Сварка тугоплавких металлов и сплавов на их основе – 2 часа

 

1. Свойства сплавов на основе ванадия, ниобия, тантала, хрома, молибдена, вольфрама и циркония.

2. Особенности сварки тугоплавких металлов и их сплавов.

3. Технология сварки тугоплавких металлов и сплавов.

3.1. Сварка сплавов на основе хрома, молибдена, вольфрама.

3.2. Сварка сплавов на основе ванадия, тантала, ниобия и циркония.

 

1. Свойства сплавов на основе ванадия, ниобия, тантала, хрома, молибдена,

вольфрама и циркония

Плотность и температура плавления

Элемент	Zr	Cr	V	Nb	Mo	Ta	W
r, кг/м3	6510	7190	6100	8550	10220	16600	19350
Тпл, оС	1855	1875	1950	2468	2620	2996	3395

 

    Все чистые тугоплавкие металлы не претерпевают полиморфных превращений и имеют объемно-центрированную кубическую решетку.

Хром имеет высокую упругость пара (давление насыщенного пара в вакууме), что затрудняет его ЭЛС. Хром и его сплавы отличаются высокой окалиностойкостью, стойки в парах ртути, кальция и лития, и используются в жаропрочных, жаростойких и коррозионностойких сварных конструкциях.

Ванадий среди тугоплавких металлов имеет наибольшую удельную теплоемкость и скрытую теплоту плавления. Ванадий и его сплавы имеют высокую коррозионную стойкость в пресной и морской воде, в растворах кислот и солей, в жидкометаллических растворах натрия, калия. Их используют в сварных конструкциях ядерных реакторов, в химическом аппаратостроении и космической технике.

Ниобий при наименьшей плотности среди наиболее тугоплавких металлов является перспективным материалом авиационной и космической техники. Чистый ниобий имеет большую склонность к окислению при повышенных температурах. Сплавы ниобия применяются в сварных конструкциях ядерных реакторов и оборудования, работающего с жидкими теплоносителями.

Молибден имеет малый температурный коэффициент расширения, хорошую термостойкость и высокую теплопроводность. Молибден и его сплавы имеют плохую окалиностойкость и склонны к переходу из вязкого в хрупкое состояние под действием термического цикла сварки (границы зерен насыщены примесями), что затрудняет его использование в сварных конструкциях. Молибден и его сплавы применяются в авиационной и ракетно-космической технике, химическом аппаратостроении, а также при изготовлении деталей и узлов электрических вакуумных печей.

Тантал обладает температурой перехода из вязкого в хрупкое состояние ниже 77К. Тантал плохо упрочняется наклепом. При температуре до 597^оС имеет высокую коррозионную стойкость из-за наличия Та₂О₅ и хорошо сопротивляется действию кислот, даже царской водки. Сплавы тантала жаростойки и применяются в электротехнике, электронике, химическом машиностроении, в ядерной и космической технике.

Вольфрам – самый тугоплавкий металл. На физические и механические свойства вольфрама сильно влияют примеси: O, N, C, Fe, P, Si. Они повышают температуру перехода в хрупкое состояние. Технически чистый вольфрам хрупок при комнатной температуре. С повышением температуры пластичность увеличивается и становится наибольшей при Т » 1500^оС. Большая склонность вольфрама к хрупкому разрушению ухудшает его свариваемость. Вольфрам имеет низкую сопротивляемость окисления. На воздухе он устойчив до 400^оС. При более высоких температурах вольфрам интенсивно реагирует с газами (кроме инертных и водорода). Кислоты (кроме плавиковой и азотной) на вольфрам не действуют. Вольфрам и сплавы используют в деталях и узлах ракетной техники, в атомной и оборонной промышленности.

Цирконий интенсивно окисляется на воздухе начиная с 250^оС. Обладает высокой коррозионной стойкостью в морской воде. Имеет малое сечение захвата тепловых нейтронов. Цирконий и его сплавы применяют в химическом аппаратостроении, при изготовлении ТВЕЛов, узлов ядерных реакторов и энергетических установок на медленных нейтронах.

 

2. Особенности сварки тугоплавких металлов и их сплавов

 

    Затруднения при сварке:

    – повышенная температура плавления и другие теплофизические свойства;

    – химическая активность к газам и другим элементам при высоких температурах;

    – чувствительность к примесям внедрения и резкое охрупчивание под действием их весьма малой концентрации;

    – склонность к росту зерна при высоких температурах;

    – наличие фазовых превращений под воздействием термического цикла сварки (фазы образуются при взаимодействии металла с примесями), что приводит к охрупчиванию сварного соединения.

    Из-за данных особенностей для тугоплавких металлов не применимы общеупотребительные способы сварки плавлением (РДС, под флюсом, а также сварка в защитных газах со струйной защитой на воздухе).

    Для данных металлов и сплавов используют ЭЛС и дуговую сварку с общей защитой всего соединения в камерах с контролируемой атмосферой.

    Основные мероприятия, необходимые при сварке тугоплавких металлов в камерах с контролируемой атмосферой:

    – использование высокочистых исходных материалов;

    – обеспечение надежной защиты зоны сварки и остывающих участков металла, что достигается высокой степенью очистки аргона и гелия;

    – особо тщательная подготовка изделий под сварку: механическая обработка кромок или их химическое травление (для удаления газонасыщенного слоя от предыдущей обработки), сушка, обезжиривание и обезвоживание, а также обезжиривание и обезвоживание инструмента и приспособлений и повышенная точность сборки;

    – использование режимов сварки, обеспечивающих минимальный рост зерна, и применение термической обработки после сварки;

    – рациональное конструирование сварочных узлов для получения улучшенного напряженного состояния в сварных соединениях.

 

3. Технология сварки тугоплавких металлов и их сплавов

3.1. Сварка сплавов на основе хрома, молибдена, вольфрама

 

    Для толщин более 3-4 мм используется, как правило, ЭЛС (для сплавов хрома она затруднена ® высокая упругость пара).

    Для толщин менее 3 мм используют аргоно-дуговую сварку неплавящимся вольфрамовым электродом в камерах с контролируемой атмосферой. Сварку ведут постоянным током прямой полярности (вольфрам варят на обратной полярности). При попадании капель вольфрама в шов образуются трещины и меняется пластичность. Сварку ведут, как правило, без присадки. При необходимости возможна аргоно-дуговая сварка в камерах с контролируемой атмосферой металла толщиной более 4 мм. Используют присадочную проволоку или фольгу того же химического состава, что и основной металл (для сплавов хрома возможно использование никелевой присадочной проволоки. При этом кромки деталей не расплавляют).

 

3.2. Сварка сплавов на основе ванадия, тантала, ниобия и циркония

 

    Используют ЭЛС и сварку в камерах с контролируемой атмосферой из аргона или гелия, плавящимся или неплавящимся электродом. Присадочный металл используют того же химического состава, что и основной металл.

    Ограниченное применение для сплавов на основе ванадия, тантала и ниобия находит сварка неплавящимся электродом со струйной защитой инертным газом на воздухе (качество соединения низкое).

    Цирконий и его сплавы хорошо свариваются неплавящимся электродом в инертном газе со струйной защитой. Прямая полярность. Технология сварки аналогична технологии сварки титана.

Лекция № 12

 

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться: