 8 мм.
Диффузиоииая сварка. Диффузионная сварка производится в
вакууме не хуже 0,0133 Па. Режим сварки [132]: Т= 750 4- 950 °С;
Р = 1 МПа; I = 20 мин. Механические свойства сварных соединений:
ов = 582 МПа; 6 = 20 %; ф = 20 %.
7.3. Ванадий, ниобий, тантал
Металлургические и технологические особенности сварки.
Сварные соединения металлов основной подгруппы V группы и осо-
бенно сплавов на их основе склонны к хладноломкости. Несмотря на то
что металл шва и околошовная зона не претерпевают полиморфных
превращений, образование хрупких фаз, крупнокристаллическое
отроение, характерное для шва и зоны, способствуют повышению кри-
тической температуры перехода в хрупкое состояние. При этом влияние
структуры проявляется тем резче, чем больше примесей внедрения
содержится в металле шва и околошовной зоне.
При значительном росте зерен фактором, обусловливающим сниже-
ние прочности и пластичности сварного соединения, может явиться
также процесс рекристаллизации. Температура рекристаллизации
понижается с увеличением степени предшествующей деформации (кри-
тическая степень деформации 5—20 %) и при больших ее значениях
составляет для ванадия 800, для ниобия 940 и для тантала 1250 °С
[144].
Сплавы еще в большей степени, чем технически чистые металлы,
чувствительны к термическим циклам сварки, так как пластичность
шва и околошовной зоны заметно снижается в связи с характерными
для них процессами выпадения вторичных фази дисперсионным тверде-
нием. В этом случае приходится выбирать оптимальные параметры про-
цесса сварки, обеспечивающие наиболее благоприятное сочетание
структурных составляющих в разных участках сварного соединения,
а также режимы их термической обработки [291] в зависимости от ме-
ханизма упрочнения сплава.
Наиболее широко применяются сплавы металлов основной под-
группы V группы периодической системы элементов с твердорастворным
упрочнением, достигаемым за счет искажения кристаллической ре-
шетки металлической основы при образовании твердых растворов за-
мещения. При легировании сплавов цирконием, титаном, вольфрамом
возможны упрочнения за счет образования фаз с элементами внедре-
ния. Примером твердорастворного упрочнения являются сплавы нио-
бия 5ВМЦ ИЬ — XV - Мо — 2г; ВН-2АЭ МЬ—Мо—2г; ванадия V —
20 % Л; V — 20 % МЬ; тантала Та — 10 % XV; Та — 12,5 % XV; Та —
5 % XV — 2,5 % Мо.
Отличительная особенность сплавов с твердорастворным упрочне-
нием заключается в нечувствительности их механических свойств к ре-
жимам сварки (значению погонной энергии при низком содержании
в основном металле примесей внедрения — газов) [27]. Применение
термической обработки сварных соединений существенно не влияет на
их структуру и свойства. Однако в случае использования сплавов с по-
вышенным содержанием примесей внедрения либо насыщения сварного
шва ими в процессе сварки термическая обработка повышает пластич-
ность сварных соединений в результате гомогенизации.
Другую группу составляют гетерофазные сплавы: дисперсионно-
твердеющие и со смешанным упрочнением. К днсперсионно-твердею-
щим можно отнести сплавы ниобия МЬ — 1 % 2г — 1,1 % С; ванадия
V — 2,4 % 2г — 0,3 % С. Дисперсионное твердение в сплавах этого
типа достигается за счет добавок углерода, образующего изотропные
карбидные фазы.
Типичными представителями сплавов со смешанным упрочнением,
в которых кроме упрочнения твердого раствора обеспечивается и воз-
можность дисперсионного твердения, являются сплавы ниобия ВН-4
ИЬ — 2 % 2г — 10 %Мо — 0,3 % С; 0-43 ИЬ—10 %ХУ — 1% 2г —
0,1 % С; Р-48 МЬ—15 % XV—5%Мо — 1 % 2г — 0,1 % С; тантала
Та—АУ—Н(—С; Та—XV—Ке—Н1—С. В сплавах этого типа прочность
при высоких температурах достигается упрочнением твердого раствора
вольфрамом и молибденом, а также дисперсионным упрочнением, кото-
рое обеспечивается пали чием углерода и карбидобразующих элемен-
тов — гафния и циркония.
В отличие от нелегированных металлов и сплавов с твердораствор-
ным упрочнением дисперсионно-твердеющие сплавы и сплавы со сме-
шанным упрочнением весьма чувствительны к термическим циклам
сварки и термической обработке. Это связано с развитием процессов
дисперсионного твердения в зависимости от содержания углерода. Так,
если сплавы системы ЫЬ—2г—С с содержанием С< 0,002 % не чув-
ствительны к термическим циклам, то при ббльших содержаниях угле-
рода происходит распад пересыщенного твердого раствора в процессе
охлаждения после сварки [11]. При содержании углерода свыше 0,02%
распад пересыщенного твердого раствора происходит непосредствен-
но в процессе охлаждения и тем интенсивнее, чем дольше пребывание
металла в интервале температур 800—1100 °С. Этот процесс регули-
руется скоростью охлаждения путем выбора скорости сварки в преде-
лах 40—60 м/ч [291] и режимами последующей термической обработки,
которая является одним из основных технологических приемов, улуч-
шающих свойства соединений [45].
Удовлетворительные свойства сварных соединений можно полу-
чить лишь при условии ограниченного содержания примесей внедрения
в основном металле. Так, в сплавах ниобия и тантала,предназначенных
для ответственных конструкций, допускается следующее предельное
содержание примесей-газов: О2< 0,015%; 0,015%; Н2 <
< 0,001 %.
Повышенные требования предъявляются к защите зоны сварки ос-
тывающих участков сварного соединения, а также к чистоте сварочных
материалов. В связи с высокой температурой плавления и сравнительно
большой теплопроводностью для сварки ванадия, ниобия и тантала
наиболее приемлемы концентрированные источники энергии. При
подготовительных операциях и в процессе сварки необходимо прини-
мать меры, исключающие водородное охрупчивание. Сплавы склонны
к образованию в сварных соединениях пор и кристаллизационных
(горячих) трещин (ниобий и тантал). Поэтому технология сварки долж-
на обеспечивать получение швов, лишенных этих дефектов. Для вана-
дия, ниобия и тантала, а также для сплавов на их основе используют
в основном следующие способы сварки: в среде инертных газов, ЭЛС
и контактную.
Подготовка к сварке. Она включает в себя механическую обработ-
ку свариваемых кромок и последующее травление в смесях кислот
[194]. Участки, подвергнутые травлению, промывают холодной водой
до полного удаления травителя, просушивают и протирают непосред-
ственно перед сваркой этиловым спиртом марки А (ГОСТ 8314—57).
Сборку деталей с подготовленной поверхностью необходимо выполнять
в чистых белых перчатках.
Дуговая сварка. При сварке неплавящимся электродом со струй-
ной защитой сварного соединения инертным газом на воздухе не обе-
спечивается хорошее качество сварных швов в связи с ненадежностью
защиты от примесей-газов атмосферы, вследствие чего этот вид сварки
применяется ограниченно.
Наибольшее распространение получила сварка неплавящимся
электродом в камерах с контролируемой атмосферой, которая выпол-
няется автоматами или вручную. Сварку ведут в защитной атмосфере,
в которой содержание примесей ограниченно (объемные доли, %):
О2 < I • 10-4; М2 <5 • 10~4; Н2О<2- Ю"1. Для получения атмосферы
360
такой чистоты применяют дополнительно очищенный и осушенный
инертный газ промышленной поставки марки ВЧ. Очистка инертного
газа необходима в связи с непрерывным его загрязнением газами-при-
месями, выделяющимися в результате протекания технологических
процессов сварки, газовой проницаемости материалов камеры, неплот-
ностей вакуумных систем. Газоочистка позволяет получить среднюю
концентрацию примесей кислорода, азота до 1 • 10~5 % паров воды
до 1 • 10'1 %.
Подготовка камеры к сварке включает в себя вакуумирование,
продувку и заполнение ее инертным газом. Для сварки используют
аргон или гелий. Предпочтение заслуживает гелий, так как сварка
в нем ведется на токах, в среднем в 1,5 раза меньших, чем в аргоне.
При сварке тантала и его сплавов толщиной до 1 мм можно использо-
вать аргон, свыше 1 мм — гелий или его смесь с аргоном.
Сварочная камера может изготавливаться цилиндрической формы
из стали Х18Н10Т. Для удобства обслуживания камера снабжается
четырьмя перчатками марки Г-13 (вулканизированный неокрен), иллю-
минаторами и системой герметичных шоковводов. Камера откачивает-
ся насосом типа ВН-1 и высоковакуумным агрегатом типа ВА-8-4
до давления не хуже 6,6 • 10-4 Па. Допускаемая газовая нагрузка
(суммарная негерметичность плюс газоотделение) после откачки не
более 6,66 • 10~3 Па/с. Как правило, камера укомплектовывается го-
ловками для автоматической сварки продольных и кольцевых швов,
держателем неплавящегося электрода для ручной сварки. Источником
тока могут быть сварочные выпрямители типа ВДУ или ВСВУ. В со-
став установки для сварки входит также аналитический стенд для
контроля чистоты гелиевой атмосферы по основным примесям. В
табл. 7.40 приведены диапазоны измерений концентрации примесей
газов в гелии различными методами анализа, марки приборов, а также
некоторые оптимальные параметры их работы [45). В процессе сварки
содержание примесей в инертном газе повышается и при достижении
их концентраций, близких кдопустимым, необходимо восстанавливать
чистоту инертного газа. Поддержание концентраций примесей ниже
Таблица 7.40. Анализаторы концентраций примесей в гелии
Метод анализа; марка прибора Объемное содержание примесей, %
О, Н, Прочие
Спектральный; Качественно:
ИСП-51 с при- 1 • 10-«— 1-10-1— б-Ю"1— СН.,;С2Н2; СО;
ставкой ФЭП-1 Хроматографи- ческий; ЛХМ-8МД Электродвижу- щих сил: 5 • 10"? 5.10-8—100 5-10-‘ 5.10-8—100 5-Ю"1 1.10-8—100 СО2 Качественно: СН3; С2О2; СО
«Циркон», «Ла- 1 .ю-«—100 — — —
зурит» 1 • ю-*—100 —• 1.10-4—юо Пары воды 1 • 10-4—5-10-8
Кулонометриче- ский; «Байкал-3» Пары воды 2-10-5—1 .Ю-1
и к
Рис. 7.27. Типы соединений, при-
меняемых при сварке тугоплавких
металлов [194]:
а—е — стыковые соединения (а — оди-
наковой толщины; б — разной толщины;
в — «в замок»; а — на остающейся под-
кладке: д — с Т-образной вставкой; е —
отбортовкой; ж — нахлесточное); а—к —
торцовые соедииеиия.
допустимых достигается путем
непрерывной циркуляции газа
через газоочистку с помощью
компрессора.
Для автоматической сварки
кольцевых швов пространственно-
разветвленных конструкций при-
меняют накидные камеры, обес-
печивающие герметичность места
сварки [3061. Перед сваркой та-
кие камеры вакуумируют до
133 . КГ2 — 133 • 10-з Па, затем
заполняют инертным газом до
давления 107—110 кПа. Защита
корня шва обеспечивается путем
продувки инертным газом внут-
ренней полости трубы. Сварка
в камере с контролируемой атмо-
сферой выполняется на прямой
полярности неплавящимся элек-
тродом, заточенным иа конус
с углом 30—45°. В зависимости
от сварного тока выбирают диа-
метр электрода и его марку [45].
У иас в стране наибольшее рас-
пространение получили электроды
марок ЭВИ и ЭВЛ.
Для возбуждения дуги используют осцилляторы типа ОСПЗ-2М,
ОСПП-88-1 и др. При сварке плавлением тугоплавких металлов ис-
пользуют те же основные типы соединений, что и для сварки других
металлов. Основные типы применяемых сварных соединений пока-
заны на рис. 7.27 [45].
Для устранения возможных прожогов и неравномерного проплав-
ления сборка деталей под сварку должна выполняться при минималь-
ных зазорах (не более 0,15 мм). Превышение кромок при сварке металла
толщиной 1—2 мм допускается не более 0,1 мм.
Ориентировочные режимы дуговой сварки ниобия, ванадия и тан-
тала приведены в табл. 7.41 [45].
Электронно-лучевая сварка. Наиболее перспективным методом
сварки тугоплавких металлов больших толщин является ЭЛС. При
этом реализуются необходимые условия по чистоте атмосферы в камере
[451]. Повышение скорости сварки при ЭЛС до 41 мм/с по сравнению
со скоростью сварки неплавящимся электродом позволяет получить
швы практически без зоны рекристаллизации. Сварку обычно выпол-
няют при остаточном давлении в камере не более 1,33 • 10“2 Па, а нате-
кание в камеру не должно быть выше 4 • КГ* м3 Па/с. Повышение
давления в камере влечет за собой ухудшение механических свойств
сварных соединений и в первую очередь пластичности и вязкости
[405].
При ЭЛС сплавов ниобия ЗТВ в 3 раза меньше, чем при аргоно-
дуговой. Металлургические особенности при ЭЛС в основном такие же,
как и при аргонодуговой сварке неплавящимся электродом. При ЭЛС
нелегированного ниобия происходит большее разупрочнение шва,
чем при дуговой сварке. Прочность шва можно повысить введением
в него легирующих добавок (циркония, ванадия).
В сварных соединениях могут наблюдаться дефекты в виде пористо-
сти и трещин, характерных для сплавов, имеющих повышенное содер-
Таблица 7.41. Ориентировочные режимы дуговой сварки ниобии,
ванадия и тантала
Металл Ь, мм ^св» уд-в Сев- Защитный газ
Ниобий 1 100 8 0,28 Аргон
1 175 9 1,12 В
1 270 10 2,8
2 220 10 0,42 »
2 420 11 1,68
3 360 12 0,42
1 70 14 0,28 Гелий
1 125 14 1,12 «
1 200 16 2,24 »
2 120 16 0,28 >
2 270 16 1,68 »
Ванадий 1 70 11 0,28 Аргон
1 125 И 1,68 »
2 320 12 1,4 »
1 35 14 0,28 Гелий
1 45 14 0,7
1 100 15 1,68 »
2 80 16 0,28 »
2 220 16 1,68 »
Тантал 0,5 80 10 1 Аргон
1 140 12 0,8 »
1,5 180 12 0,8 »
2 250 12 0,7 >
1 85 16 0,28 Гелий
1 140 16 1,12 В
1 230 16 2,24 >
жание примесей внедрения. Снижения вероятности образования трещин
можно достичь, выполняя сварку более узким электродным пучком,
а снизить пористость можно путем предварительного подогрева кро-
мок расфокусированным пучком.
Прочность сварных соединений ванадия, ниобия и их сплавов
при дуговой сварке в инертных газах составляет 0,7—0,8 прочности
основного металла, а для тантала и его сплавов — 0,9—1,0. При ЭЛС
прочность соединений ниже, что объясняется большей чистотой метал-
ла шва по отношению к примесям-газам, а также особенностями терми-
ческого цикла сварки (табл. 7.42).
Ориентировочные режимы ЭЛС приведены в табл. 7.43. Типы и
параметры сварочной аппаратуры, автоматизированные системы уп-
равления процессом ЭЛС рассмотрены в работе [404].
Контактная сварка. Точечная и шовная сварка осложняется под-
плавлением электродов. Применение экранов и покрытие свариваемых
деталей, например, графитом значительно снижают подплавление
электродов [16Ь Хорошие результаты дает использование накладок
Таблица 7.42. Механические свойства сварных соединений из сплавов
Сплав Ь, мм Способ сварки Основной <ТВ, МПа
Технический ванадий 1 Г елиеводуговая мере в ка- 647,5* 445,4**
У-2г-С 1 То же 941,8** 510,1**
V + 12 % XV 1 Аргоиодуговая в ре ЭЛС каме- 951,6* 519,9**
Технический ниобий 2 Аргонодуговая в ре каме- 286,5**
То же 0,8 То же 686,7*
КЬ + 3 % V + 6 % Та 1 В » ЭЛС 760,3**
МЬ—XV—Мо—2г 20 Аргонодуговая в каме- 461**
МЬ—2г—С 20 ~ Ре То же 320,8**
Технический тантал 2 Аргонодуговая в ре каме- 546,4
* Деформированный.
• * Отожженный.
из молибдена, а также из сплавов системы XV—Мо [329]. Точечную
и шовную сварку выполняют с защитой инертным газом (табл. 7.44,
7.45) [143].
Диффузионная сварка. Диффузионную сварку выполняют в каме-
рах при давлении не хуже 1,33 • 10~2 Па, используя установки типа
СДВУ-2 с нагревом .индукционным способом. Рекомендуемый режим
сварки ниобия [132] Т = 1250 °С; р = 14,7 МПа; 1= 5 мин. Для
снижения температуры сварки с целью предотвращения чрезмерного
роста зерен диффузионные процессы интенсифицируют за счет исполь-
зования промежуточных металлов, которые наносят на свариваемые
Таблица 7.43. Ориентировочные режимы ЭЛС тугоплавких металлов
и их сплавов
Металл 6. мм /п. мА Уус, кВ всв. м/ч
Ванадий 0,5 25—30 17,0—17,5 20—30
1,0 60—67 12,5—12,9 60
2,0 90—100 12,5—13,5 60
Ниобий 0,8 40 23 26
1,0 65—70 17,0—17,5 30
1,5 85 27 30
Тантал 0,5 60 18 26
1,0 80 18 50
тугоплавких металлов
металл Сварное соединение
6. % а, град ов. МПа 6, % а, град
4,0 376,7 23,0
24,0 —
4,2 — 627,8 16,0 —
16,0
3,5 —. 570,0 18,0 —
21,0 ——
21,0 545,4 20,5 —
26,1 — 207,0 21,3 —
— 180 487,6 180
180 524,8 —— 180
— — 470,9 180
23,6 — 448 19,4 —
26,0 __ 451 14,2
— 180 490,5 — 180
Таблица 7.44. Ориентировочные режимы шовной сварки ниобии
и его сплавов
Ь, мм Усилие на электродах, Н /св, А и, в
холостого хода при замкнутой цепи
0,125' . 112,8 1100 0,8 0,7
0,25 225,6 3300 1,3 1,05
0,5 225,6 4000 1,6 1,25
Примечание. Продолжительность импульса 3 периода тока, паузы 2 пери-
ода тока.
Таблица 7.45. Ориентировочные режимы точечной сварки ниобия
и его сплавов
6, мм р, МПа Диаметр точки, мм
0,5 82,4 3,8
1,0 515,0 5,0
1.5 412,0 7,5
2,5 343,4 10,0
поверхности (например, напыление в вакууме). Толщина наносимого
слоя — от нескольких десятков до нескольких тысяч нанометров. В ка-
честве прокладки при сварке ниобия рекомендуется использовать ни-
кель, а сварку осуществлять на таком режиме [29]: Т = 1000 °С; р =
= 19,6 МПа; /=30.мин. Прочность сварного соединения составляет
0,9 прочности основного металла. Диффузионное соединение тантала
выполняют на следующем режиме: Т = 1650 °С; р = 11,8 МПа; ? =
= 20 мин.
Диффузионная сварка применяется для соединения разнородных
тугоплавких металлов (например, сплава на основе ниобия 5ВМЦ со
сплавами тантала ТВ-10 и молибдена ЦМ-6, а также со сплавами
титана) [29]. Для соединении ниобия со сталью успешно используется
ударная сварка в вакууме.
Сварка трением. Сварка треиием тугоплавких металлов осущест-
вляется в вакуумных камерах. Для этой цели стандартные установки
(например, типа УСТМ-45) модернизируются — на них устанавлива-
ются герметичные камеры с системой откачки [28].
Сварка взрывом с последующей прокаткой применяется для полу-
чения стали, плакированной танталом. Коррозионная стойкость сварных
химических аппаратов, изготовленных из такого биметалла, настолько
велика, что они успешно работают даже в тех весьма агрессивных сре-
дах, в которых до последнего времени стойким считали только золото.
7.4. Молибден, вольфрам, хром
Металлургические и технологические особенности сварки.
В общем случае свариваемость сплавов иа основе молибдена, вольфра-
ма и хрома определяется рядом факторов, например составом сплава;
термомеханической обработкой и технологией получении листа под
сварку; структурой исходной заготовки; механической и кристаллогра-
фической текстурой, обусловленной прокаткой; анизотропией механи-
ческих свойств; способностью противостоять образованию дефектов
(пор, трещин и др.).
Металлы основной подгруппы VI группы и их сплавы имеют наи-
худшую свариваемость (за исключением сплавов с рением) среди других
тугоплавких металлов прежде всего в связи с весьма малой раствори-
мостью и наибольшей чувствительностью к примесям внедрения.
В наибольшей степени металлы охрупчивает кислород.Химическая
активность металлов основной подгруппы VI группы по отношению
к нему и другим примесям внедрения выше, чем у металлов основных
подгрупп IV и V групп. Однако при высоких температурах, характер-
ных для сварки плавлением, они легко взаимодействуют с окислителя-
ми. Молибден и вольфрам не образуют оксидов, устойчивых при высо-
ких температурах. Лишь оксид хрома Сг2О7 является пассивирующим.
Заметное окисление хрома начинается с 780 °С, в то времи как окисле-
ние молибдена и вольфрама — с 300 °С. При температурах ниже
475 °С на молибдене происходит образование плотно прилегающей
оксидной пленки, которая в интервале температур 475—700 °С испаря-
ется тем быстрее, чем выше температура. Пары воды вызывают быстрое
окисление молибдена уже при 700 °С. Металлы этой группы чрезвы-
чайно чувствительны к термическому циклу сварки, поскольку в ис-
ходном материале содержание примесей, как правило, значительно
выше предела растворимости. На участках основного материала с по-
вышенным содержанием примесей происходит преимущественное обра-
зование трещин, местное снижение порога хладноломкости и пластич-
ности.
В отличие от металлов основных подгрупп IV и V групп металлы
основной подгруппы VI группы не образуют устойчивых гидридов, их
сварные соединения не склонны к водородной хрупкости. Однако насы-
щение шва водородом также снижает его пластичность и способствует
образованию дефектов в виде пор и трещин.
На свойства сварных соединений влияет скорость охлаждения,
с которой связаны выделение второй фазы (карбидов, нитридов и др.),
ее вид (глобулярный, игольчатый, пластинчатый) и зоны выделений
(на границе, в теле зерна). Оптимальные параметры цикла определя-
ются природой сплава, толщиной металла, методом сварки.
Сварные соединения хорошего качества получают при использо-
вании металлов высокой частоты и однородности по примесям. Свари-
ваемые сплавы обычно легируют элементами, уменьшающими влияние
примесей внедрения. На металлы основной подгруппы VI группы бла-
гоприятно влияет рений (в количестве до 25 %), который, повышая
прочность и пластичность металла, резко уменьшает склонность к
хрупкому разрушению благодаря интенсивному развитию двойникова-
ния при деформации, очищению границ зерен от примесей, повышению
предельной растворимости примесей внедрения. Без содержания
в определенных пропорциях указанных легирующих элементов в ме-
талле шва нельзя получить достаточно пластичные и прочные соедине-
ния из сплавов на основе металлов основной подгруппы VI группы
[76, 329].
Хорошее качество сварных соединений достигается при примене-
нии присадочных материалов с пониженной чувствительностью к при-
месям внедрения. Например, легирование металла шва при сварке мо-
либденовых сплавов ВМ1, ЦМ2, ЦМ6 рением в пределах 45—50 % яв-
ляется эффективным средством повышения его пластичности. Для ле-
гирования используют проволоку МР47-ВП или фольгу рения. Вве-
дение в молибден элементов-модификаторов (С С 0,06 %) и элементов
VIII группы (Ре, Со, Ы1, Лг) повышает его пластичность в литом и
рекристаллизованном состоянии вследствие измельчения зерна, умень-
шения структурной н химической неоднородности по сечению соедн-
нени я.
Повышению качества сварных соединений могут способствовать
предварительный отжиг и подогрев основного металла, а также после-
дующий отжиг сварного соединения. Отжиг основного металла перед
сваркой снижает степень его неоднородности и напряжения, а в ряде
случаев (например, при отжиге в высоком вакууме) уменьшает содер-
жание примесей внедрений. Так, для молибдена рекомендуют прини-
мать температуру отжига 875—900 °С. Предварительный нагрев (для
молибдена 200—500 °С, для вольфрама 300—600 °С), а также сопутст-
вующий подогрев до 600—650 °С способствуют понижению хрупкости
соединений, вносят изменение в термические циклы сварки, благодаря
этому в ряде случаев устраняют склонность швов к образованию тре-
щин [76, 329[. В то же время они оказывают неблагоприятное воздей-
ствие вследствие диффузионного перераспределения примесей, выпа-
дении их соединений на границах, а также образования вторичных фаз
[329[. Поэтому необходимость предварительного подогрева устанав-
ливается в каждом конкретном случае в зависимости ог типа сплава,
его толщины и степени чистоты, а также от вида сварного соединения
и жесткости конструкции. Отжиг сварных соединений (для молиб-
дена примерно при 1000 °С, для вольфрама — при 1800 °С [76, 3291)
используют для снятия остаточных напряжений и стабилизации струк-
туры металла шва и околошовной зоны.
Для соединений из сплавов иа основе молибдена, вольфрама
и хрома применяются следующие способы сварки: дуговаи в камерах
с контролируемой атмосферой особо чистых инертных газов, ЭЛС кон-
тактная, диффузионная, трением.
Подготовка к сварке. Вследствие специфических особенностей
сплавов хрома, молибдена и вольфрама — образование поверхностных
трещин при механической обработке сплавов хрома, склонность к рас-
слоению деформированных сплавов молибдена и высокая твердость
вольфрамовых сплавов — требуется тщательный выбор способов и ме-
тодов вырезки заготовок под сварку. Допускается подготовка кромок
к сварке порезкой абразивными камнями. При подготовке заготовок
сложной формы из сплавов вольфрама оптимальные результаты дости-
гаются элек'1 роэрозионноп обработкой кромок. Такая обработка не-
приемлема для сплавов хрома, так как в поверхностном слое возможно
образование микротрещин. Для молибденовых сплавов рекомендуется
вырезка на гильотинных ножницах с последующим фрезерованием
кромок вдоль листа.
Точность сборки стыка — необходимое условие получения каче-
ственных соединений. Так, при сварке молибденовых труб фрезерова-
ние должно обеспечить отклонение от кромок не более ±0,05 мм. Для
тонколистовых сплавов допускается отклонение по толщине не более
±0,07 мм.
Поверхность непосредственно перед сваркой необходимо очищать
электролитическим полированием или химическим травлением. При
сильно загрязненной и окисленной поверхности молибденовых сплавов
поверхность очищают, последовательно погружая деталь в расплав-
ленный едки й нагр с последующей промывкой в растворе, содержащем
95 % серной кислоты, 4,5 % азотной кислоты, 0,5 %плавиковой кисло-
ты с добавлением 18 г/дм3 хромового ангидрида. После этого промывают
в проточной воде и сушат струей теплого воздуха.
При малой загрязненности поверхности сплавов молибдена реко-
мендуются следующие травители: 1) раствор фосфорной и азотной кис-
лот (1 : 1), разбавленный водой до плотности 1,37 — 1,38 1194]; 2) сер-
ная кислота 54 % объема, азотиая 45 % объема, плавиковая кислота
1 % объема, 18,8 г оксида хрома на 1 л раствора, травление при 60 °С
в течение 30 с.
Электролитическое травление производят в течение 30 с в электро-
литах таких составов: 1) 50 мл соляной кислоты, 20 мл серной кислоты,
150 мл метилового спирта; 2) соляная кислота 50 % объема, вода 50 %
об ьема.
Для травления нелегированного вольфрама и сплава XV — 25 %
Не рекомендуется такой состав травителя: 9 частей плавиковой кис-
лоты. 1 часть азотной кислоты.
При подготовке поверхности низколегированных сплавов хрома
к сварке единственно допустимым методом является электрополировка.
Ее выполняют непосредственно перед сваркой в электролите следую-
щего состава: 610 мл фосфорной кислоты, 240 мл серной кислоты и
150 мл дистиллированной воды. Режим электрополировки: напряже-
ние 10 В, плотность тока 2—2,5 • 101 А/м2.
Дуговая и электронно-лучевая сварка. Для соединений металлов
основной подгруппы VI группы используют ЭЛС и дуговую сварку.
ЭЛС осуществляют в вакууме при остаточном давлении, не превышаю-
щем 0,013 Па. При этом исключается возможность загрязнения металла
шва примесями внедрения. В процессе сварки в вакууме происходит
частичная очистка металла шва от газовых примесей, что способствует
повышению качества сварного соединения.
Дуговую сварку неплавящимся электродом выполняют в камерах
с контролируемой атмосферой в среде аргона или гелия, которые пред-
варительно осушают от влаги и очищают от вредных примесей.
При сварке молибденовых сплавов для получения сварных соеди-
нений с температурой хлодноломкости ниже комнатной объемное
содержание кислорода в защитной атмосфере не должно превышать
10-4%: объемное содержание азота в гелии в процессе сварки может
достигать 1,2 %, в аргоне —0,1 %.
Дуговую сварку неплавящимся электродом молибденовых сплавов
толщиной до 4 мм и ЭЛС — толщиной до 12 мм выполняют односторон-
ними швами, как правило, без присадки.Применение ЭЛС целесообраз-
нее в связи с уменьшением ширины шва и ЗТВ по сравнению с дуговой
сваркой. Ориентировочные режимы дуговой сварки в камерах с конт-
ролируемой атмосферой и ЭЛС молибденовых сплавов приведены
в табл. 7.46, 7.47.
Таблица 7.46. Ориентировочные режимы дуговой автоматической сварки
молибденовых сплавов неплавящимся электродом в среде инертных
газов |194]
Ь, мм 1>Св, М/С Сварка в гелии Сварка в аргоне
^св» А Уд. В ^св> А Уд. В
0,5 2,8 50—60 18
1 2,8 100—120 17,5 120—135 10
1 5,6 130—140 18 140—160 12
1,5 2,8 170-190 18 — —
2 2,8 200—225 18 200—240 10
2 5,6 255—270 18 260—300 10
3 2,8 300—340 10
4 2,8 450—470 18 400—450 10
Таблица 7.47. Ориентировочные режимы ЭЛС молибдена и его
сплавов [194]
Металл 6, мм /п, мА У ус. в УСв« М/С
Мо 1,0 70-80 18—20 16,8
2,0 100—120 20—22 11,2
3,0 200—250 20—22 8,4
Мо-0,5 Т1 0,125 1.2 85 11,2
1,50 7,0 120 И.2
2,5 12,0 135 11.2
ЦМ6 1,25 17,0 60 2.8
1,25 22—23 60 Н.2
1.15 29—31 60 22,4
Вольфрам и его сплавы сваривают в камерах с контролируемой
атмосферой неплавящимся электродом и ЭЛС. При сварке вольфрама
толщиной более 3—4 мм ЭЛС является единственным способом, который
обеспечивает наиболее благоприятное соотношение глубины провара
и ширины шва. Кроме того, незначительная протяженность зоны тер-
мического влияния при наиболее узком шве является во многих случаях
обязательным условием повышения качества сварных соединений. Ду-
говую сварку вольфрама выполняют в гелии. Ориентировочные режи-
мы дуговой сварки вольфрама неплавящимся электродом и ЭЛС приве-
дены в табл. 7.48, 7.49.
Таблица 7.48. Ориентировочные режимы дуговой автоматической
сварки вольфрамовых сплавов неплавящимся электродом в среде
инертных газов [194]
6, мм Газ ^СВ’ А "д’ в ссв, М/С
0,5 Гелий 65—75 18—19 2,8
95—105 17,5 И,2
150—170 20 22,4
1 » 160—170 18—19 2,8
210—230 20 Н.2
320—340 20—22 22,4
Аргон 160—170 7—8 5,04
2 Гелий 260—280 17 2,8
440—470 20 19,6
Аргон 290—310 11—12 7,2
2,6 » 350 10—15 4,2
Таблица 7.49. Ориентировочные режимы ЭЛС вольфрамовых
сплавов [194]
Ь, мм 1„, мА "ус. в 1»Св, М/С
0,12 2,9 90,0 42,0
0,51 60 20,0 2,6
1.0 22,5 30,0 15—19
1.5 37,5 30,0 19,0
2,0 115 21,5 2,8
2,0 170 21,5 19,6
2,5 16 150,0 8,4
Затруднения, возникающие при сварке хрома, связаны с его низким
сопротивлением механическим и тепловым ударам, высокой склонно-
стью к хладноломкости (в зависимости от содержания примесей темпе-
ратура перехода металла из вязкого в хрупкое состояние находится
в пределах 47—247 °С).
Из-за высокой упругости паров хрома происходит сильная воз-
гонка металла при ЭЛС, поэтому давление в камере не должно превы-
шать 1 • 10-4 Па.
Ориентировочные режимы сварки сплавов хрома неплавящимся
электродом в камере с контролируемой атмосферой гелия приведены
в табл. 7.50.
Диффузионная сварка. Как правило, сварка выполняется в ваку-
умных камерах при давлении не ниже 3,5 МПа и температура нагрева
более 1300 °С. Нагрев выполняют электронно-лучевым способом с по-
мощью кольцевых пушек.
Таблица 7.50. Ориентировочные режимы автоматической сварки
низколегированных сплавов хрома неплавящимся электродом в гелии
[194]
Ь, мм ^СВ- А "д, в «СВ- "/о
1 2,8 65 18
5,6 90 17
11,2 150 17
22,4 190 18
2 2,8 135 18
5,6 200 17,5
11,2 200 17
22,4 290 18
Соединение вольфрама без промежуточных прослоек при нагреве
до 2000—2400 °С не происходит из-за слабой диффузии между двумя
контактирующими поверхностями. При более высоких температурах
происходит процесс рекристаллизации вольфрама и получить работо-
способное соединение не удается. Применение промежуточных прослоек
из металлов, обладающих более низкой, чем вольфрам, энергетической
устойчивостью атомов, позволяет снизить температуру сварки до 900—
1200 °С, т. е. до температур, когда процессы рекристаллизации не проис-
ходят. В качестве прослоек применяют никель, ниобий, титан, а также
сплавы никель — палладий, рений — тантал, прослойки металличе-
ских порошков.
Высокая прочность соединения обеспечивается при применении
двухкомпонентной прослойки такого состава: 90 % IV — 10 % И при
сварке на режиме Т = 1200 °С; р = 140 МПа.
Таблица 7.51. Оптимальные режимы диффузионной сварки молибдена
с прослойками [194]
Номер режима Состав слоя т, °с р, МПа Выдержка при тем- пературе сварки, ко
1 1800 10 0,9—1,2
2 1600 12—20 1.2
3‘ 900 150 1,2
4 Си 950 15 0,6
5 № 930 70 1,2
6 11 900 70—80 1,2
* Поверхность полировалась, остальные шлифовались.
Сварку молибдена можно проводить как с прослойками, так и без
иих. В табл. 7.51 приведены режимы сварки. Результаты испытаний
иа вязкость, полученные при диффузионной сварке, приведены ниже:
Расстояние от стыка, мм 0 0,1 0,3 1,0 3,0
ан, МДж/м2 0,042 0,054 0,047 0,035 0,042
Глава 8
ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ РАЗНОРОДНЫХ
ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И ИХ СПЛАВОВ
8.1. Металлургические особенности
соединения разнородных металлов
Необходимость сваривать разнородные металлы, обладаю
щие различными физико-химическими и прочностными свойствами, воз-
никла в связи с развитием техники и потребностью наиболее полно
использовать в машинах и аппаратах характерные особенности мате-
риалов. Эго дало бы возможность создавать экономически и технически
эффективное промышленное оборудование, узлы и детали которого
работали бы в оптимальных условиях, повысить его надежность и долго-
вечность, улучшить качество выпускаемой продукции. Однако соеди-
нение разнородных металлов различными способами сварки ограничено
рядом металлургических и технологических трудностей.
Свариваемость разнородных металлов определяется прежде всего
сочетанием физико-химических свойств соединяемых металлов и техно-
логий сварки. Металлургические процессы при сварке разнородных
металлов более сложны и менее исследованы, чем процессы сварки
однородных металлов. Можно перечислить по крайней мере шесть
основных условий, выполнение которых обеспечивает получение каче-
ственного сварного соединения:
1) свариваемые металлы должны образовывать непрерывный ряд
твердых растворов;
2) металлы должны иметь близкие значения теплофизических
характеристик (температура плавления, теплопроводность, коэффи-
циент линейного расширения);
3) взаимное растворение свариваемых металлов не должно приво-
дить к резкому снижению пластичности металла шва;
4) в металле шва должны отсутствовать выделения хрупких фаз,
которые могут появляться вследствие структурных превращений в про-
цессе изготовления или в условиях эксплуатации сварного изделия;
5) необходимы оптимальные условия кристаллизации металла шва
и формирования всего сварного соединения;
6) металлы не должны образовывать низкотемпературную эвтек-
тику.
Имеется очень мало пар разнородных металлов, при сварке кото-
рых можно было бы полностью обеспечить выполнение перечисленных
условий. В сварочной литературе чаще всего рассматривается условие
образования непрерывных твердых растворов и недостаточно внимания
уделяется остальным. Если же свариваемые металлы образуют непрерыв-
ный ряд твердых растворов, но при этом существенно отличаются по
теплофизическим характеристикам, а также склонны к сильному вза-
имному твердорастворному упрочнению, то задача сварки таких метал-
лов весьма сложна.
При сварке разнородных цветных металлов большое значение
приобретает правильный выбор способа и технологии сварки. В этом
большую помощь может оказать рассмотрение равновесных диаграмм
состояния, которые позволяют анализировать превращения, протекаю-
щие в двух, трех и более компонентных металлических системах при
плавке, кристаллизации, термической обработке и других техноло-
гических операциях. Хотя диаграммы состояния строят для условий
равновесия или достаточно близким к ним, знать их при сварке разно-
родных металлов необходимо. Они позволяют оценить фазовые превра-
щения и условия их осуществления в данной металлической системе.
Наиболее часто встречающиеся типы диаграмм состояния в двойных
металлических системах представлены на рис. 8.1. Самую сложную
диаграмму всегда можно представить состоящей из нескольких простых
имеющих характерное строение.
Из конструкционных металлов только системы Си — № и 71 — V
обладают неограниченной взаимной растворимостью как в жидком,
так и в твердом состоянии [193. 298]. Соединение меди с никелем можно
производить сваркой плавлением без присадки или с присадкой меди,
никеля, медно-никелевых сплавов, а также сваркой давлением [298].
Титаи с ванадием хотя и образуют непрерывный ряд твердых растворов,
однако качественное сварное соединение удается получить только
при содержании ванадия в шве не более 20—30 %, когда при после-
дующем нагреве не происходит образование ш-фазы в металле шва
[193]. Другими примерами комбинаций металлов, которые образуют
непрерывные ряды твердых растворов, являются пары серебро —
золото, нккель — платина, хром — молибден, кадмий — магний и др.
[298].
Большинство цветных металлов образуют в двойных системах
твердые растворы с ограниченной взаимной растворимостью. Возмож-
ны два вида диаграмм: с образованием эвтектики (рис. 8.1, б) и обра-
зованием перитектики (рис. 8.1, в). Если химические соединения отсут-
ствуют, то между компонентами образуются смесн (эвтектические и
перитектические), состоящие из кристаллов твердых растворов на
основе этих компонентов. Различные смеси кристаллов образуются
между металлами как с одинаковыми, так и с разными по типу кристал-
лическими решетками, однако решетки таких металлов заметно отлича-
ются своими параметрами. Обычно между металлами, расположенны-
ми в одной подгруппе периодической системы элементов, химические
соединения ие образуются.
Очень часто между ограниченно растворимыми в твердом состоя-
нии металлами образуются различные химические соединения (рис.
8.1, г). Принято считать [111], что химические соединения образуются
между элементами, которые стоят далеко друг от друга в периодиче-
ской системе и сильно отличаются строением атомов и физико-хими-
ческими свойствами. Многие химические соединения характеризуются
сложной кристаллической структурой. Их кристаллические решетки
обычно относятся к другим типам, чем решетки исходных компонентов.
В реальных диаграммах состояний часто образуется не одно, а несколь-
ко химических соединений. Сварка таких пар металлов весьма сложна
и требует применения как соответствующих способов сварки, так и
специальных технологических мер.
При соединении разнородных металлов решающее значение имеет
правильный выбор способа сварки. Выбор способа может быть обуслов-
лен как металлургической совместимостью металлов, так и конструк-
цией изделия.
При сварке плавлением разнородных металлов применяют основ-
ные способы сварки — дуговую (под флюсом, в среде защитных газов),
плазменную, ЭЛС, лазерную, ЭШС и др. Сварное соединение образуется
в результате перемешивания в сварочной ванне жидких металлов. За-
дача соединения разнородных металлов с обеспечением необходимых
физико-химических свойств металла шва и всего соединения в целом
может быть решена технологически, путем применения таких способов
и приемов, которые позволяют регулировать как долю основного ме-
талла в шве, так и тепловложение на каждой из кромок.
Для регулирования химического состава шва предложен способ
сварки с одновременной подачей в разделку нескольких проволок раз-
личного состава. Присадочные проволоки располагают параллельно
ДРУГ другу, причем крайние проволоки подают вплотную к свариваемым
кромкам и перемещают параллельно им по мере заполнения раз-
делки.
При дуговой сварке продолжительность теплового воздействия
дуги на основной металл можно регулировать колебаниями дуги попе-
рек шва с помощью специального вибратора поперечных колебаний.
При ЭЛС распределение мощности луча между кромками осуществля-
ется либо смещением оси источника нагрева, либо модуляцией его
мощности при переходе с одной кромки на другую, либо сваркой двумя
независимо действующими электронными лучами [401]. При этом мощ-
ности, приходящиеся на свариваемые кромки, можно раздельно дози-
ровать и контролировать в широких пределах. Предложенный способ
обеспечивает получение более качественного соединения между разно-
родными металлами.
При сварке металлов, образующих химические соединения или
резко отличающихся температурой плавления, теплопроводностью, а
также обладающих незначительной взаимной растворимостью, приме-
няется сварка-пайка. Этот способ характеризуется тем, что расплавля-
ется только один из соединяемых металлов, в то время как другой
(обычно более тугоплавкий) остается твердым.
Наиболее сложной задачей является сварка металлов, образующих
интерметаллиды. В этом случае следует учитывать температурно-вре-
менные условия образования интерметаллидов. Технология сварки
выбирается таким образом, чтобы длительность контакта разнородных
металлов при максимальных температурах не превышала времени, не-
обходимого для достижения предельной концентрации, выше которой
образуются интерметаллиды. Чтобы избежать образования интерметал-
лидов как при сварке плавлением, так и прн сварке-пайке, иногда
используют промежуточные прослойки, состав которых выбирают при-
менительно к конкретным парам металлов и конструкциям. Прослойки
применяются в виде отдельных промежуточных конструктивных эле-
ментов третьих металлов, свариваемых с каждым из соединяемых
металлов в виде наплавки на одну нз свариваемых кромок, или могут
быть нанесены любым другим способом (напыление, гальванические
покрытия и т. д.). Правильным выбором прослоек можно не только
исключить возникновение интерметаллидов, но и обеспечить релакса-
цию сварочных остаточных напряжений в соединениях разнородных
металлов.
Весьма перспективна для соединения разнородных металлов свар-
ка давлением. Особенностью этого способа является то, что образование
физического контакта, межатомное и объемное взаимодействие при
формировании соединения происходят в твердой фазе. Физический кон-
такт возникает в результате пластической деформации более мягкого
из соединяемых металлов, а образование металлических связей завер-
шается при определенной степени деформации приконтактных объемов
более твердого из соединяемых материалов. Диффузия в зоне контакта
приводит к формированию переходной зоны, состоящей из неограни-
ченных твердых растворов или из ограниченных твердых растворов
с появлением эвтектоидов и интерметаллидов.
Прн сварке разнородных металлов в твердом состоянии часто ис-
пользуют промежуточные прокладки. Они изготавливаются, как пра-
вило, из металлов, свойства которых отличаются от свойств сваривае-
мых металлов, и предназначаются для того, чтобы в зоне контакта ис-
ключить образование интерметаллидов, снизить уровень остаточных
напряжений, активировать поверхность твердого металла, интенсифи-
цировать диффузионные процессы. Наиболее успешно эти задачи реша-
ются, если удается применить промежуточный слой из высокопластич-
ного металла. Если значения коэффициентов термического расширения
соединяемых материалов сильно отличаются, то снизить уровень оста-
точных напряжений можно применением специальных вставок, кото-
рые выполняются методами порошковой металлургии или плавкой
предварительно изготовленных электродов переменного химического
состава. Предполагается, что если различие коэффициентов термиче-
ского расширения в соседних слоях вставки не превышает 2 • 10-вК-1,
то при возникновении переменных термических напряжений растрес-
кивание соединений маловероятно. Если по условиям эксплуатации
сварного изделия нельзя применять промежуточные прослойки нз
других металлов, то разнородные металлы сваривают так, чтобы пло-
щадь их контакта была по возможности более обширной по сравнению
с рабочим сечением детали. Для этого предлагается свариваемые дета-
ли заострять иа конус (от 15 до 140°) и затем запрессовывать друг в дру-
га при определенной температуре [145]. Наличие слоя интерметалли-
дов на такой поверхности контакта не оказывает решающего влияния
на эксплуатационные свойства сварных соединений.
8.2. Технология сверки плавлением
Сварка разнородных металлов требует разработки та-
ких технологических процессов, которые учитывают не только метал-
лургическую совместимость, но и разницу в физических свойствах сое-
диняемых металлов: теплопроводность, теплоемкость, температуру
плавления, коэффициенты термического расширения и т. д. Эти условия
реализуются, если применять различные способы сварки и технологи-
ческие приемы, обеспечивающие направленное регулирование тепло-
вых и диффузионных процессов с целью получения соединений с требуе-
мыми эксплуатационными свойствами.
Сварка сталей с медью и ее сплавами. При изготовлении химиче-
ской аппаратуры, кристаллизаторов, конвертеров и во многих других
случаях возникает необходимость соединять стали различных клас-
сов с медью и ее сплавами. Из диаграммы состояния системы Ре—Си
следует, что эти металлы сплавляются во всех соотношениях.
Медь со сталью больших толщин сваривают вручную угольным или
металлическим электродом. Сварное соединение надежно при неболь-
шом проплавлении стали и малом содержании железа в металле шва.
Это достигается путем регулирования нагрева и плавления меди и ста-
ли. Теплоту дуги концентрируют на меди, а сталь разогревается
и оплавляется благодаря теплоте, поступающей от ванны расплавлен-
ного металла. На этом же принципе разработана технология автома-
тической сварки под флюсом меди со сталью больших толщин металли-
ческим электродом без предварительного подогрева [121]. Образцы из
меди М2 со сталью СтЗ толщиной 18 мм (стыковое соединение) и сплава
Бр.Х1 толщиной 30 мм со сталью СтЗ толщиной 40 мм (угловое соедине-
ние) сваривали за один проход электродной проволокой Бр.XI диа-
метром 5 мм под флюсом АН-26. Режимы выбирали из условия сквоз-
ного проплавления меди в соответствии с режимами сварки меди тех же
толщин. Опытным путем установлено, что для получения качественного
соединения меди со сталью электрод в процессе сварки должен быть
смещен от линии стыка в сторону меди на величину, равную половине
толщины свариваемых заготовок. Меньшее смещение приводит к замет-
ному оплавлению стали, а большее — к неполному провару. Сварку
можно выполнять как с разделкой кромок со стороны стали, так и без
нее. На качество сварки существенно влияет зазор между сваривае-
мыми кромками, который не должен превышать 1 —1,5 мм. Сварку под
флюсом стыковых соединений меди со сталью выполняют на флюсовой
подушке, угловых швов — на графитовой пли остающейся стальной
подкладке Для предотвращения вытекания жидкого металла при
сварке угловых швов устанавливают формирующие графитовые блоки
со стороны меди. Используют то же оборудование, что и для сварки
под флюсом толстолистовой меди.
В металле шва содержится до 2,3 % Ре. Это количество распреде-
лено в виде дисперсных включений по сечению шва. Разрыв образцов
происходит обычно по меди, что свидетельствует о высокой прочности
зоны сплавления. Повышение прочности сварного соединения по
сравнению с прочностью основного металла объясняется наличием же-
леза в металле шва (табл. 8.1).
Аргонодуговую сварку неплавящимся электродом применяют
главным образом для соединения деталей небольших толщин. Исследо-
вания позволили рекомендовать применение непосредственной арго-
нодуговой сварки соединений меди МЗр и сплава МНЖ5-1 со сталью
12Х18Н10Т с использованием проволоки МНЖКТ5-1-0,2-0,2 даже
в тех случаях, когда изделия работают в условиях повторно-перемен-
ного (циклического) нагружения.
Таблица 8.1. Мехавические свойства сварных соедивеиий меди со
сталью, выполненных под флюсом
Сплав Ь, мм Ов, МПА Од 2. МПа в. % Ф. %
Бр.Х1 + СтЗ ЗОф-40 262 127 24,7 71,9
М2 + СтЗ 18 254 103 27,0 76,3
Бр.Х1 (основной ме- 30 211 99 54,5 80,9
талл) М2 (основной металл) 18 219 85 51,9 84,6
Особенности формирования структуры и механические свойства
соединений меди М1б с малоуглеродистой сталью 20, полученных ЭЛС,
изучены в работах [337, 406]. Исследовали плоские и кольцевые соеди-
нения. Плоские подвергали механическим испытаниям, кольцевые —
гидравлическим под давлением 2,5 МПа. Установлена целесообразность
двухпроходной сварки. За основу взят вариант, когда первым прохо-
дом достигается заданная глубина провара, вторым — при расфокуси-
рованном на 10 % луче обеспечивается необходимая плотность шва
(залечивание жидкой медью микротрещин в стали). Для устранения
кристаллизационных трещин, а также для исключения необходимости
второго прохода в сварочную ванну добавляли различные количества
алюминия. В стык помещали фольгу из алюминия с таким расчетом,
чтобы на 1 мм длины шва поступало 0,01 г алюминия. Сварные соеди-
нения меди с малоуглеродистой сталью, выполненные ЭЛС, имеют
более высокие показатели механических свойств в присутствии в шве
алюминия по сравнению с соответствующими характеристиками без алю-
миния (табл. 8.2). Введение в сварочную ваину алюминия благоприят-
но сказывается на структуре металла шва.
В работе [3] описаны эксперименты по непосредственной сварке
коррозионно-стойкой стали типа 18-8 с медью и сплавами на ее основе.
Таблица 8.2. Механические свойства сварвых соединений меди М1б
со сталью 20, выполненных ЭЛС
Положение пятна нагревв относительно центра стыка ов, МПа он, кДж/м* а, град
Надрез в центре шва Надрез в ЗТВ со стороны
меди стали
Смещено на 0г5 мм в сторону меди 195 760 1300 1140 180
По центру стыка 133 480 1040 1080 91
Смещено на 1 мм в сторону стали 120 500 100 390 180
По центру стыка (с добавлением алю- миния) 276 1940 770 1250 180
Аустенитная сталь 12Х18Н9Т прн наплавке на нее меди и нх сварке
обладает повышенной склонностью к образованию макротрещин, чему
способствует проявление так называемого адсорбционно-расклинива-
ющего эффекта. Установлено [12], что трещины образуются в резуль-
тате совместного действия жидкой меди, проникающей в микронадры-
вы, которые возникают прн кристаллизации стали, и термических на-
пряжений растяжения. Необходимым условием возникновения этого
эффекта является смачивание стенок капилляра. Из двух фаз, присут-
ствующих в рассматриваемых сталях, жидкая медь смачивает аусте-
нит (у-фазу) и не смачивает феррит (а-фазу). Поэтому наличие феррит-
ной фазы в стали уменьшает проникновение в нее меди, а содержание
феррита более 30 % в аустенитно-ферритной стали его полностью
устраняет.
Для устранения появления трещин рекомендуется предваритель-
ный подогрев стали 12Х18Н9Т до температуры 800 °С, вызывающей
выделение ферритной фазы [12], нли наплавка на стальные кромки
подслоя аустенитно-ферритного металла. Проникновение меди при
этом снижается.
Сварка биметалла сталь + медь и ее сплавы получила развитие
благодаря использованию этого материала при изготовлении корпусов
аппаратов и цистерн в производстве синтетического каучука, смол,
дли хранения и перевозки различных агрессивных сред и др.
Свариваемость биметаллов сталь + латунь Л90, сталь + бронза
Бр.ОЦ4-3, сталь + медь МЗр изучена в работе [21]. Основные затруд-
нения, возникающие при сварке биметалла, как и при сварке меди и ее
сплавов, обусловлены значительным сродством меди к кислороду,
склонностью ее к пористости, высокой теплопроводностью. При сварке
биметалла толщиной 10 мм необходимо применять несимметричную
Х-образную разделку кромок с углом скоса 30—35°. Высокое качество
сварного соединения обеспечивает автоматическая сварка под флюсом
электродной проволокой диаметром 2 мм, имеющей тот же состав, что
и основной металл
На оптимальном режиме сварки можно получить плотные швы без
заметного перемешивания разнородного металла шва. Механические
свойства сварных соединений биметаллов следующие (средние значе-
ния): для биметалла сталь 10 + Бр.ОЦ4-3 —ов = 360 МПа; ан =
= 940 кДж/м2; сталь 10 + МЗр — ов = 310 МПа; ан= 830 кДж/м2;
сталь Ю+Л90 — ов = 330 МПа; аи = 660 кДж/м2. Угол изгиба как
в сторону основного слоя, так и в сторону плакирующего слоя 180°.
Биметалл сталь + медь может быть применен в виде соединитель-
ного элемента (переходника) при сварке стали с медью. При этом сталь
приваривается к стальному слою биметалла, а медь и ее сплавы —
к медному. Особенности дуговой сварки меди со сталью через биметал-
лический переходник описаны в работе [163]. Исследования проводили
применительно к стыковым и тавровым соединениям меди М1б со
сталью СтЗ. Сварку стыковых соединений металла толщиной 6—8 мм
выполняли в два-три прохода с У-образной разделкой стальной кромки.
Зазор между кромками составлял 0,5—1 мм. При выполнении корне-
вого шва ось электрода смещали в сторону стальной основы биметалли-
ческого переходника. Сварку металла толщиной 10 мм предпочтитель-
но было выполнять с двух сторон с К-образной разделкой со стороны
стали и притуплением не более 1,5 мм при зазоре 0,5—1 мм.
Сталь сваривали полуавтоматами А-547У, А-537 в углекислом
газе на постоянном токе обратной полярности с использованием про-
волоки Св-08Г2С диаметром 1,2 мм (для металла толщиной 6—8 мм)
н 1,6 мм (для металла толщиной 10—16 мм). Режим сварки изменяли
в следующих пределах: для проволоки диаметром 1,2 мм /св = 100 4-
4- 300 А, (7Д = 18 4- 26 В; для проволоки диаметром 1,6 мм /св =
= 200 4- 350 А, (7Д = 24 4- 32 В. Для рассматриваемых случаев
рекомендуется минимальная толщина стального элемента переход-
ника не менее 2,5—3 мм [1631. Для угловых соединений металла тол-
щиной 6—12 мм применимы V- и К-образные разделки кромок.
Сварка стали с алюминием и его сплавами. Соединение алюминия
и его сплавов с различными типами сталей имеет большое значение
для многих отраслей промышленности, поскольку в них сочетаются
легкость, хорошая электрическая проводимость, коррозионная стой-
кость алюминия с прочностью и пластичностью стали. Однако полу-
чение таких соединений наталкивается на большие трудности, связан-
ные прежде всего с химическим взаимодействием этих металлов, спо-
собствующим образованию интерметаллических соединений в зоне
контакта. Поэтому при решении задач по соединению алюминия и его
сплавов со сталями используются такие способы, которые предусмат-
ривают нанесение покрытий на поверхность стали металлом, хорошо
совместимым с алюминием, или использование переходной вставки
алюминий — сталь, полученной другим способом.
Разработанные способы сварки плавлением стали с алюминием
характеризуются общими признаками нанесения на сталь промежуточ-
ных прослоек из одного или нескольких металлов, которые не исклю-
чают образования иитерметаллндных фаз в соединении [267]. При этом
можно получить вполне удовлетворительную статическую прочность.
Однако такие соединения ненадежны для конструкций, подвергаю-
щихся при эксплуатации ударным нагрузкам.
Сталеалюминиевые конструкции можно создавать, применяя про-
межуточные элементы из биметалла сталь + алюминий, полученного
прокаткой. При таком способе производится сварка однородных метал-
лов, например алюминиевой детали с плакирующим слоем биметалла
из алюминиевого сплава, а стальной детали — со стальной основой би-
металла. При наличии биметалла сталь + алюминий можно сваривать
соединения различных типов: стыковые, тавровые, угловые и т. д.
В настоящее время отечественной промышленностью освоен вы-
пуск двух видов конструкционных биметаллов алюминий + сталь,
пригодных для использования в сварных изделиях: биметалл сталь
Х18Н10Т + сплав АМгб и биметалл армко-железо + сплав АМгб.
Средний предел прочности на отрыв слоев биметалла сталь Х18Н10Т+
+ АМг7 составляет 104—152 МПа, а биметалла армко-железо + АМгб—
130—146 МПа. С целью обеспечения надежного сцепления со сталью
технология изготовления биметалла Х18Н10Т+ АМгб предусматри-
вает предварительное плакирование сплава АМгб чистым алюминием.
Таким образом, в готовом виде биметалл является трехслойным мате-
риалом Х18Н10Т + алюминий АДО + АМгб.
При выборе режима сварки следует начинать с определения влия-
ния теплового воздействия источника нагрева иа сам биметалл, в част-
ности на поверхность схватывания слоев биметалла. Количество интер-
металлических железоалюминиевых фаз, образующихся по границе
раздела, определяется наибольшей температурой термического цикла,
длительностью пребывания при этих температурах и почти не зависит
от скорости охлаждения. Для определения максимально допустимых
температур нагрева биметалла алюминий + сталь при воздействии
термического цикла сварки проводились металлографические исследо-
вания [267], позволившие установить нижнюю температурную границу,
при которой образуется интерметаллическая прослойка. Ниже приве-
Таблица 8.3. Ориентировочные режимы сварки сталь-алюминиевых
Соединение
7
Сталь
Алюминий
2
Сталь
Алюминий
3 4
Алюминий
Сталь
Сталь
Алюминий
Со стороны алюминия
Номер шва ^СВ» А Расход аргона, л/мкн -св, м/ч
2 140—200 10—12 7—12
2 150—220 10—12 5—10
2—4 120—180 10—12 7—12
2 150—220 8—10 5—10
2 120—180 8—10 7—12
• При сварке углеродистых и низколегированных сталей с биметаллом армко*
’• При сварке отелей типа 45Г17ЮЗ о биметаллом армко-железо+оплав АМГ5В
соединений через биметаллические вставки
Со стороны стал»
Номер шва ^СВ’ А Уд. в исв. м/ч
1* 100—140 20—22 18—24
1** 80—120 18—19 4—8
1* 120—150 20—22 16—20
1** 100—140 18-19 6-10
1* 140—160 21—23 16—20
1** 120—150 18—19 6—10
1* 100—130 19—21 22—26
1 •• 80—120 18—20 20—24
1* 120—180 20—22 20—24
!** 110-150 18—20 21—26
железо-(-сплав АМгбВ.
или при использовании биметалла Х18Н10Т + АМгб.
дены значении нижней температурной границы образования интерметал-
лической прослойки для различных сочетаний металлов:
СтЗ 4- АДО 520—530
СтЗ + АМгЗ 520—525
СтЗ + АМгб 520
Х18Н10Т+ АДО 530—535
Х18Н10Т + АМгб 515—530
Армко-железо + АМц 520—525
Армко-железо + АСМ 520—525
При нагреве до температур 450 — 480 °С прочность сцепления
слоев биметалла практически не изменяется, а при 600 °С — падает
почти до нуля.
Режим сварки и прежде всего такой его параметр, как погониая
энергия, оказывает большое влияние на прочность соединения. При
использовании режимов сварки стального слоя с погонной энергией
до 42—46 Дж/м прочность сцепления слоев практически остается иа
одном уровне по сравнению и исходным состоянием. При использова-
нии режимов с погонной энергией более 46 Дж/м прочность резко
падает. Сварка алюминиевого слоя биметалла не снижает прочности
схватывания слоев при значении погонной энергии до 71,4 Дж/м. Ре-
жимы сварки соединений со стороны стали и со стороны алюминиевого
сплава, при использовании которых на границе схватывания слоев
биметалла не образуются хрупкие интерметаллические прослойки,
приведены в табл. 8.3.
Соединение алюминиевой стороны биметалла производилось с по-
мощью ручной аргонодуговой сварки неплавящимся электродом диа-
метром 3—4 мм с присадочной проволокой марки АМгб диаметром
2,5—4 мм, стальной стороны — с помощью полуаатоматической сварки
в среде углекислого газа сварочными проволоками СвО8Г2С иля
СвО8Х 19Н9Ф2С2 диаметром 1 —1,2 мм.
В связи с тем что значение разрушающего усилия и место разру-
шения сварных соединений сталь + алюминий с использованием би-
металлических вставок зависит от качества биметалла и его геометриче-
ского соотношения с толщиной свариваемых заготовок, были построены
графики (рис. 8.2) [267]. По ним в зависимости от толщины сваривае-
мого алюминиевого сплава и прочности отрыва слоев биметалла можно
найти минимальную ширину биметаллической вставки, обеспечиваю-
щей прочность, равную прочно-
сти свариваемого алюминиевого
сплава.
Технология сварки биметалла
встык имеет свои специфические
особенности [267]. Сложность за-
ключается в том, что швы при
сварке слоев нз стали и сплавов
алюминия между собой не соеди-
няются и не образуют монолитно-
го шва. В месте соприкосновения
этих швов всегда образуется
полоска несплавлении, которая
ослабляет стыковое соединение
в целом и может нарушать сплош-
ность слоя. Чем больше металла
расплавляется с каждой стороны
биметалла, тем шире зона нес-
плавления и хуже качество соеди-
Рис. 8.2. График для выбора ми-
нимальной ширины биметалличе-
ской вставки:
1 — ав = 140 МПа; 2 — ав = 100 МПа.
нения. Во избежание оплавления стали и связанного с этим резкого
охрупчивания алюминиевого шва производится специальная подго-
товка кромок: стальная кромка срезается, а алюминиевая плакировка
выступает за ее пределы. Аргонодуговая сварка неплавящимся элек-
тродом выполняется по стыку алюминиевой плакировки. Для луч-
шего теплоотвода при сварке со стороны плакирующего слоя уста-
навливаются теплоотводищие бруски. Стальные листы свариваются
путем тщательной и точной наплавки стальных валиков на кромки
с последующей заваркой разделки. В момент сварки стальных кромок
под сваренной алюминиевой плакировкой устанавливается медная теп-
лоотводящая подкладка.
Были опробованы следующие типы сварных соединений: без раз-
делки кромок, с У-образной и Х-образной разделкой. Сварку слоев би-
металла рекомендуется выполнять в такой последовательности: без
разделки кромок с зазором в стыке 0,5 мм или без зазора — первый шов
со стороны алюминиевого сплава, второй —со стороны армко-железа;
при разделке кромок — в обратной последовательности. В табл. 8.4
приведены результаты механических испытаний образцов из биметалла.
Разрушение сварных соединений происходит, как правило, по границе
шва с основным металлом со стороны армко-железа и по металлу шва
со стороны сплава АМг5. При этом прочность сварных соединений
по отношению к прочности несварного биметалла составляет 70—80 %.
Таблица 8.4. Результаты испытаний плоских сварных образцов из
биметалла
Тип разделки Зазор, мм ов, МПа Коэффициент прочности, %
Без разделки Без зазора 345—360 70
0,5 323—394 73
Без разделки с зачеканкой про- 2,0 358—384 73,5
ВОЛОКИ
У-образная 2,0 262—358 57
Х-образная 1,5 343—368 78
Сварка алюминиевых труб непосредственно со стальными представ-
ляет большие трудности, чем сварка листовых конструкций. Для этой
цели лучше использовать биметаллические втулки [2661. С биметалли-
ческой втулки перед сваркой с одного конца срезают алюминиевую
плакировку, а с другого — стальную основу биметалла. К полученной
таким образом ступенчатой втулке аргонодуговой сваркой приваривают
алюминиевую и стальную трубы.
Сварка конструкций из стали и алюминиевых сплавов с помощью
биметаллических вставок нашла применение при изготовлении кор-
пусных элементов в судостроении. Она позволяет отказаться в боль-
шинстве случаев от клепки и снизить трудоемкость выполнения соеди-
нений указанных конструкций более чем в два раза.
Сварка 'стали с титаном. Незначительная взаимная растворимость
между титаном и железом, образование интерметаллических соедине-
ний и эвтектик исключает возможность непосредственного соединения
титана со сталью известными способами сварки плавлением — сварные
швы получаются хрупкими и растрескиваются. В связи с этим задача
сварки плавлением этих металлов может быть решена лишь примене-
нием промежуточных вставок из других металлов, не образующих при
взаимодействии в области высоких температур хрупких фаз. Такие
прокладки могут быть из одного металла или представлять собой на-
бор из нескольких металлов или специальных сплавов. Многослойные
вставки могут также заранее подготавливаться сваркой в твердом со-
стоянии. Тогда плавлением свариваются однородные металлы — титан
с титаном, сталь со сталью. Впервые анализ возможных вариантов
вставок для пары сталь + титан выполнен в работе [77}. Отмечалось, что
титан удовлетворительно сваривается с очень ограниченным числом
металлов: цирконием, гафнием, ниобием, танталом, ванадием. Наиболее
пластичные соединения удается получить при сварке титана с циркони-
ем, ниобием и танталом. Сталь не сваривается непосредственно ни с од-
ним из перечисленных металлов, за исключением ванадия, который
как с железом, так и с титаном дает твердые растворы. Известно, что
в системе Ре—V образуется хрупкая а-фаза в широком интервале кон-
центраций.
Аргонодуговая сварка неплавящимся электродом титана со сталью
толщиной I —1,5 мм с использованием комбинированной вставки из
тантала или ниобия со стороны титана и нз бронзы со стороны стали
исследовалась в работе [77}. Швы формировались удовлетворительно,
дефекты в швах не наблюдались. Испытания плоских образцов на
разрыв показали, что прочность таких соединений составляет
600 МПа.
Более широкое распространение получила сварка плавлением ти-
гана со сталью с помощью вставок из ванадия и его сплавов. Исполь-
зование нелегнрованкого ванадия для эюй цели нецелесообразно ввиду
его низкой прочности. Легирование ванадия вольфрамом или хромом
(5—10 %) примерно в 1,5 раза повышает прочность ванадиевых сплавов
при сохранении высоких пластических характеристик [407]. Кроме
того, следует учитывать, что элементы, входящие в состав сталей, мо-
гут способствовать повышению хрупкости металла шва в соединении
сталь + ванадий. Это прежде всего никель, образующий с ванадием
интерметаллиды, н углерод (в связи с сильной карбидобразующей спо-
собностью ванадия). Поэтому технология сварки выбирается с таким
расчетом, чтобы в металле шва содержание ванадия, никеля и углерода
было ограничено.
Технология сварки плавлением титана с коррозионно-стойкими
сталями с применением вставок из ванадия описана в работе [231]. Сое-
диняли титановые сплавы ОТ4, ОТ4-1 со сталью 08Х15Н5Д2Т. Вна-
чале сваривали титан с ванадиевым сплавом аргонодуговым способом
на постоинном токе прямой полярности на подкладке из меди с форми-
рующей канавкой. Ширина канавки 6—8 мм, глубина 0,5—0,8 мм.
Во избежание перегрева ванадиевого сплава ширина полосы составля-
ла 40—50 мм. Сварку встык титановых сплавов с ванадиевым толщи-
ной 1 —1,5 мм выполняли при смещении неплавящегося электрода
относительно продольной оси на 1 мм в сторону ванадиевого сплава.
Такие соединения подвергают стабилизирующей термообработке в ва-
кууме по режиму: Т — 560 °С, I = 1 ч. После отжига от ванадиевого
сплава отрезают полосу, оставляя вставку шириной 8—15 мм, к кото-
рой и приваривают сталь. Режимы аргонодуговой сварки указанных
соединений приведены в табл. 8.5.
Содержание ванадия в шве сталь + ванадий составлиет 6—12 %.
Такие сварные соединения имеют угол загиба до 140°. Содержание
ванадия в шве ванадий + титан достигает 40—45 % прн сварке со
смещением электрода на ванадий. Такие швы представляют собой ста-
бильную Р-фазу, имеют угол загиба 130—180° и сохраняют его после
нагревов [334].
Таблица 8.5. Ориентировочные режимы автоматической аргоиодуговой
сварки встык титанового сплава ОТ4 со сталями 08Х15Н5Д2Т,
08Х18Н10Т
Сплав 6, мм ^св» ''св. “/ч Расход аргона, л/мнн
ОТ4 + У8\У 1 + 1 85-90 30—35 8—10
2 + 2 125—130 15—18 10—12
08Х15Н5Д2Т + У8\У 1 + 1 80—85 30—35 8—10
1,2 + 1,5 60—75 25—30 10—12
08Х15Н5Д2Т+У8ХУ с присадоч- ной проволокой 08Х15Н5Д2Т 1 + 1 60—65 17—20 10-12
08Х18Н10Т + У8\У с присадоч- ной проволокой 08Х15Н5Д2Т 1 + 1 60—65 17—20 10—12
Примечание. Диаметр неплавящегося электрода 2 мм, смещение электрода
в сторону стали 0,6— 1 мм, 1/д ~ 84-Ю В.
При сварке тел вращения или труб из стали и титанового сплава
с использованием ванадиевого сплава в виде вставки кольцевой шов
титана с ванадиевым сплавом выполняют в первую очередь. При этом
неплавищийся электрод смещают от продольной оси стыка в сторону
ванадия на 1 мм. В качестве присадочного металла применяют свароч-
ную проволоку ВТ1-00 диаметром 1,5—2 мм. Соединения после сварки
подвергают стабилизирующему отжигу по режиму: Т = 560 °С; I =
— 1 ч; вакуум в печи 1,33 • ]0_*Па. Кольцевой шов стали с ванадие-
вым сплавом У8\У сваривают во вторую очередь при смещении неплавя-
щегося электрода от оси стыка в сторону стали 1 мм. В качестве приса-
дочного металла применяют сварочную проволоку 08Х15Н5Д2Т
(табл. 8.6). Для подготовки поверхности перед сваркой применяют
травление или механическую зачистку свариваемых кромок с последую-
щей протиркой их ацетоном. Ванадиевый сплав применяют в отож-
женном состоинии. Отжиг производят в вакууме 1,33 • 10"* Па при
температуре 1050 °Си выдержке 1 ч. Сборка заготовок под сварку реко-
мендуется с помощью зажимных приспособлений без прихваток и тща-
тельной стыковкой свариваемых кромок по всей длине шва с мини-
мальным зазором (ие более 0,1 мм).
Таблица 8.6. Ориентировочные режимы аргонодуговой сварки труб из
стали 08Х15Н5Д2Т, 08Х18Н10Т с титановым сплавом ОТ4
Сплав 6, мм /св, А осв. м/ч
ОТ4 + У8\У 1 + 1 35 15
1.2 + 1,5 60 25
08Х15Н5Д2Т + У8\У 1 + 1 30 15
1,2+ 1,5 60 25
08Х18Н10Т + У8\У 1 + 1 40 15
Примечание. Vа = 10^—12 В; расход аргона — 10—12 л/мии.
Сварные соединения титанового сплава ОТ4 со сталями
08Х15Н5Д2Т и 08Х18Н10Т, выполненные через вставку из вана-
диевого сплава по оптимальной технологии, характеризуются удовлет-
ворительной прочностью при кратковременном и Длительном стати че-
ском растяжении в интервале температур 20—300 °С, а также в ус-
ловии* повторных статических и циклических нагружений (табл. 8.7).
Таблица 8.7. Механические свойства сварных стыков
сталей 08Х15Н5Д2Т и 08Х18Н10Т с титановым сплавом ОТ4,
выполненных аргонодуговой сваркой со вставкой из ванадиевого сплава
Сплав а, град ов, МПа, 20 при 7\ °С 300 ов за 500 ч при Т=300 °с, МПа ЛМ0-« при напряже- нии 0,5 ав циклы
08Х15Н5Д2Т + + У85У + ОТ4 08Х18Н10Т + + У85У + ОТ4 90—120 80—100 420—470 350—460 420—460 325—430 400 300 1,5—4 0,2—1
П р н ме ч ания. Толщина вставки 1 мм. 2. Угол изгиба сварного шва приве-
дем со стороны сталь Н- ванадиевый сплав.
. ЭЛС стали 08Х15Н5Д2Т и титанового сплава ОТ4-1 со вставкой
между ними толщиной 1,5 мм и шириной 15 мм из ванадиевого сплава
У8У/ исследована в работе [332]. Показано, что швы, выполненные ЭЛС
на скорости 45 м/ч, превосходят по своим свойствам швы, выполненные
аргонодуговой сваркой. Сталь с ванадием необходимо сваривать при
смещении луча в сторону стали на 1,1 —1,3 мм, а ванадий с титаном —
прн смещении луча на 0,5 мм в сторону титана (табл. 8.8) В шве сталь+
ванадий со стороны ванадия обнаружена узкая зона с высокой (до
3 • 104 МПа) микротвердостью. Предполагается, что эта зона пред-
ставляет собой скопление карбидов и иитерметаллидов и определяет
механические свойства соединений. Подобная область в швах, выпол-
ненных аргонодуговой сваркой, примерно в два раза шире, чем в швах,
полученных ЭЛС.
Таблица 8.8. Ориентировочные режимы ЭЛС встык титанового сплава
ОТ4-1 и сталей 08Х15Н5Д2Т, 09Х16Н4Б с ванадиевыми сплавами
Сплав Ь, мм /п, мА уус. кВ рсв, м/ч
ОТ4-1 + У85У 1 + 1 30 30 40
1,2+ 1,5 75 20 45
08Х15Н5Д2Т+ Ув'У 1 + 1 55 30 40
1,2+ 1,5 НО 20 45
09Х16Н4Б + ВНМ1 з + з 45-47 60 65
Установлено [332], что прочные и пластичные сварные соединения
получаются только при определенном содержании ванадия в шве как
со стороны стали (6—12 %), так и со стороны титана (20—40 %). ,
В этом случае со стороны стали не наблюдаются выделения непластич-
ной а-фазы, а со стороны титана образуется термически устойчивая
386
I
I
[5-струКтура, исключающая образование остаточной со-фазы. Необхо-
димое содержание ванадия в шве достигается смещением на определен-
ное расстояние от стыка луча прн ЭЛС или дуги при аргонодуговой
сварке. Такие соединения могут надежно работать только в диапазоне
температур 200—300 °С, а при температурах эксплуатации свыше 500—
600 °С быстро теряют пластичность вследствие выделения непластнч-
ной а-фазы н карбидов ванадии у границы сплавления стали с вана-
дием.
Расширение областей применения титана, особенно при изготовле-
нии химической аппаратуры различного назначения, и снижение стои-
мости конструкций могут быть достигнуты применением биметалла
сталь + титан.
Первые опыты по получению стали, плакированной титаном, про-
изводились с использованием пайки припоями на основе серебра при
температуре 820—990 °С [422]. Нагрев в вакуумной печи считается
более перспективным, чем в среде инертных газов, так как он не только
исключает насыщение титана газами, но и способствует их удалению.
Прочность на срез соединения титанового слоя со сталью достигала
140 МПа.
Методом пайки в вакууме хотя и можно получить биметалл сталь+
титан с достаточно прочной и пластичной граничной зоной, однако он
экономически невыгоден и может найти применение лишь для получе-
ния листов малых габаритов, поэтому широкого распространения не
получил.
Более экономичен способ прокатки биметалла в вакууме [3161.
Прокатка заготовки в вакууме до 133 • 10-2 Па прн температуре около
1050 °С показала, что поверхность плакирующего слоя получается
блестящей, ровной, не требующей дополнительной обработки. Сопро-
тивление срезу плакирующего слоя составляло 150—200 МПа.
Многими исследованиями установлено, что биметалл сталь + ти-
тан без промежуточного слоя не обладает достаточной пластичностью
в граничной зоне. Нагрев такого биметалла приводит к образованию
хрупких прослоек и снижению прочности сцепления слоев.
Для получения достаточно высокой прочности сцепления слоев
и удовлетворительной пластичности биметалла рекомендуется применять
промежуточные слои, разделяющие сталь и титан. Для получения сва-
риваемого биметалла сталь + титан можно использовать одинарные
промежуточные прослойки из ванадия нли ниобия, а также двойные
подслои ниобий 4- медь и ванадий -ф- медь (табл. 8.9).
Таблица 8.9. Прочность сцепления слоев биметалла сталь -ф- титав
в зависимости от режимов повторных нагревов, МПа
Биметалл ав при температуре нагрева, °С
450 100 ч 800
0,5 ч 5 ч 10 ч 50 ч
Без подслоя 270 225 160 200 190
С подслоем из ванадия — 300 278 283 280
С подслоем из ниобия 230 100 182 180 170
С двойным подслоем ванадий 4- медь 218 207 212 205 230
С двойным подслоем ниобий + медь 223 143 185 193 207
Наиболее перспективно получение биметалла сталь + титан мето-
дом взрыва [161]. Находит применение и комбинированный способ: за-
готовки, изготовленные взрывом, подвергаются дальнейшей прокатке.
Этим способом плакируют титаном как углеродистые [161], так и не-
ржавеющие стали [162]. Обычно изготавливаются биметаллы, в кото-
рых титановый слой имеет толщину 1,5—19 мм, а стальной лист —
8—25 мм. При сварке взрывом биметалла сталь + титан существует
определенная критическая толщина метаемого листа, при которой
достигается прочное соединение титана со сталью [162]. Толщина ме-
таемого листа титана не должна превышать 8 мм, а листа нержавеющей
стали — 4 мм. При увеличении толщины метаемого листа резко снижа-
ется прочность сцепления титана со сталью. Для увеличения толщины
плакирующего слоя в биметалле необходимо производить дополни-
тельное метание взрывом листа соответствующей толщины. Прочность
на отрыв слоев биметалла сталь 12Х18Н10Т + титан ВТ1-0 составляет
300-400 МПа.
Биметаллы сталь + титан, полученные сваркой взрывом, не реко-
мендуют нагревать выше 500 °С, так как при повышении температуры
нагрева до 700 °С диффузионные процессы, происходящие в граничном
слое, резко уменьшают прочность соединения слоев. Поэтому сварка
листов стали, плакированной титаном, имеет свои особенности. Они
должны соединяться так, чтобы не допускать сплавления швов обоих
металлов или нагрева граничного слоя под действием термического цик-
ла сварки выше температур, способствующих образованию хруп-
ких фаз.
Существующие способы сварки биметалла сталь + титан можно
отнести к двум принципиально различающимся направлениям: сварка
с накладками и сварка без накладок с разделительным слоем.
По первому способу (рис. 8.3) требуемая механическая прочность
стыка достигается за счет сварного шва основного слоя — стали.
Накладка, привариваемая к плакирующему слою, предназначается
только для обеспечения коррозионной стойкости соединения. Между
накладкой и сварным швом основного слоя располагается заполнитель,
предназначенный для увеличения стойкости соединения в случае про-
никновения агрессивной среды под накладку. В качестве заполнителя
рекомендуют использовать серебро, которое хорошо сплавляется с ти-
таном, или легкоплавкие припои. Для этой цели можно использовать
также полимеры типа эпоксидных смол, выбирая их состав в зависи-
мости от характера агрессивной среды.
По способу сварки биметалла, исключающему применение накла-
док (рис. 8.4), тонкая прокладка из тугоплавкого металла (молибдена,
Рис. 8.3. Схема сварки биметалла сталь-)-титан с накладкой:
/ — сталь; 2 — тнтан; 3 — накладка из титана; 4 — заполнитель.
Рис. 8.4. Схема сварки биметалла сталь+титан с разделительным слоем:
/ — сталь; 2 —титан; 3 — неплавящийся электрод; 4 — горелка; б — присадочная
проволока; б — разделительный слой из тугоплавкого металла.
вольфрама, тантала, ннобня) укладывается в паз плакирующего слоя
илн наносится плазменной металлизацией [311]. Тугоплавкий металл
должен хорошо свариваться со сталью и титаном. Покрытие должно
быть сплошным, чтобы предотвратить контакт между сталью и титаном
при сварке. Плакирующий слой сваривают неплавящимся электродом
в среде аргона. При этом дуга направляется по оси уложенной проволо-
ки. При расплавлении присадки образуется шов на титановом плаки-
рующем слое. Так как температура плавления тугоплавкого металла
выше точки плавления титана и прямое воздействие дуги на прокладку
отсутствует, последняя проплавляется лишь частичной тем самым пре-
пятствует сплавлению титана со сталью и образованию хрупких фаз.
При нанесении чередующихся слоев молибдена и оксида циркония для
получения разделительного слоя может быть использован метод плаз-
менной металлизации [311].
По описанному способу сваривали биметалл сталь + титан [286],
выполнены исследования состава, структуры и механических свойств
соединений. Биметалл был получен совместной прокаткой стали СтЗ
с плакирующим слоем из титана ВТ1-1 толщиной 2 мм (общая толщина
биметалла 10 мм). При прокатке использовали подслой из ванадия
толщиной 0,1 мм.
Порядок сварки был следующий. После сварки стали на ширину
удаленного плакирующего слоя укладывали прокладку из ниобия
толщиной 0,1 мм, а на нее — титановую присадочную проволоку диа-
метром 4 мм. Затем выполнялась сварка слоя по присадке неплавящим-
ся электродом в среде аргона. Режим сварки: <13 = 3 мм; 7СВ = 160 4-
4- 170 А, I/ = 10 4- 12 В; исв = 0,0022 м/с; диаметр сопла горелки
18 мм; расход аргона на защиту зоны сварки 8—10 л/мин; на защиту
остывающего шва 3—4 л/мин.
При испытании сварных соединений биметалла иа разрыв были по-
лучены значения ав = 395 4- 405 МПа при ав = 435 4- 440 МПа
исходного биметалла. Соединения разрушались по основному металлу.
Испытания сварных соединений на изгиб (диаметр оправки равен
двум толщинам биметалла) с расположением плакирующего слоя
внутрь показали, что все образцы выдержали загиб 180° без образова-
нии трещин, надрывов и расслоений.
Коррозионная стойкость сварных соединений биметалла, выпол-
ненных по описанной технологии, практически равноценна стойкости
титана [359]. В растворах серной кислоты и коксового газа скорость
коррозии титана составила 0,13 мм/год. а сварных соединений биме-
талла сталь + титан — 0,15 мм/год.
При выборе оптимальных параметров процесса сварки биметалла
прежде всего исходят из условия, чтобы термические циклы сварки со
стороны стали, а также титанового плакирующего слоя не вызывали
охрупчивании граничной зоны биметалла.
Для биметалла сталь + титан с прослойкой из ванадия (общая
толщина 10—20 мм, толщина титанового слоя до 5 мм) не происходит
образования хрупких фаз в участках металла, прилегающих к гранич-
ным зонам в том случае, если выполняются следующие условия: для
швов со стороны стали <?/р = 9,5 кДж/см, для швов на титановом пла-
кирующем слое <//и = 5,9 кДж/см. При выполнении этого требования
прочность сварных стыковых соединений, выполненных ручной и авто-
матической сваркой на биметалле сталь СтЗ -ф- титан ВТ1 при толщине
10—20 мм, составила 400—475 МПа [203].
В случае сварки при больших затратах погонных энергий в гра-
ничной зоне образуются карбиды и интерметаллиды, обусловливаю-
щие снижение пластичности и хрупкость металла.
Сварка титана с алюминием и его сплавами. Титан и алюминий —
металлы, резко отличающиеся по физико-химическим и механическим
свойствам. Характер их взаимодействия описывается диаграммой со-
стояния, относящейся к системам с перитектическим превращением
(см. рис. 8.1). В системе Т1 — А1 возможны трн перитектические реак-
ции. Первая протекает при температуре 1460 °С с образованием у-фа-
зы, представляющей собой химическое соединение типа Т1А1 с кон-
центрацией алюминия 36,03 %; вторая — при температуре 1340 °С
(60—64 % А1) сопровождается образованием соединения Т1А13. В ре-
зультате третьей реакции из расплава, содержащего 0,15 % Т1, обра-
зуется твердый раствор титана в алюминии. Предельная растворимость
титана в алюминии составляет 0,26—0,28 % при температуре превра-
щения 665 °С. С понижением температуры растворимость становится
еще меньше и при 20 °С достигает 0,07 %. Алюминий в титане дает огра-
ниченные области Р- н а-растворов.
Первые опыты посварке плавлением титана с алюминием [375] пока-
зали, что, расплавляя титан, невозможно избежать охрупчивания шва.
Незначительная растворимость титана в алюминии и большая скорость
образования химических соединений между металлами способствуют по-
лучению сварных швов, содержащих значительное количество реактив-
ных фаз. Сварные соединения с такими швами хрупкий непригодный
эксплуатации. Используя различие температур плавления титана и алю-
миния, процесс сварки можно вести без расплавления титана при нали-
чии жидкой ванны алюминия. При этом кратковременность взаимодей-
ствия жидкого алюминия с титаном и применение технологических мер
могут существенно уменьшить количество хрупких фаз в сварном шве.
Разработка технологических процессов сварки, обеспечивающих
удовлетворительные механические свойства сварных соединений, пра-
вильный выбор способа и параметров процесса требуют определения до-
пустимых температурно-временных условий взаимодействия сваривае-
мых’^металлов. Экспериментально установлено существование периода
задержки образования интерметаллических соединений по линии кон-
такта твердый титан — жидкий алюминий. Так, при температуре
жидкой ванны алюминия 700 и 800 °С и выдержке 15 с образования
интерметаллидов не наблюдалось. При больших выдержках, а также
при температуре ванны 900 °С н выше образуется фаза Т1А13 [375].
Наличие периода задержки образования интерметаллида Т1А13
при сварке титана с алюминием позволяет сваркой плавлением полу-
Рис. 8.5. Схема сварки таврового (а), нахлесточного (б) и стыкового
(в) соединений:
/ —алюминиевая пластина; 2 — титановая пластина; 3— сварочная горелка; 4 —
присадочная проволока.
чить качественное соединение. Однако технологический процесс и его
энергетические параметры необходимо выбирать таким образом, чтобы
перегрев алюминия в месте контакта с титаном не превышал 800—
850 °С. Поэтому, применяя различные источники теплоты и технику
сварки, до расплавления доводят только алюминий, смачивающий ти-
тан и образующий с ним сварное соединение. Такой способ использо-
ван, например, для получения сварных нахлесточных соединений.
Разработана технология изготовления титан-алюминиевых элек-
тролизеров с применением метода сварки с преимущественным расплав-
лением алюминия [20]. Аноды электролизеров изготовляли из листов
титана ВТ1-0 толщиной 2 мм и листов алюминия АД-1 толщиной 8 мм.
Все алюминиевые детали перед сборкой подвергали травлению в раство-
ре едкого натра (150—180 г/л) при температуре 60—80 °С в течение
0,5—2 мни, затем их промывали проточной водой и осветляли 30 %-ным
раствором азотной кислоты при температуре 20 *С в течение 0,5—1 мин.
Детали из титана подвергали шабровке или травлению в растворе, со-
держащем 250 мл/л НС1 и 40—50 г/л ИаР. Сварку стыковых, нахлесточ-
ных и тавровых соединений (рис. 8.5) производили неплавящимся
электродом в среде аргона..Дуга перемещалась преимущественно по
поверхности алюминия, при этом величина смещения электрода от оси
стыка колебалась в пределах 0—4 мм в зависимости от толщины титано-
вого листа. В качестве присадочного материала использовали проволоку
марки АК-5 диаметром 3 мм (табл. 8.10). Одним из основных условий
получения качествеииого соединения титана с алюминием является не-
прерывное ведение процесса с максимально возможной скоростью,
предупреждающей расплавление титана.
При испытании сварных соединений иа разрыв разрушение проис-
ходит по линии сплавления или по алюминию с пределом прочности
77—84 МПа, т. е. на уровне менее прочного основного металла. Все же
непосредственная сварка с расплавлением только алюминия не всегда да-
ет стабильные результаты и во многих случаях ограниченно пригодна.
Значительный интерес представляет способ соединения титана с алюми-
нием с применением защитного слоя из алюминия, наносимого перед
сваркой на титановую кромку. Нанесение слоя может быть осуществлено
наплавкой [247] или алитированием титановых кромок в расплаве тех-
нического алюминия.
Таблица 8.10. Ориентировочные режимы аргонодуговой сварки титан-
алюминиевых соединений анодов электролизеров
Соединение Ь, мм Расход аргона, л/мнн
А1 Т1 Горелка Поддув
Тавровое 8 2 270—290 10 12
Нахлесточное 8 2 190—200 10 15
Стыковое 8—10 8-10 240—285 10 8
В работе [375] даются рекомендации по алитированию титана
в расплаве алюминия под флюсом. Соблюдая оптимальные режимы,
удается получить слой алюминия, прочно сцепленный с титаном. Перед
сваркой титана толщиной более 8 мм с алюминиевыми сплавами АМгб,
Д20 и АД1 иа предварительно алитированную титановую кромку
наплавляют слой технического алюминия (рис. 8.6). Режим наплавки:
/в8 — 170 4- 180 А; 17 д — 18 -г 20 В; ^пр = 5 8 мм, расход аргона
Рис. 8.6. Схема сварки стыкового (а) и таврового (б) титаи-алюми-
ниевого соединения:
/ — алюминий; 2 — титан; 3 — алюминиевый сплав.
Рис. 8.7. Макрошлиф сварного соединения титана с алюминием.
16—18 л/мин. Затем наплавка подвергается механической обработке.
После подготовки титановая кромка с наплавкой стыкуется с алюми-
ниевой и сваривается с применением присадочной проволоки состава,
соответствующего марке свариваемого алюминиевого сплава. Режим
сварки и количество проходов выбирают исходя из толщины соединяе-
мых элементов. Предел прочности таких соединений колеблется от 110
до 270 МПа и зависит от толщины слоя наплавленного технического
алюминия. Оптимальное значение его не должно превышать 1 —1,5 мм.
Сварные соединения имеют угол загиба 17—30 °, а разрушение при
растяжении происходит по алюминиевой прослойке или по зоне шва,
обедненной легирующими элементами. Испытания выносливости свар-
ных соединений показали их удовлетворительную стойкость. Соедине-
ния титанового сплава ОТ4 с алюминиевым АМгб выдержали испыта-
ния в течение 50,0—79,7 тыс. циклов.
С предварительным алитированием титановых кромок сваривались
технический титан ВТ1-1, а также сплавы ОТ4 и ВТ5-1 с алюминием
АД1 и сплавом АМгб толщиной 1; 1,5; 2; 3 и 6 мм. Алитирование про-
водилось в расплаве чистого алюминия под слоем флюса АН-А1 при тем-
пературе ванны 720—780 °С и времени выдержки 25—40 с. Пластины
сваривались аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом с приме-
нением присадочной проволоки марки АД1 нли АМгб в зависимости от
химического состава свариваемых сплавов и со смещением дуги на
алюминиевую кромку. Смещение электрода при сварке равнялось по
величине толщине свариваемых пластин. Полученные по этой техноло-
гии сварные соединения удовлетворительно сформированы (рис. 8.7),
проплавление кромок полное при хорошем формировании обратной
стороны шва, которое обеспечивается специальной подкладкой. Уста-
новлено, что охрупчивающие интерметаллические проел ойки по линии
контакта двух металлов отсутствуют, расплавления титана и его пере-
мешивания с алюминием не происходит. Результаты механических ис-
пытаний и режимы сварки приведены в табл. 8.11.
В ряде отраслей промышленности, в первую очередь в химическом
машиностроении, для изготовления изделий применяется биметалл ти-
тан + алюминий. При сварке биметалла встречаются те же затрудне-
ния, что и при соединении титана с алюминием — образование интер-
Таблица 8.11. Ориентировочные режимы аргонодуговой сварки и
механические свойства сварных соединений титана с алюминием
Металл Ь, мм Присадоч- ная про- волока ^пр* мм ав, МПа а, град
ВТ1-14-АД1 2 АД1 2,5 90—100 12—14 82—93 180
ОТ4-]-АМг6 3 АД1 2,5 120 14-16 169—240 90
ВТ5-1 + АМг6 2 АД1 2,5 90—100 12—14 166—231 80
2 АМГ6 2,0 90—100 12—14 212—231 60
6 АМгб 2,0 220—250 18—22 238—318 45
металлилов, охрупчивающих соединение. Обязательное условие получе-
ния соединения биметалла, обладающего удовлетворительными свой-
ствами, — отсутствие хрупких фаз в зонах контакта алюминия
с титаном под воздействием термического цикла сварки.
В работе [20] предложена приближенная оценка возможности обра-
зования иитерметаллидных фаз. Кривая нагрева и охлаждения точки
в плоскости контакта металлов при сварке делится на некоторое коли-
чество равных достаточно малых интервалов температур Тъ Тг, ...,
Тп, в пределах каждого из которых период задержки считается по-
стоянным. Отношение длительности I пребывания точки в данном интер-
вале температур к 1р (время латентного периода) выражает исполь-
зованную долю периода задержки образования интерметаллида. Тогда
условие, исключающее образование иитерметаллидных фаз в расчет-
ной точке, будет определяться уравнением
п
У,-<1. (8.1)
1
Конкретный пример разработки и применения технологии сварки
биметалла титан + алюминий приведен в работе [78]. Сваривали тон-
колистовой биметалл, полученный совместной горячей прокаткой. Тол-
щина слоя технического алюминия АД1 составляла 1,2—1,5 мм, а
титана ВТ1-0—0,8—1,0 мм.
Лучшее формирование шва и полное проплавление алюминиевого
слоя обеспечивается при /св = 40 Ч- 50 Ас использованием приса-
дочной проволоки АД1 диаметром 2 мм. Поскольку при таком режиме
сварки мощность дуги недостаточна, чтобы подплавить титаи, он не
переходит в шов. Интерметаллический слой по линии контакта в этом
случае не обнаружен. Увеличение тока до 80—100 А отрицательно вли-
яет иа свойства шва. Содержание титана при этом возрастает с 0,06—
0,07 % в алюминиевом слое биметалла до 0,4 % в наплавленном метал-
ле. В отдельных участках шва по линии контакта двух металлов появ-
ляются зоны повышенной твердости.
Сварка плавлением биметалла со стороны титана приводит к разру-
шению всего алюминиевого слоя, находящегося в пределах ЗТВ, и к
возникновению интерметаллических соединений по линии контакта
металлов, а иногда и к растрескиванию шва на титане. Поскольку
Рис. 8.8. Схема стыкового со-
единения биметалла титан+
алюминий:
/ — шов; 2 — алюминий; 3 — титан;
4 — накладка: 5 — сварная точка.
механическое удаление части алюми-
ниевого слоя биметалла на тонком
материале представляет определен-
ные трудности и не дает удовлетвори-
тельных результатов, дуговую сварку
титанового слоя биметалла хотя бы
с частичным его расплавлением сле-
дует исключить.
Лучшие результаты дает точеч-
ная сварка титанового слоя, а для
толщин не более 1 мм — конденса-
торная, протяженность ЗТВ которой
минимальна.
На рис. 8.8 представлена схема
стыкового соединения биметалла,
выполненного по описанной техно-
логии. Вначале титановая сторона биметалла соединяется конденса-
торной сваркой с помощью накладки из того же материала, что
и основной слой. Толщина накладки выбирается из условия равно-
прочности соединения основному металлу. Затем осуществляется арго-
нодуговая сварка алюминиевого слоя. При этом титановый слой
биметалла играет роль подложки, на которой формируется шов из
алюминия.
Сварка титана с медью. Титан и медь обладают разными физиче-
скими свойствами (см. табл. 1.1), резко отличаются типами кристалли-
ческих решеток и размерами атомных радиусов. Их двойная система от-
носится к типу диаграмм состояния, образующих ограниченные твер-
дые растворы с эвтектоидным превращением (см. рис. 8.1). Взаимная
растворимость этих элементов невелика [147].
Малая взаимная растворимость, образование интерметаллических
соединений и эвтектик являются серьезным препятствием для получе-
ния сварных соединений титана с медью. Термические воздействия при
сварке приводят к образованию хрупких фаз по линии контакта этих
двух металлов.
В системе Т: — Си существует шесть интерметаллических соеди-
нений различного состава (табл. 8.12) и три эвтектики: 1) (3 = Т1 +
+ Т12Си, соответствующая составу 31 % (атомных) Си и с температурой
плавления 1003 °С; 2) Т12Си + Т1Си, состава 43 % (атомных) Си
и с температурой плавления 960 °С; 3) Т1Си2 + Т1Си4 состава 73 % (атом-
ных) Си и с температурой плавления 860 °С.
Таблица 8.12. Соединения в системе Т1—Си
Соединение Содержание меди, % (атомные) Область существо- вания, °С Микротве рдость, МПа
Т12Си 30—32 1015 и ниже 4420
Т1Си 48—52 984 н ниже 5530
Т13Си4 57 918 и ниже 5000
60 865 и ниже 5970
Т1Си$ —. 878 — 850 2530
Т1Си4 78—80 870 и ниже 5040
* Соединение ПСц, при температуре ниже 850 °С распадается иа две фазы —
Т^Си^ и Т1Си4»
Характерная особенность взаимодействия титана с медью при
высоких температурах — очень быстрый эвтектоидный распад. По-
этому растворы одного элемента в другом ие удается зафиксировать
в сплавах ни при каких скоростях охлаждения. Кроме того, наличие
в системе легкоплавкой эвтектики, имеющей открытый максимум
плавления, способствует образованию жидкой прослойки по линии
контакта двух металлов уже при температуре 860 °С. Основная задача
технологического процесса сварки титана с медью состоит в том, чтобы
избежать образования иитерметаллидов и получить достаточно плас-
тичные сварные соединения. Для этого необходимо устранять воз-
можность перемешивания металлов при сварке плавлением.
В настоящее время разработано несколько способов сварки плав-
лением титана с медью, предусматривающих применение промежуточ-
ных металлов-вставок из тантала или ниобия, ванадия, а также из
сплавов титана со стабильной 0-структурой. С использованием проме-
жуточного кольца из ниобия аргонодуговой сваркой соединялись
обечайки из титана и хромистой бронзы [333]. Прочность таких
соединений ограничивается прочностью медного сплава и состав-
ляет 310—325 МПа. Отмечается, что при использовании ниобия
в качестве промежуточного металла при сварке титана с медными
сплавами необходима тщательная защита зоны сварки от взаимодей-
ствия с газами. Сварные соединения ниобия с медными сплавами харак-
теризуются высокой химической неоднородностью металла шва.
Способ сварки с применением промежуточного тугоплавкого ме-
талла обладает существенным недостатком, так как использование вста-
вок усложняет конструкцию соединения, затрудняет процесс сборки
и сварки и значительно удорожает изделия. Кроме того, необходимо
учитывать коррозионную стойкость соединений из разнородных метал-
лов, если сварная конструкция предназначается для работы в агрес-
сивных средах.
Предложен способ сварки меди с титановыми 0-сплавами, обладаю-
щими ОЦК решеткой и более высокой растворимостью меди. К числу
0-стабилизирующих элементов, которые не образуют с медью интер-
металлидных фаз, относятся молибден, ниобий, ванадий, тантал.
Для исследования возможности непосредственной сварки плавле-
нием титановых сплавов с медью в работе [305] были опробованы 0-
сплавы двойных систем Т1 — Мо, Т1—МЬ, Т1 — Та и сплав ВТ15
толщиной 1,5—2 мм. Выполнялась аргонодуговая сварка неплавя-
щимся электродом. Дуга смещалась от оси шва иа медную кромку. Из
данных табл. 8.13 видно, что только сварные соединения сплавов
Т130МЬ и ВТ15 с медью равнопрочны основному металлу —меди. Наи-
более высокие механические свойства сварных соединений достигались
Таблица 8.13. Механические свойства сварных соединений титановых
сплавов с медью
Сплав <тв, МПа а» град Место разрушения
Т120Мо 122 35 Сварной шов
Т!30Мо 145 168 » »
Т120Г4Ь 164 72 > »
ТООМЬ 222 177 По меди
Т130Та 136 19 Сварной шов
ВТ15 225 164 По меди
Рис. 8.9. Микроструктура линии сплавления медный шов — титановая
кромка (Х300).
в тех случаях, когда обеспечивалось минимальное расплавление титана.
Более прочные соединения были получены при сварке сплавов Т130КЬ
и ВТ15 с бронзой Бр.Х0,8 (ав = 265 4- 286 МПа; а = 106 Ч- 162°).
Металлографический анализ сварных соединений титановых спла-
вов с медью показал наличие со стороны меди фазы, имеющей дендрит-
ное строение и толщину 0,1—0,3 мм (рис. 8.9).
При сварке титановых сплавов ВТ15 и опытного Т13А137МЬ с
медью М1 толщиной 2; 3 и 5 мм также были получены хорошо сформиро-
ванные швы, обладающие удовлетворительными механическими свой-
ствами (табл. 8.14).
Таблица 8.14. Ориентировочные режимы аргонодуговой сварки
и механические свойства соединений сплавов титана с медью
Металл Ь, мм Присадочная проволока ^пр* мм ^СВ» А С/Д.в Смещение электрода, мм МПа а, град
ВТ15 + М1 3 БрХ0,8 1,2 250 10 2,5 196
5 БрХ0,8 2,0 400 12 4,5 212 —
Т13А137МЬ + М1 2 МСрЮ 1,2 260 10 3,0 195 128* 90 90*
5 МСрЮ 2,0 400 12 4,5 239 224* 120 91*
• Значения <тв и а образцов, подвергнутых нагреву до 800 °С в течение 5 мни.
Для защиты от теплового воздействия сварочной дуги и предотвра-
щения контакта с жидкой медью на титановую кромку методом плаз-
менной металлизации наносилось медное покрытие толщиной 0,15 —
0,25 мм. При сварке пластин толщиной Зи 5 мм иа титановой кромке
выполнялась односторонняя разделка под углом 45°. Данные табл.8.14
свидетельствуют о том, что более стабильные результаты по прочности
и пластичности при нормальной температуре дает сварное соединение
меди М1 с титановым сплавом Т13А137М5. Необходимо отметить, что
ввиду большого различия механических свойств меди и титановых спла-
вов стандартные испытания разнородных сварных соединений этих
металлов иа загиб нецелесообразны, поскольку изгиб во всех случаях
происходит по ЗТВ менее прочной меди. Для определения деформацион-
ной способности сварного соединения титановых сплавов с медью сле-
дует проводить испытания на загиб поперек шва.
По границе сплавления титановых сплавов с медью возникают ин-
термета ллиды типа Т13Сии Т1Си. Последующие иагревы таких соедине-
ний выше 400—500 °С ухудшают все показатели механических свойств.
Охрупчивание соединений после повторных нагревов связано с ростом
интерметаллической прослойки. Из этого следует, что аргоиодуговая
сварка 0-сплавов титана с медью может быть применена лишь для
элементов конструкций, которые не подвергаются последующим высо-
котемпературным нагревам.
Сварка плавлением алюминия с медью. Она связана с трудностя-
ми, обусловленными свойствами соединяемых металлов: разницей тем-
ператур плавления, ограниченной взаимной растворимостью и др.
В системе Си—А1 в области температур ниже 500 °С помимо обла-
стей твердых растворов алюминия в меди (а-фаза) и меди в алюминии
(Х-фаза) имеются фазы твердых растворов иа основе химических соеди-
нений А1Си2 (15,8 — 20 % А1), А12Си3 (21—22 % А1) А1Си (28,2—29 %
А1) А12Си (46—46,7 % А1) А13Си (24,6—25,3 % А1), а также образуется
легкоплавкая эвтектика (Тпл = 548 °С) при содержании в алюминии
67% Си.
Оптимальным сочетанием свойств обладают алюминиевые сплавы,
содержащие до 12—13 % Си. Поэтому технология сварки плавлением
алюминия с медью должна выбираться с таким расчетом, чтобы содер-
жание меди в металле шва не превышало этого количества. Шов должен
формироваться преимущественно из алюминия или являться сплавом
на его основе. Время контакта жидкого алюминия с твердой медью
в процессе сварки предполагается весьма непродолжительным.
В результате анализа физико-химических процессов, протекаю-
щих при образовании медно-алюмнниевых соединений сваркой плавле-
нием [331, выработаны три направления повышения прочности сварных
соединений: дополнительное механическое упрочнение медно-алюми-
ниевого сварного соединения, содержащего значительный процент меди;
ограничение или исключение перехода меди в свариваемые медно-алю-
миииевые соединения; введение в шов при его формировании легирую-
щих присадок и модификаторов с целью активного воздействия иа про-
цесс кристаллизации соединения.
Одним из возможных вариантов механического упрочнения сварных
соединений является заключение хрупкого сплава, образовавшегося
при кристаллизации шва, в монолитную оболочку из алюминия, спо-
собную воспринимать напряжения и не передавать их на сварной шов.
Такой вариант сварки плавлением наиболее эффективен при соедине-
нии разнородных проводов, шнуров и кабелей. С помощью обойм можно
соединять разнородные проводники в пучок, оконцовывать медные про-
водники с целью подготовки их к сварке встык или внахлест с алюми-
ниевыми тоководами.
Для защиты меди и алюминия от окисления и удаления оксидной
пленки во время сварки применяют флюсы. Защиту поверхности меди
при сварке плавлением можно осуществить предварительным нанесе-
нием тонкого слоя металла, который бы имел температуру плавления,
близкую к температуре плавления алюминия, хорошо смачивал медь,
обладая растворимостью как в меди, так и в алюминии. Из всех видов
покрытий наилучшие результаты дало цинковое покрытие толщиной
50—60 мкм. Сварку меди с алюминием толщиной 10 мм выполняли авто-
матом по слою флюса АН-А1 на режиме /св = 400 4- 420 А; 6/д =
= 38 4- 39 В; осв — 21 м/ч; опр = 332 м/ч. Присадочная проволока
АДО диаметром 2,5 мм. Минимальное содержание меди в шве до 8—
10 % удалось получить лишь при рюмкообразной разделке медной кром-
ки. В этом случае шов имел удовлетворительные свойства (ов = 50 4-
4- 70 МПа). Когда применялись другие разделки, содержание меди
в шве резко возрастало и при сварке без разделки доходило до 35 %.
Пластичного соединения в этом случае ие получали.
Прочность сварных соединений медь алюминий зависит как от
вида разделки, так и от толщины и вида покрытий, наносимых на мед-
ную кромку. Из всех видов испытанных покрытий (олово, циик, никель,
серебро, кадмий, никель + олово, никель + циик и т. д.) [267] наилуч-
шие результаты дает цинковое покрытие толщиной 60 мкм, которое
наносится иа медную кромку с разделкой под углом 75°. При
этом содержание меди в шве снижается до 1 % и толщина интерме-
таллической прослойки со стороны медной кромки ие превышает 10—
15 мкм.
Положительное влияние на свойства сварных медно-алюминие-
вых сплавов оказывает легирование швов цинком. При автоматической
сварке под флюсом циик вводили в виде присадки. Содержание циика
в шве в этом случае может достигать 30 %, а количество меди не пре-
вышать 12 %. Такие соединения разрушаются при испытании преиму-
щественно по алюминию вдали от шва.
Механизм действия присадки цинка на свойства соединений заклю-
чается в измеиеиии формы выделений интерметаллидиых фаз и измель-
чения структуры шва. Изменяются также размеры и структура пере-
ходной зоны: интерметаллическая прослойка уменьшается, а в иных
случаях полностью заменяется зоной твердого раствора. Микротвер-
дость переходной зоны в швах значительно уменьшается.
Технологический режим сварки оказывает решающее влияние на
свойства и структуру медно-алюмиииевых соединений, так как от ве-
личины тока, скорости сварки, смещения электрода относительно стыка
и других факторов зависят температура иагрева основного металла,
длительность взаимодействия меди с жидким и твердым алюминием,
интенсивность окисления металлов.
Алюминий А5 и медь М1 толщиной 10 мм сваривались по флюсу
АН-А1. Электродным и присадочным материалом служила алюминие-
вая проволока АДО. Для алюминия характерна вполне определенная
зависимость диаметра электродной проволоки от величины тока.
Формирование швов удовлетворительное при токе 380—400 А и диа-
метре проволоки 2,5 мм. Оптимальными свойствами обладают соедине-
ния, выполненные при скорости сварки 21,5—24,8 м/ч. В этом диапазо-
не скоростей длительность пребывания стыка алюминий — медь прн
температуре выше температур интенсивного образования хрупких
иитерметаллидных фаз не превышает 10—15 с.
Наиболее стабильную и высокую прочность можно получить при
смещении осн электродной проволоки от стыка в сторону меди на
5—7 мм. При большем смещении алектрода увеличивается переход меди
Таблица 8.15. Ориентировочные режимы автоматической сварки
по флюсу алюминия с медью
6, мм мм /св. А в «св. м/ч Смеще- ние элек- трода, мм Число слоев Слой флюса, мм
Ширина Высоте
8 2,5 360—380 35—38 24,4 4—5 1 32 12
10 2,5 380—400 38—40 21,5 5—6 1 38 12
12 2,6 390—410 39—42 21,5 6—7 1 40 12
20 3,2 520—550 40—44 18,6 8—12 3 46 14
в шов. Разработанные режимы сварки меди с алюминием различных
толщин приведены в табл. 8.15.
Сравнение оптимальных режимов сварки алюминия с медью с ре-
жимами соединения этих металлов в одноименном сочетании показы-
вает, что погонная энергия сварки алюминия е медью больше погонной
энергии сварки алюминия, но меньше погонной энергии сварки меди.
Прн выборе режима величину смещения а электрода от стыка в сторону
меди можно определить по соотношению а = (0,5 -5- 0,6)й.
Главной причиной низкой прочности сварных соединений алюми-
ния с медью являются хрупкие интерметаллические прослойки в шве
со стороны меди, состоищие преимущественно из соединения СиА12.
Там, где интерметаллические прослойки отсутствуют или их толщина
незначительна (менее 1 мкм), сварные соединения разрушаются по
алюминию и предел прочности находится на уровне прочности основ-
ного материала.
Сварные соединения алюминий + медь предназначены для ра-
боты в электрических машинах, аппаратах и трансформаторах, которые
эксплуатируются в различных атмосферных условиях. Коррозия алю-
миния в контакте с медью и ее сплавами локализуется на небольшой
поверхности вблизи границы контакта металлов и иосит межкристал-
литный характер [278].
Сварные соединения алюминий + медь, выполненные аргоноду-
говой сваркой проволоками АДО, А1 + 81, А1 + 2п, склонны к кор-
розионным разрушениям по зоне оплавления. У сварных соединений,
выполненных автоматической сваркой по флюсу АН-А1 с присадочной
проволокой АДО, незначительная коррозия наблюдалась только по
краю образца. Следовательно, швы, выполненные автоматической свар-
кой, более коррозионно-стойки, чем те, которые выполнены аргонодуго-
вой, и могут быть использованы в атмосферных условиях. Для защиты
сварных соединений алюминий — медь от коррозионных разрушений
необходимо применять гальванические покрытия никель — медь —
никель, медь — никель — кадмий, а также лаки Л-32 и БФ-2. Пере-
численные покрытии полностью защищают сварные соединении алюми-
ний + медь от коррозионных разрушений.
Сварка тугоплавких металлов с другими металлами. Для изготов-
ления многих современных деталей и узлов машин и аппаратов необхо-
димы материалы, обладающие высокой жаропрочностью и отличаю-
щиеся хорошей стойкостью в различных средах в широком интервале
температур. Затруднения при сварке тугоплавких металлов с кон-
струкционными материалами вызываются в основном большими разли-
чиями в кристаллографическом строении и теплофизических свойствах
соединяемых металлов. Дляполучения сварных соединений тугоплав-
ких металлов с другими конструкционными металлами обычно исполь-
зуют следующие технологические приемы: расплавление менее туго-
плавкого металла и смачивание им более тугоплавкого с формированием
сварного шва; применение промежуточных вставок, хорошо свари-
вающихся с обоими соединяемыми металлами.
Сварка ниобия со сталью. Особый интерес для промышленности
представляют соединения ниобия с аустенитными коррозионно-стой-
кими сталями, успешно работающими при температуре до 600°С в раз-
личных агрессивных средах.
При сварке плавлением ниобия со сталью с расплавлением стали
взаимодействие атомов, расположенных на границе раздела твердой
и жидкой фаз, происходит по схеме, характерной для процесса контакт-
ного плавления [313]. Поверхностная и объемная диффузия атомов
расплава и ниобия и растворение твердых частиц ниобия в жидкой ста-
ли приводят к изменению концентрации ниобия в расплаве с образова-
нием эвтектики. Если концентрация ниобия в жидкости превысит эв-
тектическую, то в процессе кристаллизации металла шва образуется
новая интерметаллидная фаза в виде отдельных зерен или сплошной
прослойки. Определяющими параметрами этих процессов являются
температура металла на границе раздела и продолжительность контак-
та жидкой и твердой фаз [267].
Соединения ниобиевых сплавов с коррозионно-стойкой сталью
толщиной до 1 мм без образования интерметаллидов можно получить
способом ЭЛС при расплавлении только стали. При этом требуется
жесткое соблюдение параметров режима сварки, так как любые откло-
нения приводят к резкому ухудшению свойств сварных соединений.
Для образования прочных химических связей на границе раздела
твердой и жидкой фаз без интерметаллической прослойки необходимо,
чтобы температура нагрева ниобия в зоне контакта со сталью не превы-
шала 1400—1480 °С. Термический цикл сварки оказывает решающее
влияние на структуру и свойства сварных соединений сплавов ниобия
со сталью.
Применение промежуточных барьерных элементов, которые нано-
сят на свариваемые кромки более тугоплавкого металла [349], позволяет
расширить диапазон толщин соединяемых металлов до 2 мм. Однако
получение сварных соединений без интерметаллидов при толщине более
1,5 мм весьма затруднено из-за сложности регули рования термического
цикла сварки.
Таблица 8.16. Влияние технологических факторов на механические
свойства нахлесточных сварных соединений ниобия со сталью
Способ сварки Подготовка поверхности мм Прос- лойке <тв, МПа а,град*
ЭЛС Травление 2,0 2,5 Нет Есть 500 300 180 35
Аргонодуговая В состоянии поставки (обезжирена) 2,0 Нет 480 85
Травление 2,0 Нет 460 180
в контролиру- 2,5 Есть 240 30
емой атмос- фере В состоянии поставки (обезжирена) 2,0 Нет 420 80
" Образцы вырезаны вдоль шва.
Хрупкие прослойки отрицательно влияют на свойства таких со-
единений, и в первую очередь на пластичность и прочность. В табл.8.16
представлены результаты испытаний соединений толщиной 0,5 мм,
выполненных ЭЛС и аргонодуговой сваркой в контролируемой атмос-
фере. На свойства сварного соединения существенное влияние оказы-
вают также способ сварки и подготовка поверхности ниобия перед
сваркой. Некоторое снижение прочности при аргонодуговой сварке
можно объяснить ухудшением смачиваемости и расширением ЗТВ
по сравнению с аналогичными параметрами швов, выполненных
ЭЛС.
Для получения сварных соединений ниобиевых сплавов ВН2АЭМ
и ЭЛН1 со сталью 12Х18Н10Т толщиной 2—5 мм целесообразно приме-
нять ЭЛС расфокусированным лучом с (7ус = 8 4- 12 кВ [299]. Сварку
ведут на режимах, обеспечивающих разогрев и поддержание темпера-
туры ниобия и стали в зоне соединения не выше 1480 °С, более равно-
мерное распределение температуры в месте соединения, что исключает
перегрев ниобиевого сплава на границе раздела твердой и жидкой фаз.
При толщине металла 2—3 мм производили отбортовку кромки на
стали, а при больших толщинах в стык закладывали пластину из стали
(табл. 8.17). Перед сваркой ниобиевые сплавы обрабатывали в растворе
из 40 % НР + 60 % НЙО3, с последующей промывкой и сушкой. Сталь
зачищали шлифовальной шкуркой. Непосредственно перед сваркой
кромки протирали спиртом. Наилучшее формирование шва было полу-
чено при диаметре пятна нагрева 10—12 мм и расположении его по
центру стыка. В зоне сплавления распределение компонентов стали
и ниобия соответствует эвтектическому составу: 10—12 % МЬ, 9—10 %
М, 15 % Сг, 64 % Ре. Непосредственно к эвтектике примыкает область
твердого раствора ниобия в стали. Прочность сварных соединений
(см. табл. 8.17) при нормальной температуре определяется прочностью
ниобиевого сплава.
Таблица 8.17. Ориентировочные режимы ЭЛС сплавов ВН2АЭМ и ЭЛШ
со сталью 12Х18Н10Т и механические свойства соединений
/>, мм /п, мА и ус, кВ мм оСв, м/ч В, мм ств, МПа а» град
Верх Корень
2 45 8,8 10 8 6,0 4,0 500 130
3 45 9,0 12 5 6,8 3,5 500 55
4 45 9,5 12 3 7,2 4,0 490 52
5 50 11,0 12 2 9,0 8,0 440 —.
Сварное соединение ниобия со сталью работоспособно при кратко-
временном нагреве до температуры 700 °С. Увеличение выдержки до
50 ч при этой температуре не снижает прочности соединений. Это свя-
зано с тем, что при взаимодействии ниобия со сталью на границе кон-
такта образуется диффузионный барьер из карбида ниобия, который
препятствует взаимной диффузии ниобия и компонентов стали При
температурах выше 760 °С диффузионный барьер начинает раство-
ряться и имеет место взаимная диффузия железа, никеля, хрома, нио-
бия с образованием хрупкой прослойки. Рост толщины интерметалличе-
ской прослойки при температурах выше 1000 °С приводит к резкому
снижению механических свойств сварных соединений, что связано
как с повышением хрупкости, так и с появлением трещин в самой про-
слойке. Интерметаллическая прослойка, образовавшаяся в процессе
сварки ниобия со сталью, в меньшей мере снижает прочность соедине-
ний, чем прослойка, образовавшаяся в процессе нагрева.
Сварка ниобия и меди. Основные трудности при сварке связаны
с большим различием нх физических свойств. Температура плавления
меди значительно ниже температуры плавления ниобия, а теплопро-
водность примерно в 9 раз выше. Такое различие и обусловливает необ-
ходимость перераспределения теплоты источника нагрева при сварке.
Большая часть теплоты сообщается меди.
При аргонодуговой сварке стыковых соединений ниобия ВН2А
с бронзой Бр.Х0,5 лучшее формирование шва было получено при рас-
положении оси неплавящегося электрода по кромке медной пластины
и при возвышении медной пластины над ниобиевой на 0,2—0,25 мм.
При ЭЛС луч смещался в сторону медного сплава на 2/3 его диаметра.
Удовлетворительное формирование швов было получено в узком ин-
тервале режимов (табл. 8.18). Сварные соединения ниобий -|- бронза,
выполненные аргонодуговой сваркой и ЭЛС, пластичны при изгибе
(а = 120 — 180°). Прочность соединений прн комнатной и повышен-
ных температурах определяется прочностью медного сплава (табл. 8.19).
Таблица 8.18. Ориентировочные режимы ЭЛС сплава ВН2А
с бронзой Бр.Х0,5
Режим сварки В, мм Характеристика сварного соединения
/п, мА 1’СВ, М/Ч Верх Корень
17 19 3,0 1,о—1,5 Шов с подрезами и небольшой пористостью
18 19 3,0 2,0—2,5 Шов с большими подрезами и наплывами. Пористость на ли- нии сплавления с медью
16 19 2,5 0,5—1,0 Шов без подрезов, непровар корня шва
17,5 65 2,5 1,0—1,5 Шов без подрезов, в шве еди- ничные поры
19 65 3,0-3,5 2,0—2,5 Шов с подрезами я прожогами
20 65 2,5—3,0 1,5—2,0 То же
Таблица 8.19. Предел прочности сварных соединений ВН2А -(- БрХ0,5
при повышенных температурах, МПа
Способ сварки т, °с
20 200 400 600
ЭЛС 320—325 135—165 90—95
Аргонодуговая 310—325 182—190 142—168 95—104
Перед сваркой поверхность бронзовой детали подвергали травле-
нию в 50 %-ном растворе азотной кислоты с последующей тщательной
промывкой в проточной воде и сушкой. Непосредственно перед свар-
кой поверхность образцов зачищали шкуркой и протирали ацетоном.
Образцы ниобиевого сплава обрабатывали в растворе: 60 % азотной
и 40 % плавиковой кислот с последующей промывкой и сушкой. Непо-
средственно перед сваркой кромки протирали ацетоном.
Сварные соединения, выполненные аргонодуговой сваркой и ЭЛС,
подвергали циклическому нагреву (2, 10, 20 циклов) при 200, 400,
600 °С. Длительность каждого цикла составляла 200 с. После нагрева
по указанным режимам пластичность и прочность соединений остаются
на уровне исходных и определяются свойствами медного сплава.
После циклических нагревов изменений в структуре шва не произошло.
Сварка ниобия с титаном. Титан с ниобием образуют непрерыв-
ный ряд твердых растворов и имеют близкие коэффициенты линейного
расширения. Различие их теплофизических свойств вызывает необхо-
димость ведения процесса сварки с неравномерным распределением теп-
лоты между кромками. При сварке плавлением тепловой источник
необходимо смещать в сторону ниобия [211]. Величина смещения за-
висит от толщины металла, конфигурации сварных соединений, способа
сварки и принятых режимов.
Сварка титана и его сплавов с ниобием толщиной 0,8—2,0 мм вы-
поли ялась встык аргонодуговой сваркой [211] или электронным лучом
в вакууме [403] (табл. 8.20). Сваривались сплавы ниобия ВН1, ВН2
и ВН2А и титана ВТ1-1, ВТ6С, ИРМ2, ОТ4, ВТ14, ВТ15. При аргоно-
дуговой сварке смещение электрода составляло 0,8—1,5 мм, а при
ЭЛС — 2/3 диаметра луча.
Таблица 8.20. Оряентировочные'режимы сварки и механические свойства
соединений титана с ниобием
Мета лл Ь, мм Способ сварки ^СВ» м/ч ав. МПа а, град
ВТ1-1 + ыь 0,8 Аргонодуговая 110—120 40
1,2 « 130 40 ——. —
1,5 « 160—165 40 —
2,0 « 200—218 20 — —
1,0 ЭЛС (7 — 8) - 10-з 20 — —
ОТ4 + МЬ 1,0 Аргонодуговая 75—80 28—30 515 90
2,0 « 150—160 35—40 —. —
1,0 ЭЛС (8 — 10)-Ю-з 30—35 515 180
ВТ14 + М6 1,0 Аргонодуговая 70—75 25—30 535 80
ЭЛС (8— 10). Ю’з 35—38 535 125
ВТ15 + М6 1,0 Аргонодуговая 75—80 27—30 529 180
ЭЛС (8— 10)-Ю-з 30—35 529 180
Прим е ч айне. при элс иус = во кВ.
Сравинтельная оценка механических свойств различных зон ме"
талла шва показала, что пониженными пластическими характеристи-
ками обладает участок металла шва, примыкающий к ниобию [211]. Во
всех случаях наиболее пластичной в сварном соединении являлась зона
в центре шва. Для зоны сплавления шва с титаном независимо от
марки титановых и ниобиевых сплавов характерны достаточно большие
(80—120°) углы загиба.
Замечено, что содержание ниобия в швах существенно зависит
от погонной энергии и смещения источника теплоты от стыка. В свар-
ных соединениях, полученных при различных погонных энергиях,
имеют место области с высоким (80—90 %) и низким (30—40 %) содер-
жанием ниобия.
Можно предположить, что ниобий, являющийся Р-стабилизатором
для титана, и титан, упрочняющий ниобий, будут образовывать в зоне
сплавления шва с ниобием участки металла, обладающего понижен-
ными пластическими характеристиками по сравнению с остальным ме-
таллом шва и основным металлом.
При ЭЛС сплавов ниобия ВН1 и ВН2 с титаном ВТ1 качественное
соединение может быть получено лишь при условии обеспечения точ-
ной дозировки погонной энергии между торцами свариваемых деталей
[403]. При сварке листового материала толщиной 1 мм 2/3 погонной
энергии должны приходиться на ниобий и 1/3 — на титаи. Распределе-
ние погонной энергии в заданной пропорции достигалось за счет по-
дачи на отклоняющие катушки электронных пушек переменного напря-
жения, вызывающего поперечные колебания луча. Испытания пока-
зали, что разрушение таких соединений происходит по основному метал-
лу — титану. Металл шва имеет структуру, характерную для сплавов
Т150М5, а в ЗТВ со стороны титана наблюдается переход от мартен-
ситной структуры к крупным, а затем и к более мелким зернам.
Данные табл. 8.20 свидетельствуют о том, что угол загиба соеди-
нений, полученных аргонодуговой сваркой, значительно ниже, чем
у соединений, выполненных ЭЛС. Это, по-видимому, связано с влиянием
на механические свойства металла шва при аргонодуговой сварке
примесей внедрения (углерода, азота, кислорода).
Лазерная импульсная сварка встык с двух сторон пластин техниче-
ского титана и ниобия толщиной 0,1—0,5 мм [39] с защитой места свар-
ки аргоном позволяет получить соединения, которые равнопрочны
основному металлу и выдерживают многократный изгиб.
Сварка ниобии с цирконием. О возможности сварки ниобия и цир-
кония свидетельствуют их близкие коэффициенты линейного расшире-
ния и отсутствие в соединениях хрупких интерметаллидных фаз. Раз-
личие же теплофизических свойств вызывает необходимость ведения
процесса с неравномерным распределением теплоты между сваривае-
мыми металлами, т. е. со смещением источника теплоты на более туго-
плавкий ниобий. Оптимальные режимы аргонодуговой сварки ниобия
с цирконием приведены в табл. 8.21.
Таблица 8. 21. Оптимальные режимы аргонодуговой сварки ниобия
с цирконием
Ь, мм ^СВ, А Сев, “/ч Смещение электрода, мм Расход аргона, л/мнн
0,8 100 — 120 40 2 0,8 8,5
1,0 ПО— 130 40 3 0,8 10,0
2,0 260 — 270 40 3 1,5 10,0
Примечание. Длина дуги 1 мм
ЭЛС ниобия с циркониевым сплавом (2г + 22 % МЬ) производили
при расфокусированном луче, ускоряющем напряжении 60 кВ, токе
эмиссии 24 мА, скорости сварки 18 м/ч, смещении луча в сторону нио-
бия на 1,0—1,5 мм.
Независимо от способа сварки плавлением, режимов и используе-
мых ниобиевых сплавов (ВН1, ВН2) в сварных соединениях по мере
увеличения времени после сварки наблюдается закономерное падение
прочности и пластичности. Хрупкое разрушение происходит в зоне
сплавления со стороны циркония. Повышение хрупкости связано со
сложными структурными превращениями, протекающими в зоне
сплавления при комнатной температуре в течение 70—100 ч после
сварки.
Характер очертания границы сплавления позволяет предполо-
жить [211], что процесс расплавления более тугоплавкого металла про-
исходит в основном за счет его растворения в жидком металле. Интен-
сивное перемешивание металла в ванне способствует процессу раство-
рения. С помощью рентгеноспектрального микроанализа установлено
развитие химической неоднородности в шве при сварке ниобия с цирко-
нием, что, по-видимому, характерно для сварки металлов с большим
различием в температуре плавления.
Сварка титана с цирконием. Титан и цирконий обладают близкими
физико-химическими свойствами и существуют предпосылки для
нх хорошей свариваемости [211]. Однако различие температур плавле-
ния вызывает необходимость смещать тепловой источник иа более туго-
плавкий металл. При аргонодуговой сварке, например, величина
смещения составляет половину диаметра неплавящегося электрода.
Режимы сварки титана ВТ1, ОТ4, ВТ5 с техническим цирконием и
механические свойства сварных соединений приведены в табл. 8.22.
Таблица 8.22. Ориентировочные режимы сварки титана с цирконием
и механические свойства соединений
Способ сварки Ь,мм ^СВ> А исв, м/ч %, МПа а, град КСП, Дж/см*
Аргоиоду- 0,8 68 — 70 40
говая 2,0 165 20 — — —
3,0 255 — 270 20 420 — 450 — —
1+1,25 80 — 130 30 — 35 — 80 — 130 15 — 40
ЭЛС 1 + 1,25 15-Ю-» 68 — 180 23 — 52
Рентгеноспектральный анализ показал достаточно хорошее усред-
нение химического состава металла шва. Содержание титана в шве
колеблется в пределах 30—14 % [211]. Испытаниями механических
свойств сварных соединений сплава ОТ4 с цирконием, выполненных без
присадочного материала, установлено, что в различных участках шва
прочность и ударная вязкость практически одинаковы [333]. Углы
загиба у линии сплавления шва с цирконием составляют около 90°,
с титаном — 60°, т. е. зона сплавления шва с цирконием имеет не-
сколько повышенные пластические свойства. Титановые сплавы с вы-
соким содержанием Р-стабилизаторов типа ВТ14 и ВТ15 при сварке
с цирконием образуют хрупкие сварные соединения, что объясняется
взаимодействием циркония с легирующими элементами сплавов [333].
Для изготовления сварных конотрукций из титана и циркония,
подвергаемых в процессе эксплуатации термоциклическим нагруже-
ниям, предложен способ, предусматривающий применение промежуточ-
ных вставок, выполненных порошковой металлургией с переменным по
сечеиию составом от 100 % Хг на одном конце до 100 % Т1 на другом.
При таких вставках, имеющих различные коэффициенты термического
расширения на противоположных концах, растрескивание соединений
при возникновении переменных термических напряжений маловероят-
но. Хорошие механические свойства сплавов-вставок и металлургиче-
ская совместимость титана и циркония обеспечивают получение работо-
способных сварных соединений.
Сварка титана с ванадием. Эти металлы обладают близкими физи-
ческими свойствами. Их сварка происходит без особых затруднений
[333].
Однако при содержании в сплаве титана до 35 % V структура его
является термически неустойчивой, при нагреве образуется «-фаза,
которая приводит к резкому снижению пластичности и вязкости метал-
ла шва. Поэтому технология сварки должна отрабатываться таким обра-
зом, чтобы обеспечить получение устойчивой (5-структуры и тем самым
исключить образование остаточной «-фазы.
В работе [334] исследовалась автоматическая аргонодуговая
сварка сплава ванадия (8 % V) со сплавом титана ОТ4 толщиной 1 —
1,5 мм. При расположении неплавящегося электрода по стыку содер-
жание ванадия в шве составляет около 13—18 % и соединение доста-
точно пластично (а = 160 — 180°). Однако металл шва с содержанием
ванадия около 13—18 % термически нестабилен, происходит резкое
снижение пластичности соединений после их нагрева на 250—300 град.
Для получения в металле шва структуры стабильной Р-фазы необхо-
димо смещать электрод на половину диаметра в сторону ванадия.
Прочность сварных соединений титана с ванадием, выполненных
без присадочного материала, определяется прочностью ванадия. Свар-
ные соединения сплава ОТ4 с ванадием толщиной 1 мм имели ударную
вязкость 80—100 Дж/см2 и угол загиба — 60—80°.
При ЭЛС пластин толщиной 3 мм [66] состав шва регулировался
двумя приемами: смещением луча со стыка и заменой прямого стыка
стыком вскос под углом. Установлено, что при содержании ванадия
в шве менее 20 % пластичность сварного соединения понижена по
сравнению с пластичностью соединения, содержащего ванадия в шве
более 20 % (табл. 8.23). После термообработки (Т = 400 °С, I = 20 ч)
соединений с низким содержанием ванадия в швах угол загиба и удар-
ная вязкость снижаются до нуля. Металл шва таких соединений харак-
теризуется повышенной твердостью, что является следствием распада
Р-фазы титана с образованием «-фазы при низкотемпературном отжи-
ге. Во избежание охрупчивания, связанного с наличием «-фазы,следует
проводить термообработку при температурах выше 500 °С.
Таблица 8.23. Механические свойства соединений титана с ванадием
при комнатной температуре, выполненных ЭЛС
Металл а» град ксп, Дж/см*
после сварки после термообработки, ° С, продолжитель- ностью, ч после сварки после термообработки, °С, продолжительностью, ч
400,20 920,2 920,2+ +400,20 400,20 920,2 920,2+ +400,20
ВТ1-1+У 10—25 0—20 25—40 10—12 110—150 0—13 120—150 110—140
ОТ4Н-У 75—90 10—21 75—80 5—15 50—55 5—18 35—40 5—12 120—170 100—130 130—170 7—45 130—160 8—140 120—140 110—140
ТС5+У 35—45 3—10 40—45 0—3 30—35 7—23 15—25 0—10 100—140 120—160 120—160 5—15 130—170 90—130 110—160 10—100
20—25 20—23 43—45 25—35 130—170 130—160 130—160 130—160
Примечание. Над чертой приведены крайние значения 7—12 испытанных
образцово содержанием ванадия в шве менее 20%, под чертой — с содержанием
ванвдия более 20%,
Сварка титана с танталом. Тантал и р-титан образуют непрерывный
ряд твердых растворов. Прочность и пластичность титана изменяются
незначительно при введении тантала в сплав. Значительная разница
в температуре плавления и теплопроводности титана и тантала обус-
ловливает необходимость смещения источника теплоты прн сварке
на кромку более тугоплавкого тантала. Металлы хорошо соединяются
между собой методами сварки плавлением (аргонодуговой, ЭЛС).
Сварка титана с танталом выполняется примерно на тех же параметрах,
что и сварка титана с ниобием, но при несколько повышенном токе
[333]. При аргонодуговой сварке листов из этих металлов вольфрамо-
вый электрод должен быть смещен от линии стыка на 3/4 своего диа-
метра в сторону тантала. Сварные швы хорошо формируются.
Прочность сварных соединений титана ВТ1 и сплава ОТ4 с танта-
лом определяется металлом с более низкой прочностью. Разрушение
соединений сплава ОТ4 с танталом происходит по танталу при 450 МПа.
Угол загиба соединения ВТ1 с танталом составляет 180°. Эксперименты
по лазерной сварке встык с двух сторон пластин титана с танталом
в импульсном режиме с перекрытием сварных точек и защитой места
сварки струей аргона [39] не дали положительных результатов. Проч-
ность соединений составляет всего 65 % прочности титана, разрушение
происходит по шву, а угол загиба не превышает 90°.
Сварка молибдена с нержавеющей сталью. Сварку молибденового
сплава ЦМ2А со сталью Х18Н10Т проводили встык и внахлестку
(табл. 8.24). Изучение сварных соединений, выполненных ЭЛС н арго-
нодуговой сваркой в контролируемой атмосфере, показало, что соеди-
нение образуется без расплавления молибдена. Нержавеющая сталь
хорошо смачивает поверхность молибдена, образуя при этом соедине-
ние с удовлетворительными механическими свойствами. Структура
металла шва неоднородна. Прочность и пластичность сварных соедине-
ний зависят от типа соединения и режима сварки. Сварные соединения
при изгибе и растяжении разрушаются по зоне сплавления металла шва
с молибденом.
Таблица 8.24. Оптимальные режимы сварки и механические свойства
соединений сплава ЦМ2А со сталью Х18Н10Т
Способ сварки Тип соединены я Ь, мм ^СВ* А Уд. в 1св» м/ч МПа ос, град
ЦМ2А Х18Н10Т
элс Стыковое 0,5 0,8 15-Ю-з 16000 30 390 43
Стыковое с отбортов- кой стали 0,3 0,4 9-Ю-3 16500 40 580 55
Внахлестку с отбортов- кой стали 0,3 0,4 20-1О'3 16300 40 420 93
Аргонодуго- Стыкове 0,5 0,8 60 8 40 270 —
вая в конт- ролируе- мой атмос- Стыковое с отбортов- кой 0,3 0,4 30 8 40 510 54
фере Внахлестку с отбор- товкой стали 0,3 0,4 25—30 10 20 390 50
Сварка титана с молибденом и вольфрамом. Трудности получения
сварных соединений с таким сочетанием металлов обусловлены не толь-
ко присущими всем разнородным металлам особенностями (разница
температур плавления, коэффициентов термического расширения и
строения кристаллических решеток), но и склонностью молибдена
и вольфрама при их плавлении и интенсивному росту зерна и охрупчи-
ванию ЗТВ при сварке.
При лазерной импульсной сварке пластин толщиной 0,1—0,5 мм
с защитой места сварки аргоном [39] не было возможности получить
качественное соединение, поскольку в металле шва образовались
трещины, вызывающие хрупкое разрушение образцов при испыта
ниях.
8.Э. Технология сварки давлением
При всех способах сварки давлением образование соеди-
нения происходит в результате деформационного или термодеформа-
циониого воздействия на соединяемые материалы. Независимо от
способа сварки природа образования соединения между ними едина.
Различия заключаются в кинетике протекания отдельных стадий
процесса, которая определяется условиями нагрева, характером и ин-
тенсивностью деформации материалов, степенью локализации дефор-
мации и особенностями развития релаксационных процессов в при кон-
тактной зоне.
Процесс образования соединения принято рассматривать протекаю-
щим в три основные стадии:
1. Образование физического контакта, т. е. сближение атомов
соединяемых материалов путем пластической деформации на расстоя-
ние, при котором возникает физическое взаимодействие, обусловленное
силами Ван-дер-Ваальса. В случае сварки материалов, имеющих резко
отличные свойства, их сближение осуществляется путем пластической
деформации хотя бы одного из них. При этом происходит активация
контактной поверхности пластически деформированного металла за
счет выхода дислокаций. Это создает условия для образования слабых
химических связей.
2. Активация контактных поверхностей, т. е. образование актив-
ных центров. При сварке разнородных материалов на этой стадии
происходит образование активных центров на поверхности более
твердого из соединяемых металлов. Наличие этого периода и его
длительность обусловлены особенностью его пластической дефор-
мации.
3. Объемное взаимодействие начинает развиваться с момента обра-
зования активных центров на соединяемых поверхностях. На этой ста-
дии происходит развитие взаимодействия соединяемых металлов как
в плоскости контакта с образованием прочных химических связей,
так и в объеме зоны контакта. Процесс протекает на активных центрах,
представляющих собой поля упругих искажений кристаллической ре-
шетки и заканчивается слиянием дискретных очагов взаимодействия,
а в объеме — релаксацией напряжений. При сварке разнородных ме-
таллов необходимость развития или ограничения объемного взаимо-
действия определяется свойствами диффузионной зоны и образующи-
мися в ней фазами.
Для преодоления трудностей, встречающихся при сварке разнород-
ных металлов, и в зависимости от требований, предъявляемых к соеди-
нениям, можно использовать различную технологию и технику, харак-
терную для каждого из способов сварки давлением (взрывом, холод-
ная, трением, диффузионная, контактная, сопротивлением и т. д.).
Холодная и прессовая сварка.
Эти способы успешно применяются
для получения цилиндрических сты-
ковых соединений алюминиевого
сплава АМгб с титаном ВТ1 как
с подогревом, так и при нормальной
температуре [71]. Необходимый ха-
рактер деформирования обеспечива-
ется различной величиной вылета
Лт и йг свариваемых деталей (рис.
8.10). Чтобы деформировать объем
металла, обеспечивающий удовлетво-
Рис. 8.10. Схема стыковой хо-
лодной сварки разнородных ме-
таллов:
рительиое качество сварки, процесс / — свариваемые детали; 2 — зажим
осадки циклически повторяется. >>ьге губки.
Результаты испытаний показывают
высокую прочность соединений (ов = 304 4- 310 МПа).
Холодной сваркой выполняются также соединения алюминия со
сталью и медью 1140]. На соединениях нержавеющей стали Х18Н10Т
со сплавом АМгЗ получен предел прочности 215—225 МПа, со сплавом
АМгб — 293—296 МПа. Однако после нагрева до температуры 350—
300 °С в течение 1—2 ч прочность сварных соединений резко снижается
вследствие возникновения интерметаллидных фаз.
Холодная сварка широко используется для соединения медных
проводов с алюминиевыми. Вылет медного стержня обычно на 30—40 %
больше, чем алюминиевого. Давление при сварке встык составляет
1500—2000 МПа.
Аналогичным по механизму образования соединения является спо-
соб получения титано-стальных и титано-алюминиевых трубопроводов
[284], с помощью холодной сварки за счет совместного деформирования
заготовок (рис. 8.11). Технологический процесс сварки заключается
в том, что алюминиевую заготовку 1 совмещают со стальной или титано-
вой 5, цилиндрическая поверхность которой имеет кольцевые канавки
и выступы. По торцу стального обжимного кольца 4 прикладывают
осевое усилие и деформируют алюминиевую заготовку при переме-
щении кольца в заданное положение. Канавки заполняются алюминием,
создавая контакт между соединяемыми деталями. По описанной техно-
логии были сварены титано-стальные и титано-алюминиевые трубчатые
переходники с внутренним диаметром 10 мм и более. Примерные пара-
метры деформирования переходника алюминиевый сплав АМц — не-
ржавеющая сталь 12Х18Н10Т (внутренний диаметр 450 мм, наруж-
ный — 496 мм) следующие:
Усилие деформирования, МН 7,7
Нормальное давление деформирования, МПа 400
Длительность деформирования, с 828
Скорость перемещения обжимного кольца, м/с 5-Ю-6
Получить удовлетворительные свойства титано-алюминиевых сое-
динений можно также с помощью клинопрессовой сварки [145]. Соче-
тание высокой степени пластической деформации, температуры нагрева
и времени процесса создают благоприятные условия для получения на-
дежного соединения. Схема процесса (рис. 8.12) и оптимальные значе-
ния основных параметров сварки позволяют интенсифицировать тер-
мический и механический факторы активации контактных поверхно-
стей, ограничить развитие объемной диффузии. Величина угла заточки
Спрессовываемой детали оказывает большое влияние на один из глав-
ных активирующих факторов — пластическую деформацию контактных
Рис. 8.11. Схема приспособления для холодной сварки алюминиево-
стальных переходников:
/ — алюминиевая заготовка; 2 — коиус; 3 — разрезной пуансон; 4 — обжимное
конусное кольцо; 5 — стальная труба; 6 — разрезной фланец; 7 — плита: 8 — под-
ставка: 9 — станина; 10 — иаправлиющие; II — упор обоймы; 12 — разрезная смен-
ная вставка; /5 — разрезная втулка; 14 — обойма; 15, 16 — сферические шайбы;
17 — верхняя плита; 18 — подвижная плита.
слоев соединяемых металлов. С увеличением угла заточки титановой
детали прочность соединения уменьшается. Угол заточки, при котором
обеспечивается прочность сварного соединения выше прочности алю-
миниевой части переходника, составляет не более 120°.
Сварка трением. Удовлетворительные механические свойства
соединений алюминия со сталью и медью, а также меди со сталями
обеспечивает сварка трением. На качество и производительность этого
способа влияют относительная скорость вращения, удельное давление
и степень пластической деформации нагретого металла [35].
Наибольшие затруднения встречаются при сварке алюминия со
сталью вследствие образования в зоне соединения интерметаллидов
типа РеА1э и Ре2А16, охрупчивающих соединение и резко снижающих
его прочность. Поэтому рекомендуется выбирать следующие режимы
сварки этих металлов: относительная скорость вращения стержней —
60 с~1; давление при нагреве до 30 МПа, при проковке — до 40 МПа;
время нагрева — не более 10 с; время проковки — до 10 с. При относи-
тельно высоком давлении при нагреве и про-
ковке, а также при небольшом времени на-
грева удается избежать образования слоя
интерметаллидов. Этому способствует разо-
грев зоны соединения до температуры, непре-
вышающей 500 °С. Режимы сварки трением
различных пар металлов представлены
в табл. 8.25.
Диффузионная сварка. Этот способ зани-
мает одно из ведущих мест среди способов
сварки давлением. В настоящее время накоп-
лен большой опыт сварки большинства кон-
струкционных материалов, таких, как алюми-
ний, медь, никель, титан, тугоплавкие ме-
Рис. 8.12. Схема кли-
нопрессовой сварки.
таллы и сплавы на их основе, а также стали
между собой в разнородных сочетаниях. В ли-
тературе подробно рассмотрены основы теории
и технологические аспекты диффузионной
сварки всех перечисленных выше металлов, а также оборудование
для ее осуществления [89, 132[. Здесь будут описаны только основ-
ные технологические особенности сварки разнородных металлов.
Таблица 8.25. Ориентировочные режимы сварки трением разнородных
металлов
Металл Диаметр стерж- ней, мм Относи- тельная скорость вра ще- НИЯ, С”1 р, МПа Осадка, мм 1, с
при на- греве при про- ковке
Алюмииий-|-медь 8 22,5 20 — 30 100—200 13 10 — 20
Бр. АМц9-2+сталь20 20 25 25 25 6 — 8 8—9
ЛМц 58-2-(-сталь 20 30 25 25 25 6 — 8 8
Диффузионная сварка применяется для соединения алюминия и
его сплавов со сталями, медью, титаном и их сплавами.
При взаимодействии алюминия с железом образуется ряд интерме-
таллидов. Поэтому диффузионной сваркой нельзя получить достаточно
прочное соединение алюминия и его сплавов со сталью. При сварке
технического алюминия АД со сталью 12Х18Н10Т по оптимальному
режиму (табл. 8.26) максимальная прочность (разрушение по алюми-
нию) достигается при I = 1800 с. На этих режимах в соединении обра-
Таблица 8.26. Ориентировочные режимы диффузионной сварки
алюминия со сталями и прочность соединения
Металл Материал прослой- ки Т, "С р, МПа /, с ов, МПа Место разруше- ния
АД1 + 12Х18Н10Т 500 7,5 1800 90 АД1
АД1 + сталь 15 Ы1 + Си 550 12,3 120 78 АД1
АМц + сталь 15 Ы1 + Си 550 14,7 120 135 АМц
зует^я переходная зона шириной 4—6 мкм с микротвердостью 500—
1400 МПа.
Большое влияние на прочность соединения алюминия со сталью
оказывают легирующие добавки — магний, кремний, медь. С увеличе-
нием содержания магния в сплаве и времени сварки прочность соедине-
ния резко снижается. Поэтому сплавы АМг соединяют со сталью
12Х18Н10Т через прослойку из АД1. Легирование алюминия кремнием
и медью положитёльно влияет на свариваемость его со сталью. Проч-
ность соединения повышается, однако разрушение в этом случае про-
исходит в месте стыка [89].
Прочное соединение алюминия и его сплавов со сталями достига-
ется применением промежуточных прослоек. Материал прослойки вы-
бирают с учетом возможности появления новых фаз в зоне контактиро-
вания. Сплав АМц и алюминий АД1 сваривают со сталью 15 через
никелевую прослойку, наносимую на стальную деталь гальванически
через подслой меди (см. табл. 8.26). Сварка с прокладкой никеля обе-
спечивает более стабильное качество соединения, чем сварка без про-
кладки. Диффузионной сваркой соединяют алюминий с медью. Проч-
ность соединений определяется свойствами переходной зоны, имею-
щей различный фазовый состав, структуру и толщину и зависящей от
температурно-временных условий сварки. Для уменьшения возможно-
сти образования хрупких интерметаллидов рекомендуется покрывать
медь цинком, серебром, никелем. Оптимальные режимы сварки и предел
прочности соединений даны в табл. 8.27.
Таблица 8.27. Ориентировочные режимы диффузионной сварки
алюминия с медью и прочность соединений
Металл Т, «с р, МПа 1, с <уа, МПа
АОО + Си 520 10 600 120
Д16 + Си 600 5 900 —
АМц + Си 510 7 900 —
АМгб Си 540 . 7 1500 140
Диффузионная сварка алюминия АД1 и его сплавов с титаном
ВТ 1-0 осуществлялась по режимам, указанным в табл. 8.28. Соедине-
ния алюминия с титаном после прогрева при температуре 600 °С в тече-
ние 1 ч и при 500 °С в течение 10 ч сохраняют вакуумную плотность
и механическую прочность.
Таблица 8.28. Ориентировочные режимы диффузионной сварки
алюминия с титаном и прочность соединении
Металл т, «с р, МПа А с оа,МПа
А5+ ВТ1-1 560 12 600 188
АМц + ВТ 1-0 600 14,7 600 190
АМЩ-А5 + ВТ1-0 620 14,7 600 195
АМгб + ВТ 1-0 590 14,7 600 125
АМгб + А5+ВТ1-0 590 14,7 600 230
АД1 +ВТ1-0 500 8 1800 100
Диффузионная сварка титана с алюминием и его сплавами осу-
ществлялась по технологии с высоко интенсивным нагружением. Полу-
ченные соединения титана ВТ1-0 с алюминием АД1 прн температуре
сварки 520—540 °С в течение 60 мин имели предел прочности не менее
90 МПа, а угол загиба составлял 180°.
Непосредственные соединения титана с алюмиииево-магииевыми
сплавами имели низкую прочность и пластичность. Необходимость
повышения свойств соединений обусловило применение промежуточного
слоя из технического алюминия. Слои между свариваемыми заготов-
ками выполнялись двумя способами: нанесением на титановую поверх-
ность алюминия методом алитирования в жидкой ванне и применением
алюминиевой фольги марки АД1 различной толщины. Как в случае
алитирования поверхности титана, так и в случае промежуточной
прокладки из алюминиевой фольги получены сварные соединения,
равнопрочные алюминиевому сплаву. Режимы сварки и предел проч-
ности соединений ВТ1-0 — АМгЗ приведены в табл. 8.29. С изменением
толщины прослойки изменяется предел прочности соединения. На ос-
новании работ по оценке прочности сварных соединений с тонкими мяг-
кими прослойками можно в зависимости от вида соединения и типа
сплавов подобрать такую толщину прослойки из технического алюми-
ния, которая обеспечивает удовлетворительные механические свойства
сварного соедииеиия.
Таблица 8.29. Ориентировочные режимы диффузионной сварки
и прочность соединений ВТ1-0-[-АМгЗ
Режим сварки Ов, МПа Место разрушения Примечание
т, °с р, МПа 1, с
520—540 200 1800 202—204 Алитированный слой, сплав АМгЗ Алитирование: 780—820 °С, 35—70 с
520—540 200 3600 182—191 Прослойка АД1 Фольга АД1 Ь = = 0,4 мм
520—540 200 3600 216—233 Прослойка АД1, сплав АМгЗ Фольга АД1 Ь — = 0,2 мм
Диффузионная сварка меди и ее сплавов со сталью позволяет полу-
чать качественные соединения. В системе Ре — Си хрупкие интерме-
таллиды не образуются. Затруднения при сварке меди со сталью свя-
заны с высоким сродством меди к кислороду, низкой температурой
плавления меди, различными значениями коэффициентов теплопровод-
ности и линейного расширения. При диффузионной сварке меди с же-
лезом в зоне соединения образуются а-твердый раствор меди в железе
и соответствующий раствор железа в меди. Механические свойства
соединения зависят от ширины промежуточной фазы, образующейся
в зоне контакта. Оптимальный режим сварки меди М1 с армко-железом
7=900 °С; р= 5 МПа; 1 = 1200 с; вакуум 1,33-(10"Ч-10"*) Па.
Ширина промежуточной фазы в соединении, выполненном на опти-
мальном режиме, равна 2—3 мкм, а ов = 175 4- 200 МПа при 6 = 20—
30 %. При диффузионной сварке хромистой бронзы Бр.Х0,8 со сталью
12Х18Н10Т на оптимальном режиме Т = 900 °С; р = 10 МПа; 1 =
= 900 с; вакуум 1,33 • 10-1 Па; ов = 280 4- 350 МПа при 6=19 4-
4-24%. Для повышения прочности соединения сварка меди и ее
сплавов с железом и сталями проводилась через прослойку из никеля.
При температурах 900—950 °С никель образует непрерывный ряд твер-
дых растворов с железом и медью, что имеет большое значение для
сварки разнородных металлов.
Диффузионной сваркой хорошо свариваются медь с никелем. Эти
металлы ие различаются по своим пластическим характеристикам,
фактический контакт между ними формируется в процессе деформации
н ползучести микронеровностей на обеих поверхностях. При этом по-
верхностные оксидные пленки достаточно эффективно удаляются в
условиях диффузионной сварки в вакууме. В процессе объемного вза-
имодействия медь с никелем образуют непрерывный ряд твердых раст-
воров. Параметры процесса диффузионной сварки меди с никелем
близки к режимам сварки медн. Однако несколько возрастают темпе-
ратур а и сварочное давление, что обусловлено необходимостью акти-
вации более твердого и тугоплавкого никеля для получения соедине-
ний, равнопрочных меди. Оптимальным режимом диффузионной
сварки меди МБ, М1 с никелем можно считать Т = 900 °С; р = 13 -5-
-т- 15 МПа; I = 1200 — 1800 с; вакуум 1,33 • 10-2 Па. Ширина диффу-
зионной зоны в соединениях, выполненных иа оптимальном режиме,
составляет 15—20 мкм. Получение прецизионных соединений меди
с никелем без остаточной макропластической деформации возможно
при сварке в сверхглубоком вакууме. Так, в вакууме 1 • Ю-’ Па полу-
чены соединения при Т = 400 °С; р — 10 МПа; I = 1200 с.
Диффузионную сварку титана ВТ1-1 с медью МБ для изготовле-
ния деталей электровакуумных приборов выполняют на режиме Т =
= 850 °С; р = 5 МПа; I — 600 с; вакуум 1,33 • 10-2 Па. Выбранная
температура сварки несколько ниже температуры образования жидкой
эвтектики, однако прочность таких соединений существенно ниже
прочности исходных материалов и не превышает 100 МПа. Диффузион-
ная сварка титана с медью через жидкую фазу [21] осуществлена в ре-
зультате нагрева соединяемых деталей до температуры плавления
эвтектики. Соединения технического титана с медью М1 имели не-
сколько промежуточных фаз, а предел прочности составлял около
20—30 МПа. Подбором режимов сварки удалось получить прочное
соединение для сплавов ОТ4 + Бр.Х0,8. При сварке по оптимальному
режиму Т = 750 °С; р = 15 МПа; I = 900 с в зоне контакта сплавов
образуется жидкая фаза. По-видимому, легирующие элементы сплавов
понижают температуру плавления. Прочность отдельных образцов
достигала 300 МПа. Однако разрушение происходит хрупко по по-
верхности контакта промежуточной фазы и титанового сплава. Для
изготовления узлов электровакуумных приборов, состоящих из меди
н титана, используется диффузионная сварка в вакууме с приложением
давления благодаря разности коэффициентов линейного расширения
материалов оправки и свариваемых деталей [151[.
Более высокие и стабильные прочностные показатели при соеди-
нении титана с медью достигаются в случае использования барьерных
слоев, препятствующих непосредственному взаимодействию соединяе-
мых металлов. В работе [92] исследовалась возможность диффузионной
сварки титановых сплавов ОТ4 и ВТ14 с медью М1 и бронзой Бр.Х0,8
с применением прослоек из молибдена и ниобия, не образующих ни
с титаном, ни с медью легкоплавких эвтектик и хрупких металличе-
ских соединений. Режимы сварки и прочность полученных сварных
соединений представлены в табл. 8.30.
Анализируя экспериментальные данные по сварке давлением и
результаты исследований кинетики образования промежуточных
слоев, можно сделать вывод, что для получении качественного соеди-
нения разнородных металлов, склонных к образованию интерметал-
лидиых фаз, необходимо создать условия для образовании физического
контакта по всей площади соединяемых поверхностей в начальный
период сварки, когда диффузионные процессы ие успели развиться;
замедлить взаимную диффузию металлов ограничением максимальной
температуры нагрева заготовок н тем самым исключить появление интер-
металлидов в зоне контакта; активировать соединяемые поверх-
ности в основном за счет пластической деформации металлов. С учетом
этих требований в ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР был разработай
технологический процесс, позволяющий получать равнопрочные сое-
динения титана ВТ1-0 и сплава ОТ-4 с медью М1 без применения про-
межуточных прослоек. Сварка осуществлялась в вакуумной камере
с применением радиационного нагрева при температурах нагрева за-
готовок Т С 0,5Тпл меди и давлении, превышающем предел текучести
металлов в условиях сварки.
Таблица 8.30. Ориентировочные режимы диффузионной сварки титана
с медью и прочность соединений
Прослойка г, °С мин р, МПа ав, МПа
Без прослойки 600 30 5,0 64
800 300 3,5 147—160
Молибден (напыленный) 950 30 5.0 80—115
980 300 3,5 190—220
Ниобий (напыленный) 950 30 5,0 72—105
980 300 3,5 190—220
Ниобий (фольга Ь = 950 30 5,0 93
= 0,1 мм) 980 300 3,5 220—272
Примечание. Над чертой — данные, полученные при использовании индук-
ционного, под чертой — печного нагрева.
Установлено, что деформационно-рекристаллизационные процес-
сы играют решающую роль при формировании соединений [228, 340].
Сварные соединения, равнопрочные меди, получаются при течении
меди по поверхности титана и степени деформации ее не менее 30 %;
возникновении напряжений на контактной поверхности, достигающих
предела текучести титана в условиях сварки; динамической рекрис-
таллизации прикоитактных слоев меди. Такие условия сварки обеспе-
чивает применение оправки с проточкой в месте стыка металлов [228].
По разработанной технологии были сварены цилиндрические за-
готовки меди МО, М1 с титаном ВТ1-0, ОТ4 диаметром 20—45 мм. Су-
ществует взаимосвязь между параметрами режима сварки и размерами
образовавшейся диффузионной зоны. Сварные соедииеиия, полученные
на оптимальном режиме, обладали хорошей пластичностью и разруша-
лись при испытаниях на растяжение по меди (рис. 8.13) с пределом
прочности 225—236 МПа.
Диффузионная сварка титана и его сплавов со сталями осущест-
влялась на режимах, приведенных в табл. 8.31. При непосредственном
соединении этих металлов наибольшую прочность имеют соединения,
в которых ширина слоя интерметаллидов не превышает 3—5 мкм, а
переходная зона характеризуется а-твердым раствором железа в тита-
не с определенной степенью насыщения. При испытании на растяже-
ние такие соединения разрушаются по зоне контакта титана с железом
(сталью). Прочность диффузионного соединения титана непосредствен,
но со сталью определяется не только толщиной слоя интерметаллидов,
ио и шириной зоны, обогащенной углеродом, диффундирующим от стали
к титану с образованием карбидов титана на границе раздела разно-
родных металлов.
Таблица 8.31. Ориентировочные режимы диффузионной сварки титана
с железом и сталью и механические свойства соединений
Металл г, °с р, МПа 6 с ав, МПа в, %
ВТ1 + армко-железо 750 20 900 230 15
ОТ4+ Х18Н9Т 850 10 900 420 25
ВТ5-1 + Х18Н10Т 900 10 900 280—330 —
Диффузионной сваркой в вакууме невозможно получить соедине-
ние с прочностью и пластичностью исходных материалов при наличии
слоя интерметаллида по линии контакта, так как, во-первых, нет проч-
ной связи слоя интерметаллида с основным металлом, а во-вторых,
сам иитерметаллид тверд и хрупок [386].
При диффузионной сварке титана со сталью используются прослой-
ки из ванадия в виде фольги Ь — 0,2 мм. Режим сварки: Т = 900 -?
4- 1000 °С; р = 2 4- 3 МПа; ( = 300 4- 600 с. При механических
испытаниях разрушение соединений происходит хрупко по границе
раздела ванадия и стали. В процессе сварки происходит перераспреде-
ление углерода в сторону ванадия, который интенсифицируется с уве-
личением содержания углерода в стали. Одна прослойка ванадия ие
решает задачу диффузионной сварки титана со сталью. Применение
слоев ванадия и меди оптимальной толщины [193] позволяет получить
Рис. 8.13. Гагаринские образцы сварного соединения титана с медью
после испытаний на растяжение.
сварные соединения сплавов титана с нержавеющей сталью, обладаю-
щие достаточной прочностью при удовлетворительной вязкости и плас-
тичности (табл. 8.32). Ударная вязкость соединений приближается
к иижнему пределу ударной вязкости однофазных титановых сплавов
(до 35 Дж/см2). Угол загиба образцов толщиной 2 мм, вырезанных из
сварных стержней, достигает 50—60°. Сварка проводилась на режиме
Т = 1000 °С; р = 3 Ч- 6 МПа; I = 300 Ч- 900 с.
Таблица 8.32. Механические свойства соединений ВТ5-1 -(-1Х18Н9Т с прослойками ванадий -]- медь
Относительная толщина слоя* <УВ, МПа гу0 2» МПа в, % Ф, %
Си V
0,02 0,05 296 570 8,4 14
0,03 0,1 310 530 6,7 9,8
0,03 0,2 320 490 5,3 6,8
0,02 0,7 310 440 5,4 10,5
* Отношение толщины слоя к диаметру образца.
Прочность меди (200—220 МПа) и ванадия (380—420 МПа) значи-
тельно ниже прочности нержавеющей стали 1Х18Н9Т (550—600 МПа)
или титанового сплава ВТ5-1 (800—900 МПа). Однако прочность свар-
ного соединения достаточно высока и даже может в несколько раз пре-
вышать прочность материала промежуточных прослоек. Происходит
так называемое контактное упрочнение материала мягкой прослойки.
Диффузионная сварка титана со сталью возможна также с приме-
нением прокладок ванадий + хром, ванадий + палладий. Кроме того,
в производстве трубчатых переходников используются компактные
вставки, содержащие слои меди и ванадия и полученные совместной
прокаткой.
Диффузионная сварка титана со сталью может осуществляться не
только в вакууме, но и в солевой ванне состава 70 % ВаС12 и 30 %
ЫаС1. При использовании прослоек из ванадия и меди толщиной 0,1 мм
прочность соединения ВТ1-1 + Х18Н9Т составляет 200—250 МПа
[368].
Принципиальная возможность сварки молибдена, ниобия, тантала,
ванадия со сталями, сплавами цветных металлов частично показана
в предыдущих разделах. Прн рассмотрении этих металлов в качестве
промежуточных прокладок, учитывая особенности технологии сварки
тугоплавких металлов, применение диффузионной сварки следует счи-
тать наиболее эффективным [132] (табл. 8.33).
Сварка взрывом. Этот способ сварки применяется главным образом
для получения биметаллов с различным сочетанием материалов.
При сварке алюминия и его сплавов со сталью возможно образова-
ние интерметаллидов и зона контакта весьма склонна к охрупчиванию.
Достаточно прочное соединение получается лишь в узком диапазоне
режимов сварки. Кроме того, нагрев таких соединений до 500 °С приво-
дит к уменьшению прочности на отрыв до 10—20 МПа. Для повышения
качества алюминиевых сплавов со сталью применяют промежуточные
прокладки из технического алюминия [161].
В работе [309] определены оптимальные параметры получения
сваркой взрывом двухслойных металлов ВТ1 + АД1 с толщинами лис-
тов 8 + 1,5 мм соответственно и трехслойных ОТ4 + АД1 + АМгб
с толщинами соединений 10 -]- 2 + 6 мм. Установлена зависимость
Таблица 8.33. Ориентировочные режимы диффузионной сварки
тугоплавких металлов с другими металлами и прочность соединения
Металл Материал промежу- точной вставки; толщина слоя, мкм г, °с р, МПа 1, с ав, МПа
Молибден -[- 2Х13 ___ 900—1000 10-15 900—1200 390—460
Молибден 4- 1200 5—10 900
+12Х18Н10Т
Молибден -)- Н29К18 — 1100 5 600 —
Молибден 4- НП2 950 7 1200
Молибден 4- медь — 950 15—16 900—1800 160
Вольфрам 4- медь 7—14 950—1050 15—16 600—2400 151
10-14 950 16 1800 133
Вольфрам -[- молибден —. 1900 20 900 —
Та; 50 1900 20 1200 —
Ниобии сталь 40Х 1000 15 1200
Ниобий 4- молибден —— 1400 10 300 —_
ТВЮ4-ОТ4 850 20 1800 560
ТВ41 4-ОТ4 — 850 20 1800 680
Примечание. При сварке металлов молибден + 2X13, ТВ10 4- ОТ4 и ТВ414-
4-ОТ4— вакуум 133-10-3 Па, в остальных случаях — 1,33.10-* Па.
формирования соединения и его свойств от режимов сварки. При ско-
ростях соударения свариваемых пластин в пределах 400—600 м/с
прочность соединения составляет 100—120 МПа, что соответствует
прочности сплава АД1 в упрочненном при взрывном нагружении со-
стоянии. В случае увеличения скорости соударения выше 600 м/с по
линии соедииеиия происходит оплавление металлов и образование ло-
кальных участков с твердостью 3700—4100 МПа. Исследовалось также
влияние температуры нагрева от 100 до 600 °С с выдержками в течение
1 и 2 ч на прочность трехслойиой композиции ОТ4 + АД1 + АМгб.
На границе титана с алюминием после нагрева до 500 °С не обнаружено
выделения интерметаллических прослоек, что свидетельствует о значи-
тельной величине периода задержки образования фазыТ(А13 в условиях
эксперимента. Энергия активации процесса образования интерметалли-
дов, рассчитанная для случая сварки в твердом состоянии, составляет
268 кДж/моль [309], в то время как для сварки титана с алюминием
в жидкой фазе эта энергия равна всего 163,4кДж/моль [375]. Сопостав-
ление приведенных данных свидетельствует о том, что диффузионные
процессы протекают намного медленнее, если титан и алюминий
соединяются в твердом состоянии.
Сварка взрывом применяется для получения биметалла медь 4*
+ сталь и плакирования стали латунью. Важнейшим параметром при
сварке взрывом является давление в зоне соударения, обеспечивающее
пластическую деформацию, необходимую для сближения и очистки
соединяемых поверхностей. Это давление должно быть выше критиче-
ского минимума, связанного с прочностью металла. Если давление во
фронте не достигает критической величины, металл не деформируется
и сварка ие происходит. Скорость детонации для соединения взрывом
меди со сталью рекомендуется в пределах 2800—3500 м/с, для ла-
туни со сталью 2500—3000 м/с.
Сварка взрывом позволяет полу-
чать прочные соединения меди со ста-
лью (аотр = 274,7 4- 284,5 МПа) при
исходной прочности меди ов = 196,2—
206 МПа. Зона соединения имеет обыч-
ную волнообразную структуру с литыми
включениями. Из-за значительного раз-
личия температуры рекристаллизации
стали и меди и ограниченной их раст-
воримости в твердом состоянии режим
термообработки существенно влияет на
свойства соединений. Отпуск при 500—
550 °С в течение 1—2 ч приводит к ре-
кристаллизации меди и частичному сня-
тию наклепа в стали.
Высокими механическими свойст-
вами обладают сварные соединения
из низколегированных конструкционных сталей с медью, полу-
ченных сваркой взрывом (о0 2= 277,6 МПа; ов = 404,2 МПа; 6 =
= 28,3 %).
Плакирование стали латунью, которое в основном применяется
в трубиых решетках, обеспечивает высокую прочность соединения,
как правило, выше прочности латуни [141]. В промышленности исполь-
зуются биметаллы сталь + антифрикционная бронза (Бр.ОФ6,5-0,15;
Бр.ОЦС4-4-2,5 и др.), полученные сваркой взрывом с последующей
прокаткой. Соединение сталь + бронза Бр.ОФб,5-0,15 имеет высокую
прочность (ов = 421,8 4- 588,6 МПа). После отпуска при 650 °С вслед-
ствие рекристаллизации как в бронзе, так и в стали прочность снижа-
ется (ов = 353,2 4- 412 МПа). Более низкая прочность соединения
сталь + бронза Бр.ОЦС4-4-2,5 (ов = 147,2 4- 176,6 МПа) после
отпуска при 650 °С [1411. Однако такой биметалл позволяет проводить
необходимые технологические операции (прокатку, штамповку и др.)
и обладает вполне удовлетворительными служебными свойствами.
Одним из перспективных методов соединения титана с медью явля-
ется использование переходных биметаллических элементов, получен-
ных сваркой взрывом. Соединения титана ВТ1-0 и сплавов ОТ4 и
Т13А137Р4Ь выполнялись по схеме, приведенной на рис. 8.14.
Все полученные иа оптимальных режимах соединения были равно-
прочны нагартованной меди, подвергшейся наклепу в результате соуда-
рения пластин в процессе сварки, и разрушались с пределом прочности
270—332 МПа. По границе контакта титана ВТ1-0 с медью были обна-
ружены интерметаллиды типа Т13Си и Т1Си, имеющие локальный ха-
рактер распределения и существенно не влияющие на механические
свойства соединений после сварки. Однако нагрев таких соединений
до температуры 500 °С и выше приводит к ухудшению механических
свойств в результате образования сплошной полосы интерметалличе-
ских соединений. Поэтому для получения соединений стабильного ка-
чества а-сплавов титана с медью М1 целесообразна сварка взрывом
с применением промежуточного слоя из ниобия. Толщина ниобиевой
прослойки изменяется от 0,3 до 1 мм в зависимости от толщины сварива-
емых титановых (5—15 мм) и медных (3—8 мм) листов. Предел прочности
соединения в состоянии после сварки составлял 271—301 МПа, а после
высокотемпературного нагрева (до 850—900 °С) с выдержкой в течение
1 ч — 196—204 МПа. При этом появления охрупчивающих прослоек
не наблюдалось.
Рис. 8.14. Схема сварки
взрывом:
/ — детонатор; 2 — ВВ; 3 — про-
кладка; 4 — метаемая пластина;
5 — неподвижная пластина; б —
станина.
Рис. 8.15. Зависимость
прочности сварного соеди-
нения Т13А137Р46 4-М1 от
времени выдержки прн
температурах 500 °С (7),
600 °С (2), 700 °С (<?).
Сваркой взрывам получены качествен-
ные непосредственные соединения Р-сплава
титана Т13А137МЬ с медью М1, работоспо-
собные при нормальной температуре.
Изменение предела прочности сварных
соединений Т13А137М6 4- М1, подвергнутых
нагреву от 500 до 700 °С, приведено на
рис. 8.15. Нагрев соединения Р-сплава ти-
тана с медью хотя и приводит к возник-
новению промежуточных интерметалличес-
ких прослоек, однако до определенного
предела практически не влияет на их
прочность.
Сварка взрывом титана и его спла-
вов со сталью применяется в основном
для получения биметаллических заготовок.
Прочность соединения слоев в значитель
ной мере определяется основными техноло-
гическими параметрами процесса сварки'-
отношеннем массы ВВ к массе метаемой
пластины г, скоростью детонации О, началь-
ным расстоянием между соединяемыми
пластинами /г0. Сварка на оптимальных
параметрах позволяет получить доста-
точно высокие значения предела проч-
ности. Так, в случае метаемой пластины из технического титана
толщиной 2—10 мм и неподвижной пластины из углеродистой или
низколегированной стали толщиной 10—40 мм О = 2000 4- 2500 м/с;
/10 = 2 — 10 мм; г = 2 -4- 3,5; оа = 300 4- 400 МПа [161].
Прочность биметаллических соединений титан + сталь на срез
выше, чем на отрыв. Однако при последующих нагревах биметалличе-
ских заготовок, полученных взрывом, до температуры выше 500—600°С
соединение заметно разупрочняется. Уменьшение прочности биметал-
лического соединения связано с интенсивным протеканием диффузион-
ных процессов и образованием в зоне контакта хрупких фаз. В связи
с этим для изделий, работающих при повышенных (выше 500 °С) тем-
пературах, целесообразно изготавливать биметалл с промежуточной
прокладкой, предотвращающей 5?аимодействие соединяемых металлов.
Прокладки могут быть из ниобия, ванадия или комбинированные,
например ниобий + медь.
Совместная прокатка металлов. С целью получения биметалличе-
ских заготовок совместная прокатка является в настоящее время
одним из основных способов изготовления промышленных биметал-
лических лент и листов.
Совместная холодная прокатка применяется для получения биме-
таллов алюминий + сталь и алюминий + сталь + никель, используе-
мых в электровакуумной промышленности.Известна технология плаки-
ровки нержавеющей стали типа 18-8 холодной прокаткой с 40—70%-
ным обжатием за проход с последующим отжигом при 400—600 °С.
Освоен также промышленный выпуск конструкционных биметаллов
армко-железо + сплав АМгб и 12Х18Н10Т -|- сплав АМгб [267].
Для обеспечения надежного сцепления со сталью технология из-
готовления биметалла 12Х18Н10Т + АМгб предусматривает предвари-
тельное плакирование сплава АМгб чистым алюминием марки АДО.
При суммарной толщине биметаллов 7—8 мм предел прочности на
отрыв слоев биметалла 12Х18Н10Т + АМгб составляет 104—152 МПа,
а биметалла армко-железо -Ь АМгб — 71 — 146 МПа.
Основные трудности при прокатке биметалла Х18Н10Т+ АМгб
с толщиной каждого слоя 35 мм связаны с необходимостью повышенного
обжатия пакета в первом проходе. Для биметалла толщиной 15—20 мм
это обжатие составляет 40—60 %.
Плакирование стали тонким слоем алюминия АОО или использо-
вание из него промежуточной прокладки оказывает положительное
действие с точки зрения технологии прокатки. В этом случае требу-
ются меньшие сжимающие усилия и деформации пакета для получения
биметалла требуемого качества.
Сварка прокаткой применяется для получения биметаллов алюми-
ний + медь, сталь + медь, сталь + латунь, сталь + титан,титан +
медь. Для таких биметаллов широко используется совместная горя-
чая и холодная прокатка как иа обычных, так и на вакуумных станах,
сварка взрывом с последующей горячей или холодной прокаткой
заготовок до требуемых размеров.
Листовой биметалл алюминий + медь широко применяется в элек-
тротехнической промышленности при изготовлении различных тепло-
обменников, электролизеров и т. д. Освоено производство рулонов
и листов биметалла шириной 350 мм, толщиной 1,5—4 мм. Биметалл
алюминий + медь чувствителен к нагревам выше 150 °С. Связано это
с началом реактивной диффузии с образованием интерметаллидов. Сопро-
тивление отрыву слоев биметалла резко понижается с увеличением
толщины интерметаллида до 3—5 мм. При нагреве до температур
150—250 °С образуется только один слой интерметаллида СиА12 и зона
твердого раствора меди в алюминии, а при 300 °С и выше — несколько
слоев различного химического состава.
Для получения биметалла СтЗ + медь применяют горячую про-
катку пакетов. Перед прокаткой соединяемые поверхности зачищают
металлическими щетками или стружкой и обезжиривают бензином. При
выборе режимов прокатки учитывают разное сопротивление деформа-
ции стали и меди, зависящее от степени деформации. Перед прокаткой
пакеты нагревают до 900—950 °С. Усилия при прокатке достигают
19 МН. Максимальная прочность на отрыв слоев биметалла равна 303—
386 МПа и достигается лишь при суммарной деформации 70—80 %. Та-
кая степень деформации биметалла обеспечивается 7—10-кратным об-
жатием пакета.
После прокатки рекомендуется нормализация биметалла в течение
30 мин при температуре 650 °С и последующим охлаждением на возду-
хе. После отжига медь полностью рекристаллизуется, а стальной слой
состоит из вытянутых чередующихся зерен феррита и перлита. Диф-
фузионный слой со стороны меди представляет е-твердый раствор,
а со стороны стали — а-твердый раствор. Суммарная толщина диффу-
зионного слоя составляет около 3 мкм.
Получение прокаткой в вакууме соединений медь + сталь, медь +
никель, медь + ниобий рассмотрено в работе [64]. Пакеты составля-
ли из двух пластин толщиной по 10 мм. Сопротивление отрыву, близкое
к пределу прочности одного из свариваемых металлов, достигается
при обжатии не менее 30 %. Прокатка биметалла медь + ниобий при
1000 °С в вакууме не хуже 1,33 • 10~2 Па с обжатием 10—45 % позво-
лила получить прочность сцепления слоев 170—250 МПа, что соответ-
ствует прочности медного слоя.
Совместной прокаткой изготавливали биметаллические титан
медь полосы для изготовления токоподводов. В химических агрессивных
средах при электролизе медные токоподводы неустойчивы и быстро вы-
ходят из строя. Поэтому использовали медпо-титановый токоподвод,
где медь была защищена титаном. В титановую трубу вставляли мед-
ную заготовку, концы трубы сплющивали и заваривали аргонодуговой
сваркой.Пакет прокатывали при температуре 650—700 °С за один про-
ход с обжатием около 70 % .После прокатки производили отжиг при
700 °С в течение 30 мин. Титановый сплав ВТ6С соединяли с бронзой
Бр.Х0,8 совместной прокаткой в вакууме 1,33 (10~2-г-10-3) Па.
Пакеты из двух слоев толщиной по 6 мм прокатывали в вакууме,
в аргоне, на воздухе. Хорошую свариваемость получили в вакууме и
в аргонеи почти полное отсутствие сварки в соединениях, прокатанных
иа воздухе. Для биметалла ВТ6С + Бр.Х0,8 установлены оптималь-
ные параметры сварки, обеспечивающие высокую прочность и повышен-
ную пластичность соединения: вакуум (13,3 4- 6,65)4-10-3 Па; темпе-
ратура прокатки 700—800 °С; обжатие 20 %. Дальнейшее увеличение
обжатия практически не влияет на прочность соединения. Нагрев до
температуры выше 870 °С приводит к резкому снижению прочности
соединения слоев из-за образования в зоне контакта легкоплавкой
эвтектики. Максимальное сопротивление отрыву в биметалле, полу-
ченное по оптимальному режиму прокатки, составляет 400 МПа. В ка-
честве промежуточного материала в соединениях ВТ6С + Бр.Х0,8
для предотвращения образования охрупчивающих фаз применяли
ниобиевые прокладки толщиной 0,1—1,5 мм.
Получение биметалла сталь + титаи может осуществляться со-
вместной прокаткой в вакууме или в герметизированных пакетах на
обычных станах.
Пакет из стали СтЗ толщиной 9 мм и титана ВТ1-1 толщиной Змм
нагревали до 1000 °Си деформировали за один проходца 8—30 %. Наи-
большее сопротивление срезу (160—220 МПа) получено после обжатия
13 % в вакууме (13,3 4- 1,33) • 10~3 Па. На прочность соединения от-
рицательно влияет увеличение содержания углерода.
Двухслойные пакеты ВТ6С + Х18Н10Т толщиной 5—18 мм про-
катывали в вакууме 6,65 • 10~3 Па при температуре 700—1000 °С с
однократным обжатием 20—60 %. На всех образцах сопротивление
отрыву ие превышало 300—400 МПа. Состав переходной зоны, образо-
вавшейся после прокатки, свидетельствовал о том, что наиболее интен-
сивно в титановый сплав из стали диффундирует никель, затем железо
и хром. Концентрация насыщения этих элементов в титане соответствует
равновесным диаграммам состояния. Для предотвращения развития
охрупчивающих фаз в зоне контакта титана со сталью применяли про-
межуточные прокладки. В качестве прокладок использовали титан
ВТ1-1, никель, бронзу Бр.Х0,8, ниобий, ванадий с обжатием 20 и
30 %. При этом пакеты с бронзой нагревали до 700—800 °С, а с вана-
дием — до 950—1000 °С. Независимо от исходной толщины титана нли
бронзы прочность при растяжении была равна пределу прочности ма-
териала прослойки или несколько выше его. В биметалле с прослойками
ВТ1-1, никеля и ниобия предел прочности достигал соответственно
353—397, 250—267 и 457—500 МПа.
Соединения ВТ6С + Х18Н10Т с двойной прослойкой ниобий+
медь прокатывали при температуре 800—1000 °С за три прохода с сум-
марным обжатием 45—50 %, исходная толщина материалов пакета сле-
дующая: ВТ6С — 6 мм, ниобиевая фольга — 0,5—0,1 мм, медная лен-
та — 0,2—4 мм, стальная пластина — 10 мм. Наибольшее значение пре-
дела прочности (550 — 570 МПа) соответствует температуре прокатки
950 °С. Разрушение образцов происходит по медной прослойке. Значи-
тельное увеличение прочности соединения по сравнению с исходными
значениями для меди связано с эффектом контактного упрочнения тон-
ких медных слоев, которые являются «мягкой» прослойкой в этом
соединении.
В последние годы интенсивно разрабатывается возможность ком-
бинированной технологии получения биметалла титан + сталь [21].
Вначале с помощью сварки взрывом изготавливается биметаллическая
заготовка, а затем методом горячей прокатки доводят толщину слоев до
необходимого размера. Нагрев заготовок, сваренных взрывом, влияет
на сопротивление отрыву пластин соединения титан + сталь. Расши-
рение слоя интерметаллидов затрудняет последующую горячую обра-
ботку. Удовлетворительные результаты получаются только при боль-
шой скорости деформации и охлаждения. Поэтому после нагрева до
температуры прокатки в течение 45 мин осадку пакета проводили за
один проход в течение 3—5 с и быстро охлаждали (табл. 8.34).
Таблица 8.34. Предел прочности соединения титан + сталь, полученного
взрывом, после горячей деформации, МПа
т, °с После отжига Отжиг 4- осадка 30 % Отжиг 4- осадка 50 %
600 484 416 129
700 343 375 292
800 214 335 290
900 120 250 254
1000 25 НО 280
Горячая деформация сварных соединений сопровождается дробле-
нием хрупких прослоек. Слои интерметаллидов на новых участках кон-
такта титана со сталью не успевали образовываться за несколько се-
кунд. Предложенный вариант горячей обработки биметалла, по-ви-
димому, позволит получать пластичные тонкие листы.
Глава 9
КОРРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ
И ДЕФЕКТЫ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ.
СПОСОБЫ ИХ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ
9.1. Коррозионная стойкость
сварных соединений
Цветные металлы характеризуются хорошими механиче-
скими свойствами и высокой стойкостью ко многим агрессивным средам.
Еще более важно то, что цветные металлы образуют широкий круг
сплавов, обладающих нужными техническими и антикоррозионными ха-
рактеристиками. Коррозионная стойкость одних сплавов связана с
пассивностью, других — с тем, что они имеют достаточно высокий рав-
новесный потенциал и не замещают водород в кислых растворах. Этим
объясняется большое число сред, в которых цветные металлы и их
сплавы могут с успехом использоваться: кислоты, соли и щелочи (как
с окислительным, так и неокислительным характером), морская и прес-
ная вода, органические соединения, а также атмосфера.
На основании экспериментального материала и данных, получен-
ных в результате применения оборудования из цветных металлов и
сплавов, может быть проведен их ориентировочный выбор для опреде-
ленных рабочих условий, в которых они будут успешно эксплуатиро-
ваться достаточно длительное время [116, 154, 193, 194, 199, 323, 328,
363].
Коррозионная стойкость сварных соединений цветных металлов
во многом обусловливается характером тепловых явлений при сварке,
в результате которых изменяются структурное состояние металла
и состав различных участков сварных соединений. Быстрое охлажде-
ние металла шва приводит к появлению внутренних напряжений
и возникновению структурной неоднородности сварного соединения,
что благоприятствует развитию избирательной коррозии и коррозион-
ному растрескиванию под воздействием некоторых сред [328].
К основным видам и типам коррозионных разрушений сварных
соединений цветных металлов относятся следующие.
1. Сплошная коррозия, которая может быть равномерной и сосре-
доточенной на шве, в ЗТВ, на основном металле. Так, в кипящем
0,5 %-ном растворе серной кислоты и ее концентрированных растворах
при 20 °С наблюдается большая коррозия шва и ЗТВ, чем основного ме-
талла на техническом титане ВТ1-0. На алюминии, особенно при га-
зовой сварке, очень часто в коррозионном отношении наиболее слабым
местом является ЗТВ. Коррозионная стойкость металла зависит глав-
ным образом от количества и характера распределения включений
фазы, содержащей А1—Ре—51. В основном металле многочисленные
мелкие включения данной фазы расположены внутри зерен, а в ЗТВ
эти включения по мере приближения к шву скапливаются по границам
зерен и в ряде случаев образуют ярко выраженную сетку [260]. В
50 %-ной серной кислоте швы, выполненные аргонодуговой сваркой без
присадки на сплаве 2г — 2,5 % Г4Ь подвержены местной коррозии и
термическая обработка не влияет на коррозионную стойкость сварных
соединений [456].
2. Местная межкристаллитная коррозия — в сварном шве, ЗТВ
идр. Так, на техническом титане ВТ1-0 в ЗТВ при комнатной темпе-
ратуре в 30%-ном растворе соляной кислоты наблюдается ножевая
коррозия. Соединения титанового сплава 4200 (Т1 — 0,2 % Рф при
испытаниях в концентрированной серной кислоте имеют ярко выра-
женные зоны активной коррозии в зонах, нагреваемых в процессе сварки
до 880 и 500 °С. Это объясняется наличием в структуре металла ука-
занных зон интерметаллического соединения Т1Рф являющихся ка-
тодными участками, что создает условие для протекания электрохими-
ческих процессов коррозии [115].
3. Коррозионно-усталостное разрушение хрупкого типа — ста-
тическое, циклическое. Этот вид разрушения является внезапным и
потому наиболее опасным. Оно вызывается совместным действием корро-
зионной среды и напряжений при различного вида нагрузках.
4. Водородное растрескивание, связанное с наводорожяванием
металла в процессе коррозии. Водородное растрескивание сварных
соединений имеет место в технологических средах, в которых коррозия
сопровождается выделением водорода [137]. Растрескивание может
происходить под влиянием остаточных напряжений и внешней нагруз-
ки, а также вследствие напряжений, обусловленных объемным эффектом
образования гидридов. Растрескиванию подвергаются преимуществен-
но сварные соединения. Низколегированные конструкционные сплавы
титана подвержены активному наводороживанию в 0.9—1,2 %-ных
растворах серной кислоты при температуре кипения. Значительному
наводороживанию подвергаются также ниобий и тантал в восстанови-
тельных средах (НС1, Н28О4) [363].
5. Специфические виды коррозии различных цветных металлов.
Среди них можно отметить следующие:
а) солевая коррозия, к которой склонны титановые сплавы и их
сварные соединения в диапазоне температур 250—500 °С. Она проявля-
ется в том, что при действии напряжений в месте контакта соли с ти-
тановым сплавом возникают трещины, которые распространяются
постепенно в глубь металла, обычно вдоль границ зерен, приводя к
преждевременному разрушению [191 ]. Проведенные исследования [318|
показали, что сварные соединения на сплаве АТЗ имеют стойкость к
солевой коррозии при 400 °С не хуже 80 % такой же основного металла.
Трещины зарождаются под солевой коркой и развиваются перпендику-
лярно к направлению приложения нагрузки. При этом наблюдается
хрупкий излом со смешанным транс- и межкристаллитным характером
разрушения. Отжиг приводит к повышению длительной прочности
сварных соединений и снижению этого показателя у основного металла;
б) щелевая коррозия — усиленная коррозия металла, которая
наблюдается во фланцевых соединениях, зазорах под прокладками,
местах контакта металла с неметаллами. Технический титан ВТ1-0
и его сварные соединения склонны к щелевой коррозии в рабочем
растворе 17 % МН4С1 + 12 % 1ЧаС1 при температуре 150 °С и давлении
0,3 МПа в случае высокого содержания в сплаве вредных примесей-
газов и при формировании крупнозернистой структуры. Сплав 4200
н его сварные соединения не склонны к щелевой коррозии в указанных
условиях [402]. Рациональное конструирование и устранение в техно-
логических процессах изготовления факторов, способствующих газо-
насыщеиию металла и изменению его структуры, позволяют избе-
жать щелевой коррозии во фланцевых соединениях химических ап-
паратов;
в) специфическим разрушением сплавов алюминия и сварных
соединений является расслаивающая коррозия — особый вид подпо-
верхностной коррозии, развивающейся преимущественно в направле-
иии максимального вектора деформаций и сопровождающейся обра-
зованием трещин и отслаиванием отдельных частиц металла. Алюми-
ниевые сплавы, содержащие медь, при неправильной термической
обработке становятся склонными к расслаиванию, а также к меж-
кристаллитной коррозии [260];
г) точечная (питтинговая) коррозия характеризуется сосредоточе-
нием и резкой интенсификацией коррозионного процесса на отдельных
небольших участках металлической поверхности. Развитие этого про-
цесса в одних точках самопроизвольно прекращается, в других — мо-
жет продолжаться длительное время. Это широко распространенный
и очень опасный вид разрушения сварной химической аппаратуры из
цветных металлов. В определенных условиях к точечной коррозии
склонны сплавы алюминия, меди и никеля и их сварные соединения
[154, 323].
Для оценки коррозионной стойкости сварных соединений цветных
металлов проводятся их сравнительные испытания с основным металлом
в ненапряженном н напряженном состояниях.
Для определения скорости коррозии гравиметрическим методом
используют плоские образцы размером 20 X (30—50) х (1,5 — 3 мм).
После испытаний образцы тщательно промывают водой и удаляют с
них продукты коррозии. В табл. 9.1 приведены составы для удаления
продуктов коррозии с цветных металлов после коррозионных испыта-
ний. Образцы взвешивают и рассчитывают скорость коррозии, мм/год,
по формуле
• 10*3) • (9-1)
где К — потеря массы, г/(м2 • год).
Продолжительность испытаний определяется временем, в течение
которого скорость коррозии стабилизируется [372].
Склонность к щелевой коррозии определяется на пластинах, со-
бираемых с прокладочным материалом в пакет с определенным зазором
(0,1 — 1 мм), без зазора или с клиновой щелью. В качестве прокладоч-
ного материала используется материал, в паре с которым будет рабо-
тать изделие. Критерий стойкости против щелевой коррозии — потеря
массы или скорость коррозии (мм/год), определяемые после выбранной
экспозиции.
Склонность сплавов и сварных соединений к межкристаллитной
коррозии определяется по изменению механических свойств после
экспозиции в рабочем растворе.
Кроме прямых определений скорости коррозии с помощью грави-
метрического метода, о характере поведения металлов и сварных соеди-
нений можно судить на основании электрохимических измерений, про-
водимых по стандартным методикам [154, 323[. Результаты этих испы-
таний необходимы, но недостаточны для оценки стойкости металла
и сварных соединений.
Склонность к коррозионному растрескиванию определяется мето-
дом испытаний, в основу которого положены принципы линейной
механики разрушений [191, 323[. При оценке сравнительной склонно-
сти к коррозионному растрескиванию сварных соединений и сплавов
цветных металлов в табл. 9.2 приведены составы сред, рекомендуемых
для ускоренных испытаний [323, 389[.
Модельные испытания элементов, узлов и макетов конструкций
должны учитывать конструктивные и технологические особенности
изделий и условия их эксплуатации.
Испытания на склонность к наводороживанню проводятся в тех
случаях, когда в процессе электродной реакции происходит выделение
Таблица 9.1. Растворы для удаления продуктов коррозии
Металл Состав раствора Обработка; режим
Алюминий и его 1. 35 мл 85 %-ной фос- Химическая; 7 = 984-
сплавы формой кислоты 4- 20 г хромового ангидрида + +945 мл воды 2. 5 %-ная азотная кис- лота 3. 20 % фосфорной кис- лоты + 8 % хромового ангидрида 4. 45 мл/л фосфорной кислоты, 20 г/л хромово- го ангидрида 5. 50 г/л водного раство- ра едкого натра 4- 100 °С Химическая; 7=104-15°С Химическая; 7=20 °С, выдержка 15—30 мин Химическая: 7=904-95 °С, выдержка 10—20 мин Химическая; 7=60°С, вы- держка до 2 мин
Магний и его 20 %-ный кипящий ра- Химическая; Ткип, вы-
сплавы створ хромового анги- дрида +1 % азотнокис- лого серебра держка 1 мин
Медь и ее сплавы 1. 18 %-ная Н28О4 2. 100 г/л раствора би- сульфата натрия 3. 50 мл Н28О4 (плот- ность 1,83 г/см3)+950 мл воды Химическая; 7=20-+25°С, выдержка 2—3 мин, очистка под водой щеткой Химическая; 7 = 204-40 °С То же Механическая зачистка чернильной резинкой
Молибден Расплав едкого натра Химическая; 7=3184-320 °С, выдерж- ка 2—5 мин, после вы- держки образцы тщатель- но промывают в воде, высушивают
Ниобий 250 мл соляной кислоты (плотность 1,19 г/см3) + + 125 мл серной кислоты (плотность 1,83 г/см3) + +125 мл азотной кисло- ты (плотность 1,41 г/см3) Химическая; 7=204-25 °С, выдержка 10—30 мин
Никель и его 10—18 %-ный раствор Химическая;
сплавы серной кислоты 7= 154-25 “"С, выдержка 2—3 мин, очистка под водой щетками
П родолжение табл. 9.1
/V еталл Состав раствора Обработка: режим
Свинец сплавы и его 1. Насыщенный раствор уксуснокислого аммония 2. 3—5 %-ный раствор уксусной кислоты Химическая: 7" = 20<-40°С То же
Титан сплавы его 600 мл азотной кислоты (плотность 1,41 г/см3) 4- 4- 200 мл плавиковой кислоты Химическая; Г=20°С
Цинк и сплавы его 1. 10 %-ный раствор хло- ристого аммония 2. 5 %-ный кипящий рас- створ хромового анги- дрида 4-1 % азотнокис- лого серебра 3. 50 мл ледяной уксус- ной кислоты 4-950 мл воды 4. Насыщенный раствор уксуснокислого аммония Химическая; Г=70°С, выдержка 2 мин и более Химическая; выдержка 20—25 мин. Азотнокислое серебро предварительно растворяют и добавляют в кипящий раствор Химическая; Т=20-?40 °С Химическая; Г=20°С
водорода, приводящее к водородному охрупчиванию металла. Оно
связано с побочной реакцией диффузии атомарного водорода внутрь
металла. Однако наряду с успешным использованием коррозионно-стой-
ких цветных металлов и их сплавов, к сожалению, еще наблюдаются
случаи неправильного их использования, в результате чего отмечается
быстрое разрушение сварного химического оборудования. Это происхо-
дит из-за применения сплавов без достаточного учета их характеристик
как коррозионно-стойких материалов, а также вследствие ошибок тех-
нологического характера при изготовлении и эксплуатации.
Исследования показали, что при сварке термически стабильных ти-
тановых сплавов изменение способов и режимов сварки в оптимальном
интервале погонных энергий не оказывает значительного влияния на
стойкость сварных соединений против коррозионных разрушений. При
сварке термически нестабильных структурно-чувствительных сплавов
изменение способов и режимов сварки существенно влияет на корро-
зионную стойкость сварных соединений [193]. Таким образом, хотя
правильный выбор технологии сварки не гарантирует исключения кор-
розионных явлений, он позволяет существенно снизить вероятность кор-
розионного разрушения сварных соединений в условиях эксплуатации
(при использовании сплава, стойкого в данных условиях).
Можно отметить следующие основные пути повышения сопротив-
ляемости сварных соединений и конструкций из цветных металлов
и сплавов преждевременному разрушению в агрессивных средах.
1. Применение свариваемых коррозионно-стойких сплавов. Так,
титановый сплав 4200 и его сварные соединения не склонны к щеле-
вой коррозии в условиях производства хлористого аммония. При из-
Таблица 9.2. Среды, рекомендуемые для ускорения испытаний
сварных соединений на склонность к коррозионному растрескиванию
Металл Состав среды (водные растворы) Режим
Алюминиевые 1. 3 % №С1 Погружение, переменное
сплавы погружение, распыление в камере
2. 3 % №аС1 + 0,1 % Н2О2 То же
3. 3 % К’аС1 + 1 % НС1 » »
4. 3 % \аС1 + 0,1 % СН3СООН+0,1 % СН3СОО№ » »
5. Морская вода » »
Магниевые сплавы 1. 3,5 % \аС1 + 2 % К2СгО4 » »
2. 0,001н. МаС1 » »
Титановые сплавы 1, 65-99 % Н\'О3 Погружение при кипяче- нии н в парах над рас- твором
2. КаС! (кристаллнчес- В твердом состоянии при
кий) 290 °С
3. 3 % №С1 Погружение
4. Морская вода »
5. (1—2,5) % Вг + + (0—30) % Н2О — ос- тальное СН3ОН
6. 2,5 % Вг + 15 % Н2О + 82,5 % СН3ОН »
7. (2,5-5) % НС1 Погружение при кипяче- нии
8. 20 % НС1 Погружение
готовлении фланцев из сплава 4200 или наплавке приваленных поверх-
ностей фланцев из технического титана ВТ1-0 сплавом 4200 щелевая
коррозия при температуре 135—140 °С отсутствует [402].
2. Применение рациональных конструкций и технологии сварки,
правильный выбор химического состава присадочного металла, сварки
при оптимальном значении погонной энергии, надежная защита зоны
сварки, остывающих участков и обратной стороны шва инертными
газами или флюсами и т. п. Исследования показали, что аргонодуговая
сварка низколегированных титановых сплавов с электромагнитным
перемешиванием сварочной ванны (ЭМП) позволяет повысить меха-
нические свойства и коррозионную стойкость соединений [301]. Уве-
личение коррозионной стойкости сварных соединений, выполненных
с ЭМП, связано со структурными изменениями в металле швов и енн-
жением химической неоднородности, что приводит к существенному
увеличению интегральной пассивности поверхности.
3. Уменьшение напряжений в сварных соединениях и конструк-
циях. При изготовлении конструкций, в условиях эксплуатации кото-
рых существует вероятность коррозионного растрескивания, должны
быть разработаны эффективные методы снятия остаточных сварочных
напряжений для предотвращения растрескивания. Отжиг и пластиче-
ская деформация вызывают повышение несущей способности сварных
соединений и уменьшают вероятность коррозионного растрескивания
под влиянием остаточных напряжений. Коррозионная стойкость свар-
ных соединений сплавов 2г — 2,5 % в результате отжига на воз-
духе при температуре 470 °С— 2 ч существенно повышается при испы-
тании в соляной, серной и фосфорной кислотах при температуре кипе-
ния, если концентрация кислот не превышает соответственно 30, 70
и 40 % [157]. Термообработка сварных соединений сплава при темпе-
ратуре 760 °С в течение 15 мин используется для предотвращения ло-
кальной коррозии в швах и ЗТВ в тяжелых условиях эксплуатации
[456].
4. Другие методы повышения коррозионной стойкости сварных
соединений. Сюда относятся поверхностное пластическое деформирова-
ние, диффузионное насыщение из порошковых смесей, поверхностное
легирование и т. д. [116].
9.2. Дефекты сварных соединений
Эксплуатационная надежность и экономичность сварных
конструкций в значительной мере определяются качеством сварных
соединений. Дефекты сварных соединений часто приводят к нарушению
эксплуатационных характеристик изделия и в некоторых случаях мо-
гут вызвать аварию в процессе работы или монтажа. Поскольку
контроль качества изделий, выявление и устранение дефектов — трудо-
емкие и дорогостоящие процессы, снижение вероятности образования
дефектов даже за счет увеличения затрат на технологические операции
экономически оправдано.
Дефекты могут возникать на каждой стадии процесса изготовления
сварных изделий — при подготовке деталей, их сборке, сварке, конт-
роле качества некоторыми видами испытаний, а также при транспорти-
ровке, монтаже и эксплуатации изделий.
Дефекты сварных соединений цветных металлов и сплавов при
сварке плавлением различаются по месту расположения (наружные и
внутренние) и причинам возникновения. К наружным относятся де-
фекты, выявляемые при осмотре соединений невооруженным глазом,
с помощью увеличительного стекла или специальными методами конт-
роля. Внутренние дефекты устанавливаются только специальными ме-
тодами контроля. В зависимости от причины возникновения дефекты
могут быть разделены иа две группы.
К первой группе относятся дефекты, связанные с нарушением
технологии сварки и термообработки: непровары, подрезы, прожоги,
наплавы, кратеры, вольфрамовые включения, цвета побежалости, от-
клонение размеров швов и т. д. Возникновение подобных дефектов
обусловлено неправильным выбором параметров технологического
процесса сварки, нарушением режимов сварки, неисправностью обору-
дования, недостаточной защитой зоны сварки и остывающих участков
шва, плохой подготовкой и сборкой под сварку стыка, неточным распо-
ложением конца электрода по отношению к свариваемым кромкам,
низкой квалификацией сварщика и другими причинами, связанными
с культурой производства. К дефектам этой группы также относятся
430
отступления от предусмотренных проектом размеров и формы отдель-
ных элементов илн всего изделия, вызванные его деформацией в про-
цессе сварки.
При сварке плавлением обычно регламентируют следующие основ-
ные конструктивные элементы швов: ширину шва В, высоту усиления
и величину проплава (Л2), для угловых и нахлесточных швов — ка-
тет шва (Л) и высоту рабочего (критического) сечения Лк (рис. 9.1).
Поскольку некоторые цветные металлы (например, тнтан) обла-
дают высокой чувствительностью к концентрации напряжений при
изгибе, значительное влияние на долговечность сварных соединений
оказывают наличие усиления шва, его высота, радиус и чистота обра-
ботки галтельных переходов от усиления к основному металлу. Для
повышения работоспособности и предотвращения растрескивания
сварных соединений при вальцовке и гибке следует максимально огра-
ничивать высоту усиления сварного шва и применять сварные соедине-
ния с симметричным конструктивным усилением, имеющим плавные
радиусы галтельных переходов. Этот дефект исправляется механиче-
ской обработкой.
Одним нз серьезных дефектов сварных соединений, подвергаемых
усталостным нагрузкам, является резкий переход от шва к основному
металлу. Такие резкие переходы особенно неблагоприятно влияют на
усталостную прочность угловых швов. В местах резкого перехода
между сварочным валиком и основным металлом образуется зона кон-
центрации напряжений, а на границе сплавления основного металла
со швом возникает так называемый металлургический надрез, обуслов-
ливающий возникновение концентрации напряжений вследствие неод-
нородности металла в этой зоне сварного соединения. Для устранения
этого дефекта рекомендуется на зону перехода от шва к основному ме-
таллу наплавлять сваркой в инертных газах узкие валики с использо-
ванием присадочной проволоки того же состава, что и электродная про-
волока, которой выполнен основной шов.
К дефектам такого типа относятся также прожоги — полости в шве,
образовавшиеся в результате вытекания сварочной ванны. Прожоги
возникают при избыточной силе тока, увеличении зазора между сва-
риваемыми кромками, неплотном прилегании подкладки к сваривае-
мым листам. Прожоги относятся к недопустимым дефектам сварных
соединений и обнаруживаются при внешнем осмотре.
Рис. 9.1. Конструктивные схемы некоторых сварных соеди-
нений.
Кратер — углубление, образующееся после обрыва дуги в конце
шва и уменьшающее его сечение. Во избежание образования кратера
прямолинейный шов заканчивается на выводной планке. При сварке
кольцевых швов следует применять сварочные источники, обеспечива-
ющие плавное уменьшение тока сварки в конце шва.
Неполное проплавление сечения (непровар) в стыковых соедине-
ниях может возникнуть как в середине сечения при двусторонней
сварке (рис. 9.2), так н в корне шва при односторонней сварке. Непро-
вар сварного соединения — это острый естественный надрез, имеющий
вид трещины с радиусом кривизны в вершине 0,001—0,1 мм. Ее глуби-
на при радиографии, как правило, из-за малой ширины не выявляется.
Поэтому ошибка в определении общей глубины непровара может состав-
лять до 10 %.
Под действием приложенной нагрузки непровар способствует по-
явлению неравномерности, объемности и концентрации упругопласти-
ческих деформаций и в связи с этим служит зоной предпочтительного
коррозионного разрушения при односторонней сварке. Электродный
потенциал в вершине концентратора вследствие локальной пласти-
ческой деформации и нарушения защитной пленки становится более
отрицательным, чем потенциал основного металла, обусловливая ин-
тенсификацию коррозионного процесса. При многослойной сварке
титана может образоваться несплавление между металлом шва и ос-
новным металлом или отдельными слоями. Такие дефекты в наиболь-
шей степени снижают сопротивление сварных соединений титановых
сплавов малоцикловой усталости.
Причинами возникновения непроваров при сварке являются:
неправильно выбранный режим сварки, плохая защита инертным га-
зом обратной стороны и некачественная подготовка кромок, неточное
направление дуги по оси соединения. Причиной непровара при много-
слойной сварке может служить плохая защита шва при сварке. Для
предотвращения этого дефекта необходима зачистка до металличе-
ского блеска и обезжиривание предыдущего шва перед наложением
последующего. При автоматической сварке под флюсом и ЭШС непро-
вары образуются в начале процесса, когда основной металл еще недо-
статочно прогрет. Во избежание этого дефекта целесообразно процесс
сварки начинать на входных технологических пленках, которые в даль-
нейшем удаляются.
Исправление кратеров, прожогов и непроваров производится
подваркой. Дефекты исправляют после соответствующей разделки
и подготовки с использованием автоматической или ручной сварки при
тех же условиях, что и сварка изделий. В случае необходимости приме-
няется местная защита подвариваемого участка. Подварка одного и
того же участка более двух раз не рекомендуется. После исправления
дефектов сварные соединения подвергаются повторному контролю.
Подрезы, представляющие собой углубления в основном металле
по краям шва, возникают в результате плохого подбора режима сварки
(повышенные сварочные токи и напряжения дуги) или его нарушения
в процессе сварки. При сварке угловых швов они могут появляться из-
за смещения электрода в сторону вертикальной стенки. Подрезы приво-
дят к концентрации напряжений и снижают прочность сварного соеди-
нения, особенно для конструкций, работающих при циклических
нагрузках. Для нх устранения с двух сторон шва налагаются допол-
нительные, так называемые сглаживающие или облицовочные валики.
Возникновение цветов побежалости при сварке связано с плохой
защитой зоны сварки, остывающих металла шва и околошовной зоны
инертными газами. При хорошей защите швы имеют блестящую сереб-
ристую поверхность. При сварке титана допускается оставлять без
исправления швы соломенно-желтого цвета. Швы, имеющие светло-
синий цвет побежалости, необходимо зачищать металлической щеткой
и обезжировать. Швы с синим или серым цветом побежалости необхо-
димо удалять вырубкой до основного металла. Причинами плохой за-
щиты при сварке могут быть малая подача или применение загрязнен-
ного инертного газа, малый диаметр сопла горелки и недостаточная
длина защитного козырька.
Включения вольфрама в металле шва наблюдаются в случае раз-
рушения вольфрамового электрода при сварке неплавящимся электро-
дом. Разрушение происходит ускоренно при загрязнении защитного
инертного газа кислородом. Вольфрамовые включения, попадая в ме-
талл шва, образуют переходную зону повышенной твердости, состоя-
щую из твердых растворов основного металла в вольфраме и вольфра-
ма в основном металле.
При сварке листов титана Ь > 6 мм вольфрамовые включения,
попадая в середину шва, не влияют на качество соединения. Вольфра-
мовые включения, расположенные на поверхности металла шва, сни-
жают прочность сварных соединений, поэтому их необходимо удалять
1193] . Во избежание образования вольфрамовых включений целесо-
образно перед началом работы обжигать заточенный вольфрамовый
электрод пятикратным зажиганием дуги на принятом для сварки
режиме.
Неметаллические включения, чаще всего шлаки, образуются в ре-
зультате плохой очистки кромок свариваемых деталей, а также недоста-
точно полного удаления шлаковой корки при многослойной сварке.
Включения могут возникать также в результате несоответствия фи-
зико-химических свойств шлака условиям сварки плавлением ме-
талла или сплава заданного состава (например, чрезмерно тугоплавкий
флюс). Геометрия и размеры включений самые различные: круглые,
игольчатые, тонкие н острые, значительные по величине и микроско-
пические. Микроскопические включения — это загрязнения в виде
нитридов, карбидов, легкоплавких эвтектик и т. п. Неметаллические
включения снижают прочность и пластичность швов. Небольшие ок-
руглые включения обычно не оказывают существенного влияния на
качество швов.
Часто встречающиеся дефекты при ЭЛС цветных металлов — га-
зовые раковины и поровые мешки, флокены н провисание металла
сварочной ванны, особенно при сварке листов большой толщины. Для
предотвращения провисания металла при ЭЛС кроме соединения
«в замок» или на подкладке эффективо также применять импульсную
сварку.
К дефектам контактных и диффузионных видов сварки относятся
несплошности, окисленные пленки и матовые пятна, раскрытия кромок
разделки по дефектам металла в связи с обязательной его осадкой. При
точечной сварке исправление дефектов производится постановкой но-
вой точки.
Вторая группа дефектов при сварке плавлением цветных металлов
и их сплавов связана с металлургическими, термическими и гидродина-
мическими явлениями, происходящими в процессе образования, фор-
мирования и кристаллизации сварочной ванны и остывания сварного
соединения. Это поры, трещины в металле шва и ЗТВ, удлиненные
каналы, отклонения прочности и пластичности металла шва и свар-
ного соединения, а также изменения свойств металла ЗТВ.
Поры наряду с трещинами — самые распространенные дефекты этой
группы при сварке цветных металлов и сплавов. Поры в швах явля-
ются основной причиной снижения долговечности сварных соединений,
работающих в условиях циклических нагрузок, они уменьшают проч-
ность при двухосном растяжении и предел выносливости. Особенно
это проявляется при сварке высокопрочных сплавов титана [193]. Об-
наружено, что швы на двухфазных (а + 3)-сплавах более склонны
к образованию пор, чем на однофазных р-сплавах. Воздействие пор
на свойства швов титана и его сплавов зависит от их расположения
относительно поверхности. Наиболее опасны поры, расположенные на
поверхности или в подповерхностном слое на расстоянии от поверх-
ности менее 2—2,5 диаметров поры. При осевой нагрузке в малоцикло-
вой области очаги разрушения образуются не со стороны поверхности,
а внутри шва у дефектов. Воздействие пор на долговечность металла
шва при сварке химически активных металлов можно объяснить не
только концентрацией напряжений у поры, нои направленной диффу-
зией водорода в зону с повышенным напряжением [274, 276].
При определенных условиях в металле шва возникают трещины,
развивающиеся от отдельных пор. К числу факторов, способных сни-
зить сопротивляемость металла шва образованию трещин от пор, от-
носятся степень загрязненности металла шва вредными газовыми при-
месями, структура и пластические свойства свариваемого металла,
Рис. 9.3. Поры в сварных швах:
а — сферические поры в металле шва: б — удлиненные газовые поры на границе
сплавления шва с основным металлом.
уровень остаточных сварочных напряжений и др. Существенное влня
ние на сопротивляемость металла шва образованию трещин от пор ока-
зывают величина и характеристика нагружения сварных соединений
в процессе эксплуатации. Остаточные сварные напряжения при их
длительном воздействии могут более значительно влиять на развитие
трещин от пор, чем напряжения от действующих внешних нагрузок
[276].
На свойства сварных соединений из алюминия и его сплавов ока-
зывают влияние крупные поры — они снижают прочность, пластич-
ность и коррозионную стойкость. Поры диаметром менее 0,2 мм прак-
тически не влияют иа прочность, но снижают пластичность, микропоры
(диаметр до 0,1 мм) влияют на свойства швов лишь при кучном рас-
положении.
Поры образуются в сварных швах всех цветных металлов или на
границе сплавления шва с основным металлом вследствие быстрого за-
твердевания сварочной ванны, насыщенной газами. Газы при этом не
успевают выделиться из металла шва. К основным причинам образова-
ния пор при сварке цветных металлов следует отнести высокое содер-
жание газов в основном металле и сварочной проволоке; увлажнение,
а также загрязнение свариваемых кромок и сварочных материалов
(электродное покрытие, флюс), повышенное содержание недопустимых
примесей в инертных газах, а также нарушение газовой защиты; не-
правильная регулировка пламени сварочной горелки, высокие скорости
сварки и др. Поры располагаются в шве отдельными группами или
Рис. 9.4. Холодные трещины в сварном шве высокопрочного титанового
сплава:
о — поперечная трещина; б — микротрешина (Х500).
отдельными включениями, а также цепочками вдоль шва (рис. 9.3). По
сечению шва поры располагаются внутри шва на разном расстоянии от
его поверхности и могут иметь размеры от 0,01 до 2—3 мм. Иногда
образуются так называемые свищи — сквозные поры. На наличие пор
и их размер влияет длительность нахождения сварочной ванны в жид-
ком состоянии, от которой зависит степень выделения газов из металла
шва.
К числу распространенных и опасных дефектов в сварных соедине-
ниях цветных металлов и их сплавов относятся трещины. В зависимости
от условий образования они разделяются на горячие (кристаллиза-
ционные) и холодные. Образование горячих трещин в процессе кристал-
лизации металла шва обусловлено снижением пластических свойств
и развитием растягивающих деформаций в интервале температур, ха-
рактерном для этого процесса. Холодные трещины возникают как
в шве (рис. 9.4), так и в ЗТВ в интервале температур от завершающей
охлаждение соединения до комнатной. Они могут также образовы-
ваться в ненагружениых конструкциях в течение длительного периода
времени после сварки. Их возникновение связано с фазовыми и струк-
турными превращениями, в том числе гндридными (например, для
титана, циркония и их сплавов).
9.3. Меры предупреждения пористости
Легкие металлы. При сварке таких металлов сохраняется
высокий процент брака по пористости, в частности газовой. Поры при
сварке алюминия и его сплавов вызывает водород, который в наи-
большей степени по сравнению с другими газами влияет на пористость
металла. Возникновение пор связано с ограниченной растворимостью
водорода в твердом металле (при температуре плавления раствори-
мость водорода не превышает 0,036 см3/100 г) и большой раствори-
мостью его в жидком алюминии (при температуре плавления раствори-
мость водорода равна 0,69 см3/100 г) [260].
Основными источниками водорода, поступающего в дугу, явля-
ются водород, растворенный в основном металле (внутренний); влага
и водородсодержащие загрязнения, имеющиеся на поверхности основ-
ного металла; водород, растворенный в присадочном прутке или элект-
родной проволоке, а также влага и загрязнения на их поверхности;
влага н водород, содержащиеся в защитном газе в качестве примеси;
влага из воздуха, подсасываемого струей защитного газа из окру-
жающей атмосферы или при заполнении камеры с контролируемой
атмосферой [260]. Проведенные исследования показали, что водород,
содержащийся в основном металле, оказывает наименее существен-
ное влияние на пористость по сравению с другими источниками.
Количество адсорбированного газа в промышленном металле на-
ходится в пределах 0,15—0,30 и 0,20—0,40 см3/100 г на деформирован-
ном металле и в отливках соответственно. Наличие водорода на по-
верхности отлитого и расплавленного 99,9 % А1 и адсорбированного
в нем приведены в табл. 9.3. Главной причиной пористости сварных
швов алюминиевых сплавов считают химически связанную влагу ок-
Таблица 9.3. Влияние способа обработки поверхности на количество
адсорбированного водорода [429]
Способ обработки Количество газа на лниевоП поверхности, см’/см* Количество адсорбированного газа, см3/100г
Обезжиривание ацетоном 0,02718 1,2947
Обработка напильником 0,00204 1,3009
Обработка 15 %-ным раство- ром ХаОН и 10 %-ным раство- ром Н1МО3 0,00082 1,2718
То же, после обработки напиль- ником 0,00076 1,3115
сидной пленки. Большое влияние на пористость оказывают также име-
ющиеся иа поверхности металла углеводороды [260].
Расплавленный алюминий поглощает водород из влаги, пары кото-
рой непосредственно взаимодействуют с металлом по реакции
2А1+ЗН2О->А14О3 + 6Н. (9.2)
Зарождение пузырьков водорода начинается в процессе кристал-
лизации. При сварке алюминия от поверхности оплавленных зерен
вырастают по сечению на один-два порядка более крупные кристаллы,
на стыках и торцах которых создаются углубления, способствующие
зарождению пузырьков.
На пористость при сварке алюминия влияют состав сплавов и
особенности технологии сварки. С увеличением концентрации магния
в сплаве предельно допустимое содержание водорода в дуге возрастает.
Сплавы с 1 % Хп обладают более высокой склонностью к порам, чем
нелегированный алюминий, а сплав с 6,5 % Хп — намного меньшей.
Небольшие добавки бериллия (0,0005—0,1 %) снижают склонность
алюминиево-магнпевых сплавов к пористости. Уровень пористости в
шве зависит от объема канавки в подкладке. Форму канавки выбирают
такой, чтобы опа обеспечивала полное проплавление кромок (при одно-
проходной сварке), а сечение ее было минимальным. Увеличение внеш-
него давления выше атмосферного снижает опасность образования пор.
При сварке неплавящимся электродом увеличение сварочного тока
приводит к росту пористости швов. Повышение напряжения дуги при-
водит к незначительному повышению пористости прн сварке плавя-
щимся электродом в аргоне и такому же снижению пористости при
сварке по флюсу. Наблюдается непрерывное снижение пористости при
повышении скорости сварки от 12 до 18 и 30 м/ч. С увеличением ско-
рости сварки до 38 м/ч пористость возрастает, а при дальнейшем уве-
личении до 60 м/ч снова падает. С ростом скорости сварки средний
диаметр пор непрерывно снижается от 1,6 до 0,8 мм и ниже. Добавка
в свариваемый сплав до 0,1 % Ве практически устраняет околошовную
пористость и поверхностные пузыри. Существенно снижают такую по-
ристость длительная гомогенизация и вакуумная обработка расплава.
По расположению в швах, сваренных в аргоне, различают поры,
равномерно распределенные по сечению; поры, находящиеся в основном
в усилении, по линии сплавления; удлиненные рыхлости; усадочные ра-
ковины в корне шва и др.Удлиненные рыхлости располагаются в корне
швов, сваренных плавящимся электродом при очень больших плотно-
стях тока. Для их предотвращения целесообразно использовать прово-
локу большего диаметра либо снизить величину тока.
Основной мерой, направленной на уменьшение пористости при
сварке алюминия, является уменьшение поступления водорода (влаги)
в зону сварки. Проще всего это достигается при сварке неплавящимся
электродом в инертных газах. Однако и при других способах сварки
соблюдение технологической дисциплины позволяет получить плот-
ные швы. Это может быть достигнуто следующим образом:
1) применением рациональной обработки поверхности кромок
соединяемых деталей и проволоки (см. гл. 5). Перед сваркой алюминия
не следует применять какие-либо органические реагенты. С практиче-
ской точки зрения механически обработанные (насухо) поверхности
представляют собой наилучшне условия для сварки;
2) оптимальной защитой зоны сварки, которая определяется ко-
личеством газа и наклоном горелки;
3) применением импульсно-дуговой сварки, магнитного перемеши-
вания и других приемов, способствующих удалению газовых пузырьков
из сварочной ванны.
При ЭЛС легких металлов и их сплавов удается устранить порис-
тость, изменяя размеры образующегося порового канала и выбирая
оптимальные пространственные положения сварочной ванны.
Механизм возникновения пор при сварке магния аналогичен ме-
ханизму, наблюдаемому при сварке алюминиевых сплавов с добавками
магния: выделение водорода при разложении остатков влаги, содер-
жащейся в частицах оксидной пленки в сварочной ванне, вследствие
расплавления основного и присадочного металлов [381]. Поэтому в ка-
честве основных мер борьбы с пористостью при сварке магниевых
сплавов рекомендуется сведение к минимуму количества и размеров
частиц оксидной пленки, попадающих в сварочную ванну (обработка
поверхности кромок и проволоки, уменьшение доли присадочного ме-
талла, участвующего в шве).
Тяжелые металлы. На меди и ее сплавах образование пор обуслов-
лено главным образом совместным действием водорода и кислорода.
В отдельности они не вызывают пористости. При сварке меди пересы-
щенной водородом, но не содержащей кислорода, швы получаются
плотными. Поэтому при сварке вакуумно-плотных прецизионных изде-
лий из бескислородной меди малой толщины в качестве защитного газа
используется особо чистый водород (точка росы ниже —80 °С).
Из пересыщенной кислородом меди с понижением температуры
выделяется окснд Си2О. В результате взаимодействия водорода с кисло-
родом оксида меди образуется водяной пар, приводящий к образованию
пористости. Активное протекание этой реакции при высокой темпера-
туре приводит к большой склонности меди к пористости. Это обуслов-
лено также тем, что практически невозможно исключить совместное
присутствие водорода и кислорода в сварочной ванне. При дуговой
сварке меди пористость в швах может вызвать также азот [447].
При сварке меди для предупреждения возникновения пор необхо-
димо устранить источники попадания газов в шов. Сюда относятся
следующие меры: тщательная очистка и обезжиривание кромок свари-
ваемого металла и присадочной проволоки, предохранение флюсов
от засорения инородными органическими частицами и их просушка
перед сваркой, применение оптимальной технологии сварки. Так, одно-
проходная сварка металла со сквозным проплавлением, а также сварка
широкими швами приводят к снижению пористости швов.
При сварке никеля и его сплавов пористость швов вызывается азо-
том, кислородом и водородом. В условиях дуговой сварки никеля
высокой чистоты в среде аргона основным источником пор является
азот, который растворяется в жидком металле в больших количествах
и практически нерастворим в твердом никеле. К образованию пор в ме-
талле шва приводит объемное содержание в защитной атмосфере более
0,05 % азота [349]. Кислород при взаимодействии с водородом может
вызвать появление пор. Он также способствует появлению пор в при-
сутствии углерода.
Кислород в никеле находится в виде оксида МЮ. Водород, выделя-
ющийся нз никеля в процессе кристаллизации в результате снижения
растворимости, восстанавливает окснд никеля по реакции
МО + 2Н № 4- Н2О. (9.3)
Углерод восстанавливает оксид никеля по реакции
МО + С^М 4-СО. (9.4)
Этн реакции после окончания кристаллизации приводят к пористости.
Оксид углерода практически не растворяется в никеле.
Протекание реакций (9.3) и (9.4) особенно вероятно при охлажде-
нии, когда в связи с уменьшением растворимости МЮ выделяется в виде
самостоятельной фазы. Поэтому эти реакции могут вызывать не только
пористость, но и охрупчивание никеля из-за образования микротрещин,
вызванного высоким давлением газообразных продуктов реакции
[349].
Важным условием получения беспористых швов при сварке никеля
и его сплавов являются чистота свариваемых кромок, поверхности
электродной проволоки, основного металла и сварочных материалов
(флюсов, покрытий электродов, защитных газов); раскисление никеля
в процессе сварки и связывание водорода. Эта задача решается путем
введения в сварочную ванну сильных раскислителей (алюминия, титана
и др.), а также применением флюсов или покрытий, способных связы-
вать оксиды никеля или переводить водород в стойкие летучие соеди-
нения НР или гидроксид ОН (введение во флюсы и покрытия электро-
дов ТЮ2,5Ю2, СаР2 и др.). Фтористый водород и гидроксид практи-
чески не растворимы в никеле н удаляются в атмосферу.
Химически активные и тугоплавкие металлы. Поры являются
самым распространенным дефектом сварных соединений металлов
данной группы. При непроваре сферические поры располагаются це-
почкой по оси шва, при полном проваре — цепочкой и группами у гра-
ницы сплавления. По сечению шва поры располагаются внутри шва на
разном расстоянии от его поверхности н могут иметь размеры от 0,01
до 2—3 мм. Как и при сварке других металлов причиной образования
пор являются газы (водород, азот, оксид углерода н др.).
При аргонодуговой сварке неплавящимся и плавящимся электро-
дами металлов данной группы образуются газовые поры в виде удли-
ненных газовых полостей. Наиболее вероятным механизмом их
образования является захлестывание, при наличии местного углуб-
ления в центре сварочной ванны, защитного газа жидким металлом.
Это подтверждается прямым определением содержания аргона
в газовых полостях, полученных при неблагоприятных режимах
сварки [276].
При сварке титана и циркония образование пор связано с выделе-
нием водорода из сварочной ванны при кривталлизации. Вероятность
образования пор водородного происхождения невелика, так как разница
в растворимости водорода в жидком и твердом металле сравнительно
небольшая. Такой же механизм образования пор возможен при попада-
нии в сварочную ванну азота н воздуха. Прнмесь кислорода не оказы-
вает непосредственного влияния на пористость швов.
Основным источником образования газовых пузырьков в сварочной
ванне является влага, адсорбированная кромками и проволокой. В свя-
зи с тем что растворимость водорода в титане снижается о повышением
температуры, газовые пузырьки зарождаются на стадии нагрева еще
до плавления кромок. Выделяется также влага, входящая в состав
гидратированной оксидной пленки, находящейся иа поверхности тита-
на [349]. Водород скапливается в макро- и микрополостях в зоне стыка
и при попадании в сварочную ванну образует зародыши, к которым в
дальнейшем присоединяются другие газы, выделяющиеся в процессе
кристаллизации. Эти пузырьки в кристаллизующемся металле пре-
вращаются в поры.
Роль кислорода в образовании пор может проявиться при взаимо-
действии поверхностных оксидов с углеродсодержащими веществами.
Поры при этом вызывает образующийся газ.
При сварке ниобия образование пузырьков газа происходит по
двум механизмам [240]: зародыши пузырьков образуются в момент рас-
плавления кромок на базе дефектов обработки торцевой поверхности;
зародыши пузырьков оксида углерода образуются на базе межзерен-
ных каналов и щелей оплавленной поверхности кромок.
Для предотвращения образования пор в сварных швах химически
активных и тугоплавких металлов предложены следующие технологи-
ческие меры:
1) тщательная обработка торцовых поверхностей кромок сваривае-
мых деталей непосредственно перед сваркой механическим или «тепло-
вым» способом;
2) осветление свариваемых кромок и присадочной проволоки в кис-
лом растворе. При сварке титана и его сплавов используется один из
следующих составов (на 1 л раствора): а) 540 мл 65 %-ной Н1ЧО3 и
125 мл 40 %-иой НГ; б) 340—390 мл НС1 (плотность 1,19 г/см3), 35—
60 мл НМО3 (плотность 1,40 г/см3), 50 г ПаГ с последующей промывкой
в горячей воде и просушкой;
3) обеспечение надежной защиты зоны сварки и остывающих учас-
тков шва кондиционными инертными газами или прокаленными бес-
кислородными флюсами без инородных включений (сварка под флюсом
и ЭШС);
4) применение режимов сварки, обеспечивающих длительность
существования сварочной ванны, достаточную для всплывания и удале-
ния из нее пузырьков водорода;
5) использование при сварке флюсов-паст типа АНТ-А или приме-
нение сварки с порошковой проволокой, приводящих к интенсифика-
ции процесса дегазации сварочной ванны;
6) использование ЭМП сварочной ваниы и ультразвуковой виб-
рации;
7) применение импульсных процессов сварки;
8) оптимальная подготовка конструкций под сварку и регламен-
тирование условий и сроков хранения подготовленных узлов. Во избе-
жание образования в зоне сварки замкнутых полостей рекомендовано
собирать стыки с гарантированным зазором. Для этого иногда приме-
няют рифление торца одной из кромок стыкового соединения и тем
самым после сборки в стыке создаются вертикальные каналы, умень-
шающие пористость.
При ЭЛС поры располагаются преимущественно в зоне сплавле-
ния. Снижение пористости в таких швах может быть достигнуто выбо-
ром соответствующих оптимальных режимов сварки (в первую очередь
скорости сварки), применение двухпроходной сварки с полным проплав-
лением при каждом проходе. Конструкция подкладок при ЭЛС особен-
но влияет на образование пор в шве, поэтому выбором соответствующих
подкладок можно снизить склонность металла шва к порам [404].
В зависимости от свойств сплава и условий эксплуатации допусти-
мость пор в сварных соединениях устанавливается в каждом конкрет-
ном случае экспериментально. Недопустимая пористость исправляется
подваркой, что повышает стоимость изготовления конструкций. Объем-
ные дефекты, к которым относятся поры, легко выявляются радиогра-
фией.
9.4. Трещины в сварных соединениях
и способы их предотвращения
Горячие трещины. При сварке многих цветных металлов
и сплавов горячие (кристаллизационные) трещины представляют собой
опасный и распространенный дефект. Горячие трещины, по современ-
ным данным, невозможно отнести только к хрупким или вязким, но
ближе они все же к хрупким трещинам. По характеру расположения
они могут быть поперечными илн продольными в зависимости от на-
правления вектора растягивающих напряжений.
Факторы, вызывающие образование горячих трещин, часто делят
на механические и металлургические. К механическим относятся
напряжения и деформации, размеры и форма сварочной ваииы и др.
Металлургические факторы — наличие жидкой фазы между дендри-
тами нли по границам кристаллитов, величина и положение эффектив-
ного интервала кристаллизации.
Стойкость технического алюминия и алюминиево-марганцевого
сплава АМц против образования трещин зависит от содержания железа
и кремния в металле шва. Увеличение содержания кремния сопровож-
дается вначале ростом трещинообразования. При содержании железа
до 0,05 % уже сравнительно небольшой рост концентрации кремния
(до 0,10—0,15 %) приводит к резкому увеличению количества трещин.
В этом случае трещины не появляются лишь при наличии 1,4 % 81.
Количество трещин уменьшается, а максимум сдвигается в сторону
большего содержания кремния по мере увеличения концентрации
железа. Для предотвращения трещин и получения высоких механиче-
ских свойств соединений достаточно иметь в сплаве 0,25—0,45 % Ее
и 0,20—0,40 % 81 при обязательном превышении содержания железа
над кремнием.
Рост содержания магния до 3 % снижает склонность к трещинам.
На сварных швах сплавов системы А1—Си максимум склонности к об-
разованию трещин наблюдается при содержании около 3 % Си. При
равном содержании меди и магния в сплаве и их суммарном содержа-
нии 7—8 % трещины не появляются. На сплавах системы А1—2п—М§
цинк является отрицательным, а магний — положительным с точки
зрения предотвращения трещин [1, 260].
Способ и режим сварки различно сказываются иа металлургиче-
ских и механических факторах, способствующих образованию горячих
трещин. Переход от сварки неплавящимся к сварке плавящимся
электродом обычно благоприятно сказывается на снижении склон-
ности к образованию трещин. Применение ЭЛС вместо дуговой сварки
резко снижает эту склонность прн сварке многих сплавов. Влияние
скорости сварки и предварительного подогрева изделия на склонность
к трещинам представляется кривыми с максимумом и носит однотипный
характер.
Эффективным средством предотвращения горячих трещин в швах
алюминия и его сплавов является правильный выбор метода и режима
сварки, а также химического состава шва. При однопроходной сварке
равного сечения склонность к трещинам снижается в зависимости от
способа сварки в такой последовательности: газовая сварка, аргоноду-
говая неплавящимся электродом, сварка в аргоне и смесях инертных
газов плавящимся электродом, гелиево-дуговая, ЭЛС. Многослойные
швы менее склонны к трещинам, чем многопроходные, за исключением
первого прохода. Местный предварительный подогрев зоны сварки
может вызвать повышение трещинообразования. Общий подогрев всего
изделия обычно не применяется из-за потери устойчивости конструк-
ции. С целью снижения склонности к трещинам термообрабатываемые
сплавы рекомендуется сваривать в отожженном состоянии, а полную
термообработку проводить после сварки. Возможно появление горячих
трещин в нетехнологичных конструкциях с большим количеством пере-
секающихся швов.
Магниевые сплавы обладают повышенной склонностью к образова-
нию в швах горячих трещин. Основным металлургическим направле-
нием, обеспечивающим получение швов без трещин, является примене-
ние присадочного материала, отличающегося по химическому составу
от основного металла. Так, при сварке сплава МА8 хорошие результаты
дает использование присадочной проволоки, содержащей алюминий.
К технологическим мерам предупреждения трещин в швах на
магнии в его сплавах относятся [181]: конструирование сварных
соединений, обеспечивающее достаточную податливость конструкции
деформациям в процессе сварки; выбор технологии сварки, обеспечива-
ющей оптимальные погонную энергию и охлаждение шва, а также по-
следовательность выполнения швов, вызывающих минимально воз-
можные усадочные и тепловые линейные деформации; применение
предварительного и сопутствующего подогрева, приводящее к изме-
нению характера распределения напряжений в сварных соединениях.
Титан и его современные сплавы, как отмечалось, не склонны
к горячим трещинам при сварке.
Медь и никель проявляют большую склонность к образованию
горячих трещин прн сварке. У меди н медных сплавов висмут и свинец
снижают стойкость швов против образования горячих трещин. По-
этому обязательным условием получения швов без трещин является
ограничение содержания до 0,002% ЕМ и 0,005 % РЬ. Трещины вызы-
ваются также кислородом, серой и углеродом. Сера и углерод адсор-
бируются на границах кристаллитов и выделяются в виде легкоплавких
эвтектик. Введение в сварочную ванну модификаторов (церин, цирко-
ний) позволяет связывать вредные примеси в тугоплавкие соедине-
ния. Раскисление швов алюминием, марганцем или титаном также
предупреждает образование горячих трещин. Опасность их появления
может быть уменьшена предварительным подогревом конструкции
перед сваркой до 300 °С.
Горячие трещины при сварке тугоплавких металлов возникают
в процессе первичной кристаллизации металла шва и могут затем раз-
виваться при дальнейшем остывании металла.
Склонность к трещинам на ниобии увеличивается при возрастании
содержания примесей внедрения. Горячие трещины в сварных швах
отсутствуют при легировании ниобия в следующих отношениях эле-
Мо V (Мо + V)
ментов: — > 5, >5 н ---------- > 10. На склонность иио-
/г /г /г
биевых сплавов к горячим трещинам тантал и титан не оказывают су-
щественного влияния, а введение молибдена резко снижает сопротив-
ление металла образованию горячих трещин прн сварке. Сплавы с со-
держанием 10 % АУ менее склонны к горячим трещинам, чем сплавы
с 5 % АУ [194].
Для борьбы с горячими трещинами прн сварке тугоплавких метал-
лов рекомендуется уменьшение содержания примесей внедрения в ос-
новном металле; легирование сплавов элементами в количествах, не
расширяющих температурный интервал хрупкости; выполнение сварки
тонколистового металла на небольших скоростях, а в случае ЭЛС —
остросфокусированным лучом.
Холодные трещины. Такие дефекты относятся к числу распростра-
ненных и опасных в сварных конструкциях из цветных металлов и их
сплавов. К холодным трещинам сварных соединений относятся все ви-
ды хрупкого разрушения, возникающие в результате термического
цикла сварки ниже солидуса без приложения внешних нагрузок.
Верхний предел их образования находится ниже 200 °С, а нижний —
неограничен. Особую категорию представляет так называемое задер-
жанное разрушение, характерное для металлов, в которых протекает
гидрндное превращение с изменением объема (титан, цирконий и их
сплавы).
Образование холодных трещин в сварных соединениях определя-
ется химическим составом свариваемых сплавов, металла швов н глав-
ным образом содержанием в них вредных примесей-газов, а также
фазовыми и структурными превращениями, обусловливающими напря-
женное состояние сварного соединения и его пластичность.
Холодные трещины при сварке сплавов титана с низкой пластич-
ностью располагаются в основном поперек шва с выходом на основной
металл. На сплавах титана с высокой пластичностью, если металл шва
загрязнен газами, трещины возникают поперек шва без выхода на ос-
новной металл. При наличии непровара трещины могут образовываться
вдоль шва.
Так как сопротивляемость околошовиой зоны замедленному раз-
рушению по сравнению с сопротивляемостью основного металла замет-
но снижена, при сварке толстостенных жестких конструкций наблюда-
ются холодные трещины, начинающиеся у линии сплавления и идущие
в основной металл. Главной особенностью образования холодных тре-
щин в сварных швах титана является замедленный характер их раз-
вития — время до образования трещин длится от нескольких минут
до нескольких лет. Технологическими причинами возникновения хо-
лодных трещин могут быть нарушения в процессе изготовления полу-
фабрикатов, технологии сварки, термообработки, а также неправиль-
ный выбор материалов, типа сварной конструкции и сварных соедине-
ний и т. п.
При сварке титана и его сплавов наиболее эффективная мера пре-
дупреждения образования холодных трещин — ограничение содержа-
ния кислорода, водорода и азота в основном металле и шве. Допускае-
мое содержание примесей внедрения в швах титана обычно ниже, чем
при сварке технического титана, и зависит от типа сплава и системы
легирования.
К технологическим мерам предупреждения образования трещин
относятся надежная защита зоны сварки и остывающих участков от
контактов с воздухом, применение присадки с низким содержанием
примесей внедрения, принятие мер к снижению пористости.
Отжиг для снятия напряжений является одним из важных условий
предупреждения образования трещин в металле шва. Сокращение
интервала между окончанием сварки и отжигом снижает способность
к образованию и развитию трещин.
Сопротивление сварных соединений тугоплавких металлов и их
сплавов образованию холодных трещин снижается с увеличением со-
держания вредных примесей — водорода, азота, кислорода. Важней-
шими предпосылками получения соединений без трещин являются обе-
спечение чистоты швов по отношению к этим примесям; выбор оптималь-
ных термодеформационных циклов сварки применительно к конкрет-
ным условиям сварки; предварительный и сопутствующий подогрев.
Трещины устраняются подваркой. Место расположения трещины
перед подваркой необходимо зачистить, концы трещины засверлить
к этот участок удалить корундовым камнем нли вырубить, пыль удалить
и промыть растворителем. Дефектные места заваривают вручную с при-
садкой. При ремонте применяется местная защита подвариваемого
участка. После подварки желателен общий или местный отжиг.
9.5. Контроль качества сварных соединений
Надежность изделий и конструкций, применяемых в раз-
личных отраслях народного хозяйства, во многом определяется каче-
ством сварных соединений. По мере усложнения конструкций и соору-
жений, использования в них новых материалов, повышения единичной
мощности и интенсификации режимов эксплуатации техники приобре-
тает большее значение широкое и эффективное применение современных
методов дефектоскопии и диагностики объектов. Проверка качества
сварочных работ состоит из трех стадий: предварительной, текущей
и заключительной.
Предварительная стадия контроля включает в себя знакомство
с технической документацией на изготавливаемые сварные изделия,
проверку качества исходных материалов и оборудования, а также
квалификации исполнителей. Очень важно, чтобы еще в процессе
проектирования конструктор предвидел способы испытания изделия
при его изготовлении и эксплуатации, т. е. конструкция должна быть
рациональной с точки зрения как технологии изготовления, так и тех-
нологии дефектоскопии. Контроль качества металла и сварочных
материалов осуществляется проверкой их заводской маркировки и соот-
ветствия данных сертификатов данным ГОСТов и ТУ.
Задачей текущего контроля является поддержание состояния
сборочных приспособлений, сварочного оборудования, приборов,
качества сборки и режимов сварки соответственно требованиям, обеспе-
чивающим получение качественных сварных конструкций. От тща-
тельности проведения этой стадии контроля зависит своевременное
предупреждение и обнаружение дефектов сборки и сварки.
Цель предварительного и текущего контроля сборочно-сварочных
работ — обеспечение необходимых условий для изготовления сварных
изделий с минимальным отклонением от установленных норм.
На заключительной стадии контроля устанавливают наличие и
характер дефектов, устраняют недопустимые, а также определяют
степень соответствия сварного изделия установленным требованиям.
Методы контроля качества швов сварных соединений устанавливает
ГОСТ 3242—79, в котором предусмотрено выявление дефектов с ис-
пользованием неразрушающих и разрушающих методов контроля.
Неразрушающие методы контроля. К этим методам относятся сле-
дующие.
1. Контроль внешним осмотром и измерениями. Внешним осмотром
могут быть обнаружены видимые дефекты — прожоги, непровары,
подрезы, трещины, поверхностные поры, вольфрамовые включения,
кратеры, цвета побежалости, усиление швов и тому подобные дефекты.
Внешний осмотр обязателен перед контролем качества любыми другими
методами.
Подготовленные сварные соединения осматривают невооруженным
глазом или с использованием лупы 10х. Размеры сварных швов конт-
ролируют измерительным инструментом нли специальными шаблонами.
Сварные швы, недоступные прямому наблюдению, осматривают с по-
мощью оптических приборов — эндоскопов.
2. Контроль нагружением. В изделии создаются нагрузки, превы-
шающие эксплуатационные, но меньшие, чем разрушающие. Типичным
примером контроля изделий нагружением являются гидравлические
и воздушные испытания. Такие испытания позволяют одновременно
проверить плотность и прочность сосудов, работающих под давлением,
а также проницаемость швов сварных конструкций.
3. Контроль, позволяющий выявить внутренние дефекты сварных
соединений без их разрушения. Сюда относятся рентген о-, гамма-
и ультразвуковая дефектоскопия, а также методы, которыми можно
определить герметичность сварных соединений для жидкостей и газов—
капиллярный (цветовая, люминесцентная и люминесцентно-цветовая
дефектоскопия, керосиновая проба и т. п.) и течеискание (галоидный
и гелиевый течеискатели).
В связи с тем что необходимо учитывать возможности неразруша-
ющих методов контроля прн их выборе для обнаружения дефектов опре-
деленного типа, в табл. 9.4 приведены сравнительные оценки видов
дефектоскопии для основных групп сварочных процессов.
Таблица 9.4. Сравнение сварочных процессов с позиции дефектоскопии
Показатель Сварочные процессы с близкой дефектологией
Дуговые, плазменно- дуговые, электротлаковые Контактные, диффузионные, высокочастотные Лучевые
Характерные дефекты Поры, шлако- вые и вольфра- мовые включе- ния Слипания, мато- вые пятна Флокены, паровые мешки
Место расположения де- фектов В верхней час- ти, по оси и краям шва По осп шва По всему шву
Выявляемость дефектов средствами радиационно- го контроля Хорошая Плохая Хорошая
Выявляемость дефектов средствами ультразвуко- вого контроля Удовлетвори- тельная Хорошая >
Выявляемость дефектов средствами магнитного н электромагнитного конт- роля Плохая Удовлетвори- тельная Не исполь- зуется
Протяженность ЗТВ Повышенная Малая Средняя
Влияние ЗТВ на несущую способность конструкции Большое Малое Малое
Остаточные напряжения в ЗТВ Повышенные Малые Малые
Исправляемое™ сварного соединения по результа- там дефектоскопии Хорошая Плохая Удовлетво- рительна я
Влияние отклонений тех- нологического процесса на дефектность шва Малое Малое Высокое
Требования к чистоте подготовки кромок под сварку Высокие Низкие Высокие
Радиационные методы контроляв общем объеме
применяемых неразрушающпх методов контроля составляют около
80 % и основаны на применении ионизирующих излучений. Контроль
выполняется в соответствии с ГОСТ 7512—82. Наиболее широкое рас-
пространение для контроля сварных соединений нашли рентгеновские
лучи и у-излучение.
Для обнаружения и регистрации дефектов применяют следующие
виды радиационной дефектоскопии: радиографию (детекторы, фотоплен-
ка, фотобумага или полупроводниковая пластина), радиоскопию
(флюороскопические экраны, электронно-оптические преобразователи,
оптические усилители и телевизионные системы) и радиометрию (сции-
тилляциоиные или полупроводниковые детекторы). Методы радиацион-
ного контроля выбирают в зависимости от толщины свариваемого ме-
талла, условий просвечивания и стоимости метода.
Разновидностями радиографии являются рентгенография (приме-
няется в цеховых условиях, редко — в полевых) и гаммаграфия (при-
меняется в полевых и монтажных условиях, при контроле сварных
соединений больших толщин в основном в цеховых условиях).
По величине анодного напряжения рентгеновские аппараты услов-
но подразделяются на группы до 150 кВ (просвечиваемая толщина по
стали 0,01 —10 мм) и свыше 150 кВ (просвечиваемая толщина 0,01 —
70 мм). К первой группе относятся передвижной аппарат РУП-100-10
и переносной РУП-120-5-2. Ко второй—стационарный РАП 150/300-10,
передвижной РУП 150/300-10 и переносные РУП-160-6П, РУП-200-5-2
и РАП-300-5Н. В обозначениях аппаратов первое число указывает иа
максимальное напряжение в киловольтах, второе — ток в миллиам-
перах. В последнее время нашли применение выпускаемые отечествен-
ной промышленностью импульсные и малогабаритные рентгеновские
аппараты МИРА и НОРА, используемые в механизированных и автома-
тизированных установках [205, 324].
В наши дии в сварочном производстве все большее признание
получает электрорентгенографический (ксерографический) контроль
сплошности швов. Это экономичный и экспрессный метод, обеспечиваю-
щий получение рентгенограмм на обычной писчей бумаге в течение
2—3 мин (без фотохимических процессов). Его чувствительность не ус-
тупает пленочной рентгенографии. Наибольшие экономический и техни-
ческий эффекты метод дает при контроле швов различных листовых кон-
струкций из алюминиевых, титановых и медных сплавов. Для электро-
рентгенографии применяют аппараты типа ЭРГА-П2, АРЕКС-2 и
ЭРЕНГ-2.
Для дефектоскопического контроля объектов в интервале просве-
чиваемых трещин по стали 1—200 мм (соответственно по титану 1—
300 мм, алюминию 1—500 мм и магнию до 1—700 мм) используются
дефектоскопы с источниками у-излучения типа «Гаммарид», «Тракт»
и «Стапель» [324].
Наибольшее распространение из отечественных телевизионных
радиационных дефектоскопов получили ЛУЧ-ЗМ и РИ-60ТЭ иа базе
рентгеновского аппарата РУП-150/300-10. Они обеспечивают чувстви-
тельность 3—4 % при просвечивании стали Ь С 50 мм.
Радиометрические дефектоскопы позволяют наиболее оперативно
получать информацию о качестве шва. Однако следует иметь в виду,
что скорость контроля влияет на достоверность результатов. Для
контроля швов из алюминиевых сплавов разработаны дефектоскопы
РД-11Р (производительность 1 м/ч; Ь—500-?-50 мм) и РД-20Р (произво-
дительность 4 м/ч, Ь = 350—800 мм).
Ультразвуковой метод контроля (УЗК) нашел
широкое применение для сварных соединений цветных металлов и
сплавов. На рис. 9.5 приведена общая схема УЗК сварных соединений.
Акустическая волна, изучаемая акустическим преобразователем /,
встретив на своем пути препятствие в виде дефекта 2,частично отражается
в обратном направлении, где регистрируется с помощью преобразова-
теля 1 (в режиме приема), частично зеркально отражается от дефекта
и принимается преобразователем 3. С помощью преобразователя-
приемника 4 фиксируется ослабление акустической волны. УЗК свар-
ных соединений осуществляется в диапазоне частот свыше 20 кГц
с помощью ультразвуковых эхо-дефектоскопов. При излучении и при-
еме упругих волн в приборах УЗК используются пьезоэлектрические
преобразователи.
Рис. 9.5. Общая схема ульт-
развукового контроля свар-
ных соединений.
Форма усиления шва влияет на ка-
чество контроля, так как эхосигналы
от него маскируют эхосигналы от де-
фектов особенно при малом угле прозву-
чнвания. Объекты контроля должны
иметь очищенную от сварочных брызг
поверхность. Критерием разбраковки
при УЗК чаще всего служит амплитуда
эхоси гнала, а также условные высота
и ширина дефекта. Для определения
основных параметров контроля приме-
няются стандартные образцы, установ-
ленные ГОСТ 14782—76.
При проведении УЗК используют
в основном универсальные ультразву-
ковые дефектоскопы типов ДУК-66,
УД-11ПУ, УД-12ПУ, УД-11УА, УД-23УМ и другие, предназначен-
ные для выявления дефектов типа нарушения сплошности и однород-
ности материалов в готовых изделиях и сварных соединениях, а также
для измерения глубины их залегания [205, 324].
Портативные переносные дефектоскопы УД-13П и УД2-15 пред-
назначены для выявления внутренних дефектов типа нарушения сплош-
ности в сварных соединениях цилиндрических и плоских изделий в це-
ховых и полевых условиях. Они также позволяют определять коор-
динаты дефектов и измерять отношения амплитуд сигналов от дефектов.
Ультразвуковые устройства для контроля сварных швов позволяют
выявлять и классифицировать дефекты контактной сварки.
Для контроля сварных соединений на латуни, титановых и алюми-
ниевых сплавах используются также приборы для контроля методом
акустической эмиссии. Они позволяют обнаруживать и регистрировать
акустическую эмиссию от зарождающихся и развивающихся дефектов
в сварных соединениях в процессе сварки, охлаждения и последующего
нагружения [114, 324].
Магнитные методы контроля (ГОСТ 21104—75,
ГОСТ 21105—75 и ГОСТ 24289—80) основаны иа регистрации измене-
ния взаимодействия магнитного поля с контролируемым объектом.
Перед контролем или в его процессе проверяемое соединение намагни-
чивается. В районе несплошности (пора, трещина, непровар, шлако-
вое включение и др.) возникает поле, несущее информацию о дефекте.
Регистрация данного потока рассеяния осуществляется ферромагнит-
ным порошком (магнитопорошковый метод), магнитографической лен-
той (магнитографический метод), индукционной катушкой (индукцион-
ный метод). Такие методы применимы лишь для ферромагнитных ма-
тералов.
Для обнаружения дефектов намагничивающее поле должно созда-
вать в исследуемом объекте магнитную индукцию примерно 0.8—1 Тл.
Условия возникновения и величина магнитного потока рассеяния зави-
сят от формы, ориентации, размеров и глубины залегания дефектов.
Для надежного выявления плоского дефекта (трещины, непровара) не-
обходимо, чтобы он был перпендикулярен к направлению магнитного
поля. Дефекты округлой формы создают малые потоки рассеяния,
их индукция затруднена. Магнитные методы применяются также для
оценки остаточных напряжений.
Магнитопорошковый метод основан иа способности ферромагнит-
ных частиц, находящихся в магнитном поле, ориентироваться в направ-
лении поля и перемещаться к месту наибольшего увеличения плотности
магнитного потока.
Для магнитопорошковой дефектоскопии сварных швов наиболее
распростраиеио применение переносных и передвижных магнитных
дефектоскопов соответственно ПМД-70 и МД-50П.
Магнитографический метод основан на обнаружении магнитных по-
лей рассеяния магнитной лентой, прижатой к поверхности шва. Для
ы'-гнитографического метода используются универсальная леита МКУ,
магнитографические дефектоскопы (МД-9, МД-11, МГК-1, МДУ-2У
п др.), а также полуавтоматические установки на их основе.
С помощью электроиндукционного метода осуществляется контроль
качества сварных соединений иеферромагнитных материалов толщи-
ной до 3 мм, выполненных ЭЛС или дуговой сваркой неплавящимся
электродом в защитных газах. Индукционный дефектоскоп типа
ДИТ-1 К предназначен для проверки труб диаметром 20—102 мм при
скорости движения 3—4 м/с.
Контроль герметичности сварных соеди-
нений необходим в тех случаях, когда сварные соединения изделий
кроме прочности должны обеспечить требуемую герметичность для
газообразных или жидких сред. Герметичность сварных соединений
и изделий проверяется пробными газами (воздухом, аммиаком, гелием,
аргоном, углекислым газом, галоидсодержащими газами) и жидкостя-
ми (водой, керосином, цветными и люминесцентными пенетрантами).
Индикация пробных газов и жидкостей, прошедших через сквозные де-
фекты, осуществляется специальными веществами или приборами.
Широкое распространение в промышленности получил пневмати-
ческий метод (контроль воздухом). Его разновидности — испытание
избыточным давлением и вакуумированием. Обнаружение течей — пу-
зырьковое, манометрическое, акустическое. Вакуумные испытания
осуществляются с помощью камеры, устанавливаемой на проверяемый
участок сварного соединения, предварительно смоченного мыльным
или другим индикаторным раствором. В камере создается разреже-
ние, и атмосферный воздух проникает в нее через течи. В местах течей
образуются пульсирующие мыльные пузырьки, наблюдаемые через
прозрачный верх камеры, а в местах микротечей — скопления мелких
белых не лопнувших пузырьков. Метод позволяет вести контроль при
одностороннем доступе к соединениям при производительности до
70 м/ч.
В случае контроля керосином на одну из поверхностей сварного
соединения необходимо напылить тонкий слой меловой суспензии в
воде. Обратную сторону 3—5 раз подряд смачивают керосином. Тре-
щины обнаруживаются в течение времени от нескольких секунд до
10 мин. При контроле герметичности применяется окрашенный керо-
син (3 г краски Судан III или IV на 1 л керосина). Вибрация сварных
соединений или применение пневматического метода ускоряют процесс
контроля.
Для обнаружения невидимык вооруженным глазом поверхностных
дефектов предназначены капиллярные методы иеразрушаю-
щего контроля. Капиллярный контроль позволяет контролировать
изделия из цветных металлов и сплавов любых размеров и форм. Он
предназначен для определения расположения дефектов, их протяжен-
ности (дефектов типа трещин) и ориентации по поверхности.
Последовательность капиллярного контроля показана иа рис. 9.6.
Изделие с дефектом после подготовки его к контролю покрывается
проникающей жидкостью — пенетрантом, излишки которого удаля-
ются с поверхности изделия. При этом пенетрант сохраняется в полос-
тях дефектов. После нанесения проявителя на контролируемую поверх-
ность за счет сорбции и диффузии пенетрант впитывается проявителем,
в результате чего на его поверхности образуется ярко окрашенный или
15 9.366
449
Рис. 9.6. Схема капиллярной дефекто-
скопии:
я — трещина а изделии; *—на несение пе-
нетранта; в — удаление излишков пене-
транта: а — проявление; 1 — изделие: 2 —
трещина; 3 — пенетрант; 4 — проявитель.
люминесцирующий н ультра-
фиолетовом свете след дефек-
та. Существуют также само-
проявляющиеся пенетранты,
при использовании которых
проявитель ие наносится. Не-
обходимым условием выявле-
ния дефектов типа нарушения
сплошности материала явля-
ется наличие свободных от
загрязнения полостей, имею-
щих выход иа поверхность
объектов и глубину распро-
странения, значительно пре-
вышающую ширину их раскры-
тия. Благодаря тому что ширина следа дефекта намного превышает
его размер, удается выявить дефекты с раскрытием менее 1 мкм.
Дефектоскопические материалы комплектуют в целевые наборы
и выбирают в зависимости от требований к объекту контроля, его со-
стояния и условий контроля. В набор входят: индикаторный пене-
трант, очиститель, гаситель и проявитель пенетранта. Очиститель
предназначен для удаления, а гаситель — для гашения люминесценции
или цвета остатков индикаторных панетрантов на поверхности объекта
контроля.
Разработаны наборы материалов № 1—9 для капиллярной дефекто-
скопии |324]. С помощью высокочувствительных наборов (№ 1, 2) мож-
но обнаружить поверхностные дефекты типа трещин и пор с раскрытием
менее 1мкм; наборов средней чувствительности (№ 3, 4, 6, 7, 9)—дефекты
с раскрытием более 1мкм, а наборов пониженной чувствительности (№ 5,
8) — грубые дефекты с раскрытием более 10 мкм.
Наиболее удобны для проведения капиллярного контроля аэро-
зольные комплекты многократного пользования типа КД-40ЛЦ, пред-
назначенные для выполнения контроля в полевых, цеховых и лабора-
торных условиях.В состав аппаратуры для капиллярной дефектоскопии
входят серийные и опытные дефектоскопические приборы и установки
КД-20Л, КД-ЗЗЛ, и КД-40ЛЦ, выпускаемые Бобруйским весовым
заводом [324].
В табл. 9.5 приведены наиболее распространенные методы конт-
роля герметичности сварных соединений, их физические принципы,
Рис. 9.7. Схемы масс-спектрометрического контроля способом обдува:
а — подключение контролируемого изделия непосредственно к течеяскателю: б
подключение течеискатели к линии откачки изделия; / — изделие; 2 — вентиль!
8 — течеискатель; 4 — паромасляный насос; 5 » механический насос.
Таблица 9.5. Основные методы н средства контроля течеисканил
Метод Принцип метода Пробное вещество Тип аппа- ратуры Порог чувстви- тельности, ма • Па/с Область применения
Катаромет- рический Регистрация изменения теплопровод- ности воз- духа и смеси воздуха с пробным газом Водород, гелий, фреон, углекис- лый газ, неон, ме- тан, этан, пропан, бута и ТП-7101 10-» — — 10-» Контроль неответст- венных кон- струкций
Галогенный Эмиссия по- ложитель- ных ионов с пластины при воздей- ствии гало- ндсодержа- щих газов Фреон, этилен, четырех- хлорис- тый угле- род гти-з, ВАГТИ-4, БГТИ-5, ГТИ-6, БГТИ-7 10-* — - 10-’ Контроль герметич- ности объ- ектов с ра- бочим дав- лением до 100 Па
Масс-спект- рометричес- кий Разделение смеси газов по массам заряженных частиц с по- мощью элек- трического поля Гелий ПТИ-6, ПТИ-7а, ПТИ-Ю, СТИ-11 7-Ю-11— -7-Ю'13 Течеискания объектов с высокими требования- ми герметич- ности
а также указаны пороги чувствительности и основное применяемое
оборудование [324].
Масс-спектрометрические течеискатели применяют для обнаруже-
ния течей, измерения натеканий и утечек в лабораторных и производ-
ственных условиях. Чаще всего на практике используют три основных
метода контроля — обдува, щупа и накопления. Выбор схемы испыта-
ний определяется характеристикой контролируемого изделия, требуе-
мой чувствительностью, а также имеющимися средствами откачки
[324].
На рис. 9.7 приведены схемы подключения течеискателей к изде-
лиям при контроле методом обдува. Способ применяется для испытания
преимущественно замкнутых изделий. При поисках течей скорость
перемещения обдувателя должна быть около 0,01 м/с.
Схема контроля методом щупа приведена на рис. 9.8. С помощью
этого метода контролируют изделия, не поддающиеся откачке или
предназначенные для работы при избыточном давлении. Для его осу-
ществления контролируемое изделие заполняется гелием илн смесью
гелия с воздухом под давлением, превышающим атмосферное. Переме-
щая щуп вдоль контролируемого сварного соединения, удается обна-
ружить место утечки пробного газа.
Контроль методом накопления заключается в обнаружении гелия,
15* 451
накопившегося в изолированном пространстве через некоторое время
После его подачи в изделие. При контроле изделие помещают в атмо-
сферу гелия, создаваемую с помощью чехлов или камер, вакуумируют
и изолируют от течеискателя. По окончании процесса накоплении изде-
лие соединяется с течеискателем. Этот метод позволяет достичь предель-
но малого порога чувствительности и используется для контроля изде-
лпн с хорошо очищенными внутренними поверхностями и малым сум-
марным натеканием.
Для повышения производительности контроля герметичности
изделий массового производства на базе масс-спектрометрических
течеискателей созданы автоматизированные установки типа АКГМ-3.
Они предназначены для обнаружения утечек (без указания мест) и раз-
браковки изделий по степени негерметичности.
К новым методам исследования дефектности сварных конструкций
относятся [324] акустическая голография, вычислительная томогра-
фия, тепловой метод и др. К методам, основанным на регистрации изме-
нений напряженно-деформированного состояния сварных соединений,
относится метод с использованием интерференций световых волн (голо-
графический). Он применяется для диагностики ответственных узлов
сосудов давления, летательных аппаратов. С помощью этого метода
удается обнаружить растущие дефекты, оценить степень опасности
возникшей ситуации.
Разрушающие методы контроля. К этим методам относятся техно-
логические испытания, металлографические исследования, химиче-
ский анализ, коррозионные испытания, испытания на свариваемость.
Технологические испытания проводятся (ГОСТ 3242—79) на тех-
нологических пробах в соответствии с утвержденными техническими
условиями на изготовление данного вида сварного изделия. Механиче-
ские испытания осуществляются в соответствии с ГОСТ 6996—66,
в котором приведены основные методы определения механических
свойств сварных соединений и его отдельных зон при статических н
динамических нагрузках. В последние годы большое распространение
получили методы определения свойств сварных соединений, основан-
ные иа использовании методов линейной механики разрушений [36,
125, 191].
Металлографические исследования сварных соединений проводят
с целью оценки структуры различных участков соединения н опреде-
ления отсутствия в них дефектов. Исследования проводят на темпле-
тах ^шлифах), вырезанных нз сварного соединения в поперечном или
продольном сеченни. Темплеты лучше всего вырезать на металлорежу-
щем оборудовании. При вырезке их газовым или электроискровым
Рис. 9.8. Схема масс-спектрометрического контроля методом щупа:
1 — изделие; 2 — щуп; 3 — форвакуумный датчик; 4 — течеискатель; 5 — вентиль]
3 — механический насос; 7 — баллон с гелием; 8 — редуктор давления с контроль-
ными приборами и предохранительным клапаном, '
способом место среза должно быть удалено от исследуемого участка на
15—40 и 8—10 мм соответственно. Исследования включают контроль
вида излома (фрактография), макро-и микроструктуры. Фрактография
проводится после разрушения реальных соединений или образцов.
По виду излома судят о пластичности или хрупкости металла шва,
ЗТВ. О хорошей пластичности металла свидетельствует волокнистый
серый излом с матовой поверхностью, а о хрупком состоянии метал-
ла — блестящие крупнокристаллические изломы. По излому можно
судить также о таких дефектах, как поры, трещины, непровары, шлако-
вое включения и др. Изломы изучаются как невооруженным глазом,
так п с помощью металлографических и бинокулярных микроскопов,
а также сканирующих электронных микроскопов.
Контроль макроструктур (макроанализ) позволяет выявить состоя-
ние границ зон сварного шва, ширину ЗТВ, строение их металла,
а также глубину проплавления и наличие внутренних дефектов.
Макротемплеты шлифуют до шероховатости поверхности Ца =
= 1,25 4- 1,0 мкм и травят для выявления макроструктуры в реак-
тивах состав и способы применения которых приведены в табл. 9.6
[251, 325].
Прн изучении микрошлифа можно определить структуру и раз-
меры зерна основного, наплавленного металла и ЗТВ по замерам
микротвердости —свойства участков сварного соединения, а также де-
фекты сварных соединений —мнкропоры, микротрещины, шлаковые
включения, непровары и др. Микрошлифы изучаются при увеличении
50—2000 раз и более на металлографических микроскопах МИМ-7,
МИМ-8, МИМ-9 и др. Для получения микрошлифов образцы обрабаты-
ваются до шероховатости = 1,25 — 1,0 мкм, затем заделываются
в струбцины, сплав Вуда и т. п., шлифуются и полируются механиче-
ским или электрохимическим способом [251, 325].
Для механической полировки используют алмазные пасты типа
АСМ, пасты ГОИ, а также алмазные диски АЕД (диаметр 200 мм)
зернистостью АСМ-3/2 и АСМ-1/0. В табл. 9.7 приведены составы
реактивов для травления микрошлифов сварных соединений нз цвет-
ных металлов и сплавов.
Химический анализ сварных образцов проводят химическими и
спектральным методами. Спектральный анализ позволяет значительно
ускорить определение химического состава. Он служит для контроля
полноты удаления альфированного слоя с подготовленных под сварку
изделий из титана и его сплавов.
Испытания на свариваемость в зависимости от назначения делятся
на три группы — исследовательские, технологические и контрольные.
Испытания первых двух групп проводятся в научно-исследовательских
лабораториях. Контрольные испытания проводятся для определения
действительных значений свойств отдельных зон сварного соединения
в целях подтверждения кондиционности металла, а также в целях
проверки соответствия показателей свариваемости металла требова-
ниям технических условий на его поставку.
Согласно рекомендациям Международного института сварки при
выборе методов и объема контроля необходимо соблюдать приведен-
ные ниже правила.
1. Методы контроля должны быт* целесообразными и экономич-
ными. Объем контроля следует ограничивать до нужного минимума.
Нет необходимости применять методы контроля, позволяющие обеспе-
чить большой запас по прочности или сроку эксплуатации.
2. Методы испытания выбираются с учетом возможности обнаруже-
ния дефектов, которые действительно уменьшают работоспособность
• надежность сварной конструкции.
Таблица 9.6. Рекомендуемые реактивы для травления макрошлифов
сварных соединений из цветных металлов и сплавов
Металл Состав реактива Способ применения
Алюминий 1. Азотиая кислота 300 мл, соляная кислота 100 мл 2. 10 %-иый -водный ра- створ соляной кислоты 100 мл, хлорное железо 30 мг Травление протиранием шлнфа ватным тампоном до выявления структуры То же
Алюминиевые сплавы Плавиковая кислота 4 мл, азотная кислота 4 мл. 10 %-ный водный раствор желтой кровяной соли 4 мл, 30 %-ный раствор перекиси водорода 2 мл, вода 100 мл Травление погружением
Алюминиевые Соляная кислота 80 мл, Травление погружением
сплавы (типа ду- ралюмни) азотная кислота 80 мл, плавиковая кислота 20 мл, вода 300 мл до выявления структуры
Магниевые сплавы Уксусная кислота 10 мл, вода 90 мл Травление протиранием шлифа ватным тампоном, смоченным реактивом, в течение 0,3—2 мин
Цинк Едкий натр 10 г, вода 90 мл Травление при 50 °С по- гружением в течение 10— 15 мин
Медь и ее сплавы 1. Азотная кислота плот- ностью 1,2—1.3 г/см3 2. 15 %-иый водный ра- створ персульфата аммо- ния с добавлением пере- киси водорода (несколько капель 30 %-ной переки- си водорода иа 100 мл раствора) Травление погружением. Интенсивность травления при 40—60 °С повышает- ся То же
Никелевые сплавы Хлорное железо 10 г, со- ляная кислота 30 мл, во- да 120 мл Травление при 40—50 °С до выявления структуры
Титан и его сплавы 1. Азотная кислота 5 мл, плавиковая кислота 1 мл 2. Плавиковая кислота 1 ч., азотиая кислота 1 ч., вода 1 ч. Травление погружением То же
Цирконий я его Плавиковая кислота 10 Травление интенсивным
сплавы мл, 9 %-ная перекись во- дорода 60 мл, вода 30— 60 мл протиранием шлифа ват« ным тампоном до 5 мин
Металл Состав реактива Способ применения
Ниобий и его 1. Аммоний фтористый Травление погружением
сплавы 14 г, плавиковая кислота 24 мл, азотная кислота 1 мл 2. 40 %-иый водный ра- створ едкого натра в раствор, подогретый до 40—50 °С Травление погружением
Тантал и его сплавы 60 %-ный водный раствор плавиковой кислоты 5 мл, 20 %-ный водный раствор фтористого аммония 5 мл Травление прн 50 °С
Молибден н его 1. 20 %-ный водный ра- Травление прн 60—90 °С
сплавы створ едкого натра 20 мл, 3 %-иая перекись водоро- да 20 мл 2. Красная кровяная соль 10 г, едкий калий 10 г, вода 100 мл 3. Красная кровяная соль 30 г, едкий калий 30 г, вода 60 мл в течение 20—30 с Травление прн 20 °С про- тиранием шлифа ватным тампоном в течение 30— 120 с Травление при 50 °С
Вольфрам и его сплавы 1. Плавиковая кислота 300 мл, азотная кислота 100 мл, вода 400 мл 2. Перекись водорода 3 мл, вода 97 мл Травление погружением Травление погружением в кипящий раствор
3. Тщательный визуальный контроль, проводимый как во время
сварочного процесса, так и после него — самый дешевый и быстрый
метод контроля. Он особенно эффективен, когда материал н методы
сварки по данным статистики не склонны к серьезным дефектам; когда
работают квалифицированные сварщики; прн наличии статических
напряжений, а также когда фиксируются видимые подрезы между
основным металлом и усилением или в корне шва, и они представляют
единственную опасность разрушения.
4. Методы контроля, например ультразвуковые или радиографи-
ческие, обязательны при:
а) проверке квалификации сварщика или способа сварки, для
чего достаточно проводить выборочный контроль. Объем контроля
необходимо увеличивать в случае обнаружения серьезных и система-
тических дефектов, прн этом должны быть приняты меры к предотвра-
щению таких дефектов (замена сварщика или метода сварки и т. д.).
Объем выборочных испытаний уменьшают, как только появляется уве-
ренность в стабильном качестве;
б) проверке объектов, в которых любые дефекты приводят к раз-
рушению. К ним относятся такие объекты, в которых могут произойти
хрупкие пли усталостные разрушения, а также места, где есть опасность
образования трещин под действием внутренних напряжений;
Таблица 9.7. Рекомендуемые реактивы для травления микрошлифов
сварных соединений из цветных металлов и сплавов
Металл Состав реактива Способы применения
Азотная кислота 10 мл. Нагревание шлифа в ки-
Технически чистый' пящей воде с быстрым пе-
алюминий плавиковая кислота 10 мл, глицерин 34 г реносом в травитель и травлением в течение 5—
15 с
Алюминиевые 1. Щавелевая кислота Травление погружением
сплавы 15 г, лимонная кислота 2 г, азотнокислое железо 0,5 г, вода 100 мл 2. Серная кислота 4 мл, в течение 5—10 с
Травление погружением в
плавиковая кислота 4 мл, хромовый ангидрид 2 г, течение 1—3 мни
вода 90 мл .3. 25 %-ный водный раст- Травление погружением в
вор ортофосфорной кис- раствор, подогретый до
ЛОТЫ 50 °С, в течение 10— 15 мии
Магниевые Серная кислота 1 мл, во- Травление погружением в
сплавы да 100 мл течение нескольких се-
Медь Уксусная кислота 60 мл, азотная кислота 10 мл, ортофосфориая кислота 60 мл кунд Травление погружением
Медные сплавы 1. 10—20 %-иый водный Травление погружением
раствор хромовой кисло- или протиранием шлифа
ты 100 мл, несколько ка- ватным тампоном, см о-
пель перекиси водорода ченным в растворе, в те- чение 5—30 с
2. 25 %-ный раствор ам- миака То же
Никель и его 1. Сернокислая медь 2 г, Травление погружением
сплавы соляная кислота 10 мл,
серная кислота 1 мл, вода 90 мл
2. Лимонная кислота 10 мл, сернокислый ам- моний 10 г, вода 120 мл 3. Соляная кислота 55 мл, То же
> >
азотная кислота 25 мл, вода 100 мл
Золото, серебро, Царская водка Травление погружением.
платина и сплавы Пленка и а серебре уда«
на их основе ляется аммиаком
Палладий и его Азотная кислота Травление при 60—80*в
сплавы в течение 1—3 мии
Свинец Азотная кислота 3 ч., ук- Травление протиранием
сусиая кислота 2 ч., гли- шлифа ватным тампоном.
церии 14 ч. смоченным раствором, подогретым до 40—50 *в
Металл Состав реактива Способы применения
Титан и его сплавы 1. Щавелевая кислота 15 ч., лимонная кислота 24 ч„ нитрат железа 2 ч., пла-виковая кислота 0,5 мл, вода 100 мл 2. Плавиковая кислота 1 ч., азотная кислота 1 ч„ глицерин 3 ч. 3. Плавиковая кислота 4 мл, насыщенный раст- вор щавелевой кислоты 196 мл Травление протиранием шлифа ватным тампоном, смоченным раствором, подогретым до 40—50 °С То же » »
Цирконий и гафний Азотная кислота 1 мл, плавиковая кислота 2 мл, вода 15 мл Травление протиранием шлифа ватным тампо- ном, смоченным раство- ром, в течение нескольких секунд
Цирконий, ниобий, тантал и их сплавы Серная кислота 2 ч., пла- виковая кислота 3 ч., азотная кислота 2 ч., во- да 1 ч. Травление протиранием шлифа ватным тампоном, смоченным раствором, в течение 10—20 с
Ниобиевые сплавы Плавиковая кислота 1 мл, вода 99 мл То же
Ниобий, тантал я их сплавы 20 %-ный водный раст- вор фтористого аммония 1 ч., плавиковая кислота 2 ч. Травление погружением
Ванадий и его сплавы Плавиковая кислота 1 ч., азотная кислота 1 ч. То же
Молибден н вольфрам Надсернокислый аммоний 10 г, этиловый спирт 100 мл Травление погружением в раствор, подогретый до 50—70 °С
Молибденовые сплавы 10 %-ный раствор пер- манганата калия 20 мл, серная кислота (плот- ность 1,4 г/см3) 20 мл Травление погружением в течение нескольких се- кунд
Сплавы хрома 1. Азотная кислота 2 ч., уксусная кислота 2 ч., плавиковая кислота 1 ч. 2. Насыщенный раствор хлорного железа в соля- ной кислоте 95 мл, азот- ная кислота 5 мл Травление погружением в течение 10—20 с То же
в) проверке объектов, на которые необходимо получить докумен-
тацию о качестве швов. Это важно для швов, разрушение которых
может вызвать серьезные последствия (например, опасность для челове-
ческой жизни, высокое внутреннее давление).
5. Визуальный контроль, а также методы обнаружения внутренних
дефектов (ультразвуковой, радиографический и др.) не могут приме-
няться для определения герметичности. В зависимости от требований
к герметичности конструкций выбирается подходящий метод контроля
герметичности.
Учет качества, совершенствование системы контроля и его орга-
низации позволяют повысить эффективность целенаправленного воздей-
ствия на условия и факторы, влияющие на качество сварных соедине-
ний.
Появление дефектов в сварных соединениях носит случайный
характер. При устойчивом технологическом процессе появление этих
дефектов может быть описано статистическими распределениями. Си-
стема контроля качества от контролера к технологу-сварщику должна
быть автоматической и информационной. Правильная организация
информационной связи контроль — сварка позволяет применять три
канала воздействия: технический, экономический и технологический.
С помощью статистических методов информацию о качестве обра-
батывают, анализируют и на этой основе оценивают качество техноло-
гического процесса сварки и полученных соединений.
Статистический и оперативный контроль соединений, а также
обработка и анализ полученных данных с помощью статистических
методов позволяют обосновать оптимальный уровень дефектности,
брака, объемов и чувствительности контроля, параметров технологии
сварки и таким образом обеспечить регулирование технологического
процесса [150, 358].
Глава 10
ОСОБЕННОСТИ ВЫПОЛНЕНИЯ СВАРНЫХ
СОЕДИНЕНИЙ ИЗ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
10.1. Инженерная подготовка производстве
сварочных работ и рациональные сварные
соединения
К проектированию и производству сварных конструкций
из цветных металлов и сплавов предъявляются требования, отличные
от требовании к конструкциям из черных металлов, что связано с их
специфическими физико-химическими свойствами. К этим требованиям
прежде всего относится технологичность сварных соединений, под кото-
рой в первую очередь подразумевается простота защиты зоны сварки
и обратной стороны шва от контактов с газами атмосферы, а также
свободный подход сварочного инструмента к местам сварки.
Инженерная подготовка работ по сварке цветных металлов должна
включать технологический контроль сварной конструкции на стадии
ее проектирования с целью выбора оптимальных способов и видов
сварки, а также формы сварного соединения. Необходимо иметь в виду,
что нерациональная сварная конструкция ие может быть улучшена
за счет повышения качества сварных соединений. Разработка техноло-
гического процесса сварки ведется с учетом специфических особенно-
стей изготавливаемой конструкции и требований к качеству сварных
швов. Сюда же включаются разработка и создание оборудования,
оснастки, инструмента и контрольно-измерительной аппаратуры,
универсальных или целевого назначения. Необходимо также обеспе-
чить подготовку специалистов, осуществляющих сварочные работы
и обслуживающих установленное оборудование. Учитывая современ-
ные тенденции развития сварочного производства, необходимо, чтобы
объем применения механизированных способов сварки был наи-
большим.
Разработка технологического процесса сборки — сварки изделий
из цветных металлов является наиболее важным этапом технической
подготовки производства, так как от ее уровня зависит в конечном
счете качество изделия. Технологический процесс должен учитывать
наличие на предприятии современного оборудования, оснастки, инстру-
мента, квалифицированной рабочей силы, необходимых для получения
заданного техническими условиями качества сварных швов. При от-
сутствии специализированного оборудования модернизируются су-
ществующее и создают специализированную оснастку и инструмент для
выполнения сварочных работ.
Рациональная сварная конструкция должна удовлетворять следу-
ющим основным требованиям: необходимая надежность; минимальное
количество деталей и простота их формы; минимальный объем свароч-
ных работ, особенно в напряженных узлах; рациональность и удобство
выполнения сварных соединений, а также контроля их качества;
простота изготовления, минимальные масса и стоимость; транспорта-
бельность; эстетичность и энернеэкономичность.
Создание сварных конструкций с высокими техническими и эконо-
мическими показателями всегда связано с необходимостью выбора
Рнс. 10.1. Сварные соединения новых
видов, выполняемые ЭЛС:
а — разнотолщииный стык; б — стык в уг-
лублении; в — «многоэтажный стык»: г —
стыковое соединение тонкостенных деталей;
д — нахлесточное соединение; е — тавровое
соединение; дас —сварка обечаек внедрен-
ным лучом через ребро жесткости (стрел-
кой показано направление воздействия
электронного пучка).
способа сварки, наиболее со-
ответствующего конкретным
условиям производства и экс-
плуатации изготавливаемых
изделий. Насколько правиль-
но выбран такой способ, на-
столько качественно и эффек-
тивно можно выполнить кон-
кретные сварные соединения.
Это сказывается иа техниче-
ском уровне производства свар-
ных изделий, их работоспособ-
ности и долговечности. Крите-
риями оценки выбираемых и
сравниваемых способов сварки
могут быть их технические и
экономические показатели, по-
лучаемые при сварке конкрет-
ных соединений. При этом
предпочтение должно быть от-
дано тому нз способов, приме-
нение которого обеспечивает
получение сварного соедине-
ния с заданными параметрами
качества при наименьших за-
тратах.
Выбор способа сварки во
многом зависит от толщины
металла и вида соединения.
Современные способы сварки
плавлением позволяют успеш-
но соединять металл толщиной
от долей миллиметра (лазерная
и микроплазменная) до десят-
ков сантиметров и более (ЭЛС
и ЭШС) [70, 344].
Наиболее универсальным видом сварки плавлением цветных метал-
лов является дуговая сварка в среде защитных газов плавящимся
вольфрамовым электродом. Самое широкое распространение получила
сварка вольфрамовым электродом, объем применения которой, а также
толщина свариваемого за один проход металла непрерывно растут
благодаря применению новых приемов и техники сварки (сварка по-
груженной дугой, сквозным проплавлением, по щелевому зазору, с
применением флюсов-паст и др.). Значительно расширились возмож-
ности однопроходной сварки ЭЛС и ЭШС [404, 409].
Новые способы сварки цветных металлов открывают возможности
для создания сварных конструкций ранее не применявшихся типов.
Так, специфические особенности ЭЛС (малое поперечное сечение луча,
узкие швы при малой площади расплавленного металла, перенос энер-
гии на значительные расстояния) позволяют выполнять принципиально
новые сварные соединения (рис. 10.1) [404].
Наряду с ЭЛС одним из новых способов сварки с рядом особых
технологических признаков, определяющих ее постоянное развитие
и все возрастающее технологическое использование для соединения
цветных металлов, является лазерная сварка [171].При сварке металла
Ь > 5 мм необходимо использовать газовые СО2-лазеры, имеющие
больший КПД при сварке внедренным лучом. Они обладают необхо-
димой долговечностью и обеспе-
чивают возможность сварки де-
талей с глубиной проплавления
20 мм и более. При сварке ме-
талла малых толщин предпочти-
тельно использовать твердотель-
ные АИГ-лазеры ввиду меньших
габаритов лазерных технологиче-
ских установок и меньших потерь
мощности излучения за счет отра-
жения. Для соединения цветных
металлов применяют импульсную
и непрерывную лазерную сварку.
Для получения высококачествен-
ных соединений при импульсной
лазерной сварке необходимо, что-
бы допустимое вертикальное сме-
щение кромок при стыковой ла-
Рис. 10.2. Рекомендуемые диапа-
зоны токов микроплазменной (1),
плазменной (2) и аргонодуговой
сварки неплавящимся электродом
(3) с областью неустойчивого стол-
ба дуги (4).
зерной сварке и зазоры между листами при сварке внахлестку не
превышали 0.25&, а зазор в стыке — 0,156. Угловой тип соединения
при лазерной сварке наиболее неблагоприятен, поэтому применяется
технологическая отбортовка, обеспечивающая получение качествен-
ных швов. Для проведения импульсной сварки используют АИГ-
лазеры мощностью до 1 кВт (Ь с 2 мм). Для непрерывной лазерной
сварки используются СО2-лазеры мощностью более 1 кВт. Сварные
швы с кинжальной формой проплавления начинают формироваться
при мощности свыше 1,5 кВт. При мощности 3 кВт на сплаве титана
толщиной 5 мм получены швы с коэффициентом формы 8—1,6 в зави-
симости от скорости сварки.
Для сварки цветных металлов малых толщин широкое применение
нашла мнкроплазменная сварка. Увеличивается номенклатура выпус-
каемых источников питания для микроплазменной сварки. Выпускае-
мая в настоящее время аппаратура рассчитана на токи до 30—40 и даже
50 А, что позволяет сваривать металл толщиной до 1—4 мм [198].
При сравнении диапазонов токов микроплазменной, плазменной
и аргонодуговой сварки неплавящимся электродом предложена [442]
такая градация сварочного тока: от долей ампера до 25 А — микро-
плазменная, 25—100 А — плазменная, 10 А и выше — аргонодуговая
(рис. 10.2).
В сравнении с обычной аргонодуговой мнкроплазменная сварка
имеет следующие преимущества: стабильность на малых токах при от-
носительно большой длине дуги, колебания которой в диапазоне 1—4 мм
практически не влияют иа величину проплавления; малая ширина шва
и ЗТВ, что способствует минимальным неоднородности сварного соеди-
нения и сварочным деформациям; повышенная пространственная устой-
чивость дуги даже при наличии магнитных полей; исключение попада-
ния вольфрама в шов; плавное регулирование тепловложения с изме-
нением тока. Мнкроплазменная сварка цветных металлов дугой пря-
мого и косвенного действия на переменном (алюминий, магний и их
сплавы) и постоянном токе обратней полярности (все остальные цвет-
ные металлы). На рис. 10.3 приведены схемы сборки сварных соеди-
нений, выполняемых микроплазменной сваркой, и размеры, которые
необходимо соблюдать при использовании этого способа сварки.
Большой объем в получении неразъемных соединений цветных
металлов занимает контактная сварка, которая характеризуется высо-
киМй производительностью, степенью механизации и автоматизации,
малыми сварочными деформациями конструкций и не требует вспомо-
Рис. 10 3. Сварные соединения и сборочная оснастка микроплазменной
сварки:
в —плоские соединения; б — цилиндрические соединения; в — сборочная оснастка
(1 — прижим; 3 — подкладка).
гательных материалов (защитных газов, флюсов, присадочной прово-
локи). При контактной сварке в подавляющем большинстве случаев
отсутствуют вредные выбросы и в связи с этим не требуются специаль-
ные вентиляционные устройства [63, 159, 3901. На рис. 10.4 приведены
примеры выполнения соединений деталей при точечной и шовной
сварке.
При изготовлении конструкций из цветных металлов и сплавов
очень важна подготовка соединений к сварке. Как правило, при сварке
цветных металлов по сравнению со сваркой сталей требуется белее
тщательная подготовка и сборка деталей под сварку. Существенное
значение имеет правильный выбор режимов сварки.
При сварке плавлением цветных металлов преимущественно ис-
пользуются стыковые соединения. Хотя соединения внахлестку и в
тавр более просты для сборки, при их выполнении затруднена защита,
а
л
=т= $
в
Рис. 10.4. Соединения деталей при точечной и шовной сварке:
а — с удобным подходом электродов; б —с затрудненным подходом; в —со слож*
ным подходом.
Рис. 10.5. Технологичные (1) и иетехиологичные (2) соединения при
дуговой сварке:
а<—для алюминия; б —для титана.
особенно обратной стороны
шва, такие соединения так-
же менее прочны, чем сты-
ковые, особенно при вибра-
ционных нагрузках. Из-за
наличия на поверхности
легких сплавов оксидных
Рис. 10.6. Схема рационального выполне- пленок угловые и нахлес-
ния сварного соединения металлов раз- точные соединения их не
ных толщин. применяются, так как в них
между свариваемыми кром-
ками всегда остается оксид-
ная пленка (рис. 10.5). В случае стыковых соединений с остающейся
подкладной илн «в замок» следует предусмотреть в подкладке специ-
альную канавку. В связи с тем что при сварке высоколегированных
сплавов на основе цветных металлов прочность сварных соединений
часто ниже, чем прочность основного металла, для получения свар-
ных соединений равнопрочных с основным металлом сварку ведут
по утолщенным кромкам.
Для уменьшения вероятности образования холодных трещин при
сварке цветных металлов необходимо полностью исключить геометри-
ческие концентраторы напряжений и по возможности удалять макси-
мально сварные швы от концентраторов. С этой же целью необходимо
сводить к минимуму рихтовочные и правочные операции после сварки.
В связи с высокой чувствительностью многих цветных металлов и их
сплавов к концентрации напряжений при соединении разнотолщиниых
элементов необходимо со стороны более толстой кромки предусмотреть
участок одинаковой толщины со вторым свариваемым элементом
(рис. 10.6).
Повреждения сварных соединений вызываются комплексным дей-
ствием трех факторов — конструктивных, технологических и эксплуата-
ционных, в том числе наличием концентраторов напряжений, неудов-
летворительными свойствами зон сварного соединения и высоким уров-
нем напряжений (остаточных сварочных, обусловленных давлением
рабочей среды, массовыми нагрузками, температурным и коррозионным
воздействием и др.). Для повышения надежности сварных конструкций
назначается термическая обработка, которая служит для снятия на-
клепа и эффекта деформационного старения в зонах концентрации
напряжений, устранения хрупких закалочных структур в шве и око-
лошовной зоне, повышения их пластичности за счет завершения про-
цессов дисперсионного твердения, релаксации остаточных сварочных
напряжений. При назначении термической обработки принимают во
внимание особенности сварных конструкций, условия их работы и опыт
эксплуатации аналогичных соединений.
Термическая обработка сварных соединений проводится с мест-
ным или полным нагревом изделия. Местная термическая обработка
является основным видом в условиях монтажа и ремонта изделий из
цветных металлов. Она требует проработки технических мер из-за осо-
бых трудностей в специфике ее выполнения.
Термическая обработка сварных соединений цветных металлов мо-
жет выполняться на воздухе, в инертной атмосфере и в вакууме [345].
Ее проведение во всех случаях требует хорошей организации работ,
применения современного и надежного термического оборудования
и приборов, использования квалифицированных специалистов.
10.2. Механическое, вспомогательное
оборудование и приспособления Для сварки
цветных металлов
В состав оборудования для сварки кроме электросвароч-
ного (сварочная аппаратура, источники питания дуги, аппаратура
контроля и регулирования сварочного процесса) входят также техни-
ческие средства размещения и перемещения сварочных автоматов, голо-
вок, инструментов; технические средства размещения, закрепления
и перемещения изделия; флюсовое и вспомогательное оборудование;
технические средства управления манипуляционной системой.
Механическое сварочное оборудование относится к средствам ме-
ханизации н автоматизации процессов сварки. Оно предназначено для
выполнения одной илн нескольких функций: фиксирование сваривае-
мого изделия в удобном положении и его поворот прн наложении свар-
ных швов в различных плоскостях, а также его вращение со скоростью
сварки (при наложении круговых швов); установку, направление
и перемещение самоходных сварочных автоматов; перемещение автома-
тов со скоростью сварки и для перемещения сварщиков. Вспомогатель-
ное оборудование предназначено для зачистки кромок, швов, правки
и отделки сварных конструкций; уплотнения стыков, устройства
подкладок с обратной стороны швов, подачи защитного газа и флюса,
а также его сбора; контроля н испытания сварных изделий, а подъемно-
транспортное оборудование — для обслуживания отдельных опера-
ций. Созданию такого оборудования уделяется большое внимание,
организовано централизованное производство типового механического
сварочного оборудования [255].
Технические средства размещения, закрепления и перемещения
изделий — это манипуляторы, вращатели, кантователи, поворотные
столы и роликовые стенды, а также сварочные и сборочно-сварочные
приспособления [308].
Манипуляторы предназначены для установки деталей в удобное
для сварки положение и вращения их при ручной, механизированной
и автоматической сварке. Они изготавливаются двух типов: манипуля-
торы со сварочной скоростью, обеспечивающие вращение свариваемого
изделия вокруг оси, и позиционеры — манипуляторы с маршевой ско-
ростью, обеспечивающие поворот свариваемого изделия в положение.
удобное для сварки. Конструктивно :
карусельные (рис. 10.7), получившие
наибольшее распространение, и кон-
сольные.
Основными параметрами, опре-
деляющими технологические возмож-
ности манипуляторов, являются
крутящий момент, развиваемый ма-
нипулятором на оси вращения в по-
ложении, когда ось вращения рас-
положена горизонтально, грузоподъ-
емность, высота подъема и скорость
вращения планшайбы, угол наклона
и высота оси вращения над уровнем
пола при горизонтальном ее распо-
ложении. Манипуляторы выпускают-
ся грузоподъемностью 63 — 50000 кг
(табл. 10.1).
Центровые вращателя могут
быть вертикальными, наклонными н
ы подразделяются на
Рис. 10.7.' Общий вид сварочно-
го манипулятора карусельного
типа:
1 — планшайба: 2 — поворотный
стол; 3 — станина.
Таблица 10.1. Типовое механическое оборудование для производства
сварных конструкций [255]
Наименование оборудования Тил Разделение и характеристика моделей
Сварочные манипу- ляторы М11020, М11030, М11050, М11051, М12050, М11060, М11070, М11080-1 По грузоподъемности (63—4000 кг) и диаметру свариваемых швов
Т25М, МАС-1, МАС-2, МАС-3, МАС-4, У-117, У-191 По грузоподъемности (1000—50000 кг) и диа- метру свариваемых швов
Сварочные горизон- тальные вращатели М31030, М31050, М31060, М31070, М31051, М31071 По наибольшему крутя- щему моменту, грузоподъ- емности, наибольшей дли- не свариваемых изделий н диаметру свариваемых изделий
ВГМ-0,25; ВГМ-0,5; ВГМ-1; ВГМ-2 По грузоподъемности (250—2000 кг), высоте центров, наибольшему крутящему моменту
Сварочные вертикаль- ные вращатели М21030, М21050, М21060, М21070 По Наибольшему крутя- щему моменту, грузо- подъемности (250— 4000 кг), диаметру сва- риваемых швов
Сварочные роликовые вращатели Т-ЗОМ, 70СД, 70СД-1, 70СДА, 60СД-1 По грузоподъемности (1200—19400 кг), диаме- тру роликов (400— 410 мм), диаметру сва- риваемых изделий (300— 4800 мм)
Центральные канто- вателя: кантователи с подъ- емными центрами КДП-4, КДП-8, КП-4 По наибольшему крутя- щему моменту, грузоподъ- емности (4000 и 8000 кг), высоте центров
кантователи со стационарными центрами КД С-0,5, КДС-1, КДС-2; К-2, К-4, К-8 По грузоподъемности (500—8000 кг), наиболь- шему крутящему моменту
Цепные кантователи Р-404, Р-487 По грузоподъемности (2000 кг), углу поворота (360°)
Продолжение табл. 10.1
Наименование оборудования Тип Разделение и характеристика моделей
Нсповоротные столы сварщиков С10020. С10021 По размеру рабочей части стола (800 x 800 мм), до- пустимой массе сваривае- мых изделий (63 кг)
С10040, С10041 По высоте рабочей части стола над уровнем пола (750 мм), размеру рабо- чей части стола (1250Х 800 мм), допустимой мас- се свариваемых изделий (100 кг)
Стационарные колон- ны для сварочных автоматов ПК-1, ПК-2, ПК-3. ПК-4, Т11050Б По высоте от пола до мунд- штука, расстоянию от оси электрода до оси колон- ны, углу поворота, диа- метру свариваемых швов, наибольшей длине пря- молинейных швов
Передвижные колонны и порталы для сва- рочных автоматов: велосипедные колонны глагольные колонны порталы ВТ-1, ВТ-2, ВТ-2Б, ВТ-3, ВТ-4 ГТ-1, ГТ-2, Т31050Б По наибольшей высоте от пола до мундштука сва- рочного автомата, ходу сварочного автомата по горизонтали или вылету штанги
ПТ-1, ПТ-2 По наибольшей высоте от пола до мундштука сва- рочного автомата (4000 и 6000 мм)
горизонтальными. Вертикальные вращатели представляют собой ма-
нипулятор без механизма наклона и подъема стола и предназначены
для установки и поворота свариваемого изделия вокруг вертикальной
осн, а также для вращения вокруг нее со сварочной скоростью. Основ-
ными параметрами вертикальных вращателей являются крутящий мо-
мент на оси вращения планшайбы, грузоподъемность, скорость враще-
ния и высота планшайбы иад уровнем пола.
Наклонные вращатели не получили широкого распространения н
используются для сварки изделий массой не более 500 кг. Они анало-
гичны вертикальным вращателям я отличаются лишь тем, что ось
вращения направлена под углом к вертикали.
Горизонтальные вращатели предназначены для установки и пово-
рота свариваемого изделия вокруг горизонтальной оси, а также для
Рис. 10.8. Сварочный роликовый вращатель типа Т-ЗОМ грузоподъем-
ностью 12 000 кг:
/ — привод; 3 — приводная редукторная ролнкоопора; 3 — вал; 4 — муфта; 5 —
приводная безредукторнан роликоопора; 6 — роликовая перекидная опора; 7 —
рама.
вращения вокруг нее со сварочной скоростью. Горизонтальный вра-
щатель состоит из приводной' и поддерживающей частей. Приводная
часть представляет собой манипулятор с горизонтальной осью враще-
ния, без механизма наклона, а поддерживающая — подвижная тележ-
ка (см. табл. 10.1).
Роликовые вращатели (рис. 10.8) предназначены для манипули-
рования, как правило, цилиндрическими свариваемыми изделиями. Та-
кие вращатели собираются из роликовых опор (бывают со стационарны-
ми,’перекидными и сдвоенными балансирными) и приводов.
Основные параметры роликовых опор —допустимая радиальная
нагрузка иа ролик и его диаметр, а также диапазон диаметров сваривае-
мых изделий (125—6300 мм). Основными параметрами приводов, ос-
нащенных двигателями постоянного тока, являются крутящий момент,
скорость или диапазон скоростей вращения выходного вала.
Для установки свариваемого изделия и поворота его вокруг гори-
зонтальной оси, а также для перемещения изделия по вертикали пред-
назначены кантователи. Онн не имеют сварочной скорости и бывают
центровые, цепные, книжные и кольцевые. Основными параметрами
центровых кантователей являются крутящий момент, грузоподъемность,
высота центров, вертикальный ход, скорость вращения шпинделя (см.
табл. 10.1).
При ручной или полуавтоматической сварке для установки неболь-
ших свариваемых изделий применяются столы сварщиков (рис. 10.9).
Они бывают неповоротными, поворотными и подъемно-поворотными.
Столы оборудуются устройствами для отсоса образующихся при сварке
вредных газов и аэрозолей (см. табл. 10.1).
Технические средства размещения и перемещения сварочных авто-
матов, головок, инструментов — это колонны, порталы, тележки,
различные специальные металлоконструкция. Выбор этих средств
определяется прежде всего типом применяемого сварочного автомата.
Для установки и перемещения сварочных автоматов и полуавтома-
тов применяют сварочные колонны и порталы. Они оснащаются двига-
телями постоянного тока, обеспечивающими бесступенчатое регулиро-
вание скорости сварки или двигателями переменного тока с регули»
468
Рис. 10.9. Непо-
воротный стол
сварщика:
1 — станина; 2 —
рабочая плита;
3 —пластина для
возбуждения дуги;
4 — верхний отсос.
рованием скорости сварки сменными зубчатыми
передачами (см. табл. 10.1).
Для размещения сварщиков н сварочной аппа-
ратуры, а также для их перемещения в зону сварки
служат специальные площадки, которые изготавли-
ваются в расчете на одного или нескольких свар-
щиков. Площадки могут иметь различную конструк-
цию. Наиболее часто используются площадки,
перемещающиеся по рельсам или по полу цеха.
Вспомогательное оборудование — устройства
для уплотнения стыков и зачистки мест сварки,
для загрузки и выгрузки изделий, а также техни-
ческие средства охраны труда и техники безопас-
ности.
Для зачистки кромок, швов и отделки сварных
конструкций используются ручной механизирован-
ный инструмент и зачистные устройства. Ручные
шлифовальные машины подразделяются на пневма-
тические и электрические. К первым относятся
угловая машина ИП-2102 и торцевая ИП-2203 с диаметром шлифо-
вального круга 175 и 125 мм и массой без круга 4,6 и 4,3 кг соответ-
ственно; ко вторым —электрическая прямая шлифовальная машина
ИЭ-2004 со встроенным электродвигателем (масса без кабеля и круга
5,5 кг) и машина ИЭ-8201А с выносным электродвигателем и гибким
валом (масса с броней 12,5 кг) с диаметром круга 150 и 200 мм соот-
ветственно.
Для повышения уровня механизации и автоматизации установок
с целью повышения производительности и облегчения условий труда
используются устройства для загрузки и выгрузки изделий. Они
обычно применяются при массовом производстве [3871.
Широкое применение в единичном и мелкосерийном производстве,
в которых широко применяется ручная и механизированная сварка,
нашли комплексно-механизированные рабочие места и участки. Они
позволяют повысить качество свариваемых соединений, производитель-
ность труда, а также улучшить условия труда. На них частично меха-
низированы такие операции, как сборка, транспортировка, манипули-
рование сварочным инструментом и изделием, загрузка и выгрузка,
а также улучшены условия выполнения сварочных операций. Все это
обеспечивает выполнение трудового процесса с минимальной затратой
энергии работающих н позволяет экономить производственные площади
благодаря рациональному расположению сварочного и вспомогатель-
ного оборудования.
10.3. Охрана труда и техника безопасности
при сварке цветных металлов
Особенности самих цветных металлов, а также их сварки
предъявляют повышенные требования к выполнению правил техники
безопасности и производственной санитарии при изготовлении из них
сварных конструкций. Невыполнение этих правил может привести к
несчастным случаям: отравлению выделяющимися токсичными пылью,
парами и газами, а также защитными газами; поражению электриче-
ским током, ультрафиолетовым и инфракрасным излучением дуги;
ожогам расплавленным металлом и шлаком, а также от воспламенения
растворителей; поражению от взрывов баллонов, рампы, редукторов,
ацетиленовых генераторов. Среди вредных веществ, выделяющихся
при сварке, следует отметить оксиды металлов, хлористый и фторис-
тый водород н др. Наиболее опасны отравления оксидами цинка, свин-
ца, кадмия.
Отравление выделяющимися токсичными пылью и газами возни-
кает только тогда, когда их количество в зоне дыхания сварщика пре-
высит предельно допустимую концентрацию (ПДК), приведенную в
табл. 10.2. При одновременном содержании в воздухе рабочей зоны
нескольких вредных веществ однонаправленного действия (веществ,
близких по химическому составу или характеру биологического влияния)
сумма отношений содержаний каждого из них и их ПДК не должна
превышать единицы.
Таблица 10.2. Предельно допустимые концентрации вредных веществ
в воздухе (ГОСТ12.1.005—76)
Вещество ПДК, мг/м3 К.;асс опасности Агрегатное состояние
Алюминий и его сплавы, оксид алю- 2 4 А
миния
Бериллий и его соединения 0,001 1 А
Ванадий и его соединения 0,5 2 А
Вольфрам, карбид вольфрама 6 4 А
Оксид кадмия 0,1 1 А
Оксид кобальта 0,5 2 А
Марганец (в пересчете на МпО2) 0,3 2 А
Медь металлическая 1 2 А
Молибден, его растворимые соеднне- 2 3 А
НИЯ
Никель и его оксид 0,5 2 А
Озон 0,1 1 П
Оксиды азота (в пересчете на ИО2) 5 2 П
Оксид углерода 20 4 п
Свинец и его неорганические соедине- 0,01 1 А
НИЯ 4
Тантал и его оксиды 10 4 А
Титан и его диоксид 10 4 А
Фтористый водород 0,5 2 П
Оксид хрома 1 2 А
Окснд цинка 6 3 А
Цирконий и его диоксид 6 3 А
Примечания: 1. По степени воздействия на организм человека вредные веще-
ства делят на четыре класса: 1-й чрезвычайно опасные, 2-й — высокоопасные, 3-й —•
умеренно опасные, 4-й — ма.тоопасиые. 2. Указаны преимущественные агрегатные
состояния веществ в производственных условиях: А—аэрозоли, П — пары нли газы.
Отравление применяемыми для сварки защитными газами возни-
кает вследствие вытеснения ими кислорода, содержание которого
в воздухе рабочего помещения сварщика станет менее 19 % (по объему).
Такое отравление может произойти при работе в замкнутых, плохо
вентилируемых помещениях. При этом следует учитывать, что защит-
ные газы могут проникать в помещение, где производится сварка, не
только из горелки, нои из коммуникаций для газов, защитных приспо-
соблений. Из применяемых для сварки цветных металлов газов — ге-
лий, как наиболее легкий, скапливается в верхней части замкнутых
помещений, аргои и диоксид углерода, как наиболее тяжелые — в ниж-
ней, азот равномерно распределяется по высоте помещений. Это следует
уитывать при установке отсосов для местной и общеобменной венти-
ляции.
Сварка с предварительным и сопутствующим подогревом создает
наиболее неблагоприятные условия работы сварщика. Прн этом в ре-
зультате повышения температуры воздуха и теплового облучения у
сварщика к концу рабочей смены может повыситься температура и уве-
личиться частота пульса, что свидетельствует о нарушении терморегу-
ляции. В таком случае целесообразна замена ручной сварки автома-
тической, а газового нагрева — индукционным. Необходимо также
предусмотреть усиленную местную вентиляцию и использовать маски
с подачей воздуха.
Прн сварке в среде инертных газов пыли и вредных веществ выделя-
ется меньше, чем при других способах сварки плавлением. Из всех спо-
собов электродуговой сварки плавлением в среде защитных газов
наиболее благоприятной с гигиенической точки зрения является арго-
нодуговая неплавящимся вольфрамовым электродом. При плазменной
обработке происходит интенсивное образование оксидов азота и озона,
концентрация которых при работе без вентиляции довольно значитель-
ная. Так, при механизированной сварке алюминия и среде аргона ко-
личество выделяющейся пыли достигает 11 — 13 г/кг расплавленного
электрода, а прн ручной дуговой сварке покрытыми электродами —
38—60 г/кг (в зависимости от состава сплава). Поэтому иа участке свар-
ки в среде инертных газов необходима вытяжная вентиляция. При
сварке цветных металлов в среде защитных газов к местной вентиляции
предъявляется технологическое требование в отношении ограничения
подвижности воздуха в зоне дуги. Поэтому при расчете вентиляцион-
ных устройств необходимо исходить из того, что скорость воздуха в мес-
те сварки должна быть не более 0,3 м/с. Увеличение расхода отсасывае-
мого вгздуха приводит к ухудшению защиты и качества сварного шва.
Воздухообмен на один пост должен составлять 500—1000 м’/ч. Нашли
применение местные установки для отсоса воздуха, закрепляемые на
передвижных штативах.
В тех случаях, когда трудно обеспечить необходимую вентиляцию,
а содержание вредных газов и пыли превышает допустимые нормы,
необходимо применять средства индивидуальной защиты органов ды-
хания (СИЗОД). Когда концентрация газов в зоне дыхания невелика,
используются фильтрующие противопылевые распираторы ШБ1 (Ле-
песток-200, Лепесток-40, Лепесток-5). Для защиты от аэрозолей исполь-
зуются СИЗОД ФА-1, ФА-2 я ФА-3; для защиты от вредных газов и
паров — ФГ-1, ФГ-2, ФГ-3 и ФУ, ФУ-1. Фильтрующие противогазные
респираторы РПГ-31А используются для защиты от паров органиче-
ских веществ и растворителей. Когда сварщик работает в условиях
высоких концентраций аэрозолей и газов, следует пользоваться шлан-
говыми противогазами ПШ-1, ПШ-2-57, ДПА-5, АСМ и РМП-62 с прину-
дительной подачей воздуха.
Горючие газы, кислород и инертные газы доставляются к месту
сварки в металлических баллонах, взрыв которых может быть связан
только с нарушением правил безопасности при их хранении и транс-
портировке. Все баллоны, предназначенные для газопламенных работ
и транспортировки инертных газов, должны иметь отличительную
окраску и надписи. Остаточное давление газа в баллонах должно быть
не менее 0,049 МПа (0,5 кгс/см2).
Для защиты глаз и лица от действия ультрафиолетовых и инфра-
красных лучей сварщик должен пользоваться щитками (ручными или
Наголовными) с темными светофильтрами, изготовленными из стекла
марки ТС-ЗС, толщиной 1,5—4 мм. Применять светофильтры при ду-
говых методах сварки следует в зависимости от силы тока и метода
сварки. Назначение светофильтров различных марок из темного стекла
для электрогазосварочных н вспомогательных работ следующее:
В-1 — при работах на открытых площадках при ярком солнечном осве-
щении и для вспомогательных работ при электросварке в цехах; В-2 —
для вспомогательных работ при электросварке в цехах; В-3 и Г-1 —
для газосварщиков и вспомогательных рабочих при электросварке на
открытых площадках; Г2 —для газосварщиков (при газовой сварке
и резке средней мощности); Г-3—для газосварщиков (при мощней
газовой сварке и резке); Э-1 — для электросварщиков при токе 30 —
75 А, Э-2 — при токе 75—200 А, Э-3 — при токе 200—400 А, Э-4 —
при токе 400 А, Э-5 — при токе 500 А. Выбор светофильтров из темного
стекла для электрической и плазменной сварки зависит от силы тока
и метода сварки, для газовой сварки и кислородной резки —от расхода
ацетилена и кислорода и определяется ГОСТ 12.4.080—79.
Для обеспечения оптимальных условий зрительной работы свар-
щика с учетом индивидуальных особенностей его зрения рекомендуется
опробовать светофильтр на один номер больше и меньше рекомендуе-
мого ГОСТ 12.4.080—79. Если при этом оптимальные условия зри-
тельной работы сварщика не будут достигнуты, необходимо проверить
условия освещения и зрение сварщика.
При сварке под флюсом выделение пыли и газов меньше, чем при
сварке открытой дугой. Однако флюсовая пыль, в состав которой вхо-
дят галогениды щелочных н щелочноземельных металлов, может вы-
звать заболевания дыхательных путей сварщика. При такой сварке кро-
ме общеобменной вентиляции в цехе рекомендуется оборудовать ра-
бочее место сварщика местной вытяжной вентиляцией. При ЭШС
меры техники безопасности общие, связанные с использованием элек-
троэнергии и выделением вредных газов. Для защиты от яркого света
шлаковой ванны и выплесков шлака достаточно пользоваться очками
со специальными стеклами.
При эксплуатации установок для ЭЛС опасность могут представ-
лять высокое и сетевое напряжения; рентгеновское излучение; световое
излучение из сварочной ванны; шум и вибрации от работы механиче-
ских насосов; отравление химическими реактивами и растворителями,
применяемыми при промывке вакуумной камеры и насосов, а также
возможность взрывов паров масла или других компонентов паромас-
ляных насосов. Профилактические мероприятия при работе на уста-
новках ЭЛС должны быть направлены на предупреждение возможности
воздействия перечисленных вредных факторов на обслуживающий
персонал. Защита от рентгеновского излучения должна конструктивно
входить в состав установки. Корпуса камеры и пушки выполниются
из стали, толщина которой рассчитываетси в соответствии с ускоряю-
щим иаприжением пушки и максимальной силой тока.
При контактной сварке опасность для обслуживающего персонала
представляют загрязнения воздуха, возможности ожогов, поражения
электрическим током и травм подвижными частями машины. На стыко-
вых машинах должны быть установлены щитки для защиты сварщика
от вылетающих при оплавлении брызг расплавленного металла. Для
защиты сварщика от ожогов около машин устанавливают переносные
щиты. При стыковой сварке выделяется большое количество металли-
ческой пыли, загрязняющей воздух. Поэтому наряду с общей приточ-
но-вытяжной вентиляцией необходимо предусмотреть местную вытяж-
ную вентиляцию. Для защиты от выплесков применяются защитные
очки с бесцветными стеклами.
Способы сварки в твердой фазе в отличие от других видов сварки
не сопровождаются выделением токсичных газов и пыли, ультрафяоле-
товым излучением, разбрызгиванием раскаленного металла, и поэтому
они гигиеничны, безвредны как для сварщика, так и для окружаю-
щих.
Важными факторами обеспечения здоровых условий труда явля-
ются автоматизация технологических процессов, перевод их на дистан-
ционное управление, а также правильный выбор систем отопления
и вентиляции (особенно устройств для местных отсосов).
Технологические карты, составляемые на сварочные работы, не-
зависимо от метода сварки должны содержать и указания мер по охра-
не труда с учетом постановлений и нормативов данной отрасли про-
мышленности непосредственно для конкретного технологического про-
цесса сварки. При организации рабочего места для сварки цветных
металлов и сплавов и проведении работ по охране труда и противопо-
жарной безопасности помимо указанных выше выполняются те же тре-
бования и применяются те же нормы, что и при сварке стали.
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1. Технологические свойства некоторых цветных металлов
[60, 134, 347]
Ме- талл ДШ, кДж/мэль Л Лд298К‘ Дж/К X X моль Коэффициенты в уравнении для ср, ДЖ/К’МОЛЬ Интервал температу- ры, К
плав- ления пре- вра- ще- ИИЯ возгон- ки а Ь С
А1 10,7 329,7 28,35 27,527 —8,046 1,966 298—933
8,5 — 147,1 32,68 22,03 10,226 0,202 298—923
Ве 12,6 2,1 324 9,5 18,736 9,293 4,501 298—1550
Си 13,041 — 304,3 33,314 22,614 16,971 6,27 29,427 — 298—1356 298—633
№ 17,59 0,58 411,73 29,84 25,08 7,524 633-1725
2п 7,377 — 123,31 41,591 12,84 10,032 298—693
РЬ 4,812 — 195,2 64,8 24,489 8,954 0,452 298—600
Ае (1,934 — 253,809 42,636 21,276 8,527 1,504 298—1233
Аи 12,393 — 324,111 47,317 23,659 5,183 298—1336
Рд 7,628 —- 392,92 37,787 24,244 5,768 298—1825
Р1 21,736 — 509,96 41,8 23,993 5,601 0,42 298—1800
Т1 14,6 3,8 471 30,72 160,773 16,908 —693,569 5,884 22,566 298—1156 1156—1944
2г 13,7 3,87 598 38,98 23,584 9,929 10,008 11,527 1,038 —69,922 298—1140 1140—2133
НГ 26,0 5,9 622 43,56 22,701 91,061 8,301 —58,936 —0,457 298—2016 2016—2506
МЬ 31,0 — 720 36,27 26,472 —0,408 1,869 298—2750
V 23,0 — 514 28,67 25,806 0,909 1,676 298—2220
Та 36,0 — 782 41,52 21,531 14,123 0,299 298—3295
Мо 40,0 — 656 28,57 27,462 —2,406 2,77 298—2896
XV 46,0 — 850 32,64 26,101 —2,266 1,367 298—3695
Сг 21,3 395 23,56 31,916 — 19,912 4,174 400—2180
П риложение 2. Примерные нормы расхода карбида кальция при газовой
сварке, г/м шва [7]
Ъ, мм Алюминий Медь
1-2,5 25—100 70—220
2,5—5 100—450 220—900
5-7 450—800 900—1650
7—10 800—1750 1650—3700
10—20 — 3700—14560
Приложение 3. Примерные нормы расхода вольфрама при аргонодуговой
сварке неплавящимся электродом, г/100 м шва
Ь, мм мм Свариваемый металл Сварка
ручная автоматическая
1,5—2 2 Алюминий 23 11
Титан 20 10
3—4 3 Алюминий 83 39
Титан 80 40
5-6 4 Алюминий 132 125
Титан 130 125
Приложение 4. Перечень основных стандартов, применяемых
в производстве сварных изделий нз цветных металлов
Номер ГОСТа, стандарта Название
2601—84 Сварка металлов. Термины и определения основ- ных понятий
19521—74 11969—79 Сварка металлов. Классификация Сварка плавлением. Основные положения и их обозначения (стандарт СЭВ 2856—81)
5264—80 Ручная дуговая сварка. Соединения сварные. Ос-
11534—75 новные типы, конструктивные элементы и размеры. Ручная дуговая сварка. Соединения сварные под острым и тупым углами. Основные типы, конструк- тивные элементы и размеры
8713—79 Сварка под флюсом. Соединения сварные. Основ-
11533—75 ные типы, конструктивные элементы и размеры Автоматическая и полуавтоматическая дуговая сварка под флюсом. Соединения сварные под ост- рым и тупым углами. Основные типы, конструк- тивные элементы и размеры
Номер ГОСТа, стандарта Название
14771-76 Дуговая сварка в защитном газе. Соединения свар- ные. Основные типы, конструктивные элементы и
14776—79 размеры Дуговая сварка. Соединения сварные точечные. Основные типы, конструктивные элементы и раз-
14806—80 меры Дуговая сварка алюминия и алюминиевых сплавов в инертных газах. Основные тины, конструктивные
15164—78 элементы и размеры Электрошлакэвая сварка. Соединения сварные. Ос-
15878-79 новные типы, конструктивные элементы и размеры Конгакшая сварка. Соединения сварные, конст-
16038—80 руктивиые элементы и размеры Сварка дуговая. Соединение сварных трубопро- водов из меди и медно-никелевых сплавов. Основ-
ОСТ 26-04-2389-79 ные типы, конструктивные элементы и размеры Сварка плавлением цветных металлов. Соединения
МР 190—85 сварные. Типы, конструктивные элементы и размеры Сварка контактная, точечная и шовная сталей,
ОСТ 26—3—87 алюминиевых и титановых сплавов Сварка в химическом машиностроении. Основные
ОСТ 16.0686.869-80 положения Сварные соединения из меди и ее сплавов. Основ-
ОСТ1—41178—78 ные типы, конструктивные элементы и размеры Сварка дуговая титановых сплавов в среде защит- ных газов. Подготовка поверхности основных я
ОСТ 6—16.396—77 присадочных материалов швы сварных соединений. Ручная аргоно-дуговая
ОСТ 6—205Б0.010. 000-76 сварка титановых сплавов Швы сварных соединений. Аргоно-дуговая сварка титановых сплавов. Основные типы и конструктив-
ОСТ 26-11-06-85 ные элементы Сосуды и аппараты сварные из титана и титановых сплавов
7871-75 Проволока сварочная из алюминия и алюминиевых
16130—85 сплавов Проволока и прутки из меди и сплавов на медной
27265—87 9087-81 10157—79 9293—74 ТУ 51—940—80 5583—78 8050—85 2603—79 11680—76 18300—72 23949—80 12.4.035—78 основе. Сварочные Проволока сварочная из титановых сплавов Флюсы сварочные плавленые Аргон газообразный и жидкий Азот газообразный и жидкий Гелий газообразный Кислород газообразный технический и медицинский Двуокись углерода газообразная и жидкая Ацетон Ткани хлопчатобумажные бязевой группы Спирт этиловый ректифицированный технический Электроды вольфрамовые сварочные иеплавящиеся ССБТ. Средства индивидуальной защиты. Щитка защитные для электросварщиков
Номер ГОСТа, стандарта Название
12.4.080—79 ССБТ. Светофильтры стеклянные для защиты глаз
12.3.003—75 от вредного излучения на Производстве ССБТ. Работы электросварочные. Общие требова- ния безопасности
12.1.005—76 ССБТ. Воздух рабочей зоны. Общие санитарно-ги- гиенические требования
9.905—82 ЕСЗКС. Методы коррозионных испытаний. Общие требования (Стандарт СЭВ 3283—81)
26294—84 Соединения сварные. Методы испытания иа корро-
18353—79 знойное растрескивание Контроль иеразрушающий. Классификация видов и методов
7512—82 Контроль неразрушающий. Сварные соединения.
18442—80 21104—75 Радиографический метод Контроль неразрушающий. Капиллярные методы Контроль иеразрушающий. Магиитопорошковый метод
23483—79 23479—79 Контроль иеразрушающий. Методы теплового вида Контроль иеразрушающий. Методы оптического вида
24054—80 Изделия машиностроения и приборостроения. Ме- тоды испытаний на герметичность
24865.001—82 Голография и голографические методы контроля качества
25997—83 Сварка металлов плавлением. Статистическая оценка качества по результатам иеразрушающего
26182—84 Контроль неразрушающий. Люминесцентные мето- ды течеискания
6996—66 Сварные соединения. Методы определения меха- нических свойств
Приложение 5. Некоторые виды оборудования для сварки цветных
металлов [174]
Тип оборудования Назначение Предприятие- изготовитель
АД-200 с выпрямите- лем В ДУ-601 АД-281 с выпрямите- лем ВДУ-601 Автоматы подвесные Сварка в среде защитных газов с системой поиска и слежения за разделкой свариваемых швов То же Каховский завод электросварочного оборудования То же
Тип оборудования Назначение Предприятие- изготовитель
АРК-З-11 рв с выпря- мителем ВСВУ-315 Сварка плавящимся я не- плавящимся электродами в защитных газах тита- новых и алюминиевых сплавов. Диаметр непла- вящегося электрода 1— 5 мм Ржевское ПКО Электромеханика
Автоматы тракторного типа
АДСВ-6 с выпрямите- лем ВСВУ-315 Автоматическая аргоно- дуговая сварка неплавя- щимся электродом диа- метром 1—5 мм Ржевское ПКО Электромеханика
Автоматы для электрошлаковой сварки
А535 с трансформа- тором ТШС-1000-3 А-820к с выпрямите- лем ВДУ-1201 А-1304 с трансформа- тором ТРМК-3000-1 Однопроходная ЭШС ме- талла 6^450 мм. Сварка пластинами коротких швов металла 6^800 мм ЭШС вертикальных сты- ковых швов металла Ь— = 184-70 мм Сварка плавящимся мунд- штуком алюминия и его сплавов 6^140 мм Опытный завод ИЭС нм. Е. О. Патона АН УССР То же » »
Полуавтоматы для дуговой сварки
ПДИ-304 с выпрями- телем ВДГИ-302 Импульсно-дуговая свар- ка алюминия и его спла- вов плавящимся электро- дом в среде инертных га- зов Симферопольский электромашиностро- ительный завод
Источники питания и установки для ручной дуговой сварки в инертных газах
ВДГИ-302 ВСВУ-160 ВСВУ-315 ИСВУ-315 Выпрямитель для им- пульсно-дуговой сварки плавящимся электродом в среде аргона Источники питания для сварки в непрерывном и импульсном режимах не- плавящимся электродом в среде защитных газов Источник питания для сварки непрерывной и импульсной дугой непла- вящимся электродом в среде защитных газов алюминия и его сплавов Симферопольский электромашиностро- ительный завод Ржевское ПКО Электромеханика То же
Тип оборудования Назначение Предприигие- нэготовнтель
УДГ-201 Установка стационарная для ручной аргонодуго- вой сварки на постоянном токе прямой полярности неплавящимся электро- дом в непрерывном и им- пульсном режимах изде- лий из цветных металлов (ПВ = 40 %) Ленинградский завод «Электрик»
УДГУ-301 Универсальная установка для аргонодуговой свар- ки неплавящимся элек- тродом и а постоянном и переменном токе (режим работы ПВ = 60 %) То же
УДГ-501-1 Установка для аргоноду- говой сварки алюминия и его сплавов па перемен- ном токе неплавящимся электродом диаметром 0,8—6 мм (режим работы ПВ = 60 %) » »
Оборудование для плазменной сварки
УПС-301
Ручная сварка иа посто-
янном токе меди 6^3 мм
и иа обратной полярно-
сти плазменная и АДС
алюминия и его сплавов
й<8 мм
Ленинградский завод
«Электрик»
Машины переменного тока для точечной сварки
стационарные
МТ-2201 Сварка деталей из титана Каховский завод
(МТ-1222) толщиной 1 +1 мм, из алюминия 0,6+0,6 мм электросварочного оборудования
МТ-1818 Сварка деталей из тита- на толщиной от 0,5+ 0,5 до 1,5+1,5 мм Ленинградский завод «Электрик»
МТ-1927 Сварка деталей из тита- на толщиной от 0,5+0,5 до 1,5+ 1,5 мм То же
МТ-2023 Сварка деталей из тита- на толщиной от 0,5+0,5 до 2,5+ 2,5 мм » »
МТ-2102 Сварка деталей из тита- на толщиной от 1 + 1 до 4 + 4 мм » »
МТ-2827 Сварка деталей из тита- на толщиной от 1 + 1 до 2,5+2,5 мм » »
Тип оборудования Назначение Предпрнятне- изготовитель
МТ-4019 МТ-4218 Машины п Сварка деталей из тита- на толщиной от 0,5+ 0,5 до 1,6+1,5 мм, нз алюми- ния от 0,3+ 0,3 до 1,5 + + 1,5 мм Сварка деталей из тита- на толщиной от 2 + 2 до 4 + 4 остоянного тока для точен/ Ленинградский завод «Электрик» То же ной сварки
МТВ-4801 МТВР-6001 МТВ-8002 Машины и Сварка деталей из тита- на толщиной от 0.3+ 0,3 до 2,5+ 2,5 мм, из алюми- ния от 0,3+0,3 до 2 + 2 Сварка деталей из тита- на толщиной от 0,3+ 0,3 до 2,5+ 2,5 мм, из алюми- ния от 0,3+ 0,3 до 2 + + 2 мм Сварка деталей из тита- на толщиной 0,8—6 мм, из алюминия 0,5—4,5 мм установки для конденсатор Ленинградский завод «Электрик» То же Псковский завод тяжелого электро- сварочного оборудо- вания ной сварки
ТКМ-17 МТК-2001 МТК-5502 МТК-8501 Точечная сварка цветных металлов толщиной от 0,02 + 0,02 до 0,7+0,7 мм и диаметром от 0,05 + + 0,05 до 1 + 1 мм, а так- же сварка металла тол- щиной от 0,02 до 0,45 мм с металлом толщиной до 40 мм Точечная и рельефная сварка цветных металлов и сплавов внахлест тол- щиной от 0,1 до 1 мм и диаметром 0,2 до 1,5 мм, а также сварка изделий толщиной от 0,1 до 0,6 мм с изделиями толщиной до 40 мм Точечная сварка изделий из алюминиевых и тита- новых сплавов толщиной от 0,3 + 0,3 до 1,5+1,5 мм Точечная сварка изделий из алюминиевых и тита- новых сплавов толщиной от 0,5+0,5 до 2,5+2,5 мм Киевский опытно- экспериментальный завод средств автома-, тического управления Калининградский завод «Электро- сварка» Ленинградский завод «Электрик» То же
Тип оборудования Назначение Предприятие- изготовитель
Машины для шовной сварки
МШВ-7501 Сварка на постоянном токе деталей из легких сплавов, латуни и тита- на толщиной от 0,54-0,5 до 34-3 мм Ленинградский завод «Электрик»
МШВ-8001 Сварка на постоянном токе легких и титановых сплавов толщиной от 0,5+0,5 до 3+3 мм Псковский завод тяжелого электросва- рочного оборудова- ния
Машины для стыковой сварки
МСС-1901 Сварка сопротивлением Первоуральский завод
(МС-502) деталей из меди с пло- щадью стыка до 50 мм2 и из алюминия — до 64 мм2 «Искра»
МСО-202 (МС-802) Сварка сопротивлением, оплавлением с подогре- вом и непрерывным оп- лавлением стержней из цветных металлов сече- нием до 120 мм2 То же
к 607 Сварка оплавлением пря- Псковский завод
МСО-1001) молинейных швов и ко- лец из алюминиевых, маг- ниевых и титановых спла- вов диаметром 500— 2000 мм и короткомерных прямых изделий сечени- ем до 4000 мм2 тяжелого электросва- рочного оборудования
Машины для сварки током низкой частоты
V. ГН-7501 Точечная сварка изделий ответственного назначе- ния свариваемых дета- лей из алюминия толщи- ной от 0,34-0,3 до 24- 4-2 мм, из титана — от 0,44-0,4 до 4 4-4 Ленинградский завод «Электрик»
МШН-3001 Контактная шовная свар- ка деталей из меди тол- щиной от 0,05 до 0,6 мм, из алюминия — от 0,1 до 0,5 мм То же
1у.366
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Абралов М. А., Абдурахманов Р. У. Особенности образования
горячих трещин при сварке алюминия и его сплавов // Автомат,
сварка,— 1988,— № 8,— С. 9—14.
2. Абрамов В. В. Остаточные напряжения и деформации в металлах.
М.: Машгиз, 1963.— 132 с.
3. Абрамович В. Р., Захаров В. И. Циклическая прочность сварных
соединений меди и сплава МНЖ5-1 со сталью ОХ 18НЮТ // Свароч.
пр-во,— 1979,— № 3,— С. 21—22.
4. Автоматическая сварка толстолистового алюминия под флюсом
закрытой дугой / А. Д. Корнеев, В. Я- Зусин, В. К. Филиппов
и др. // Там же,— 1973,— № 6,— С. 48—49.
5. Агте X., Вацек И. Вольфрам и молибден.— М. : Энергия, 1964.—
326 с.
6. Акулов А. И., Бельчук Г. А., Демянцевич В. П. Технология и
оборудование сварки плавлением.— М. : Машиностроение, 1977.—
432 с.
7. Акулов А. И., Сокол М. А. Сварка трубопроводов из цветных
металлов.— М.: Госстройиздат, 1962.— 143 с.
8. Акулов А. И., Сокол М. А. Сварка никеля и никелевых сплавов//
Справочник по сварке.— М.: Машиностроение, 1971.— Т. 4.—
С. 176—193.
9. Алюминиевые сплавы: Применение алюминиевых сплавов : Справ,
руководство / Под ред. А. Т. Туманова.— М.: Металлургия,
1974,— 407 с.
10. Антонов И. А. Газопламенная обработка металлов.— М.: Маши-
ностроение, 1976.— 264 с.
11. Арефьев Ю. В., Чернышева Т. А. Старение ниобиевых сплавов
системы ИЬ—12г—С // Свароч. пр-во.— 1973.— № 10.— С. 7 —10.
12. Аснис Е. А., Прохоренко В. М., Швиндлерман Л. С. О механизме
образования трещин при сварке и наплывке меди на сталь // Там же.
1965,— № 11,— С. 8—9.
13. Багрянский К. В., Добротина 3. А., Хренов К. К. Теория свароч-
ных процессов.— Киев: Вища школа, 1976.— 424 с.
14. Багрянский К. В., Кузьмин Г. С. Сварка никеля и его сплавов.—
М. : Машгиз, 1963.— 164 с.
15. Баженов В. В., Буткевич В. В., Овчинников В. А. Условия газо-
шлаковой защиты плавящегося металла при дуговой сварке покры-
тыми электродами // Свароч. пр-во.— 1972.— № 3.— С. 6—9.
16. Балковец Д. С., Каганов Л. И. Некоторые особенности сварки нио-
бия и его сплавов // Там же.— 1963.— № 10.— С. 10—12.
17. Баранов И. Б. Холодная сварка пластичных металлов.— Л.:
Машгиз, 1962.— 207 с.
18. Батакшев А. Ф., Бережницкий С. Н., Кучеренко Г. П. Ручная
аргоно-дуговая сварка серебряных трубопроводов // Хим.-нефт.
машиностроение.— 1974.— № 6.— С. 24—25.
19. Бахин С. И. Некоторые рекомендации при разработке покрытий
электродов для сварки никеля // Актуальные проблемы сварки
цветных металлов,— Киев: Наук, думка, 1985.— С. 351—352.
20. Беседный В. А., ШеленковГ. М. Сварка-пайка алюминия с тита-
ном // Свароч. пр-во.— 1970.— № 3.— С. 45—46.
21. Биметаллические соединения / К. Е. Чарухина, С. А. Голованен-
ко, В. А. Мастеров и др.— М.: Металлургия, 1970.— 280 с.
22. Биркс И., Майер Дж. Введение в высокотемпературное окисле-
ние металлов.— М. = Металлургия, 1987.— 184 с.
23. Бицоев Г. Д. Сварка свинца и его сплавов горячим токоведущим
инструментом // Автомат, сварка.— 1983.— №11.—С. 62—64.
, 24. Благородные металлы / Под ред. Е. М. Савицкого.— М. : Металлур-
1 гия, 1984.— 592 с.
' 25. Блащук В. Е., Гуревич С. М., Оноприенко Л. М. Свойства титано-
вого сплава АТ2 н его сварвых соединений // Автомат, сварка.—
1976,—№ 1.—С. 66—68.
26. Бобылев А. В. Механические и технологические свойства метал-
' лов : Справочник.т-- М. : Металлургия, 1980.— 296 с.
27. Большаков М. В. Сварка неповоротиых стыков трубопроводов
, из ниобиевых сплавов // Автомат. сварка.— 1973.— № 7.—
С. 51—52.
28. Большаков М. В., Овсенкин В. П., Чепухин С. И. Сварка трением
в вакууме тугоплавких и жаропрочных сплавов // Там же.—
1972,—№ 6.—С. 71—72.
29. Большаков М. В., Черницын АЛ., Левщук О. А. Исследования
структуры и свойства диффузионных соединений тугоплавких
металлов // Диффузионная сварка в вакууме металлов, сплавов
и неметаллических материалов.— М.: Моск. Дом техники, 1973.—
С. 101 — 106.
30. Большаков М. В., Черницын А. И. Структура и свойства соеди-
нений титанового сплава ОТ4, выполненных сваркой треиием //
Свароч. пр-во.— 1974.— № 7.— С. 40—42.
31. Бондарев А. А. Электронно-лучевая сварка, ее преимущества и
основные положения при разработке технологии сварки алюминие-
вых сплавов.// Актуальные проблемы сварки цветных металлов.—
Киев : Наук, думка, 1980.— С. 106—110.
32. Бочвар А. А. Металловедение.— М.: Металлургиздат, 1956.—
495 с.
33. Бродский А. Я. Аргонодуговая сварка вольфрамовым электро-
дом.— М.: Машгиз, 1956.— 382 с.
34. Будник В. П., Стебловский Б. А., Завирюха В. И. Технологиче-
ские особенности процесса гелиево-дуговой сварки и свойства
сварных соединений термоупрочняемого сплава 1201 // Актуаль-
ные проблемы сварки цветных металлов.— Киев : Наук, думка,
1980,— С. 140—144.
35. Буц Б. Д., Кваша А. Н., Кедрин И. Д. Сварка трением сплавов
титана и ниобия // Автомат, сварка.— 1978.— №8.— С. 17—19.
36. Василенко И. И., Мелехов Р. К. Коррозионное растрескивание
сталей.— Киев: Наук, думка, 1977.— 265 с.
37. Васильев В. А., Пугин А. И. Сварка трением // Справочник по
?варке.— М. : Машгнз, 1962.— Т. 2. С. 588—595.
38. Васильченко В. В., Седов В. Е. Исследование особенностей при-
менения фторидов при АДС меди // Актуальные проблемы сварки
цветных металлов.— Киев: Наук, думка, 1985,—С. 352—358.
39. Величко О. А., Гаращук В. П., Моравский В. Э. Лазерная сварка
стыковых соединений разнородных металлов // Автомат, сварка.—
1972.— № 3.— С. 71—73.
<0. Верещагин С. И., Симоник А. Г., Секретарева Э. С. Сварка
магниевых и алюминиевых сплавов толщиной 10—30 мм неплавя-
щимся погруженным электродом в среде гелия // Актуальные
проблемы сварки цветных металлов.— Киев : Наук, думка, 1980.—
С. 147—151.
41. Веркин Б. И., Кравченко Е. Л., Люличев А. И. Исследования схва-
тывания алюминия и меди в глубоком вакууме//Автомат. сварка.—
1966.— № 3.— С. 43—45.
42. Винокуров В. А., Григорьянц А. Г. Теория сварочных деформаций
и напряжений.— М.: Машиностроение, 1984.— 280 с.
43. Влияние водорода на стойкость платинового сплава против обра-
зования трещин / О. Д. Смиян, Б. И. Шнайдер, Д. М. Погребис-
ский и др. И Автомат, сварка.— 1986.— № 2.— С. 10—12.
44. Влияние термической обработки на механические свойства сварных,
соединений сплава В95, выполненных электронным лучом /
В. В. Ардентов, А. Г. Макаров, Ю. А. Деминский и др. // 5-я Все-
союз. конф, по электроннолучевой сварке, Киев, сент. 1975 гл
Докл,— Киев 8 Наук, думка, 1977,— С. 41—44.
45. Влияние термообработки на структуру н свойства соединений спла-
ва Г4Ь — 1 % Иг — 0,1 % С / С. М. Гуревич, М. М. Нероденко,
Е. А. Асниси др. И Автомат, сварка.— 1973,— № 11,— С. 58—60.
46. Влияние электромагнитного перемешивания сварочной ванны на
свойства соединений сплава ВТ1-0 / В. Е. Блащук, С. М. Гуревич,
. Л. М. Оноприенко и др. // Там же.— 1976.— № 8.— С. 40—43.
47. Влияние электромагнитного перемешивания сварочной ванны^на
структуру и свойства соединений сплава ВТ6 / В. Д. Кузнецов,
И. В. Малинкин, В. П. Черныш и др. // Свароч. пр-во.— 1972.—
№ 5,— С. 8—10.
48. Воропай И. М., Гвоэдецкий В. С., Щербак В. В. Микроплазмен-
ная сварка легких металлов с катодным распылением окисных
пленок // Автомат, сварка.— 1969.— № 7.— С. 42—44.
49. Вульф В. К- Термическая обработка титановых сплавов.— М.:
Металлургия, 1969.— 376 с.
50. Высокопроизводительная сварка тонколистового титана / В. Ф. Ма-
лышко, В. Н. Замков, С. М. Гуревич и др. // Автомат, сварка.—
1976,—№2,—С. 16—18.
51. Газовые смеси для дуговой сварки металлов / Б. Н. Бадьянов,
Д. Д. Мирошин, А. В. Панин и др. // Там же.— 1975.— № 1.—
С. 75.
52. Галактионова Н. А. Водород в металлах.— М.: Металлургиздат,
1959.— 176 с.
53. Ган Г. Т., Гильберт А. И., Джаффи Р. И. Влияние растворимых
элементов из пластичного в хрупкое состояние // Свойства туго-
плавких металлов и сплавов.— М. : Металлургия, 1968.—
С. 28—67.
54. Гафний // Сб. статей под ред. Л. Н. Комиссаровой.— М.: Изд-во
иностр, лит., 1952.— 216 с.
55. Гельман А. С. Технология контактной электросварки.— М.:
Машгиз, 1952.— 324 с.
56. Гельман А. С. Контактная электросварка // Справочник по свар-
ке.— М. : Машгиз, 1962.— Т. 2.— С. 272—303.
57. Гельман А. С. Основы сварки давлением.— М.: Машиностроение,
1970.— 312 с.
58. Гельман А. С., Львов Е. П., Чудновский А. Д. Структура и свойства
стали, плакированной никелевым сплавом // Свароч. пр-во —
1976,— № 6,— С. 17—20.
59. Гезин В. С. Исследование импульсно-дуговой сварки свинца //
Монтаж и спец, работы в стр-ве.— 1972.— № 5.— С. 19—20.
60. Герасимов Я- Н., Крестовников А. Н., Шахов А. С. Химическая
термодинамика в цветной металлургии.— М.: Металлургиздат,
1963,— Т. 3.
61, Глазунов С. Г., Моисеев В. И. Конструкционные титановые спла-
вы.— М.: Металлургия, 1974.— 368 с.
62. Глебов Г. Д. Поглощение газов активными металлами.—М.; Л.:
Госэнергоиздат, 1961.— 184 с.
63. Глебов А. В., Филиппов Ю. И., Чулошников П. Л. Устройство и
эксплуатация контактных машин.— Л.: Энергоатомиздат, 1987.—
312 с.
64. Головенко С. А. Сварка прокаткой биметаллов.— М.: Металлур-
гия, 1977.— 160 с.
65. Головченко В. С., Никонов А. В. Сварка судовых конструкций в за-
щитных газах.— Л.: Судостроение, 1972.— 264 с.
66. Гонсеровский Ф. Г. Технологические особенности электронно-лу-
чевой сварки некоторых разнородных металлов // Электротехн.
пром-сть. Сер. Электросварка.— 1971.— Вып. 9.— С. 4—7.
67. Гончаров А. Н., Кривошея В. Е. Влияние добавок легирующих
элементов на свариваемость меди И Актуальные проблемы сварки
цветных металлов.— Киев: Наук, думка, 1980.— С. 221—225.
68. Горощенко Я. Г. Химия титана.— Киев: Наук, думка, 1970.—
415 с.
69. Горшков А. И. Электронно-лучевая сварка титанового сплава
ВТ15 // Свароч. пр-во.— 1966,—№ 11.— С. 23—25.
70. Григорьянц А. Г., Шиганов И. Н. Лазерная сварка металлов.—
М. : Высш. шк.— 1988.— 207 с.
71. Гриценко А. Ф., Шестаков А. И., Ермоленко О. Е. Холодная
сварка давлением разнородных металлов // Свароч. пр-во.— 1963.—
№ 2,— С. 32-33.
72. Груздев Б. Л., Кладов Е. И., Булгаков И. Я. Некоторые особен-
ности электронно-лучевой сварки сплава ВТ5-1 И Там же.—
1973,— № 2,— С. 19-21.
73. Гудков С. И. Механические свойства промышленных цветных ме-
таллов при низких температурах.— М. : Металлургия, 1971.—
166 с.
74. Гуревич С. М. Некоторые особенности сварки титана под флюсом //
Автомат, сварка.— 1957.— № 5.— С. 38—48.
75. Гуревич С. М. Проблемы сварки титана и его сплавов И Титановые
сплавы для новой техники.— М. : Наука, 1968.— С. 262—271.
76.. Гуревич С.М. Сварка химически активных и тугоплавких металлов
и сплавов.— Киев : Наук, думка, 1975.— 58 с.
77. ) Гуревич С. М., Замков В. Н. Сварка титана со сталью // Автомат,
сварка.— 1962.— № 8.— С. 21—26.
78. Гуревич С. М., Замков В. Н., Сабокарь В. К. Сварка биметалла
титан — алюминий / Там же.— 1974.— №4.— С. 49—50.
79. Гуревич С. М., Компан 10. Я- Электрошлаковая сварка титана
плавящимся мундштуком И Там же.— 1961.— № 1.— С. 65—68.
80. Гуревич С. М., Компан Я- Ю., Новиков Ю. К- Исследование тем-
пературного режима электрошлаковой сварки титанового спла-
ва И Там же,— 1973,— № 2,— С. 32—33.
81. Гуревич С. М., Нероденко М. М. Сварка титана, циркония, ниобия,
молибдена, вольфрама и бериллия // Сварка.— М. : ВИНИТИ,
1976.— С. 5—69. (Итоги науки и техники; Т. 8).
82. Гуревич С. М., Рабкин Д. М. Зварювания металле та сплавав.—
К. : Держтехвидав УРСР, 1964,— 120 с.
83. Гуревич С. М., Шеленков Г. М., Блащук В. Е. Сваривав*
мость титанового сплава АТЗ // Свароч. пр-во.— 1973.— № 11.—
С. 20—21.
84. Гурский П. И. Подготовка поверхностей металлов под холод-
ную сварку Ц Сварка специальных металлов и сплавов.— Киев :
Изд-во АН УССР, 1963,—С. 22—28.
85. Гусева Е. А., Климычев А. И. Аргонодуговая сварка титановых
сплавов сквозным проплавлением // Свароч. пр-во.— 1970.—
№ 2,—С. 15—16.
86. Данков П. Д., Игнатов Д. В., Шишаков И. А. Электроннографи-
ческое исследование окисных и гидроокисных пленок на метал-
лах.— М. : Изд-во АН СССР, 1953.— 200 с.
87. Дарвин Д., Бадбери Д. Бериллий.— М. : Изд-во иностр, лит.,
1962,— 276 с.
88. Деев Г. В., Пацкевич И. Р. Дефекты сварных швов.— Киев;
Наук, думка, 1984.— 208 с.
89. Диффузионная сварка материалов : Справочник / Под ред.
Н. Ф. Козакова.— М. : Машиностроение, 1981.— 271 с.
90. Диффузионная сварка образцов титана с вольфрамом и молибде-
ном / Л. С. Киреев, В. К. Сабокарь, Н. А. Кушниренко и др. //
Автомат, сварка.— 1977.— № 10.— С. 66—67.
91. Диффузионная сварка титана / Э. С. Каракозов, Л. М. Орлова,
В. В. Пешков и др.— М. : Металлургия, 1977.— 272 с.
92. Диффузионная сварка титановых сплавов с медью и медными спла-
вами через прослойки из молибдена и ниобия / Г. В. Бобров,
Ю. С. Долгов, В. И. Привезенцев и др. // Свароч. пр-во.— 1968.—
№ И.— С. 16—17.
93. Диффузионная сварка титановых сплавов с наложением ультра-
звуковых колебаний / А. А. Котельников, О. П. Богданов,
А. В. Вашурин и др. //Автомат, сварка.—1978.— № 1.—С. 51—53.
94. Дживага И. И. Электродуговая сварка цветных металлов и спла-
вов.— Л. : Судпромгнз, 1961.— 139 с.
95. Допустимые значения тока при аргоно-дуговой сварке вольфрамо-
выми электродами / О. Н. Иванова, Д. М. Рабкнн, В. П. Будник
и др. // Автомат, сварка.— 1972.— № 11.— С. 38—40.
96. Дрейвеншток 3. Б., Душков И. Л. Справочник сварщика-судо-
строителя.— Л. : Судостроение, 1977.— 352 с.
97. Дриц М. Е. Магниевые сплавы для работы при повышенных
температурах.— М. : Наука, 1964,— 231 с.
98. Дудко Д. А., Корниенко А. И. Тепловой эффект процесса сварки
плазменной дугой //Автомат, сварка.— 1967.— № 11.— С. 27—30.
99. Думов С. И. Технология электрической сварки плавлением.—
Л. : Машиностроение, 1978.— 368 с.
100. Дятлов В. И. Особенности металлургических процессов при
сварке под флюсом // Юбилейный сборник, повященный
Е. О. Патону.— Киев : Изд-во АН УССР, 1951.— С. 261—267.
101. Евсеев Г. Б., Глизманенко Д. Л, Оборудование и технология га-
зоплазменной обработки металлов и неметаллических материа-
лов.— М. : Машиностроение, 1974.— 312 с.
102. Еременко В. Н. Титан и его сплавы.— Киев : Наук, думка,
1970.— 415 с.
103. Ерохин А. А. Основы сварки плавлением.— М. : Машинострое-
ние, 1973.— 448 с.
104. Ефимов Ю. В., Барон В. В., Савицкий Е. М. Ванадий и его
сплавы.— М. : Наука, 1969.— 254 с.
105. Жук В. В., Радько В. П. Методы и средства обнаружения де-
фектов сварных швов и определения их параметров при
ультразвуковом контроле // Автомат, сварка.— 1988.— №3.—
С. 64—68.
106. Заборовский О. Р., Бобров В. Г. Исследование выявляемое™ де-
фектов при ультразвуковом контроле швов, полученных сваркой
треиием // Дефектоскопия.— 1972.— № 2.— С. 122—126.
107. Займовский А. С., Никулина А. В., Ременников Н. Л. Цирконие-
вые сплавы в атомной энергетике.— М. : Энергоиздат, 1981.—
214 с.
108. Замедленное водородное разрушение циркониевых сплавов /
Е. Ю. Ривкин, В. Я. Абрамов, А. М. Васин и др. //физ.-хим.
механика материалов.— 1987.— 23, № 1.— С. 49—52.
109. Замков В. Н., Кушниренко Н. А., Топольский В. Ф. Особенно-
сти термической обработки сварных соединений двухфазных
титановых сплавов // Актуальные проблемы сварки цветных ме-
таллов и сплавов.— Киев : Наук, думка, 1980.— С. 334—337.
НО. Замков В. Н., Топольский В. Ф., Кушниренко Н. А. Двухдуго-
вая сварка толстолистового титана вольфрамовыми электродами//
Автомат, сварка.— 1978.— № 2.— С. 44—47.
111. Захаров А. М. Диаграммы состояний двойных и тройных сис-
тем.— М. : Металлургия, 1964.— 295 с.
112. Зеликман А. И., Никитина Л. С. Вольфрам.— М. : Металлур-
гия, 1978.— 272 с.
113. Злобин Г. И., Шимарев В. Г. Сварка межэлементных соединений
батарей свинцовых аккумуляторов // Электротехника.— 1982.—
№ 5,— С. 28-29.
114. Иванов О. И., Белов В. М. Акустическо-эмиссионный контроль
сварки и сварных соединений.— М. : Машиностроение, 1981.—
184 с.
115. Избирательная коррозия сварного шва титана и титановых спла-
вов в сильно агрессивных коррозионных средах / Б. де Жела,
Д. Шарке, А. Арма, и др. // Титан : Металловедение и техноло-
гия,—М. : ВИЛС, 1978,—С. 147—154.
116. Изготовление и эксплуатация оборудования из титана / Г. М. Ше-
ленков, В. Е. Блащук, Р. К- Мелехов и др.— Киев : Техн1ка,
1984,— 120 с.
117. Изыскание присадочного материала для сварки (а + Р)-титановых
сплавов / С. М. Гуревич, В. Н. Замков, Н. А. Кушниренко и др. //
Актуальные проблемы сварки цветных металлов.— Киев : Наук,
думка, 1980,— С. 315—321.
118. Илюшенко В. М. Новые сварочные материалы для сварки меди
и хромовой бронзы.— Киев, 1978.— 4 с. — (Информ, письмо
АН УССР. Ин-т электросварки им. Е. О. Патона; № 2).
119. Илюшенко В. М. Развитие сварки плавлением тяжелых цветных
металлов и сплавов И Актуальные проблемы сварки цветных ме-
таллов.— Киев : Наук, думка, 1980.— С. 211—217.
120. Илюшенко В. М. Сварка и наплавка тяжелых цветных металлов.—
Киев : О-во «Знание» УССР, 1977.— 24 с.
121. Илюшенко В. М., Босак Л. К., Гришин Л. И. Автоматическая
сварка меди со сталью больших толщин // Автомат, сварка.—
1966,—№6,—С. 73.
122. Илюшенко В. М., Васильченко В. В., Седов В. Е. Влияние неко-
торых фторидов на проплавление меди при аргонодуговой сварке//
Там же,— 1981.— № 2,— С. 71—74.
123. Илюшенко В. М., Седов В. Е., Васильченко В. В. Некоторые
особенности механизированной сварки меди в среде защитных
газов // Прогрессивные методы сварки и наплавки тяжелых
цветных металлов и сплавов.— Киев : Ин-т электросварки
им. Е. О. Патона АН УССР, 1982.— 84 с.
124. Иода Е. И., Байко И. Ф., Болгова Г. И. Сварка алюминиевых
сплавов повышенной прочности // Повышение качества и эффек-
тивности сварочного производства.— М. : Знание, 1978.—
С. 75—82.
125. Испытания материалов : Справочник / Под ред. X. Блюменау-
эра.— М. : Металлургия, 1979.— 448 с.
126. Исследование влияния примесей и ряда легирующих элементов
на образование трещин при сварке меди / В. М. Илюшенко,
В. А. Аношин, А. Н. Бондаренко и др. // Актуальные проблемы
сварки цветных металлов.— Киев : Наук, думка, 1980.—
С. 217—221.
127. Исследование технологии аргонодуговой сварки сложнолегиро-
ванных сплавов на медной основе / А. Е. Вайнерман, Н. В. Беля-
ев, А. Н. Минчина, И. В. Чумакова И Актуальные проблемы
сварки цветных металлов.— Киев : Наук, думка, 1980.—
С. 243—249.
128. Ищенко А. Я-, Букало Л. А. Структура и прочность соединений
сплава АМгб, выполненных электрошлаковой сваркой // Автомат,
сварка.— 1970.— № 1.— С. 32—34.
129. Ищенко А. Я., М.ишенков В. А., Чаюн А. Г. Аргонодуговая
сварка алюминиевых сплавов АМгб и 01381 на постоянном, пере-
менном и асимметричном токе // Там же.— 1978.— № 11.—
С. 46—49.
130. Кабанов Н. С. Сварка на контактных машинах.— М. ’ Высш,
шк., 1979.— 215 с.
131. Кабанов И. С., Слепак Э. Ш. Технология стыковой контактной
сварки.— М. : Машгиз, 1961.— 292 с.
132. Казаков И. Ф. Диффузионная сварка материалов.— М. : Маши -
построение, 1976.— 312 с.
133. Козаков И. Ф., Сергеев А. В. Диффузионная сварка алюминие-
вых сплавов И Актуальные проблемы сварки цветных металлов.—
Киев : Наук, думка, 1985.— С. 172—174.
134. Карапетьянц М. X., Карапетьянц М. Л. Основные термодина-
мические константы неорганических и органических веществ.—
М. : Химия, 1968.— 468 с.
135. Калинина А. М. О полиморфизме и ходе термических превраще-
ний окиси алюминия И Журн. неорган. химии.—1959.—6, № 4.—
С. 1260—1269.
136. Квасницкий В. Ф., Кох Б. А., Сафонов А. И. Технология диффу-
зионной сварки жаропрочных сплавов.— Л. : Знание, 1969.—24 с.
137. Кете Г. Коррозия металлов.— М. : Металлургия, 1984.— 400 с.
138. Кинетика длительного окисления титана / И. И. Корнилов,
М. Н. Забродская, Н. Г. Борискина, А. П. Брынза // Металлове-
дение и терм, обработка металлов.— 1977.— №5.— С. 49—51.
139. Киффер Г., Браун X. Ванадий, ниобий, тантал.— М. : Металлур-
гия, 1 968.— 312 с.
140. Клыкова Т. И., Сидашин В. П., Фатнев И. С. Результаты ис-
пытания сварных образцов из сплава ВТ6С на малоцикловую
усталость // Тр. Челябин. политехи, ин-та.— 1975.— № 168.—
С. 83—86.
И1. Ключников Р. М., Томсинский В. С., Шишкин М. И. Исследо-
вание структуры и свойств биметаллов сталь — латунь и сталь —
бронза // Порошковая металлургия.— Пермь, 1970.— С. 164—
169 (Тр. Перм. политехи, ии-та; № 114).
142. Клячкин Я- Л. Электродуговая сварка алюминия.— М. : Маш-
гиз, 1959.— 195 с.
143. Клячкин Я- Л. Сварка цветных металлов и их сплавов.— М. 1
Машиностроение, 1964.— 335 с.
144. Колачев Б. А., Ливанов В. А., Елагин В. И. Металловедение
и термическая обработка цветных металлов и сплавов.— М. 1
Металлургия, 1972.— 480 с.
145. Колисниченко Т. А., Шнырев Г. Д., Алехин В. П. Клинопрессо-
вая сварка разнородных металлов, резко отличающихся и близких
по твердости И Лекции по сварке разнородных и разноименных
металлов,—М. : МДНТП, 1973.—Ч. 1,—С. 68—71.
146. Колобнев И. Ф- Термическая обработка алюминиевых сплавов.—
М. : Металлургия, 1966.— 394 с.
147. Корнилов И. И. Титан — М. : Наука, 1975.— 308 с.
148. Конструкционные материалы / Под ред. А. Т. Туманова.— М. 1
Сов. энциклопедия, 1965.— Т. 3.
149. Контактная сварка многожильного медного провода с платино-
вым выводом прибора / В. Е. Атауш, Р. Б. Рудзит, Э. Г. Москвин
и др.// Свароч. пр-во,— 1978,— № 3,— С. 19—20.
150. Контроль качества сварки / Под ред. В. Н. Волченко.— М. :
Машиностроение, 1975.— 328 с.
151. Конюшков Г. В., Копылов Ю. Н. Диффузионная сварка в электро-
нике,— М. : Энергия, 1974,— 168 с.
152. Копецкий И. В. Структура и свойства тугоплавких металлов.—
М. : Металлургия, 1974.— 208 с.
153. Корешок Ю. М. Сварка меди под флюсом.— М. : Машинострое-
ние, 1967.— 37 с.
154. Корровия : Справ, изд. / Под ред. Л. Л. Шрайера,— М. : Метал-
лургия, 1981.— 632 с.
155. Корровия металлов / Под. ред. В. В. Скорчеллети.— М. : Госхим-
издат, 1952.— Ч. 1.
156. Коррозионная стойкость под напряжением сварных соединений
сплава 1201 / А. Я. Ищенко, И. В. Довбищенко, М. И. Саенко
и др. // Автомат, сварка.— 1978.— № 4.— С. 29—32.
157. Коррозионная стойкость сварных соединений сплава циркония
с 2,5 % ниобия в соляной, серной и фосфорной кислотах /М. М.Не-
роденко, Л. М. Оноприенко, В. А. Горбаиь, А. Б. Гончаров //
Там же.— 1985.— № 8.— С. 53—56.
158. Кох Б. А. Основы термодинамики металлургических процессов
сварки.— Л. : Судостроение, 1975.— 240 с.
159. Кочергин К. А. Контактная сварка.— Л. : Машиностроение,
1987,— 240 с.
160. Крюковский В. Н. Сварка бериллия // Справочник по сварке.—
М. : Машиностроение, 1971.— Т. 4.— С. 322—326.
161. Кудинов В. М., Коротеев А. Я. Сварка взрывом в металлур-
гии.— М. : Металлургия, 1978.— 168 с.
162. Кудинов В. М., Коротеев А. Я-, Гордень Г. И. Качество биме-
таллических листов нержавеющая сталь — титан, изготовленных
сваркой взрывом И Автомат, сварка.— 1981.— № 2.— С. 53—56.
163. Кудинов В. М., Рева А. А. Особенности сварки плавлением меди
со сталью через биметаллический переходник // Там же.— 1977.—
№ 8,— С. 52—55.
164. Кудояров Б. В., Курашев А. А., Хатунцев А. Н. Удлиненные
полости в шве при автоматической сварке титановых сплавов
в инертных газах // Там же.— 1968.— № 1.— С. 28—31.
165. Кудрявцев И. В. Внутренние напряжения как резерв прочности
в машиностроении.— М. : Машгиз, 1951.— 278 с.
166. Кузнецов В. А., Оберштейн А. А. Сварные контакты в металлур-
гии алюминия.— М. : Металлургиздат, 1962.— 128 с.
167. Куликов И. С. Термодинамика оксидов.— М. : Металлургия,
1986.— 342 с.
168. Куликов Ф. Р., СеренковЛ. И. Электронно-лучевая сварка тита-
нового сплава ВТ 14 //Свароч. пр-во.— 1969.— № 5.— с. 28—30.
169. Курдюмов А. В., Пикунов М. В., Чурсин В. М. Литейное произ-
водство цветных и редких металлов.— М. : Металлургия, 1972.—
469 с.
170. Куркин С. А. Технология изготовления сварных конструкций :
Атлас чертежей.— М. : Машгиз, 1962.— 152 с.
171. Лазерная и электронно-лучева т обработка материалов : Справоч-
ник / Н. Н. Рыкалин, А. А. Углов, И. В. Зуев, А. Н. Кокора.—
М. : Машиностроение, 1985.— 496 с.
172. Лакомский В. И., Калинюк Н. Н. Растворимость водорода в жид-
ком титане // Автомат, сварка.— 1963.— № 9.— С. 31—35.
173. Лашко И. Ф., Лашко-Авокян С. В. Свариваемые легкие сплавы.—
Л. : Судпромгиз, 1960.— 440 с.
174. Лебедев В. К; Юматова В. И. Справочник по сварочному обору-
дованию стран СЭВ и Югославии.— Киев : Техн1ка, 1988.—
182 с.
175. Левикин В. А., Петров П. И., Варуха Е. Н. Применение повэрх-
ностно-активированного электрода для сварки меди И Актуальные
проблемы сварки цветных металлов.— Киев : Наук, думка,
1985,— С. 344—347.
176. Ливанов В. А., Буханова А. А., Калачев Б. А. Водород в титане.—
М. : Металлургиздат, 1962.— 241 с.
177. Лопапгюо А. П„ Карташов Л. Г., Ткачев Л. Г. Определение глу-
бины проплавления при электронно-лучевой сварке металлов боль-
ших толщин // V Всесоюз. конф, по ЭЛС (Киев, 18—19 дек. 1975 г.)—
Киев : Наук, думка, 1977.— С. 16—19.
178. Лопатко А. П., Панфилов А. П., Черпаков Г. А. Исследование
особенностей электродуговой и электронно-лучевой сварки в ва-
кууме титана и его сплавов большой толщины // Производство
оборудования для тепловых электростанций.— М.: Моск, энерг.
ин-т, 1972,—С. 35—41.
179. Лычко И. И., Илюшенко В. А4., Алексеенко А. П. Электрошлако-
ван сварка толстолистовой меди // Автомат, сварка.— 1967.—
№ 10.— С. 80.
180. Макаров В. П. О кинетике упрочнения сварных соединений
сплава 1915 в процессе естественного старения // Свароч. пр-во.—
1973.— № С,— С. 32—33.
181. Макаров В. И., Скачков 10. Н. Сварка магниевых сплавов.—
М. : Машиностроение, 1972.— 120 с.
182. Макквиллэн А. Д., Макквилэн М. К. Титан,— М. : Металлург-
издат, 1958,— 458 с.
183. Мальстрем А; И. Электрическая дуговая сварка меди.— Л. 8
Машгиз, 1954.— 75 с.
184. Мальцев М. В. Металлография тугоплавких, редких и радиоак-
тивных металлов и сплавов.— М. : Металлургия, 1971.— 488 с.
185. Мальцев М. В. Термическая обработка тугоплавких, редких
металлов и их сплавов.— М. : Металлургия. 1974.— 344 с.
186. Мальцев М. В., Барсукова Т. А., Борин Ф. А. Металлография
цветных металлов и сплавов.— М, : Металлургиздат, 1960.—
276 с.
187. Малышев В. М., Румянцев Д. В. Серебро.— М. : Металлургия,
1987.— 320 с.
188. Масленицкий И. Н., Чучаев Л. В. Металлургии благородных
металлов.— М. : Металлургии, 1972.— 368 с.
189. Матвеева М. П., Волкова Р. М. Коррозионностойкие, жаростой-
кие и жаропрочные сплавы (благородные металлы и их заменители)
И Металловедение и термическаи обработка.— М. : ВИНИТИ,
1977.— С. 67—111 (Итоги науки и техники; Т. 2).
190. Махненко В. И. Тепловые и деформационные процессы в шве
и околошовиой зоне при сварке.— Киев : Наук, думка, 1976.—
48 с.
191. Мелехов Р. К. Коррозионное растрескивание титановых и алюми-
ниевых сплавов.— Киев : Техннка, 1979,— 128 с.
192. Местная термообработка сварных сосудов из титанового сплава
АТЗ // С. М. Гуревич, В. Е. Блащук, В. И. Новиков и др. // Авто-
мат. сварка.— 1971.— № 2.— С. 12—14.
193. Металлургия и технологии сварки титана и его сплавов / Под
ред. В. Н. Замкова.— Киев : Наук, думка, 1986,— 240 с.
194. Металлургиям технология сварки тугоплавких металлов и спла-
вов на их основе / Под ред. С. М. Гуревича.— Киев : Наук, думка,
1982,— 304 с.
195. Механизированная сварка под флюсом алюминиевых шин /
А. Д. Корнев, В. Я. Зусии, В. Т. Асланов и др. // Автомат, свар-
ка.— 1978.— № 6.— С. 58—59.
196. Мешкова О. В. Сварка алюминиевых сплавов в среде защитных
газов. И Справочник по сварке.— М. : Машгиз, 1962.— Т. 2.—
С. 489—522.
197. Мешкова О. В. Сварка магниевых сплавов в среде защитных га-
зов И Справочник по сварке.— М. : Машгиз, 1962.— Т. 2.—
С. 522—530.
198. Микроплазменная сварка / Под ред. Б. Е. Патона.— Киев :
Наук, думка, 1979.— 248 с.
199. Мигай Л. Л., Тарицына Т. А. Коррозионная стойкость материа-
лов в галогенах и их соединениях : Справочник.— М. : Металлур-
гия, 1988.— 304 с.
200. Мовчан Б. А. Микроскопическая неоднородность в литых спла-
вах.— Киев : Гостехпздат УССР. 1962.— 340 с.
201. Моисеева Н. А., Сазоненко Н. Д. Соединение высокопрочных
листовых титановых сплавов давлением взрыва БВВ // Импульс,
обработка металлов давлением.— 1977.— № 3.— С. 109—115.
202. Назаренко О. К., Истомин Е. И., Локшин В. Е. Электроннолу-
чевая сварка.— М. : Машиностроение. 1966.— 126 с.
203. Некоторые вопросы сварки стали, плакированной титаном /
М. А. Щербак, В. С. Аристов, В И. Шейко и др. // Свароч.
пр-во,— 1972,— № 2,— С. 19—20.
204. Некрасов Б. М., Радашкевич И. М. Контактная электросварка
латуни // Вести, электропром-сти, 1954.— № 1.— С. 21—23.
205. Неразрушающий контроль качества сварных конструкции /
В. А. Троицкий, В. П. Радько, В. Г. Демлдко, В. Г. Бобров.—
Киев : Техника, 1986.— 159 с.
206. Нецвитай А. М., Васильченко А. В. Аргонодуговая сварка
свинца малых толщин во всех пространственных положениях //
Свароч. пр-во.— 1972.— № 5.— С. 42.
207. Нибург А. К. Газопламенная обработка металлов с использова-
нием газов заменителей ацетилена.— М. : Машиностроение,
1976.— 152 с.
208. Никифоров Г. Д. Металлургия сварки плавлением алюминиевых
сплавов.—М. : Машиностроение, 1972. — 259 с.
209. Николаев Г. А., Ольшанский И. А. Специальные методы сварки.—
М. : Машиностроение, 1975.— 232 с.
210. Ниобий и его сплавы / Г. В. Захарова, И. А. Попов, А. П. Жарова
и др.— М. : Металлургиздат, 1961.— 368 с.
211. Новосадов В. С., Шоршоров М. X. Особенности формировании
и механические свойства разнородных соединений сплавов цирко-
нии, титана и ниобия при аргонодуговой сварке И Физика и хи-
мия обраб. материалов.— 1968.— № 2.— С. 92—100.
212. Новые материалы в технике /Под ред. Е. Б. Тростянской, Б. А.К°-
лачева, С. И. Сильвестровича.— М. : Химия, 1964.— 656 с.
813. Оборудование дли электронно-лучевой сварки / А. И. Чвертко,
О. К. Назаренко, А. М. Свитский и др.— Киев : Наук, думка,
1973,— 406 с.
114. Обоснование варианта технологии получения сотовых конструк-
ций сваркой давлением / Э. С. Каракозов, С. А. Видгорчик,
В. А. Петросян и др. // Свароч. пр-во.— 1975.— № 12.—
С. 21—25.
215. Обработка давлением тугоплавких металлов и сплавов /
Н. И. Корнеев, С. Б. Певзнер, Е. И. Разуваев и др.— М. : Метал-
лургия, 1975.— 435 с.
216. О влиянии режимов аргонодуговой сварки с флюсом на строение
швов р-сплавов титана / С. М. Гуревич, В. Ф. Грабин, Н. А. Куш-
ниренко и др. // Автомат, сварка.— 1968.— № 2.— С. 16—19.
217. Однопроходная гелиедуговая сварка погруженным вольфрамовым
электродом толстолистового алюминиевого сплава АМгб /А. А. Ко-
валев, В. П. Никулин, А. Г. Симоник и др. // Свароч. пр-во.—
1978,— № 8,— С. 16—17.
218. Окерблом Н. О. Сварочные деформации и напряжения.— Л. :
Машгнз, 1948.— 271 с.
219. Окерблом Н. О. Расчет деформаций металлоконструкций при
сварке.— Л. : Машгиз, 1955.— 212 с.
220. Окисление металлов / Под ред. Ж- Бенара.— М. : Металлургия,
1968,— Т. 1. 1968. 499 с. Т. 2. 1969. 448 с.
221. Окисление титана и его сплавов / А. С. Бай, Д. И. Лайнер,
Е. Н. Слесарева и др.— М. : Металлургии, 1970.— 320 с.
222. Ольшанский Н. А. Автоматическая сварка меди под флюсом //
Автоген, дело.— 1950.— № 11.— С. 32—36.
223. Ольшанский Н. А. Определение глубины проплавления при элек-
троннолучевой сварке металла большой толщины // Тр. Моск,
энерг. ин-та.— 1975.— № 1.— С. 81—83.
224. О некоторых причинах разрушения сварных соединений конструк-
ций нз платиновых сплавов / Б. И. Шнайдер, Д. М. Погребисский,
Л. А. Потапенко и др. И Актуальные проблемы сварки цветных
металлов.— Киев : Наук, думка, 1985,— С. 330—334.
225. Опыт применении оборудовании и технологии импульсно-дуговой
сварки плавищимся электродом изделий из алюминиевых сплавов/
П. П. Шейко, Н. Н. Слепченко, М. П. Пашуля и др. И Там же.—
Киев : Наук, думка, 1980.— С. 170—174.
226. Орлов Б. Д., Чулошников П. Л., Эльяшев М. А. Прочность свар-
ных соединений из титана ВТ1Д, выполненных точечной и роли-
ковой сваркой // Свароч. пр-во.— 1957.— № 5.— С. 19—22.
227. Основные свойства неорганических фторидов И Под ред. Н. П. Гал-
кина.— М. : Атомнздат, 1976.— 399 с.
228. Особенности деформации и напряженного состояния в соединения
разнородных металлов при диффузионной сварке / Л. Н. Лари-
ков, М. Н. Беликова, В. Н. Замков, В. К. Сабокарь. И Автомат,
сварка.— 1982..— № 12.— С. 13—17.
229. Особенности массопереноса при сварке арм.ко-железа в твердом
состоянии с импульсным нагружением 7 Л. Н. Ла-риков,
В. М. Фальчепко, В. Ф. Мазанко и др. //Там же.— 1974.— № 5.—
С. 19—21.
230. Особенности распределения поверхностных остаточных напряже-
ний в сварных плитах из сплава типа «Авиаль» / С. Н. Киселев,
В. А. Хазанов, Л. М. Скорняков и др. И Свароч. пр-во.— 1966.—
№ 12,— С. 6—8.
231. Особенности сварки плавлением титана со сталью при примене-
нии коррозионностойких ванадиевых сплавов, легированных хро-
мом / М. Н. Пастух, Л. Г. Стрижевская, И. П. Дружинина
и* др.—М. : МДНТП, 1978.—С. 111 — 114.
232. Особенности формирования швов прн дуговой сварке титана с
электромагнитным перемешиванием / Г. М. Шеленков, В. П. Чер-
ныш, С. М. Гуревнч и др. // Свароч. пр-во.— 1977.— № 3.—
С. 24—25.
233. Особенности электронно-лучевой сварки сплава ВТ6 больших тол-
щин / А. Д. Шевелев, В. Н. Замков, С. М. Гуревич и др. И Акту-
альные проблемы сварки цветных металлов.— Киев : Наук,
думка, 1980.— С. 307—311.
234. Остаточные напряжения в стыковых соедиениях тонколистовых
низколегированных ниобиевых сплавов / С. М. Гуревич, М. М. Не-
роденио, Е. А. Аснис н др. И Автомат, сварка.— 1970.— № 9.—
С. 67—68.
235. Осянкин Г. В., Олейник А. В. Сварка трехфазной дугой алюми-
ниевых конструкций И Монтаж, н спец, работы в стр-ве. —1978.—
№ 1,— С. 18.
236. Панасюк И. О. Свойства и применение сплавов хрома // Конструк-
ционные и жаропрочные материалы для новой техники.— М. :
Наука, 1978.— С. 63—67.
237. Патон Б. Е. Исследование процесса нагрева электрода при авто-
матической сварке под флюсом // Тр. по автомат, сварке под флю-
сом.— 1948.— № 3,— С. 21—24.
238. Патон Б. Е., Лебедев В. К. Перспективы применении токов вы-
сокой частоты для сварки металлов / Автомат, сварка.— 1957.—
№ 5,— С. 9—19.
239. Пацкевич Р. И., Деев Г. Ф. Поверхностные явления в сварочных
процессах.— М. : Металлургия, 1974.— 120 с.
240. Пережогин В. И., Никифоров Г. Д., Дьяченко В. В. Пористость
металла швов ниобиевых сплавов и пути ее устранения // Акту-
альные проблемы сварки цветных металлов.— Киев : Наук, думка,
1980.—С. 384—387.
241. Перельман Ф. М,, Зворыкин А. Д. Молибден и вольфрам.—
М. : Наука, 1968,— 141 с.
242. Петров А. В. Перенос металла в дуге при сварке плавящимся
электродом в среде защитных газов // Автомат, сварка.— 1955.—
№ 2,— С. 26—33.
243. Петров А. В. Сварка в защитных газах // Сварка в машинострое-
нии / Под ред. Н. А. Ольшанского.— М. : Машиностроение,
1978.— Т. 1. С. 196—259.
244. Петров Г. Л. Сварочные материалы.— Л. : Машиностроение,
1972,— 280 с.
245. Петров Г. Л., Буров Н. Г., Абрамович В. Р. Технология и обору-
дование газопламенной обработки металлов.— Л. : Машинострое-
ние, 1978.— 277 с.
246. Погребисский Д. И., Шнайдер Б. И. Некоторые проблемы сварки
сплавов благородных металлов // Сплавы благородных метал-
лов,— М. : Наука, 1977.— С 41.— 43.
247. Погрвбисский Д. М., Шнайдер Б. И., Дудко Д. А. Достижения,
проблемы и перспективы развития микроплазменной сварки И
Автомат, сварка.— 1983.— № 10.— С. 43—51.
248. Полуавтоматическая импульсно-дуговая сварка титановых спла-
вов плавящимся электродом в инертном газе / Б. В. Кудояров,
А. А. Николаев, В. М. Поляков и др. // Свароч. пр-во.— 1970.—
№ 11,— С. 17—19.
249. Походня И. К. Газы в сварных швах.— М. : Машиностроение,
1972,— 256 с.
250. Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работаю-
щих под давлением.— М. : Металлургия, 1976.— 104 с.
251. Практическое руководство по металлографии судостроительных
материалов / Под ред. И. В. Горынина.— Л. : Судостроение,
1982.— 136 с.
252. Пранч А. С., Перлович Ю. А., Исаенкова М. Г. Механизм
пластической деформации контактного слоя прн холодной сварке
цинка // Автомат, сварка.— 1986.— № 11.— С. 29—31.
253. Применение титана в народном хозяйстве / С. Г. Глазунов,
С. Ф. Важенин, Г. Д. Зюков-Батырев и др.— Киев : Техн1ка,
1975,— 200 с.
254. Прокошкин Д.А., Васильева Е. В. Сплавы ниобия.— М. : Наука,
1964.— 332 с.
255. ПрохЛ. Ц., Шпаков Б. М., Дварская Н. М. Справочник по сва-
рочному оборудованию.— Киев: Техн1ка, 1983.— 207 с.
256. Прочность сварных соединений сплава ВТ23 при повторио-ста-
тическом нагружении // В. Ф. Топольский, С. И. Кишкина,
Л. А. Стронина и др.//Автомат, сварка.— 1983.— № 7.—
С. 42—44.
257. Псарас Г. Г. Сварка свинцовых электролизеров И Автомат.—
сварка.— 1979.— № 5.— С. 59—60.
258. Пухов Г. А. Сварка легких металлов и сплавов.— М. : Машгиз,
1959,— 179 с.
259. Рабкин Д. М. Автоматическая сварка алюминия и его сплавов по-
луоткрытой дугой.— Л. : ЛДНТП, 1956.— 39 с.
260. Рабкин Д. М. Металлургия сварки плавлением алюминии и его
сплавов.— Киев : Наук, думка, 1986.— 256 с.
261. Рабкин Д. М. Некоторые особенности автоматической сварки алю-
минии и его сплавов // Автомат, сварка.—1955.—№ 3.— С. 13—16.
262. Рабкин Д. М. Распределение температур в ванне при автомати-
ческой сварке алюминия И Там же.— 1956.— № 2.— С. 1 — 8.
263. Рабкин Д. М., Воропай Н. И., Бондарев А. А. Особенности
электронно-лучевой сварки алюминиевых сплавов // Там же.—
1971,—№2,—С. 48—52.
264. Рабкин Д. М., Гуревич С. М., БугрийФ.С. Сварка цветных ме-
таллов.— Москва ; Киев : Машгиз, 1959.— 70 с.
265. Рабкин Д. М., Игнатьева В. Г., Довбищенко И. В. Состояние
и перспективы применения алюминиевых сплавов в сварных кон-
струкциях.— Киев : Наук, думка, 1975.— 47 с.
266. Рабкин Д. М., Рябов В. Р. Сварка алюминия и его сплавов со
сталью и медью.— М. : Машиностроение, 1965.—157 с.
267. Рабкин Д. М., Рябов В. Р., Гуревич С. М. Сварка разнородных
металлов.— Киев : Техюка, 1976.— 208 с.
268. Рабкин Д. М., Фрумин И. И. Причины образования горячих тре-
щин в сварных швах // Автомат, сварка.— 1950.— № 2.—
С. 31—35.
269. Работоспособность соединений, выполненных стыковой контакт-
ной сваркой оплавлением никелевых н титановых сплавов /
Е. К. Смирнова, Э. С. Слепак, В. А. Камбаров, С. Д. Костина //
Актуальные проблемы сварки цветных металлов.— Киев :
Наук, думка, 1980.— С. 266—271.
270. Разработка низколегированных проволок дли сварки меди >в
среде защитных газов / В. М. Илюшенко, В. А. Аношин,
Ю. И. Костенко, А. К. Николаев и др.//Актуальные проблемы свар-
ки цветных металлов.— Киев : Наук, думка, 1985.— С. 340—344.
271. Разработка флюса для сварки алюминия АД00 закрытой ду-
гой / К. В. Багрянский, А. Д. Корнеев, В. Я. Зусин н др. // Сва-
роч. пр-во.— 1973.— № 9.— С. 33—34.
272. Распределение примесей внедрения в соединениях сплава ВТ6,
сваренных электронным лучом / А. Д. Шевелев, В. Н. Замков,
С. М. Гуревич и др. И Автомат, сварка.— 1978.— № 12.—
С. 19—33.
273. Рафинирование алюминиевых сплавов в вакууме / М. Б. Альт-
ман, Е. Б. Глотов, Р. М. Рябиннн и др,— М. : Металлургия,
1970.— 179 с.
274. Редчиц В. В., Никифоров Г. Д. Сравнительная оценка склонно-
сти к образованию пор при сварке плавлением различных актив-
ных металлов И Автомат, сварка.— 1983.— № 2.— С. 6—8.
275. Ривлин Ю. И., Коротков М. А., Чернобыльский В. Н. Металлы
и их заменители : Справочник.— М. : Металлургия, 1973.—440 с.
276. Руссо В. Л. Дуговая сварка в инертных газах.— Л. : Судострое-
ние, 1984.— 120 с.
277. Рэй В. Е. Производство регулирующих стержней дли ядерных
реакторов.— М. : Атомнздат, 1971.— 65 с.
278. Рябов В. Р., Оноприенко Л. М. Коррозионная стойкость сварных
соединений разнородных металлов.— Киев : КДНТП, 1971.—
25 с.
279. Рыкалин Н. Н. Расчеты тепловых процессов при сварке.— М. :
Машгнз, 1951.— 296 с.
280. Рыкалин Н. Н. Расчеты тепловых процессов при сварке // Спра-
вочник по сварке.— М. : Машгнз, 1960.— Т. 1. С. 9—50.
281. Рыкалин Н. Н., Любавский К. В. К вопросу о длине сварочной
ванночки И Автоген, дело.— 1946.— № 22.— С. 14—17.
282. Савицкий Е. М., Поварова К. Б., Макаров П. В. Металловеде-
ние вольфрама.— М. : Металлургия, 1978.— 224 с.
283. Салли А., Брендз Э. Хром.— М. : Металлургиздат, 1958.—
291 с.
284. Сапрыгин В. Д., Каракозов Э. С., Березников Ю. М. Сварка
давлением алюминиево-стальных и титано-алюминиевых элемен-
тов для работ при низких температурах //Свароч. пр-во.— 1975.—
№ 6,— С. 21—22.
285. Сафанников А. Н., Рабкин Д. М., Синчук А. Г. Электрошлаковая
сварка сплава АМгб И Автомат, сварка.— 1977.— № 10.—
С. 52—54.
286. Свариваемость биметалла гитан — сталь / В. И. Трубилко,
В. А. Савченко, С. М. Гуревич и др. // Там же.— 1969.— № 4.—
С. 63—65.
287. Свариваемость магниевого сплава ИМВ2 электроннолучевым
способом / В. Н. Мироненко, Н. А. Игнатков, А. В. Крылова
и др. // I конф, по сварке легких цветных и тугоплавких металлов
и сплавов, Киев, 21—23.11.1978; Тез. докл.— Киев : Ин-т элек-
тросварки нм. Е. О. Патона АН УССР, 1978 .— С. 20—22.
288. Свариваемость полуфабрикатов из сплава 1201 / А. Я- Ищенко,
А. А. Бондарев, М. И. Саенко и др. // Автомат, сварка — 1978 —
№ 5.— С. 60—62.
289. Сварка бронзы Бр.Х0,8 и стали ЭИ811 колеблюгцнмси электрон-
ным пучком / Ф. Н. Рыжков, А. В. Башкатов, А. Ф. Закомолдин
и др. И Там же.— 1973.— № 5.— С. 56—58.
290. Сварка ванадия / С. М. Гуревич, Б. А. Задерий, Г. К. Харченко
и др. // Там же.— 1986.— № 5.— С. 68.
291. Сварка в машиностроении : Справочник / Под ред. А. И. Акуло-
ва.— М. : Машиностроение, 1978.— Т. 2.— 462 с.
292. Сварка высокопрочных титановых сплавов / С. М. Гуревич,
Ф. Р. Куликов, В. Н. Замков и др.— М. : Машиностроение,
1975,— 150 с.
293. Сварка и резка в промышленном строительстве: Справочник / Под
ред. Б. Д. Малышева,— М. : Стройиздат, 1977.— 780 с.
294. Сварка меди активированным электродом / В. А. Леви кин,
П. И. Петров и др. // Автомат, сварка,— 1981,— № 2,—
С. 14—15.
295. Сварка меди незащищенной дугой / В. Я. Глушко, Н. П. Лосил-
ский, Ю. И Рубенчик и др. // Там же.— 1970.— № 9.— С. 68—69.
296. Сварка особотонкостенных труб/ Д. А. Дудко, В. Г. Вербицкий,
Б. И. Шнайдер и др.— М. : Машиностроение, 1977.— 128 С.
297. Сварка под флюсом медных изложниц кристаллизаторов /С. М.Гу-
ревич, С. М. Илюшенко, Л. К. Босаки др. //Свароч. пр-во.—
1975.—№8,—С. 12—14.
298. Сварка разнородных металлов и сплавов / В. Р. Рябов, Д. М. Раб-
кин, Р. С. Курочко и др.— М. : Машиностроение, 1984.— 239 с.
299. Сварка расфокусированным электронным лучом ниобиевых спла-
вов с нержавеющей сталью / Н. П. Крутоголовов, В. В. Дьяченко,
Е. Н. Сивов и др. И Свароч. пр-во.— 1980.— № 4.— С. 14—15.
300. Сварка сжатой дугой на переменном токе / Д. А. Дудко, С. П. Ла-
киза, Ф. М. Виноградский и др.//Автомат, сварка.— 1966.—
№ 7,— С. 47—49.
301. Сварка с электромагнитным перемешиванием / Под ред. В. П. Чер-
ныша.— Киев.: Техн1ка, 1983.— 127 с.
302. Сварка титана расщепленным вольфрамовым электродом в продоль-
ном магнитном поле / Г. М. Шеленков, В. П Черныш, С. М. Гу-
ревич и др. Ц Свароч. пр-во.— 1976.— № 12.— С. 15—17.
303. Сварка титанового сплава ВТ23 ? С. Г. Глазунов, А. И. Хорев,
И. С. Полькии и др. // Автомат, сварка.— 1978.— № 10.—
С. 73—74.
304. Сварка титановых сплавов ОТ4, ВТ6, ВТ15 в твердом состоянии
в режиме сверхпластичности / М. X. Шоршоров, Э. М. Дзене-
ладзе, А. С. Тихонов и др.//Свароч. пр-во.— 1975.— № 10.—
С. 20—22.
305. Сварка титановых сплавов с медью и ее сплавами / А. С. Михай-
лов, Е. В. Слонимский, А. М. Сенин, А. П. Сухоруков // Там же.—
1965,— № 8.— С. 1—3.
306. Сварка титановых трубопроводов в монтажных условиях /
В. Е. Блащук, С. М. Гуревич, А. Б. Коран и др. И Автомат, свар-
ка,— 1973,— № 2,— С. 52—53 .
307. Сварные соединения титановых сплавов / В. Н. Моисеев, Ф. Р.Ку-
ликов, Ю. Г. Кириллов и др.— М. : Металлургия, 1979.— 248 с.
308. Сварочное оборудование : Каталог-справочник. В 8-ми т. / Под
ред. А. И, Чвертко.— Киев : Наук . думка, 1968.— 1987.
309. Свойства титаново-алюмнниевых соединений, полученных свар-
кой взрывом / А. В. Ерохин, Н. Н. Казак, В. С. Седых и др. //
Свароч. пр-во.— 1972.— № 7.— С. 26—27.
310. Свойства тугоплавких металлов и сплавов / Под ред. Е. М. Са-
вицкого.— М. : Металлургиздат, 1968.— 328 с.
311. Семенов Б. Г., Гостенин А. А., Соловьев В. Л. О возможности
сварки биметалла титан + сталь с применением разделительных
слоев из тугоплавких материалов, нанесенных плазменной струей//
Плазменные порошковые покрытия.— Свердловск : Урал. науч,
центр СССР, 1980.—С. 56—63.
312. Семчишин М. Разработка н исследование свойств сплавов дуго-
вой плавки на основе молибдена//Молибден.— М. : Изд-во
иностр, лит., 1962.— С. 189—226.
313. Сивов Е. И., Дьяченко В. В. Влияние термического цикла элек-
троннолучевой сварки на формирование шва и свойства сварных
соединений ниобия со сталью (ВН-2АЭ + Х18Н10Т) // Свароч.
пр-во,— 1973.— № 4,— С. 11 —13.
314—315. Силин- Л. Л. Сварка ультразвуком И Справочник по свар-
ке,—М. : Машгиз, 1962,—Т. 2,—С. 581—587.
316. Смирнов В. С. Получение биметаллических листов прокаткой
вакуумных пакетов И Сталь.— 1966.— № 11.—С. 19—21.
317. Смирягин А. П., Смирягина Н. А., Белова А. В. Промышленные
цветные металлы и сплавы.— М. : Металлургия, 1970.— 488 с.
318. Солевая коррозия сплава АТЗ и сварных соединений / Н. А. Лан-
гер, В. Е. Блащук, Л. М. Оноприенко, Г. М. Шеленков // Автомат,
сварка.— 1983.— № 10.— С. 69—70.
319. Соломон Д. Достижения в области электроннолучевой сварки :
электроннолучевая и ионнолучевая технология // Пер. с англ.—
М. : Металлургия, 1968.— 206 с.
320. Солонина О. П., Глазунов С. Г. Титановые сплавы : Жаропрочные
титановые сплавы.— М. : Металлургия, 1976.— 456 с.
321. Соснин Н. А.. Щипков М. Д. Исследование сварки сжатой ду-
гой тонколистовых соединений из сплава АМгб // Автомат, свар-
ка,— 1977,— № 12,—С, 19—20.
322. Сплавы молибдена / Н. Н. Моргунова, Б. А. Клыпин, В. А. Бояр-
шинов и др.— М. : Металлургия, 1975.— 392 с.
323. Способы защиты оборудования от коррозии : Справочное руко-
водство / Под ред. Б. В. Сорокина и А. М. Сухотина.— Л. : Хи-
мия, 1987.— 280 с.
324. Справочник по оборудованию для дефектоскопии сварных швов/
В. А. Троицкий, А. С. Боровиков, В. П. Радько и др.— Киев :
Техн1ка, 1987.— 126 с. (1^
325. Справочник по практическому металловедению / В. Л. Пилюшен-
ко, Б. Б. Винокур, С. Е. Кондратюк и др.— Киев : Техюка,
1984,— 135 с.
326. Справочник по расчетам равновесий металлургических реакций /
А. Н. Крестовников, Л. П. Владимиров, Б. С. Гуляннцкий и
др.— М. : Металлургиздат, 1963.— 416 с.
327. Справочник по редким металлам / Под ред. В. Е. Плющеева.—
М. : Мир, 1965.— 385 с.
328. Стеклов О. И. Прочность сварных конструкций в агрессивных
средах.— М. : Машиностроение, 1976.— 200 с.
329. Стеклов О. //.'Сварка тугоплавких металлов и их сплавов //
Сварка в машиностроении.— М. : Машиностроение, 1978.—
Т. 2. С. 289—331.
330. Стеклов О. И., Акулов А. И. О влиянии остаточных напряжений
и вида напряженного состояния на коррозионное растрескивание
сварных соединений // Автомат, сварка.—1965.— № 2.— С. 21—23.
331. Стеренбоген Ю. А. О кристаллизации сварочной ванны и особен-
ностях ее расчета // Там же.— 1966.— № 6.— С. 1—5.
332. Стрижевская Л. Г., Куликов Ф. Р., Курочко Р. С. Высокоре-
сурсные сварочные соединения титана со сталью // Материалы
8-го Всесоюз. совещ. по сварке разнородных композиционных
и многослойных материалов, (Киев. 1980).— Киев : Ин-т электро-
сварки нм. Е. О. Патона, 1983.— С. 30—33.
333. Стрижевская Л. Г., Старова Л. Л. Сварка титана с другими ме-
таллами // Сварка цветных металлов н сплавов.— М. : МДНТГТ,
1968.— С. 80—88.
334. Стрижевская Л. Г., Старова М. Л., Куликов Ф. Р. Сваривае-
мость и свойства сварных соединений титана со сталью, выпол-
ненных с применением ванадиевого сплава И Лекции по сварке
разнородных и разноименных металлов.— М. : МДНТП, 1973 —
— С. 46—51.
335. Стройман И. М. Исследование стыковой холодной сварки некото-
рых алюминиевых сплавов И Автомат, сварка.— 1962.— № 8.—
С. 9—13. "
336. Строев А. С. Сплавы на основе тугоплавких металлов // Кон-
струкционные н жаропрочные материалы для новой техники.--
М. : Наука, 1978.— С. 53—63.
337. Структура и свойства сварных соединений меди со сталью, выпол-
ненных электроннолучевой сваркой в вакууме / В. Н. Беляев,
Н. М. Буравлев, В. В. Иваненко и др. // Свароч. пр-во.— 1976.—
№ 5.— С. 28—30. '
338. Структура н свойства сварных соединений титана и его сплавов,
выполненных вольфрамовым электродом в аксиальном магнитной
поле / Г. М. Шеленков, В. П. Черныш, С. М. Гуревич и др. И
Хим. н нефт. машиностроение.— 1977.— № 3.— С. 26—27.
339. Структура и свойства металла швов на сплаве АМгб прн свар-
ке с электромагнитным перемешиванием // В. П. Черныш,
В. В. Сыроватка, А. Ф. Гриценко и др. // Автомат, сварка.—
1972,— № 11,— С. 16—19.
340. Структура соединений титан — медь, выполненных диффузион-
ной сваркой при различных схемах деформирования / Л. Н. Ла-
риков, М. Н. Белякова, В. Н. Замков, В. К. Собакарь // Там же.—
1982,— № 6.— С. 21—23.
341. Стыковая сварка титана и его сплавов на модернизированных
машинах типа МСГА-300 / М. К. Забурдин, В. Ф. Захаренко,
С. Н. Шестаков и др. И Свароч. пр-во.— 1958.— № 9,—
С. 36—39.
342. Тайц Б. Л. Современная технология н оборудование для дуговой
сварки алюминиевых конструкций.— Л. : ЛДНТП, 1964.— 138с.
343. Теоретические основы сварки / Под ред. В. В. Фролова.— М. •.
Высш, шк., 1970.— 592 с.
344. Терещенко В. И., Ливанов А. В. Выбор и применение способов
сварки при изготовлении конструкций. — Киев : Наук, думка,
1987,— 192 с.
345. Термическая обработка титановых и алюминиевых сплавов в ва-
кууме и инертных средах / Г. Г. Максимович, В. Н. Федирко,
Я. И. Спектор, А. Т. Пичугин.— Киев : Наук, думка, 1987.—
184 с.
346. Термическое разрушение окисной пленки прн сварке алюминия /
В. П. Будннк, Д. М. Рабкин, Б. А. Стебловский и др // Автомат,
сварка.— 1975.— № 10.— С. 74—75.
347. Термодинамические свойства индивидуальных веществ / Под ред.
В. П. Глушко.— М. : Наука, 1978.— Т. 1. Кн. 2. 326 с.; 1979.—
Т. 2. Кн. 2. 340 с„ 1981.— Т. 3,— Кн. 2. 395 с.; 1982,— Т. 4.
Кн. 2. 557 с.
348. Технология и оборудование контактной сварки /Б. Д. Орлов,
Ю. В. Дмитриев, Л. А. Чакалев и др.— М. : Машиностроение,
1975.— 535 с.
349. Технология и оборудование сварки плавлением/ Г. Д. Никифо-
ров, Г. В. Бобров, В. М. Никитин и др.— М. : Машиностроение,
1978.— 327 с.
350. Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением/
Под ред. Б. Е. Патона.— М. : Машиностроение, 1974.— 768 с.
351. Тимонова М. А., Столярова Л. Н., Рязанцев В. И. Коррозион-
ная стойкость и защита сварных швов в элементах конструкций
из магниевых сплавов // I. конф, по сварке легких, цветных н ту-
гоплавких металлов н сплавов, Киев, 21—23.11.1978; Тез. докл.—
Киев : Ин-т электросварки им. Е. О. Патона АН УССР, 1978.—
С. 38—39.
352. Титановые сплавы в машиностроении / Б. Б. Чечулин, С. С. Уш-
: ков, И. Н. Разуваева н др.— Л. : Машиностроение* 1977.— 248 с.
353. Титц Т., Уилсон Д. Тугоплавкие металлы и сплавы.— М. :
Металлургия, 1969.— 352 с.
354. Томашов Н. Д., Чернова Г. П. Теория коррозии и коррозиопно-
< стойкие конструкционные сплавы.— М. : Металлургия, 1986.—
• 359 с.
355. Третьяков Ф. Е. Сварка плавлением титана и его сплавов.— М. :
Машиностроение, 1967.— 142 с.
356. Третьяков Ф. Е., Вакс И. А., Прохоров К. А. Импульсная свар-
ка в аргоне титановых сплавов малых толщин // Свароч. пр-во.—
1967,—№3.—С. 30—36.
357. Трефилов В. И., Мильман Ю. В., Фирстов С. А. Физические
основы прочности тугоплавких металлов.— Киев : Наук, думка,
1975,— 315 с.
358. Троицкий В. А. Количественная опенка качества сварных кон-
струкций и технологий // Автомат, сварка.— 1983.— № 4.—
С. 45—52.
359. Трубилко В. М., Савченко В. А., Гуревич С. М. Коррозионная
стойкость сварных соединений биметалла титаи — сталь // Там
же,— 1973,— № 12,— С. 66—67.
360. Тугоплавкие материалы в машиностроении : Справочник /Под ред.
А. Т. Туманова, К. И. Портнова.— М. : Машиностроение, 1967.—
322 с.
361. Тугоплавкие металлы в новой технике / Под ред. К. И. Портного,
Б. Г. Арабея.— М. : Мир, 1969.— 400 с.
362. Тугоплавкие и редкие металлы и сплавы: Справочник / Д. Г. Кар-
пачев, Е. Д. Доронькин, С. А. Цукерман и др.— М. : Металлур-
гия, 1977.— 240 с.
363. Туфанов Д. Г. Коррозионная стойкость нержавеющих сталей,
сплавов и чистых металлов : Справочник.— М. : Металлургии,
1982,— 352 с.
364. Уайт Д. В., Беркс Д. Э. Металлический бериллий.— М. ; Изд-
во иностр, лит., 1960.— 211 с.
365. Усовершенствование технологии плазменно-дуговой сварки изде-
лий из меди и хромовой бронзы больших толщин / В. М. Илю-
шенко, В. Е. Седов, В. А. Аношин и др. // Свароч.пр-во.— 1971.—
№ 11,—С. 31—327.
366. Фаст Д. Д. Взаимодействие металлов с газами.— М. : Металлур-
гия, 1975.— 352 с.
367. Фаунтейн Р. У,, Мак Киней С. Р. Физические и механические
свойства ниобия, тантала и их сплавов // Ниобий, тантал и их
сплавы.— М.: Металлургия, 1966.— С. Ц7—204.
368. Финкельштейн М. Л. Диффузионная сварка в жидких средах.—
М.: Металлургия, 1978.—64 с.
369. Феликсон Е. И., Финкельштейн М. Л. Диффузионнаи сварка
материалов в жидких средах // Свароч. пр-во.— 1971.— № 1,—
С. 24—25.
370. Физический энциклопедический словарь.— М. : Сов. энцикл.—
1966,— Т. 1. 564 с.
371. Физико-химические свойства элементов: Справочник / Под ред.
Г. В. Самсонова.— Киев : Наук, думка, 1965.— 807 с.
372. Фокин М. Н„ Жигалова К. А. Методы коррозионных испытаний
металлов.— М. : Металлургия, 1986.— 79 с.
373. Фокин М. Н., Рускол Ю. С., Мосолов А. В. Титан и его сплавы
в химической промышленности.— Л. : Химии, 1978.— 200 с.
374. Формирование н прочность швов при сварке серебра / С. М. Гуре-
вич, С. Н. Бережницкнй, А. Ф. Батакшев и др. // Автомат, свар-
ка,— 1971.— № 4.— С. 74—75.
375. Фриндленд Л. А., Зиновьева Т. Н., Кононов Ю. К. Сварка алю-
миния с титаном И Свароч. пр-во.— 1963.— № 11.— С. 5—8.
376. Фролов В. В., Парусов А. И. Сварка меди и медных сплавов И
Справочник по сварке.— М. : Машиностроение, 1971.— Т, 4.—
С. 325—338.
377. Фрумин И. И. Автоматическая электродуговая наплавка.— М. :
Металлургия, 1961.— 421 с.
378. Фрумин И. И., Походня И. К. Исследование средней темпера-
туры сварочной ванны // Автомат, сварка.— 1955.— № 4.—
С. 13—30.
379. Хавов В. Д. Исследование процесса оплавления при стыковой
сварке деталей из цветных металлов // Свароч. пр-во.— 1960.—
№ 5,— С. 7—11.
380. Холопов Ю. В. Ультразвуковая сварка.— Л. : Машиностроение.
1972,— 152 с.
381. Хохловский А. С., Лопатко А. П., Крымов В. Г. Свариваемость
сплавов па основе магния электронным лучом // Электронно-лу-
чевая сварка.— М. : Машиностроение, 1978.— С. 68—72.
382. Хренов К. К. Холодная и прессовая сварка алюминия и его спла-
вов // Сварка специальных металлов и сплавов.— Киев : Изд-во
АН УССР, 1963,—С. 9—21.
383. Хренов К. К., Костецкий Б. И., Сахацкий Г. П. Холодная сварка
металлов сдвигом.— Киев : Изд-во АН УССР, 1954.— 42 с.
384. Цветные металлы: Справочник / Под ред. М. Ф. Баженова.—
М. : Металлургия, 1973.— 208 с.
385. Цвиккер У. Титан и его сплавы.— М. : Металлургия, 1979.—
512 с.
386. Чарухина К. Е., Казаков Н. Ф. Диффузионная сварка в вакууме
разнородных металлов.— Л. : ЛДНТП, 1964.— 24 с.
387. Чвертко А. И., Тимченко В. А. Унифицированное обрудовапие
для автоматической и механизированной дуговой сварки и на-
плавки.— Киев : Наук, думка, 1987.— 192 с.
388. Чернов В. Ю., Бондарев А. А., Рабкин Д. М. Разработка техно-
логии электронно-лучевой свайки поршней с полостью ох-
лаждения // Электронно-лучевая сварка.— М.: Знание, 1978.—
С. 84—90.
389. Чижов С. И., Королев Ф. В., Терентьев В. В. Аргоио-дуговая
сварка цинка И Свароч. пр-во.— 1967.— № 5.— С. 39—40.
390. Чулошников П. Л. Контактная сварка.— М. : Машиностроение,
1987,— 176 с.
391. Чулошников П. Л. Контактная сварка алюминиевых и магниевых
сплавов // Справочник по сварке.— М. : Машгиз, 1977.— Т. 4.
С. 303—322.
392. Шавырин В. Н., Рязанцев В. И., Федосеев В. А. Контактная
сварка алюминиевых и магниевых сплавов с применением клеев,
грунтов и паст И Актуальные проблемы сварки цветных метал-
лов,— Киев : Наук, думка, 1980.— С. 188—192.
393. Шаманин М. В. Некоторые вопросы кристаллизации металла
шва при электродуговой сварке // Сварка.— 1959.— № 1.—
С. 36—38.
394. Шестаков А. И., Россошанский А. А. Прессовая сварка катаных
профилей изалюмиииево-магниевых сплавов // Автомат, сварка —
1962,— № 5,— С. 85—88.
'395 . Шигаев Т. Г. Аргонодуговая сварка неповоротных стыков мед-
ных трубопроводов модулированным током // Актуальные проб-
лемы сварки цветных металлов.— Киев : Наук, думка, 1985.—
С. 358—359.
396. Широнин В. М. Технология мнкроплазменной сварки тонколисто-
вого титана // Свароч. пр-во.— 1973.— № 11.— С. 14—16.
,397 . Шнайдер Б. И., Гвоздецкий В. С., Свецинский А. С. Микроплаз-
менная сварка палладиевой фольги И Автомат, сварка.— 1971.—
№1.—С. 53-54.
.398 . Шоршоров М. X. Холодная сварка // Сварка в машиностроении.—
М. : Машиностроение, 1978.— Т. 1. С. 358—362.
399. Шоршоров М. X.. Назаров Г. В. Сварка титана него сплавов.—
М. : Машгиз, 1959.— 135 с.
400. Шоршоров М. X., Чернышова Т. А., Красовский А. Я. Испыта-
ния металлов на свариваемость.— М. : Металлургия, 1972.—
240 с.
401. Шутов Б. А., Ерохин А. А. Управление составом шва при элект-
ронно-лучевой сварке разнородных металлов // Свароч. пр-во.—
1971,— № 10,— С. 10—12.
402. [Целевая коррозия технического титана ВТ1-0 / В. Е. Блащук,
В. Б. Волков, Л. М. Оноприенко, Г. М. Шеленков // Физ-хим.
механика материалов.— 1981.— № 2.— С. 105—106.
403. [Цетанов Д. П. Сварка сплавов ниобия ВН1 и ВН2 с титаном
ВТ1 и ОТ4 И Свароч. пр-во,— 1977,—№ 1,—С. 5—7.
404. Электронно-лучевая сварка / Под ред. Б. Е. Патона.— Киев :
Наук, думка, 1987.— 256 с.
405. Электронно-лучевая сварка сплава МЬ — 12г—0,1С / В. Н. Крю-
ковский, И. В. Шергов, Ю. П. Торговкин н др. // Свароч. пр-во.—
1972.—№ 7,—С. 20—21.
406. Электронно-лучевая сварка технического железа с бронзой //
А. В. Башкатов, Ф. Н. Рыжков, В. Р. Петренко и др. // Свароч.
пр-во,— 1977,—№8,—С. 11 — 12.
’ 407. Электронно-лучевая сварка титанового сплава ОТ4-1 со сталью
ВНС-2 / В. Р. Петренко, Ф. Н. Рыжков, А. В. Башкатов и др. И
’ Там же,— 1974,— № 10,— С. 19—20.
’ 408. Электронно-лучевая сварка циркония / Б. А. Задерий, Г. К. Хар-
ченко, Л. Н. Ягупольская и др. И Автомат, сварка.— 1970.—
№ 12,— С. 70—72.
409. Электрошлаковая сварка и наплавка / Под ред. Б. Е. Патона.—
М. : Машиностроение, 1980.— 511с.
410. Электрошлаковая сварка титановых сплавов / Я. Ю. Компан,
В. Ф. Грабин, М. А. Авралов и др.— Ташкент : Фан, 1975.—
84 с.
411. Эллиот Д. Ф., Гляйзер М., Рамакришна В. Термохимия стале-
плавильных процессов.—М. : Металлургия, 1969.— 252 с.
412. Экспериментальные исследования сварочных напряжений и де»
формаций / Б. С. Касаткин, Л. М. Лобанов, В. В. Волков и др.—
Киев : Наук, думка, 1976.— 148 с.
413. Энциклопедия неорганических материалов.— Киев : Голов, ред.
УРЕ, 1977,— Т. 1. 840 с.; Т. 2. 813 с.
414. Ягупольская Л. Н., Гуревич С. М. Коррозия сварных соединенцй
титановых сплавов в минеральных кислотах // Автомат, сварка.—
1960,— № 11.— С. 18—21.
415. АкНозЫ 2., 8е1г СМгозМ Р. Образование чистой (алюминиевой)
поверхности при контактной пластической деформации в условиях
термокомпрессионной сварки золота с алюминием // Нихон Кинд-
заку Гиккайси.— 1977.— 41, № 11,—С. 1154—1160.
416. Ата1о /., Оагепа О. 5оте <1еуе1ортеп1 1п 1Ье епд с1озиге ^е1сНтТ2
1есЬпо1о§у 1ог г!гса!оу Надбей 1ие1 гойз И Епег§. Ыис1.— 1970.—
17, Н 4.— Р. 234—243.
417. Атзоп I. С. Ап апа1уз18 о! Ше §аз-зЫе1йеб сопзитаЫе те1а! аго
хуе1й1п§ 8уа1ет И ВгИ. \Уе1б. 3.— 1962.— И 4.— Р. 232—249. к
418. Апйо К., М1к1 Р. Оп Ше Шегта! еШНепсу апй зресШс йерозИёй
Ьеа! (ог вреНПс Ьеа! 1гапз1ег питЬег) о( хуе1йт§ аге // ТесЬп. Кер18
Озака Пту,— 1953,— 3, Н 55/73,— Р. 143—157. 1
419. Апдо К., Я1з!ирисН1 К. Ауега§е 1етрега1иге о! 1Ье тоИеп роо! [п
ТЮ аге хуе1й!п§ о! з1ее! апй аШпипшт.— Рапа, 1959.— 7 р.*-
(1п(. 1пз1. \Уе1д1пп; Вос. 212—161—63).
420. ВарзНаха Я. Е., Еоапз Р. А. Со1й хуИйтд о! сИзрегзюп 81гепс11&-
пей 1еай И Ме1а11иг§1а.— 1977.— 76, И 458.— Р. 229—232.
421. ВерМ О., Ма1ега Я., Р1аШ О. Езате з!гиН1ага1е сП за1би1иге
беНа 1е§а 2г-2, 5МЬ // МеЕ Иа1,— 1970,— 62, И 2,— Р. 57—67.
422. Вег1озза В. С. С1адсНп§ оп з!ее! орепз пего Пе1д о! Шап1ит И 1гоп
А§е,— 1957,— 180, И 18,— Р. 59—60.
423. ВомиогМ Т. I. В1Ииз1оп хуе1д1п§ о! ЬегуШит // \Уе1д. 3.— 1972,—
51, И 12,— Р. 580—5908.
424. Вггег1пзк1 К. Зрахуате т1ес1г1 V/ оз!оп1е аг§опи // Ргг. зрахуо1п.—
1967,— 19, Н 9.-8. 212—218.
425. Ви1охи> С. Ё. Неге’з Коху уои сап с;с1 ЬеКег гезпИз хуИеп ге81з1апёе
хуе1сПп§ соорег аНоуз И Сап. МасЬ. апсЗ Ме1а1хуогк.— 1964.— 75,
И. 6.— Р. 126—130.
426. Оапсе О., Оипсап С. 8ро1 хуе1сНп§ о! (Ып соррег з11ее(з // 3. РЬуз.
8с1. 1пз1гит.— 1972.— 5, И 1.— Р. 10—11.
427. Оахюзоп В. I. Еизюп хх’е1<Пп§ апд Ьгаг1п§ 01 соррег апс! соррег
аНоуз.— К’еху Уогк : На1з1ед Ргезз Воок, 1973,— 139 р.
428. Е1Могп Р., Шгзск Р. \УеИегеп1ху1ск1ипд дез Е1ек1го-8сЫаскё-
8сЬхуе1ззеп8 (йг <Пе А1ит1п1ит-1ед(егип§ А1Мд 45Мп ип<1 (йг баз
8с11пе11егзсйхуе18зеп уоп п1едг1§1ед!ег1еп 81аЬ1ЫесЬеп // ОУ8 —
Вег,— 1978,— И 41,— 8. 59—68.
429. РогтаИоп тесИатзт о( рогозИу 1п аШпипшт апд Из аПоуз //
3. Зар. Ь1§Ы Ме1а1 Ше1<1. ап<1 Сопз1г (Кес К1пгоки Уозе1зи).—
1981.— 19, 1X1 10.— Р. 17—25.
430. Рискз Е., ВгасНеу И. \Уе1<Ппр о( поп-(еггоиз те(а1з: хуе1<Ипу ргас-
Нсе.— Ьопбоп : Ви(1егхуог1Нз 8с1. РиЫ., 1952.— 183 р.
431. Риз1оп хуе1сПп§ о! ЬегуШит // \УеМ. \1/ог1б.— 1964.— 16, 1X1 8.—
Р. 454—458.
432. Наг1 Я. К. ТЬе (огтаНоп о! П1тз оп а1ит1п1ит соттегзеб ш \уа-
1ег // Тгапь. Еагабау 8ос.— 1957.— И 3.— Р. 1026.
433. Наизег Е., МиМег Н., Моигое Р. Е1ес1гоп Ьеат «е1<Пп§ о( ЬегуЬ
Иит И \Уе1д. 3.— 1967,— 6, М 12 т.— Р. 5258—5408.
434. НегЪег А. I. Кез1з1апсе зро! хуе1сИп« ЬегуШит 8Ьее18 // \Уе1б.
3. — 1962,— 41, М 4,— Р. 331—336.
435. НеиЬпег I/., Ре1пег( М. Еп1'лг1ск1ип§ уегЬе8зег1еп В1е1\уегкз1оИе
Гиг деп СЬегше—АррагаГигеЬаи И МеГаП (XV. ВегИп).— 1980.—
34, 14 3.— 8. 214—221.
436. Еокпзоп Е. Е>. 8оте оЬзегуаНоп оп 1Ье е1ес1гоп Ьеат дуе1сПп2 о!
соррег // УУе1с1. Л._ 1970,— 49, 14 2,—Р. 55з—60з.
437. К1а1п Р. ТЬе 5Уе1сНп§ о{ та§пез1ит аНоуз // 1Ы6.— 1957.— 36,
14 7.— Р. 3028—305®.
438. Коек Р., КеиЬег1 О. ХУ1гкип§8§га<1Ьегескпип§ Ье1т Е1ес1гопеп-
81гаГ118сЬуе<88еп // 218—МНЕ— 1967,— 9, 14 5.- 8. 142—145.
439. Кота(зи Р., Но 8. ХУеИш^ та§пе81ит // Ме1а1 \Уе1с1.
апс! СопзХг.— 1976,— 14, 14 3,— Р. 121 — 131.
440. Копи>1ез Е. Е., Наг1еИ Т. Н. Н1бЬ-з1геп§ЫЬ 1<ж-1етрега!иге Ьоп<1-
1па о! ЬегуШит ап<1 оШег те!а1з // \Уе1б. Л.— 1970.— 49, И 7.—
Р. 3018—3108.
441. КйЬег В. 8ски1г§аз8с11'уе1з8еп уоп Кир1ег ипб Кир1ег1е§1гип§еп //
Ме1а11,— 1974,— 14 12,— 8. 1159—1169.
442. Е1еЫзск Н. М1сгор1азта: Ргес1з1Оп апб 1<ж епег§у гецииетепЬ И
\Уе1б. апё Ме1а1 ЕаЬг.— 1978.— 14 9.— Р. 445—450.
443. Еоскюоое! Ь. Е. Ри1зе-агс 'уе1<Пп§ о! та§пе81ит <1 Ме(а1 Рго§г.—
; 1961,— 80, 14 10.—Р. 62—64.
^44. Масркегзоп В. М., Веоег 1Г. НЕ Но\у 1о \уе1б ЬегуШит И ХУе1б.
Л,— 1962.- 41, 14 4,—Р. 327—330.
445. МоПеп /., Ро1&е ]8Мег I. Пат. 139050 (Франция).— Ргосёбе
<Ле рпсИоп бе р!ёсез еп ЬегуШит е! ргобиИз оЫепиз раг се ргосе-
, бе,— Опубл. 18.01.65.
446. Мопс1о1[о Е. Р. АШпмтит аПоуз: 8(гис1иге апб ргорегНез.—
ЬопОоп; Воз1оп : ВиЕегхУОгШ, 1976.— 971 р.
447. КИго^еп рогозИу 1п §аз зЫеЮеб аге меЮт^ о{ соррег И ХУе1б. Л.—
1974,— 53, 14 2.— Р. 516—564.
448. Оказк! О., Назк1то1о Т. ЕНес! о! зигГасе 1геа1теп1 Ьу §1о\у сНзсЬаг-
йе оп сННизюп 1Уе1<Ип§// Тгапз. 14а1. Кез. 1пзЕ Ме1а18. —1977.—
19, 14 3,— Р. 112—118.
449. Рогате1г1с тосННсаНоп о! \уе1с1 т1сг081гис1иге 1п 1г1(Нит /
В. Ь. СоИеу, XV. Н. Лопез, В. Саг1т1П, XV. А. 8аи1 // ХУе1б. Л.—
1974,— 53/14 12,—Р. 566—568.
450. Раззтоге Е. М. 8оНб 81а1е Ауе1<Нп§ о{ ЬегуШит // 1Ы8. — 1963.—
42, 14 4,— Р. 186з—189з.
451. Р1аИе УР. К. Лопп’пй геГгас!огу те(а18 // ПеГгасГогу Ме1а1з &
АНоуз. — №е\у Уогк : 1п1егзс1епсе, 1963.— Уо1. 2.— Р. 307—349.
452. РоИко'Н Р., К1еззИпд Е. Е1ек1гозсЫаскзсЬхуе185еп уоп АШгттит И
8сЬ'Уе1зз ип<1 8сЬпе1<1.— 1973.— 25, 14 10.— 8. 470—472.
453. Ра§ег Е>. О. Внес! сиггеп!, з1га1йМ ро1ап!у §аз 1и§з1еп-агс \уе1<1-
1Пй о! аШттшт // ХУе1<1. Л.— 1971.— 50, 14 5.— Р. 332—341.
454. 5со1( О. С., ЕМез С. 2., НиЬег К. А. $иссезз1и1 ]01п1п§ о! Ьегу1-
Нит И 1Ы<Л,— 1972,— 51, 14 1.— Р. 15—23.
455. 8скчие1ззеп уоп 141ске1\уегкз1о1Геп // ТесЬп. КбзсЬ.— 1975.— 67.—
8. 12—16.
456. Те-Е1п- Уои. ЕИес1з о! 1тригШез 1п 8иИиг1с асЮ оп 1Ье соггоз1оп
гез1з1апсе оГ гксотит // 1п<1. Арр1. о! ТНатит апд 21гсоп1ит:
ТЫгс! СопЕ, РЫ1, А8ТМ 8ТР830, 1984,— Р. 203—212.
457. Токазк1 МигакатЕ Кепзике Мокг1. Ло1п1п§ о! то1уЬ<1епит ап<1 Не
аИоуз// Л. о! ШеЛар. ХХ'еИте 8ос.—1988,—57, 14 4.— Р. 105—113.
458. Ту1есо1е Р. Р. 1пуезН§аНоп о! ргеззиге дуе1сПп§ // ВгШ ХУе18.
Л,— 1964,—14 3,—Р. 117—125.
459. Уеппекепз К., Зкеоегз А. А. Р1азта М16 чуе1сИп§ о! соррег апд сор-
рег аНоуз // ХУе1<1. ап<1 Ме1а1 раЬг,— 1977.— 45, М 4.—
Р. 227—235.
460. Уе^ггуп I. Зра^агне ппе<121 1 ]е1 агорой е1ек(годат1 §1еЬокоху
4ар1а ]а супм // Ргг. 8ра\у.— 1966,— 14 10.— 5. 21—23.
461. Уе1<Нгщ ргорегНев о! попЛеггоиа те1а1а // Ме1а1 Соп8(г.— 1983 _
15, 14 2.— Р. 80.
462. УеШпд ргорегНев о! попЛеггоиз те!а1з // 1Ы8. 1983.— 15, 14 3__
Р. 140.
463. Уе1<Нп(> ргорегНез о! поп-Геггоиз те!а1з // 1Ы6 Сопзк. — 1983 _
15, 14 4.— Р. 219—221.
464. Уе1<Нпё ргорегНез о! поп-1еггоиз те!а1з // 1Ы6 Сопз1г.— 1983 _
15, М 6.— Р. 345—346.
465. №7п1е«1е1П Н„ Р1зсНег Н. С. Сй(ергоЫете Ье1т Зск^ззеп уоп
В1еПе§1егип§еп//218—МШ.— 1980.— 22, М 10,— 5. 1165—1172.
466. УНИе 5. 5., ЬопЛег Н. Неи У. Т. А згибу о! е1ес!гоп Ьеат
^е161п§ И Ше1<1. Л.— 1962.— 41, 14 6.— Р. 279з—288з.
467. У1езпег Р. Е1ек(гопепз1гаЫзс11зуе188еп // Тескгмк,— 1977.— 32,
14 10.— 8. 573—578.
468. ШЧезпег Р. В1е ВегесЬпип§ бег АЬкйЫ§е8сЬду1п61§кеИ Ье1т
Е1ек1гопеп81гаЫ8сЬдуе188еп//8с115уе1881ес11п1к.— 1972.— 22, 14 1.___
8. 15—16.
469. УШ К. Н. Е. В. — \Ме1сНп§ Шапшт // \Уе1с1. Еп§.— 1970.—
М 5.— Р. 66—75.
470. 2аппег Р. I., Р1зсНег Р. У. В1Ни81оп \ге1<Яп§ о! соттегспа! Ьгопгй
1о а Шапшт а11оу // Ше1<1. Л.—1975,— 54, Ы 4.— Р.1058—1128.
Автоматы сварочные 97
Азот 45, 52—53, 111, 161, 271—
273, 328
Альфированиый слой 50
Алюминий
сварка 205—244
физико-химические свойства 9—
17, 56—57
Аргон 101, 111, 113, 161, 166, 192,
213, 216, 221, 245, 254, 271, 277,
293, 303, 313, 356
Ацетилен 88—89, 188, 260, 288—
289, 301, 305, 307
Баллоны 90
Бериллий
сварка 253—255
физико-химические свойства 9—
12, 18—19, 57
Биметаллы
сварка 308, 388, 394
свойства соединений 383, 387
Борный шлак 157
Бронзы
сварка 266—267, 270, 279, 284—
285
состав н свойства 67—72
Бутан 161, 188. 207, 260—261, 305,
307
Вакуумметры 117
Вакуумные системы сварочных
установок 117
Ванадий
сварка 359—366
физико-химические свойства 9—
12, 35—36, 59
Ванна сварочная
— металлическая 87, 166
— шлаковая 112
Вентиляция 469
Включения шлаковые (см. Дефек-
ты сварочного соединения)
Водород 161 45, 53—56, 301, 305,
307, 328, 437
Вольфрам
сварка 366—371
физико-химические свойства 9—
12, 43—45, 58
Вращатели 465
Вылет электрода 169
Выносливость сварных соедине-
ний 350
Выпрямители сварочные (см. Ис-
точники питания для сварки)
Газы 161—162
горючие 161
заменители ацетилена 161, 261,
301
защитные 161, 313
сжиженные 161
Гаммаграфирование 446—447
Гафний
сварка 355—358
физико-химические свойства 9—
12, 33-35
Гелий 110—111, 161, 192, 213, 216,
254, 313, 356, 361
Генераторы ацетиленовые 90
— импульсов 103
— оптические 122
Глубина проплавления 167
Головки сварочные 97
Горелки
для газовой сварки 91
— дуговой сварки неплавящимся
электродом 105, 217, 219
— тре.хфазной сварки 218
Губки зажимные стыковых машин
163
Дефектоскоп вакуумный 449'
Дефектоскопия магнитная 448
— ультразвуковая 447
Дефекты сварного соединения
внутренние 432
наружные 430
макроскопические 435
Деформации при сварке
причины возникновения 195
расчет 202
способы предупреждения 200,
204
Деформация схватывания 136
Длина дуги 262, 271
Дуралюмни 64
Жесткая внешняя характеристика
источника питания 94
Замедленное разрушение 311, 435
Заменители ацетилена 261
Затвор предохранительный 89
Золото
сварка 307—309
физико-химические свойства 9—
12, 26—27
Зона термического влияния (ЗТВ)
— на мономорфных металлах 186
— полиморфных металлах 186
Зональная ликвация 183
Зоны газового пламени (см. Пла-
мя газовое)
Изобарно-изотермический потен-
циал 193
Иридий сварка 308
Искусственное охлаждение свар-
ных соединений 202, 316
Испытания сварных соединений
аммиаком 451
гидравлические 445
обдувом 450
пневматические 445
Источники питания для сварки
дуговой 92—94, 478—479
импульсной 108, 478—479
микроплазменной 111
плазменно-дуговой 111,479
электронно-лучевой 118
электрошлаковой 114,478
Источники теплоты (схемы при ,
тепловых расчетах) 174
Камеры с контролируемой атмо-
сферой
малогабаритные 103, 313
накидные 103
обитаемые 103—104, 313
Кантователи 466
Катет шва 431
Кислород 45—52, 161, 261, 301,
307, 328
Классификация
дефектов сварных соединений
430
металлов и их сплавов 10
методов контроля качества 444
способов сварки 87
Коррозионная стойкость
металлов и сплавов 13, 18, 20,
23, 25, 26-29, 32—33, 36, 38, 40,
42, 44
сварных соединений 330, 389,
424—430
Коэффициент
заменителя ацетилена 261
наплавки 169
поверхностного натяжения 172
полезного действия (КПД)
«—нагрева изделия источником
теплоты 166
•---плавящегося электрода 168
---проплавления 168
потерь 170
расплавления 170
формы шва 184
Кристаллизация металла шва 182—
187
Крупнокапельный перенос элек-
тродного металла (см. Перенос
электродного металла)
Латуни
сварка 269, 277, 283—285
свойства 67—70
«Левая» сварка 88
Луч электронный 115
Люминофор 450
Магний
сварка 244—253
физико-химические свойства 9—
12, 17—18, 57
Макроскопическая ликвация свар-
ных швов 183, 186
Макроструктурный анализ 453
Манипуляторы 465
Машины для контактной сварки
128—129, 479-481
Медь
сварка 256—287
физико-химические свойства 9—
12, 19—22, 58
Мелкокапельный перенос электрод-
ного металла (см. Перенос элек-
тродного металла)
Местный отсос 470—472
Метан 207, 307
Методы контроля сварных соеди-
нений 444—458
Методы легирования швов 190
Механические свойства сварных
соединении из металлов
легких 210, 212, 216, 223—225,
229, 231, 237—241, 248, 250, 252
тяжелых 265, 269, 277, 281—282,
292—297
химически активных и тугоплав-
ких 330—334, 339—340, 345,
348, 350, 353, 355, 358, 364
Механическое оборудование сва-
рочное 465—469
Микронеоднородность шва 184
Микроструктурный анализ 453
Модификаторы швов 190, 222
Молибден
сварка 366—371
физико-химические свойства 9—
12, 39—41, 59
Мундштук плавящийся 113, 346
— сварочный 212, 348
Напряжение дуги 190
Напряжения сварочные остаточ-
ные
первого рода 195
второго 195
третьего 195
Насадка 104, 107, 179, 315—316
Неоднородность сварного соедине-
ния 183
Непровар (см. Дефекты сварного
соединения)
Никель
сварка 287—300
физико-химические свойства 9—
12, 22—24
Ниобий
сварка 359—366
физико-химические свойства 9—
12, 36—37, 58, 59
Нормы расхода материалов 475
Осцилляторы 92—93
Палладий
сварка 309
физико-химические свойства 9—
12, 28
Параметры режимов сварки
алюминия 209—214, 216, 218--
221, 224—225, 227, 233, 235—237,
240, 242
бериллия 254—255
благородных металлов 306—
309
ванадия 363, 364
вольфрама 370
магния 246—248, 251
меди 261—264, 266—267, 269—
270, 272, 275, 278—280, 283—286
молибдена 369, 371
никеля 290, 293, 295—297
ниобия 363—365
свинца 300—305
тантала 363, 364
титана 317, 319, 321-323, 325,
328, 336, 341, 343- 436, 350—
354,
хрома 371
цинка 305—306
циркония 356—357
Перенос электродного хичалла
170-171
Плазма 109
Плазмотроны 110, 342
Пламя
газовое 188
нормальное 188
окислительное 188
состав 188
строение 188
температура 188
Платина
сварка 309
физико-химические свойства 9—
12, 27—28, 58
Поворотные приспособления 467
Погонная энергия 167, 322
Погруженная дуга (электрод) 319
Подготовка кромок 206, 245, 253,
260, 288, 307, 312, 356, 360, 368
Поддув 104, 316
Подогрев
предварительный 200, 206, 209,
222, 253, 256
сопутствующий 200, 222, 256
Подрезы (см. Дефекты сварного
соединения)
Покрытия электродов 147—155
алюминиевых 148
магниевых 151
медных 152—153
никелевых 154
Полуавтоматы сварочные 96,215,478
Поля остаточных напряжений
двухосные 195—196
одноосные 195—106
трехосные 195—196
Поры (см. Дефекты сварного
соединения)
сПравая» сварка 88
Преобразователи сварочные (см.
Источники питания для сварки)
Проба керосином 449
Провар 167, 281
Проволока сварочная
порошковая 155
сплошная 143
Прожоги (см. Дефекты сварного
соединения)
Пропанбутановая смесь 161, 207,
261, 305
Пруток присадочный 143
Пушки электронные сварочные 119
Разделка кромок 208, 215, 247, 273,
276, 291, 292, 318, 380
Редуктор 105
Режим сварки жесткий 124, 233
Режимы сварки (см. Параметры
режимов сварки)
Рентгенодефектоскопия 446—447
Реостаты балластные 95
Респиратор 471
Роликовый стенд 468
Ротаметры 105
Свариваемость цветных металлов
86
испытания 453
Сварка
взрывом 141—142, 355, 366,419
высокочастотная 127—130
газовая 88—91
диффузионная 130—134
— в вакууме 130, 242—244, 285,
299—300, 352—355, 358, 364, 370,
411
— жидкой среде 132
«— режимах сверхпластичностн
132
дуговая 91—109
— в вакууме 104, 329
----контролируемой атмосфере
104, 313, 356, 361, 368
— —магнитном поле 101
---среде защитного газа 98—
109, 313, 356, 360, 461
— многоэлектродная (многоду-
вавая) 100, 325
— неплавящимся электродом 99,
313, 356, 360, 368, 384, 461
— плавящимся электродом 102,
325—329
— по слою флюса-пасты 101,
321—325
----узкому (щелевому) зазору
99
— под флюсом 96—97
— подогреваемым электродом
327
— покрытыми электродами 92
— порошковой проволокой 101,
323
— угольным (графитовым) элек-
тродом 208, 262, 289
импульсная 101
— контактная 122
— неплавящимся электродом 99,
318
— плавящимся электродом 102,
328
ударная (в вакууме) 132
индукционная 128
конденсаторная 124
контактная
— рельефная 124
— стыковая 125—128,
— точечная 123—125, 231, 250,
283, 297—299, 349—351, 358, 363,
463
— шовная (роликовая) 125,
234—236, 283, 351—352, 358, 363,
463
магнитио-импульсная 142
мнкроплазменная ПО—115, 279,
339—343, 461—462
плазменно-дуговая 109, 278—279,
343—345, 461
прессовая 130, 355
радиочастотная (см. высокочас-
тотная)
разнородных металлов 372—423
ручная покрытыми электрода-
ми 92
термокомпрессионная 309
трехфазная 217
ультразвуковая 139—140, 241,
286-287
холодная 135, 285—286, 409
— стыковая 136, 355
— точечная 136
электронно-лучевая 115—121,
226, 250, 254, 279—281, 335—339,
356—358, 362, 368
— в импульсном режиме 120
— при непрерывном действии лу-
ча 120
электрошлаковая 112—115
— плавящимся мундштуком 113,
347
— пластинчатым электродом 112,
113, 281—282, 345
— проволокой 112, 348
Сварочные материалы
газы защитные (см. Газы)
проволоки (см. Проволока сва-
рочная)
флюсы 155
электроды покрытые 147
— иеплавящиеся 99
Светофильтры 472
Свинеп
сварка 300—305
физико-химические свойства 9—
12, 24—26
Серебро
сварка 306—309
физико-химические свойг;ез 9—
12, 27
Сплавы
алюминиевые 60—66
бериллиевые 66
благородных металлов 75-7'<
ванадиевые 80
вольфрамовые 85—86
магниевые 64
медные 66—72
молибденовые 83—84
никелевые 72
ниобиевые 80—82
свинцовые 74
танталовые 82—83
титановые 76—79
хромовые 84—85
цинковые 75
циркониевые 79—80
Способы сварки
давлением без подогрева метал-
ла внешним источником тепла
136—142
давлением с подогревом металла
внешним источником тепла 122—
139
плавлением 87—122
Степень относительной деформа-
ции 136, 237
Стекла защитные (см. Светофиль-
тры)
Стол сварщика 469
Струйный перенос электродного
металла (см. Перенос электрод-
ного металла)
Структурная неоднородность свар-
ного соединения (см. Неоднород-
ность сварного соединения)
Тантал
сварка 359—366
физико-химические свойства 9—
12, 37—39
Термическая правка сварных кон-
струкций 201, 204
Термообработка сварных соедине-
ний 229, 255, 262, 288, 331, 335,
358, 367
Техника безопасности при выполне-
нии сварочных работ 469—473
Технология сварки
биметаллов 308, 372
легких металлов 205
тяжелых металлов 256
химически активных и тугоплав-
ких металлов 310
Течеискатели 451 '
Типы механического сварочного
оборудования 465—469
Типы сварных соединений 462—464
Титан
сварка 310—355
физико-химические свойства 9—
12, 28—32
Травление
кромок 206, 245, 253, 255, 260,
288, 301, 312, 356, 360, 368
шлифов 454—457
Тракторы сварочные 97, 478
Трансформаторы (см. Источники
питания для сварки)
Трещины (см. Дефекты сварного
соединения)
Усиление шва 431
Установки для сварки
диффузионной 133
дуговой 96—97, 477—478
микроплазменной 111
электроннолучевой 120
электрошлаковой 114, 478
Физическая неоднородность (см.
Неоднородность сварного соеди-
нения)
Флюсы сварочные 155—160, 188—
190
бескислородные 157
керамические 157
пасты 160
плавленые 155
Химическаи неоднородность (см.
Неоднородность сварного соеди-
нения)
Химический состав металла шва
190
Хром
сварка 366—371
физико-химические свойства 9—
12, 41—43
Цветной метод контроля 449
Циклическая прочность сварных
соединений 223, 339
Цинк
сварка 305—306
физико-химические свойства 9—
12, 26
Цирконий
сварка 355—358
физико-химические свойства 9—
12, 32, 33
Шланговый полуавтомат (см. По-
луавтоматы сварочные)
Щуп ультразвукового дефектоско-
па (пьезошуп) 448
Эквивалент кислорода 57
Электроизоляторы плавящегося
мундштука 347
Электромагнитное перемешивание
сварочной ванны 185
Энтальпия системы 194
Энтропия системы 194
Эффективная тепловая мощность
источника нагрева 166
Ювенильная поверхность 135
Ядро пламени (см, Пламя газовое)
Справочное издание
ГУРЕВИЧ Самуил Маркович
СПРАВОЧНИК ПО СВАРКЕ
ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
Оформление художника В. Г, Самсонова
Художественный редактор А. В. Косяк
Технический редактор Г. Р. Боднер
Корректоры Л. М. Тищенко, И. В. Точаненко
ИБ 10513
Сдано в набор 12.09.89. Поди, в печ. 01.03.90.
БФ 02028. Формат 84X 108/31. Бум. тип. № 1.
Лит. гари. Выс. печ. Усл. печ. л. 26,88. Усл.
кр.-отт. 26,88. Уч.-над. л. 40,66. Тираж 9950 экз.
Заказ 9-366. Цена 2 р. 80 к.
Издательство «Наукова думка».
252601 Киев 4, ул. Репина, 3.
Книжная ф-ка им. М. В. Фрунзе, 310057
Харьков 57, ул. Донец-Захаржевского, 6/8.