Сварка тугоплавких металлов и сплавов

Обновлено: 18.05.2024

К тугоплавким металлам относятся титан, цирконий, ниобий, молибден и др., у которых температура плавления выше, чем у железа. При нагреве тугоплавкие металлы интенсивно погло­щают газы (кислород, водород, азот). При этом даже незначитель­ное содержание газов, например кислорода, приводит к резкому снижению пластических свойств указанных металлов. Для полу­чения качественных сварных соединений необходимо создавать совершенную защиту места сварки от воздействия воздуха.

Титан сваривают в атмосфере аргона с дополнительной газо­вой защитой корня шва и еще неостывшего участка шва до темпе­ратуры 400° С. Титановые сплавы склонны к образованию холод­ных трещин при сварке. Сильное влияние на образование трещин оказывают газы (водород и кислород). Допустимо следующее содержание этих газов: 0,01% Н2; 0,15% О2. Перед сваркой про­волоку и металл подвергают дегазации путем отжига в вакуумных печах.

Цирконий и ниобий являются тугоплавкими металлами, обла­дающими высокой коррозионной стойкостью. Их сваривают в ат­мосфере аргона высокой чистоты с защитой корня шва или в ка­мере с контролируемой защитной атмосферой.

Молибден — тугоплавкий и жаропрочный металл. При содер­жании свыше 0,001 % О2 пластические свойства молибдена резко снижаются. Молибден сваривают электронным лучом в камера с вакуумом 133∙10–4 Н/м2.

Лекция 15. Пайка металлов и сплавов

Физическая сущность процесса пайки

Пайкой называется технологический процесс соединения металлических заготовок без их расплавления посредством введении между ними расплавленного промежуточного металла припоя. Припой имеет температуру плавления более низкую, чем температура соединяемых металлов, и заполняет зазор между соединяемыми поверхностями за счет действия капиллярных сил. При охлаждении припой кристаллизуется и образует прочную связь между заготовками. В процессе пайки наряду с нагревом необходимо удаление окисных пленок с поверхности паяемых металлов.

Образование соединения без расплавления кромок обеспечивает возможность распая, т. е. разъединения паяемых заготовок без нарушения исходных размеров и формы элементов конст­рукции.

Процесс образования паяного шва состоит из прогрева матери­ала, образующего соединение, до температуры, близкой к темпе­ратуре плавления припоя; расплавления припоя; растекания жидкого припоя по поверхности твердого материала и заполнение паяемого шва; охлаждения и кристаллизации припоя в паяном шве. Качество паяного шва во многом зависит от прочности связи припоя с металлом основы. В результате смачивания твердой металлической поверхности между припоем и основным металлом возникает межатомная связь. Эта связь может образоваться при растворении металла основы в расплавленном припое с образо­ванием жидкого раствора, распадающегося при последующей кристаллизации; за счет диффузии составляющих припой элементов в основной твердый металл с образованием твердого раствора; за счет реактивной диффузии между припоем и основным метал­лом с образованием на границе интерметаллических соединений; за счет бездиффузионной связи в результате межатомного взаимо­действия.

По особенностям процесса и технологии пайку можно разде­лить на капиллярную, диффузионную, контактно-реактивную, реактивно-флюсовую и пайку-сварку.

Капиллярная пайка. Припой заполняет зазор между соеди­няемыми поверхностями и удерживается в нем за счет капилляр­ных сил. На рис. 35 показана схема образования шва. Соеди­нение образуется за счет растворения основы в жидком припое и последующей кристаллизации раствора. Капиллярную пайку используют в тех случаях, когда применяют соединение внах­лестку. Однако капиллярное явление присуще всем видам пайки.


Рис. 35. Схема капиллярной пайки: а – перед пайкой; б – после пайки; 1 – припой

Диффузионная пайка. Соединение образуется за счет взаим­ной диффузии компонентов припоя и паяемых материалов, при­чем возможно образование в шве твердого раствора или тугоплав­ких хрупких интерметаллов. Для диффузионной пайки необходима продолжительная выдержка при температуре образования единого шва и после завершения процесса при температуре ниже солидуса припоя.

Контактно-реактивная пайка. При пайке между соединяе­мыми металлами или соединяемыми металлами и прослойкой Другого металла в результате контактного плавления образуется Сплав, который заполняет зазор и при кристаллизации образует паяное соединение. На рис. 36 показана схема контактно-реактивной пайки.


Рис. 36. Схема контактно–реактивной пайки:

а – перед пайкой; б – после пайки; 1 – медь; 2 – серебро; 3 – эвтектический сплав меди с серебром.

Реактивно-флюсовая пайка. Припой образуется за счет реак­ции вытеснения между основным металлом и флюсом. Например, при пайке алюминия с флюсом 3ZnCl2 + 2Аl = 2А1Сl3 + Zn восстановленный цинк является припоем. Реакционно-флюсовую пайку можно вести без припоя и с припоем.

Пайка-сварка. Паяное соединение образуется так же, как при сварке плавлением, но в качестве присадочного металла применяют припой.

Наибольшее применение получила капиллярная пайка и пайка-сварка. Диффузионная пайка и контактно-реактивная более тру­доемки, но обеспечивают высокое качество соединения и при­меняются, когда в процессе пайки необходимо обеспечить мини­мальные зазоры. Качество паяных соединений (прочность, герметичность, надежность и др.) зависит от правильного выбора основного металла, припоя, флюса, способа нагрева, величины зазоров, типа соединения.

Особенности сварки тугоплавких металлов

Тугоплавкие металлы энергично взаимодействуют с большинством газов, образуя оксиды, химические соединения и растворы внедрения. Как правило, в результате взаимодействия тугоплавких металлов с газами происходит уменьшение их пластичности. По скорости окисления на воздухе тугоплавкие металлы могут быть расположены в такой последовательности: рений, молибден, тантал, ниобий, вольфрам. Заметное повышение скорости окисления этих металлов наблюдается при температурах выше 600 °С.

До температуры 650 °С на поверхности ванадия существует плотная оксидная пленка, защищающая его от дальнейшего окисления. Выше этой температуры, точнее, при температуре 650 °С, оксиданя пленка расплавляется и скорость окисления ванадия возрастает. Молибден, вольфрам и рений образуют летучие оксиды. Возгонка начинается при температуре 800 °С и значительно усиливается при температурах 1050—1200 °С. Возгонка оксидов 204 рения начинается с температуры 300 °С. Заметное повышение упругости пара МоО 3 отмечается при температуре 720 °С и кипение — при 1155 °С.

В связи c окислением и испарением оксидов тугоплавких металлов для работы этих металлов при повышенных температуpax их поверхность необходимо защищать.

Тугоплавкие металлы , за исключением рения, проявляют значительную сорбционную епособность к водороду. При нагреве ванадия, ниобия и тантала в водороде наблюдается их охрупчивание вследствие выделения по границам зерен гидридов иглообразной формы, поэтому для указанных металлов водород является опасной примесью. Вольфрам и молибден адсорбируют водород без существенного ухудшения свойств. Заметного взаимодействия рения с водородом не наблюдается.

Азот так же, как и кислород, оказывает отрицательное влияние на пластичность тугоплавких металлов. Ванадий, ниобий н тантал с азотом образуют весьма ограниченные области твердых растворов внедрения. При распаде пересыщенного твердого раствора образуются промежуточные фазы Nb 2 N, NbN, TaN, V 2 N, VN, повышающие температуру перехода металла в хрупкое состояние.

При взаимодействии азота с молибденом и вольфрамом область твердых растворов ограничена еще в большей степени. , В молибдене и вольфраме образуются нитриды MО 3 N, Mo 2 N, W 2 N и WN, которые выделяются в основном по границам зерен, вызывая снижение пластичности металла при нормальной температуре. В то же время нитриды тугоплавких металлов способствуют их упрочнению, и поэтому для ряда сплавов, в том числе и молибденовых, нитриды используются для дисперсионного упрочнения сплавов; при этом концентрация азота в сплаве поддерживается на заданном уровне.

Некоторые тугоплавкие металлы проявляют повышенную клонность к образованию пористости в металле швов.

Тугоплавкие металлы достаточно активны и в расплавленном состоянии смачивают большинство примесей. В связи с отсутствием несмачиваемых границ раздела в ванне, при сварке тугоплавких метллон выделение растворенных газов в расплаве затруднено и из-за ограниченной возможности возникновения устойчивых зародышей газовой фазы. В связи о этим при проплавлении пластины из тугоплавких металлов в большинстве случаев пор не наблюдается .

Закономерное появление пор при сварке пластин из тугоплавких металлов встык связано о возникновением зародышевых пузырьков на базе дефектов, имеющихся на торцовых поверхностях кромок свариваемых деталей, заполненных адсорбированными газами и парами воды или загрязнениями.

В процессе сварки тугоплавких металлов в местах дефектов, имеющихся на поверхности поджатых друг к другу кромок, образуются замкнутые полости, заполненные адсорбированными газами, газами защитной атмосферы, парами воды и продуктами их разложения. При расплавлении металла эти полости превращаются в пузырьки, попадающие в ванночки жидкого металла, часть из них всплывает на поверхность ванны. Анализ газов, содержащихся в порах, подтверждает это положение.

Например, при вскрытии лучом лазера пор в металле швов, полученных при сварке сплава ВН-2АЭ в аргоне, установлено наличие СО и СО 2 , образующихся в результате взаимодействия кислорода с углеродом; водорода, образующегося в результате разложения влаги, находящейся на свариваемых кромках; аргона, адсорбированного торцовой поверхностью свариваемых кромок и оставшегося в замкнутых полостях, образовавшихся при сжатии кромок; субоксидов ниобия, находящихся в парообразном состоянии при температуре свыше 1800 °С и сконденсировавшихся на внутренней поверхности пор при охлаждении.

Наибольшее количество пор возникает при сварке встык без зазора между кромками при неполном проплавлении по толщине металла. Количество пор в металле шва изменяется в зависимости от состава загрязнений, расположенных на торцовых поверхностях свариваемых кромок ( рис. 14.3 ). Минимальное количество пор наблюдается при электрополировании и химическом травлении 2 торцовых поверхностей. Значительное повышение пористости наблюдается при зачистке кромок напильником 3, а также при загрязнении поверхностей продуктами, содержащими углерод 4 и кислород 5. Максимальная пористость наблюдается при загрязнении свариваемых кромок углеродом и кислородом одновременно 6.

Рис. 14.3. Влияние состояния поверхности свриваемых кромок на пористость металла шва при аргонодуговой сварке сплава ВН-2АЭ

В соответствии с основным механизмом образования пор, описанным выше, для устранения пор при сварке тугоплавких металлов могут быть рекомендованы следующие основные меры: тщательная обработка поверхности, особенно торцов соединяемых деталей (шлифование и тщательная очистка от загрязнений); сварка с гарантированным зазором, исключающая возможность образования замкнутых несплошностей; предварительный подогрев кромок и особенно торцов соединяемых деталей с целью десорбции имеющихся на них газов; увеличение погонной энергии и длительности существования ванны с целью создания условий для всплывания пузырьков.

Высокие температура плавления и теплопроводность большинства тугоплавких металлов способствует повышению скорости кристаллизации и образованию в металле швов грубой крупнокристаллической дендритной структуры.

Большинство тугоплавких металлов обладает малой растворимостью примесей внедрения. При современном уровне металлургического производства в промышленных сплавах содержание таких примесей превышает предел растворимости. В связи с этим в процессе кристаллизации примеси внедрения выделяются по границам зерен в виде различных соединении, охрупчивающих металл.

Образование грубой дендритной структуры в металле швов вызывает сокращение суммарной величины поверхности границ зерен, что приводит к увеличению концентрации примесей, выделившихся по границам кристаллитов, и, как следствие, к охрупчиванию металла.

Для предупреждения трещин в металле швов, вызванных охрупчивающим влиянием выделяющихся примесей внедрения, могут быть рекомендованы различные меры: применение присадочных металлов, обеспечивающих получение более высокой пластичности металла шва; изменение схемы кристаллизации с целью наивыгоднейшего направления осей дендритов путем регулирования направления теплоотвода при кристаллизации; применение мер, направленных на ограничение остаточных напряжений в металле шва.

При сварке деформированных тугоплавких металлов в околошовных зонах наблюдается рост зерна и снятие нагартовки.
Для чистых металлов, в которых количество примесей внедрения не превышает предела растворимости, в зоне термического влияния наблюдается понижение прочности и твердости по сравнению с подобными характеристиками основного металла в нагартованном состоянии.

В связи с тем, что в промышленных сплавах количество примеcей внедрения, как правило, выше предела их растворимости, пластичность рекристаллизованной зоны снижается за счет повышения концентрации примесей внедрения по границам зерен. Особенно резко снижается пластичность металла при распределении неметаллических, соединений в виде пленок по границам врен, резко ослабляется связь между зернами, что приводит к хрупкому разрушению металла по границам зерен. Например, в молибдене при наличии 0,006 % кислорода большая часть границ зерен оказывается покрытой оксидами молибдена. Для вольфрама это содержание еще меньше.

Выделение вдоль границ зерен цепочек избыточных фаз иногда способствует возникновению несплошностей и зарождению микротрещин, повышающих склонность металла к хрупкому разрушению. С увеличением размеров зерна концентрация дефектов по границам зерен повышается, что приводит к перемещению температуры перехода к хрупкому разрушению в область более высоких температур ( рис. 14.4 ).

На хрупкость тугоплавких металлов отрицательно влияют не только примеси внедрения, выделившиеся в виде второй фазы и расположенные по границам зерен, но и примеси внедрения, находящиеся в пересыщенном твердом растворе. Снижение пластичности металла в этом случае происходит главным образом в результате торможения движения дислокаций.

Рис. 14.4. Влияние размера зерна на температуру перехода в хрупкое разрушение

Технология сварки тугоплавких металлов

При выборе метода сварки тугоплавких металлов необходимо учитывать следующее.

  1. Тугоплавкие металлы обладают высокими температурой плавления и теплопроводностью. В связи с этим для местного расплавления их требуется применение источника теплоты с большой мощностью и высокой концентрацией энергии в пятне нагрева.
  2. Способность тугоплавких металлов энергично взаимодействовать с азотом и кислородом вызывает необходимость применения при сварке этих металлов эффективных средств защиты от взаимодействия с атмосферой воздуха.

Для соединения тугоплавких металлов применяют в основном три метода:

  • дуговую сварку в среде инертных газов в камерах с общей защитой;
  • электронно-лучевую сварку в вакууме;
  • сварку лазером в вакууме или среде инертного газа.

Подготовку поверхности тугоплавких металлов выполняют преимущественно химическим травлением или электрополированием. Особое внимание должно быть уделено подготовке поверхности торцов свариваемых кромок, которые перед сваркой необходимо дополнительно обезжиривать.

При сварке тугоплавких металлов в вакууме с остаточным давлением, не превышающим 0,01 Па, исключается возможность загрязнений металла шва примесями внедрения. В процессе сварки в вакууме происходит частичная очистка металла шва от газовых примесей, что способствует повышению качества сварного соединения. Для защиты от попадания в рабочую часть сварочной камеры паров жидкости откачивающей системы и продуктов их распада применяют конденсационные или сорбционные ловушки.

При дуговой сварке тугоплавких металлов защитной атмосферой служат инертные газы — аргон или гелий. В отечественной промышленности для указанных целей широко используют аргон высшего сорта. Гелий менее экономичен по сравнению с аргоном и применяется в меньших масштабах.

Легирование тугоплавких металлов снижает чувствительность их к поглощению примесей из защитной атмосферы в процессе сварки. Для менее легированных сплавов с высокой чистотой по примесям требования к чистоте инертных газов повышаются. Для большинства реальных тугоплавких сплавов применение аргона высшего сорта обеспечивает исходный уровень содержания примесей в металле шва и удовлетворительную пластичность сварных соединений.

Для того чтобы примеси защитной атмосферы не превышали допустимых пределов, существуют различные системы регенерации газов. Для регенерации аргона используют специальные батареи химической очистки. Периодический контроль состава защитной атмосферы может быть осуществлен с помощью хроматографов. Для непрерывного контроля и регистрации содержания кислорода и влаги используются специальные приборы.

Наиболее распространенные типы сварных соединений тугоплавких материалов при дуговой и электронно-лучевой сварке — стыковые без разделки и с разделкой кромок, с отбортованными кромками и др. Менее распространены соединения внахлестку и втавр. В сварных конструкциях широко используют металлы толщиной 0,1—2 мм и в меньших масштабах — металлы больших толщин (до 10 мм).

При электронно-лучевой сварке различных типов соединений формирование шва происходит за счет расплавления основного металла.

При необходимости легирования металла шва в зазоре между стыкуемыми кромками присадочный материал закрепляют в виде фольги, пластины или проволоки.

Дуговой сваркой в защитной атмосфере соединяют все перечисленные типы соединения в диапазоне толщин от 0,2 мм и выше. При этом широкое распространение получила сварка вольфрамовым электродом без применения присадочной проволоки. При стыковых соединениях значительной толщины (s≥3 мм) находит применение дуговая сварка плавящимся электродом.

Дуговую сварку можно выполнять как постоянным, так и переменным током. Более широкое распространение получила сварка пп, шинным током прямой полярности.

Существенное влияние па формирование металла шва, структуру и механические свойства сварных соединений тугоплавких металлов оказывают условия теплоотвода и режимы сварки. Например, в зависимости от формы технологической подкладки и числа слоев шва существенно изменяется направление осей дендритов ( рис. 14.5 ). С увеличением скорости сварки сокращается время существования жидкой ванны и уменьшается степень насыщения металла газами. При этом сокращается протяженность зоны термического влияния, уменьшаются размеры кристаллитов, а также изменяется схема кристаллизации металла шва.

Рис. 14.5. Влияние теплоотвода на структуру металла шва: а — на подкладке с неформирующей канавкой; б — на подкладке с формирующей канавкой; в — при сварке в два прохода

Результаты испытания соединений сплава ВМ-1 (s = 1 мм), полученных дуговой сваркой в аргоне, показали, что в зависимости от скорости сварки υсв и направления изгиба образцов вокруг осей а—а и б—б ( рис. 14.6 ) углы изгиба изменяются в диапазоне 20—140 °С. Такое различие углов изгиба объясняется изменением направлений главных напряжений при изгибе по отношению к расположению границ уристаллитов, направление которых обусловлено характером распределения теплового поля в металле при сварке. С увеличением скорости сварки доля отвода теплоты свариваемыми кромками увеличивается, а отвод теплоты в хвостовую часть ванны уменьшается. Поэтому угол наклона оси дендритов 9 увеличивается, и направление границ кристаллитов приближается к направлению, перпендикулярному к оси шва.

Рис. 14.6. Зависимость угла изгиба от кристаллизации металла шва

При изгибе вокруг оси б—б разрушение происходит по ослабленным границам, и углы изгиба имеют минимальные значения. При изгибе вокруг оси шва (а—а) максимальные значения углов (80—90°) получены на образцах, сваренных на оптимальных скоростях (60—80 м/ч). Скорость сварки оказывает влияние на структуру металла шва. Со снижением скорости размеры кристаллитов увеличиваются, ширина средней зоны шва, состоящей из поперечных сечений вершин зерен, также увеличивается.

Оптимальные значения параметров режима сварки для различных сплавов тугоплавких металлов определяются прежде всего химическим составом сплава, геометрическими размерами свариваемых изделий, условиями теплоотвода при сварке и методом сварки.

Для повышения механических свойств тугоплавких металлов применяют многокомпонентное легирование элементами, нейтрализующими вредное влияние примесей внедрения за счет образования с ними более прочных соединений, чем с основным металлом. К таким элементам относятся углерод, цирконий, титан и др. Сплавы ниобия, легированные цирконием в количестве до 1 %, титаном до 10 % или гафнием до 1 %, отличаются высокой пластичностью сварных соединений. С повышением содержания циркония выше 1 % пластичность сварных соединений снижается за счет образования второй фазы в процессе старения металла. Высокой пластичностью сварных соединений характеризуются сплавы тантала, легированные 10 % Hf и 5 % W. Заметное влияние на повышение пластичности сварных соединений молибденовых сплавов оказывают добавки титана и углерода.

Из большого количества элементов, применяемых в качестве легирующих с целью повышения свойств тугоплавких металлов и улучшения их свариваемости, особое место занимает рений. Положительное влияние рения на повышение механических свойств при низких и высоких температурах установлено для вольфрама, молибдена и ниобия. Наибольший интерес представляет легирование рением молибдена и вольфрама, отличающихся наиболее низкой свариваемостью.

При оптимальных составах молибденорениевые и вольфраморениевые сплавы хорошо свариваются и пластичны при пониженных температурах. Сплав Мо+46—50 % Re деформируется пластично при температуре — 200 °С. Сплав W + 26—28 % Re имеет сравнительно высокую пластичность при температуре 20 °С ( риc. 14.7 ).

Рис. 14.7. Зависимость температуры перехода к хрупкому разрушению при различной степени легирования молибдена (а) и вольфрама (б) рением (минимальный радиус изгиба — радиус, равный числу толщин (s) металла, при котором разрушение происходит пластично)

Несмотря на высокие технологические свойства, в том числе хорошую свариваемость сплавов системы Mo—Re и W—Re, применение их в качестве конструкционных материалов затруднено дефицитностью и высокой стоимостью рения. Более перспективно применение рения для легирования металла шва при сварке сплавов на основе молибдена и вольфрама. Легирование рением металла шва при аргонодуговой сварке сплавов ВМ1, ЦМ2 и сплава ЦМ6 толщиной 1—4 мм существенно повышает пластичность и прочность сварных соединений. Их максимальная пластичность и прочность при температурах 20—1200 °С имеет место при концентрации 45—50 % Re в металле шва. При меньшем содержании рения в металле шва пластичность сварного соединения снижается.

На повышение пластичности металла шва, легированного рением, вероятно, оказывает влияние увеличение растворимости примесей внедрения и прежде всего углерода в сплаве и образование сложных карбидов, изменяющих характер распределения избыточных фаз, выделяющихся по границам зерен.

Особенности сварки тугоплавких металлов и сплавов

К тугоплавким относят металлы с температурой плавления выше, чем температура плавления железа (1535 °С). За исключением титана все тугоплавкие металлы относятся к редким элементам. Однако их применение в технике быстро расширяется в связи с ценными свойствами. Наиболее тугоплавкими являются вольфрам, рений, тантал и осмий. В качестве жаропрочных наибольшее применение имеют сплавы на основе ниобия, тантала, молибдена, вольфрама. Показателями свариваемости тугоплавких металлов являются:

а) активность по отношению к атмосферным газам как в расплавленном, так и в твердом состояниях при повышенных температурах;

б) сопротивляемость образованию технологических трещин и трещин замедленного разрушения;

в) чувствительность к теплофизическому воздействию сварочного процесса, которая определяется, склонностью к росту зерна, протеканием структурных и фазовых превращений при охлаждении и старении, неоднородностью свойств соединения; г) чувствительность к образованию пор;

д) соответствие свойств сварных соединений эксплуатационным требованиям. Свариваемость тугоплавких металлов определяется: а) химической активностью; б) растворимостью примесей внедрения и чувствительностью к ним; в) типом кристаллической решетки, полиморфизмом; г) типом и степенью легирования; д) теплофизическими свойствами.

Главным технологическим требованием при сварке тугоплавких металлов является изоляция от атмосферы расплавленного металла и металла, нагреваемого в процессе сварки до температур начала его реакции с газами; для этого следует использовать инертные газы высокой чистоты (аргон высшего сорта по ГОСТ 10157–73, гелий по ВЧ МРТ4 51-04–65) или вакуум при давлении не выше 310 -4 мм рт. ст. Наряду с защитой необходима тщательная подготовка деталей под сварку: зачистка (не допускаются расслоения, заусенцы и другие дефекты), травление для удаления поверхностных окислов, промывка, сушка, обезжиривание, обезвоживание. Наряду с металлом необходимо очищать и обезвоживать сварочные приспособления и инструменты. В связи с высокой чувствительностью тугоплавких металлов и особенно сплавов к термическому циклу (склонность к росту зерна, перегреву, структурным превращениям с образованием промежуточных фаз) сварку нужно производить на режимах, обеспечивающих оптимальные свойства и формирование соединения.

Для соединения тугоплавких металлов применяют преимущественно сварку плавлением: дуговую в среде инертных газов (в камерах и со струйной защитой); электронно-лучевую, вакуумно-дуговую, полым катодом, лазерную; под флюсом (для титана). Для некоторых изделий используют контактную сварку, диффузионную, ультразвуковую, взрывом, трением, холодную давлением, химическим осаждением металла из жидкой фазы. В отличие от сталей ручная дуговая сварка жаропрочных металлов покрытыми электродами не нашла широкого применения в связи с высокой активностью и чувствительностью к примесям большинства этих металлов.

Технологичность сварных конструкций.

Требования к технологичности конструкции учитываются при проектировании сварных конструкций. Технологичностью называется такой подбор конструкции заготовки, который обеспечивает: а) простоту и удобство ее изготовления применяемыми в технике способами сварки при различных режимах; б) применение высокопроизводительных способов сварки; в) автоматизацию и механизацию наибольшего количества операций процесса сварки; г) низкую себестоимость и высокое качество изготовления сварной конструкции за счет повышения производительности труда и механизации операций, экономии сварочных материалов, обеспечения минимального уровня искажений формы под влиянием тепловых и механических воздействий.

Технологичность сварной конструкции достигается за счет соответствующего выбора металла и формы свариваемых элементов, типа сварного соединения, способов сварки и применения мероприятий по снижения сварочных напряжений и деформаций.

Выбор материала.

Выбор металла осуществляется с учетом не только его эксплуатационных свойств, но и свариваемости или возможности применения технологических мероприятий, обеспечивающих хорошую свариваемость изготавливаемой конструкции. При проведении сварки металл испытывает термические, механические и химические воздействия, что приводит к изменению состава, структуры и свойств различных зон основного металла вблизи сварного шва. В связи с этим механические и эксплуатационные свойства металла в зоне сварного шва могут отличаться от таких же свойств основного металла.

Чтобы свойства сварного шва не отличались от свойств основного металла, при проектировании необходимо выбирать металлы, имеющие хорошую свариваемость. Такими металлами являются спокойные низкоуглеродистые стали, многие низколегированные стали, некоторые сплавы цветных металлов, при использовании которых не вводятся ограничения на вид и режим сварки.

При использовании металлов с пониженной свариваемостью неблагоприятные изменения свойств металла сварного шва минимизируются за счет применения способов и режимов сварки, оказывающих наименьшее термическое, механическое и химическое воздействия на металл. Кроме того, следует проводить технологические мероприятия, уменьшающие влияние на металл сварочных воздействий, например, подогрев, принудительное охлаждение и т.д.

Выбор типа соединения и формы свариваемых элементов.

Выбор типа сварного соединения и геометрических параметров шва ведется в зависимости от способа сварки, толщины свариваемых деталей и условий эксплуатации конструкции.

Стыковые соединения (рис. 19.1 а) отличаются высокой прочностью, как при статических, так и динамических нагрузках. Их применяют для сварки элементов из листового материала, а также угловых профилей, швеллеров и двутавровых балок.

Рис.19.1 Типы сварных соединений:

а — стыковые; б — угловые; в — тавровые; г — нахлестанные; д — торцовые; 1—20 — номера по порядку (не по ГОСТу); d — диаметр точечного шва

Тавровые соединения (рис. 19.1 в) применяется при изготовлении балок, стоек, колонн, каркасов зданий и др. пространственных конструкций. Если конструкции при работе не испытывают знакопеременных и ударных нагрузок, то сварные соединения следует вести с разделкой кромок.

Соединение внахлестку (рис. 19.1 г) применяют при сварке листовых конструкций, разного рода обшивок, строительных ферм и др. решетчатых конструкций. Такие соединения менее и прочны по сравнению со стыковыми при знакопеременных и ударных нагрузках, требуют повышенного расхода металла. Однако отличаются простотой сборки под сварку и не требуется разделка кромок. Эти соединения выполняют чаще всего фланговыми швами. Длина шва обычно не превышает 50 К (К – катет шва).

Угловые соединения (рис. 19.1 б) представляют собой частный случай тавровых. Их, как правило, применяют в качестве связующих элементов.

Точечные соединения выполненные контактной точеч­ной сваркой, применяют чаше всего в листовых изделиях толщиной стенки до 20 мм, для сварки арматурных стержней. Конструкция точечного соединения определяется числом рядов, диаметром точек dT (мм), значения которых выбирают в зависимости от толщины соединяемых листов S (мм). При S  3 мм dT=1,2S+4 мм. При S  3 мм dT=1,5S+5 мм, а также шагом t=3dT мм, расстоянием от центра точки до края листа в направлении действующей силы t1=2dT мм, расстоянием от центра точки до края листа в направлении, перпендикулярном к действующей силе t1=1,5dT мм и расстоянием между точками .

Выбор способа сварки.

Способ сварки выбирается в зависимости от размера и формы соединяемых элементов, расположения швов в соединении, физико-химических свойств свариваемых металлов, возможности механизации и автоматизации сварочных операций.

Выбор режима сварки. Режим сварки – совокупность параметров процесса сварки, обеспечивающих получение швов заданных размеров, формы и качества. Режим сварки выбирается в зависимости от способа сварки, типа соединения, формы разделки кромок, толщины металла или катета углового шва, а также условий эксплуатации конструкции.

Для ручной дуговой сварки основными параметрами режима сварки являются: диаметр электрода (dЭ, мм), сила сварочного тока (IСВ, А) и скорость сварки ( VСВ, м/ч)

Диаметр электрода выбирают в зависимости от толщины свариваемого металла (табл. 19.1).

Сварка тугоплавких металлов и сплавов

Трудности при сварке тугоплавких металлов Ti, Zr, Mo, Nb и других связаны с тем, что они при нагреве интенсивно поглощают газы — кислород, водород и азот. При этом даже незначительное содержание газов приводит к резкому снижению пластических свойств этих металлов.

Титан и его сплавы сваривают в защитной атмосфере аргона высшего сорта. При этом дополнительно защищают струями 1 и 2 аргона корень шва и еще не остывший до температуры 350 °С участок шва 3 (рис. 11). Перед сваркой проволоку и основной металл дегазируют путем отжига в вакууме. Допустимое количество газов в швах составляет Н2 < 0,01 %, О2 < 0,1 % и N2 < 0,05 %. При большем содержании газов снижается пластичность металла сварных соединений, кроме того, титановые сплавы становятся склонными к образованию холодных трещин. Ответственные узлы сваривают в камерах с контролируемой аргонной атмосферой, в том числе и обитаемых, в которых сварщики работают в скафандрах.

Для сварки титана и его сплавов также применяют плазменную и электронно-лучевую сварку.

Цирконий весьма близок по свариваемости к титану. Поэтому его сваривают по аналогичной технологии.

Молибден и ниобии и их сплавы более чувствительны к насыщению газами, чем титан, особенно кислородом. При содержании кислорода более 0,01 % их пластические свойства резко снижаются. Молибден и ниобий и их сплавы сваривают дуговой сваркой в камерах с контролируемой аргонной атмосферой или электроннолучевой сваркой в вакууме.


Рисунок 11. Горелка с удлиненной насадкой для аргонодуговой сварки титана

Сварка давлением

Сущность сварки давлением заключается в образовании неразъемного соединения за счет образования межатомных сил связи при сближении свариваемых материалов на расстояние действия этих связей. Как правило, при сварке давлением не происходит расплавления свариваемых кромок материала. Металл при местном нагреве доводится до пластического состояния и затем пластически деформируется, образовывая сварное соединение.

К сварке давлением относят электроконтактную сварку, сварку трением, взрывом, ультразвуковую сварку, холодную сварку и др.

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ КОНТАКТНАЯ СВАРКА

Электрическая контактная сварка является одним из наиболее часто применяемых способов сварки давлением. Контактная сварка выполняется без применения флюсов, т.к. нагрев электрическим током протекает быстро и воздействие кислорода воздуха на соединяемые поверхности невелико.

При электроконтактной сварке нагрев осуществляется пропусканием электрического тока достаточной силы через место соединения. Изделия, нагретые электрическим током до расплавления (в месте контакта) или пластического состояния, механически сдавливаются или осаживают, что обеспечивает сближение атомов на расстояние действия межатомных сил связи.

Контактная сварка является одним из высокопроизводительных способов сварки; она легко поддаётся механизации и автоматизации, вследствие чего ее широко применяют в машиностроении и строительстве.

Количество выделяемой теплоты определяется законом Джоуля - Ленца:

Q = 0,24 ∙ R ∙ I 2 ∙ τ

где Q - количество теплоты, выделяемое током в сварном контуре,

R - полное сопротивление сварного контура. Ом ;

τ - время протекания тока, сек ;

I - сварочный ток, А.

По форме выполняемых соединений различают три основных вида контактной сварки стыковую, точечную и шовную или роликовую.

Стыковая сварка (рис. 10) - вид контактной сварки при которой заготовка сваривается по всей поверхности соприкосновения. Её разделяют на сварку плавлением и сварку давлением, т.е. разогрев концов заготовок до пластического состояния.

Свариваемые детали 3 и 7 ( рис. 10) помещают между зажимами 4 и 6, подключенными к трансформатору 8. Зажим 4 - подвижный. При соприкосновении деталей 3 и 7 включается ток и создаётся усилие в течение некоторого времени. Этим способом свариваются стержни диаметром до 400 мм, а также : квадратный профиль, трубы, уголки, двутавры и т.д.

При точечной сварке заготовки из тонкого листового металла соединяются внахлёстку.

Метод точечной сварки состоит в нагреве свариваемых деталей при прохождении тока от одного электрода через детали к другому (рис. 11). Происходит быстрый нагрев и расплавление металла в зоне соединения с образованием "ядра" сварочной точки, имеющей чачевнцеобразную форму размером - 2-12 мм. Параметры режима сварки: плотность, тока от 120 до 360 А/мм 2 , усилие сдавливания на электродах от 4 до 10 кг/мм 2 ,


Рис. 10 -Стыковая сварка


Pиc. 11 - Точечная сварка

время протекания тока от 0.001 до 0.1 с.

Точечной сваркой сваривают детали из углеродистой и нержавеющей стали, из алюминия, меди и её сплавов, а также из ультратонкого металла толщиной до 0.1 мм. Обычно толщины свариваемых металлов составляют 0.5-5 мм. Точечная сварка широко используется для изготовления штампосварных соединений (например, кузов автомобиля).


Рас. 13 - Шовная или роликовая сварка

Шовная или роликовая сварка является разновидностью точечной сварки, при которой точки ядра перекрывают одна другую и создают сплошной шов (рис. 13). При шовной сварке электродами являются ролики (медные, водоохлаждаемые ), относительно которых перемещаются расположенные внахлестку детали. Свариваемые листы имеют толщину в среднем 0.3-3 мм. Шовную сварку так же как и точечную, можно выполнять при одностороннем и двухстороннем расположении электродов.

Роликовая сварка осуществляется при переменном токе силой 2000-5000 А. Диаметр роликов равен 40-350 мм; усилие сжатия свариваемых деталей роликами достигает 0,6 т; скорость сварки равна 0,5 -3,5 м/мин.

Шовная сварка применяется в массовом производстве при изготовления различных сосудов и труб.

Читайте также: