Лекции по свариваемости металлов (1088762), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Холодные трещины возникают в результате повышенного содержания водорода в сварном соединении в сочетании с растягивающими напряжениями первого рода (остаточными сварочными и от внешней нагрузки). Трещины такого типа могут возникнуть сразу же после сварки, а также после вылеживания сварных изделий до нескольких лет (процесс замедленного разрушения).
Радикальными мерами борьбы с холодными трещинами являются: а) снижение газов в основном и присадочном металле: Н2<0,008%, О2<0,1—0,12 %; N2<0,04%; б) соблюдение технологии сварки для предотвращения попадания паров воды и вредных газов в зону сварки; в) снятие остаточных сварочных напряжений; г) предотвращение возможности наводорожива-ния сварных соединений при эксплуатации.
Помимо общих закономерностей свариваемости, отдельные группы титановых сплавов обладают специфическими особенностями.
Двухфазные конструкционные (α +β)-титановые сплавы по свариваемости уступают α-сплавам, так как более чувствительны к изменению параметров режима сварки, а необходимый уровень свойств достигается в результате термической обработки, применения; присадочных материалов или утолщений кромок.
Чувствительность двухфазных сплавов к термическим циклам сварки проявляется в существенном изменении механических свойств связных соединений в зависимости от затрат погонной энергии и соответствующих им скоростей охлаждения околошовной зоны
При сварке высоколегированных β-сплавов возникают существенные трудности, связанные с повышенной чувствительностью к примесям — газам, спецификой фазовых и структурных превращений в сварных швах и околошовной зоне. Эти сплавы весьма чувствительны к скорости охлаждения после нагрева до высоких температур: с уменьшением скорости охлаждения снижаются пластические характеристики. Оптимальные скорости охлаждения при сварке для сплавов такого типа высоки и находятся в пределах 100—500 °С/с. Наиболее перспективными для β-сплавов титана являются способы, обеспечивающие сварку на жестких режимах. Рекомендуется применять электронно-лучевую сварку, аргоно-дуговую с активирующим флюсом, лазерную.
Термическая обработка сварных соединений повышает прочность, но снижает пластичность шва (табл. 25.7). Повышение прочности и пластичности сварных соединений достигается механико-термической обработкой.
Сплавы со стабильной β-структурой удовлетворительно свариваются всеми видами сварки плавления.
При изготовлении конструкций из титановых сплавов используют следующие способы сварки: дуговая — в среде защитных газов, неплавящимся и плавящимся электродом, электронно-лучевая, лазерная, плазменная, электрошлаковая, контактная, диффузионная, сварка взрывом, а также пайка.
8.3. Свариваемость сплавов бериллия
Металл Be относится к легким металлам II группы периодической системы элементов. Порядковый номер 4, относительная атомная масса 9,01, принадлежит к числу редких элементов. Плотность Be 1,82- г/см3, температура плавления 1283 °С. По сравнению d другими металлами он обладает самой высокой скрытой теплотой плавления 1151 Дж/г, что превосходит Al почти в 3 раза, Mn — в 6 раз, a Fe — почти в 4,3 раза. Бериллий обладает довольно высокой теплопроводностью, уступая по этому показателю лишь Ag, Си, Аи и Al. Специфичным физическим свойством является его высокая проницаемость >для рентгеновских лучей, которая в 17 раз выше, чем у алюминия, Под воздействием окислительных сред на поверхности бериллия образуется защитная окисная пленка, подобная пленке на алюминии и титане. С одной стороны, это делает его коррозионностойким, а с другой стороны, затрудняет процесс сварки. При высоких температурах Be обладает высокой химической активностью по отношению к кислороду, азоту, водороду, галогенам и т. д. В тонкоизмельченном виде и парообразный Be обладает высокой токсичностью, в связи с чем при обработке его необходима полная защита оператора от воздействия паров и пыли, в частности сварку, необходимо проводить только в герметично закрытых камерах (допустимое содержание в атмосфере до 2 мг на 1 м3). Компактный Be не токсичен и эксплуатация изделий из него не представляет опасности для здоровья людей [1].
Изделия из Be получают прессованием его порошка с последующим спеканием полученных заготовок в вакууме при 450—500°С, либо плавкой и литьем в глубоком вакууме или в атмосфере инертного газа. В литом состоянии Be особенно хрупок. Горячепрессованные брикеты являются исходным материалом для прокатки и других видов обработки. Бериллий обладает· высокой анизотропией механических свойств, которая зависит от ориентации зерен, связанной со схемой деформации (табл. 26.1).
Бериллиевые полуфабрикаты имеют высокий модуль упругости 3· 105 МПа. Пластичность Be крайне низка при комнатной температуре, но возрастает при температуре 300—400 °С в 5—6 раз. Бериллий находит применение в различных областях, в том числе как конструкционный материал. Препятствием на пути его широкого внедрения в конструкциях является хрупкость и низкая пластичность.
Основные марки алюминиево-бериллиевых сплавов и их свойства
В промышленности нашли наибольшее распространение сплавы на бериллий-алюминиевых композициях [2]. Согласно диаграмме состояния, растворимость Be в Al при эвтектической температуре 645 °С составляет 0,3 %
При сварке бериллия методами плавления возникает ряд трудностей, которые ограничивают области их применения. В связи с хрупкостью бериллия и его высокой химической активностью по отношению к примесям-газам швы весьма склонны к образованию пор, холодных и горячих трещин. Дополнительные затруднения создает большая склонность Be к росту зерен при нагреве.
Кроме этого, необходимо учитывать, что наиболее высокими свойствами обладает горячепрессованный Be в деформированном состоянии, а после сварки такого металла в литой зоне свойства основного металла недопустимы низки, особенно по пластичности. В связи с этим методы сварки плавлением Be преимущественно используют для ненагруженных конструкций, например для герметизации.
Основные трудности при сварке Al — Be сплавов возникают в связи с существованием химической неоднородности в зоне термического влияния (рис. 26.1). Наличие ее связано с возникновением под действием термического цикла сварки протя-женого (4—6 мм) участка твердо-жидкого состояния материала [3, 4]. В этой зоне происходят как изменения макрообъемов, заключающиеся в увеличении сечения в зоне термического влияния и уменьшения сечения в шве, так и изменения микроструктуры.
Рис. 9.1. Распределение бериллия в сварном соединении алюминий—бериллиевого сплава
Помимо структурной неоднородности, существует еще и химическая неоднородность зоны термического влияния, особенно на сплавах системы Al—Be—Mg. В результате теплового влияния сварочного цикла в алюминиевой матрице металла околошовной зоны происходит распад пересыщенного твердого раствора Mg в Al с образованием стабильной фазы Mg2Al3.
Неоднородная по структуре и содержанию элементов зона термического влияния однопроходных сварных соединений сплавов системы Al—Be—Mg не уступает по кратковременной прочности литому металлу шва, а по пластичности и ударной вязкости — основному металлу, неоднородность в первую очередь сказывается на циклической прочности.
Предел ограниченной выносливости сварных соединений на базе циклов 106 в 2—3 раза ниже, чем у основного металла, на базе циклов 2·103 это соотношение составляет 1,5—2. Разрушение, как правило, инициируется наличием в зоне термического влияния фазы Mg2Al3.
Увеличение температуры нагрева более 1000 °С приводит к .снижению прочности соединений за счет роста зерна.
Дуговую сварку бериллия осуществляют в камерах с контролируемой атмосферой газов: аргона повышенной чистоты или смеси 50 % Аг и 50 % Не. Перед заполнением газами необхо димо создавать разряжение в камере. Наилучшие результаты достигаются на соединениях по отбортовке кромок с проплавлением на 1—1,5 мм.
Наименьший размер зерна, а следовательно, и наилучшие свойства получают при электронно-лучевой сварке в вакууме на режимах, обеспечивающих минимальную погонную энергию. Однако и этот метод не дает возможности получать равнопрочные с основным металлом сварные соединения, а тем более близкие с ними по пластичности.
Многие сложности сварки плавлением устраняются при использовании сварки в твердой фазе — диффузионной [1]. Используют сварку Be с промежуточной прокладкой и без нее. В случае сварки без прокладки процесс ведут в вакууме (~6,6 МПа) под механическим давлением с нагревом в высокочастотном индукторе до температур от 700 до 1000 °С. У го-рячепрессованных и выдавленных материалов существует максимум прочности сварных соединений в области температур нагрева 900—1000 °С.
На оптимальных режимах сварки достигаются свойства соединения, равные свойствам основного металла. Обязательным условием получения качественного соединения является тщательная подготовка соприкасающихся поверхностей, заключающаяся в удалении окисного слоя и снижении путем полировки шероховатости поверхностей до минимума.
Для сохранения чистоты соединяемой поверхности и уменьшения влияния поверхностной шероховатости используют промежуточную металлическую прослойку. В качестве промежуточной прослойки рекомендуется использовать серебро. Так как серебро не образует стабильного оксида, его можно нанести заблаговременно на детали либо электролитически, либо осаждением в вакууме. Равнопрочные с бериллием соединения до стигаются при температуре нагрева 150—200°С и давлении сварки ~70 МПа. Толщина прокладок из серебра имеет оптимум в диапазоне 15—50 мкм. Для более толстых прослоек прочность при растяжении непосредственно связана со свойствами серебра. Когда толщина прослойки уменьшается, прочность при растяжении этих соединений увеличивается из-за сдерживания пластического течения. Для очень тонких промежуточных слоев на площади контакта начинают сказываться чистота и гладкость поверхности, поэтому прочность при растяжении существенно снижается.
Используя промежуточные прокладки, осуществляют диффузионную сварку Be со сталью и Ti. Для соединения Al—Be сплавов толщиной более 5 мм эффективно применение метода электронно-лучевой сварки. Качество формирования шва и свойства сварных соединений в значительной степени зависят от плотности мощности электронного луча и состава свариваемого сплава.
8.4 Свариваемость меди и ее сплавов
Медь имеет высокую тепло- и электропроводность, которые уменьшаются при введении примесей.
При обычных условиях Си достаточно инертна, но при нагревании она реагирует с кислородом, серой, фосфором, галогенами, водородом, образуя неустойчивый гидрид СиН, с углеродом образует взрывоопасную ацетилени-стую медь Си2С2, с азотом практически не реагирует, что позволяет использовать азот в качестве защитного газа при сварке чистой меди.
Взаимодействие с кислородом. Медь очень чувствительна к кислороду. В условиях сварки она может окисляться за счет газовой атмосферы или за счет обменных реакций с компонентами флюсов и электродных покрытий.
При низких температурах растворимость О в твердой Си мала и резко возрастает в жидкой Си за счет образования Си2О, которая при затвердевании выделяется в виде эвтектики Си—Си2О, располагаясь по границам кристаллитов. При рассмотрении под микроскопом Си2О имеет голубоватую окраску в рассеянном свете и рубиново-красную в поляризованном, что является ее характерной особенностью, СигО, как отдельная, фаза легко восстанавливается до меди
Газы, образующиеся в результате этих реакций, в меди не растворяются и, создавая большие давления, приводят к образованию трещин, возникает так называемая «водородная болезнь» меди.
Кислород, содержащийся в меди, ухудшает ее пластичность, повышает твердость, уменьшает тепло- и электропроводность.
Взаимодействие с серой. Диаграмма состояния Си—S приведена на рис. 27.2. Сера хорошо растворима в жидкой Си и практически не растворима в твердой. Содержание S в Си регламентируется ГОСТ 859—78 и ее присутствие в ограниченном количестве до 0,1 % (по массе) существенно не отражается на процессе сварки.
Взаимодействие с водородом. Водород влияет на качество сварных соединений из Си и ее сплавов, вызывая пористость в металле шва и образо вание трещин. Водород растворяется в Си в соответствии с законом Си-вертса и его растворимость зависит от температуры и парциального давления в газовой атмосфере. Растворимость Η в Си в процессе кристаллизации изменяется почти в два раза сильнее, чем в железе (рис. 27.3), это приводит к тому, что при высокой скорости кристаллизации сварочной ванны при сварке меди газ не успевает выделяться из металла, образуя поры или концентрируясь в микронесплошностях, создает высокое давление, приводящее к зарождению трещины. При сварке не исключена возможность образования дефектов в результате термической диффузии Η из основного металла к шву. Концентрируясь вблизи линии сплавления, Η создает пористость в околошовной зоне. Поэтому при сварке ответственных изделий из Си, в которых необходима высокая плотность металла, к основному металлу необходимо предъявлять жесткие требования по содержанию в нем водорода. Электрошлаковый переплав или вакуумная плавка значительдо снижают содержание Η в Си.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
