|
|
Влияние легирующих элементов на свариваемость сплавов.
Чистый никель не представляет трудностей при сварке, так как при его нагреве или охлаждении не происходит аллотропических превращений. Для электрического никеля уже даже следы примесей, которые создают с никелем легкоплавкие эвтектики (сера, кислород), могут приводить к тонким продольным трещинам в зоне термического влияния.
Главные легирующие элементы.
Медь. Медь создаёт с никелем непрерывный ряд твёрдых растворов. Оба металла образуют кубическую гранецентрированную решётку, имеют похожие атомные радиусы и постоянные решётки и находятся в периодической системе элементов рядом друг с другом (под камерами 28 и 29). Медь, которую добавляют в количестве от 15 до 40% (монель), не создаёт трудностей при сварке. Имеются также сплавы Cu - Ni, в которых медь является основным элементом (70/30 и 90/10) и которые при сварке ведут себя подобным образом. При сварке монеля следует учитывать ликвацию кристаллов, из-за чего может ухудшиться коррозийная стойкость. В этом случае рекомендуют последующую термообработку.
Если добавить алюминий в дисперсионно-твердеющий сплав (монель), то возникает, как для большинства стареющих сплавов, проблема снижения прочности.
Хром. Хром образует с никелем однофазные сплавы из твёрдых растворов с очень узким интервалом кристаллизации. Хром, как таковой, при сварке влияет, по-видимому, благоприятно. Однако при взаимодействии с другими элементами, прежде всего с кремнием, он способствует повышению склонности к образованию горячих трещин. Его высокое сродство с кислородом и азотом, с которыми он образует стабильные соединения, уменьшает возникновение пор. В присадочных материалах можно поэтому в присутствии хрома вообще отказаться от других элементов, связывающих газы. При сварке инконеля 625 и 718 руководствуются работой [101]. Речь идёт о высокожаропрочных супер сплавах [95].
Железо. Железо вводят для улучшения свойств никелевых сплавов. Трудности при сварке создаёт не само железо, а вносимые вместе с ним примеси, такие как сера, фосфор и кислород. В присутствии железа содержание углерода не должно превышать 0,1%.
Кобальт. Небольшое содержание кобальта (несколько десятых процента) не оказывает влияния на процесс сварки. Относительно его влияния, при более высоком содержании, на улучшение жаропрочности сплавов достаточных сведений пока не имеется. Вероятно, оно мало, если не происходят, как при наличии хрома и железа, вторичные явления в присутствии других элементов.
Молибден. Обычно содержание молибдена так высоко (хастеллой), что сплав может лежать в гетерогенной, а также в двухфазной области. Бинарные никелемолибденовые сплавы чувствительны к горячим трещинам. При отжиге сплавов Ni – Cr Mo при температуре 600 - 950°С происходят выделения по границам по границам зёрен, которые снижают коррозийную стойкость. Если эти явления происходят при сварке в зоне термического влияния, то необходимо проводить последующую термообработку (диффузионный отжиг при температуре > 1 150°С с последующей закалкой). При сварке Ni Mo 28 и Ni Mo 16 Cr 16 Ti руководствуются работой [73].
Второстепенные легирующие добавки.
Углерод. Обычное содержание углерода 0,01 – 0,15%. Трудности возникают только в области повышенных температур. Свободный углерод (в случае его наличия) переходит в зоне термического влияния в раствор и приводит, при быстром охлаждении, к образованию твёрдого раствора, пересыщенного углеродом. В интервале температур 315 - 760°С по границам зёрен затем выделяется графит, который ослабляет тонкую структуру, что может привести к местным трещинам или даже к разрушению детали. Вспомогательные мероприятия: С < 0,02% или стабилизация титаном.
В присутствии меди растворимость углерода при высоких температурах так сильно возрастает, что не происходит охрупчивания даже при его содержании до 0,2%. Только в том случае, если при сварке железо поглощается из основного металла, может произойти горячее растрескивание. Мероприятия: снижение С до < 0,1%.
В присутствии хрома, если только имеется немного таких стабилизаторов, как титан или ниобий, может произойти образование карбидов хрома и при этом местное обеднение хрома. Коррозийная стойкость, однако (в противоположность аналогичным явлениям в аустенитных сталях), ухудшается только в особо агрессивных средах. Соединение NiС существует только при температуре > 1 500°С и является очень нестойким.
Марганец. Обычное его содержание до 1%. Марганец практически не оказывает влияния на сварку. Посредством образования тугоплавкого сульфида марганца можно устранить вредное влияние серы.
Магний. Он, как и марганец, образует тугоплавкий сульфид. Вследствие низкой точки кипения (1 120°С) магний, содержащийся в присадочном материале, при дуговой сварке почти полностью испаряется, так что этот эффект нельзя использовать в наплавленном металле.
Наличие магния препятствует горячему растрескиванию в зоне термического влияния, вызываемому малым содержанием серы. Можно исключить вредное влияние серы на качество сварного шва введением таких элементов, как марганец, ниобий титан, алюминий, которые являются малолетучими и поэтому лучше переходят затем в наплавленный металл.
При газовой или WIG – сварке магний, наоборот, может успешно выполнить свою задачу, так как капли расплавленного присадочного материала не могут перемещаться в месте воздействия дуги.
Ниобий. Его добавляют в богатые никелем сплавы, чтобы противодействовать вредному влиянию кремния; требуемое количество зависит от соотношения никель – железо.
Кремний. Обычное содержание 0,1 – 4%. В большинстве сплавов кремний повышает склонность к образования горячих трещин, прежде всего при одновременном присутствии меди или хрома. Важную роль играет также выбранный способ сварки. Склонность к горячим трещинам особенно велика в наплавленном металле и меньше в зоне термического влияния. При наплавке возникает опасность горячих трещин, потому что кремний переходит из основного металла в наплавленный. Кремний способствует раскислению металла сварочной ванны.
Цирконий. Добавка циркония всего в десятые доли процента приводит к гетерогенной фазе, которая сильно повышает склонность сплава к горячим трещинам. По-видимому, это приводит к этентической реакции при температуре 1 090 – 1 150°С. Образование трещин происходит как в наплавленном металле, так и в зоне термического влияния. Никеле циркониевые сплавы считают, поэтому, не свариваемыми. Относительно соединений с помощью холодной и диффузионной сварок в настоящее время данные отсутствуют.
Алюминий. Его следует рассматривать, как сопутствующий полезный элемент за его воздействие как средство раскисления и как элемента, сопутствующего дисперсионному твердению.
При высоком содержании он, однако, повышает чувствительность к горячим трещинам, так как пороговое значение чувствительности зависит, как и для кремния, от присутствия других легирующих элементов. Опасность трещин возникает в наплавленном металле и меньше в зоне термического влияния. Допустимое содержание алюминия часто выше, чем в соответствующих случаях для кремния. Алюминий содержится в сварочных присадочных материалах, которые применяют для сварки дисперсионно твердеющих никелевых сплавов.
Титан. Его вводят в присадочный сварочный материал для того, чтобы получить швы без пор (раскисление). Для сплавов, содержащих хром, это часто не требуется, поскольку хром сам может связывать газы. В отношении дисперсионного отверждения титан влияет подобно алюминию. При определённых критических концентрациях при сварке возникает, однако, опасность появления трещин. Допустимое содержания алюминия и титана при WIG – сварке выше, чем при дуговой сварке. По этой причине следует предпочитать названный первым способ для сварки дисперсионно-твердеющих сплавов. Склонность к появлению трещин возникает главным образом в наплавленном металле, а не в зоне термического влияния.
Бор. Обычное его содержание 0,03 – 0,10%. Путём добавки бора улучшают механические свойства сплавов при высоких температурах. Однако самое небольшое содержание бора (г 0,003%) при сварке приводит к высокой склонности образования горячих трещин; по-видимому, на границах зёрен, подобно сере, фосфору и цирконию, бор образует легкоплавкую эвтектику с никелем.
Не преднамеренно вводимые легирующие элементы.
Сера. Она является самым вредным элементом в никелевых сплавах. Растворимость серы в твёрдом никеле < 0,005%. Количество серы, превышающее это значение, выделяется в виде сульфида никеля вдоль границ зёрен. Эгектика Ni - NiS плавится при температуре 637°C, являющейся чрезвычайно низкой. Никель поглощает серу в критической области температур от 300 до 900°С из твёрдых, жидких, газообразных или парообразных веществ, например из масла, жира, горячих газов, а также из пламени при газовой сварке. Поэтому необходима очистка поверхностей металла перед сваркой.
Вспомогательные мероприятия: добавление марганца, магния, ниобия, титана и алюминия. При неочищенных листах влияние этих элементов, однако, недостаточно для того, чтобы помешать горячему растрескиванию. Вследствие низкой температуры плавление эвтектики сера также очень опасна как в зоне термического влияния, так и в наплавленном металле.
Свинец. Он влияет в таких же концентрациях, как и сера. И, однако, его редко рассматривают как примесь. Свинец не растворим в Ni, поскольку является жидким до температуры плавления. Он образует плёнку по границам зёрен, что приводит к горячему растрескиванию.
Фосфор. Он влияет также, как сера и свинец. Соответствующая эвтектическая реакция протекает при 870°С. Уже всего сотые доли процента фосфора приводят к горячему растрескиванию в наплавленном металле, но не в зоне термического влияния.
Элементарные газы. Кислород, азот и водород создают проблему только в отношении парообразования. Образование трещин, наоборот, едва связано с имеющимися растворёнными газами. Содержание титана и алюминия в сварочном присадочном материале достаточно высокое, чтобы исключить влияние газов на образование пор.
Состояние после термообработки.
Сплавы сваривают главным образом в не полностью отожженном состоянии. После интенсивной холодной деформации металла в областях в областях выполнения сварки перед сваркой следует ещё раз провести отжиг изделия. Дисперсионно-твердеющие сплавы также следует сваривать только после неполного отжига, так как в противном случае вследствие малой пластичности сплавов следует учитывать появление трещин от внутренних напряжений. Необходимо также принимать во внимание некоторый спад прочности.
Очистка.
Перед сваркой необходимо обезжирить поверхность с обеих сторон листа минимум на 25 мм по обе стороны от сварного шва и прошлифовать.
Газовая сварка.
Применима для всех никелевых сплавов, кроме сплавов типа Ni – Cr – Fe (нимоник 80, 80А и 90); однако этот способ применяют ещё пока редко.
Газы. Ацетилен, находящийся в баллонах, является наиболее предпочтительным горючим газом (более лёгкое регулирование пламени и лучшая очистка). Вносимый вместе с газом ацетон может быть причиной образования трещин. Применяют восстановительное пламя (лёгкий избыток ацетилена).
Горелка. Сопло такое же, как для стали, однако для сварки чистого никеля выбирают сопло на один размер больше.
Флюс. Для никеля и сплавов Ni – Mo флюс не требуется. Для обычных никелевых сплавов следует применять флюсы, не содержащие бора (в противном случае в наплавленном металле появляются горячие трещины). Сразу же после сварки остатки флюса удаляют стальными щётками или обработкой раствором азотной кислоты (50 частей HNO на 50 частей воды).
Электрическая дуговая сварка.
Этот способ применяют чаще всего. Вид тока: = (+).
Присадочный материал: однороден основному металлу с добавками против образования пор (по DIN 1 736). Покрытие гигроскопическое, поэтому материалы перед сваркой прокаливают.
Последующая обработка. Угол разделки кромок больше, чем для соединений из стали, так как расплавленная ванна является вязкой.
Положение. Сварку выполняют по возможности в горизонтальном положении.
Техника. С небольшими колебаниями электрода, так как в противном случае выгорают раскисляющие добавки. Дуга короткая, электроды перемещают в наклонном положении (лучше всего угол наклона 20 - 30° по отношению к вертикали). Зажигание дуги производят на выводной планке (иначе образуются поры). Сваривают электродами малого диаметра с небольшой силой тока.
WIG – сварка.
Вид тока: = (-); применение переменного тока возможно.
Зажигание дуги – на выводной планке с помощью осциллятора (его воздействие отчасти сохраняется во время сварки).
Скорость сварки – как можно более высокая.
Защитный газ – сушёный неочищенный сварочный аргон, поддув воздуха исключают; расход 1,0 – 2,8 м/ч.
Толщина стенки – до 6 мм за один проход.
Защита с противоположной стороны – аргон или медная подкладка.
Присадочный материал – по DIN 1 736.
MIG – сварка.
Вид тока: = (+).
Защитный газ – 99,8%-ный сварочный аргон; расход 1,2 м/ч.
Присадочный материал – по DIN 1 736.
Атомно-водородная сварка.
Использование метода возможно, однако его почти не применяют.
Сварка под флюсом.
Галогенный флюс, составленный из солей фтора и хлора щелочноземельных металлов, позволяет легирующим элементам с высокой склонностью к кислороду (Ti, Al) переходить из электродной проволоки и основного материала в сварной шов с высоким процентным соотношением (80 – 90%).
Контактная сварка.
а) точечная сварка.
Сила тока та же, как и при сварке сталей, но требуется более высокое давление на электродах.
Электроды – высокопрочные медные сплавы с плоскими или слегка закруглёнными торцами. “Прилипаемость” электрода при сварке никеля можно предотвратить путём короткого времени сварки на повышенном токе. При случае торцы электродов серебрят. Прилипаемость отсутствует при сварке монеля вследствие его более высокого сопротивления по сравнению с никелем.
Давление. Более высокое давление, чем при сварке сталей, необходимо обеспечивать, прежде всего, при сварке высокожаропрочных сплавов.
б) Шовная сварка.
Роликовая сварка прерывистым швом применима для всех никелевых сплавов, скорость сварки 80 – 130 точек/мин.
Роликовая сварка непрерывным швом.
Сварочное давление следует устанавливать более высоким, чем для стали, за исключением сварки чистого никеля.
в) Сварка оплавлением.
При сварке никелевых сплавов требуется большая энергия, чем для стали (так как их электросопротивление меньше). Для того чтобы избежать перегрева, следует располагать место сварки по возможности ближе к электродным клеммам. Требуется высокое давление осадки; осадку начинают непосредственно перед окончанием протекания тока. При запаздывающей осадке появляются шлаковые и оксидные включения. Если, наоборот, ток протекает дольше, чем в течении двух периодов после начала осадки, то появляются мелкие поры и межкристаллитные включения. При сварке необходимо очень точное регулирование параметров; целесообразен предварительный подогрев.
Термообработка.
Очистка перед термообработкой.
Необходима тщательная очистка поверхностей, чтобы предотвратить поглощение серы из жира, смазки и пр. Очистка состоит из обезжиривания обычными средствами и последующего промывания в 10%-ной серной кислоте, а затем многократного промывания в воде. Механическую очистку проводить путём песко- или дробеструйной обработки или шлифования.
Атмосфера в печи.
Следует обеспечить отсутствие поглощения из атмосферы печи серы. Если изделие из никеля отжигают длительное время при температуре > 900°С, то наступает охрупчивание из-за окисления по границам зёрен. Однако его распространение вдоль границ зёрен в противоположность воздействию серы происходит медленно. Поэтому при небольшой длительности отжига можно не учитывать эти нарушения.
Если никель отжигают при температуре > 900°С в окислительной серосодержащей атмосфере, то имеет место особо сильное воздействие серы. Горючий газ должен содержать < 0,2 г/м масла и 0,2% S.
Неполный отжиг.
Материалы обычно поставляют в не полностью отожжоном состоянии. Такой отжиг следует проводить перед сваркой изделий, которые были подвергнуты холодной деформации в местах выполнения соединений.
Отжиг для снятия напряжений.
Этот отжиг следует проводить при опасности коррозийного растрескивания под напряжением. Никелевые сплавы мало чувствительны к коррозии в водных растворах, однако, наоборот, не стойки против ртути и её солей, а также против кремнефтористого водорода.
Рекомендуется нагревать изделия до температуры отжига также быстро, как и при неполном отжиге, выдерживать 1 – 3 ч и быстро охлаждать. Для сплавов Ni – Cr – Fe, Ni – Mo - Fe и Ni – Mo – Cr - W(инконель, хастеллой В) снятие напряжений происходит только при температуре неполного отжига.
Дисперсионное отверждение.
Закаливаемые и стареющие никелевые сплавы сваривают в не полностью отожжоном состоянии, а затем быстро доводят до температуры отжига для снятия напряжений (чтобы предотвратить процессы выделения), закаливают и состаривают.
Состав флюсов для сварки никеля и никелевых сплавов.
Компонент
Состав флюса, %
1
2
3
4
5
6
Бура прокаленная
52
30
25
-
50
40
Кислота борная
15
50
75
-
50
50
Магний хлористый
8
-
-
-
-
-
Натрий хлористый
25
10
-
-
-
-
Кальций фтористый
-
-
-
15
-
10
Гашёная известь
-
-
-
17
-
-
Борный ангидрид
-
-
-
23
-
-
Натриевое стекло
-
-
-
45
-
-
Барий углекислый
-
10
-
-
-
-
Качество шва оценивают по его цвету:
Хороший шов имеет матово – коричневую или серо – жёлтую окраску, сваренный с перегревом – блестящий, сине – чёрного цвета.
Техника безопасности.
Рабочее место сварщика должно содержаться в чистоте и порядке. Сварочные кабели нельзя располагать рядом с газосварочными шлангами и трубопроводами, находящимися под давлением, а также вблизи кислородных баллонов и ацетиленовых генераторов. Не должны производиться сварка и резка внутри сосудов с закрытыми люками или не вывернутыми пробками. Для защиты глаз, лица, кожного покрова головы и шеи сварщика от излучения и брызг металла, а также частичной защиты органов дыхания от непосредственного воздействия выделяемых при сварке паров металла, шлака и аэрозолей предназначены защитные щитки. Щитки изготавливаются двух основных видов: головные и ручные. Щитки изготавливаются углублённой формы для того, чтобы они хорошо защищали все открытые части головы и шеи сварщика. Для защиты от вредного излучения дуги в щитках вставляют стеклянные светофильтры тёмно – зелёного цвета, которые не пропускают вредного излучения.
Рабочих, находящихся в зоне сварки, следует снабдить очками и светофильтрами. Излучение дуги опасно для зрения на расстоянии 20 м.
Сварщики, работающие на строительных площадках, обязаны носить каски. Важными средствами индивидуальной защиты сварщика являются спецодежда и спецобувь.
К средствам индивидуальной защиты относятся также резиновый коврик, резиновые перчатки и галоши, применяемы при работе в особо опасных местах. Для защиты дыхательных путей от вредных аэрозолей применяют респираторы, противогазы. Для общего очищения воздуха используют вентиляцию местного и общего назначения.
Опасность поражения электрическим током создают источники сварочного тока, электрический привод (включая пускорегулирующую аппаратуру), электрооборудования подъёмно-транспортных устройств, электрифицированный транспорт, ручные электрические машины и т.д.
Прежде чем заняться сварочными работами сварщик должен проверить заземление, изолированы ли кабели.
При газовой сварке, сварщик должен ставить баллоны на 5 м друг от друга. Смотреть, чтобы не было обратного удара. Ни в коем случае не носит баллоны одному.
Освобождение пострадавшего от действия тока можно осуществить следующим образом: отключить рубильник, перерубить провод топором или оттянуть пострадавшего от токоведущей части, отбросить от него провод деревянной палкой. Сделать массаж сердца, искусственное дыхание, дать понюхать нашатырный спирт, обрызгивать водой, растирать и согревать тело. Немедленно вызвать скорую помощь.
У сварщика под рукой должно быть всегда средство пожаротушения.
Обязанностью каждого работающего является твёрдое знание и неуклонное выполнение существующих требований по безопасным методам работы, а также соблюдение норм и правил пожарной безопасности.
Использованная литература.
1. Б.Д. Малышев
2. В.И. Мельник
3. И.Г. Гетие
4. Ю. Руте
Справочник материалов.
Д.Л. Глизманенко.
Страницы: 1, 2
При использовании материалов активная ссылка на источник обязательна.