Text
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
I. Диффузионная сварка титана / Э. С. Каракозов, Л. М. Орлова,
В. В. Пешков н др. М.: Металлургия, 1977. 272 с.
2. Металлургия и технология сварки титана и его сплавов- / Под
ред. С. М. Гуревича. Киев: Наукова думка, 1979. 300 с.
3. Николаев Г. А., Ольшанский Н. А. Специальные методы сварки.
М.: Машиностроение, 1975. 231 с.
4. Сварка в машиностроении. Справочник / Под ред. А- И. Акулова.
Т. 2. М.: Машиностроение, 1978. 462 с.
5. Сварка высокопрочных титановых сплавов / С. М. Гуревич,
Ф. Р. Куликов, В. Н. Замков и др. М.: Машиностроение, 1975.
150 с.
6. Сварные соединения титановых сплавов / В. Н. Моисеев, Ф. Р. Ку-
ликов, Ю. Г. Кириллов н др. М.:1 Металлургия, 1979. 248 с.
7. Технология и оборудование сварки плавлением / Под ред.
Г. Д. Никифорова. М.: Машиностроение, 1978. 327 с.
8. Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением /
Под ред. Б. Е. Патона. М.: Машиностроение, 1974. 767 с.
9. Электрошлаковая сварка и наплавка / Под ред. Б. Е. Патона. М.:
Машиностроение, 1980. 511 с.
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие.............................................. 3
Характеристика химически активных и тугоплавких металлов
и их свариваемость...................•.................... 5
Способы сварки, применяющиеся для химически активных и ту-
гоплавких металлов........................................26
Сварка металлов IV Л подгруппы (титана, циркония и гаф-
ния) ......................................................@
Сварка металлов V А подгруппы (ванадия, ниобия и тантала) 70
Сварка металлов VI Л подгруппы (хрома, молибдена и
вольфрама) ...............................................74
Охрана труда и техника безопасности при выполнении свароч-
ных работ............................................... 81
Контроль качества сварных соединений.....................86
Список литературы ......................... . . . 94
БЕК 34.641
Г95
УДК 621.791:669.29
Редакционная коллегия: д-р техн, наук
А. Е. Аснис (председатель), канд. техн, наук В. И. Галинич,
д-р техн, наук С. М. Гуревич, канд. техн, наук А. Е. Марчен-
ко, чл.-корр. АН УССР В. И. Махненко, д-р техн, наук В. Ф.
Мусияченко, д-р техн, наук Д. М. Рабкин
Рецензент А. А. Ерохин
Гуревич С. М.
Г95 Сварка химически активных и тугоплавких ме-
таллов и сплавов. — М.: Машиностроение, 1982. —
95 с., ил. — (Б-ка электросварщика).
25 к.
В книге приведены основные фнзико-хнмические свойства химически
активных и тугоплавких металлов. Даны характеристики промышлен-
| ных конструкционных сплавов на нх основе и оценка их свариваемости.
Описаны способы сварки, в том числе такие новые эффективные спо-
собы, как электронно-лучевая и давлением в вакууме. Приведено сва-
1 речное оборудование, используемое для химически активных и туго-
плавких металлов и сплавов. Изложены особенности технологии и тех-
I ники сварки, а также области применения сварных изделий.
Книга рассчитана на мастеров сварочного производства и рабочнх-
| сварщиков.
2704060000-092 ББК 34.641
038(01 )-82 6П4'3
© Издательство «Машиностроение», 1982 г.
ПРЕДИСЛОВИЕ
В современной технике и особенно в таких ее
областях, как авиационная, ракетно-космическая, ядер-
ная, энергетическое и химическое машиностроение и т. и.
все шире применяют конструкционные металлы и спла-
вы, обладающие высокой прочностью, жаропрочностью,
повышенной коррозионной стойкостью в агрессивных
средах. К ним относятся металлы, объединяемые в груп-
пу активных (в связи с большой химической активно-
стью по отношению к газам атмосферы в нагретом и осо-
бенно в расплавленном состоянии) и тугоплавких (из-за
их высокой температуры плавления, намного превышаю-
щей температуру плавления железа и стали): титан, цир-
коний, гафний, ванадий, ниобий, тантал, хром, молибден
и вольфрам. Использование этих металлов как самостоя-
тельных конструкционных материалов началось лишь не-
сколько десятилетий тому назад и стало возможным
благодаря успехам, достигнутым в области металлургии
химически активных и тугоплавких металлов.
Ведущее место среди металлов этой группы занимает
титан. Благодаря особым физико-химическим свойствам
и в первую очередь таким, как малая плотность, высокая
удельная прочность (прочность, отнесенная к плотности)
и коррозионная стойкость, его применение в сварных
конструкциях непрерывно расширяется.
Эффективное использование находят тугоплавкие ме-
таллы и среди них металлы так называемой «большой
четверки»: ниобий, тантал, молибден и вольфрам. Вана-
дий и хром менее тугоплавкие, но обладают ценным
комплексом свойств, благодаря чему их применение
весьма перспективно.
Вследствие специфических свойств при сварке хими-
чески активных и тугоплавких металлов возникают за-
труднения. Для их преодоления потребовалось не только
совершенствование существующих технологических про-
цессов, но и создание новых способов сварки, таких, на-
пример, как электронно-лучевая сварка в вакууме. Бла-
годаря успешному решению этой задачи открылись ши-
з
рокйе перспективы применения химически активных и
тугоплавких металлов для изготовления сварных кон-
струкций ответственного назначения.
Технология и техника сварки этих металлов во мно-
гом отличаются от сварки стали. Поэтому даже опытные
сварщики, успешно освоившие сварку стальных кон-
струкций, но не ознакомленные со многими особенностя-
ми сварки новых конструкционных металлов, не смогут
обеспечить изготовление качественных сварных изделий
из них, к которым, как правило, предъявляются высокие
требования.
В книге на основе результатов работ, выполненных
в ИЭС им. Е. О. Патона, а также материалов, опубли-
кованных в отечественной и зарубежной литературе, да-
ны практические рекомендации по сварке конструкцион-
ных материалов рассматриваемой группы, рассчитан-
ные на мастеров сварочного производства и квалифици-
рованных рабочих-сварщиков.
ХАРАКТЕРИСТИКА ХИМИЧЕСКИ
АКТИВНЫХ И ТУГОПЛАВКИХ
МЕТАЛЛОВ И ИХ СВАРИВАЕМОСТЬ
При рассмотрении вопросов сварки металлов
прежде всего необходимо учитывать их физические
свойства. Металлы описываемой группы по свойствам
существенно отличаются от железа. По ряду показателей
физических свойств наблюдаются также различия между
отдельными металлами (табл. 1 и рис. 1). Наименьшей
плотностью обладает титан: его плотность почти в 2 ра-
за ниже, чем плотность железа, и поэтому он может
быть отнесен к числу легких металлов. Максимальную
плотность имеет вольфрам.
По температуре плавления все рассматриваемые ме-
таллы превосходят железо. Самую низкую температуру
плавления имеет титан; наиболее тугоплавкий металл —
вольфрам. Обычно к тугоплавким условно относят ме-
таллы, температура плавления которых превышает тем-
пературу плавления хрома (2148 К). Исходя из такого
определения, конструкционные тугоплавкие металлы в
порядке возрастания температур плавления можно рас-
положить в следующий ряд: хром, ванадий, гафний,
ниобий, молибден, тантал, вольфрам.
Все химически активные металлы, за исключением
титана, имеют пониженную по сравнению с железом
удельную теплоемкость. Теплопроводность титана, цир-
кония и гафния в 3—4 раза меньше теплопроводности
железа. Вследствие этого при их сварке меньше потерь
энергии, чем при сварке стали, и происходит весьма кон-
центрированный нагрев при значительном перепаде тем-
ператур в разных участках сварного соединения. В ряде
случаев это может привести к заметному возрастанию
внутренних напряжений, что необходимо учитывать при
выборе оптимальных режимов сварки изделий.
Молибден и вольфрам обладают весьма высокой теп-
лопроводностью, более чем в 2 раза превосходящей
теплопроводность железа. В связи с этим при их сварке
требуются повышенные затраты энергии.
Химически активные металлы отличаются меньшими,
чем у железа, коэффициентами линейного расширения.
5
Рис. 1. Некоторые физические свойства химически активных и туго-
плавких металлов по сравнению со свойствами железа
Таблица 1
Некоторые физические свойства химически активных и тугоплавких
металлов
Свойства металлов Ti Zr н V
Плотность, 103 кг/м3 4,51 6,5 13,3 6,1
Температура плавления, К 1941 2125 2495 2223
Температура кипения, К 3533 3973 5673 3528
Удельная теплоемкость, кДж/(кг-К) 0,61 0,34 0,20 0,49
Теплопроводность, Вт/(м • К) 16,8 18,8 22,8 31,0
Коэффициент линейного расширения, 10~6 К-1 8,2 5,9 5,8 9,3
Модуль^ нормальной упруго- сти, МПа 109000 94 500 137 000 132 631
Удельное электросопротив- ление, 10-8, Ом-м 42,1 41,1 40,0 24,8
Продолжение
Свойства металлов Nb Та Gr Мо W
Плотность, 103 кг/м3 8,57 16,65 7,19 10,22 19,5
Температура плавления, К 2741 3269 2148 2893 3668
Температура кипения, К 5400 5573 2703 5103 6173
Удельная теплоемкость, кДж/(кг-К) 0,27 0,14 0,46 0,26 0,13
Теплопроводность, Вт/(м • К) 52,4 54,5 67,0 142,5 167,6
Коэффициент линейного расширения, 10-6 К-1 7,1 6,55 6,2 5,44 4,98
Модуль нормальной упруго- сти, МПа 112815 186 390 289 395 316 863 358 061
Удельное электросопротив- ление, 10~8, Ом-м 15,2 12,4 12,8 5,2 5,5
6
Большинство металлов этой группы, за исключением
хрома, молибдена и вольфрама, имеют пониженный мо-
дуль упругости. Наинизшими модулями (примерно в 2
раза меньше модуля железа) обладают титан и цирко-
ний. Сравнительно небольшое значение модуля упругос-
ти этих металлов относится к числу их недостатков, так
как в некоторых случаях для получения достаточно
жестких конструкций приходится применять большие се-
чения отдельных элементов по сравнению с теми, кото-
рые следовало бы выбрать, исходя из условий их проч-
ности.
Высокое электросопротивление титана, циркония и
гафния, превосходящее значение того же показателя для
железа более чем в 4 раза, необходимо учитывать при
сварке плавлением, например при выборе контактирую-
щих устройств для плавящегося электрода.
Химически активные и тугоплавкие металлы по схо-
жести физико-химических свойств можно распределить
по трем подгруппам: титан, цирконий и гафний; ванадий,
ниобий и тантал; хром, молибден и вольфрам. Именно
так они и расположены в периодической системе элемен-
7
тов Д. И. Менделеева: подгруппа титана — IV А; под-
группа ванадия — V А; подгруппа хрома — VI А.
Из металлов IV А подгруппы наибольшее про-
мышленное применение получил титан. Это объясняет-
ся, во-первых, особыми физико-химическими свойствами
этого металла, а во-вторых, тем, что по запасам в земной
коре он значительно превосходит цирконий и гафний и
занимает среди металлов четвертое место после алюми-
ния, железа и магния. Титана в земной коре содержится
больше, чем меди, никеля, ванадия, ниобия, тантала, мо-
либдена и вольфрама вместе взятых. За короткое время,
исчисляемое несколькими десятилетиями, по объему про-
изводства и масштабам использования для сварных из-
делий титан среди конструкционных металлов занял
ведущее место.
Особенностью металлов IV А подгруппы является то,
что они в твердом состоянии имеют весьма близкое
строение, характеризующееся одинаковым типом кри-
сталлической решетки — порядком расположения атомов.
Однако их кристаллические решетки не остаются неиз-
менными при нагреве вплоть до расплавления металла.
Один раз, при весьма близких температурах (например,
для титана при 1155 К, а для циркония при 1135 К)
происходят перестройки решеток (изменения в строении
металлов), получившие название полиморфных превра-
щений. В рассматриваемой группе химически активных
и тугоплавких металлов только титан, цирконий и гаф-
ний подвержены таким превращениям в твердом со-
стоянии, благодаря чему они, подобно железу, называ-
ются полиморфными металлами.
Так как в результате превращения свойства металла
изменяются, это играет существенную роль в процессах
обработки металлов, при которых происходит их нагрев
и последующее охлаждение (например, при упрочняю-
щей термообработке, сварке и др.).
Весьма чистые металлы IV А подгруппы (названные
иодидными по способу их получения) имеют низкие проч-
ностные характеристики при высокой пластичности. Так,
временное сопротивление иодидного титата составляет
~ 250 МПа при относительном удлинении более 50%.
Они не обладают хладноломкостью, т. е. сохраняют вы-
сокую пластичность и вязкость даже при весьма низких
температурах, например при температуре жидкого гелия
(4,2 К).
8
В технических металлах, применяющихся для изго-
товления сварных изделий, всегда присутствуют приме-
си. Главные из них — кислород, азот, водород и углерод.
Примеси повышают прочность и в разной степени сни-
жают пластичность металла. Поэтому металлы техниче-
СКОЙ ЧИСТОТЫ по МСХЙНИЧССКИМ СВОЙСТВАМ ОТЛИЧаЮТСЯ О г
чистейших иодидных металлов: они прочнее и менее
пластичны (табл. 2).
Таблица 2
Механические свойства титана и циркония при 293 К
Металл Высокая чистота Техническая чистота
ав. МПа й. % ав, МПа в, %
Титан 250 50—60 300—450 50—35
Цирконий 180 50—60 300—480 43—30
Металлы рассматриваемой подгруппы весьма актив-
но взаимодействуют с газами в нагретом, особенно в
расплавленном состоянии. При комнатной температуре
они устойчивы против окисления, азотирования и наво-
дороживания. Окисление металлов начинается при тем-
пературах 670—770 К. Наиболее интенсивное их взаимо-
действие с кислородом наблюдается при 1070—1170 К.
Реакция окисления металлов идет с наибольшей скоро-
стью по сравнению с взаимодействием их с другими га-
зами. Например, скорость взаимодействия титана с кис-
лородом в 50 раз больше, чем с азотом. Увеличение
содержания кислорода резко повышает прочность, твер-
дость и снижает пластичность металла.
При указанных выше температурах металлы активно
поглощают азот, причем способность растворять этот газ
значительно превосходит предельную растворимость
азота в легированных сталях (для титана, например, в
3 раза). Азот еще в большей степени, чем кислород,
снижает пластичность и повышает прочность и твердость
металлов.
Чрезвычайно велика способность металлов IV А под-
группы поглощать водород. Например, при температуре
873 К и давлении 98 кПа в железе растворяется водоро-
9
да 0,000013 м®/кг, а в титане 0,32 м3/кг, т. е. ПОЧТИ я
25 000 раз больше. Способность металлов IV А подгруп-
пы поглощать столь значительные количества водорода
можно объяснить образованием наряду с твердыми ра-
створами, водородных соединений — гидридов. Заметное
поглощение водородз мстяллями начинается при темпе-
ратуре 570—620 К. :
Процесс поглощения имеет ряд характерных особенностей:
1) с повышением температуры растворимость водорода в твердых
металлах уменьшается, так как их способность к образованию
гидридов снижается; 2) жидкие металлы поглощают водород в
большем количестве, чем твердые при температуре плавления, т. е.
при переходе из твердого в жидкое состояние; однако с повыше-
нием температуры жидкого металла растворимость в нем водорода
уменьшается; 3) водород, поглощенный металлом, может быть
удален из него. При нагревах до температур 1070—1370 К в
вакууме достигается практически полная дегазация металла.
Вакуумный отжиг применяют, например, для дегазации сварочной
титановой проволоки. После отжига в проволоке остается не более
0,002—0,003 % по массе водорода. I
Водород оказывает большое влияние на механические свойства
металлов IV А подгруппы, особенно заметное при испытаниях на
ударную вязкость. Падение ударной вязкости с повышением содер-
жания водорода в металле связано с выделением по границам
зерен тонких прослоек хрупких гидридов. Хрупкость, вызванная
водородом, может проявляться и со временем, после вылеживания
металла, и приводить к трещинам и разрывам (так называемое за-
медленное разрушение). Водородная хрупкость особенно опасна
для сварных конструкций, так как сварные швы с характерной
крупнокристаллической структурой и сварочными напряжениями
склонны к образованию и развитию трещин.
Углерод растворяется в металлах в незна-
чительном количестве. Он образует химические соедине-
ния — карбиды, — которые охрупчивают металл. f
Для обеспечения хорошей свариваемости количество
примесей—газов и углерода в полуфабрикатах из метал-
лов IV А подгруппы ограничивают. Например, в техни-
ческом титане марки ВТ1-00, предназначенном для
изготовления сварных конструкций ответственного наз-
начения, по ГОСТ 19807—74 допускаются следующие
количества примесей (% по мае.): О2—0,1; N2—0,04;
Н2—0,008; сумма прочих примесей (в том числе С) —1
0,1.
Высокая химическая активность титана, циркония и
гафния по отношению к газам атмосферы в нагретом и
особенно в жидком состоянии затрудняет горячую обра-
ботку этих металлов, в том числе сварку.
Ю
Так, для получения качественных соединений, сварку
плавлением необходимо выполнять в среде инертных га-
зов (аргона или гелия), или полностью исключить взаи-
модействие металла с газами атмосферы, что достигает-
ся, например, при электронно-лучевой сварке в вакуум-
ной камере.
Все металлы IV Л подгруппы обладают весьма высо-
ким сопротивлением коррозии, превышающим коррози-
онную стойкость высоколегированных сталей. Это объяс-
няется образованием на поверхности металла плотной
защитной пленки, которая прочно с ним связана и
исключает непосредственный контакт со средой. Метал-
лы поддаются всем видам горячей и холодной обработ-
ки. Из них изготовляют поковки и штампованные заго-
товки, листы, сортовой прокат и проволоку. Расширяется
применение титана для получения фасонных отливок.
.Механические, а в ряде случаев и коррозионные свой-
ства металлов можно повысить путем их легирования.
Титановые сплавы отличаются большими преимущества-
ми по сравнению с техническим титаном. При малой
плотности они имеют более высокую прочность при нор-
мальной и повышенной температурах и коррозионную
стойкость (например, сплавы с содержанием ~33% Мо).
По механическим свойствам конструкционные тита-
новые сплавы подразделяют на сплавы низкой прочнос-
ти и повышенной пластичности, средней прочности и вы-
сокопрочные. В табл. 3 приведены химический состав и
механические свойства некоторых, наиболее часто при-
меняемых, сплавов на основе титана и выпускаемых по
ГОСТ 19807—74, ОСТ 190013—71 и техническим услови-
ям. К числу малопрочных сплавов относят технически
чистый титан двух марок, так как он содержит примеси.
В зависимости от примененного легирующего элемен-
та и его количества может изменяться структура сплава.
Такие металлы, как алюминий, олово, цирконий, практи-
чески не изменяют структуру сплава по сравнению со
структурой технического титана. Не наблюдается замет-
ных изменений в структуре сплава при содержании в
нем сравнительно небольших количеств таких металлов,
как Мп, V, W, Мо и др. Однако при большом содержа-
нии этих же элементов в сплавах (например, сплавы
ВТ 14, ВТ22, ВТ23 и др.) и их сварных швах, происходит
формирование новой, отличной от технически чистого
титана структуры. Такие сплавы на основе титана от-
п
143 _ ТаблицаЗ Химический состав и механические свойства промышленных титановых сплавов
Тип сплава Сплав Среднее содержание легирующих элементов, % по мае. Механические свойства Примечание
ffB, МПа б, %, не менее
Малопрочные вы- сокопластнчные * Технически i ВТ 1-00 — 294—442* 25 ГОСТ 19807—74
ВТ1-0 ♦ 393—539* 20 То же
ОТ4-0 А1 —0,8; Мп — 1,5 490—637 20 »
ПТ-7М А1 —2,2; Zr — 2,5 490—686 15
ОТ4-1 Al —1,8; Мп — 1,5 588—735 15 в
АТ-2 Zr — 2,0; Mo — 1,0 588—735 15 ТУ
ПТ-ЗВ истый титан. Al-4,3; V —2,0 686—785 12 ГОСТ 19807—74
Продолжение табл. 3
Тип сплава Сплав Среднее содержание легирующих элементов, % по мае. Механические свойства
пв, МПа 6. %, не менее Примеч ание
Среднепрочные ОТ4 А1—4,3; Мп — 1,4 686—785 10 То же
АТЗ А1 —2,8; Сг — 0,4; Si —0,3; Fe — 0,4 735—883 12 ТУ
ВТ5 Al - 5,3 735—932 10 ГОСТ 19807—74
ВТ5-1 Al —5,2; Sn —2,5 785-981 10 То же
4201 Mo — 33 834—883 16 ОСТ 190013—71
ВТ6С Al —6,1; V —4,0 834—981 ю ГОСТ 19807—74
АТ4 Al—4,0; Cr—0,4; Si —0,3; Fe—0,4 834—1030 10 ТУ
ТС5 Al — 0,5; Zr —2,0; Sn — 3,0; V —2,0 932—1079 8 ТУ
ВТ20 со ВТ20 Al —6,5; Mo—1,3; V—1,3; Zr—2,0 932—1128 10 ГОСТ 19807—74
После закалки и старения.
Таблица 4
режимы упрочняющей термообработки некоторых титановых сплавов
Сплав Температура, к Продолжитель- ность старения, L4
нагрева под закалку старения
ВТ6С 1150—1250 720—770 2—4
ВТ6 1170—1670 720—770 2—4
ВТ14 1140—1180 750—780 8—16
' ВТЗ-1 1150—1170 770—890 1—6
BTI6 1080—1100 830-850 8—Ю
ВТ22 960—1020 750—810 8—6
ВТ23 1070—1090 700—770 8-12
Таблица 5
Режимы отжига некоторых промышленных титановых сплавов
- Сплав Температура отжига, К Сплав Температура отжига, К
ВТ1-00 790—810 ТС5 1030—1050
ВТ 1-0 790—810 ВТ20 970—1070
ОТ4-0 890—910 ОТ4-2 980—1000
ОТ4-1 910—930 ВТ6 1020—1070
АТ2 870—920 ВТ4 1010—1030
ОТ4 930—950 ВТЗ-1 1140—1190
АТЗ 1070—1120 ВТ16 1000—1040
ВТ5 1070—1120 ВТ23 1010—1030
ВТ5-1 950—980 BTI5 1060—1080
ВТ6С 1020—1070 ТС-6 1060—1080
АТ4 1120—1140 ВТ22 1010—1030
личаются повышенной прочностью. Их строение позво-
ляет еще больше увеличить прочность путем термообра-
ботки (табл. 4), состоящей из закалки с последующим
отпуском (старением). Для снятия внутренних напряже-
ний, образовавшихся в результате обработки деталей
(например, после сварки), применяют отжиг (табл. 5).
Продолжительность отжига титановых сплавов принима-
ют в зависимости от сечения детали и полуфабриката.
15
Максимальное сечение, мм
До 1,5................
1,6—2.................
2,1—6.................
6—50..................
Свыше 50..............
Время выдержки, мин
15
20
25
60
120
Как правило, отжиг производят в печи или контей-
нерах, заполненных инертным газом. В том случае, ког-
да поверхность деталей может быть обработана механи-
ческим способом, отжиг выполняют без защитной ат-
мосферы.
Малопрочные высокопластичные титановые сплавы
хорошо деформируются и свариваются. Среднепрочные
сплавы удовлетворительно деформируются и сваривают-
ся. Высокопрочные сплавы применяют после отжига, а ,
в ряде случаев после термического упрочнения. Они де-
формируются в подогретом состоянии и ограниченно
свариваются.
Титан и его сплавы применяют в авиастроении и ракетной
технике, химическом машиностроении и металлургической промыш-
ленности, судостроении, приборостроении, пищевой промышленно-
сти и других отраслях техники. Сплавы типа ОТ4 широко исполь-
зуют в качестве конструкционного и обшивочного материала,
для штампосварных изделий, работающих длительно при Т— ;
=5704-670 К.
Из сплава ВТ5 изготовляют узлы, работающие длительно до
670 К. Сплав ВТ5-1 может быть использован для деталей, подвер-
гающихся длительной нагрузке до 720 К. Сплав 4201 обладает
повышенной коррозионной стойкостью и предназначен для изготов-
ления сварной химической аппаратуры.
Повышенной жаропрочностью обладает сплав ВТ20, изделия :
из которого могут длительно работать при 7 = 7704-870 К и крат-
ковременно при 7=1070 К- Комплексно-легированные сплавы типа
АТ обладают высокой коррозионой стойкостью (АТЗ) и жаропроч-
ностью (АТ6).
Из сплава ПТ-7М изготовляют трубопроводы, работающие при
комнатной и повышенной температурах в агрессивных средах.
Сплав ПТ-ЗВ используют для изготовления валов, лопаток паровых
турбин, корпусов химических аппаратов и др. Широко применяют
сплав средней прочности ВТ6С, из которого изготовляют листы,
поковки, штампованные заготовки, прутки, профили и другие
полуфабрикаты. Сплав такого типа рекомендуется для изготовле-
ния штампосварных конструкций, например, емкостей высокого
давления. Сплав ВТЗ-1 относится к группе жаропрочных сплавов
и предназначен для изготовления деталей турбин. В качестве кон-
струкционного материала для изготовления нагруженных деталей
ответственного назначения применяют сплав ВТ22.
Сплавы на основе циркония по физическим свойст-
вам близки к титановым (табл. 6). Легирующие элемен-
16
Таблица 6
Химический состав и механические свойства
некоторых циркониевых сплавов
Марка или система сплава Среднее содержание легирующих элементов, % по мае. Механические свой- ства (средние значения)
ов, МПа в, %
Циркалой-2 Sn—1,5; Fe — 0,12; Cr—0,15; Ni — 0,08 480 25
Циркалой-4 Sn — 1,5; Fe — 0,15; Cr —0,10; Nd' —0,07 470 30
Zr—Nb Nb — 2,5 420 25
Zr—Nb Nb — 1 345 35
ты (Sn, Fe, Сг, Nb и др.) вводят в циркониевые сплавы
для повышения механических свойств особенно при вы-
соких температурах и коррозионной стойкости сплавов,
а также улучшения их специальных свойств для обеспе-
чения работоспособности деталей и узлов. Цирконий и
его конструкционные сплавы хорошо деформируются и
свариваются. Основные области их применения —• атом-
ная техника и химическое машиностроение.
Гафний по обрабатываемости, в том числе сваривае-
мости, близок к цирконию. Его используют в атомной
технике, радиотехнической промышленности и других от-
раслях.
Металлы VA подгруппы (ванадий, ниобий и тан-
тал) во многом отличаются от металлов ранее рассмот-
ренной подгруппы. Из табл. 1 и рис. 1 видно, что наи-
меньшей плотностью и температурой плавления из ме-
таллов V А подгруппы обладает ванадий. Максималь-
ную плотность и температуру плавления, почти в 2 раза
превышающую температуру плавления железа, имеет
тантал. Ниобий по этим показателям физических свойств
занимает промежуточное положение. По сравнению с
другими тугоплавкими металлами прочностные свойства
ванадия при высоких температурах снижаются в наи-
большей степени (рис. 2). Снижается также его удель-
I г । с П I А т f Ч А
17
ная прочность (временное сопротивление, отнесенное к
плотности). Ванадий и тантал обладают наименьшей
удельной прочностью при температурах выше 1300 К-
Теплопроводность металлов V А подгруппы ниже, а
электросопротивление в 1,3—1,5 раза выше, чем у же-
леза.
<%,МгТа
4го
280
180
° 600 1000 нои г,к
Рис. 2. Зависимость показателей прочности химически активных и ту-
гоплавких металлов от температуры:
а — временное сопротивление оЕ; б — удельная прочность Ов/у
Эти металлы в еще большей степени, чем металлы под-
группы титана, охрупчиваются в результате взаимодей-
ствия с газами. Поэтому допустимое количество примесей
в металле для обеспечения удовлетворительной свари-
ваемости еще ниже, чем в металлах IV А подгруппы, at
при сварке принимают еще более тщательные меры ।
предосторожности для предотвращения контакта рас-1
плавленного или нагретого металла с ’атмосферой. Так,!
в технически чистом ниобии НВЧ по ТУ 48-42-94-71 ]
допускается следующее содержание примесей-газов (%']
по массе Не более): О2—0,01; N2—0,001; Н2—0,01. Все!
металлы подгруппы обладают весьма высокой коррози-1
онной стойкостью во многих агрессивных средах, в том.
числе жидкометаллических, и повышенной жаропрочно-
стью (особенно тантал).
Технически чистые металлы удовлетворительно де-
формируются и свариваются. Из них изготовляют ли-
сты, полосы, прутки и проволоку (табл. 7).
Легирование металлов этой подгруппы различными
добавками позволяет повысить их прочность при нор-
мальной и высоких температурах. Наибольшее примене-
I18
aS
35
О
сЗ
Н
Основные полуфабрикаты, выпускаемые из технически чистых металлов V А подгруппы
19
Таблица 8 Состав и механические свойства некоторых сплавов на основе металлов V А подгруппы
Марка или система сплава Среднее содержание легирующих элементов, % по мае. Механические свойства (средние значения)
Gg, пша О. %
. Технически чистый ванадий ВнМ — 450—480 25—30 ,
V—Ti Ti—5 549 26,5
V—Zr Zr—2,5 376 • 23,1
V—Nb Nb—10 645 21
V—Ti—Nb Ti—10; Nb—3 683 22
V—Ti—Cr Ti—40; Cr—5 810 21,9
V—Zr—C 1 Zr—2,5; C—0,37 417 12,5 I
V—Zr—Si Zr—2,5; Si—1 503 18,8 1
Технически чистый ниобий НВЧ — 450—500 25—30 I
ВН2 Mo—4,5 736 23 1
ВН2АЭМ Mo—7; Zr—0,7 795 5 1
15ВМЦ W—5; Mo—2 Zr—0,9 765 450* 5 | 30
Технически чистый тантал ТВЧ — 350—450 20—25 ]
Та—W W—10 746 15,8 1
Та—W— Hf W—5; Hf—10 926 17 1
Та—Nb—Hf i Nb—30; Hf—7,5 795 19 }
* В отожженном состоянии.
ние находят сплавы с добавками таких элементов, как
Al, Ti, Zr, Mo, С и др. (табл. 8).
Ванадиевые сплавы по сравнению с технически чи-
стым ванадием значительно медленнее окисляются и
обладают удовлетворительной прочностью вплоть до
1273__1373 К. Сплавы на основе системы V—Nb обла-
дают повышенной коррозионной стойкостью.
Высокая жаропрочность ниобиевых сплавов позволя-
ет применять их до температуры 1640 К, что намного
превосходит целесообразные рабочие температуры вана-
диевых сплавов.
Сплавы на основе тантала обладают наибольшей кор-
розионной стойкостью и жаропрочностью по сравнению
со сплавами на основе других металлов V А подгруппы.
Их рабочие температуры могут достигать 2000 К.
Конструкционные сплавы металлов V А подгруппы
удовлетворительно деформируются и свариваются. Они
находят применение в конструкциях атомных реакторов,
для изготовления оборудования, предназначенного для
работы при повышенных температурах, в особо агрес-
сивных средах, жидких теплоносителях и др.
Металлы VIА подгруппы обладают комплексом
физико-химических свойств, оказывающих весьма небла-
гоприятное влияние на их свариваемость. К ним, прежде
всего, необходимо отнести чрезвычайно большую чувст-
вительность к примесям-газам и склонность к переходу
из вязкого в хрупкое состояние. Металлы VI А подгруп-
пы способны растворять лишь ничтожные количества
таких примесей.
Из рис. 3 видно, что в металлах VI А подгруппы кис-
лород растворяется в количестве, во много раз меньшем,
чем в металлах V А подгруппы. Минимальной раствори-
мостью кислорода обладает вольфрам. Так как техниче-
ски чистые металлы всегда содержат примеси, то все
газы, находящиеся сверх пределов растворимости, будут
образовывать прослойки, располагающиеся по границам
зерен и охрупчивающие металл. Этим и объясняется
большая чувствительность металлов VI А подгруппы к
примесям-газам, чем металлов V А подгруппы: вследст-
ствие поглощения даже сравнительно небольших коли-
честв примесей, металлы VI А подгруппы легко перехо-
дят в хрупкое состояние.
Склонность металлов к переходу из вязкого в хрупкое
состояние характеризует температура, при которой про-
21
Рис. 3. Растворимость ки-
слорода в металлах V А
и VI Л подгрупп при
температуре 1900 К
Рис. 4. Интервалы темпера-
тур перехода из вязкого в
хрупкое состояние для ме-
таллов V А и VI А подгрупп
исходит этот переход: чем выше эта температура, тем
больше и склонность металла к охрупчиванию. Такая
температура для металлов VIА подгруппы намного вы-
ше, чем для металлов V А подгруппы (рис. 4). Это сви-
детельствует о том, что металлы VI А подгруппы значи-
тельно больше склонны к хрупкому разрушению или об-
ладают, как принято называть это свойство, хладолом-
костью.
Вследствие указанных свойств металлов данной под-
группы они плохо обрабатываются и свариваются, что
затрудняет применение хрома, молибдена и вольфрама в
сварных конструкциях.
Металлы VI А подгруппы интенсивно окисляются при
высоких температурах (выше 700—800 К), за исключе-
нием хрома, который имеет высокое сопротивление окис-
лению вплоть до 1500 К. Это свойство металлов также
создает дополнительное затруднение при сварке. Допу-
I скаемое количество примесей в технически чистых ме-
таллах VI А подгруппы ниже, чем в металлах предыду-
щих групп. Так, например, в технически чистом молибде-
не марки МЧВП по ТУ 48-42-66—71 допускается сле-
дующее содержание примесей-газов (% по массе не бо-
лее) : О2—0,005; N2—0,005; Н2—0,0008.
Благодаря высокой жаропрочности и коррозионной
стойкости металлов VI А подгруппы и особенно сплавов
на их основе, они в ряде случаев оказываются весьма
эффективными для изготовления деталей и узлов в та-
ких отраслях техники, как авиационная и ракетокосми-
ческая, для оборудования, работающего в жидких ме-
Таллах, деталей двигателей, электрических печей и др.
Поэтому в последние годы изыскивают пути, позволяю-
щие получать сварные соединения удовлетворительного
качества из металлов этой подгруппы. К ним относится
получение особо чистых металлов, предназначенных для
изготовления сварных конструкций, по отношению к
примесям-газам — кислороду, азоту и водороду. Хоро-
шие результаты дает также добавка элементов, снижаю-
щих чувствительность к примесям-газам и повышающих
высокотемпературную прочность. Поэтому практическое
применение, в том числе для изготовления сварных из-
делий, в основном находят сплавы на основе металлов
VI А подгруппы.
Благодаря указанным свойствам металлов данной
подгруппы, еще более повышенные требования предъяв-
ляются и к технологии их сварки, которая должна обес-
печить особо надежную защиту зоны сварки от газов
атмосферы, чистоту сварочной атмосферы, присадочных
и других материалов, а также выполнение ряда требо-
ваний, рассмотренных ниже.
Из металлов VI А подгруппы больше всего распространен в
природе хром: его запасы в земной коре превышают запасы нио-
бия, тантала, молибдена и вольфрама вместе взятых. Как видно
из табл. 1, хром имеет наименьшую плотность по сравнению со
всеми другими тугоплавкими металлами. Хром обладает еще одним
важным свойством, благодаря которому он выделяется в ряду
тугоплавких металлов: по сопротивлению окислению до температу-
ры 1270 К он значительно превосходит все металлы, а при более
высоких температурах — вплоть до 1320 К — скорость окисления
хрома меньше скорости окисления даже такого стойкого металла,
каким является никель. Хром имеет сравнительно высокий модуль
упругости (см. табл. 1). Указанные свойства хрома способствуют
расширяющемуся в последние годы применению этого металла в
качестве основы жаропрочных конструкционных сплавов (табл. 9).
Сплав ВХ-1И может работать длительно в воздушной среде
при нагревах до температуры 1670—1770 К, в то время как техни-
ческий хром ВХ-1 пригоден для работы при температурах не выше
1000 К. Этот сплав имеет высокую коррозионную стойкость. Из
него изготовляют поковки, штампованные заготовки, прутки и
проволоку.
Сплав ВХ-2И обладает достаточно высокой жаропрочностью—
до 1370 К. Из него могут быть получены листы, профили, штампо-
ванные заготовки, поковки и прутки.
Сплав ВХ-4 (типа нихром) — единственный сплав на основе
хрома, сохраняющий пластичность до температуры 200 К. Он реко-
мендуется для малонагруженных литых деталей, работающих дли-
тельно при температурах до 1270 К, кратковременно при 1570 К.
Из указанных сплавов лучшей свариваемостью обладает сплав
ВХ-4.
23
Таблица 9
Состав и механические свойства некоторых сплавов
на основе металлов VI А подгруппы
СпЛэВ Среднее содержание легирующих эл*ементов, % по мае* Механические свойства (средние значения)
<тв, МПа 6, %
Технически чистый хром ВХ-1 — 300 5
ВХ-1И Y—0,3—1
ВХ-2И Ti—0,1—0,2; V—0,1—0,35; Y—0,3—1 350 5
ВХ-4 Ti—0,2; V—0,3; Ni—32; W—1,5 950 8
Технически чистый молибден МЧВП — . 410 13
МТ Ti—0,4; C—0,06 690 12
ЦМ2А Ti—0,3; Zr—0,15; C—0,004 820 14
ЦМ6 Zr—0,2; C—0,004; B—0,002 760 15
ЦМ10 Al—0,02; C—0,003; B—0,002 770 14
тсмз C—0,05; Ni—0,1 942 6,3
ТСМ4 Zr—0,15; C—0,02; Ni—0,1 769 13
МР-473ВП Re—47 100 17
(Технически чистый вольфрам В-ПМ — 2900 0
ВАР-5 Re—5; C—0,03 1560 4,3
ВР-27-ЗВП Re—27; C—0,06 1414 15
24
Молибден — перспективный металл для изделий новой техники,
ппедназначенных для работы в области высоких температур (до
9300 К) Механические свойства молибдена и, в первую очередь,
рго пластичность можно улучшить путем легирования некоторыми
побавками (Zr, Ti, Nb, Hf, Re и др.). Большинство сплавов, при-
веденных в табл. 9, принадлежит к малолегированным сплавам.
Сплав МТ имеет хорошую пластичность, но сравнительно низкую
}Коглппочность. Из сплава в промышленных- масштабах изготовляют
листы ‘ 6 = 14-20 мм; поковкн Ь = 1804-650 мм и прутки d=
— 8—60 мм. Сплав ЦМ2А имеет хорошую пластичность и вяз-
кость при высоких температурах. Из сплава изготовляют листы
£—1=20 мм (горячекатаные) и b=0,34-0,8 мм (холоднокатаные);
поковки </=654-180 мм и прутки d=84-60 мм.
Сплавы ЦМ6 и ЦМ10 имеют хорошую пластичность при низких
и повышенных температурах и высокую прочность. Они намного
превосходят другие сплавы на основе молибдена по свариваемости
и рекомендуются для применения в сварных конструкциях. Сорта-
мент полуфабрикатов сплавов: листы 6=14-8 мм; поковки 6 =
=654-110 мм и прутки d —84-60 мм.
Сплавы ТСМЗ и ТСМ4 отличаются повышенной прочностью
при высоких температурах. Из них изготовляют листы 6=14-7 мм
и прутки d=34-60 мм.
Высоколегированный сплав МР-473ВП обладает комплексом
свойств, которые существенно отличаются от свойств других про-
мышленных сплавов молибдена: высокой пластичностью при хоро-
шей жаропрочности. Его используют для изготовления проволоки
d=0,14-l,6 мм и прутков </=34-5 мм.
Полуфабрикаты из молибдена и его сплавов выпускают по
следующим техническим условиям: ТУ 48-42-66—71 (МЧВП); ЦМТУ
08т-58—69 (МТ); ТУ 48-42-97—71 (ЦМ2А); ТУ 48-42-47—71
(ТСМЗ); ТУ 48-19-1—72 (ТСМ4) и др.
Вольфрам имеет наивысшую температуру плавления и кипения,
а также самую большую среди металлов прочность при комнатной
и повышенных температурах (см. рис. 2). При комнатной темпера-
туре вольфрам хрупок (табл. 9). Однако при высоких температу-
рах его механические свойства значительно превышают свойства
других тугоплавких металлов. Наибольшую пластичность вольфрам
имеет в интервале температур 1670—1920 1\. Большая, чем у других
тугоплавких металлов, склонность вольфрама к хрупкому разруше-
нию, чрезвычайно низкая пластичность сварных соединений крайне
затрудняют его сварку. Свариваемость вольфрама можно значи-
тельно улучшить путем его легирования. Наиболее благоприятное
влияние на вольфрам оказывает рений: наряду с повышением
жаропрочности он улучшает пластичность и свариваемость сплава.
Сплав ВР-27-ЗВП удовлетворительно сваривается. Он хорошо
обрабатывается давлением и из него изготовляют фольгу и поло-
сы 6 =0,0024-0,6 мм (ТУ 48-42-82—71), а также проволоку
“=0,54-3 и прутки <1=3,54-5 мм (ТУ 48-42-92—71). Другие сплавы
на основе вольфрама с добавками таких элементов, как Mo, Nb,
Та н С, хотя и обладают несколько повышенной пластичностью, по
свариваемости лишь незначительно отличаются от технического
вольфрама.
Как видно из рис. 5, наибольшей жаропрочностью обладает
сплав на основе вольфраму.
Рис. 5. Временное сопро-
тивление некоторых сплавов
на основе хрома (ВХ-4),
молибдена (ЦМ6) и воль-
фрама (ВАР-5) при высо-
ких температурах
Приведенная характери-
стика свойств химически ак-
тивных и тугоплавких ме-
таллов позволяет заключить,
что по свариваемости эти
металлы и сплавы на их ос-
ТЗГХ ГЭСА ГЛГЛГхртТЧ Т ТИЛ К гх * в
uvuu x\.v/j^zCiin ину* \j Cl OC71V1 Ul'
личаются от стали. Затруд-
нения при сварке металлов
данной группы вызваны та-
кими их свойствами, как
химическая активность к
газам атмосферы при высо-
ких температурах, особенно
в расплавленном состоянии;
чувствительность к приме-
сям-газам и резкое охруп-
чивание даже при наличии
в металле весьма малых ко-
личеств примесей; повышен-
ные температуры плавле-
ния и другие неблагоприятные с точки зрения сварки
физические свойства. Особенно затруднена сварка ме-
таллов VI А подгруппы — хрома, молибдена и вольфра-
ма. Металлы и сплавы этой подгруппы обладают огра-
ниченной свариваемостью.
СПОСОБЫ СВАРКИ, ПРИМЕНЯЮЩИЕСЯ
ДЛЯ ХИМИЧЕСКИ АКТИВНЫХ И
ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ
‘ ' При выборе способов сварки для металлов и
сплавов рассматриваемой группы исходят прежде всего
из того, насколько надежно обеспечивается защита зоны
сварки и остывающее соединение от взаимодействия с
газами атмосферы. Учитывают также особенности сое-
динения металлов малых, средних и больших толщин.
Не все методы сварки, созданные для стали и ряда
цветных металлов и сплавов, могут быть использованы
для химически активных и тугоплавких металлов вслед-
ствие указанных выше их специфических физико-химиче-
ских свойств. Так, до настоящего времени для них не
удалось применить способ дуговой сварки покрытыми
126 ' ' .
(качественными) электродами, так как он не обеспечи-
вает требуемой защиты зоны сварки.
Наиболее распространенный и универсальный способ
сварки плавлением химически активных и тугоплавких
металлов и сплавов — дуговая сварка в среде инертных
газов неплавящимся электродом — при условии исполь-
зования удовлетворительно сваривающихся сплавов
обеспечивает получение соединений, обладающих доста-
точно высокими механическими свойствами. Качество
соединений определяется в основном надежностью защи-
ты и чистотой инертного газа. Свойства сварных соеди-
нений практически не зависят от применяемого защит-
ного газа — аргона или гелия. Между аргонодутовой
(АДС) и гелиеводуговой (ГДС) сваркой различия в ос-
новном технологические. Из-за особенностей дуги, горя-
щей в среде гелия, ГДС обеспечивает повышенную те-
пловую мощность дуги и благодаря этому более эффек-
тивное проплавление основного металла. По сравнению
с АДС при близких затратах погонной энергии ГДС
обеспечивает увеличение глубины проплавления свари-
ваемого металла. Поэтому для тугоплавких металлов во
многих случаях отдают предпочтение сварке в среде ге-
лия или смеси гелия с аргоном.
Для сварки используют инертные газы высокой сте-
пени чистоты — аргон высшего или первого сорта и ге-
лий высокой чистоты (табл. 10). Газы поставляют в бал-
Таблица 10
Защитные инертные газы
Газ ГОСТ Сорт Содержание основного газа, об. %
Аргон 10157—79 Высший 99,99
Первый 99,98
Гелий 20461—75 Высокой чисто- ты 99,985
лонах под давлением 14,7 МПа. Баллоны окрашены в
цвета: для аргона — нижняя половина в черный цвет, а
верхняя — в белый цвет, надпись на баллоне «Аргон
27
Чистый»; для гелия — в коричневый цвет. Стоимость ге*
лия в несколько раз выше стоимости аргона
Для металлов, наиболее чувствительных к примесям-
газам, и особо ответственных конструкций рекомендует-
ся применять аргон высшего сорта или подвергать
инертный газ дополнительной очистке. Так, пропускани-
ем аргона через силикагель, например, марки КСМ
(ГОСТ 3956—766) и алюмогель достигается очистка от
влаги, а через титановую стружку или губку, нагретую
до 1170—1270 К, — от кислорода и азота.
В зависимости от размеров и конфигурации свари-
ваемых узлов и изделий могут быть применены разные
способы защиты зоны сварки в среде инертных газов.
Различают три основных способа, которые находят при-
менение для химически активных тугоплавких металлов.
1. Сварка на воздухе со струйной защитой, осущест-
вляемой непрерывным обдувом сварочной ванны и осты-
вающих участков соединения путем перемещения горел-
ки с соплом и специальной удлиненной насадкой (рис. 6).
Рис. 6. Горелка с удлинен-
ной насадкой для механизи-
рованной сварки'
1 — вольфрамовый электрод; 2 —
защитный инертный газ; 3 — на-
садка; 4 — истечение газа для
защиты остывающего шва; 5 —
свариваемое изделие
Характеристики некоторых горелок, применяющихся при
ручной сварке неплавящимся электродом, приведены в
табл. 11 (рис. 7). Так как при ручной сварке насадки
могут затруднять наблюдение за формированием шва, их
конфигурацию выбирают применительно к типам и рас-
положению швов. Они могут иметь форму козырьков,
коробочек и др. Ширину и длину насадки выбирают с
28
Таблица II
Характеристика некоторых горелок для сварки
неплавящимся электродом
Горелка Наибольший сварочный ток, А Диаметр электрода, мм Масса, кг
РГА-150 150 1—4 о.з
РГА-200 200 1—4 0,3
АР-9 350 1—6 0,45
РГА-400 400 3—6 0,4
таким расчетом, чтобы обеспечить защиту всех участков
сварного соединения вплоть до температур, при которых
не происходит взаимодействие металла с газами атмо-
сферы (670—770 К) •
Для механизированной сварки на токах до 250 А
удовлетворительные результаты дают горелки, которыми
укомплектованы автоматы АДСВ-2, АДСВ-5 и др. При
сварке на более высоких токах (до 700 А) находят при-
менение горелки других типов, например А-1272.
Рис. 7. Горелка АР-9 для ручной ар-
гоиодуговой сварки неплавящимся
электродом
Рис. 8. Защита обратной стороны
(корня) шва:
1 горелка; 2— присадочный металл; 3—
свариваемое изделие; 4 — раструб
Обратную сторону (корень шва) защищают с помо-
щью специальных подкладок с отверстиями или растру-
бов (рис. 8), продуваемых инертным газом. При неболь-
29
металлов в
атмосфере
Рис. 9. Камера для сварки хи-
мически активных
контролируемой
инертных газов
шои протяженности стыковых соединений можно огран!
читься плотным поджатием кромок свариваемых дет;
лей к медной или стальной подкладке. Защита корн
шва при сварке труб или сосудов может быть достигну
та путем пропускания инертного газа внутрь изделия,
2. Общая защита узла
камере с контролируемо!
атмосферой инертного газ|
Герметичную камеру, изг*
товленную из стали (рис. 9
или прозрачного пластика, I
размещенным в ней издели
ем, подвергают вакуумирп
ванию (разрежение 0,1-
0,01 Па), а затем заполняй'
инертным газом при небол
шом избыточном давлени
Сварка в камерах возможг
автоматически или вручну1
В последнем случае в сте,
ках камеры размещают о
резиновые перчатки. Опер;
выполняет сварку, продева
на, в которых
тор, находясь
руки в перчатки.
В связи с увеличением размеров и массы констру!
ций из наиболее распросграненного химически актив»
го металла — титана и его сплавов — в последние год
стали применять большие так называемые обитаема
камеры с инертной атмосферой (например, «Атмосф
ра»). Оператор выполняет сварку, находясь внутри кам
ры в специальном скафандре. Камеры такого тиг
оборудованы системами шлюзования, очистки инертно!
газа; обеспечения сварщика воздухом и др. Для пр
дотвращения загрязнения швов вредными газами, кот
рыми обогащается инертный газ прн длительной работ
сварочные установки оборудуют измерительной аппар
турой, контролирующей содержание примесей в атм(
сфере камеры. В отечественной практике находят пр]
менение такие приборы, как «Байкал» (для определи
ния содержания влаги), «Циркон» (для установлен^
содержания кислорода), хроматографы, наприме
ЛХМ8МД (для комплексного определения кислород
и водорода), прибор ИСП-51 (для спектрального опре
деления примеси азота) и др.
закрепляют
вне камеры,
размеров и массы конструт
30
Пси сварке в камерах с контролируемой атмосферой
ппгтагается наиболее надежная защита, а в связи с
тнм и более стабильное качество сварных соединении.
ПпзтомУ такой способ является основным для всех хи-
мически активных металлов, особенно для наиболее чув-
ствительных к загрязнению примесями-газами (металлы
V А и VI А подгрупп).
3 Защита только сварного соединения и узких участ-
ков прилегающих к нему, что достигается с помощью
малогабаритных разъемных камер (рис. 10) (например,
Рис. 10. Малогабаритные накидные камеры для сварки титановых
труб неплавящимся электродом в среде инертных газов
при сварке кольцевых поворотных и неповоротных сты-
ков труб). Заполнение накидных камер инертным газом
после сборки может быть выполнено двумя способами:
после предварительного вакуумирования камеры с после-
дующим заполнением; многократным пропусканием
инертного газа через камеру, сопровождающимся вы-
теснением из нее воздуха. Первый способ более надеж-
ный н поэтому рекомендуется для тугоплавких металлов.
Сварка химически активных и тугоплавких металлов
неплавящимся электродом осуществляется постоянным
током прямой полярности (минус на электроде). От
стойкости электрода, постоянства его формы во многом
зависят стабильность процесса сварки и глубины про-
плавления, формирование швов и качество соединения.
Электрод, изготовленный из чистого вольфрама, непри-
годен для сварки тугоплавких металлов вследствие их
высокой температуры плавления: он быстро разрушает-
31
ся. Повышенной стойкостью обладают электроды из
вольфрама с добавками иттрия (марки СВИ-1) или лан-
тана (марки ВЛ), которые получили широкое распрост-
ранение у нас в стране для сварки химически активных
и тугоплавких металлов и сплавов. Благодаря увеличен-
ной стойкости такие электроды допускают большую то-
ковую нагрузку по сравнению с электродами из чистого
вольфрама марки ВЧ (табл. 12). Рабочую часть элек-
трода затачивают на конус с углом 30—45° в зависи-
мости от толщины свариваемого металла.
Сварку неплавящимся электродом можно выполнять
без присадки (обычно при толщине металла до 2 мм) и
с подачей присадочной проволоки (вручную или механи-
зированным способом). Для улучшения формирования
шва при автоматической сварке с присадочной проволо-
кой и повышении стойкости электрода его конус притуп-
ляют до диаметра 0,5—0,8 мм. Диаметр электрода вы-
бирают в зависимости от требуемой величины сварочного
тока (табл. 12). При сварке в гелии токовую нагрузку ;
Таблица 12 i
Допустимая токовая нагрузка (А) для электродов разного состава ,1
при сварке в аргоне а
Диаметр электрода, мм Марка1 электрода
ВЧ СВИ-1 ВЛ
2 20 180 90
3 190 320 250 i
4 380 610 490 |
5 590 900 420
1 Вольфрамовые электроды данных марок выпускали по специ-
альным ТУ. С 1.01.81 г. действует ГОСТ 23949—80, по которому
приняты следующие новые марки электродов: ЭВЧ соответствует
ВЧ; ЭВИ-1 соответствует СВИ-1; ЭВЛ соответствует ВЛ.
по сравнению со сваркой в аргоне снижают на 15—20%.
В качестве источника питания применяют сварочные
преобразователи типа ПС-300, ПС-500, ПСМ-1000 и вы-
прямители типа ВД-301, ВДУ-504, ВС-300, ВСВУ-63'^
и др. Для регулирования сварочного тока, а также дли
32 У
создания падающей характеристики у источников пита-
ния с жесткой характеристикой (например, ПСМ-1000),
сварочный пост (рис. 11) должен быть оснащен балласт-
Рис. 11. Схема поста для ручной (а) и механизированной (б) сварки
неплавящимся электродом:
I__источник питания; 2 — вольтметр постоянного тока; 5 — конденсатор защи-
ты; контактор включения сварочной цепи; 5 —балластный реостат; 6 —
защитный дроссель; 7— кнопка включения осциллятора; 8 — осциллятор; 9—
шунт; 10—амперметр постоянного тока; 11— горелка; 12— электромагнитный
клапан подачи газа; 13 — ротаметры; 14 — защитная насадка; 15 — кнопка
«Пуск»; 16 — кнопка «Стоп»; 17 — контакт самоблокировки катушки контакто-
ра; 18 — катушка контактора
ными реостатами РБ-201, РБ-301, РБГ-502 и др. Возбуж-
дение дуги осуществляется с помощью осцилляторов
ОСПЗ-2М, ОСПЗ-8М-1, ОСПП-ЗООМ, ОСП-88-1 и др.
Расход инертного газа контролируют расходомерами ти-
па У-3, ДЗР1-59 или ротаметрами типа PC-3, РС-5. Ав-
томатическую сварку выполняют автоматами АРК.
АДСВ-2 (рис. 12), АДСВ-5 и др.
В последние годы с целью повышения эффективности
использования теплоты дуги и улучшения качества свар-
ных соединений создан ряд разновидностей способа свар-
ки в среде инертных газов неплавящимся электродом.
К ним относится сварка погруженной дугой и сквозным
проплавлением, сварка по слою флюса и с присадкой
порошковой проволоки, сварка в регулируемом магнит-
ном поле. При сварке погруженной дугой конец электро-
да располагают ниже поверхности свариваемого метал-
ла, что позволяет значительно улучшить использование
тепловой мощности дуги и благодаря этому сваривать
за один проход без разделки кромок листы металла
значительной толщины (например, из титана толщиной
14 16 мм). При сварке сквозным проплавлением режи-
мы сварки подбирают таким образом, чтобы в металле
под дугой всегда образовывалось отверстие, непрерывно
!—482 33
Рис. 12. Трактор АДСВ-2 для сварки неплавящимся электродом
среде инертных газов:
1 — самоходная тележка; 2—механизм подачи; 3 — наконечник; 4 — горелка;1
5 — пульт управления
заполняемое жидким металлом по мере продвижения
Дуги.
Весьма эффективен новый отечественный способ свар-
ки неплавящимся электродом в среде инертного газа с:
применением флюсов-паст или порошковых присадочных
проволок, разработанный в ИЭС им. Е. О. Патона. Вве-j
дение флюсов специального состава на основе фторис-;
тых соединений в зону дуги позволяет резко повысит^
глубину проплавления свариваемого металла, сузить^
шов и сократить протяженность зоны термического влия-
ния, устранить пористость — наиболее часто ветре
щийся дефект швов при сварке химически акти х
металлов. Сварку по данному способу выполняю э
тонкому слою флюса-пасты, предварительно нанесе, ..и-
му на свариваемые кромки (при толщине металла д>
6 мм), или путем введения в зону дуги трубчатой (по-
рошковой) проволоки, сердцевина которой состоит из?
флюса. А
Качество швов, например на титане, удается повей
сить, применяя магнитное управление дугой и движенЛ
ем жидкого металла в сварочной ванне путем наложении
на дугу продольных магнитных полей с помощью спецЛ
альных приставок к сварочным автоматам. КолебапиД
34
сообщаемые расплавленному металлу сварочной ванны,
изменяют характер его кристаллизации и способствуют
измельчению зерна. При этом устраняются некоторые
дефекты швов (например, пористость).
Для сварки металла малых толщин (например, ти-
тана толщиной менее 2 мм), применяют импульсно-ду-
говую сварку (ИДС) неплавящимся электродом, обес-
печивающую стабильность качества соединения. При
питании от специальных источников тока (например,
типа ИПИД и ВСВУ) сварку ведут импульсами посто-
янного тока прямой полярности. За каждым импульсом
тока (продолжительностью 0,2—0,3 с) следует пауза
(продолжительностью 0,1—0,2 с), благодаря чему уда-
ется выполнять сварку как бы точками с их перекрыти-
ем. Так как при ИДС возникает необходимость возбуж-
дать дугу с большой частотой, между вольфрамовым
электродом и свариваемым изделием постоянно поддер-
живается (от отдельного источника питания) малоам-
перная так называемая дежурная дуга (/=0,84-2А), на
которую накладывается рабочая импульсная дуга. В ка-
честве источника питания дежурной дуги используют
выпрямители ВСС-120, ВСС-300 и др. Регулируя ток.
скорость, а также длительность импульса и паузы, мож-
но в широких пределах изменять размеры шва. При этом
заметно уменьшается перегрев металла, снижаются сва-
рочные деформации (например, для титана толщиной
0,5—1 мм на 25—30% по сравнению с обычной дуговой
сваркой неплавящимся электродом).
Сварку в среде инертных газов можно также выпол-
нять плавящимся электродом (электродной проволо-
кой). Чтобы исключить разбрызгивание металла, сварку
ведут постоянным током обратной полярности на режи-
мах, обеспечивающих мелкокапельный перенос метал-
ла. Это достигается при сравнительно больших плотнос-
тях тока на электроде (~ 100 А/мм2). Для сварки пла-
вящейся электродной проволокой применяют автоматы
АДС-500М, АДС-1000-2, АДСП-2, модернизированный
трактор ТС-17М и др. При таком способе сварки вне
камер возникают дополнительные трудности при обеспе-
чении защиты зоны сварки (длина газозащитных при-
Е1ВВОК’ жестко соединяемых с горелками, достигает
500 мм и более). Поэтому он применим главным обра-
зом при сварке в камерах с контролируемой инертной
атмосферой. Для тугоплавких металлов его практически
не используют из-за затруднений, встречающихся пр
изготовлении электродной проволоки.
При сварке в монтажных условиях соединений из ти
тана (например, стыков труб и колонн), применяют им
пульсно-дуговую сварку плавящимся электродом в арго
не. Питание дуги осуществляется от генератора импуль
сов, например, ИИП-2. Чаще всего импульсную сварк
выполняют полуавтоматом (например, «Импульс-1»
электродной проволокой диаметром 1,2—1,5 мм.
Сварку плавящимся электродом производят в гели
или смеси, состоящей из 80% Не и 20% Аг.
Для титана и его сплавов толщиной более 3 мм щ
пользуют автоматическую дуговую сварку электродно
проволокой под флюсом. Из-за большой химическо
активности металла при высоких температурах, и осо
бенно в расплавленном состоянии, к флюсу для сварк
титана предъявляются особые требования. Он долже
обеспечивать надежную защиту зоны сварки от вредног
воздействия воздуха и не оказывать окислительного дей
ствия на металл шва. Важно, чтобы флюс предохраня
шов от загрязнения водородом. Титан имеет сравнител]
но высокую температуру плавления, поэтому флюс дл
его сварки должен быть более тугоплавким, чем флюс,
для сварки стали. Для сварки титана и его сплавов к
пригоден ни один из флюсов, применяющихся для ста
лей и цветных металлов. В ИЭС им. Е. О. Патона впер
вые в мировой практике разработана серия специаль
ных флюсов для сварки титана и его сплавов типа АН!
практически не имеющих в своем составе кислорода
названных поэтому бескислородными.
Такие флюсы успешно применяют в химическом м!
шиностроении и других отраслях промышленности.
Среди способов сварки плавлением для химическ
активных и тугоплавких металлов и сплавов на их о*
ново все большее место начинает занимать плазменна
и электронно-лучевая сварка. ;
Плазменная сварка (ПС) — высокоскоростной и вь
сокопроизводительный процесс — от дуговой сварки oi
личается прежде всего формой дуги. Дуга при сварк
неплавящимся электродом в среде инертного газа име«
форму колокола. При плазменной сварке дуга приним<
ет форму вытянутого цилиндра, так как обжимается о)
лажденными стенками сопла специальной конструкции
Вследствие такого сжатия широко распространено
36 !
rtnvroe название данного способа — сварка сжатой дугой.
ПС имеет ряд преимуществ по сравнению со сваркой
неплавящимся электродом в среде инертных газов: бо-
лее глубокое проплавление, узкие швы и зоны термиче-
ского влияния, высокая стабильность процесса при ма-
лых сварочных токах, более высокие скорости и произ-
водительность сварки,
Широкое применение нашла разновидность ПС —
микроплазменная сварка, весьма эффективная для изде-
лий из особо тонкого металла, толщина которого состав-
ляет десятые доли миллиметра. Б принципе этот способ
не отличается от плазменной сварки (рис. 13). Различие
заключается лишь в том, что микроплазма горит на ма-
лых токах (0,1 А и выше). Устойчивое и стабильное под-
держание микроплазмы достигается благодаря высокой
степени сжатия столба дуги каналом сопла малого диа-
метра (менее 1 мм). При микроплазменной сварке реко-
мендуется использовать аргон в качестве плазмообра-
зующего газа и гелий, аргон или смесь этих газов для
защиты зоны сварки. Для этого способа сварки применя-
ют источники постоянного тока — стандартные выпря-
мители ВДГ-302, а также специализированные—МПИ-3,
МПУ-4, А-1255 и др. Ручную сварку выполняют горел-
ками О61160А, 061213, Ю7М2 и др., а механизирован-
ную-— автоматами А-1342, АДНГ и др. Микроплазмен-
ная сварка находит эффективное применение для соеди-
нения особо тонкостенных труб из титана и других ме-
таллов.
Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) основана на ис-
пользовании энергии электронов, движущихся с большой
скоростью в вакууме. Выделяет (эмиттирует) пучок
электронов специальный электронный агрегат — свароч-
ная пушка. Попадая внутрь вакуумной камеры, электро-
ны ускоряются под действием электрического поля, ко-
торое поддерживается высоким напряжением — до
Ю0 000В (100 кВ) и более. Наибольшее распростране-
ние получили сварочные пушки, работающие при уско-
ряющем напряжении до 60 кВ. В последнее время со-
здаются пушки, питаемые от источников тока и при
больших напряжениях— 100—120 кВ. Это связано с
тем, что процесс сварки на повышенных ускоряющих на-
пряжениях имеет ряд преимуществ при выполнении сое-
динений, главным образом, из металла больших толщин.
37
Рис. 13. Схема процесса
микроплазменной сварки:
7 — вольфрамовый электрод;
2 — рабочее сопло; 3 — защит-
ное сопло; 4 — сжатая дуга; 5 —
изделие
При соударении
электронов с изделием
их энергия превра-
щается в тепловую, ко-
торая расходуется на
подогрев и плавление
свариваемых кромок.
Электронно-лучевая
Рис. 14. Схема электронно-лучевой
сварочной установки:
/ — вакуумная камера; 2 — механизм пере-
мещения; 3 — свариваемое изделие; 4 —
смотровое окно; 5 — форвакуумный насос;
6 — вакуум-провод; 7 — вентиль; 8 — высо-
ковакуумный насос; 9 — затвор высокова-
куумного агрегата; 10 — сварочная пушка;
11 — катод; 12 — анод; 13 — высоковольт-
ный источник питания; 14 — система сжа-
тия (фокусировки) луча; 15 — система
электромагнитного отклонения пучка элек-
тронов (управления лучом)
сварочная установка включает
следующие основные узлы и устройства (рис. 14): гер-
метичную камеру, вакуумную систему с форвакуумным
(предварительная откачка) и высоковакуумным насоса-
ми, сварочную пушку с системами электропитания, фо-
кусировки (сжатия пучка), управления лучом, вспомо-
гательные цепи и контрольно измерительную аппаратуру.
Параметры режима электронно-лучевой сварки: уско-
ряющее напряжение (UyCK, кВ), ток пучка (1а, мА) и
скорость сварки (осв, м/с).
ЭЛС отличается от всех ранее известных способов
сварки плавлением, так как имеет ряд важных особен-
ностей: применение нового мощного концентрированного
источника теплоты и практически полное отсутствие га-
зов, окружающих зону сварки, так как процесс сварки
осуществляется в вакуумной камере. Первая особенность
способствует сосредоточению нагрева на весьма малом
пятне, диаметр которого практически равен поперечному
сечению сжатого сварочной пушкой пучка электронов и
достигает десятых и даже сотых долей миллиметра. Та-
кая концентрация энергии делает возможной сварку с
38
Рис 15. Форма проплавления при ЭЛС (1) и дуговой сварке (2)
недоступными для дуговых методов сварки соотношени-
ем глубины к ширине проплавления — 20 : 1 и более
(рис. 15).
Современные сварочные пушки обеспечивают устой-
чивый процесс как при малых, так и больших значениях
тока пучка электронов. Поэтому ЭЛС успешно применя-
ют для соединения разных толщин —от долей до десят-
ков миллиметров. Швы, выполненные ЭЛС, — узкие,
клиновидные. Зона расплавления при ЭЛС намного
меньше, чем при АДС. При ЭЛС расходуется меньше
энергии, чем при АДС. При сварке в вакууме исключа-
ется загрязнение шва газами и поэтому могут быть
достигнуты высокая пластичность и вязкость соединений.
Благодаря указанным основным преимуществам про-
цесса ЭЛС оказалась особенно эффективной для соеди-
нения деталей из химически активных и тугоплавких ме-
таллов и сплавов. Специфические особенности ЭЛС —
малое поперечное сечение луча, перенос энергии, запа-
сенной электронами, на значительные расстояния, узкие
швы при весьма малой площади расплавляемого метал-
ла — позволяют выполнять сварные соединения принци-
пиально новых видов, например соединения с прорезны-
ми швами, в труднодоступных местах и в узких раздел-
ках—щелях, электрозаклепками и др. (рис. 16).
ЭЛС применяют в производстве как малогабаритных
изделий электроники и приборостроения, так и крупно-
габаритных конструкций длиной и диаметром несколько
метров.
Габаритные размеры вакуумных камер определяются
размерами свариваемых изделий. Наибольшее распро-
странение для изделий малых и средних размеров в про-
мышленности СССР получили универсальные установки
с многопозиционными сменными механизмами и сравни-
39
Рис. 17. Установка типа У-401
для ЭЛС изделий из химически
активных металлов и сплавов
Рис. 16. Схема сварных соедине-
ний новых видов, выполняемых
ЭЛС:
а — прорезные швы; б — сварка в труд-
нодоступном месте; в — сварка обечаек
внедренным лучом через ребро жестко-
сти: 1 — электронный луч; 2—4 — свари-
ваемые детали
тельно небольшими размерами вакуумных камер, на-
пример У-3 и универсальные установки серии ЭЛУ
(ЭЛУ-1, ЭЛУ-4, ЭЛУ-5 и др.).
Для сварки крупногабаритных изделий разработаны
специальные установки. К ним относятся установки У-86
и У-96А, предназначенные для сварки изделий диамет-
ром до 1600 мм и длиной до 2800 мм, а также ЭЛУ-13,
на которой можно сваривать кольцевые швы на цилин-
дрических изделиях диаметром до 3000 мм и продольные
швы длиной до 4500 мм.
Для ЭЛС химически активных и тугоплавких метал-
лов создают специализированные установки. Главная
отличительная черта таких установок — наличие в ва-
куумной системе насосов безмасляной откачки (напри-
мер, сорбционных), в то время как обычные установки
для ЭЛС снабжаются паромасляными высоковакуумны-
ми насосами. К ним относится, например, установка
У-401 (рис. 17, на заднем плане, за установкой виден
сорбционный насос безмасляной откачки). Благодаря
такой откачке удается устранить присутствие паров ма-
сла в вакуумной камере и избежать возможного загряз-
нения швов парами,
40
На промышленных установках для ЭЛС используют
сварочные пушки разной конструкции (например,
У-530М, серии ЭП и др.). Широкое применение в нашей
гтпане получили специализированные источники питания
для ЭЛС типа У 250 А, серии ИВ (ИВ-25/4, ИВ-60-15)
и др.
Для соединения из металла малых толщин, а также
сплавов, чувствительных к перегреву, весьма эффектив-
на" импульсная электронно-лучевая сварка. Подобно им-
пульсной АДС, импульсная ЭЛС характеризуется корот-
кими импульсами сварочного тока, которые чередуются
с паузами.
В последние годы разработана и все шире начинает
применяться сварка световым лучом. Ее можно выпол-
нять с использованием источников световой энергии двух
типов: мощной дуговой машины или специального так
называемого квантового генератора. В качестве источ-
ника света при сварке по первому способу применяют
дуговые ксеноновые лампы высокого давления. Фокуси-
ровка светового луча осуществляется с помощью отра-
жательной оптики. Для второго—наиболее перспектив-
ного — способа источники энергии получили название
лазеров, а сам процесс — лазерной сварки. Главное
преимущество такого процесса заключается в том, что
лазеры дают интенсивные остросфокусированные свето-
вые лучи, что позволяет концентрировать энергию на
весьма малых пятнах—диаметром до тысячных долей
миллиметра. Лазерную сварку химически активных ме-
таллов выполняют в среде инертных газов. В начальный
период освоения этого нового эффективного способа он
находил применение для деталей малых размеров, на-
пример в радиоэлектронной промышленности. По мере
увеличения мощности лазеров расширяются и области
применения лазерной сварки.
Соединения деталей из титана и его сплавов большой
толщины (свыше 40 мм) во многих случаях целесообраз-
но выполнять электрошлаковой сваркой (ЭШС). ЭШС
нашла широкое промышленное применение для изделий
из сталей разного типа. Однако в том виде, в каком он
был разработан для стали, способ ЭШС оказался непри-
годным для химически активного металла — титана. Уже
первые опыты показали, что для ЭШС титана необходи-
мы специальные тугоплавкие бескислородные флюсы.
Ьыло также установлено, что одной лишь шлаковой за-
41
щиты недостаточно для получения металла шва, не з;
грязненного вредными примесями-газами — кислородш
азотом и водородом. Возникает необходимость изолир<
вать шлаковую ванну от воздуха путем наддува чистог
аргона над поверхностью шлаковой ванны. Для этой щ
ли мундштуки, водоохлаждаемые ползуны или кокил
снабжены специальными устройствами для подачи а]
гона. Защитные козырьки, обеспечивают минимальны
расход газа.
Для сварки металлов с повышенным электросопрс
тивлением, каким является титан, наиболее приемлем
разновидности ЭШС, основанные на использовани
электродов большого сечения — пластинчатых (при дл!
не швов до 400 мм) и пластинчато-проволочных электрс
дов (плавящихся мундштуков). Для ЭШС титана и ег
сплавов разработаны специализированные установи
А-550, А-977 (для пластинчато-проволочных электрс
дов) и др. Сварку осуществляют на переменном ток
при питании от трансформаторов ТШС-3000-1
ТШС-1000-3, ТШС-3000-3 и др.
Многие детали из химически активных и тугоплавки
металлов можно сваривать давлением (без расплавле
ния).- Такой процесс соединения металлов положен
основу способов сварки взрывом, диффузионной и тре
нием.
Сварка взрывом основана на использовании так на
зываемоп кумулятивной силы взрывной волны. Образе
вание соединения происходит в процессе соударения дву;
свариваемых деталей (пластин) под воздействием тако
волны. Одну из свариваемых пластин — неподвижную
устанавливают на жесткое основание 2, вторую плас
тину — метаемую 3 располагают под углом 3—10° к по
верхности неподвижной пластины, на небольшом рас
стоянии в вершине угла (2—3 мм) (рис. 18). На мета^
мую пластину равномерным слоем укладывают заря>
взрывчатого вещества—ВВ 4—амонала, гексоген!
и т. п.
В вершине угла устанавливают электродетонатор 5
с помощью которого взрывают заряд. При взрыве созда
ется чрезвычайно высокое давление выделяющихся га
зообразных продуктов (до 20000 МПа). Метаемой плао
тине сообщается скорость, превышающая 1000 м/с. Со
ударение метаемой и неподвижной пластины сопровож
дается нагревом поверхностных слоев металла и и)
42
4
Рис. 19. Схема установки для
диффузионной сварки в ваку-
уме:
] — охлаждаемая камера; 2 — сва-
„ ту риваемые детали; 3 — индуктор
деформацией. При ЭТОМ (нагреватель); 4 — уплотнение; 5 —
создаются УСЛОВИЯ ДЛЯ шток; «-нагружающее устройство
схватывания соприкасаю-
щихся поверхностей. Про-
исходит сварка с образованием волнистой границы меж-
ду соединяемыми деталями.
Малогабаритные детали сваривают взрывом в ваку-
умных камерах; изделия больших размеров — на поли-
гонах. Этот способ применяют для производства загото-
вок под последующий прокат биметаллов, получения
переходников из разнородных металлов, а также для
изготовления ряда узлов конструкций и механизмов: для
приварки труб к трубным доскам, сварки трубчатых эле-
ментов и др.
Диффузионная сварка в вакууме—эффективный спо-
соб соединения химически активных и разнородных ме-
таллов — основана на использовании процесса диффу-
зии, протекающего в твердых металлах при высо-
ких температурах. Сварка происходит в вакуум-
ной камере 1 (давление 0,1—0,01 Па) (рис. 19).
Нагрев свариваемых деталей 2 обеспечивается нагрева-
телем 3. Используют разные способы нагрева: индукци-
онный, электронно-лучевой, радиационный и проходя-
щим током. Процесс сварки ведется при непрерывном
вакуумировании объема камеры, что способствует уда-
лению газов, выделяющихся из свариваемых металлов.
После достижения максимальной температуры нагрева
(температуры сварки) и соответствующей выдержки
прикладывают усилие сжатия, которое поддерживают
43
постоянным в течение всего процесса сварки. Продолжи-
тельность выдержки под нагрузкой зависит от свойств
свариваемого металла и величины давления и достигает
десятков минут. Величина давления также зависит от
свойств металла и температуры сварки и может состав-
лять 3—100 МПа. Надежный контакт свариваемых по-
верхностей обеспечивается лишь при условии их обра-
ботки с высокой степенью чистоты.
Для диффузионной сварки находят применение уста-
новки серии СДВУ (СДВУ-38, СДВУ-50 и др.), А 308-13,
А 306-21 и др. Диффузионную сварку широко использу-
ют для соединения деталей из разнородных металлов, а
также небольших по размерам узлов из химически ак-
тивных металлов в однородном сочетании.
Высокой производительностью отличается способ
сварки в твердом состоянии с импульсным нагружением
(ударная сварка в вакууме), характерной особенностью
которого является чрезвычайно малая продолжитель-
ность процесса образования соединения. Благодаря это-
му создаются благоприятные условия для соединение
разнородных металлов. Исключается образование хруп-
ких соединений — интерметаллидов.
В вакуумных установках для осуществления ударной
сварки, например У-394М и У-860, нагрев деталей осу-
ществляется кольцевым электронно-лучевым нагревате-
лем, что резко снижает время пребывания металла в
области высоких температур. Способ ударной сварки в ва-
кууме применяют для изготовления трубчатых переход,
ников из разнородных металлов (ниобий — сталь и др.).
Сварка трением происходит в твердом состоянии при
сжатии осевым усилием вращающихся деталей. Широко-
му применению этого способа сварки в различных отрас-
лях промышленности способствует ряд его особенностей:
простота и экономичность процесса, стабильность каче-
ства соединений, высокая производительность, возмож-
ность сварки металлов и сплавов в различных сочета-
ниях, а также металлических материалов с неметалли-
ческими (например, металлов с керамикой). В последнее
время разработана и начала применяться инерционная
сварка трением. При этом способе сварки механическая
энергия накапливается массивным маховиком и далее
передается свариваемым деталям. В отличие от обычной
сварки трением, маховое колесо рассеивает всю свою
энергию в стыке при поджатии неподвижной детали к
44
пащающейся практически при постоянном давлении за
чень короткий промежуток времени. Это обусловливает
высокую концентрацию энергии в зоне стыка и чрезвы-
чайно малую протяженность зоны термического влияния.
Время инерционной сварки примерно в 10 раз меньше,
чем при обычной сварке трением.
Для сварки трением можно использовать токарные
станки, например ДИП-200 и др., а также сверлильные
и фрезерные станки. Созданы и применяются в промыш-
ленности специализированные сварочные машины серии
МСТ (МСТ-23, МСТ-35, МСТ-41 и др.).
Для химически активных металлов, например титана
и его сплавов, находят применение все разновидности
контактной сварки: точечная, шовная и стыковая. При
точечной и шовной сварке металла малых толщин вслед-
ствие чрезвычайно быстрого протекания процесса, как
правило, не требуется зашита зоны сварки. Необходи-
мость в такой защите возникает при стыковой сварке,
особенно при сварке оплавлением.
В радио- и электронной промышленности для соеди-
нения деталей из тугоплавких металлов малых толщин
используют ударную стыковую конденсаторную свар-
ку—разновидность контактной сварки, при которой на-
грев свариваемых деталей осуществляется теплом дуго-
вого разряда конденсаторов с одновременным соударе-
нием этих деталей.
СВАРКА МЕТАЛЛОВ IV А ПОДГРУППЫ
(ТИТАНА, ЦИРКОНИЯ И ГАФНИЯ)
При сварке химически активных металлов
большое влияние на качество сварных соединений ока-
зывает состояние поверхности соединяемых кромок и
присадочного металла. Пленка окислов и нитридов, час-
то называемая газонасыщенным слоем и образующаяся
после горячей обработки полуфабрикатов (ковки, штам-
повки, прокатки на воздухе), удаляется механическим
способом (строганием, фрезерованием и др.). В тех слу-
чаях, когда нельзя применить такой способ (например,
при подготовке поверхности листов) используют гидро-
пескоструйную или дробеструйную обработку с после-
дующим травлением поверхности металла в смеси кис-
лот (составы травителей для каждого металла указаны
45
ниже). При неполном удалении газонасыщенного слоя
(получившего также название альфированного слоя
вследствие специфической структуры) с поверхности
свариваемых кромок невозможно получить качественное
сварное соединение. В швах образуются поры и холод-
ные трещины.
Для оценки полноты удаления слоя применяют ме-
таллографические исследования под микроскопом спе-
циально подготовленных шлифов, включающих травле-
ную поверхность металла. Более удобен спектральный
метод, не требующий вырезки шлифов и позволяющий
установить содержание примесей-газов, и прежде всего
кислорода, в поверхностных слоях металла. Непосред-
ственно перед сваркой кромки на ширине 15—20 мм от
стыка зачищают шаберо м или металлической щеткой и
обезжиривают спиртом-ректификатом, ацетоном или дру-
гим жирорастворителем. Обезжиривают также свароч-
ную проволоку. Торцы деталей после газовой резки об-
рабатывают на глубину не менее 2—3 мм. Сварочная
проволока поставляется заводами-изготовителями дега-
зированной после термической обработки в вакууме (для
очищения от водорода), с травленой (осветленой) по-
верхностью.
Сварка титана. Для травления свариваемых кромок
после гидропескоструйной очистки в случае, если невоз-
можна их механическая обработка, применяют реактив
следующего состава (об. %): HF—26; HNO3—50; Н2О—.
24. Температура не выше 295 К; продолжительность
травления 1—20 ч в зависимости от толщины пленки
окислов.
Для титана и его сплавов наиболее широкое приме-
нение находит универсальный способ сварки плавлени-
ем — в среде аргона неплавящимся электродом.
Чтобы избежать излишнего перегрева околошовных
участков сварного соединения, при сварке плавлением
титана и его сплавов, как и других химически активных
металлов, необходимо ограничивать величину сварочного
тока. Обычно при сварке титана неплавящимся электро-
дом ток не превышает 300 А. При таком токе удается
сваривать без разделки кромок за один проход сплавы
толщиной до 3 мм. Сварку титановых сплавов больших
толщин выполняют многими слоями с разделкой кромок
(рис. 20) и подачей присадочного металла. Для хоро-
шего формирования обратного валика рекомендуется
46
Рис. 20. Разделки кромок для многослойной сварки стыковых соеди-
нений нз титана разных толщин:
£=44-10 мм; б — £=10-—25 мм; в — 6>25 мм
рюмкообразная форма разделки кромок (рис. 20в). Ре-
жим сварки корневого шва и величину притупления вы-
бирают так, чтобы ширина шва не превышала размеров
плоского участка t.
При ручной сварке не рекомендуются колебательные
движения горелки во избежание нарушения защиты:
процесс следует поддерживать на короткой дуге при рас-
положении электрода углом вперед (угол 90°). Приса-
дочная проволока подается непрерывно. После оконча-
ния сварки или обрыва дуги инертный газ должен пода-
ваться до тех пор, пока металл не остынет до 670 К.
Для управления подачей инертного газа в горелку слу-
жит специальный электромагнитный клапан 12, вклю-
ченный в электросхему поста для сварки химически ак-
тивных металлов неплавящимся электродом (см. рис. 12).
Предпочтения заслуживает механизированная свар-
ка, так как она обеспечивает более стабильное качество
швов, чем ручная (табл. 13 и 14).
Таблица 13
Ориентировочные режимы ручной сварки титана и его сплавов
неплавящимся электродом в среде аргона
Толщина металла, мм Число проходов Сварочный ток, А Напряжение дуги. В Диаметр присадочной проволоки, мм
1 1 40—60 10—14 —
2 1 70—90 10—14 1,5—2,0
3 2 120—130 10—15 1,5—2,0
4 2 130—140 11—15 1,5—2,0
5 2—3 140—160 Л—15 2,0—2,5
10 10—14 160—200 11—15 2,0—3,0
47
СЗ
S
«3
н
Ориентировочные режимы механизированной сварки стыковых соединений из титата
и его сплавов неплавящимся электродом в среде аргона
Примечание. При сварке листов большей толщины увеличивают число проходов.
Таблица 1S
Характеристика некоторых промышленных сварочных
проволок из титановых сплавов
Марка проволоки Содержание1 элементов, % по мае. Механические свойства
А1 V Zr Мо <7 , МПа %
не более не менее
ВТ 1-00 441 25
ВТ2св 2,0—3,0 — — — 490 20
ВТбсв 3,5—4,5 2,5—3,5 — — 686 18
СПТ-2 3,5—4,5 2,5—3,5 1,0—2,0 .— 686 18
ВТ20-1св 2,0 1,0 2,0 1,0 589 15
1 Содержится также 0,04 N2; 0,12 О2; 0,003 Н2 % по мае. (не более).
О надежности газовой защиты в процессе сварки и
при последующем охлаждении шва можно судить по его
внешнему виду.. Блестящая серебристая поверхность сви-
детельствует о хорошей защите и удовлетворительных
свойствах шва. Появление на шве желто-голубых цветов
побежалости указывает на нарушение защиты, а серые
налеты свидетельствуют о плохой защите. Простым и
достаточно надежным показателем качества шва может
служить его твердость. При хорошей газовой защите
твердость шва практически не превосходит твердости
основного металла.
При сварке неплавящимся электродом титана и его
сплавов толщиной более 2 мм для получения полномер-
ного шва применяют присадочную проволоку диаметром
1,5—3 мм. Для технического титана и низколегирован-
ных сплавов рекомендуется титановая проволока марки
ВТ1—00 (табл. 15). Проволока выпускается диаметром
1—7 мм. Для сварки сплавов титана с пределом проч-
ности 600—800 МПа наиболее широкое применение на-
шла проволока марки ВТ 2св, а для более прочных спла-
вов — марки СПТ-2 (табл. 15).
При сварке технического титана и его низколегиро-
ванных сплавов неплавящимся электродом в среде за-
щитных газов соединения получаются практически рав-
49
непрочные с основным металлом при удовлетворитель-
ной пластичности. Так, стыковое соединение из титана
ВТ 1-0 толщиной 1—2 мм имеет предел прочности 450—
500 МПа, угол изгиба — 180°, а сплава ВТ5 соответст-
венно 800—900 МПа и 70—90°. Получение соединений
равнопрочных с основным металлом при удовлетвори-
тельной пластичности на средне- и высокопрочных спла-
вах— задача более сложная.
Термообработка сварных соединений из титана и его
низколегированных сплавов необходима лишь для сня-
тия сварочных напряжений (см. табл. 5). Для ряда спла-
вов отжиг позволяет также повысить пластичность свар-
ных соединений и работоспособность конструкций. Упроч-
няющая термообработка (см. табл. 4) эффективна для
сварных соединений из средне- и высокопрочных спла-
вов (табл. 16).
Современная сварочная техника достигла такого
уровня развития, что на титане и его сплавах при сварке
плавлением можно получить соединения без дефектов,
высокого качества. Это позволяет применять сварные
конструкции ответственного назначения из титана в та-
ких отраслях, как авиастроение, космическая техника
и др. Однако нарушения технологического процесса мо-
гут привести к дефектам сварных швов, из которых наи-
более часто встречаются холодные трещины и поры. Хо-
лодные трещины в сварных соединениях возникают в
результате действия двух неблагоприятных факторов:
внутренних (сварочных) напряжений и понижения плас-
тичности отдельных участков сварного соединения вслед-
ствие загрязнения их вредными примесями-газами. Тре-
щины такого типа могут возникать сразу же после свар-
Таблица 16
Механические свойства сварных соединений из сплавов
ВТ6 и ВТ14 (6=24-3 мм)
Состояние сварного соединения Сплав ВТ6 Сплав ВТ14
ис, МПа а° ав, МПа а°
После сварки 98 56 102 48
После отжига 94 72 95 66
После упрочняющей термо- обработки 112 38 120 30
50
ки, а также со временем, после вылеживания сварного
изделия. В последнем случае процесс образования тре-
щин называют замедленным разрушением сварного сое-
динения. Он связан с присутствием в шве сверхдопусти-
мого количества водорода, который образует с титаном
соединения — гидриды, охрупчивающие металл. Образо-
ванию холодных трещин также способствует крупно-
кристаллическое строение металла шва и околошовной
зоны.
Исходя из основных причин возникновения холодных
трещин в сварных соединениях, можно наметить меры,
направленные на устранение склонности сварных соеди-
нений к образованию этого дефекта. К ним относится от-
жиг изделия, так как он позволяет снять или резко сни-
зить остаточные сварочные напряжения.
Образования холодных трещин в сварных соедине-
ниях можно избежать, используя основной и присадоч-
ный металл с содержанием вредных примесей-газов, не
превышающих количеств, указанных в ГОСТ 19807—74.
Необходимо применять сварочные материалы (флюсы,
защитные инертные газы) требуемой степени чистоты
(например, аргон первого или высшего сортов), а также
обеспечивать надежную защиту зоны сварки от влияния
на сварное соединение газов атмосферы.
В сварных титановых швах механизм образования
пор, располагающихся как в центральной его части, так
и у границ сплавления с основным металлом, практиче-
ски такой же, как и для стали. Причиной появления пор
служат газы и в первую очередь — водород. Скачко-
образное резкое уменьшение растворимости водорода в
твердом титане по сравнению с жидким приводит к вы-
делению этого газа при затвердевании сварочной ванны,
что при неблагоприятных условиях может вызвать об-
разование газовых полостей-— пор.
Однако главным источником образования газовых
пузырьков в сварочной ванне, впоследствии превращаю-
щихся в поры, является влага, которая может находить-
ся в виде тонкого слоя на поверхности свариваемых кро-
мок и проволоки. При высоких температурах влага взаи-
модействует с титаном, в результате чего выделяется
газ—водород. Так как с повышением температуры раст-
воримость водорода в титане снижается, газовые пу-
зырьки зарождаются до плавления кромок на стадии на-
грева. Попадая в сварочную ванну, пузырьки образуют
51
— — — — — — — — — — — 1
зародыши пор, к которым в дальнейшем могут присое- f
диняться и другие газы, например водород, выделяющий-
ся в процессе кристаллизации.
Источником возникновения пор могут быть также
углеродсодержащие вещества (например, загрязнения,
находящиеся на кромках и проволоке). При взаимодей-
ствии таких веществ с окислами при высоких темпера-
турах образуется газ — окись углерода, который вызы-
вает пористость. Известны пути борьбы с пористостью в
титановых швах: обеспечение чистоты металла и свароч-
ных материалов по отношению к примесям-газам, сварка
изделия на заранее выбранных и проверенных режи-
мах, тщательная очистка свариваемых кромок. В послед-
ние годы широкое применение нашел способ сварки ти-
тана и его сплавов неплавящимся электродом с введени-
ем в зону сварки флюсов-паст, в состав которых входят
фториды. В процессе сварки такие флюсы способствуют
связыванию водорода с фтором и благодаря этому
исключают возможность образования пор в шве.
Помимо значительного повышения стойкости швов
против возникновения пор сварка с применением флюса-
пасты имеет ряд других преимуществ. К ним относится
увеличение глубины проплавления, а также сужение
швов и соответственно зон термического влияния. Бла-
годаря увеличению проплавляющей способности дуги,
сварка неплавящимся электродом в среде инертных га-
зов с применением флюсов-паст позволяет получать од-
нопроходные швы на титане толщиной до 12 мм без раз-
делки кромок.
Наибольшее распространение в промышленности по-
лучили флюсы, характеристика которых приведена в
табл. 17. На кромки деталей при сварке неплавящимся
электродом флюс наносят в виде сметанообразной пасты,
замешанной на спирте-ректификате или ацетоне. В за-
висимости от величины сварочного тока толщина слоя
составляет 0,12 мм для тока до 150 А, 0,2—0,3 мм для
тока свыше 150 А. Ширина наносимого слоя в зависи-
мости от величины сварочного тока: для тока ниже 150 А
15—20 мм; для тока выше 150 А до 40 мм. Сравнение ре-
жимов сварки неплавящимся электродом без применения
[ флюса и с флюсом (см. табл. 14 и 18) показывает, что
при использовании флюса удается применять токи при-
мерно в 2 раза меньшие, чем при сварке без флюса. Бла-
годаря этому в сварных конструкциях снижаются дефор-
52 -
Таблица 17
Характеристика некоторых флюсов, применяющихся для сварки
титана и его сплавов
Флюс Толщина металла, мм Назначение флюса
ЛНТ-17А ЛНТ-23А ФАН-1 АНТ-1 АНТ-3 АНТ-7 АНТ-2 АНТ-4 АНТ-6 3—6 0,8—3 3—6 3—7 7—12 12—20 <40 <40 <40 Для дуговой сварки неплавящимся электродом Сварка технически чистого титана и его малопрочных сплавов без при- садочной проволоки То же с присадочной проволокой Сварка средне- и высокопрочных сплавов с присадочной проволокой Для дуговой сварки плавящимся электродом Сварка технически чистого титана и его мало- и среднепрочных сплавов Для электрошлаковой сварки Сварка технически чистого титана и его мало- и среднепрочных сплавов Сварка высокопрочных сплавов
Таблица 18
Ориентировочные режимы автоматической сварки стыковых
соединений по флюсу-пасте АНТ-23А
Толщина металла, мм Сварочный ток, А Напряжение Дуги, . В J: Скорость сварки, см/с Расход аргона в горелку, Дм8/с
0,8 18—35 7—8 0,3—0,7 0,04—0,06
1,0 20—40 7—8 0,3—0,7 0,04—0,06
1,5 40—60 7—8 0,3—0,6 0,04—0,06
2,5 80—100 8—9 0,3—0,6 0,06—0,08
3,0 110—130 9—10 0,3—0,4 0,06—0,08
Примечание. Расход аргона в насадку 0,04—0,06 дм3/с, для
защиты корня шва 0,02—0,04 дм3/с.
53
Рис. 21. Тавровое соединение из технически чистого титана, сва-
ренное с флюсом-пастой со сквозным проплавлением полки £=3мм:
а — схема; б — макрошлиф; 1 — горелка; 2 — полка; 3 — подкладка
мации, а формирование весьма узких швов приближает-
ся к швам, выполненным ЭЛС.
Сварку тавровых соединений с флюсом-пастой мож-
но выполнять за один проход со стороны полки со сквоз-
ным ее проплавлением и одновременным расплавлением
стенки (рис. 21).
Введение фторидного флюса в зону дуги с помощью
присадочной порошковой проволоки (табл. 19) сохраня-
ет все преимущества сварки по флюсу и применяется
при соединении деталей из титана и его сплавов толщи-
ной 4—16 мм. Флюс находится внутри трубки, диа-
метром 2—3 мм, свернутой из титановой фольги на спе-
циальном станке.
Сварку титана плавящимся электродом диаметром
1,6—5 мм в среде инертных газов применяют для сты-
Таблица 19
Характеристика порошковых титановых присадочных проволок
Марка проволоки Диаметр проволоки, мм Толщина металла, мм Назначение проволоки
ППТ-1 2,2—2,6 4—16 Однопроходная сварка технического титана и его низкопрочных сплавов, без усиления шва
ПГ1Т-2 3,0—3,5 8—16 То же, с усилением шва Однопроходная сварка средне- и вы- сокопрочных сплавов, с усилием шва
ппт-з 3,0—3,5 8—16
54
ковых, тавровых и на-
хлесточных соединений
из титана и его спла-
вов толщиной более
5 мм в нижнем поло-
жении. Сварку осуще-
ствляют в смеси, со-
стоящей из 80 об. % Не
и 20 об. % Аг, на посто-
янном токе обратной
полярности (плюс на
электроде). Разделка
кромок: угол раскры-
тия 60° и притупление
3—5 мм. Преимущест-
ва данного способа
сварки: высокая произ-
водительность процес-
са, малая склонность
швов к образованию
пор, возможность регу-
лирования механиче-
ских свойств швов пу-
тем выбора соответст-
вующего состава сва-
рочной проволоки. Не-
достатки: разбрызгива-
ние расплавленного ме-
талла, затруднения при
обеспечении надежной
защиты зоны сварки на
воздухе с помощью
больших по размерам
скользящих приспособ-
лений, продуваемых
инертным газом, значи-
тельный расход инерт-
ных газов. Поэтому та-
кой способ для изделий
из титана применяют
ограниченно. Большее
распространение полу-
чает сварка плавящей-
ся электродной прово-
сч
Примечание. Ток дежурной дуги 40—45 А; расход гелия — 0,3—0,4 дм3/с.
55
локой в камерах с контролируемой атмосферой инерт-
ных газов.
Импульсно-дуговая сварка плавящимся электродом в
среде инертных газов позволяет выполнять соединения
в монтажных условиях, расположенных в различных
пространственных положениях. Сварка преимущественно
полуавтоматическая специализированным полуавтома-
том «Импульс-1» проволокой диаметром 1,2 мм. Режимы
полуавтоматической импульсно-дуговой сварки титана
и его сплавов (табл. 20) позволяют повысить производи-
тельность сварочных работ в 2—3 раза по сравнению
с ручной сваркой неплавящимся электродом при одно-
временном снижении затрат энергии при сварке и полу-
чать швы на титане и его сплавах высокого качества.
Автоматическую сварку плавящейся электродной
проволокой под флюсом применяют для титана и его
сплавов толщиной 2,5—40 мм. Сварку выполняют по-
стоянным током при обратной полярности с использова-
нием бескислородных флюсов сухой грануляции серии
АНТ (см. табл. 17). Флюсы выплавляют в графитовых
тиглях на высокочастотных установках. Готовый расплав
выливают в водоохлаждаемую изложницу из коррозион-
но-стойкой стали. Для дробления флюса применяют ди-
сковые истиратели. Размер зерен флюса: максимальный
1,5 мм, минимальный 0,3 мм, содержание пыли во флю-
се до 15%. Перед употреблением флюс прокаливают при
температуре 570—670 К. Высота слоя флюса должна
быть не меньше вылета электрода. Так как титан обла-
дает большим электросопротивлением, сварку выполня-
ют при небольших вылетах электродной проволоки, за-
висящих от ее диаметра:
Диаметр проволоки, мм ..... 2—2,5 3—4 5
Вылет электрода, мм . 14—16 17—19 20—22
Под флюсом сваривают стыковые, угловые и нахле-
сточные швы; листовой титан толщиной до 12 мм сва-
ривают стыковыми однопроходными швами без разделки
кромок. При толщине металла до 25 мм может быть при-
менена двусторонняя сварка (табл. 21). Для улучшения
формирования в этом случае, а также при многослой-
ной сварке металла больших толщин рекомендуются
разделка кромок с углом раскрытия 90° и притупление
3—5 мм.
56
Таблица 21
Ориентировочные режимы автоматической сварки
под флюсом стыковых швов на титаие
1 Толщина ме- талла, мм Сварка Диаметр электродной проволоки, мм Свароч- ный ток, А Напряже- ние Дуги, В Скорость.см 1 с
подачи проволо- ки сварки
2,5 На остающейся подкладке 2 180—200 30—32 4,2—4,8 1,3—1,5
3 То же 2,5 240—260 30—32 4,2—4,8 1,3—1,5
4 » 2,5 270—290 30—32 4,8—5,3 1,3—1,5
4 На медной под- кладке 3 340—360 32—34 4,1—4,3 1,3—1,5
5 То же 3 370—390 32—34 4,5—4,8 1,3—1,5
6 3 390—420 32—34 4.8—5,1 1,3—1,4
8 Двусторонняя 3 350—380 32—34 4,5—4,8 1,3—1,4
8 На медной под- кладке 4 590—600 32—34 2,5—2,8 1,1—1,4
10 Двусторонняя 3 440—460 32—34 5,0—5,3 1,3—1,5
12 То же 3 450—500 32—34 5,3—5,6 1,3—1,5
16 4 590—600 32—34 2,5—2,8 1,1—1,3
18-20 4 600—610 32—34 2,5—2,8 1,1—1,3
Швы, сваренные на титане под флюсом, отличаются
высокой плотностью; поры в них отсутствуют. Они рав-
нопрочны основному металлу при удовлетворительной
пластичности. Так, при сварке технически чистого тита-
на ВТ 1-0 толщиной 8 мм сварочной проволокой ВТ 1-00
под флюсом АНТ-3 механические свойства соединения
следующие:
Яв=450 МПа; 6=23%; а=180°.
Сварка кольцевых швов диаметром менее 600 мм
ввиду жидкотекучести фторидно-хлоридных флюсов со-
пряжена с технологическими трудностями: ухудшается
шлаковая защита зоны сварки. Поэтому под флюсом це-
лесообразно сваривать кольцевые швы диаметром более
600 мм..
Автоматическую сварку под флюсом применяют в хи-
мическом машиностроении, металлургической промыш-
ленности и других отраслях техники. Так, автоматами
под флюсом сваривают корпуса свечевых напорных
фильтров (рис. 22), газоходы, травильные ванны и др.
При плазменной сварке титана применяют такие же
средства защиты, как и при сварке неплавящимся элек-
57
Рис. 22. Батарея сварных свечевых напорных фильтров из титана.
Корпуса фильтров изготовлены с применением автоматической свар-
ки под флюсом
тродом. В качестве источников питания используют сва-
рочные преобразователи серии ПСО, выпрямители ВДГ
и ВД, а также специальные — ИПГ-500 и УГР-300.
Титан толщиной 2—4 мм сваривают на токах до
200 А, толщиной до 12 мм — до 450—500 А. Без раз-
делки кромок за один проход сваривают листы толщи-
ной до 14 мм.
Микроплазменную сварку деталей из титана толщи-
ной менее 0,3 мм выполняют по отбортованным кромкам.
На металле больших толщин могут быть выполнены сты-
ковые и нахлесточные швы. Для получения качествен-
ных швов при микроплазменной сварке к сборке соеди-
нений предъявляются высокие требования. Собирают
детали под сварку в прецизионных приспособлениях. Ос-
настка должна обеспечивать плотный прижим сваривае-
мых кромок как к подкладной планке, так и друг к дру-
гу. Непосредственно перед сваркой оснастку и кромки
очищают и обезжиривают. Микроплазменная сварка ти-
тана нашла применение при изготовлении особотонко-
стенных труб из сплава ВТ1-0 (диаметр 8,8 мм, толщина
стенки 0,2 мм) Сварку выполняют на установке
УМПСТ 1 (рис 23). Для обеспечения стабильной защи-
ты зоны сварки используют малогабаритную камеру,
продуваемую аргоном. Режим сварки: сварочный ток —
58
Рис. 23. Установка типа УМПСТ-1 для микроплазменной сварки осо-
ботонкостенных труб из титана и циркония толщиной 0,2 мм:
J—станина; 2— кассета для ленты; 3—формирующая оснастка; 4 — провод-
ки; 5—фильерный узел с плазмотроном
7-8 А; скорость сварки 2 см/с; расход плазмообразующе-
го газа—аргона 0,003 дм3/с; расход аргона на защиту
зоны сварки и остывающего шва (для продувки камеры)
0,02 дм3/с. Механические свойства соединений из титана
и некоторых его сплавов, выполненных плазменной и
микроплазменной сваркой, практически равноценны
свойствам основного металла.
При электронно-лучевой сварке требуются очень точ-
ная сборка изделий под сварку и строгое соблюдение
требований по допускаемой величине зазора между сва-
риваемыми кромками деталей. Так, при толщине дета-
лей из титана 30—40 мм допускается зазор ~0,2 мм,
а при толщине 5—10 мм — до 0,1 мм. Рекомендуется осо-
бая подготовка кромок под сварку: травление в течение
30 с в растворе, содержащем 2 об. % HF и 20 об. % NO3.
После травления кромки промывают проточной водой
при комнатной температуре и сваривают в течение бли-
жайших 40 ч. Непосредственно перед сваркой кромки
дополнительно промывают ацетоном.
Техника ЭЛС изделий из титана и его сплавов прак-
тически не отличается от техники сварки других метал-
лов. Приспособления, например прижимные планки, фик-
саторы и др., рекомендуется изготовлять из немагнитно-
59
го материала, например алюминия, чтобы избежать от-
клоняющего действия магнитных полей на луч в процес-
се сварки.
При ЭЛС возможны многие комбинации значений
параметров режимов сварки UyCK, In, vCB, которые обес-
печивают заданную степень проплавления кромок свари-
ваемых деталей. Это облегчает выбор параметров при
изыскании оптимальной технологии ЭЛС заданного сое-
динения с учетом хорошего формирования шва и отсут-
ствия дефектов. Соединения из металла малых и сред-
них толщин (до-30—40 мм) сваривают в нижнем поло-
жении (при вертикальном положении пучка). Металл
больших толщин за один проход сваривают горизон-
тальным пучком при расположении соединения на вер-
тикальной плоскости.
При толщине металла до 10 мм наибольший рост глу-
бины проплавления достигается при повышении тока в
пучке до 16 мА. Дальнейшее возрастание величины тока
вызывает увеличение провара в значительно меньшей
степени. При сварке титана толщиной до 50 мм ток в
пучке достигает 300 мА, а толщиной 150 мм — 800 мА.
С повышением ускоряющего напряжения при прочих
равных условиях глубина проплавления возрастает. По-
этому в последние годы наметилась тенденция увеличе-
ния t/уск до 60 кВ и более (до 150 кВ) при сварке изде-
лий из титана больших толщин.
Наиболее часто встречающиеся дефекты сварных
швов на титане и его сплавах при ЭЛС—подрезы и по-
ры. Для устранения подрезов при сварке тонкого метал-
ла рекомендуется ЭЛС с продольным колебанием луча,
а при соединении деталей из металла средних и больших
толщин — подачу присадочного металла в зону сварки.
Склонность к пористости удается значительно умень-
шить путем выбора оптимальных параметров режимов
сварки, использования специальных подкладок, облег-
чающих удаление газов из шва в процессе сварки, стро-
гого соблюдения всех требований по подготовке и очист-
ке поверхности кромок перед сваркой.
ЭЛС обеспечивает получение высоких механических
свойств соединений из всех промышленных титановых
сплавов.
Для соединения деталей из титана и ряда его спла-
вов больших толщин (более 30—40 мм) весьма эффек-
тивна электрошлаковая сварка. • Сварка выполняется
60 '
электродами большого сече-
ния — пластинчатыми и
пластинчато - проволочными
(плавящимся мундштука-
ми).
Для сварки применяют
тугоплавкие бескислородные
флюсы типа АНТ-2, АНТ-4
и др. (см. табл. 17). Одной
лишь шлаковой защиты не-
достаточно для получения
Рис. 24. Схема электрошлако-
вой сварки поковок из титана
пластинчатым электродом с
наплавленного металла, не
загрязненного вредными
примесями-газами. Необхо-
дима дополнительная защи-
та шлаковой ванны аргоном
(рис. 24). Надежная изоля-
ция расплавленного шлака
от атмосферы обеспечивает-
ся при небольшом расходе
аргона первого сорта. Так,
наддувом аргона:
1 — свариваемое изделие: 2 — пла-
стинчатый электрод; 3 — металл
шва; 4 — формирующий водоохлаж-
даемый медный кокиль; 5—шлако-
вая ванна; 6 — металлическая ван-
на; 7 — устройство для поддува ар-
гона
при сварке деталей из титана сечением 50x50 мм рас-
ход 0,1 дм3/с оказался достаточным для получения
удовлетворительного качества шва. При ЭШС коротких
соединений (длиной до 400 мм) формирование швов
осуществляется с помощью разъемных медных кокилей,
охлаждаемых водой (например, Р-918). Концы поковок
обрабатывают механическим способом на длине 40—
50 мм. Благодаря этому достигается плотное прилега-
ние стенок кокиля к поверхности свариваемых деталей.
Возможные зазоры между поковками и стенками коки-
ля уплотняют сухим асбестом или асбополотном.
Толщину титанового пластинчатого электрода прини-
мают в пределах 8—18 мм, ширину—равной толщине
свариваемых заготовок, величину сухого вылета (рас-
стояние от поверхности шлаковой ванны до токоподво-
да) — не более 500 мм.
При ЭШС плавящимся мундштуком на каждые
100 мм толщины свариваемого металла подается одна
электродная проволока диаметром 5 мм при толщине
мундштука 9—18 мм. Зазор между мундштуком и сва-
риваемой кромкой принимают равным не менее 7 мм,
расстояние между боковыми кромками мундштука и из-
делия 10 мм, расстояние от осей крайних проволок до
61
кромки изделия 20 мм. Для защиты зоны сварки от га-
зов атмосферы по специальным каналам плавящегося
мундштука к поверхности шлаковой ванны подается
аргон. Формирование шва достигается путем прижима
медных водоохлаждаемых подкладок или остающихся
титановых планок, привариваемых к стыку.
Чтобы предупредить короткое замыкание плавящего-
ся мундштука на свариваемые кромки, на его поверх-
ность наносят слой твердеющего изоляционного материа-
ла (три части фтористого кальция, одна часть раствора
целлюлозы КМЦ).
Для этой же цели применяют электроизоляторы,
изготовленные из такого же материала и крепящиеся
на поверхности мундштука с помощью привариваемых
титановых колец.
Выбор оптимальных параметров режимов сварки
(табл. 22) позволяет получать на титане хорошо сфор-
мированные швы, обладающие механическими свойства-
ми, практически равноценными с основным металлом.
Таблица 22
Ориентировочные режимы электрошлаковой
сварки титана и его сплавов
Толщина металла, мм Зазор между кромками, мм Число прово- лочных элект- родов Сварочный ток, А Расход аргона, дм’/с Примечание
Сварка пластинчатым электродом
30—50 50—80 23—25 23—25 — 1200—1600 1600—2000 0,1—0,12 0,14—0,2 Напряжение сварки 16—18 В
80—100 100—120 24—26 24—26 — 2000—2400 2400—2800 0,2—0,24 0.24—0,28 Глубина шлако- вой ванны 20— 30 мм
Сварка плавящимся мундштуком
100—110 200—250 30—32 30—32 1—2 2—3 2510—2980 4760—6210 0,5 0,7—0,8 Напряжение сварки 19—22 В
300—350 400 32—34 32—34 3 4 7590—9260 10 970 0,9—1,0 1,0 Глубина шлако- вой ванны 30—40 мм
62
ЭШС титана и некото-
рых его сплавов нашла эф-
фективное применение, на-
пример, в химическом маши-
ностроении для изготовле-
ния сварных фланцев, кры-
шек и др. (рис. 25).
При выборе режимов
диффузионной сварки тита-
на исходят прежде всего из
того, насколько качественно
подготовлены стыкуемые
поверхности деталей. Перед
сваркой они должны быть
тщательно очищены от га-
зонасыщенного слоя и за-
грязнений. С уменьшением
шероховатости поверхности,
ее механической обработки,
тура сварки и требуемое дав
ковое — 60 с):
Рис. 25. Сварная крышка из
титана, изготовленная из четы-
рех частей с использованием
электрошлаковой сварки
т. е. с повышением качества
резко снижается темпера-
ление (время сварки одина-
Давленне, МПа Температура сварки, К
Чистовая токарная
обработка ............ 3
Шлифование .... 3
Полирование .... 1,5
1373
1273
1073
Полирование поверхностей позволяет по сравнению с
чистовой токарной обработкой в 2 раза уменьшить вели-
чину требуемого давления при сварке и на 300е снизить
температуру сварки.
Выбор оптимальных режимов сварки основывают
прежде всего на оценке строения бывшего контакта де-
талей. Такие исследования проводят под микроскопом
на шлифах, вырезанных из сварного соединения. При
правильно выбранном режиме зона не должна отличать-
ся от свариваемого металла: граница контакта исчезает
и образуются общие зерна. При плохо выбранных усло-
виях сварки в зоне контакта могут наблюдаться дефек-
ты в виде пор, остатков окисной или жировой пленки,
расположенных вдоль исходной границы раздела. Та-
кие дефекты оказывают отрицательное влияние на меха-
нические свойства соединений: они снижают их проч-
ность, а также пластичность и вязкость. Поэтому конт-
63
роль за правильностью выбора режима ДСВ осущест-
вляют также путем испытания механических свойств
контрольных сварных образцов, причем способ испытания
выбирают в зависимости от предстоящих условий
эксплуатации сварного узла.
Для титана и его промышленных сплавов выбор ре-
жимов сварки не представляет особых затруднений. Мно-
голетний опыт показывает, что сварные титановые узлы,
выполненные с применением ДСВ, достаточно надежны
в разнообразных условиях эксплуатации.
Значительно сложнее сварка титана с другими ме-
таллами. Титан непосредственно сваривается лишь с ог-
раниченным количеством металлов. К ним относятся
цирконий и гафний, т. е. металлы той же IV А подгруп-
пы, к которой принадлежит титан. Можно получить так-
же соединения с удовлетворительными свойствами при
сварке титана с металлами VА подгруппы: ванадием,
ниобием, танталом. С указанными металлами титан сва-
ривают непосредственно, так же как и титан с титаном.
Однако с железом и сталью, цветными металлами (алю-
минием, медью, никелем), тугоплавкими металлами
(хромом, молибденом и вольфрамом) непосредственная
сварка титана затруднена и во многих случаях невозмож-
на. В этих случаях применяют промежуточные проклад-
ки или наносят слои других металлов. Так, при сварке
титана с медью используют прослойки из ниобия или
тантала; при соединении титана со сталью применяют
вставки из ванадия, или комбинированные, состоящие из
ниобия (со стороны титана) и бронзы (со стороны
стали).
Для соединения деталей из титана и некоторых его
сплавов применяют сварку трением и ее разновидность—
инерционную сварку. Некоторые рекомендуемые режимы
сварки прутков диаметром 16—18 мм приведены в
табл. 23.
Сварка взрывом находит эффективное применение
для получения биметалла сталь-титан, а также соедине-
ния деталей из высокопрочных титановых сплавов, при
сварке плавлением которых встречаются трудности.
С использованием сварки взрывом получают заготовки
стали, плакированной титаном, которые подвергают по-
следующей прокатке для получения заданной толщины
основного и плакирующего слоя (обычно 3—8 мм).
Благодаря применению биметалла сталь-титан может
64
Таблица 23
Режимы сварки прутков трением
Параметры процесса Титан Молибден Вольфрам
Линейная скорость вра- щения, м/с 8 9 i 13
Давление при осадке, МПа 100 180 385
быть достигнуто значительное снижение стоимости свар-
ных химических аппаратов. Предложены способы свар-
ки такого биметалла, которые могут быть разделены на
две группы: сварка с накладками и сварка без накладок
с разделительным слоем.
При сварке с накладками (рис. 26) требуемая механи-
ческая прочность стыка достигается за счет сваренного
шва основного слоя — стали. Накладка, привариваемая
к плакирующему слою, предназначается только для обес-
печения коррозионной стойкости соединения. Между на-
кладкой и сварным швом основного слоя располагается
заполнитель (например, полимер типа эпоксидной смо-
лы), предназначенный для увеличения стойкости соеди-
нения в случае проникновения агрессивной среды под
подкладку.
По способу сварки биметалла без накладки тонкую
прокладку из тугоплавкого металла (например, ниобия)
укладывают в паз плакирующего слоя (рис. 27), а на
нее — присадочную проволоку из титана, диаметр кото-
рой зависит от толщины слоя. Плакирующий слой сва-
ривают вольфрамовым электродом в среде аргона. При
этом дуга направляется по оси уложенной проволоки.
При расплавлении присадочного металла образуется шов
на титановом плакирующем слое. Так как температура
плавления прокладки из тугоплавкого металла выше тем-
пературы плавления титана и прямое воздействие дуги
на прокладку отсутствует, последняя проплавляется
лишь частично и тем самым препятствует сплавлению
титана со сталью.
Разновидностью данного способа является использо-
вание разделительного слоя из тугоплавких соединений,
3—482 65
Рис. 26. Схема сварки биметал-
ла сталь — титан с накладкой:
/ — сталь: 2— титан: 3 — накладка
из титана; 4 — заполнитель
1
Рис. 27. Схема сварки
биметалла сталь — ти-
тан с разделительным
слоем:
1 — сталь; 2 — титан; 3 —
вольфрамовый электрод;
4 — горелка; 5 — приса-
дочная проволока; 6—
разделительный слой из
тугоплавкого металла
создаваемого плазменным напылением, взамен туго-
плавкой прокладки.
Титан хорошо сваривается с применением контактных
способов сварки. Для листов толщиной до 3 мм приме-
няют точечную сварку. Весьма важное условие качест-
венного соединения деталей — очистка поверхности ме-
талла от газонасыщенных пленок и загрязнений. Перед
точечной сваркой рекомендуется травление листов в
растворе кислот следующего состава (об. %)i HNO3 —
30; HF—3; вода — 67; время травления—60 с.- Далее
следует промывка в воде и обезжиривание ацетоном.
Сварка листов рекомендуется не позже чем через 45—
50 ч после травления.
Точечную сварку титана и его сплавов производят на
стандартных контактных машинах преимущественно ти-
па МТП и МТ. Сравнительно высокая твердость титана
и других химически активных металлов обусловливает
необходимость использования при точечной сварке элек-
тродов из износостойких материалов (например, хромо-
вой или хромоциркониевой бронзы). Применяют электро-
ды сферической формы с радиусом скругления 30—
150 мм. Чтобы получить качественное соединение, необ-
ходим правильный выбор параметров процесса точечной
сварки: сварочного тока, длительности его прохождения
(длительности импульса), усилия сжатия электродов.
Если величина усилия сжатия недостаточна, то возмо-
жен выплеск или выдавливание расплава между свари^
66 5
йаемыми деталями при формировании ядра, а при
охлаждении ядра — образование в нем усадочных рако-
вин и трещин. Чрезмерное усилие при сжатии электро-
дов приводит к образованию вмятин на поверхности
свариваемых деталей.
Режимы точечной сварки титана и его низкопрочных
сплавов (табл. 24) приближаются к режимам сварки
коррозионно-стойких хромоникелевых сталей.
Таблица 24
Ориентировочные режимы точечной сварки титана
Толщина металла, мм Радиус сферы электрода, мм Сварочный ток, А Длитель- ность импульса, с Усиление сжатия электродов, кН
0,5+0,5 25—40 4 500 0,08—0,10 1,5—2,0
1,0+1,0 75—100 6 500 0,15—0,20 2,5—3,0
1,5+1,5 75—100 7 000 0,25—0,30 3,5—4,0
2,0+2,0 100—150 9 000 0,30—0,35 4,5—5,0
2,5+2,5 100—150 10 000 0,30—0,35 6,0—7,5
3,0+3,0 100—150 12 000 0,35—0,40 8,0—9,0
Хорошие механические свойства сварного соедине-
ния могут быть получены даже без защиты зоны разо-
грева инертным газом. Однако при этом сварка должна
выполняться в минимальные промежутки времени.
Для шовной сварки листов титана толщиной 1—2 мм
применяют роликовые электроды диаметром 70—80 мм.
Сварку выполняют со скоростью ~ 1 см/с на токах до
1000 А. Давление на электрод возрастает с увеличением
толщины свариваемого металла. Для листов толщиной
1,5—2 мм давление составляет 4500—5000 Н.
Стыковую сварку деталей из титана и его сплавов
оплавлением производят в защитной атмосфере инерт-
ных газов. Желательны короткие промежутки времени
(циклы) плавления и осадки, а также большие плотнос-
ти тока (100—150 А/мм2). Режимы стыковой сварки
оплавлением титана и его сплавов характеризуются при-
менением повышенного тока (например, для деталей
сечением 10 000 мм2 он достигает 50 000 А). Сварочный
ток для титана превышает ток сварки стали в 2—3 раза.
При сварке деталей сечением более 1000 мм2 применяют
предварительный подогрев, который достигается в сва-
рочных машинах путем периодического сближения дета-
3*
67
лей и кратковременным сжатием под током при неболь-
ших давлениях.
Для стыковой сварки оплавлением титана и его спла-
вов можно применять стандартные машины МСГЛ-300,
МСГА-500 и др. Соединения титана и его низкопрочных
сплавов равнопрочны с основным металлом; стыковые
соединения из высокопрочных титановых сплавов реко-
мендуется отжигать сразу же после сварки при темпе-
ратуре 973—1023 К. Такая термообработка возможна в
стыковой машине пропусканием через сваренное изде-
лие тока несколько меньшей величины, чем сварочный.
Сварка циркония и гафния. Цирконий и гафний весь-
ма близки к титану по свариваемости. Поэтому для них
приемлемы практически те же технология и техника
сварки, что и для титана. Однако эти металлы более
чувствительны к примесям-газам, а также к углероду,
которые не только в большей степени ухудшают плас-
тичность и вязкость швов, но и резко снижают коррози-
онную стойкость сварных соединений. Наибольшее вред-
ное влияние на коррозионную стойкость соединений
циркония и гафния оказывают азот и углерод. Поэтому
их содержание в швах, например на цирконии, ограни-
чивают до следующих количеств (% по мае.): N2 —
0,003; С — 0,03. '
Чтобы исключить возможность насыщения поверх-
ностных слоев металла водородом, следует избегать
травления в смеси кислот кромок на цирконии и гафнии
перед сваркой. Предпочтения заслуживает механическая
очистка. В отдельных случаях при тщательном соблю-
дении всех требований технологической инструкции до-
пускается химическая очистка кромок в реактиве сле-
дующего состава (об. %): HNO3 — 30; HF—5; вода—65.
Продолжительность травления при 330—335 К не более
12 гс. После травления заготовки переносят для освет-
ления в ванну с раствором: 15% по мае. соли — азотно-
кислого алюминия, 85% по мае. HNO3. Затем их промы-
вают в проточной воде и просушивают при 470 К- Непо-
средственно перед сваркой обязательно обезжиривание
кромок спиртом или ацетоном.
При дуговой сварке плавлением в камерах с контро-
лируемой атмосферой инертных газов создается предва-
рительный вакуум (0,04 Па). В качестве защитного
газа рекомендуется гелий или смесь, состоящая из
27 об. % Аг и 73 об. % Не. Используемый инертный газ
S8
* Таблица 25
Ориентировочные режимы электронно-лучевой сварки циркония
и его сплавов
Толщина металла, ым Свароч- ный ток, мА Ускоряю- щее напряже- ние, кВ Скорость сварки, см/с
1 60 10 0,8
2 100 10 0,8
3 75 30 1,3
3 18,5 100 1,0
высокой степени чистоты дополнительно очищают и осу-
шают, пропуская его через селикагель, алюмогель и на-
гретую до 1170—1270 К титановую стружку.
Режимы сварки циркония и гафния характеризуются
повышенными сварочными токами. Для выбора величи-
ны тока при сварке неплавящимся электродом в среде
гелия рекомендуется приближенное соотношение: 1 А на
0,03 мм провара.
При сварке на воздухе с газовой струйной защитой
для металла толщиной до 12 мм рекомендуется следую-
щий средний расход гелия: в горелку и насадку для за-
щиты зоны сварки и остывающего сварного соединения
0,4 дм3/с, на защиту обратной стороны шва 0,13 дм3/с.
Защита сварного соединения необходима вплоть до
640 К- При скорости сварки 0,7 см/с длина насадки со-
ставляет не менее 27 мм.
Материал присадочной проволоки обычно соответ-
ствует составу свариваемого металла. Часто используют
проволоку из сплава циркалой (см. табл. 6).
Один из основных способов сварки плавлением цир-
кония, гафния и их сплавов — электронно-лучевая
сварка (табл. 25) — обеспечивает хорошее формирова-
ние швов без дефектов. Для сплавов малых толщин при-
меняют микроплазменную сварку. Режим сварки стыко-
вого шва циркониевой трубы толщиной 0,5 мм: свароч-
ный ток 27 А; скорость сварки 1,2 см/с; расход плазмо-
образующего газа —аргона 0,003 дм3/с; расход аргона
на защиту зоны сварки и остывающего шва (для про-
дувки камеры) 0,03 дм3/с.
69
Таблица 26
МеханическШе свойства сварных швов
на техническом цирконии толщиной 1,5 мм
Характеристика испытуемого образца ПВ’ МПа 6. % 'К %
Основной металл Шов сварен в камере с контролиру- 290—340 33—40 48—53
емой атмосферой Шов сварен электронно-лучевым спо- 320—360 18—23 45—50
собой 300—320 18—22 47—54
Механические свойства соединений из циркония
практически одинаковы при сварке в камере с атмосфе-
рой особо чистого инертного газа и электронно-лучевым
способом (табл.- 26).
Диффузионная сварка производится в камерах при
давлении не выше 0,01 Па на режиме: температура
сварки 1020—1220 К; давление ~1 МПа; время сварки
20 мин. Механические свойства сварного соединения
из циркония, выполненного диффузионным способом:
011 = 581 МПа; 6=20%; ф = 20%.
Цирконий и его сплавы хорошо соединяются точеч-
ной и шовной сваркой. Режимы сварки те же, что и для
титановых сплавов, но плотность тока увеличивают в
1,6—1,7 раза.
СВАРКА МЕТАЛЛОВ V А ПОДГРУППЫ
(ВАНАДИЯ, НИОБИЯ И ТАНТАЛА)
Тугоплавкие металлы V А подгруппы периоди-
ческой системы элементов — ванадий, ниобий и тантал—
обладают удовлетворительной свариваемостью. Однако
их физико-химические свойства и прежде всего высокая
активность к газам атмосферы и чувствительность к
примесям-газам обусловливают ряд требований, кото-
рые необходимо предъявлять к свариваемому металлу и
технологии сварки для получения качественных сварных
соединений. К ним относится ограниченное содержание
примесей в основном металле.
Повышенные требования предъявляются к защите зо-
ны сварки и остывающих участков сварного соединения,
70
а также чистоте сварочных материалов. Поэтому для
изготовления изделий из металлов рассматриваемой
подгруппы сварка неплавящимся электродом на воздухе
со струйной защитой инертным газом не рекомендуется.
Стабильные результаты могут быть получены при дуго-
вой сварке в камерах с контролируемой атмосферой
инертных газов, а также при ЭЛС в вакуумных камерах.
Особенно тщательно следует выполнять подготовку
свариваемых кромок к сварке. Для травления кромок
используют смеси следующих составов (об. %): для ва-
надия: HF — 33; H2SO4 — 33; Н2О — 34; для ниобия:
HF — 22; HNO3 — 8; H2SO4— 15; для тантала: HF — 90;
HNO3— Ю.
Для дуговой сварки неплавящимся электродом в ка-
мерах с контролируемой атмосферой применяют такое
же оборудование и приспособления, как и при сварке
титана.- Сварку изделий ответственного назначения вы-
полняют в защитной атмосфере высокой степени чисто-
ты, при содержании примесей не более (об. %): О2 —
0,001; N2 — 0,005; точка росы 203—213 К.
Чтобы обеспечить в камере такой состав атмосферы,
применяют дополнительно очищенный и осушенный
инертный газ высших сортов, а также специальную тех-
нологию вакуумной подготовки камеры и трубчатой га-
зоподводящей системы. Подготовка камеры включает
в себя вакуумирование, продувку и заполнение инерт-
ным газом. Откачка камеры производится до дав-
ления не выше 0,04 Па. Для удаления паров воды с
внутренних поверхностей камеры рекомендуется инфра-
красное облучение с иомощью электроламп типа НИК
и промывание сверхчистым газом камеры и газоподво-
дящих трубопроводов. Объем камеры заполняется до ра-
бочего давления ~5 кПа. В процессе сварки чистоту ат-
мосферы непрерывно контролируют. При достижении
в инертном газе содержания примесей близкого к пре-
дельно допустимому, необходимо восстановить качество
атмосферы. Для восстановления состава сварочной ат-
мосферы в камере и поддержания концентрации приме-
сей меньше предельно допустимой наиболее эффективна
непрерывная циркуляция газа через газоочистку, осуще-
ствляемая с помощью компрессора.
Наиболее распространенный тип сварного соединения
из тугоплавких металлов — стыковое, без разделки кро-
мок. Тонкий металл можно сваривать с отбортовкой
71
Таблица 27
Ориентировочные режимы механизированной сварки
тонколистовых сплавов ванадия, ниобия и тантала
неплавящимся электродом в среде аргона
Сплав Толщина мет алла, мм Свароч- ный ток, А Напряже- ние Дуги, В Скорость сварки, см/с
0,5 90 8—9 0,8—1,1
Ванадия 1,0 140 9—10 1,4
2,0 320 16—18 1,4
0,5 80 8—10 0,8—0,9
Ниобия 1.0 160 10 1,1
2,0 240 10 0,4
0,5 80 8—10 0,8—0,9
Тантала 1,0 140 10—12 0,7—0,8
1,5 180 12—14 0,7—0,8
кромок. Соединения внахлестку и втавр применять не
рекомендуется. При сварке тонколистовых металлов в
камере с контролируемой атмосферой на режимах, при-
веденных в табл. 27, швы получаются качественными,
без дефектов.
Прочность сварных соединений из ванадия, ниобия и
их сплавов при сварке в среде инертных газов состав-
ляет 0,7—0,8 прочности основного металла, а для тан-
тала и его сплавов 0,9—1
Таблица 28
Ориентировочные режимы элек1ронни-лучений сворки сплавов
ванадия, ниобия и тантала
Сплав Толщина металла, мм Сварочный ток, мА Ускоряющее напряжение. кВ Скорость сварки, см/с
0,5 25—30 18 0,6—0,8
Ванадия 1,0 60—67 13 1,7
2,0 90—100 14 1,7
0,8 40 23 0,7
Ниобия 1,0 65—70 18 0,8
1,5 85 27 0,8
Тантала 0,5 1,0 60 80 18 18 0,7 1,4
72
Рис. 28. Теплообменник со сварными танта-
ловыми трубами, вваренными в танталовые
днища
Электронно-лучевую сварку выполняют при давлении
в камере не выше 0,01 Па При сварке на режимах, при-
веденных в табл. 28, швы обладают высокой пластично-
стью. Однако прочность швов ниже прочности основного
металла на 30—40%, т е они менее прочны, чем швы,
выполненные неплавящимся электродом. Это объясняет-
ся тем, что швы при ЭЛС в вакуумной камере получа-
ются чище по отношению к примесям-газам. Дуговая
сварка неплавящимся электродом в среде инертных га-
зов и электронно-лучевая сварка — основные способы
соединения деталей и узлов в химическом машинострое-
нии и других отраслях промышленности, в которых эф-
фективно применение тугоплавких металлов (рис. 28).
Диффузионную сварку металлов V А подгруппы вы-
полняют в вакуумных камерах при давлении ~ 0,005 Па.
Рекомендуются следующие режимы сварки:
Ниобий Тантал
Температура, К......................... 1520 1920
Давление, МПа............................ 14,7 11,8
Продолжительность сварки, мин 5 20
Для снижения температуры сварки с целью предот-
вращения ухудшения пластичности сварных соединений
используют промежуточные слои других, менее туго-
плавких металлов. Например, для ниобия рекомендуется
применять никель, а сварку осуществлять при понижен-
ной температуре (температура сварки 1270 К, давление
19,6 МПа, время сварки 18 гс).
Прочность сварных соединений, выполненных диффу-
зионным способом, не превышает 0,9 прочности основно-
го металла.
73
При точечной и шовной сварке ванадия, ниобия Й
тантала встречаются затруднения —• подплавление элек-
тродов. Применение покрытий свариваемых деталей, на-
пример графитом, значительно снижает подплавление
электродов. Хорошие результаты дает также использова-
ние промежуточных накладок из более тугоплавкого ме-
талла, например молибдена. Точечную и шовную сварку
выполняют с защитой зоны сварки инертным газом.
СВАРКА МЕТАЛЛОВ VI А ПОДГРУППЫ
(ХРОМА, МОЛИБДЕНА И ВОЛЬФРАМА)
Соединения из этих тугоплавких металлов, вы-
полненные сваркой плавлением, при нормальной темпе-
ратуре малопластичны и имеют по сравнению с основ-
ным металлом пониженную прочность. Например, вре-
менное сопротивление соединения из тонколистового тех-
нически чистого хрома (Ь = 1ч-2 мм) не превышает
300 МПа (основного металла 400 МПа) при относитель-
ном удлинении не более 7%. Поэтому технически чистые
металлы VI А подгруппы не применяют для изготовле-
ния конструкций методом сварки плавлением, так как
при практически достижимом даже наиболее низком
уровне примесей-газов в шве невозможно обеспечить
достаточную пластичность сварных соединений с харак-
терным для них крупнокристаллическим строением и
устранить склонность к образованию холодных трещин.
Свариваемые сплавы обычно легируют элементами,
уменьшающими вредное влияние примесей на сварные
швы (например, раскислителями — титаном, цирконием
и др.) и улучшающими их структуру (например, рени-
ем) .
Для сварных конструкции -наиболее приемлемы спла-
вы, полученные вакуумно-дуговой и электронно-лучевой
плавкой. Сплавы, изготовленные методом порошковой
металлургии, практически непригодны для этой цели, так
как сварные швы на таких сплавах весьма склонны к
образованию трещин и пор. Исключение представляют
сплавы на основе вольфрама. Порошковые сплавы тако-
го типа обеспечивают получение швов более стойких про-
тив возникновения трещин, чем плавленые. Для устра-
нения склонности сварных соединений из вольфрама и
его сплавов к образованию холодных трещин рекоменду-
ется применять предварительный подогрев свариваемых
деталей до 700—1000 К.
Современная металлургия располагает многими сред-
ствами, чтобы получать тугоплавкие металлы и сплавы
на их основе с достаточно низким содержанием приме-
сей-газов. Например, молибденовые сплавы ТСМ-3,
ЦМ6, ЦМ10 и др. содержат кислород—наиболее охруп-
чивающую пржмесь — в количествах 0,003 % по мае. По
уровню содержания примесей внедрения данные сплавы
должны быть отнесены к группе удовлетворительно сва-
ривающихся. Однако сварные соединения из таких спла-
вов могут отличаться крайней неоднородностью механи-
ческих свойств и проявлять большую склонность к хруп-
кому разрушению.
Многочисленные исследования, выполненные в по-
следние годы, показали, что свойства сварных соедине-
ний и особенно низкотемпературная пластичность (т. е.
показатель их склонности к переходу из пластичного в
хрупкое состояние) в значительной степени определяют-
ся свойствами основного металла. Для обеспечения до-
статочно высокой пластичности сварного соединения,
особенно при низких температурах, необходимо, чтобы
основной металл имел однородную исходную структуру
и достаточно высокую стойжость против перехода в хруп-
кое состояние. Это может быть достигнуто выбором наи-
более благоприятных условий предварительной горячей
обработки свариваемого металла (например, режима
прокатки для листовых сплавов), а также термообработ-
ки его перед сваркой (например, для молибденовых
сплавов при температуре 1400—1800 К в зависимости от
их состава). Для обеспечения наилучшего комплекса
свойств сварных соединений из листовых сплавов на
основе металлов VI А подгруппы следует выбирать на-
правление сварки по отношению к направлению прокат-
рения склонности сварных соединений из вольфрама и
ки. Для молибденовых сплавов, например, рекоменду-
ется принимать угол между направлением сварки и на-
правлением прокатки, равным 90°.
В связи с повышенной чувствительностью сплавов на
основе металлов VI А подгруппы к примесям особо вы-
сокие требования предъявляются к подготовительным
операциям перед сваркой. Большое внимание следует
уделять подготовке поверхности торцов свариваемых
кромок. Прежде всего необходимо учитывать следуюшие
75
специфические особенности сплавов хрома, молибдена
и вольфрама: образование поверхностных трещин при
механической обработке сплавов хрома, склонность к
•расслоению деформированных сплавов молибдена и край-
не высокую твердость вольфрамовых сплавов. Наилуч-
шие результаты обеспечивает подготовка кромок абра-
зивными камнями и электроэрозионной (электроискро-
вой) обработкой. Последний способ наиболее часто
применяют для производства заготовок сложной формы
из сплавов вольфрама. Необходимое условие получения
качественных сварных соединений — точность сборки
стыка. Так, при сварке труб из молибденовых сплавов
рекомендуется допускать смещения кромок не более
±50 мкм. Для тонколистовых деталей допускается от-
клонение по толщине кромок не более ±75 мкм. Сборка
деталей под сварку производится в особо точных при-
способлениях. Оснастка должна обеспечивать плотный
прижим свариваемых кромок как к подкладке, так и
друг к другу. Для уменьшения сварочных деформаций
необходим достаточный теплоотвод.
Непосредственно перед сваркой поверхности свари-
ваемых кромок следует очистить от загрязнений. Основ-
ной метод очистки поверхности изделий из молибдено-
вых и вольфрамовых сплавов — химическое травление.
Рекомендуются травители следующих составов (об. %):
для молибденовых сплавов: H2SO4—95; HNO3— 4,5;
HF —0,5; на 0,001 м3 раствора добавляют 0,02 кг Сг2О3;
травление при 333 К, 30 с; после травления кромки де-
талей промывают в воде и просушивают; непосредствен-
но перед сваркой кромки обезжиривают и обезвожива-
ют этиловым спиртом или ацетоном; для вольфрамовых
сплавов (об. %): HF—-90; HNO3—10, после травления
рекомендуется дегазация кромок в вакуумной печи (ва-
куум 0,001 Па) при температуре 1370 К.
При дуговой сварке молибденовых сплавов в камерах
с контролируемой атмосферой предварительно до запол-
нения камеры инертным газом создается вакуум 0,01 Па.
Допускается следующее содержание примесей в защита
ной сварочной атмосфере (об. %): О2— 0,0001; N2 —
0,01. Пока еще отсутствуют обоснованные данные о тре-
бованиях, предъявляемых к составу защитной атмосфе-
ры при сварке сплавов на основе хрома и вольфрама.
В качестве ориентировочных можно принимать допуски
по содержанию О2 и N2, приведенные для молибденовых
76
Таблица 29
Ориентировочные режимы механизированной сварки
тонколистовых деталей из сплавов хрома, молибдена и вольфрама
неплавящимся электродом в среде гелия и аргона
Сплав Толщина метал- ла, мм Скорость сварки, см/с Сварка в гелии Сварка в аргоне
Сварочный ток, А Напряжение дуги, В Сварочный ТОК, А Напряжение дуги, В
0,3 65 18 80 10
1 0,6 90 17 НО 10
1 1,1 150 17 170 12
2,2 190 18 210 12
Хрома 0,3 135 18 150 10
9 0,6 200 17,5 220 10
Z 1,1 240 17,5 265 12
2,2 290 18 315 12
0,3 120 17,5 135 10
1 0,6 140 18 160 12
1.1 180 18 230 12
2,2 240 17,5 330 10
Молибдена 0,3 225 18 240 10
2 0,6 270 18 300 10
0,8 320 17,5 350 12
0,3 170 18,5 — —
1 0,6 190 20 230 10
1 1,1 230 20 — —
2,2 340 21 — —
Вольфрама 0,3 280 17 _— —
2 0,8 320 19 360 12
2,0 470 20 — —
сплавов. Перед заполнением камеры инертным газом не-
обходима такая же вакуумная подготовка камеры и
трубчатой газоподводящей системы, как для металлов
V А подгруппы.
В сварных конструкциях из тугоплавких металлов
VI А подгруппы, как и из металлов V А подгруппы, наи-
более распространенным типом соединения при сварке
плавлением является стыковое без разделки кромок. Как
правило, сварку соединений из тонколистовых сплавов
выполняют без присадки. При дуговой сварке сплавов
толщиной более 4 мм в качестве присадочного металла
77
Таблица 30
Ориентировочные режимы сварки тонколистовых
молибденовых сплавов плавящимся электродом
(диаметр проволоки 1 мм)
Толщина Детали, мм Число проходов Сварочный ток, А Напряжение дуги, В Скорость, см/с
подачи проволоки сварки
3 1 470 32 1 И.7 0,8
6,5 2 440 30 1,4 0,8
используют проволоку того химического состава, что и
основной металл (табл. 29).
Л'Уолибденовые сплавы можно сваривать плавящимся
электродом в среде гелия на постоянном токе обратной
полярности (табл. 30). Для стабилизации процесса свар-
ки на поверхность молибденовой проволоки диаметром
1 мм наносят покрытие — хлористый цезий.
При сварке плавлением тугоплавких металлов и их
сплавов, особенно металлов VIА подгруппы, предпочте-
ние отдают электронно-лучевой сварке. Это связано не
только с тем, что при ЭЛС удается осуществить наибо-
лее совершенную защиту зоны сварки.
Преимущества ЭЛС заключаются еще и в том, что
при таком способе сварки, по сравнению с дуговой свар-
кой неплавящимся электродом, шов и околошовная зона
имеют значительно меньшую ширину (табл. 31).
Для электронно-лучевой сварки молибденовых и
вольфрамовых сплавов (табл. 32) в камере создается
Таблица 31
Размеры шва и околошовной зоны при сварке
молибдена толщиной 3 мм
.. 1 Сварка Ширина, мм Общая ширина участков соединения, в’которых произошли структурные изменения, мм
около- шовиой зоны шва
Дуговая неплавящимся электродом Электронно-лучевая 2,1 0,8 4,2 1,5 8,4 •ав» 3,1 J
Г8
Таблица 32
Ориентировочные режимы электронно-лучевой
сварки сплавов молибдена и вольфрама
Толщина Сварочный Ускоряющее Скорость
Сплав металла. ток няппяжение. сварки»
мм мА кВ см/с
1 90 20 1,7
1,3 26 60 1,7
Молибдена 2 120 22 1,1
2,5 12 135 1,1
3 250 22 0,8
1 100 20 0,4
Вольфрама 1,5 2 140 170 50 21,5 0,3 2,0
2,5 16 150 0,8
вакуум 0,005 Па. Исключение представляет хром и
сплавы на его основе, для которых такое разрежение
недостаточно. Это объясняется тем, что хром в вакууме
сильно возгоняется. Этот процесс не наблюдается, если
сварку производить при давлении в камере не выше
0,0007—0,001 Па. На рис. 29 показана горловина из мо-
। либденового сплава Ь = 1,5 мм,
4- нием ЭЛС.
Диффузионную сварку
I выполняют в камерах при
J вакууме 0,005 Па. Рекомен-
'I дуемые режимы сварки: для
.1 молибденовых сплавов: тем-
I пература сварки 1970 К, дав-
ление 0,8 МПа, время свар-
Д ки 5 мин; для вольфрамо-
вых сплавов: температура
сварки 2470 К, давление
/ 19,6 МПа, время сварки
4 15 мин.
В связи с необходимо-
1 стью применения для диф-
1 фузионной сварки тугоплав-
ких металлов высоких тем-
i иератур, для них эффекти-
i
изготовленная с примене-
Рис. 29. Сварная горловина нз
молибденового сплава
79
вен нагрев зоны соединения электронно-лучевым спосо-
бом, с помощью специальных кольцевых пушек.
Процесс диффузионного соединения деталей из туго-
плавких металлов можно ускорить путем применения
промежуточных прослоек (вставок). Прослойки позво-
ляют снизить температуру сварки, уменьшить давления,
необходимые для сварки, а также сократить время свар-
ки. Так, для молибденовых сплавов рекомендуются
вставки из титана, никеля или меди; для вольфрамовых
сплавов — из ниобия, никеля.
Диффузионным способом тугоплавкие металлы мож-
но сваривать не только между собой, но и с другими ме-
таллами (молибден со сталью, титаном, никелем и
медью; вольфрам с молибденом и медью и др., табл. 33).
Молибден и вольфрам удовлетворительно сварива-
ются трением в вакуумных камерах. Для сварки молиб-
дена и особенно вольфрама требуются высокие скорости
вращения (табл. 23).
Таблица 33
Режимы диффузионной сварки
с вариваемые металлы Темпера- тура сва рки, К Давление, МПа Время сварки, мин
Молибден со сталью 12Х18Н9Т 1470 9,8 15
Молибден с никелем 1220 7,0 20
Молибден с медью (прослойка из
никеля) 1270 15,2 25
Вольфрам с медью (прослойка из
никеля) 1220 15,8 30
Тонколистовой молибден можно соединять точечной
сваркой (табл. 34). Данные табл. 24 и 34 показывают,
что режимы точечной сварки тугоплавких металлов по
сравнению с режимами для титана характеризуются по-
вышенными токами и усилиями сжатия электродов. Ме-
ханические свойства точечных соединений на молибдене
улучшаются при использовании тонких прокладок из
никеля, титана или циркония, помещаемых между свари-
ваемыми листами. Молибденовые сплавы сваривают то-
чечным способом с никелем, танталом, коррозионно-
стойкой сталью.
80
Таблица 34
Ориентировочные режимы точечной
сварки молибдена
Толщина металла, мм Радиус сферы электрода, мм Сварочный ток. А Усилия сжатия электродов. кН
0,34-0,3 30 7500 2,5
1.0+1,0 50 11 000 4,0
1,5+1,5 75 14 500 5,5
При точечной сварке тугоплавких металлов в зоне
контакта медного электрода с поверхностью сваривае-
мой детали развиваются температуры, намного превы-
шающие температуру плавления материала, из которого
изготовлен электрод. Это приводит к оплавлению элек-
трода и нарушению процесса сварки. Применяют разные
приемы для предотвращения схватывания медного
электрода с поверхностью детали: усиленно охлаждают
медный электрод; используют составной электрод, нако-
нечник изготовляют из вольфрама; применяют прослойки
между электродом и свариваемой деталью (например,
из молибдена). Для точечной сварки тугоплавких ме-
таллов используют стандартные машины, например типа
МТП, МТИП и др.
ОХРАНА ТРУДА И ТЕХНИКА
БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ
СВАРОЧНЫХ РАБОТ
В связи с описанными выше специфическими
свойствами химически активных и тугоплавких металлов
и сплавов, а также вследствие особенностей их сварки,
во многом отличающейся от сварки сталей, к выполне-
нию правил техники безопасности при проведении сва-
рочных работ должен предъявляться ряд дополнительных
требований. Они обусловлены, прежде всего, возможно-
стью загрязнения атмосферы рабочей зоны такими особо
вредными веществами, как пыль титана и его двуокиси,
пыль трехокиси и пятиокиси ванадия, соединения молиб-
дена в виде аэрозоля, пыль вольфрама и карбидов
вольфрама, окислы и другие соединения хрома и т. п.
81
Эксплуатация некоторых видов сварочного оборудо-
вания связана с неблагоприятными, с точки зрения охра-
ны труда, факторами, которые при организации произ-
водства необходимо ликвидировать или нейтрализовать,
а если это невозможно — принять меры по защите от них
оператора, Так, работа электронно-лучевых установок,
широко применяющихся для сварки химически активных
и тугоплавких металлов, связана с образованием так на-
зываемого мягкого рентгеновского излучения. Мощ»ое
ультрафиолетовое или световое излучение сварочной
дуги и плазмы при воздействии на глаза работающего
может привести к заболеванию глаз. Опасность создает
также эксплуатация газовых баллонов и сосудов, рабо-
тающих под давлением.
При сварке в среде инертных газов и особенно в ка-
мерах с контролируемой атмосферой, пыли и вредных
веществ выделяется меньше, чем при других способах
сварки плавлением. Однако и в этих случаях количество
выделяющихся вредных веществ может достигать пре-
дельно допустимых количеств согласно действующим
санитарным нормам СН 245—71. Поэтому на участках
сварки в среде инертных газов оборудуют вытяжную
вентиляцию. При устройстве вентиляции необходимо
учитывать, что чрезмерно интенсивный отсос газов в не-
посредственной близости от зоны горения дуги может на-
рушить защиту ее инертным газом. Чтобы избежать
этого, следует пользоваться нормами, содержащимися в
сборнике «Санитарные нормы проектирования промыш-
ленных предприятий СН 245—71» (М., Госстройиздат,
1962).
Местная вентиляция на рабочем месте, а также при-
точно-вытяжная вентиляция всего участка требуется при
сварке химически активных металлов, например титана
и его сплавов, под флюсом. Так как флюсы состоят из
фторидов и хлоридов щелочных и щелочноземельных
металлов, флюсовая пыль, попадая в дыхательные пути
сварщика, может вызвать заболевание.
При выплавке фторидно-хлоридных бескислородных
флюсов необходима усиленная вытяжная вентиляция,
так как при этом процессе наблюдается значительное
газовыделение. Изложницы для выливания флюса целе-
сообразно располагать в изолированной хорошо венти-
лируемой кабине. Плавильщик, выливающий флюс, дол-
находиться вне этой кабины. Он наблюдает черев
жен
82
окно за ходом грануляции флюса и дистанционно управ-
ляет плавильным агрегатом в момсШт выливания флюса.
Когда трудно обеспечить необходимую вентиляцию и
содержание вредных веществ в атмосфере превышает
допустимое, следует применять средства индивидуаль-
ной защиты органов дыхания сварщика — респираторы
или противогазы. Иногда используют сварочные маски с
подачей в них чистого воздуха, в холодный период года
подогретого до 290 К. Когда концентрация газов в зоне
дыхания невелика, можно пользоваться противопылевым
респиратором ШБ-1 «Лепесток», РУ-60, У-2К и др. При
повышенных концентрациях пыли и газа рекомендуется
пользоваться изолирующими противогазами ПШ-1,
ПШ-2 и т. п. с принудительной подачей воздуха.
Для защиты глаз сварщика от действия лучистой
энергии дуги следует применять защитные светофильтры.
Светофильтр подбирают в зависимости от величины
сварочного тока (табл. 35) с учетом остроты зрения
Таблица 35
Светофильтры для электросварщиков
Сварочный ток, А
Обозначение
светофильтра
30—75
75—200
200—400
Свыше 400
Свыше 400 при сварке в среде за-
щитных газов
Э1
Э2
ЭЗ
Э4
Э5
Примечание. Светофильтры изготовляют из тем-
ного стекла марки ТСЗ; оптическая плотность стекла
возрастает от Э1 до Э5.
сварщика. Все типы светофильтров изготовляются из
темного стекла одной марки. Изменяется лишь толщина
стекла: она увеличивается от типа Э1 до Э5. При этом
возрастает так называемая оптическая плотность, кото-
рая должна быть наибольшая для типа Э5.
Для вспомогательных рабочих при электросварке
рекомендуются светофильтры трех типов: Bl, В2 и ВЗ,
изготовляемые из стекол марок ТС (тип В1 и В2) и ТС2
(тип ВЗ). Для предохранения от загрязнения и бр.ызг
S3
металла светофильтр закрывают снаружи обычным бес-
цветным сменным стеклом.
Защитные светофильтры применяют в очках, щитках
и масках. Подручных электросварщиков снабжают
масками или закрытыми очками, например, типов С-14,
«Восход», «Уралец» и др.
Для индивидуальной защиты операторов, обслужи-
вающих электроустановки, от поражения электрическим
током используют изолирующие штанги и клещи, изоли-
рованный инструмент, диэлектрические перчатки и рука-
вицы, диэлектрические боты и галоши, диэлектрические
коврики, маты и подставки. Все перечисленные средства
индивидуальной защиты периодически испытывают на
пробой и маркируют в соответствии с установленными
правилами Госэнергонадзора.
Инертные газы — аргон и гелий не взрывоопасны.
Опасность взрыва при использовании этих газов может
быть связана только с нарушением правил безопасности
по хранению и транспортировке газов в баллонах при
высоком давлении (15 МПа). Для предохранения от
взрывов при эксплуатации баллонов с газами необходи-
мо выполнять следующие правила:
1) предохранять баллоны от толчков и ударов, пере-
возить баллоны только на специальных тележках;
2) во избежание порчи вентиля перевозить баллоны
только с заглушками на штуцерах и с общим колпаком,
предохраняющим вентиль от ударов;
3) открывать запорный вентиль баллона без приме-
нения какого-либо инструмента;
4) до присоединения редуктора к баллону продувать
канал бокового штуцера баллона кратковременным от-
крыванием вентиля;.
5) остаточное давление газа в баллоне оставлять не
менее 0,05 МПа;
6) защищать баллоны от нагрева солнечными луча-
ми и другими источниками теплоты;
7) укреплять баллоны на рабочем месте в вертикаль-
ном положении для предохранения от падения.
При электронно-лучевой сварке основная опасность
связана с возникновением рентгеновского излучения, а
также использованием сварочного тока при высоком
ускоряющем напряжении (в современных установках оно
может достигать 100 кВ). Устройство сварочных камер
из стали соответствующей толщины, а также использо-
вание специального изолирующего свинцового слоя и
свинцовых стекол в окнах камеры устраняет первую
опасность. К работам на установках с высоким на-
пряжением допускаются специально обученные опе-
раторы, проходящие не реже двух раз в год инст-
руктажи.
Сварочные электронно-лучевые установки следует
размещать в отдельных помещениях на первом этаже.
Подвальные помещения, над которыми размещены
электронно-лучевые установки, использовать под слу-
жебные помещения с местами постоянного пребывания
людей запрещается.
Дозиметрический контроль защиты необходимо про-
водить не реже одного раза в год, а также после монта-
жа или внесения изменений в конструкцию действующей
установки, выполнять его должно ответственное лицо,
выделенное администрацией предприятия.
При электрошлаковой-сварке меры техники безопас-
ности общие, связанные с использованием электроэнер-
гии, выделения вредных и возможных брызг шлака и ме-
талла. Вместо щитка достаточно пользоваться очками со
специальными стеклами для защиты от яркого света
шлаковой ванны, а также от выплесков шлака и отска-
кивающих кусочков остывающего шлака.
Из применяющихся способов контактной сварки наи-
более неблагоприятна с точки зрения охраны труда сты-
ковая сварка оплавлением, при которой образуются
искры и брызги расплавленного металла, пыль, газы и
наблюдается ионизация воздуха. Для улучшения усло-
вий труда при контактной сварке рекомендуется устрой-
ство местной вытяжной вентиляции, экранирование. Раз-
работаны местные отсосы, встроенные в машины для
контактной стыковой и точечной сварки.
Технологические карты, составляемые на сварочные
работы, независимо от метода сварки должны содержать
и указания мер по охране труда, которые учитывают по-
становления и нормативы в данной отрасли промышлен-
ности непосредственно для конкретного технологическо-
го процесса сварки.
При сварке химически активных и тугоплавких ме-
таллов и сплавов помимо указанных мер по охране труда
и техники безопасности, при организации рабочего места
И проведения сварочных работ следует выполнять те же
нормы, что и при сварке стали.
85
КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА
СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
При сварке химически активных и тугоплав-
ких металлов и сплавов качество выполнения работ
имеет особо важное значение. Это объясняется тем, что
вследствие особых физико-химических свойств этих ме-
таллов даже небольшие отклонения от оптимальной
технологии могут привести к образованию дефектов в
сварных соединениях (наиболее часто встречаются по-,
ры и трещины). Так, для условий эксплуатации свар-
ных изделий из металлов рассматриваемой группы ха-
рактерны повышенные температуры и давления, агрес-
сивные среды и др. Из-за дефектов соединений снижа-
ется надежность конструкции. Поэтому для предупреж-
дения возникновения дефектов в сварных соединениях
и их устранения важна организация контроля качества
сварочных работ.
Высокое качество сварных соединений можно обе-
спечить при условии, если ведется контроль соблюдения
технологии до начала сварки, в процессе сварки, а
также контроль качества швов готовых изделий. Систе-
ма контроля должна включать:
1. Контроль качества основного металла, сварочной
проволоки, компонентов покрытий электродов, флюсов,
защитных газов и др. При контроле качества основного
металла проверяют наличие сертификатов и заводскую
маркировку материала. Показатели механических
свойств и химический и газовый состав должны соот-
ветствовать ГОСТам и техническим условиям. При от-
сутствии сертификатов зажрещается использовать основ-
ной металл без лабораторных исследований (механиче-
скже испытания, химический анализ, металлографичес-
кие исследования; для химически активных металлов,
предназначенных для ответственных конструкций, —
дополнительно газовый анализ). К данной группе кон-
троля относится также оценка качества очистки заго-
товок из основного металла — проверка полноты
удаления газонасыщенного поверхностного слоя.
Перед началом сварки каждую партию сварочной
проволоки, электродов, флюсов, баллонов с защитным
I газом тщательно проверяют на соответствие сертифи-
катных данных требованиям ГОСТа или технических
условий на сварку изделий. Материалы, не имеющие
сертификатов, подвергают тщательному контролю —
проверке химического состава, а также испытанию при
сварке.
2. Контроль подготовки и сборки деталей и узлов
под сварку, установление соответствия подготовленных
узлов техническим условиям на изделие. Перед сборкой
заготовок проверяют чистоту поверхности свариваемых
кромок и углы их скоса и притуплений, размеры заго-
товок. На собранных узлах проверяют зазоры между
кромками пли свариваемыми деталями (для тавровых
и нахлесточных соединений).
3. Контроль сварочного оборудования и приборов.
4. Контроль соединений непосредственно после свар-
ки и последующей обработки (механической, термичес-
кой и др.).
Контроль качества швов сварных соединений
(ГОСТ 3242—79) предусматривает выявление наруж-
ных, внутренних и сквозных дефектов с использованием
неразрушающих методов контроля и контроль качества
сварных соединений с их разрушением.
Неразрушающие методы контроля. Внешнему осмо-
тру и обмеру подвергают все сварные швы независимо
от того, какие способы контроля будут для них приме-
нены в дальнейшем. Сварной шов и прилегающая к не-
му поверхность основного металла на ширину не менее
20 мм перед контролем должны быть тщательно очище-
ны от шлака и других загрязнений. Швы осматривают
невооруженным глазом или с использованием лупы с
увеличением в 10 раз.
Размеры сварного шва контролируют измеритель-
ным инструментом или специальными шаблонами. Не-
достаточное сечение шва снижает его прочность, завы-
шенное — увеличивает внутренние напряжения и де-
формации изделия.
Непроницаемость сварных соединений проверяют
разными способами. Для сварных изделий из цветных
металлов и сплавов часто применяют вакуумный метод,
швы проверяют газоэлектрическими (гелиевыми или
галоидными) течеискателями. Перед проверкой непро-
ницаемости соединений должны быть устранены все
дефекты, выявленные внешним осмотром.
Испытание керосином основано на способности мно-
гих жидкостей подниматься по капиллярам, каковыми
в сварных швах служат сквозные поры и трещины. Ке-
росин, обладающий высокой смачивающей способно-
87
стью н сравнительно малой вязкостью, наиболее поД-*
ходит для данного способа контроля. С помощью керо-
сина можно выявлять неплотности в швах сосудов, ис-
пользуемых без внутреннего давления. На одну сторону
стыкового соединения наносят разведенный в воде
мел, противоположную обильно смачивают керосином
и выдерживают в течение определенного времени. О на-
личии дефектов (пор, свищей, сквозных трещин, непро-
варов и др.) свидетельствуют жирные точки или полоски
керосина на меловом слое, которые с течением времени
расплываются в пятна.
С помощью керосина выявляют не только сквозные,
но и поверхностные дефекты (ГОСТ 3285—77). Для
этого поверхность сварного соединения после тщатель-
ной очистки обезжиривают бензином или ацетоном и
обильно смачивают окрашенным керосином. После вы-
держки (15—20 мин) керосин вытирают пли смывают
5%-ным раствором кальцинированной соды и поверх-
ность просушивают. Затем на поверхность сварного сое-
динения пульверизатором наносят слой разведенного в
воде мела (или каолина). После высыхания мела из-
делие около шва обстукивают молотком, а шов про-
гревают горячим воздухом. Если на поверхности шва
были дефекты, керосин, задерживающийся в дефектных
местах, просачивается в меловую обмазку в виде пятен
и полосок. По этим пятнам судят о дефектах.
Испытания гидравлическим давлением позволяют
одновременно проверить плотность и прочность сварных
соединений емкостей, трубопроводов и других сварных
конструкций, работающих под давлением. До испытания
сварные швы протирают или обдувают сжатым возду-
хом до получения сухой поверхности. Затем изделие
заполняют водой и с помощью насоса или гидравличе-
ского пресса создают избыточное контрольное давление
в соответствии со стандартами, инструкциями или тех-
ническими условиями на изделие (обычно в 1,5—2 раза
выше рабочего). После выдержки при таком давлении
в течение 5—6 мин давление уменьшают до рабочего.
Дефекты в сварных швах обнаруживают по снижению
испытательного давления, а также по запотеванию по-
верхности шва.
Пневматические испытания сжатым газом (воздух,
азот, инертные газы) под давлением, которое обычно
на 10—20% больше рабочего, применяют для контроля
общей непроницаемости сварных конструкций. С этой
188
целью изделие предварительно погружают в емкость с
водой. Неплотности определяют по появлению пузырь-
ков газа в воде.
При испытании обдувом одну сторону сварного шва
смазывают мыльным раствором, а другую обдувают
сжатым воздухом, подаваемым по гибкому шлангу с на-
конечником. Сквозные дефекты обнаруживают по появ-
лению пузырей на смазанной мыльным раствором сто-
роне шва.
В основе способа испытания непроницаемости швов
с помощью аммиака лежит свойство некоторых индика-
торов, например спирто-водного раствора фенолфталеи-
на или водного раствора азотнокислой ртути, изменять
окраску под воздействием щелочей, в данном случае
растворенного в воде аммиака. Испытуемые швы с од-
ной стороны покрывают бумажной лентой или светлой
тканью, пропитанной 5%-ным раствором индикатора —
азотнокислой ртути или фенолфталеина. С другой сто-
роны создают давление смеси воздуха с 1 —10% аммиа-
ка. Проникая через неплотности сварного шва, аммиак
окрашивает бумагу или ткань в серебристо-черный цвет
(при использовании азотнокислой ртути) или в ярко-
красный цвет с фиолетовым оттенком (при смачивании
швов раствором фенолфталеина). Скорость и интенсив-
ность окраски, а также величина пятен характеризуют
размеры дефектов.
Вакуумный контроль — один из видов пневматичес-
ких испытаний, при котором перепад давлений создают
не избыточным давлением, а откачкой. Этот метод на-
шел широкое применение для резервуаров и плоских
сварных секций. Вакуум создают при помощи перенос-
ной вакуум-камеры с прозрачным верхом, которую на-
кладывают на изделие. Перед установкой камеры шов
смазывают мыльным раствором. Затем в камере соз-
дают вакуум (13,3—66,5 кПа). В результате разности
давлений по обеим сторонам шва воздух будет прони-
кать в камеру при наличии в нем сквозных дефектов.
В местах трещин, непроваров, газовых пор и т. п. об-
разуются стойкие мыльные пузырьки, хорошо видимые
через прозрачный верх камеры.
Контроль швов газоэлектрическими течеискателями
позволяет определять очень малые течи, которые не
могут быть выявлены никакими другими способами.
В настоящее время применяют два вида газоэлектриче-
ских течеискателей — гелиевые и галоидные. В связи
89
со сложностью и значительной стоимостью течеискате-
лей их применяют для контроля особо ответственных
сварных конструкций (для изделий вакуумной техники,
в атомной энергетике и др.).
Принцип работы гелиевого течеискателя основан на
высокой способности гелия при определенном вакууме
проходить сквозь неплотности сварных швов. Этот газ
применяют в качестве индикатора. Гелий, пройдя через
неплотности, попадает в вакуумную камеру измеритель-
ного прибора (масс-спектрометра). По величине откло-
нения стрелки прибора, которая зависит от количества
просочившегося гелия, судят о размерах неплотности
(дефектов) в сварном соединении.
При контроле непроницаемости швов с помощью га-
лоидных течеискателей в испытуемую емкость под дав-
лением подают воздух в смеси с галоидным газом (фре-
он, четыреххлористый углерод, хлороформ, йодоформ
и т. п.). Смесь проходит через неплотности, затем че-
рез щуп фиксируется прибором.
Ультразвуковой метод контроля широко применяет-
ся для сварных соединений из металлов и сплавов
толщиной не менее 6 мм. В основу этого метода поло-
жена способность ультразвуковых упругих колебаний
материальной среды большой частоты (выше 20 кГц)
отражаться от границы раздела двух сред, обладающих
разными акустическими свойствами. Если ультразвуко-
вые волны при прохождении через сварной шов встретят
на своем пути дефекты (поры, трещины, шлаковые
включения и др.), они отражаются от границы раздела
металл—дефект и могут быть зафиксированы при по-
мощи специальных ультразвуковых дефектоскопов
(ГОСТ 22368—77). Дефект регистрируется на экране
электронно-лучевой трубки в виде пика импульсов. Де-
фектоскоп позволяет установить глубину залегания де-
фекта и его протяженность.
Перед началом ультразвукового контроля поверх-
ность сварного соединения зачищают на расстоянии
50—80 мм с каждой стороны шва. Непосредственно пе-
ред контролем поверхность тщательно протирают и на
нее наносят слой контактной смазки, который обеспе-
чивает акустический контакт между щупом-искателем
и изделием.
Радиационные методы контроля распространены во
всех отраслях промышленности; в общем объеме при-
меняемых неразрушаювцих методов контроля они
|90
Составляют примерно 80%. Методы контроля предусма-
тривают применение рентгеновских и гамма-лучей —
коротковолновых электромагнитных колебаний, анало-
гичных световым лучам, но с меньшей длиной волны.
Гамма-излучение является продуктом распада ядра
атома, а рентгеновское излучение имеет внеядерное
происхождение. Выявление дефектов с помощью радиа-
ционного метода контроля основано па разном погло-
щении лучей металлом и дефектными местами.
Перед просвечиванием рентгеновскими лучами швы
должны быть тщательно очищены. Если при осмотре
были обнаружены внешние дефекты, перед просвечи-
ванием их необходимо удалить, так как на рентгенов-
ском пленке должны быть зафиксированы только скры-
тые дефекты. Источник рентгеновских лучей — рентге-
новскую трубку располагают так, чтобы лучи направ-
лялись перпендикулярно к оси шва. С противоположной
стороны шва помещают светонепроницаемую кассету, в
которой находится рентгеновская пленка и два экрана.
Так как дефектные места в меньшей степени снижают
интенсивность проникающих лучей, чем сплошной ме-
талл, засвечивание пленки будет больше в местах рас-
положения дефектов. Время просвечивания (экспози-
ции) зависит от толщины металла, фокусного расстоя-
ния, интенсивности излучения и чувствительности
пленки. После просвечивания пленку проявляют. На по-
лученном негативе будут видны отдельные более темные
участки, по которым можно судить о наличии и разме-
рах дефектов в сварном соединении.
Просвечивание гамма-лучами (гамма дефектоско-
пия) аналогично просвечиванию рентгеновскими луча-
ми. В качестве источников гамма-излучения используют
искусственные радиоактивные изотопы (иридий-192, ко-
бальт-60, цезий-137, тулий-170 и др.).
Радиоактивные изотопы могут использоваться в те-
чение длительного времени (например, кобальт-60 —
более 5 лет, цезий-137 — более 30 лет), что является
одним из преимуществ гамма-графирования по сравне-
нию с рентгенографированием. Гамма-лучи действуют
во всех направлениях с одинаковой силой, что позволяет
просвечивать кольцевые швы или одновременно не-
сколько деталей, расположенных по кругу, за одну
экспозицию. При работе с контейнером, куда помещено
радиоактивное вещество, необходимы тщательные меры
предосторожности во избежание облучения оператора.
У1
Спектральный анализ (стилоскопирование) относит-
ся к неразрушающим методам контроля. Его применяют
для быстрого контроля состава основного и присадоч-
ного металлов. При контроле подготовки металла к
сварке метод служит для определения полного удаления
со свариваемых кромок газонасыщенного слоя.
Контроль качества сварных соединений с их разру-
шением. Образцы для испытаний вырезают непосредст-
венно из контролируемой конструкции или контрольных
соединений, которые специально сваривают для этой
цели при тех же условиях и режимах, контролируемое
изделие (образцы-свидетели). Металлографическое ис-
следование сварных соединений проводите целью оценки
структуры металла в разных участках соединений и
отсутствия в них дефектов. Такие исследования выпол-
няют при проверке технологии сварки, режимов после-
дующей термической обработки, качества сварочных
материалов, а также при выборочном исследовании
контрольных образцов. Исследования включают кон-
троль вида излома, контроль макро- и микроструктуры.
Вид излома (фрактография) контролируют после
разрушения образцов или реальных соединений. По
внешнему виду излома судят о пластичности или хруп-
кости металла шва. Ровные, блестящие крупнокристал-
лические изломы, как правило, характеризуют хрупкое
состояние металла. Волокнистый серый излом с мато-
вой поверхностью свидетельствует о хорошей пластич-
ности металла.
По изому можно судить о таких дефектах, как поры,
шлаковые включения, трещины, непровары и др. Изу-
чают изломы невооруженным глазом, а также с помо-
щью бинокулярного микроскопа при- увеличении до
200 раз.
Контроль макроструктуры (макроанализ) позволяет
выявить состояние границ зон сварного шва, глубину
проплавления, ширину зоны термического влияния свар-
ки, строение металла шва и околошовной зоны, а также
внутренние дефекты.
Из сварных соединений вырезают заготовки для из-
готовления макрошлифов (темплетов), в которые вхо-
дят все структурные участки соединения. Шлифы травят
специальными реактивами до четкого выявления строе-
ния и дефектов макроструктуры.
Микроанализ заключается в исследовании сварных
швов с помощью микроскопа при увеличении в 50—
92
2000 раз. На микрошлифах можно выявить различные
дефекты: микропоры, микротрещины, непровары, ни-
тридные и кислородные включения, перегрев, пережог.
Микрошлифы изготовляют более тщательно, чем макро-
шлифы, и подвергают полированию до зеркального
блеска. Для выявления строения швов и мелких дефек-
тов под микроскопом шлифы протравливают соответст-
вующими химическими реактивами.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Для перевода единиц измерения физических величин в между-
народную систему СИ следует пользоваться соотношениями:
1 кгс/мм2 = 9,81 106 Па = 9,81 МПа; 1 кгс/см2 = 9,81 • 104 Па =
= 98,1 кПа; 1 кгс-м/см2=98,1 кДж/м2=9,81 Дж/см2; 1 ат =
=98,1 кПа; 1 мм рт. ст. =133,3 Па; 1 кал = 4,19 Дж.
1 градус Цельсия (°C) равен 1 градусу Кельвина (К). Соот-
ношение между температурами в градусах Цельсия (Тц) и граду-
дусах Кельвина (Тк) определяется выражением:
Тц=Тк—273.
Примечание. В приведенных единицах измерения СИ
приняты следующие обозначения: Па — паскаль; Дж — джоуль;
К — кельвин; М — мега (ХЮ6); к — кило (ХЮ3); г — гекто
(ХЮ2).