Сварка ниобия и сплавов на основе ниобия

Версия для печатиВерсия для печати

Сварка ниобия связанна с некоторыми особенностями для понимания, которых необходимо знать его химические и физические свойства.

Ниобий относится к тугоплавким металлам, поскольку его температура плавления составляет 2465°C. Также он обладает следующими преимуществами:

  • высокой жаропрочностью;
  • малым сечением захвата тепловых нейтронов;
  • высокой коррозионной стойкостью;
  • самой малой плотностью из жаропрочных металлов, таких как вольфрам, молибден, тантал, ниобий;
  • высокой технологичностью и свариваемостью.

Отличительной особенностью ниобия является высокое сопротивление ползучести при повышенных температурах.

Недостатками ниобия и его сплавов являются большая склонность к окислению и малый модуль упругости (модуль Юнга).

Ниобий

Ниобий устойчив против действия соляной, серной, азотной фосфорной и органических кислот любой концентрации на холоде и при температуре 100-150°C. Металл заметно растворяется в плавиковой кислоте и интенсивно - в смеси плавиковой и азотной кислот. Горячие растворы гидроксидов калия и натрия заметно действуют на ниобий.

Ниобий, подобно титану, при обычных и несколько повышенных температурах обладает высокой коррозионной стойкостью на воздухе и в ряде агрессивных сред, но при нагревании весьма активно поглощает из окружающей среды кислород, азот и водород и образует с ними твердые растворы или химические соединения, сильно влияющие на механические и электрические свойства.

Начало окисления (пленки побежалости) наблюдается при нагревании до 200-300°C, выше 500°C происходит быстрое окисление с образованием тугоплавкого оксида Nb2O5, температура плавления которого ниже температуры плавления металла 1460°C. Удельный объем оксидов значительно превышает удельный объем основного металла, поэтому оксидные пленки растрескиваются и отслаиваются, открывая доступ кислороду к поверхности металла.

Активное поглощение водорода начинается при температуре 360°C с образованием твердых растворов и гидридов NbH2, NbH0,7-0,9. При нагревании в вакууме выше 600°C водород удаляется, и прежние механические свойства восстанавливаются.

Азот поглощается ниобием при 600°C, при более высокой температуре образуются нитрид NbN, который плавится при 2300°C, а также нитриды другого состава.

Углерод и углеродсодержащие газы (например: ацетилен C2H2, углекислый газ СО2) при 1200-1400°C взаимодействуют с ниобием с образованием твердого и тугоплавкого карбида NbC температура плавления которого составляет 3500°C.

С бором и кремнием тантал образует тугоплавкие и твердые бориды и силициды.

Вышеуказанные особенности являются основным затруднением при сварке ниобия. Поэтому одним из главных условием получения сварных соединений требуемого качества - тщательная защита от контакта с атмосферой, содержащей кислород, азот и водород, не только металла сварочной ванны, но и участков нагретых выше температуры активного поглощения газов.

Поскольку от качества подготовки кромок зависят механические свойства сварных швов и устойчивость их против коррозии - независимо от выбранного способа сварки кромки свариваемого металла должны быть тщательно подготовлены. Как правило, детали из ниобия и сплавов на его основе поступают на сварку после механической обработки. Перед сваркой кромки подвергают травлению в водной смеси плавиковой, азотной и серной кислот: 22%HF + 8%HNO3 + 15%H2SO4 + 55%H2O. Участки, подвергнутые травлению, промывают холодной водой до полного удаления травителя, просушивают и протирают непосредственно перед сваркой этиловым спиртом.

Повышение чистоты исходного металла по примесям внедрения способствует улучшению их свариваемости и позволяет производить сварку в более загрязненной атмосфере. При суммарном содержании газов более 0,06% (по массе) резко снижается пластичность швов ниобиевых сплавов.

Примеси внедрения, попадающие в шов из атмосферы, обогащают твердый раствор и выделяются в виде избыточных фаз по границам и телу зерен.

Для изготовления сварных конструкций применяют как нелегированный ниобий, так и его сплавы с твердорастворным и гетерофазным упрочнением. Легирующими добавками для ниобия служат: вольфрам, молибден, тантал, ванадий, цирконий, титан и гафний. Упрочнение ниобия цирконием, гафнием, титаном происходит не только благодаря растворному механизму, но и за счет образования фаз внедрения.

Ниобиевые сплавы, особенно наиболее жаропрочные, склонны к межкристаллитному разрушению при сварке, т.е. образованию горячих трещин, а также замедленному разрушению - холодные трещины. Для повышения сопротивляемости сплавов на основе ниобия к возникновению горячих трещин используют следующие методы:

  • уменьшение диффузионной подвижности атомов в решетке или создание фрагментарной литой структуры с помощью добавления легирующих элементов;
  • повышение чистоты основного и присадочного металлов по примесям внедрения;
  • сокращение времени пребывания металла при температурах высокой диффузионной подвижности за счет применение рациональной технологии сварки и увеличения скорости охлаждения металла сварного шва.

При сварке ниобия и его сплавов в зоне сплавления довольно часто образовываются поры. Причинами возникновения пор служат кислород, летучие окислы ниобия, нитриды, а также углекислый газ (СO2) и оксид углерода (СО), образующиеся при взаимодействии окислов с углеродом или карбидом.

Способы сварки ниобия и его сплавов

Сварку ниобия и сплавов на основе ниобия осуществляют следующими способами:

  • электронно-лучевая сварка;
  • ручная аргонодуговая сварка неплавящимся электродом в инертных газах (TIG, GTAW);
  • контактная сварка;
  • диффузионная сварка;
  • лазерная сварка;
  • сварка трением.

В связи с высокой температурой плавления и сравнительно большой теплопроводностью для сварки плавлением ниобия наиболее приемлемы концентрированные источники энергии. Поэтому из всех вышеперечисленных способов в основном применяют электронно-лучевую сварку и дуговую сварку в аргоне или гелии.

Прочность сварных соединений при аргонодуговой сварке (TIG, GTAW) ниобия и его сплавов составляет 0,75-0,8 от прочности основного металла, при электронно-лучевой сварке 0,6-0,75. Снижение прочности сварных соединений при электронно-лучевой сварке обусловлено очищением (рафинированием) шва от примесей в вакууме и спецификой термического цикла.

Технически чистый ниобий и его сплавы хорошо свариваются методами сварки плавлением. Так как в зоне термического влияния происходит рекристаллизация и интенсивный рост зерен, то создаются условия для сегрегации примесей по границам зерен, приводящие к охрупчиванию металла. Наиболее эффективным методом сведения к минимуму перераспределения примесей является ограничение времени пребывания шва и зоны термического влияния при высоких температурах и уменьшение размеров зоны термического воздействия, насколько это возможно. Это достигается использованием режимов с малой величиной погонной энергии за счет максимально возможной скорости сварки, а в некоторых случаях - применением специальных холодильников для дополнительного отвода тепла от зоны термического влияния. Поэтому при толщинах более 3 мм предпочтительнее применять электронно-лучевую сварку (ЭЛС). Наиболее стабильны по свойствам сварные соединения из рекристаллизованных металлов, так как при сварке плавлением деформированного металла не удается избежать разупрочнения в зоне термического влияния (ЗТВ) с характерной для нее крупнокристаллической структурой . Также, хорошо подходит и ручная дуговая сварка в среде инертных газов (гелии или аргоне), которые защищают металл от воздействия газов атмосферы. Но и для нее лучше всего использовать сварку в камере с контролируемой атмосферой аргона или гелия. Это также значительно снизит воздействие атмосферы на металл.

Ниобий и его сплавы удовлетворительно свариваются шовной и точечной контактной сваркой, при этом основное затруднение вызывает подплавление электродов и как следствие их прилипание. Для уменьшения данного эффекта применяют специальные накладки на электроды, изготовленные из молибдена или вольфраммолибденовых сплавов (W – Mo). Также для уменьшения подплавления электродов свариваемые детали покрывают графитом. Для получения качественного сварного соединения контактную сварку выполняют с защитой инертными газами. Допускается точечную контактную сварку производить на воздухе при продолжительности контакта, порядка полупериода.

Диффузионную сварку ниобия производят в вакууме порядка 1×10-3 Па. Имеющиеся на свариваемых поверхностях оксидные пленки и адсорбированные газы удаляются при нагреве в основном за счет их растворения в матричном металле. Рекомендуется следующий режим сварки ниобия: Т=1250°C; р=14,7 МПа; t=5 мин. Для снижения температуры сварки с целью предотвращения чрезмерного роста зерен диффузионные процессы интенсифицируют за счет использования промежуточных металлов, которые наносят на свариваемые поверхности (например, напыление в вакууме). Толщина наносимого слоя - от нескольких десятков до нескольких тысяч нанометров. В качестве прокладки при сварке ниобия рекомендуется использовать никель, а сварку осуществлять на таком режиме: Т=1000°C; р=19,6 МПа; t=30 мин. Прочность сварного соединения составляет 0,9 прочности основного металла.

Типы сварных соединений ниобия и его сплавов

Поскольку чаще всего детали из ниобия и ниобиевых сплавов изготавливаются небольших толщин, то наиболее распространенный тип сварного соединения - стыковое без разделки кромок. Все остальные виды сварных соединений имеют ограниченное практическое применение.

Основные типы сварных соединений применяемых для сварки ниобия и его сплавов

а-г - стыковые соединения (а - одинаковой толщины; б - разной толщины; в - на остающейся подкладке; г - «в замок»);
д – с отбортовкой кромок;
е – нахлесточное соединение.

Основные типы применяемых сварных соединений ниобия и его сплавов.