Рассмотрим только те тугоплавкие и химически активные металлы, которые могут быть использованы в качестве конструкционных материалов: цирконий, гафний, ниобий, тантал, молибден. Такие материалы, как ванадий, вольфрам, хром, используют в качестве конструкционных значительно реже и только в комбинированных сварных соединениях.

Сварка рассматриваемых материалов затрудняется высокой температурой их плавления, большим сродством к газам: кисло­роду, азоту и водороду, что приводит к образованию в шве пор

нию макрогальвапопар и вызвать локальную коррозию сплава. Для устранения такой опасности сварное изделие подвергают вакуумному отжигу при температуре 575° С для выравнивания структуры.

При повышении температуры свыше 800° С цирконий энергич­но взаимодействует с азотом, образуя нитриды (ZrN), а при тем­пературах 300—1000° С он интенсивно поглощает водород, обра­зуя гидриды (Zrlljj).

Находят применение сплавы циркония с оловом, железом, никелем и хромом, имеющие прочность 44—54 кгс/мм2 и высокую коррозионную стойкость.

Гафний — полиморфный металл с температурой превращения 1760° С. До этой температуры гафний имеет гексагональную п л от 11 о упа кованії у ю решетку a-фазы, при более высоких темпера­турах — объемно-центрированную решетку (3-фазы. При нагре­вании гафний взаимодействует с атмосферой воздуха, образуя двуокись НЮ2, нитриды.

Ниобий и тантал-металлы, близкие по своим физическим свойствам, полиморфных превращений не имеют. Обладают особо высокой стойкостью при действии наиболее коррозионно-актив­ных веществ (жидких металлов-теплоносителей) и используются в отдельных конструкциях реакторов. Тантал применяют также в медицине, в хирургии; изготовленные из него стержни, скобки и тому подобные детали могут долгое время находиться в тка­нях человеческого тела, не вызывая в нем значительных воспа-

13 А. И. Акулов и др.

лений. В технике применяют также сплавы ниобия с небольшим количеством легирующих добавок (молибдена, вольфрама, цир­кония, ванадия, титана) и сплавы тантала с добавкой вольфрама, ванадия, ниобия (до 10%).

При нагревании эти металлы энергично поглощают газы атмосферы: при температуре свыше 300° С — кислород, свыше 350° С — водород, свыше 400° С — азот. В результате в металле образуются окислы, нитриды, гидриды, металл упрочняется, а его пластичность резко падает (рис. 165). При сварке этих метал­лов в металле шва и зоны термического влияния возможны также рост зерна и охрупчивание металла, которое может быть усилено образованием по границам зерен карбидов (Nb2C, Та2С), если в металле есть примеси углерода.

Молибден, имеющий высокую температуру плавления, высо­кие значения механических свойств и модуля упругости, исполь­зуют в виде листов небольшой толщины для отдельных элемен­тов камер сгорания, турбокомпрессоров и т. и. В некоторых средах он имеет высокую коррозионную стойкость. Металл не имеет полиморфных превращений.

Трудности сварки его связаны с повышенной склонностью к образованию кристаллизационных трещин в связи с образо­ванием различных легкоплавких эвтсктик (Мо03 + М0О3 + М0; Тпл = 780е С), а также охрупчиванием металла шва и околошов - ной зоны из-за возможного попадания газов атмосферы либо других загрязняющих веществ. Чуствительность молибдена к за­грязнениям различного рода видна на рис. 166, на котором пока­зано изменение критической температуры перехода в хрупкое состояние в зависимости от содержания кислорода, азота и угле­рода. Наиболее резко влияет кислород; всего 0,0002% 02 повы­шает Ткр до 200° С.

Воздействие термического цикла сварки приводит к росту зерна в околошовной зоне, при этом происходит утолщение меж-

зеренных прослоек, обогащение их примесями и резкое охруп­чивание основного металла в этой зоне. При наличии в ме­талле углерода возможно обра­зование пор (в связи с реакцией Мо03 + ЗС = Mo + ЗСО), кото­рые располагаются по оси шва и линии сплавления.

Поэтому наряду с тщатель­ной очисткой основного металла и сварочных материалов предъ­являются особенно жесткие тре­бования к чистоте основного металла (кислорода <[0,0002%, азота <[ 0,0001 %j углерода

< 0,003%); в сварочную ванну вводят активные раскислители: 0,5—1% Ті; до 0,1% Се; до 0,25% Zr, сварку ведут при мини­мальной погонной энергии.

По свариваемостн рассматриваемые материалы можно разде­лить на две группы. Металлы первой группы (цирконий, гафний, ниобий и тантал) при соблюдении технологических условий сварки обладают хорошей свариваемостью. Сварка металлов второй группы (молибден, вольфрам) вызывает большие трудности ввиду их высокой чувствительности к примесям, охрупчивающим металл. Подогрев молибдена до температуры 200—315° С и снятие оста­точных напряжений после сварки (при нагреве до 980° С) снижает вероятность образования холодных трещин.

Основные пути получения сворных соединений с удовлетво­рительными свойствами: уменьшение содержания вредных при­месей в основном и присадочном металле; снижение временных (температурных) и остаточных напряжений в сварных соединениях; предупреждение загрязнения металла шва и околошовной зоны при сварке, особенно газами атмосферы.

Поэтому сварка рассматриваемых металлов выполняется в ос­новном электронным лучом в вакууме или в камерах с контроли­руемой атмосферой. В последнем случае используют аргон и гелий высокой частоты, которые дополнительно осушают от газов, пропуская их через селикагель, алюмогель и нагретую до 900— 1000° С титановую стружку. Сварку выполняют вольфрамовым электродом на постоянном токе прямой полярности.

Для уменьшения загрязнения металла шва сварку, как пра­вило, выполняют без присадочного металла. В некоторых случаях сварку выполняют и на воздухе, но применяют горелки с допол­нительными насадками для подачи защитного газа, и с поддувом с обратной стороны. Прочностные и пластические свойства свар­ных соединений находятся па уровне 80—95% свойств основного металла.

При электронно-лучевой сварке в камерах с вакуумом 10-4 рт. ст. содержится в сотни раз меньше примесей, чем в наиболее чистом аргоне высшего сорта. При этом способе сварки появля­ется возможность очистить свариваемый металл от газов нагре­вом кромок расфокусированным электронным лучом. При дега­зации наиболее успешно удаляется водород, в меньшей мере кис­лород и азот и только из поверхностных слоев.

Наиболее распространенным способом сварки рассматриваемых материалов является дуговая в защитных газах и электронно­лучевая. Дуговой сваркой циркониевые сплавы наиболее успешно сваривают в камерах с контролируемой средой, заполняемых гелием, после предварительной откачки воздуха до 0,03 мм рт. ст. Материал присадочной проволоки соответствует составу сплава: циркалой-2 или циркалой-3 (табл. 109).

Имеются сведения о режимах сварки ниобия и тантала малых толщин вольфрамовым электродом на постоянном токе прямой

полярности с использованием струнной защиты с дополнительной подачей газа через насадки и с обратной стороны шва (табл. 110).

Таблица НО. Режимы аргоно-дуговой сварки ниобия и тантала

Сварку молибдена с использованием струйной защиты можно успешно вести с использованием гелия высокой чистоты воль­фрамовым п плавящимся электродом.

Молибден толщиной до - 3 мм сваривают вольфрамовым элек­тродом диаметром 3 мм на постоянном токе прямой полярности на режиме: I — 425 A; U = 18 В; и = 18 м/ч. Диаметр сопла горелки 15 мм, расход гелия через горелку и приставку 20 л/мин, с обратной стороны 5 л/мин. Сварку молибдена большей толщины можно вести плавящимся электродом диаметром 1—1,2 мм па постоянном токе обратной полярности на режиме: I — 400 ь 600 А; U = 32 В; vru = 00-:-40 м/ч; с11П = 600-ь900 м/ч, подача гелия через горелку и приставку 140 л/мин, с обратной стороны 20 л/мин. Электродная проволока предварительно активируется покрытием со хлористым цезием.

Известна технология сварки гафния в камере, заполненной гелием или аргоном, вольфрамовым электродом диаметром 3,2 мм на режиме: / = 125-ь 135 Л; U — 14-ь 18 В; v = 10 м/ч; ток постоянный, полярность прямая.

При электронно-лучевой сварке соединение осуществляется путем переплавлення основного металла. Наряду со сваркой встык возможна сварка внахлестку со швами типа прорезных и пробочных. Для тугоплавких и химически активных металлов большое значение имеет возможность их предварительной очистки дегазацией в вакууме (табл. 111). Принципиально электронно­лучевая сварка за два прохода позволяет сваривать металл тол­щиной до 100 мм.

Имеются указания на режимы электронно-лучевой сварки тру­бок из циркония толщиной 0,3 и 0,5 мм, которые тщательно соби­рают (зазор не более 0,1— 0,2 мм); сила тока луча I = 4-ь12 мА; Пуск = 19-ь20 кВ; v — 27 м/ч.

Для ниобиевого сплава (добавки 3,5—4,7% Мо; 0,5—0,9% Zr; С sg 0,05%) рекомендуемые режимы электронно-лучевой свар­ки указаны в табл. 112.