ОСОБЕННОСТИ СВАРКИ ТУГОПЛАВКИХ ХИМИЧЕСКИ АКТИВНЫХ МЕТАЛЛОВ
В различных отраслях промышленности (в том числе в судовом машиностроении, энергетике и приборостроении) достаточно широко в качестве конструкционных материалов используют цирконий, гафний, ниобий, тантал, молибден, реже ванадий и вольфрам.
Основными затруднениями при сварке этих металлов и их сплавов является большое сродство к газам: азоту, кислороду и водороду, - что приводит к понижению свойств, росту зерна при нагреве и высоким температурам плавления (так, температура плавления гафния 5400, тантала 5300, вольфрама 5900, молибдена 4830 °С).
Цирконий имеет две аллотропические модификации (как и титан), обладая полиморфностью при сварке в ЗТВ, дает закалку с появлением р-фазы в структуре. Интенсивно поглощает водород в диапазоне
300.. . 1000 °С с образованием гидрида ZrH2, а при нагревах выше 800 °С энергичное взаимодействие с азотом приводит к образованию нитридов ZrN. Сплавы циркония с оловом, железом, никелем и хромом имеют высокую коррозионную стойкость при прочности выше 400 МПа.
Гафний также испытывает полиморфные превращения с низкотемпературной а - и высокотемпературной р-фазами. При нагревах он активно взаимодействует с воздушной атмосферой, образуя нитриды и двуокись.
Ниобий и тантал близки по своим физическим свойствам и полиморфных превращений не имеют. Обладая высокой стойкостью в жидких металлах-теплоносителях, применяются в отдельных типах реакторов. Высокая коррозионная стойкость тантала используется также в хирургии. Находят применение сплавы тантала с вольфрамом, ниобием и ванадием и сплавы ниобия с добавлением молибдена, вольфрама, циркония, ванадия, титана.
Все металлы этой группы энергично взаимодействуют с газами воздушной атмосферы при нагреве (выше 300 °С начинается их взаимодействие с кислородом, выше 350 °С - с водородом, выше 400 °С - с азотом). В результате этого взаимодействия резко падает пластичность металла и растет его прочность; причиной этому является образование окислов, нитридов и гидридов. При сварке в металле шва и ЗТВ могут образовываться (при наличии примесей углерода) карбиды, которые наряду с ростом зерна могут приводить к охрупчиванию металла.
Молибден не имеет полиморфных превращений; имея высокую температуру плавления и показатели механических свойств, используется для отдельных деталей турбокомпрессоров, камер сгорания и т. д. При сварке склонен к появлению горячих трещин из-за образования легкоплавких эвтектик и охрупчиванию из-за насыщения атмосферными газами, чувствительность к которым у него чрезвычайно велика. Так, влияние кислорода на изменение перехода металла в хрупкое состояние ощущается довольно заметно уже при содержании его в металле более 0,0002% (Г () повышается до 200 °С).
Термический цикл сварки приводит к росту зерна в ЗТВ и резкому охрупчиванию металла из-за утолщения межзеренных прослоек и обогащения их примесями. Возможно также образование пор в металле шва,
если в металле есть примеси углерода. Отсюда возникают весьма жесткие требования к чистоте основного и сварочных материалов (содержание кислорода <0,0002%, азота <0,0001%, углерода < 0,003%) с введением в ванну активных раскислителей (титана, циркония, селена) и применением при сварке минимальной погонной энергии.
Хорошей свариваемостью обладают гафний, ниобий, тантал и цирконий. Сварка же вольфрама и молибдена вызывает значительные трудности из-за охрупчивания металла вследствие его особой чувствительности к примесям. Поэтому часто требуется введение в технологический процесс подогрева до температур 200...300 °С и снятие остаточных сварочных напряжений (отпуск после сварки), что снижает вероятность образования холодных трещин. Учитывая эти особенности, ручную сварку с применением струйной защиты используют редко (с горелками, обеспечивающими двойную защиту, и приспособлениями для поддува обратной стороны). Для уменьшения загрязнений металла шва сварку часто ведут без подачи присадочного металла. Однако все эти меры не дают возможности получить равнопрочное сварное соединение. Лучшие результаты дает применение ЭЛ С.