Сварка тугоплавких металлов и сплавов

К тугоплавким металлам относятся титан, цирконий, ниобий, молибден и др., у которых температура плавления выше, чем у железа. При нагреве тугоплавкие металлы интенсивно погло­щают газы (кислород, водород, азот). При этом даже незначитель­ное содержание газов, например кислорода, приводит к резкому снижению пластических свойств указанных металлов. Для полу­чения качественных сварных соединений необходимо создавать совершенную защиту места сварки от воздействия воздуха.

Титан сваривают в атмосфере аргона с дополнительной газо­вой защитой корня шва и еще неостывшего участка шва до темпе­ратуры 400° С. Титановые сплавы склонны к образованию холод­ных трещин при сварке. Сильное влияние на образование трещин оказывают газы (водород и кислород). Допустимо следующее содержание этих газов: 0,01% Н2; 0,15% О2. Перед сваркой про­волоку и металл подвергают дегазации путем отжига в вакуумных печах.

Цирконий и ниобий являются тугоплавкими металлами, обла­дающими высокой коррозионной стойкостью. Их сваривают в ат­мосфере аргона высокой чистоты с защитой корня шва или в ка­мере с контролируемой защитной атмосферой.

Молибден — тугоплавкий и жаропрочный металл. При содер­жании свыше 0,001 % О2 пластические свойства молибдена резко снижаются. Молибден сваривают электронным лучом в камера с вакуумом 133∙10–4 Н/м2.

Лекция 15. Пайка металлов и сплавов

Физическая сущность процесса пайки

Пайкой называется технологический процесс соединения металлических заготовок без их расплавления посредством введении между ними расплавленного промежуточного металла припоя. Припой имеет температуру плавления более низкую, чем температура соединяемых металлов, и заполняет зазор между соединяемыми поверхностями за счет действия капиллярных сил. При охлаждении припой кристаллизуется и образует прочную связь между заготовками. В процессе пайки наряду с нагревом необходимо удаление окисных пленок с поверхности паяемых металлов.

Образование соединения без расплавления кромок обеспечивает возможность распая, т. е. разъединения паяемых заготовок без нарушения исходных размеров и формы элементов конст­рукции.

Процесс образования паяного шва состоит из прогрева матери­ала, образующего соединение, до температуры, близкой к темпе­ратуре плавления припоя; расплавления припоя; растекания жидкого припоя по поверхности твердого материала и заполнение паяемого шва; охлаждения и кристаллизации припоя в паяном шве. Качество паяного шва во многом зависит от прочности связи припоя с металлом основы. В результате смачивания твердой металлической поверхности между припоем и основным металлом возникает межатомная связь. Эта связь может образоваться при растворении металла основы в расплавленном припое с образо­ванием жидкого раствора, распадающегося при последующей кристаллизации; за счет диффузии составляющих припой элементов в основной твердый металл с образованием твердого раствора; за счет реактивной диффузии между припоем и основным метал­лом с образованием на границе интерметаллических соединений; за счет бездиффузионной связи в результате межатомного взаимо­действия.

По особенностям процесса и технологии пайку можно разде­лить на капиллярную, диффузионную, контактно-реактивную, реактивно-флюсовую и пайку-сварку.

Капиллярная пайка. Припой заполняет зазор между соеди­няемыми поверхностями и удерживается в нем за счет капилляр­ных сил. На рис. 35 показана схема образования шва. Соеди­нение образуется за счет растворения основы в жидком припое и последующей кристаллизации раствора. Капиллярную пайку используют в тех случаях, когда применяют соединение внах­лестку. Однако капиллярное явление присуще всем видам пайки.

Рис. 35. Схема капиллярной пайки: а – перед пайкой; б – после пайки; 1 – припой

Диффузионная пайка. Соединение образуется за счет взаим­ной диффузии компонентов припоя и паяемых материалов, при­чем возможно образование в шве твердого раствора или тугоплав­ких хрупких интерметаллов. Для диффузионной пайки необходима продолжительная выдержка при температуре образования единого шва и после завершения процесса при температуре ниже солидуса припоя.

Контактно-реактивная пайка. При пайке между соединяе­мыми металлами или соединяемыми металлами и прослойкой Другого металла в результате контактного плавления образуется Сплав, который заполняет зазор и при кристаллизации образует паяное соединение. На рис. 36 показана схема контактно-реактивной пайки.

Рис. 36. Схема контактно–реактивной пайки:

а – перед пайкой; б – после пайки; 1 – медь; 2 – серебро; 3 – эвтектический сплав меди с серебром.

Реактивно-флюсовая пайка. Припой образуется за счет реак­ции вытеснения между основным металлом и флюсом. Например, при пайке алюминия с флюсом 3ZnCl2 + 2Аl = 2А1Сl3 + Zn восстановленный цинк является припоем. Реакционно-флюсовую пайку можно вести без припоя и с припоем.

Пайка-сварка. Паяное соединение образуется так же, как при сварке плавлением, но в качестве присадочного металла применяют припой.

Наибольшее применение получила капиллярная пайка и пайка-сварка. Диффузионная пайка и контактно-реактивная более тру­доемки, но обеспечивают высокое качество соединения и при­меняются, когда в процессе пайки необходимо обеспечить мини­мальные зазоры. Качество паяных соединений (прочность, герметичность, надежность и др.) зависит от правильного выбора основного металла, припоя, флюса, способа нагрева, величины зазоров, типа соединения.