Цветные металлы
Титан и сплавы на его основе — сравнительно новый конструкционный материал, имеющий большое будущее благодаря высокой удельной прочности в интервале 450—500 °С и хорошую коррозионную стойкость во многих средах. По прочности и коррозионной стойкости этот материал в ряде случаев превосходит нержавеющую сталь. Титан — серебристо-белый легкий металл с плотностью 4,5 г/см3 (плотность на 40 % меньше стали и только на 70 % больше алюминия) и температурой плавления 1650—1670 °С. Свойства титана и его высокая температура плавления требуют при сварке концентрированного источника теплоты. Однако более низкий коэффициент теплопроводности и более высокое электрическое сопротивление создают условия для потребления меньшего количества электроэнергии по сравнению со сваркой стали и, особенно, алюминия. Титан практически не магнитен, поэтому при сварке заметно уменьшается магнитное дутье. Главным отрицательным свойством титана является его способность активно взаимодействовать с газами при повышенных температурах. При комнатной температуре титан весьма устойчив против окисления, но при высокой температуре он легко растворяет кислород, что приводит к резкому повышению прочности и снижению пластичности. Содержание кислорода в титановых сплавах, используемых для сварных конструкций, должно быть не более 0,15%. По эффективности воздействия на титан азот является более энергичным элементом, чем кислород и резко повышает его прочностные свойства, понижая пластические. Максимально допустимое содержание азота в титановых сплавах 0,04—0,05 %. Вредное влияние водорода в титане проявляется даже при небольшом его содержании. Он оказывает сильное охрупчивающее действие на титан, усиливая при этом охрупчивающее действие кислорода и азота. Растворимость водорода в титане чрезвычайно велика и превосходит растворимость его в стали в десятки тысяч раз. Водород является также одним из основных источников образования пор при сварке титана и его сплавов. Повышение содержания углерода в титане вызывает понижение пластичности. Вследствие малой растворимости углерода содержание его в титане даже нескольких десятых процента приводит к выделению карбидов, заметному повышению прочности и понижению пластичности. Учитывая указанные особенности титана, для получения при сварке плавлением качественных соединений необходимо полностью защищать сварные соединения от взаимодействия с воздухом и вредными примесями сварочной ванны, а также основной металл и металл шва, нагретый выше 600 "С.
Алюминий применяется в строительстве и промышленности благодаря небольшой плотности (2,7 г/см3), примерно в 3 раза меньшей, чем у стали, повышенной хладостойкости, коррозионной стойкости в окислительных средах и на воздухе. Алюминий и его сплавы имеют низкую температуру плавления (660°С для чистого алюминия), высокую электро- и теплопроводность, повышенный по сравнению со сталью коэффициент линейного расширения. Алюминий и его сплавы существуют двух видов: деформируемые (прессованные, катаные, кованые) и литейные (недеформируемые). Специфические свойства при сварке алюминия вызывают определенные трудности. Легкая окисляемость алюминия приводит к образованию на его поверхности плотной тугоплавкой окисной пленки, которая препятствует сплавлению частиц металла и загрязняет шов. Высокая температура плавления окисной пленки и низкая температура плавления алюминия, не изменяющего своего цвета при нагревании, крайне затрудняет управление процессом сварки. Большая жидкотекучесть и малая прочность при температуре свыше 550 °С вызывает необходимость применения подкладок. Значительная растворимость водорода в расплавленном алюминии и резкое ее изменение при переходе из жидкого состояния в твердое в момент кристаллизации при большой скорости охлаждения приводит к образованию пор. Высокий коэффициент линейного теплового расширения алюминия приводит к значительным остаточным деформациям.
Медь широко применяется в качестве конструкционного материала для изготовления различного рода сосудов, трубопроводов, химической аппаратуры, электрораспределительных устройств и другой аппаратуры. Медь обладает высокой тепло- и электропроводностью, химической стойкостью и сохраняет свои механические свойства в условиях низких температур, когда почти все стали становятся хрупкими. Медь имеет температуру плавления 1083°С (1356 К), временное сопротивление в отожженном состоянии 200 МПа и плотность 8,9 г/см3. Большое распространение в народном хозяйстве нашли сплавы меди — латунь и бронза. Латунь — это сплав меди с цинком. Ее применению способствует меньшая стоимость и плотность цинка по сравнению с медью. Температура плавления (800—900 °С) зависит от состава — чем больше цинка, тем ниже точка плавления. Бронза представляет собой сплав меди с оловом, алюминием, бериллием и свинцом. Температура плавления 720—1000 °С. Чем больше в бронзе олова, тем ниже температура ее плавления.
Ряд особенностей меди и ее сплавов создают существенные затруднения при сварке.
Большая растворимость водорода в расплавленной меди и ее падение при кристаллизации вызывают образование пор. Часть растворенного в расплавленном металле водорода, взаимодействуя с окислом меди, образуют водяной пар и углекислый газ, которые при охлаждении металла не успевают выделиться, в результате чего появляются поры. При затвердевании меди пары воды увеличиваются в объеме, образуя в ней трещины. Такое явление называется «водородной болезнью». Повышенная жидкотекучесть металла затрудняет сварку меди в вертикальном и потолочном положениях. Высокий коэффициент линейного расширения (в 1,5 раза больше, чем у стали) требует принятия дополнительных мер для предотвращения значительных остаточных деформаций конструкции. Основными факторами, затрудняющими сварку латуни, являются испарение и угар цинка. Выделение цинка ведет к пористости металла шва и насыщению воздуха, окружающего сварщика, парами цинка, вредными для здоровья. При сварке бронзы основной трудностью является окисление олова, алюминия, кремния и водорода в процессе сварки с образованием соединений, осложняющих сварку и придающих металлу сварного шва хрупкость.