книги / Сварка и свариваемые материалы. Свариваемость материалов

Т А Б Л И Ц А 26.2

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛУФАБРИКАТОВ ИЗ СПЛАВА

(по массе), при комнатной температуре не превышает 0,1 %, растворимость А1 в Be при температуре 648°С находится на уровне 4—5% (по массе). Таким образом, в жидком состоянии Be и А1 полностью взаимно раство­ римы. В твердом состоянии практически все сплавы этой системы пред­ ставляют собой смесь двух фаз, являющихся при комнатной температуре

струкционных материалов, так как бериллий с подавляющим большинством элементом (за исключением кремния) образует хрупкие интерметаллиды, препятствующие получению более пластичных по сравнению с чистым бе­ риллием сплавов.

А1 — Be сплавы получают как по металлокерамической технологии с ис­ пользованием смесей порошковых компонентов, так и путем сплавления и отливки слитков. Промышленное применение нашли сплавы с дополнитель­ ным легированием алюминиевой матрицы магнием. Такие сплавы обладают

мыми алюминиевыми, магниевыми и титановыми сплавами. Наилучшими свойствами обладают сплавы с содержанием Be 40—45 %. Примером может служить промышленный сплав АБМ-1 (ТУ 95.238—80). Свойства сплава при­ ведены в табл. 26.2.

26.3. Свариваемость бериллия и его сплавов

При сварке бериллия методами плавления возникает ряд труд­ ностей, которые ограничивают области их применения. В связи с хрупкостью бериллия и его высокой химической активностью по отношению к примесям-газам швы весьма склонны к обра­ зованию пор, холодных и горячих трещин. Дополнительные за­ труднения создает большая склонность Be к росту зерен при

нагреве.

Кроме этого, необходимо учитывать, что наиболее высокими свойствами обладает горячепрессованный Be в деформирован­ ном 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 А1 — Be сплавов возникают в связи с существованием химической неоднородности в зоне термического влияния (рис. 26.1). Наличие ее связано с воз­ никновением под действием термического цикла сварки протяженого (4—6 мм) участка твердо-жидкого состояния материала [3, 4]. В этой зоне происходят как изменения макрообъемов, за­ ключающиеся в увеличении сечения в зоне термического влия­

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. Разру­ шение, как правило, инициируется наличием в зоне термиче­

26.4. Технология сварки и свойства соединений

26.4.1. Аргонодуговая и электронно-лучевая сварка бериллия

Дуговую сварку бериллия осуществляют в камерах с контроля руемой 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 проплав­ лением 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 равнопроч­ ные с основным металлом сварные соединения, а тем более близкие с ними по пластичности.

26.4.2. Диффузионная сварка бериллия

Многие сложности сварки плавлением устраняются при ис­

рячепрессованных и выдавленных материалов существует мак­ симум прочности сварных соединений в области температур на­ грева 900—1000 °С.

В табл. 26.3 приведены некоторые результаты диффузион­ ной сварки Be. На оптимальных режимах сварки достигаются свойства соединения, равные свойствам основного металла. Обязательным условием получения качественного соединения является тщательная подготовка соприкасающихся поверхно­ стей, заключающаяся в удалении окисного слоя и снижении пу­ тем полировки шероховатости поверхностей до минимума.

Для сохранения чистоты соединяемой поверхности и умень­ шения влияния поверхностной шероховатости используют про­ межуточную металлическую прослойку. В качестве промежу­ точной прослойки рекомендуется использовать серебро. Так как серебро не образует стабильного оксида, его можно нанести заблаговременно на детали либо электролитически, либо осаж­

стигаются при температуре нагрева 150—200°С и давлении сварки ~ 70 МПа. Толщина прокладок из серебра имеет опти­ мум в диапазоне 15—50 мкм. Для более толстых прослоек проч­ ность при растяжении непосредственно связана со свойствами серебра. Когда толщина прослойки уменьшается, прочность при растяжении этих соединений увеличивается из-за сдержи­ вания пластического течения. Для очень тонких промежуточных слоев на площади контакта начинают сказываться чистота и гладкость поверхности, поэтому прочность при растяжении су­ щественно снижается.

Используя промежуточные прокладки, осуществляют диф­ фузионную сварку Be со сталью и Ti.

26.4.3. Аргонодуговая и электронно-лучевая сварка сплавов

Алюминиево-бериллиевые сплавы толщиной до 3 мм свари­ ваются обычно аргонодуговой сваркой. Существует достаточно узкий диапазон скоростей сварки (18—24 м/ч), соответствую­ щий оптимальному сочетанию благоприятных условий формиро­ вания шва с удовлетворительными механическими свойствами и минимальной химической неоднородностью по Be в зоне тер­ мического влияния.

Для соединения А1—Be сплавов толщиной более 5 мм эф­ фективно применение метода электронно-лучевой сварки. Каче­ ство формирования шва и свойства сварных соединений в зна­ чительной степени зависят от плотности мощности электронного луча и состава свариваемого сплава.

При низких уровнях плотности мощности, обеспечивающих проплавление на уровне 2—3 мм, практически на всех сплавах удается получить удовлетворительное формирование шва. При увеличении плотности мощности и соответственно глубины про­ плавления на большой группе сплавов наблюдается ухудшение формирования шва, заключающиеся в выбросе жидкого ме­ талла из сварочной ванны на кромки свариваемых пластин, что приводит к образованию специфического дефекта в виде про­ дольной полости или «реза».

Причиной появления подобных дефектов является перегрев содержащегося в сплаве магния выше точки кипения. Подоб­ ный перегрев приводит к объемному парообразованию, вскипа­ нию и выбросу расплава. Наличие Be в сплаве при кристалли­ зации резко повышает его вязкость, что затрудняет формиро­ вание шва [5].

Подобные процессы происходят не на всех А1—Be—Mg сплавах, а только на тех, у которых не соблюдается критиче­

Существование предела по концентрации в сплаве магния сводит мероприятия по предупреждению дефектов к двум воз­ можным вариантам: 1— использованием для узлов, в которых предусматривается электронно-лучевая сварка сплавов с содер­ жанием Mg меньше критического; 2 — искусственное снижение концентрации Mg ниже критической только в зоне взаимодей­ ствия электронного луча со свариваемым материалом для спла­ вов с содержанием Mg выше критического.

Рис. 26.2. Влияние содержания бериллия на крити­ ческую концентрацию магния в свариваемых алюминийбериллиймагниевых сплавах:

/ — с дефектами; 2 — без дефектов

Рис. 26.3. Влияние доли участия алюминиевой при­

/ - 6 % ; 2 - 3 % ; 3 - 4 % ; 4 - 0 % .

Второй вариант реализуется за счет использования прокла­ док, располагаемых в стыке соединения. Дозировка критиче­ ского содержания магния в этом случае осуществляется как за счет доли участия основного металла в объеме сварочной ванны, так и за счет содержания магния в прокладке (рис. 26.3). В качестве прокладок рекомендуются стандартные алюминиевые сплавы. Основным условием является минималь­ ное содержание в них, а лучше полное отсутствие легкоплавких элементов (Mg, Mn, Zn, Li).

Использование прокладок является необходимым, но не до­ статочным условием получения качественных соединений. Для устранения внутренней пористости и несплошностей необходимо применение продольно-поперечных колебаний электронного луча. Частота продольных колебаний составляет 50—100 Гц, амплитуда 3—4 мм; частота поперечных колебаний 200—300 Гц,

амплитуда 1,5—2,0 мм.

Механические свойства электронно-лучевых сварных соеди­ нений представлены в табл. 26.5. Использование легированных присадок (АК-8, Д20) позволяет получать прочность на уровне 0,8—0,9 от прочности основного металла при повышенной пла­ стичности. Введение в шов дополнительных легирующих эле-

неустойчивый гидрид СиН, с углеродом образует взрывоопасную ацетиленистую медь СигС2, с азотом практически не реагирует, что позволяет исполь­

за счет обменных реакций с компонентами флюсов и электродных покрытий. На рис. 27.1 приведена диаграмма состояния Си—О. При низких тем­ пературах растворимость О в твердой Си мала и резко возрастает в жидкой Си за счет образования СигО, которая при затвердевании выделяется в виде эвтектики Си—Си20 , располагаясь по границам кристаллитов. При рассмот­ рении под микроскопом Си20 имеету голубоватую окраску в рассеянном свете и рубиново-красную в поляризованном, что является ее характерной особен­ ностью, СигО, как отдельная фаза легко восстанавливается до меди по ре­

акциям:

СиаО + 2 [Н] =*= 2Cu + Н20 , СиаО + СО*±2Си + СОа.

Газы, образующиеся в результате этих реакций, в меди не растворя­ ются и, создавая большие давления, приводят к образованию трещин, воз­ никает 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 раство­ рима в твердой. Содержание S в Си регламентируется ГОСТ 859—78 и ее

Взаимодействие с водородом. Водород влияет на качество сварных сое­ динений из Си и ее сплавов, вызывая пористость в металле шва и образо-

ванне трещин. Водород растворяется в Си в соответствии с законом Сивертса и его растворимость зависит от температуры и парциального давле­

поры или концентрируясь в микронесплошностях, создает высокое давление, приводящее к зарождению трещины. При сварке не исключена возможность образования дефектов в результате термической диффузии Н из основного металла к шву. Концентрируясь вблизи линии сплавления, Н создает по­ ристость в околошовной зоне. Поэтому при сварке ответственных изделии 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 значительно снижают содержание Н в Си.

27.2. Основные марки, структура и механические свойства сплавов меди

Чистая медь в соответствии с ГОСТ 859—78 выпускается девяти марок: МООбк, МО. МОб. M l, M lp, М2, М2р, М3, М4, содержание меди в которых меняется от 99,99 % (МООбк) до 99,0 % (М4).

Основными типами сплавов на основе меди являются латуни и бронзы. Латуни это медноцинковые сплавы, обладающие высокими механиче­ скими и технологическими свойствами. Химический состав латуней опреде­ ляется ГОСТ 15527—70 и ГОСТ 17711—80. Марка латуни определяется по содержанию меди Латуни, содержащие Zn в пределах a -твердого раствора, т. е. до 39 % Zn, очень пластичны, хорошо свариваются и легко обраба­

и др., ухудшающие пластические свойства латуни.. Практическое применение имеют латуни, содержащие до 50 % Zn. Специальные латуни, кроме Zn, содержат Fe, Al, Si, Ni и другие компоненты (ЛА77-2, ЛАЖ60-1-1 и т. д.). Алюминий уменьшает летучесть цинка, образуя на поверхности расплавлен­ ной латуни защитную пленку из оксида алюминия. Железо задерживает ре­ кристаллизацию латуней и измельчает зерно, повышая механические и тех­ нологические свойства сплава. Кремний улучшает свариваемость латуней.

Бронзы представляют собой сплавы Си с содержанием Zn не более 4— 5%. Основными легирующими компонентами являются Sn, Al, Mn, Si, Be, Fe и другие элементы. Название бронзы дается по основному легирующему компоненту. Бронзы делятся на две большие группы: оловянные бронзы, химический состав определяется ГОСТ 18175—78, ГОСТ 5017—74, ГОСТ 613—79, и безоловянные бронзы, не содержащие олова, химический состав определяется ГОСТ 493—79, ГОСТ 18175—78.

27.3.Свариваемость меди и ее сплавов

27.3.J. Особенности свариваемости

Общие вопросы свариваемости [2] определяются влиянием тер­ мического 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 тем­ ператур 350—450°, который для чистой меди обычно не реги­ стрируется.

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 опре­ деляют малое время существования сварочной ванны, что тре­ бует применения повышенной погонной энергии или предвари­ тельного подогрева, а это является нежелательным осложне­ нием технологии сварки. Значительный коэффициент линейного расширения и его зависимость от температуры вызывают необ­ ходимость сварки при жестком закреплении кромок или по прихваткам. При большой толщине металла следует регулиро­ вать величину зазора при сварке. Малое время существования сварочной ванны в жидком состоянии ограничивает возможно­ сти ее металлургической обработки. В частности, при раскисле­ нии меди требуются более активные раскислители, чем при сварке сталей.