Материал: Сварка и свариваемые материалы. Свариваемость материалов

(объемн.) Ог, снизилось в два раза и практически достигло уровня его в исходном металле [2]. Крупнозернистая структура металла шва, особенно на технически чистых металлах, явля­ ется причиной значительного снижения предела его выносливо­ сти по сравнению с деформированным и отожженным основным металлом. Как чистые металлы, так и их сварные швы весьма пластичны и не чувствительны к надрезу и трещине. При испы­ таниях на трещиностойкость развитию трещины в швах пред­ шествует значительная локальная пластическая деформация.

Свариваемость сплавов с твердорастворным упрочнением на основе металлов VA группы зависит от количества и вида легирующих компонентов. В принципе увеличение количества легирующих элементов приводит к упрочнению твердого рас­ твора и некоторому снижению пластичности и ухудшению сва­ риваемости. Однако большее значение имеет элементный состав сплава.

Удовлетворительную свариваемость имеют сплавы тантала, содержащие менее 13 % (ат.) легирующих элементов. Очевидно, такое ограничение как для ниобиевых, так и Для танталовых сплавов относится к элементам, которые наиболее эффективно упрочняют твердый раствор (W, Мо), так, например, сплав со­ става Та — 30% Nb — 7,5% V сваривается удовлетворительно, а сплавы Та — 12,5 % W и особенно Та — 17 % W обладают пло­ хой свариваемостью; швы этих сплавов при комнатной темпера­ туре хрупкие, а сплав Та — 17 % W склонен к образованию го­ рячих трещин при сварке.

Отличительной особенностью сплавов с твердорастворным упрочнением является их нечувствительность к изменению пара­

Наличие ячеистой субструктуры приводит к увеличению об­ щей протяженности границ, что влияет на особенность распро­ странения трещины и разрушение при испытаниях на трещино­ стойкость и ударный изгиб. Поэтому, как правило, ударная вяз­ кость металла шва несколько выше вязкости ЗТВ.

Легирование сплавов VA группы карбидообразующими эле­ ментами (Ti, Zr, Hf) способствует выделению в швах дисперс­ ных карбидных фаз, располагающихся по границам зерен шва и ЗТВ. Выделяющая фаза приводит к снижению пластичности сварных соединений. Гомогенизация структуры швов происхо­ дит при рекристаллизационном отжиге, снижающем темпера­ туру вязкохрупкого перехода.

Механические свойства сварных соединений сплавов с твер­ дорастворным упрочнением находятся на высоком уровне

(табл. 31.11).

В отличие от чистых металлов и сплавов с твердорас­ творным упрочнением дисперсионно-упрочненные и комплексно-

легированные сплавы весьма чувствительны к термическому циклу сварки. При большом тепловложении в случае сварки на повышенной погонной энергии возрастает прочность шва и сни­ жается его пластичность и ударная вязкость. Такое поведение этих сплавов можно объяснить процессами старения, которые начинают развиваться непосредственно при охлаждении шва [10]. При увеличении скорости охлаждения (сварка на больших скоростях) уменьшается количество выделяющейся в шве лластинчатой карбидной фазы, которая является местом локали­ зации остаточных напряжений.

Последующая термическая обработка, способствующая коа­ гуляции и глобулизации пластинчатых выделений, частичному растворению метастабильных карбидов и выделению мелко­ дисперсных стабильных карбидов типа (Nb, Zr)C, (Та, Hf)C, приводит к повышению пластичности и вязкости сварных сое­ динений. Оптимальными режимами термообработки являются:

для сплава Nb — 5 % W — 2,0 % Mo — 1 % Zr — 0,1 % С (М Ц У )-

ходим предварительный подогрев для предотвращения образо­ вания горячих трещин.

Трещины возникают на стадии первичной кристаллизации и развиваются при дальнейшем остывании металла. Горячие трещины обусловлены междендритными жидкими прослойками и остаточными напряжениями. В ниобиевых сплавах образова­ ние трещин зависит от соотношения концентрации легирующих

весьма распространенным явлением. Поры располагаются пре­ имущественно по линии сплавления и имеют сферическую замк­ нутую форму. Они не оказывают существенного влияния на гер­ метичность швов и их механические свойства, но могут сущест­ венно увеличивать скорость коррозионного растрескивания. По­ явление пор объясняют присутствием в основном металле ак­ тивных примесей и реакциями взаимодействия углерода с кис­ лородом или оксидами. Существенное влияние на образование пор оказывают дефекты обработки торцов свариваемых кромок.

Полностью устранить подобные дефекты можно, применяя различные способы сварки давлением. Систематические иссле­ дования свариваемости тугоплавких металлов при сварке дав­ лением позволили выявить критерий их свариваемости вхолод­ ную, определяемый соотношением их упругих констант (B/G > >2,5) или величиной коэффициента Пуассона р>0,32 [7]. Все чистые металлы VA группы удовлетворяют этому критерию и могут быть сварены вхолодную. Это подтверждается экспери­ ментально; степень деформации, необходимая для образования прочного соединения этих металлов, находится на уровне 80— 85%. Заметное снижение деформации при сварке давлением наблюдается при температуре начала диффузионной подвижно­

сти ( ~0,25 Т„п).

Свариваемость при сварке давлением определяется в основ­ ном процессами очистки поверхности и образования физического контакта и в меньшей степени зависит от химического состава и наличия примесей внедрения. Некоторое влияние на сваривае­ мость оказывает исходное состояние материала. Предваритель­ ный наклеп способствует снижению деформации схватывания и скорейшему образованию общих зерен на исходной границе раздела.

Наибольшее распространение получила диффузионная сварка,

поверхностях оксидные пленки и адсорбированные газы уда­ ляются при Нагреве в основном за счет их растворения в мат­ ричном металле [6]. Равнопрочные соединения формируются в довольно широком диапазоне изменения параметров режима.

В работе [9] отмечается возможность сварки ниобия при темпе­ ратуре 900 °С. Процессы рекристаллизации оказывают суще­ ственное влияние на свариваемость тугоплавких металлов. Пер­ вичная рекристаллизация по границе раздела способствует гомогенизации структуры и повышению свойств сварных со­ единений. Собирательная же рекристаллизация приводит к ро­ сту зерен и существенно повышает переходную температуру 7V Сплавы на основе металлов VA группы удовлетворительно сва­ риваются точечной и шовной контактной сваркой переменным током и конденсаторной сваркой.

Некоторые трудности возникают при стыковой сварке ниобиевых сплавов. Соединения получаются хрупкими вследствие искривления исходной текстуры. При сварке оплавлением вы­ соколегированных сплавов часто образуются трещины.

31.2.3. Свариваемость сплавов на основе хрома, молибдена и вольфрама

С учетом специфики металлов VIA подгруппы и сплавов на их основе под свариваемостью этих материалов следует подра­ зумевать прежде всего возможность получения бездефектных сварных соединений с достаточным уровнем низкотемператур­

разделить на три группы. В первую группу следует отнести про­ блемы, обусловленные металлургическими и физическими осо­ бенностями сплава, которые определяются в основном его хи­ мическим составом. Особое внимание следует уделить приме­ сям, образующим с хромом, молибденом и вольфрамом твер­ дые растворы внедрения.

Ко второй группе вопросов свариваемости тугоплавких ме­ таллов относятся структурное состояние основного металла и его взаимосвязь с механическими характеристиками и низко температурной пластичностью сварного соединения. При этом необходимо рассматривать не только зеренную структуру, но также механическую и кристаллографическую текстуру исход­ ного материала.

И наконец, третья группа вопросов связана с технологией сварки. Она включает факторы, в значительной степени влияю­ щие на качество сварных соединений и в первую очередь их температуру хладноломкости: способ и режим сварки, состав защитной газовой атмосферы, методы подготовки свариваемых кромок и др.

Благодаря особым физическим свойствам металлов VIA подгруппы — высокая температура плавления, большая тепло­ проводность и объемное теплосодержание — при их сварке плавлением требуются повышенные тепловложения и примене­ ние концентрированных источников нагрева.