Сварка никеля

Министерство образования Российской федерации Департамент образования и науки Пермской области Профессиональное училище №52 Письменная дипломная работа

на тему: “Сварка никеля”

Выпускник: Березин В.А.

Специальность:

Электрогазосварщик

Группа №18

Преподаватель по спецтехнологии

Трутнева О.М.

Работа допущена к

защите с оценкой:

г. Пермь

Введение

Знакомство человека с никелем состоялось, по-видимому, задолго до н.э.. Древ­ние китайцы, например, ещё в III веке до н.э. выполняли сплав никеля с медью и цин­ком – “Пактонг”, который пользовался спросом во многих странах. Бактрийцы же из­готавливали из этого сплава монеты. Одна из таких монет, выпущенная в 235 году до н.э., хранится в Британском музее в Лондоне.

Как элемент никель был открыт 1751 году шведским химиком Кронстедтом, ко­торый обнаружил его в минерале никелине. Но тогда этот минерал назывался иначе – купферникель (“Медный дьявол”). Дело в том, что ещё в средние века саксонские ру­докопы часто встречали минерал красноватого цвета. Из-за своей окраски камень был ошибочно принят ими за медную руду. Долго пытались металлурги выплавит из этой “медной руды” медь, но шансов на успех было едва ли больше, чем у алхимиков, на­деявшихся при помощи “философского камня” получить золото из мочи животных.

Возможно, средневековым аспирантам удалось в дальнейшем научно обосновать эту смелую гипотезу. Во всяком случае, попыток получить из красноватого минерала медь больше уже не предпринимали. А чтобы и впредь никто не соблазнился этой пус­той затеей, минерал решено было назвать “медным дьяволом”.

Кронстедт, вероятно, не был суеверным. Не убоявшись “дьявола”, он всё-таки сумел получить из купферникеля металл, но не медь, а какой-то новый элемент, кото­рый он и нарёк никелем.

Прошло ещё полвека, и немецкому химику Рихтеру удалось выделить из руды относительно чистый никель – серебристо-белый металл, с едва уловимым коричне­вым оттенком, очень ковкий и тягучий. Но о производстве никеля в промышленных масштабах тогда ещё и не было речи.

В 1865 году крупные месторождения никелевых руд были обнаружены в Новой Каледонии. Начальником горного департамента этой французской колонии незадолго до описываемых событий был назначен Жюль Гарнье, обладавший исключительной энергией и глубокими знаниями. Он тотчас развил бурную деятельность, надеясь найти на острове полезные ископаемые. Вскоре его поиски увенчались успехом: недра острова оказались богатыми никелем. В честь энергичного француза новокаледонский никель, содержащий минерал назвали Гарниеритом.

Спустя почти два десятилетия в Канаде при прокладке Тихоокеанской железной дороги рабочие наткнулись на громадные залежи медно-никелиевых руд.

Эти два открытия послужили мощным толчком к освоению промышленной до­бычи никеля. Приблизительно в те же годы было открыто и важное свойство этого элемента – улучшать качество стали. Правда, ещё в 1820 году знаменитый английский учёный Майкл Фарадей провёл несколько опытов по выплавке сталей, содержащих никель, но тогда они не смогли заинтересовать металлургов.

В конце прошлого века Обуховский завод (в Петербурге) получил ответственное задание военно-морского ведомства – освоить производство высококачественной ко­рабельной брони.

Созданием новой отечественной брони занялся замечательный русский метал­лург и металловед А.А. Ржемотарский. Напряжённая работа вскоре была успешно за­вершена. Обуховский завод начал выпускать отличную десятидюймовую броню из никелевой стали.

В наши дни никелевую сталь используют в мирных целях. Из неё изготавливают хирургические инструменты, детали химической аппаратуры, предметы домашнего обихода.

Не менее важное “занятие” никеля – создание разнообразных сплавов с другими металлами. Ещё в начале XIX века металлургов и химиков охватила “эпидемия” поис­ков нового сплава, способного полностью заменить серебро для изготовления посуды и столовых приборов. В роли “вируса” выступала солидная премия, обещанная тому счастливчику, который сможет создать такой сплав. Вот тогда-то и вспомнили о древ­нем китайском сплаве. Почти одновременно различным учёным, взявшим за основу состав пактонга, удалось получить медно-никелевые сплавы, весьма сходные с сереб­ром.

В 1926 году удалось создать медно-никелевый сплав, которому не была проти­вопоказана морская служба. Теперь моряки могли быть твёрдо уверены, что трубки не подведут их в трудную минуту.

Сейчас число никелевых сплавов, находящих широкое применение в технике, в быту, в ювелирном деле, превысила 3000!

Из сплава на основе никеля (до 75 %) выполнены турбинные лопатки воздуш­ного лайнера “ТУ-104”.

Несколько лет назад учёные создали новый сплав – никоси, названный так по первым слогам входящих в него компонентов: 94% никеля, 4% кольбата и 2% кремния (“силиция”). Испытания показали, что никоси поможет создать мощные источники ультразвука.

Широкую известность никель приобрёл благодаря своей способности защищать металлы от окисления. Никелирование не только предохраняет изделия от коррозии, но и предаёт им красивый внешний вид. Весёлый блик кастрюль, кофейников и само­варов – всё это “проделки” никеля, тонким слоем которого покрыты многие предметы обихода.

Впервые попытку использовать этот металл в качестве покрытия предпринял в 1842 году немецкий учёный Бетгер. Однако ему не удалось добиться своей цели, так как никель, которым в то время располагала техника, содержал посторонние примеси, мешавшие гальваническим путём наносить покрытие. Тончайшая плёнка никеля на­дёжно охраняет сегодня железо, позволяя сберечь от коррозии огромные количества этого металла.

Работники пищевой промышленности знакомы с никелем по его соединению – карбонилу, который служит катализатором при производстве маргарина и майонеза.

В начале нашего века владелец Санкт-Петербургского свечного и стеаринового заводов некто Жуков начал варить мыло с применением какого-то вещества, секрет которого предприимчивый заводчик до конца своих дней хранил в строжайшей тайне. Только после его смерти выяснилось, что загадочным веществом был тетракарбонил никеля, при разложении которого выделяется высокодисперсный металлический ни­кель. Он-то и оказывает сильное каталитическое действие на процесс отвердения жи­ров. С этим катализатором нужно быть осторожным: он очень токсичен – в пять раз токсичнее угарного газа.

Из соединений никеля важное значение имеет также его окись, используемая для изготовления щелочных железоникелевых аккумуляторов.

В периодической системе никель расположен рядом с железом и кобальтом. Бу­дучи во многом сходными, эти элементы образуют так называемую триаду. Любо­пытно, что из 104 известных в настоящее время элементов при обычных условиях лишь члены железной природы обладают ферромагнитными свойствами. Эта “семей­ственность” доставляет много хлопот металлургам: отделить никель от кобальта – за­дача не из лёгких. Да и другая соседка никеля по таблице элементов – медь – тоже очень неохотно расстаётся с ним. В природе же и кобальт, и медь, как правило, сопут­ствуют никелю. Разделение этих элементов – сложный многостадийный процесс. Именно по этому никель считается одним из наиболее дорогих и дефицитных про­мышленных металлов.

В земной коре содержится 0,008% никеля. Не думайте, что это мало. Общее ко­личество никеля оценивается приблизительно в 10 тонн.

По разведанным запасам никеля наша страна занимает одно из первых мест в мире. Среди капиталистических стран ведущая роль в добыче никелевых руд принад­лежит Канаде.

В отличие от Земли, где никель встречается лишь “в компании” с другими эле­ментами, многие небесные тела располагают чистым никелем. Если бы вам удалось достать с неба звезду, вы возможно нашли бы на ней изотоп никеля – никель-80 (на Земле этот элемент существует в виде пяти более лёгких изотопов). Удельный вес земного никеля – 8,9 грамма на кубический сантиметр. На звёздах, где плотность ма­терии очень велика (например, на белых карликах), 1 кубический сантиметр никеля весит тонны!

В довольно больших количествах космический никель попадает и на нашу пла­нету. По подсчётам советских учёных, ежегодно на каждый квадратный километр ми­рового океана падает в виде метеоритов до 250 граммов никеля.

Технологическая часть

При сварке никеля возникают следующие затруднения:

·     поглощение газов жидким металлом и резкое падение их растворимости при пере­ходе металла в твёрдое состояние, что приводит к пористости шва. Поэтому лучше применять правую сварку, дающую замедленное охлаждение металла шва, что уменьшает пористость;

·     образование тугоплавкой окиси никеля, имеющей температуру плавления 1650 - 1660°С. Удаление окисей осуществляется с помощью флюсов: плавленой буры; смеси из 25% буры и 75% борной кислоты; насыщенного раствора борной кислоты в спирте; смеси из 50% борной кислоты, 30% буры, 10% поваренной соли и 10% уг­лекислого бария. Применяют и более сложные флюсы, содержащие, кроме буру и борной кислоты, хлористые соединения магния, марганца и лития, а также хлори­стый кобальт, феррованадий и титановый концентрат.

Газовой сваркой никель сваривается удовлетворительно. Листы толщиной до 1,5 мм свариваются без присадочного металла, с отбортовкой кромок на высоту (1 + 1,5) S, где S – толщина металла, мм. Листы толщиной до 4 мм свариваются встык без скоса кромок. Для больших толщин делают односторонний скос под углом 35-45°. Сварку внахлёстку не применяют ввиду значительных деформаций при нагревании листов. Листы перед сваркой скрепляют прихватками через каждые 100-200 мм. Сварку ведут отдельными участками обратноступенчатым способом.

Пламя не должно иметь избытка кислорода, который вызывает появление пор, а наплавленный металл получается хрупким. Допустимо применять пламя с небольшим избытком ацетилена. При сварке никеля мощность пламени берут 140-200 дм/ч аце­тилена, а при сварке монельметалла* - 100 дм/ч на 1 мм толщины металла. В качестве присадки применяют полоску из основного металла или проволоку такого же состава. Диаметр проволоки должен быть равен половине толщины свариваемого листа. Хо­рошие результаты даёт никелевая проволока, содержащая до 2% марганца и не более 0,2% кремния. Предел прочности сварного соединения 26-28 кгс/мм, угол загиба до 90°.

Сварка нихрома (75-80% никель, 15-18% хрома, до 1,2-1,4% марганца), имею­щего температуру плавления 1390°С и малую теплопроводность, затрудняется образо­ванием тугоплавкой плёнки окиси хрома, которую удаляют механическим путём. Сварку следует вести с максимальной скоростью и без перерывов. Повторная и много­слойная сварка вызывает трещины, рост зерна и межкристаллитную коррозию металла шва.

Пламя должно иметь некоторый избыток ацетилена. Мощность пламени 50-70 дм/ч ацетилена на 1 мм толщины металла. Применяют флюс-пасту состава (%): буры 40; борной кислоты 50; хлористого натрия или фтористого калия 10; флюс разводят на воде. В качестве присадочного прутка применяют полоску из свариваемого металла шириной 3-4 мм или проволоку из нихрома ЭХН-80. После отжига сварное соедине­ние имеет предел прочности 35-45 кгс/мм.

Никель относится к переходным d-металлам, расположен в восьмой группе пе­риодической системы элементов Д.И. Менделеева и является одним из важных про­мышленных металлов. Чистый никель имеет высокую прочность и пластичность. Вы­сокие пластические свойства никель сохраняет при низких температурах. При 20 К предел прочности никеля достигает 774 МПа, а относительное удлинение – 48%. Ни­кель обладает высокой химической стойкостью. По сопротивляемости коррозии он превосходит медь и латунь, устойчив против коррозии в морской воде, в нейтральных и щелочных растворах солей, серной, азотной, соляной и угольной кислот. Достаточно стоек в разбавленных органических кислотах и исключительно стоек в щелочах любой концентрации. Температура плавления никеля 1 728 К, плотность 870 – 890 кг/м, ко­эффициент линейного расширения 13,3 * 10К.

Никель широко применяется в химической промышленности для изготовления аппаратуры, в электронной промышленности для изготовления деталей электроваку­умных приборов и внутриламповой арматуры (анодов, сеток, кернов оксидных като­дов), а так же в других отраслях промышленности. Сложнолегированные никелевые жаропрочные сплавы являются основным конструкционным материалом современных газовых турбин, реактивных и ракетных двигателей, летательных аппаратов (диски, лопатки, роторы и др.). В электрохимической промышленности применяются сплавы никеля с медью и железом типа монель и константан для изготовления катодов.

Особенности диффузионной сварки никеля и его сплавов определяются их свой­ствами и составом, в частности термодинамической прочностью окисной плёнки, со­противлением ползучести и деформационной способностью металла. На чистом ни­келе при нагреве образуется только один окисел NIO, имеющий сравнительно высо­кую упругость диссоциации 1,3 * 10 - 1,3 * 10 Па при 1 273 – 1 373 К. Однако ни­кель, как d–переходный металл, образует с кислородом устойчивый хемосорбирован­ный комплекс. Удаление кислорода обусловлено его диффузией при сварке в глубь металла. Растворимость кислорода в никеле составляет 0,012% при 1 473 К и с пони­жением температуры увеличивается. Расчёты показывают, что длительность растворе­ния окисной плёнки толщиной 0,005 мкм в никеле при температуре 1 173 – 1 473 К из­меняется от нескольких секунд до десятых долей секунды. Поэтому окисная плёнка на никеле не вызывает особых затруднений пр сварке. Электротехнические никелевые сплавы типа монель и константан также образуют термодинамически непрочные окислы, близкие к никелю по другим свойствам, и их сварка существенно не отлича­ется от сварки никеля. Жаропрочные никелевые сплавы являются сложнолегирован­ными и имеют в своём составе хром, алюминий, титан, молибден, вольфрам, ниобий и другие элементы, обладающие большим сродством к кислороду и обеспечивающие высокую жаростойкость и жаропрочность. Именно эти свойства и затрудняют диффу­зионную сварку жаропрочных сплавов. Наличие весьма прочной и трудно удалимой окисной плёнки, богатый хромом, алюминием, титаном, препятствует диффузионной сварке. Удаление этих окислов из стыка связана с протеканием сложных окисли­тельно-восстановительных процессов.

Повышение жаропрочности и сопротивления ползучести за счёт молибдена, вольфрама и других элементов, подавляющих диффузионную подвижность атомов. Этим обусловлена также более высокая, чем у обычных сталей, температура рекри­сталлизации жаропрочных сплавов. Естественно, что получение сварных соединений способом, сущность которого заключается в использовании процессов диффузии и рекристаллизации, затруднено. Термодеформационное воздействие при диффузионной сварке жаропрочных сплавов должно быть более сильным, чем при сварке углероди­стых и низколегированных сталей. За нижний предел температуры сварки принимают температуру начала развития процентов рекристаллизации и диффузии. Для большин­ства жаропрочных сплавов эта температура близка к 1 323 – 1 373 К. За верхний пре­дел температуры сварки принимают температуру разупрочнения сплавов. При этом следует учитывать также возможность резкого падения пластичности сплавов с по­вышением температуры.

Приведена диаграмма технологической пла­стичности двух никелевых сплавов. Из диаграммы следует, что при 1 473 К происходит резкое падение пластичности сплавов. Если при диффузионной сварке жаропрочных сплавов в результате пластиче­ской деформации сжатия произойдёт течение ме­талла, то в зоне соединения образуются трещины. Та­кое состояние возможно, несмотря на малые вели­чины деформации при диффузионной сварке, так как с повышением температуры пластичность металла близка к нулю. Таким образом, верхний предел тем­пературы сварки большинства жаропрочных сплавов не превышает 1 473 – 1 523 К. Остальные параметры режимов диффузионной сварки жаропрочных сплавов опреде­ляют так же, как и для других металлов, исходя из условий ползучести и диффузии.

Диффузионную сварку в вакууме никеля и никеля с другими металлами можно выполнять в широком диапазоне параметров режима, однако в большинстве работ ре­комендуется температура 1 273 К, давление сжатия 14,7 МПа, время сварки 10 минут при вакууме 1,3 * 10Па. С экспериментальными данными согласуются расчётные [5], полученные из условия образования фактического контакта при установившейся пол­зучести по уравнению: t = A exp , где t – длительность сглаживания микро неровностей, с; А – коэффициент, зависящий от чистоты и класса обработки поверх­ности, равный 5 * 10 при обработке по Rа = 1,25 мкм; В – коэффициент, изменяю­щийся от 5 * 10 до 7 * 10; р – давление сжатия, МПа; m – коэффициент, изменяю­щийся обычно от 3 до 5; DН - энергия активации ползучести, кДж/моль; R – универ­сальная газовая постоянная; R = 8,315 кДж/моль; Т – температура сварки, К.

Закономерности диффузионных процессов в приконтактной зоне при сварке ни­келя изучены в работе [8]. Установлена неоднородность диффузионного потока в при­контактных слоях никеля, обусловленная рельефом соединяемых поверхностей и не­однородностью пластической деформации приповерхностных слоёв металла. В узкой приконтактной зоне наблюдается высокая скорость диффузии (коэффициент диффу­зии 10 - 10 см/с), что соответствует диффузионной подвижности вдоль границ зё­рен с наиболее благоприятной для диффузии разориентировкой зёрен. Причём в слу­чае предварительного электролитического полирования поверхностей, глубина этой зоны 10 мкм, а при механическом шлифовании эффект ускорения диффузии сохраня­ется на значительном расстоянии от поверхности. С повышением температуры и дав­ления сжатия диффузионный поток становится более однородным по всей прикон­тактной зоне. Энергия активации равна, примерно, половине энергии активации само­диффузии никеля и изменяется в зоне сварки. Минимальное значение энергии актива­ции близко к энергии активации зернограничной диффузии и увеличивается по мере удаления от поверхности контактирования. Выполненные в ряде работ исследования показали, что приведённый режим обеспечивает протекание всех процессов, необхо­димых для получения качественных соединений с пределом прочности до 539 МПа. Повышение температуры сварки до 1 373 К приводит к значительному росту зерна за счёт собирательной рекристаллизации. Увеличение времени сварки также приводит к некоторому разупрочнению металла в зоне соединения. Уменьшение времени сварки возможно при более тщательной подготовке соединяемых поверхностей. Сварку ни­келя можно выполнять не только в вакууме, но и в водороде. В некоторых работах ис­пользовали водород с точкой росы 233 К.

Примером диффузионной сварки изделий из никеля может служить изготовле­ние керна оксидного катода водородного тиратрона, как показано на рисунке.

Диффузионную сварку электротехнических никелевых сплавов типа монель и константан проводят в многоместных приспособлениях, обеспечивающих сварочное давление за счёт различия в коэффициентах линейного расширения свариваемых ме­таллов и металла оправки. Стяжные болты обычно изготавливают из молибдена. Ре­жимы сварки электротехнических сплавов незначительно отличаются от режимов сварки никеля, что обусловлено разницей в их физико-механических свойствах. На­пример, введение меди приводит к снижению сопротивления металла деформирова­нию, к интенсификации диффузионных и рекристаллизационных процессов и к сни­жению температуры сварки до 1 173 К.

Материал	DIN	Шифр	Тип	Химический состав % (по массе)										Применение
				Ni	Cu	Fe	Ai	Ti	Cr	Mo	Mn	Si	ост
Никель	17740	2.4050 2.4060 2.4068	-	99,0-99,8	-	-	-	-	-	-	-	-	-	Химические аппараты, детали ламп накалива­ния и электрон­ных трубок
Никеле­медные сплавы	17743	2.4360 2.4866	Монель   К-монель	>63 >63	28-34 28-34	1,0-2,5 1,0-2,0	2-4	0,3-1,0 -	- -	- -	- -	- -	- -	Химические аппараты, корро­зионно-опасные детали конст­рукций (К-мо­нель закали­ваема)
Никеле-хроможе­лезистые сплавы	17742	2.4816	Ин-конель	>72	-	6-10	-	-	14-17	-	-	-	-	Жаро- и огне­стойкие детали, химические аппараты
Никеле хромовые сплавы	-	-	Нимоник	Ост	-	7-5	-	-	18-21	-	1	1	0-23-со	Химические аппараты
Никеле молибде­новые и никеле хромомо­либдено­вые сплавы	17744	2.4810	Хастелой В Хасте­лой С	>62 >52	- -	4-7 4-7	- -	- -	- 14-18	26-30 15-18	- -	- -	3-5w	Химические аппараты при коррозии под напряжением

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.