Volfram i njegove legure mogu se uspješno spajati plinskim volframovim elektrolučnim zavarivanjem,
zavarivanje plinskim volframovim elektrolučnim lemljenjem, zavarivanje elektronskim snopom i kemijskim taloženjem iz pare.

Procijenjena je zavarljivost volframa i niza njegovih legura konsolidiranih elektrolučnim lijevanjem, metalurgijom praha ili tehnikama kemijskog taloženja iz plina (CVD). Većina korištenih materijala bili su nominalno debljine 0,060 inča. Korišteni postupci spajanja bili su (1) plinsko elektrolučno zavarivanje, (2) plinsko volframovo elektrolučno zavarivanje, (3) zavarivanje elektronskim snopom i (4) spajanje pomoću CVD.
Volfram je uspješno zavaren svim ovim metodama, ali na čvrstoću zavara uvelike su utjecale vrste osnovnog i dodatnog metala (tj. proizvodi u prahu ili lučno lijevani). Na primjer, zavari u lučno lijevanom materijalu bili su relativno bez poroznosti, dok su zavari u proizvodima metalurgije praha obično bili porozni, osobito duž linije taljenja. Za plinski volfram-lučni (GTA) varove u 1/1r, in. nelegiranom volframovom limu, minimalno predgrijavanje od 150° C (što je utvrđeno da je prijelazna temperatura duktilno-krhkog osnovnog metala) proizvelo je varove bez pukotina. Kao osnovni metali, legure volframa i renija mogle su se zavarivati ​​bez prethodnog zagrijavanja, ali poroznost je također bila problem kod praškastih proizvoda od legura volframa. Čini se da predgrijavanje ne utječe na poroznost zavara koja je primarno ovisila o vrsti osnovnog metala.
Temperature prijelaza iz duktilne u krhku (DBIT) za varove s plinskim volframom u različitim vrstama volframa u metalurgiji praha bile su 325 do 475 °C, u usporedbi sa 150 °C za osnovni metal i onom od 425 °C za zavarene elektronskim snopom lučno lijevani volfram.
Lemljenje volframa s različitim dodatnim metalima očigledno nije dalo bolja svojstva spoja od drugih metoda spajanja. Koristili smo Nb, Ta, W-26% Re, Mo i Re kao dodatne metale u zavarenim lemljenjima. Nb i Mo uzrokovali su ozbiljno pucanje.

Spajanje CVD na 510 do 560°C

eliminirao sve osim male količine poroznosti i također eliminirao probleme povezane s visokim temperaturama potrebnim za zavarivanje (kao što su velika zrna u zavarivanju i zonama pod utjecajem topline).
Uvod
Volfram i legure na bazi volframa razmatraju se za niz naprednih nuklearnih i svemirskih primjena, uključujući uređaje za termioničku konverziju, letjelice za ponovni ulazak, visokotemperaturne gorive elemente i druge komponente reaktora. Prednosti ovih materijala su njihove kombinacije vrlo visokih temperatura taljenja, dobre čvrstoće na povišenim temperaturama, visoke toplinske i električne vodljivosti i odgovarajuće otpornosti na koroziju u određenim okruženjima. Budući da krtost ograničava njihovu mogućnost izrade, korisnost ovih materijala u strukturnim komponentama pod rigoroznim uvjetima rada uvelike ovisi o razvoju postupaka zavarivanja kako bi se osigurali spojevi koji su po svojstvima usporedivi s osnovnim metalom. Stoga su ciljevi ovih studija bili (1) odrediti mehanička svojstva spojeva proizvedenih različitim metodama spajanja u nekoliko vrsta nelegiranog i legiranog volframa; (2) vrednovati učinke različitih modifikacija toplinske obrade i tehnike spajanja; i (3) demonstrirati izvedivost izrade ispitnih komponenata prikladnih za specifične primjene.
Materijali
Nelegirani volfram m叮10 m. debele ploče bile su materijal od najvećeg interesa. Nelegirani volfram u ovoj studiji proizveden je metalurgijom praha, elektrolučnim lijevanjem i tehnikama kemijskog taloženja. Tablica 1 prikazuje razine nečistoća proizvoda metalurgije praha, CVD i lučno lijevanog volframa kako su primljeni. Većina spada unutar raspona koji se nominalno nalaze u volframu

ali treba napomenuti da je CVD materijal sadržavao više od norma] količine fluora.
Za usporedbu su spojene različite veličine i oblici volframa i legura volframa. Većina njih bili su proizvodi metalurgije praha, iako su neki materijali od elektrolučnog lijeva bili i zavareni. Za određivanje izvedivosti građevinskih struktura i komponenti korištene su specifične konfiguracije. Svi materijali su primljeni u potpuno hladnom obrađenom stanju s izuzetkom CVD volframa, koji je primljen kao deponiran. Zbog povećane krtosti prekristaliziranog i krupnozrnatog volframa materijal je zavaren u obrađenom stanju kako bi se minimalizirao rast zrna u zoni utjecaja topline. Zbog visoke cijene materijala i relativno malih dostupnih količina, dizajnirali smo ispitne uzorke koji su koristili minimalnu količinu materijala u skladu s dobivanjem željenih informacija.
Postupak
Budući da je temperatura prijelaza iz duktilnog u lomljivo (DBTT) volframa iznad sobne temperature, potrebno je posebno paziti pri rukovanju i strojnoj obradi kako bi se izbjeglo pucanje1. Smicanje uzrokuje pucanje rubova i otkrili smo da brušenje i obrada električnim pražnjenjem ostavljaju toplinske čekove na površini. Osim ako se ne uklone preklapanjem, te se pukotine mogu proširiti tijekom zavarivanja i kasnije upotrebe.
Volfram, kao i svi vatrostalni metali, mora se zavarivati ​​u vrlo čistoj atmosferi ili inertnog plina (plin-tungsten-arc proces) ili vakuuma (elektronski snop pro:::ess)2 kako bi se izbjegla kontaminacija zavara intersticijskim elementima. Budući da volfram ima najvišu točku taljenja od svih metala (3410° C), oprema za zavarivanje mora biti sposobna izdržati visoke radne temperature.

Tablica 1

Korištena su tri različita postupka zavarivanja: plinsko elektrolučno zavarivanje, plinsko volframsko elektrolučno zavarivanje i zavarivanje elektronskim snopom. Za svaki materijal utvrđeni su uvjeti zavarivanja potrebni za potpunu elektrizaciju uz minimalni energetski unos. Prije zavarivanja, limeni materijal je strojno obrađen u 囚in. široke praznine i odmašćene etilnim alkoholom. Dizajn spoja bio je kvadratni utor bez korijenskog otvora.
Plinsko elektrolučno zavarivanje
Svi automatizirani i ručni plinski volfram-lučni zavari izvedeni su u ehamheru koji je održavan ispod 5 x I ili. torr oko 1 sat i zatim ponovno ispunjen vrlo čistim argonom. Kao što je prikazano na slici 1A, komora je bila opremljena mehanizmom za pomicanje i glavom gorionika za automatsko zavarivanje. Radni komad držan je u bakrenom učvršćenju s umetcima od volframa na svim točkama kontakta kako bi se spriječilo lemljenje za rad uslijed zavarivanja. U podnožju ovog učvršćenja nalazili su se električni grijači uložaka koji su prethodno zagrijali rad na željenu temperaturu, slika 1 B. Svi zavari su napravljeni brzinom kretanja od 10 ipm, strujom od oko 350 ampera i naponom od 10 do 15 V. .
Zavarivanje s plinskim volframom-A『c lemljenjem
Varovi za lemljenje plinskim volframom napravljeni su u komori s inertnom atmosferom tehnikama sličnim

gore opisani. Lemljeni zavari zrna na ploči izrađeni od volframa i W-26% Re dodatnog metala napravljeni su ručno; međutim, sučeono lemljeni zavari su zavareni automatski nakon što je dodatni metal stavljen u sučeoni spoj.
Zavarivanje elektronskim snopom
Varovi snopa elektrona izvedeni su u stroju od 150 kV 20 mA. Tijekom zavarivanja održavan je vakuum od oko 5 x I o-6 torr. Zavarivanje elektronskim snopom daje vrlo visok omjer dubine i širine i usku zonu utjecaja topline.
』zamazivanje kemijskom parnom dispozicijom
Spojevi od volframa izrađeni su taloženjem nelegiranog metala za punjenje volframa postupkom kemijskog taloženja3. Volfram je taložen vodikovom redukcijom volframovog heksafluorida prema reakciji-t
vrućina
WFs(g) + 3H,(g)一–+W(s) + 6HF(g).
Korištenje ove tehnike za spajanje zahtijevalo je samo manje promjene u uređajima i raspodjeli protoka reaktanata. Primarna prednost ovog procesa u odnosu na konvencionalnije metode spajanja je ta što su niske temperature koje se koriste (510 do 650 °C) mnogo niže od tališta

volfram (3410 °C), rekristalizacija i moguća daljnja krtost kovanog osnovnog metala volframa nečistoćama ili rastom zrna svedeni su na minimum.
Proizvedeno je nekoliko dizajna spojeva, uključujući čeone i zatvarače na krajevima cijevi. Taloženje je izvedeno uz pomoć bakrenog igla koji je korišten kao učvršćenje, dio za poravnanje i podloga. Nakon što je taloženje završeno, eopper trn je uklonjen jetkanjem. Budući da je drugi rad” pokazao da CVD volfram posjeduje kompleksna zaostala naprezanja nakon taloženja, ovi su spojevi bili podvrgnuti naprezanju 1 sat na 1000 ° do 1600 °C prije strojne obrade ili testiranja.
Inspekcija i testiranje
Spojevi su pregledani vizualno i tekućim penetrantom te radiografijom prije nego što su ispitani. Tipični zavareni spojevi kemijski su analizirani na kisik i dušik (tablica 2), a opsežna metalografska ispitivanja obavljena su tijekom studije.
Zbog svoje inherentne jednostavnosti i prilagodljivosti malim uzorcima, ispitivanje savijanjem korišteno je kao primarni kriterij za cjelovitost spojeva i usporedbu procesa. Temperature prijelaza duktilno-krhko određene su s aparatom za savijanje u tri točke za spojeve kako zavarene tako i nakon starenja. Osnovni uzorak za ispitivanje savijanjem bio je uzdužni

čeoni zavoj, 24 t dužine i 12 t širine, gdje je t debljina uzorka. Uzorci su oslonjeni na raspon od 15 t i savijeni klipom polumjera 4 t brzinom od 0,5 ipm. Ova geometrija težila je normalizaciji podataka dobivenih na različitim debljinama materijala. Uzorci su se obično savijali poprečno na zavareni šav (uzorak za uzdužno savijanje) kako bi se osigurala jednolika deformacija zavara, zone utjecaja topline i osnovnog metala; međutim, nekoliko je uzoraka savijeno duž zavarenog šava (uzorak poprečnog savijanja) radi usporedbe. Zavoji lica korišteni su u početnim dijelovima istraživanja; međutim, zbog blagog zareza koji se nalazi na dijelovima većine zavara zbog težine rastaljenog metala, zavoji korijena su zamijenjeni u kasnijim ispitivanjima. Preporuke Savjetodavnog odbora za materijale6 koje se tiču ​​ispitivanja savijanja uzoraka limova su poštovane što je točnije moguće. Zbog ograničenog materijala odabrani su najmanji preporučljivi uzorci.
Kako bi se odredila prijelazna temperatura savijanja, uređaj za savijanje bio je zatvoren u peći koja može brzo podići temperaturu na 500 °C. Savijanje od 90 do 105 stupnjeva smatralo se punim savijanjem. DBTT je definiran kao najniža temperatura pri kojoj se speeimen potpuno savija bez pucketanja. Iako su ispitivanja provedena na zraku, promjena boje uzoraka nije bila vidljiva sve dok temperature ispitivanja nisu dosegle 400 °C.

Slika 1

Rezultati za nelegirani volfram
Opća zavarljivost
Plinski Turzgstea-lučno zavarivanje—u plinskom volfram-lučnom zavarivanju od 1 乍in. debelog nelegiranog lima, rad mora biti znatno prethodno zagrijan kako bi se spriječio krti slom pod naprezanjem izazvanim toplinskim šokom. Slika 2 prikazuje tipičan prijelom nastao zavarivanjem bez odgovarajućeg predgrijavanja. U lomu je vidljiva krupna veličina zrna i oblik zavara i zona utjecaja topline. Ispitivanje temperatura predgrijavanja od sobne temperature do 540°C pokazalo je da je predgrijavanje na minimalno 150°C potrebno za dosljednu proizvodnju sučeonih zavara u jednom prolazu bez pukotina. Ova temperatura odgovara DBTI osnovnog metala. Čini se da prethodno zagrijavanje na više temperature nije bilo potrebno u ovim testovima, ali materijal s višim DBTI ili konfiguracijama koje uključuju veće koncentracije naprezanja ili masivnije dijelove, može zahtijevati prethodno zagrijavanje na više temperature.
Kvaliteta zavara uvelike ovisi o postupcima koji se koriste u proizvodnji osnovnih metala. Autogeni zavari u lučno lijevanom volframu u biti su bez poroznosti, sl.
3A, ali zavare u metalurgiji praha volframa karakterizira velika poroznost, slika 3 (b), osobito duž linije taljenja. Količina ove poroznosti, slika 3B, posebno duž 3C, u zavarenim spojevima izrađenim u zaštićenom proizvodu niske poroznosti (GE-15 proizveden od strane General Electric Co., Cleveland).
Plinski volfram-lučni zavari u CVD volframu imaju neobične zone utjecaja topline zbog zrnate strukture 0£bazni metaF. Slika 4 prikazuje lice i odgovarajući poprečni presjek takvog plinsko-lučnog sučeonog zavara. Imajte na umu da su sitna zrna na površini podloge narasla zbog topline zavarivanja. Također je evidentan nedostatak rasta velikog stupa

žitarica. Stubasta zrna imaju plin
bubb_les na granicama zrna uzrokovanih nečistoćama fluora8. Shodno tome, ako
fino zrnasta površina supstrata uklanja se prije zavarivanja, zavar ne sadrži metalografski detektabilnu zonu pod utjecajem topline. Naravno, u obrađenom CVD materijalu (kao što su ekstrudirane ili vučene cijevi) zona zavara pod utjecajem topline ima normalnu rekristaliziranu strukturu zrna.
Pronađene su pukotine u stupčastim granicama zrna u RAZ nekoliko zavara u CVD volframu. Ovo pucanje, prikazano na slici 5, uzrokovano je brzim stvaranjem i rastom mjehurića na granicama zrna pri visokim temperaturama9. Na visokim temperaturama koje su uključene u zavarivanje, mjehurići su mogli pojesti velik dio graničnog područja zrna; to je, u kombinaciji s naprezanjem nastalim tijekom hlađenja, razdvojilo granice zrna i stvorilo pukotinu. Istraživanje stvaranja mjehurića u naslagama volframa i drugih metala tijekom toplinske obrade pokazuje da se mjehurići pojavljuju u metalima taloženim ispod 0,3 Tm (homologna temperatura taljenja). Ovo zapažanje sugerira da se mjehurići plina formiraju spajanjem zarobljenih praznina i plinova tijekom žarenja. U slučaju CVD volframa, plin je vjerojatno fluor ili spoj fluorida
Zavarivanje elektronskim snopom—nelegirani volfram je zavaren elektronskim snopom sa i bez predgrijavanja. Potreba za predgrijavanjem varirala je ovisno o uzorku. Kako bi se osiguralo da u zavaru nema pukotina, preporučuje se prethodno zagrijavanje osnovnog metala najmanje na DBTT. Zavarivanje elektronskim snopom u proizvodima metalurgije praha također ima prethodno spomenutu poroznost zavara.

Plinski volfram-lučno lemljeno zavarivanje一 U nastojanju da utvrdimo može li se lemljenje zavarivati ​​s prednostima, eksperimentirali smo s plinskim volframovim postupkom za pravljenje lemljenih varova na metalurgiji praha od volframovog lima、 Lemljeni varovi napravljeni su prethodnim postavljanjem dodatnog metala duž sučeoni spoj prije zavarivanja. Varovi za lemljenje proizvedeni su s nelegiranim Nb, Ta, Mo, Re i W-26% Re kao dodatnim metalima. Kao što se i očekivalo, postojala je poroznost na liniji taljenja u metalografskim presjecima svih spojeva (slika 6) budući da su bazni metali proizvodi metalurgije praha. Zavari napravljeni s dodatnim metalima niobijem i molibdenom su popucali.
Tvrdoće zavarenih i lemljenih zavarenih spojeva uspoređivane su pomoću studije zavarenih spojeva na ploči napravljenih s nelegiranim volframom i W一26% Re kao dodatnim metalima. Plinski volframovi zavari i lemljeni zavari izrađeni su ručno na nelegiranim proizvodima metalurgije u prahu volframa (niska poroznost, zaštićeni (GE-15) stupanj i tipični komercijalni stupanj). Zavari i lemljeni zavari u svakom materijalu starili su se na 900, 1200, 1600 i 2000°C 1, 10, 100 i 1000 sati. Uzorci su ispitani metalografski, a mjerene su krivulje tvrdoće preko zavara, zone pod utjecajem topline i osnovnog metala i nakon zavarivanja i nakon toplinske obrade.

Tablica 2

Slika2

Budući da su materijali korišteni u ovoj studiji bili proizvodi metalurgije praha, različite količine poroznosti bile su prisutne u naslagama zavara i lemljenog zavara. Opet, spojevi izrađeni od tipičnog baznog metala volframa za metalurgiju praha imali su veću poroznost od onih napravljenih s niskom poroznošću, zaštićenim volframom. Lemljeni zavari napravljeni s W—26% Re dodatnim metalom imali su manju poroznost od zavara napravljenih s nelegiranim volframovim dodatnim metalom.
Nije uočen utjecaj vremena ili temperature na tvrdoću zavara napravljenih s nelegiranim volframom kao dodatnim metalom. Kod zavarivanja, mjerenja tvrdoće zavara i osnovnog metala bila su u biti konstantna i nisu se mijenjala nakon starenja. Međutim, lemljeni zavari napravljeni s W-26% Re dodatnim metalom bili su znatno tvrđi u proizvodnji od osnovnog metala (slika 7). Vjerojatno je veća tvrdoća zavarenog nanosa W-Re bröe posljedica otvrdnjavanja čvrste otopine i/ili prisutnosti faze fino raspoređene u skrutnutoj strukturi. Fazni dijagram volframrenija11 pokazuje da bi se lokalizirana područja visokog sadržaja renija mogla pojaviti tijekom brzog hlađenja i rezultirati stvaranjem tvrde, lomljive faze u visoko odvojenoj podstrukturi. Moguće je da je er faza bila fino raspršena u zrncima ili granicama zrna, iako nijedno nije bilo dovoljno veliko da bi se identificiralo metalografskim ispitivanjem ili difrakcijom X-zraka.
Tvrdoća je prikazana kao funkcija udaljenosti od središnje linije lemljenog zavara za različite temperature starenja na slici 7A. Obratite pažnju na naglu promjenu

u tvrdoći na liniji taljenja. S povećanjem temperature starenja, tvrdoća lemljenog zavara se smanjivala sve dok, nakon 100 sati na J 600° C, tvrdoća nije bila ista kao i tvrdoća nelegiranog osnovnog metala volframa. Ovaj trend smanjenja tvrdoće s porastom temperature održao se za sva vremena starenja. Povećanje vremena pri konstantnoj temperaturi također je uzrokovalo slično smanjenje tvrdoće, kao što je prikazano za temperaturu starenja od 1200°C na slici 7B.
Spajanje kemijskim taloženjem iz parne pare—Spajanje volframa CVD tehnikama istraživano je kao metoda za izradu zavara u različitim izvedbama uzoraka. Upotrebom odgovarajućih učvršćivača i maski za ograničavanje taloženja na željena područja, ploče od volframa spojene su CVD i metalurgijom praha te su proizvedeni završni zatvarači na cijevima. Taloženje u kosinu s uključenim kutom od oko 90 stupnjeva proizvelo je pucanje, slika 8A, na sjecištima stupčastih zrnaca koja rastu s jedne strane kosine i podloge (koja je urezana). Međutim, dobiveni su spojevi visokog integriteta bez pucanja ili velikog nakupljanja nečistoća, slika 8B, kada je konfiguracija spoja promijenjena brušenjem prednje strane osnovnog metala do polumjera od ¼ in. tangenta na korijen zavara. Kako bi se demonstrirala tipična primjena ovog procesa u proizvodnji gorivih elemenata, napravljeno je nekoliko krajnjih zatvarača u cijevima od volframa. Ovi su spojevi bili nepropusni kada su testirani detektorom curenja helijevim masenim spektrometrom.

Slika 3

Slika 4

Slika 5

Mehanička svojstva
Testovi savijanja fuzionih zavara一Krivulje prijelaza iz duktilnog u lomljivo utvrđene su za različite spojeve u nelegiranom volframu. Krivulje na slici 9 pokazuju da je DBTT dvaju baznih metala iz metalurgije praha bio oko 150° C. Tipično, DBTT (najniža temperatura na kojoj se može napraviti savijanje od 90 do 105 stupnjeva) oba materijala uvelike se povećao nakon zavarivanja . Temperature prijelaza porasle su za oko 175°C na vrijednost od 325°C za tipični volfram metalurgije praha i porasle su za oko 235°C na vrijednost od 385°C za zaštićeni materijal niske poroznosti. Razlika u DBTT zavarenog i nezavarenog materijala pripisana je velikoj veličini zrna i mogućoj redistribuciji nečistoća u zavarima i zonama utjecaja topline. Rezultati ispitivanja pokazuju da je DBTT tipičnih zavarenih spojeva metalurgije praha od volframa bio niži nego kod zaštićenog materijala, iako je potonji imao manju poroznost. Veći DBTT zavara kod volframa niske poroznosti mogao je biti posljedica njegove malo veće veličine zrna, sl. 3A i 3C.
Rezultati istraživanja za određivanje DBTT-a za brojne spojeve u nelegiranom volframu sažeti su u tablici 3. Ispitivanja savijanjem bila su prilično osjetljiva na promjene u postupku ispitivanja. Čini se da su korijenski zavoji elastičniji od čeonih zavoja. Čini se da pravilno odabrano smanjenje naprezanja nakon zavarivanja značajno smanjuje DBTT. CVD volfram je imao, kao zavaren, najviši DBTT (560 ℃)； ali kada je nakon zavarivanja podvrgnut jednosatnom smanjenju napona od 1000 ℃, njegov DBTT je pao na 350 ℃. smanjenje naprezanja od 1000° C nakon zavarivanja, njegov DBTT pao je na 350° C. Popuštanje naprezanja elektrolučno zavarenog volframa metalurgijom praha tijekom 1 sata na 18000 C smanjilo je DBTT ovog materijala za oko 100° C od vrijednosti utvrđene za njega kao- zavareni. Ublažavanje naprezanja od 1 sata na 1000° C na spoju izrađenom CVD metodama proizvelo je najniži DBTT (200° C). Treba napomenuti da, iako je ova prijelazna temperatura bila znatno niža od bilo koje druge prijelazne temperature utvrđene u ovoj studiji, na poboljšanje je vjerojatno utjecala niža brzina deformacije (0,1 naspram 0,5 ipm) korištena u testovima na CVD zglobovima.

Ispitivanje savijanjem zavarenih spojeva za lemljenje - plinski volfram - elektrolučno zavareno lemljenje napravljeno s Nb. Ta, Mo, Re i W-26% Re kao dodatni metali također su ispitani na savijanje, a rezultati su sažeti u tablici 4. najveća duktilnost je dobivena s renijevim lemljenim zavarom.

Iako rezultati ove površne studije pokazuju da različiti dodatni metali mogu proizvesti spojeve s mehaničkim svojstvima unutar kuće homogenih zavara u volframu, neki od ovih dodatnih metala mogu biti korisni u praksi.

Rezultati za legure volframa.