Сварка титану

Титан відрізняється високою міцністю (267-337 МПа) при щільності 4,5 г / см3 і температурі до 450-500 ° С, високу стійкість до корозії у багатьох агресивних середовищах. Сплави титану з домішками легуючих елементів (алюмінію, хрому, марганцю, ванадію, олова та ін.) Мають ще більшу міцність (до 1000-1400 МПа) при достатній пластичності і широко застосовуються як конструкційний матеріал для судно- і машинобудування, авіаційної та ракетної техніки, приладобудування, хімічного машинобудування, а також в інших галузях промисловості.

Титан має одну з двох основних стабільних фаз (аллотропических модифікацій), що характеризуються будовою кристалічної решітки:

• alpha - титан з гексагональної кристалічною решіткою (дрібнозернистою структурою) при температурі до 882 ° С;
• beta - титан з об`ємно центрованої кристалічною решіткою (крупнозернистою структурою) при температурі вище 882 ° С.

При температурі 882 ° С у титану змінюється структура кристалічної решітки з однієї на іншу (відбувається поліморфний перетворення).

Ряд легуючих елементів і домішок, званих alpha - стабілізаторами (Алюміній, азот, олово, кисень і ін.), Збільшують температуру поліморфного перетворення титану і, таким чином, стабілізують alpha - фазу і розширюють область alpha - титану. Легуючі елементи, звані beta - стабілізаторами (Хром, молібден, ванадій, марганець), сприяють збереженню beta - титану при зменшенні температури. Залежно від складу легуючих компонентів сплави титану умовно поділяють на alpha - сплави, beta - сплави і alpha- + beta - сплави (Див. Рисунок нижче).

Малюнок. Залежність структури сплаву титану від температури і змісту легуючих елементів

До alpha - сплавів відносяться технічний титан ВТ1, а також сплави ВТ5 і ВТ5-1. Вони пластичні, термообробкою незміцнюється і мають гарну зварюваність.

До двофазним alpha- + beta - сплавів відносяться сплави ОТ4, ВТ3, ВТ4, ВТ6, ВТ8, ВТ14. Двофазні сплави з малою кількістю beta - стабілізаторів (наприклад, сплави ОТ4) термічно не зміцнює і добре зварюються, а сплави, де beta - структура може зберігатися при охолодженні до кімнатної температури (наприклад, сплави ВТ6 і ВТ14), термічно зміцнюється і зварюються гірше. За рахунок термічної обробки (загартування і штучного старіння) їх міцність може бути доведена до 1400 МПа при задовільною пластичності.

сплави з beta - фазою, наприклад, ВТ15, зміцнюються термічною обробкою і зварюються гірше. Вони схильні до зростання зерен і виникненню холодних тріщин.

Труднощі при зварюванні титану і способи вирішення

Основні труднощі при зварюванні титану обумовлені його високу хімічну активність по відношенню до газів (кисню, азоту, водню) при нагріванні і розплавлення.

При кімнатній температурі титан взаємодіє з киснем, стабілізуючим alpha - фазу, по реакції Ti + O2 = TiO2 з утворенням поверхневого шару з великою твердістю - альфінірованного шару, - який охороняє титан від подальшого окислення. При нагріванні до температури 350 ° С і вище титан активно поглинає кисень, утворюючи різні оксиди (від Ti6O до TiO2) з високими твердістю, міцністю і низькою пластичністю. У міру окислення оксидна плівка змінює забарвлення від жовто-золотистою до темно-фіолетового, що переходить в білу. Ці кольори в околошовной зоні характеризують якість захисту металу при зварюванні.

При температурі вище 500 ° С титан активно взаємодіє з азотом з утворенням нітридів, що підвищують твердість і міцність металу, але знижують його пластичність. Перед зварюванням слід повністю видаляти поверхневий шар титану, насичений підвищеною кількістю кисню (альфінірованний шар) і азоту, оскільки при попаданні частинок даного шару в зварений шов метал стає крихким, з`являються холодні тріщини. Допустимий вміст азоту в титані становить до 0,05, кисню - до 0,15.

водень навіть в невеликій кількості значно погіршує властивості титану. Він активно поглинається титаном при температурі 200-400 ° С. З підвищенням температури водень починає виділятися з титану і згоряє. При більш низьких температурах вміст водню також знижується, однак гідриди титана TiH2 сприяють утворенню пір і сповільненого руйнування титану - виникненню холодних тріщин через тривалий час після зварювання. Допустимий вміст водню в титані становить до 0,01.

Ретельна захист від насичення металу газами потрібно не тільки для розплавленого металу, але також для ділянок твердого металу з температурою 400 ° С і вище. Як правило, це забезпечується за рахунок використання флюсів, металевих і флюсових підкладок, спеціальних захисних газових подушок. Про надійному захисті свідчить блискуча поверхня металу після зварювання, про поганий захист - жовто-блакитне забарвлення, сірі нальоти.

Сварка титану і його сплавів виконується присадним металом, близьким за складом до основного металу, наприклад, дротом ВТ1-00. Зазвичай перед зварюванням дріт піддається вакуумному (Диффузионному) відпалу для видалення водню. Краї готують механічним шляхом, плазмової або газокисневої різкою з подальшим видаленням насиченого газами металу кромок механічною обробкою. Поверхні крайок і прилеглого основного металу, а також зварювального дроту ретельно очищають травленням або механічним шляхом.

Титан має низьку теплопровідність, в зв`язку з чим стикові шви, одержувані при зварюванні плавиться в середовищі аргону, мають характерну конусоподібну форму з глибоким проплавлением. Тому для деяких конструкцій потрібно накладення додаткових швів по краях основного шва (Галтельні швів) або зварювання в середовищі гелію для отримання більш широкого шва.

Малюнок. Зварні шви при зварюванні титану, що плавиться (дротом) в аргоні і гелії

Основні способи зварювання титану та його сплавів:

• дугове зварювання в середовищі інертних газів, що не плавиться і плавиться;
• дугове зварювання під флюсом;
• електрошлакове зварювання;
• електронно-променеве зварювання;
• Контактна зварка.

Дугове зварювання титану в середовищі інертних газів

Дугове зварювання титану в середовищі інертних газів може виконуватися не плавиться ітрировані або лантанований вольфрамовим електродом (ручна або механізована зварювання) і плавиться (напівавтоматична або автоматична зварювання). Як інертних газів застосовують аргон вищого гатунку, гелій високої чистоти або суміші аргону з гелієм.

Захист металу в процесі зварювання може здійснюватися наступними способами:

• на повітрі з подачею інертного газу з сопел зі спеціальними подовженими насадками (до 50 см) для збільшення зони захисту і подачею газу зі зворотного боку зварного шва через спеціальні підкладки;
• на повітрі за допомогою місцевих камер-насадок, що захищають зону зварювання і частина свариваемого узла- при цьому зворотна сторона шва може бути захищена за рахунок подачі газу через підкладки;
• шляхом поміщення всього вузла, що зварюється в герметичну камеру з атмосферою.

У герметичну камеру з атмосферою також поміщають зварювальну оснастку, пальник і наповнюють інертним газом. Вона може мати ілюмінатори або прозору оболонку і вбудовані рукавиці для зварника. Для великих відповідальних виробів використовують камери великого розміру, обладнані необхідними пристроями і призначені для роботи всередині них зварників в скафандрах.

Найбільшою популярністю користується зварювання титану вольфрамовим електродом на повітрі. Її виконують на звичайних установках для автоматичної аргонодугового зварювання неплавким електродом на постійному струмі прямої полярності. На зварювальної пальнику закріплюється спеціальна насадка для захисту інертним газом від повітря ділянок металу з температурою 250-300 ° С і вище. Розміри цих ділянок, як правило, визначаються розрахунками за формулами поширення тепла в металах при зварюванні. Найкращий захист досягається при приміщенні в насадку сетчато-пористого матеріалу для забезпечення ламінарного потоку інертного газу. Зворотний бік шва захищають із застосуванням спеціальних насадок і підкладок.

Малюнок. Сварка титану не плавиться, на повітрі (із застосуванням спеціальних підкладок для подачі інертного газу зі зворотного боку шва)

Аргонная зварювання вольфрамовим електродом титанових деталей товщиною 0,5-1,5 мм виконується встик без зазору і без подачі присадочного прутка, а товщиною понад 1,5 мм - з подачею присадочного матеріалу. Дріт попередньо піддають вакуумному відпалу протягом 4 год при температурі 900-1000 ° С. При зачистці поверхонь кромок зварювальних деталей і прилеглого металу, а також дроту необхідно зняти альфірованний шар, насичений киснем.

Таблиця. Рекомендовані режими аргонової зварки титанових листів вольфрамовим електродом (швидкість подачі аргону через пальник 13-18 л / хв, зі зворотного боку зварного шва - 2-2,5 л / хв)

Ручна аргон зварювання вольфрамовим електродом виконується «кутом вперед» на короткій дузі без коливальних рухів зварювального пальника. Між електродом і присадним матеріалом підтримується кут в 90 °. При обриві дуги, а також після закінчення зварювання необхідно подавати аргон до тих пір, поки температура металу не стане нижче 400 ° С.

При аргонодугового зварюванні титану товщиною понад 4 мм зазвичай використовується V-образна, X-подібна або рюмкообразная оброблення крайок. Для підвищення продуктивності зварювання вольфрамовим електродом застосовуються такі способи:

• зварювання зануреною дугою;
• зварювання наскрізним проплавлением;
• імпульсно-дугове зварювання;
• зварювання по флюсу;
• зварювання присадочной порошковим дротом;
• зварювання в щілинну оброблення;
• зварювання з магнітним перемішуванням зварювальної ванни
• та ін.

Сварка зануреної дугою (коли кінець електрода розміщений нижче поверхні зварюваного металу) на великих токах дозволяє зварювати за один прохід без оброблення крайок титан і його сплави товщиною до 15 мм. При зварюванні наскрізним проплавлением можливо зварювати за один прохід титан і його сплави товщиною 12 мм.

За допомогою імпульсно-дугового зварювання (коли подача струму в зону дуги здійснюється короткочасними імпульсами) можна в більш широкому діапазоні змінювати розміри шва, зменшувати рівень залишкових напружень, знижувати деформації зварних конструкцій, зменшувати зону термічного впливу, а також зменшувати розміри кристалітів і пористість в звареному шві.

При зварюванні по флюсу-пасти типу АН-ТА, що наноситься тонким шаром на поверхню кромок зварювальних деталей, на менших токах можна зварювати без оброблення крайок метал товщиною до 12 мм. Дана технологія дозволяє збільшити глибину проплавлення, знизити деформації зварних конструкцій, змінювати форму провару, зменшити зону термічного впливу, знизити ймовірність утворення пор і прожогов. Такими ж перевагами володіє і зварювання порошковим дротом з флюсом в якості наповнювача.

При зварюванні з магнітним перемішуванням металу зварювальної ванни за допомогою зовнішнього магнітного поля зменшуються хімічна неоднорідність і пористість металу шва. При зварюванні в щілинну оброблення (по вузькому зазору) знижується витрата дорогих і дефіцитних матеріалів і збільшується продуктивність.

Сварка плавиться (Дротом) виконаються при товщині титану і його сплавів понад 3 мм в нижньому положенні на постійному струмі зворотної полярності на режимах, які забезпечують дрібнокрапельне перенесення електродного металу.

Таблиця. Режими зварювання титану та його сплавів, що плавиться (дротом) в інертних газах

Для зменшення пористості і збільшення ширини зварного шва застосовують суміш аргону з гелієм (зазвичай 20 аргону і 80 гелію) або чистий гелій.

Для підвищення продуктивності зварювання титану та його сплавів, що плавиться в середовищі інертних газів використовують попередній підігрів дроту проходить струмом і імпульсно-дугове зварювання (що дозволяє, наприклад, в напівавтоматичному режимі при зменшенні погонной енергії зварювання в 2-2,5 рази збільшити продуктивність в 2 3 рази), а також зварювання в щілинну оброблення (що дозволяє скоротити витрату дорогих матеріалів).

Дугове зварювання титану під флюсом

Титан і його сплави можна зварювати під безкисневими флюсами АНТ-1, АНТ-3 при товщині металу 2,5-8 мм і АНТ-7 для металу більшої товщини. Перед зварюванням флюс прожарюється при температурі 200-400 ° С, щоб вміст вологи в ньому не перевищувало 0,05 за масою. Сварка виконується на стандартному обладнанні на постійному струмі зворотної полярності.

Отримувані зварні з`єднання не поступаються по міцності і пластичності основного металу і мають більш дрібнозернисту структуру, ніж при зварюванні в інертних газах. Даний спосіб економічно ефективний для металу товщиною більше 6-8 мм.

Таблиця. Режими зварювання титану та його сплавів, що плавиться (дротом) під флюсом АНТ-1 (швидкість зварювання становить 50 м / ч)

Електрошлакове зварювання титану

При електрошлакового зварювання титану та його сплавів застосовують пластинчасті електроди того ж складу, що і зварюваний метал, товщиною 8-12 мм і шириною, рівній товщині зварюваної деталі. Використовуються тугоплавкі флюси АНТ-2, АНТ-4, АНТ-6, які необхідно попередньо прожарити при температурі 200-400 ° С, щоб вміст вологи у флюсі не перевищувало 0,05 за масою. Для захисту остигаючого металу і шлакової ванни від повітря в зазор між водоохолоджуваними повзунами і деталлю подається аргон з розрахунку 5-12 л / хв при товщині металу 30-120 мм.

Отримувані зварні з`єднання за властивостями близькі до основного металу і мають крупнокристалічного структуру. Електрошлакове зварювання ефективна для титанових деталей товщиною понад 40 мм.

Таблиця. Режими електрошлакового зварювання титанових поковок пластинчастим електродом із застосуванням флюсу АНТ-2 (напруга становить 16-18 В)

Електронно-променеве зварювання титану

Електронно-променеве зварювання титану та його сплавів забезпечує дрібнозернисту структуру зварного шва і надійний захист металу від газів. Вона використовується для товщини до 160 мм. У ряді випадків для запобігання появи пір і несплошностей застосовується зварювання з горизонтальним розміщенням променя.