Лекции по свариваемости металлов, страница 9

Общие вопросы свариваемости [2] определяются влиянием тер­мического цикла сварки на физические свойства металла: его прочность и пластичность. Для Си эти свойства будут зависеть от степени ее чистоты. Так, Си с повышенной концентрацией водорода может иметь провал пластичности в интервале тем­ператур 350—450°, который для чистой меди обычно не реги­стрируется.

Сварка чистой Си существенно отличается от сварки сталей в силу особенностей теплофизических свойств этих металлов. Большие тепло- и температуропроводности Си создают высокие градиенты температуры и скорости охлаждения, а также опре­деляют малое время существования сварочной ванны, что тре­бует применения повышенной погонной энергии или предвари­тельного подогрева, а это является нежелательным осложне­нием технологии сварки. Значительный коэффициент линейного расширения и его зависимость от температуры вызывают необ­ходимость сварки при жестком закреплении кромок или по прихваткам. При большой толщине металла следует регулиро­вать величину зазора при сварке. Малое время существования сварочной ванны в жидком состоянии ограничивает возможно­сти ее металлургической обработки. В частности, при раскисле­нии меди требуются более активные раскислители, чем при сварке сталей.

1.1 Сопротивляемость горячим трещинам

Особенностью сварки Си и ее сплавов является склонность швов к образованию горячих трещин. Кислород, сурьма, вис­мут, сера и свинец образуют с медью легкоплавкие эвтектики, которые скапливаются по границам кристаллитов. Это требует ограничения содержания примесей в меди: О2 — до 0,03, Bi — до 0,003, Sb — до 0,005, РЬ —до 0,03% (по массе) [3]. Для от­ветственных конструкций содержание этих примесей должно быть еще ниже: O2<0,0J, Bi<0,0005, Pb<0,004 % [3]. Для особо ответственных изделий содержание Ог должно быть зна­чительно ниже — менее 0,003% (по массе). Содержание S не должно превышать 0,1 % (по массе).

1.2 Склонность к порообразованию

Медь и ее сплавы проявляют повышенную склонность к обра­зованию пор в металле шва и околошовной зоне. Причиной об­разования пор является водород, водяные пары или образую­щийся углекислый газ при взаимодействии окиси углерода с за­кисью меди.

Высокие градиенты температуры способствуют развитию термической диффузии водорода в зоне термического влияния, что приводит к сегрегации водорода вблизи линии сплавления и увеличивает вероятность возникновения дефектов: пор, тре­щин [4]. Растворимость водорода в меди зависит от содержания в ней кислорода и легирующих компонентов.

При сварке латуней причиной пористости может стать ис­парение Zn, температура кипения которого ниже температуры плавления Си и составляет 907 °С. Испарение Zn уменьшает введение Mn или Si.

При сварке бронз выгорание легирующих примесей также может стать причиной появления пористости.

Для сварки меди и её сплавов применяют такие способы сварки как:газовая сварка; Ручная сварк,которая выполняется на постоянном токе обратной полярности; Автоматическая сварка под флюсом. Основным преимуществом автоматической сварки Си под флю­сом является возможность получения стабильных высоких ме­ханических свойств без предварительного подогрева;

Другие способы сварки. Медь, как металл высокой пластич­ности, хорошо сваривается всеми видами сварки термомехани­ческого* класса, кроме контактной сварки, так как медь обла­дает малым переходным электрическим сопротивлением. Для приварки выводов из тонких медных проволок в изделиях элек­тронной техники используют термокомпрессионную сварку. Для более крупных изделий сложной конфигурации широко приме­няют диффузионную сварку в вакууме, позволяющую получать соединения меди не только с медью, но и с другими металлами и даже неметаллическими материалами.

Холодную сварку меди пластической деформацией сдвига или сдавливания используют для сварки медных шин в энерге­тических установках. В этом случае обеспечивается удовлетво­рительное электрическое сопротивление сварных соединений.

8.5 Свариваемость никеля и его сплавов

Характерной особенностью никеля является сохранение пластических свойств при высоких и низких температурах (табл. 28.1) [3].

Никель обладает высокой коррозионной стойкостью при обычной тем­пературе и при нагревании. При обычной температуре воздух и вода не действуют на металлический никель. При нагревании Ni взаимодействует с О2, S, Se, Sb, Ρ, С, Si и В. Никель в твердом и расплав­ленном состоянии поглощает водо­род больше, чем медь.

2.1 Основные марки, структура и механические свойства

Никелевые сплавы, содержащие 55 % и более Ni, являются важнейшими конструкционными материалами благодаря их высокой коррозионной стой­кости, жаростойкости и жаропрочности, достаточной пластичности. Наибо­лее распространены сплавы Ni с Си, Cr, Mo, Al, Fe, Ti, Be. Никелевые сплавы условно можно разделить на четыре группы: конструкционные, тер-моэлектродные, жаростойкие и сплавы с особыми свойствами. К первой группе относятся сплавы на медноникелевой основе (монель, мельхиор, ней­зильбер и др.). Их химический состав определяется ГОСТ 492—73. Кон­струкционные сплавы отличаются повышенными механическими свойствами и высокой коррозионной стойкостью. Один из наиболее распространенных сплавов этой группы сплав монель НМЖМц-28-2,5-1,5 имеет структуру типа твердого раствора. Предел прочности этого сплава выше 440 МПа, относи­тельное удлинение больше 25 %, он хорошо обрабатывается в холодном и горячем состоянии, удовлетворительно сваривается.

Ко второй группе относятся сплавы типа хромель, алюмель, копель, манганин, константан. Эти сплавы отличаются большой электродвижущей силой и высоким удельным сопротивлением при малом температурном ко­эффициенте электросопротивления. Применяются они для изготовления пре­цизионных приборов, термопар и компенсационных проводов.

К третьей группе относятся нихромы, отличающиеся высокой жаропроч­ностью и жаростойкостью и применяющиеся главным образом для изготов­ления электронагревательных приборов, потенциометрических обмоток, мало­габаритных сопротивлений. Химический состав сплавов этой группы опреде­ляется ГОСТ 5632—72, ГОСТ 12766—67. Основными компонентами этой группы никелевых сплавов являются хром и железо.

К четвертой группе можно отнести сплавы, обладающие высокой про­ницаемостью в магнитных полях, например пермаллой, сплавы с особыми упругими свойствами (инвар) и другие (ГОСТ 10-160—75). Пермаллой при­меняют для изготовления сердечников трансформаторов, деталей реле, маг-нитопроводов и других устройств.

Сплавы с особыми упругими свойствами (инвар 36Н, ковар 29НК) (ГОСТ 10994—76) имеют заданную величину коэффициента теплового рас­ширения и применяются для изготовления деталей, практически не ^изменя-ющих свои линейные размеры в интервале температур —60ч-+100°С, или, наоборот, для создания термобиметаллов, состоящих из нескольких слоев металла или сплава с различными коэффициентами теплового расширения. Слои термобиметалла прочно соединяются между собой по всей поверхно­сти сопротивления сваркой. При изготовлении термобиметаллических эле­ментов к материалу предъявляются повышенные требования по сваривае­мости.

2.2 Сопротивляемость кристаллизационным трещинам

Сварка Ni и его сплавов затруднена вследствие высокой чув­ствительности к примесям. Наиболее отрицательное влияние на качество сварных швов оказывают С и S. Содержание С огра­ничивают до 0,15% (по массе), а в некоторых сплавах — до 0,05 % (по массе).

Сера обладает большим химическим сродством к никелю. Особенно это заметно при температурах выше 400 °С, когда в течение.короткого времени образуется сульфид никеля, даю­щий легкоплавкую эвтектику с никелем с температурой плавле­ния 645 °С, которая располагается по границам зерен металла и может привести к появлению кристаллизационных трещин. Сульфид никеля может образоваться, если с никелем соприка­саются материалы, которые содержат даже небольшие количе­ства серы, например горючие материалы, масла, краски и т. д. Количество серы в сплавах ограничивают 0,005%—0,03% (по массе). Введение в сплав небольшого количества лития [0,004—0,006% (по массе)] резко уменьшает влияние серы [8].

Фосфор образует эвтектику №зР—Ni с температурой плав­ления 880 °С и также может привести к появлению кристалли­зационных трещин, его содержание ограничивают 0,005 % (по массе). Свинец и висмут снижают технологические свойства никелевых сплавов, их содержание ограничивают 0,002— 0,005% (по массе).

2.3 Склонность к порообразованию

Никель и его сплавы проявляют большую склонность к образо­ванию пор вследствие хорошей растворимости в расплавленном металле азота, водорода, кислорода и резкого снижения раство­римости при затвердевании металла. Легирование шва Ti, Сг и V уменьшает пористость, а легирование Mn, С, Si, Fe увеличи­вает. При аргонодуговой сварке вероятность образования пор уменьшается с повышением качества защиты зоны сварки.

2.4 Физико-химические особенности

При сварке Ni и его сплавов, особенно с Си, основной металл не претерпевает структурных превращений, не закаливается, поэтому нет необходимости применять предварительный подо­грев или последующую термообработку.

Некоторые сплавы Ni, особенно с Сг и Мо, проявляют склон­ность к межкристаллитной коррозии, для предотвращения кото­рой сварное соединение подвергают отжигу. Сваривать такие

сплавы газовой сваркой нежелательно, так как длительное воз­действие высокой температуры может привести к понижению коррозионной стойкости.

При сварке никеля и его сплавов для улучшения сваривае­мости приходится вводить в зону сварки легирующие компо­ненты, поэтому химический состав сварного шва отличается от основного металла.

В зависимости от способа сварки никеля могут быть приме­нены различные методы легирования металла шва. Наиболее надежным методом легирования является применение электрод­ной проволоки определенного состава в сочетании с пассивным нелегирующим электродным покрытием, с флюсом или исполь­зование сварки в инертных газах.

2.5 Способы сварки. Преимуществом аргоно-дуговой сварки является возможность обеспечения качественной защиты инертным газом сварочной ванны от взаимодействия с компонентами воздуха СЬ, N2, Нг, в результате чего предупреждается порообразование, трещино-образование и другие дефекты. При недостаточной защите по­верхность шва становится складчатой, и на рентгенограммах сварных соединений оксидные плены в складках шва могут расшифровываться как трещины.

Сборку деталей рекомендуется выполнять в зажимных при­способлениях без прихваток

При сварке никелевых сплавов с нержавеющей сталью 12Х18Н10Т в ряде случаев целесообразно смещать вольфрамо­вый или плавящийся электрод от стыка свариваемых кромок в сторону стали на величину, указанную в табл. 28.4, для сим­метричного формирования шва относительно стыка изделий.

Для повышения стойкости сварных соединений жаропрочных дисперсионно-твердеющих" никелевых сплавов против растрес­кивания при нагревах необходимо заготовки деталей, подлежа­щих сварке, подвергать стабилизирующей термической обра­ботке. Режимы стабилизации устанавливают в каждом конкрет­ном случае при отработке технологии.

Сварные соединения, не подвергаемые упрочнению после сварки, а также соединения монтажные и другие, не допускаю­щие термической обработки по своей конструкции, следует пре­имущественно выполнять с присадкой Св-06Х15Н60М15 по ГОСТ 2246—70.

С учетом склонности никелевых сплавов к образованию го­рячих трещин при сварке следует применять стыковые соедине­ния или угловые и тавровые с полным проваром, как не имею­щие концентратора напряжений в сравнении с другими типами соединений. При сварке никелевых сплавов с нержавеющей сталью 12Х18Н10Т в ряде случаев целесообразно смещать вольфрамо­вый или плавящийся электрод от стыка свариваемых кромок в сторону стали на величину, указанную в табл. 28.4, для сим­метричного формирования шва относительно стыка изделий.

Для повышения стойкости сварных соединений жаропрочных дисперсионно-твердеющих" никелевых сплавов против растрес­кивания при нагревах необходимо заготовки деталей, подлежа­щих сварке, подвергать стабилизирующей термической обра­ботке. Режимы стабилизации устанавливают в каждом конкрет­ном случае при отработке технологии.

Сварные соединения, не подвергаемые упрочнению после сварки, а также соединения монтажные и другие, не допускаю­щие термической обработки по своей конструкции, следует пре­имущественно выполнять с присадкой Св-06Х15Н60М15 по ГОСТ 2246—70.

С учетом склонности никелевых сплавов к образованию го­рячих трещин при сварке следует применять стыковые соедине­ния или угловые и тавровые с полным проваром, как не имею­щие концентратора напряжений в сравнении с другими типами соединений.

Для повышения стойкости против горячих трещин преду­сматривают гарантированный зазор между свариваемыми кром­ками стыковых соединений для обеспечения свободной усадки металла. Величину зазора выбирают при отработке технологии.

Для получения сварных швов с гарантированным проваром и с целью уменьшения пористости в сварных соединениях нике­левых сплавов применяют способ аргонодуговой сварки с ис­пользованием активирующих флюсов (АФ). Способ обеспечи­вает получение более широкого проплава и более узкой лицевой стороны шва по сравнению с обычной аргонодуговой сваркой. В табл. 28.5 приведен химический состав флюса, реко­мендуемый при сварке никелевых сплавов.

С целью предупреждения образования пор в металле шва наносить АФ рекомендуется непосредственно перед сваркой. Оставшийся на поверхности швов налет шлака АФ не оказы­вает отрицательного влияния на механические свойства и кор­розионную стойкость соединений.