Сварка титана и его сплавов — технология и особенности

Титан как материал открыли в конце 18 века, к его изучению приступили в начале 19, а интенсивно использовать начали к концу 20 столетия. Способствовало этому появление новых технологий, позволяющих проводить обработку сплавов, таких как литье, прокат, сварка титана. Благодаря низкой плотности, всего 4,51 г/ см³ (при прочности 450-1400 МПа, примерно равной прочности сталей, вес составляет на 60% меньше), стойкости к окислению и инертности ко многим агрессивным растворам титан широко используется в авиа- и автомобилестроении, технике, медицине, высоких технологиях.

Большое количество изделий предполагает необходимость использования такой технологии как сварка титана и его сплавов. Исходя из его свойств, можно сказать, что это целое направление металловедов, поскольку он является одним из самых сложных среди всех металлов.

Процесс сварки титана

Особенности сварки титана и сплавов на его основе

Важно! Защита инертными газами должна проводиться до остывания сварного соединения до 250 °С, по всему шву и околошовной зоне

Возникающие трудности при сварке титана схожи по аналогии с алюминием. Но первый более активный металл и образует нежелательные соединения уже при температурах свыше 250 °С. Проблема состоит в том, что это элементы, составляющие воздух:

• N2;
• СО2;
• О2;
• Н.

Однако особенности сварки титана имеют и преимущества. Несмотря на t плавления 1470-1825 °С для разогрева требуется меньшее количество тепла.

Чистые металлы никогда не используются — их параметры обладают низкими показателями. А вот добавление в них других элементов позволяет получить сплавы с широким диапазоном свойств. Для структуры чистого титана характерны 2 стабильные фазы, при которых различается кристаллическая решетка:

1. α-фаза до t 882 °С. В этом периоде t мелкозернистая структура стабильна и нечувствительна к быстрому охлаждению.
2. β-фаза переход при t 883 °С. Характеризуется крупным зерном и чувствительностью к быстрому охлаждению.

С изменением структуры меняются свойства самого сплава. Обеспечить определенный тип структуры могут присадки следующих элементов:

• α-фаза — Al, O2, N2;
• β-фаза — Cr, Mn, V.

Особенно сложная сварка титана в домашних условиях. Причем обработке подлежит ограниченное количество сплавов. В зависимости от легирующих элементов, сплавы делятся на 3

1. ВТ1, ВТ5 — нечувствительны к скорости охлаждения. Высокая пластичность, способность к свариванию. Термообработка не проводится.
2. ОТ4, ВТ3, ВТ4, ВТ6, ВТ8 — возможно упрочнение термообработкой. При небольших добавках не нуждаются в термообработке.
3. ВТ15, ВТ22 — стали свариваются, но с потерей прочности из-за роста зерна, склонны к трещинообразованию. Необходима термообработка.

Способы сварки титана и сплавов на его основе

Разнородная сварка

Практическое применение находит сварка титана со сталью. При такой сварке важно выбирать материалы и режимы сварки, препятствующие образованию в шве хрупких фаз FeTi и Fe2Ti.

Сварка титана со сталью проводится в защитном газе аргоне вольфрамовым электродом или через промежуточные вставки. Комбинированные вставки выполняются из тантала и бронзы. При этом бронза сваривается со сталью аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом, а тантал с титаном сваривается в камерах с контролируемой атмосферой. Используются также комбинированные вставки из бронзы и ниобия. При этом сварка проводится вольфрамовым электродом в камере с контролируемой атмосферой.

ГАЗОВАЯ ЗАЩИТА СВАРОЧНОЙ ВАННЫ

Существуют три варианта защиты:

• струйная с использованием специальных приспособлений
• местная в герметичных камерах малого объема
• общая в камерах с контролируемой атмосферой (ВКС-1, ВУАС-1, УСБ-1)

При аргонодуговой сварке титана W-электродом следует применять сварочные горелки с возможно большим газовым соплом, создающим обширную зону защиты. Поток аргона через сопло должен быть ламинарным, что достигается газовыми линзами, установленными внутри сопла. Расход газа в зависимости от режима сварки колеблется от 8 до 20 л/мин. Если сопло горелки не гарантирует надежной защиты, то его дополняют специальной насадкой, коробом или другим приспособлением. Дополнительные защитные устройства изготавливают из нержавеющей стали. Внутри имеются рассекатели и газовые линзы. Насадка, прикрепляемая к газовой горелке для защиты кристаллизующейся сварочной ванны, должна иметь ширину 40-50 мм и длину от 60-120 мм в зависимости от режима сварки. Для сварки трубчатых конструкций, кольцевых поворотных и неповоротных стыков применяют местные или малогабаритные защитные камеры.

1- дополнительная насадка; 2 — газовая линза

Качество защиты определяют по внешнему виду металла шва. Серебристая или соломенного цвета поверхность шва свидетельствует о хорошей защите. Желто-голубой цвет указывает на нарушение защиты, хотя в отдельных случаях такие швы считаются допустимыми. Темно-синий или синевато-серый цвет с пятнами серого налета характеризует низкое качество шва.

Как подготавливают детали

Для сварки титана необходимо полностью изолировать свариваемые поверхности от атмосферы, поэтому, как правило, используют автоматическую или полуавтоматическую сварку.

Ручная сварка титана возможна, но только если используется специальная сварочная горелка с керамическим соплом, через которую на свариваемые участки подается под давлением инертный газ — аргон, который вытесняет воздух.

При этом обратная сторона шва должна быть изолирована от атмосферы плотно прилегающими стальными либо медными накладками. Для обеспечения наилучшего качества шва используют перфорированные накладки, в отверстия которых подается аргон.

В случае полуавтоматической или автоматической сварки она проводится в специальной капсуле, заполненной аргоном либо гелием. Сварка титановых труб может производиться без помещения трубы в защитную газовую среду целиком, но при этом сама труба должна быть герметизирована и заполнена аргоном изнутри.

Другим важным нюансом является зачистка и обезжиривание свариваемых поверхностей на 20 мм от линии стыка. Необходимо удалить оксидную пленку, которая всегда присутствует на поверхности титанового изделия.

Работать необходимо в перчатках, поскольку руки, даже чистые, могут оставить на кромке потожировые следы, которые приведут к ухудшению сварного шва.

Перед сваркой титан дополнительно подвергают травлению с использованием смеси соляной кислоты с водой и фторидом натрия — 350 мл HCl, 650 мл дистиллированной воды, 50 г фторида натрия. Температура травления — 60-65 °C, время — около 10 минут.

После травления титан подвергают тщательной шлифовке. Для механической обработки используют наждачную бумагу до № 12, проволочные щетки, шаберы. Необходимо удостовериться, что края свариваемых деталей ровные, на них отсутствуют заусенцы и трещины. Точно так же зачищается и присадочная проволока. Только после этого можно приступать к сварке титана.

ГАЗОВАЯ ЗАЩИТА НАГРЕТЫХ УЧАСТКОВ

Специальная подкладка для защиты корня шва, нагретого до 250-300°С

Защитные приспособления из нержавеющей стали для тавровых и угловых соединений

Какие методы применяют

Для сварки титана можно использовать как «холодный» метод, так метод дугового флюса либо плазменно-дуговую сварку.

Но самым популярным считается метод сварки титана аргоном, то есть плавлением в изолированной аргоновой среде, который был частично описан выше. Детали крупного сечения соединяют методом электрошлаковой сварки.

Многое зависит от вида сплава. Титан марки ВТ1-ВТ5 сваривается очень хорошо, хотя не подлежит закалке. Сплавы ВТ15 — ВТ22 свариваются значительно хуже, образуя крупнозернистый шов низкой прочности, но при этом закалка может повысить его прочность. Остальные виды титановых сплавов — промежуточные.

Возможны следующие виды контактной сварки:

• стыковая;
• точечная;
• роликовая;
• конденсаторная стыковая (для труб).

При аргоновой сварке с флюсом применяется бескислородный флюс АН-11 или АН-Т2.

ЗАЩИТА ШВА ТРУБОПРОВОДА

Защита при приварке фланца

Защита при сварке секционных отводов

Основные способы сварки титана

Не все распространенные технологии применимы к этому металлу и его сплавам. Главная причина – химическая активность титана. Попадание в рабочую зону инородных соединений (нитридов, оксидов, карбидов) резко снижают качество шва.

Используемые для сварки титана методики

• Дуговым флюсом.
• Холодная.
• Электронным лучом (плазменно-дуговая).
• В среде аргона. Наиболее популярный вариант, хотя есть и некоторые другие.

Особенности сварки титана

• Высокая скорость технологической операции. Это связано с тем, что длительное термическое воздействие на отдельном участке приводит к изменению структуры материала из-за увеличения размера зерен. Как следствие – металл становится ломким (хрупким).
• Полная изоляция от атмосферы. Причем не только рабочей зоны (сварочной ванны), но и тех участков, которые разогреваются до +625 (и более) ºС.

Сварка титана (сплавов) аргоном

Преимущества:

• Высокое качество сварного соединения.
• Работа на малых токах. Следовательно, можно сваривать детали небольшой толщины (тонкостенные), так как вероятность прожога практически исключена.
• Возможность наращивания объема детали на дефектных участках (например, в местах образования раковин).
• Получение шва с любыми параметрами, что позволяет обрабатывать (соединять) как крупногабаритные образцы, так и сравнительно мелкие.

Подготовка свариваемых образцов (кромок)

Механическая обработка и обезжиривание, при необходимости – травление кислотой. Задача – полное удаление пленки оксидов примерно на 20 мм от подлежащих соединению кромок. Специфика в том, что вся работа должна проводиться в защитных перчатках (рукавицах). Касание деталей руками недопустимо из-за возможного загрязнения сплава.

Если механической очистки недостаточно, то прибегают к газокислородной (с помощью горелки).

Что можно использовать:

• Наждачная бумага.
• Шаберы.
• Щетки металлические с проволокой из «нержавейки» сечением 0,25 (±5) мм или иные подходящие приспособления (абразивные материалы).
• Раствор фтора, кислота соляная (подогретые до 60 – 65 ºС).

Критерии оценки качества подготовки

• Отсутствие на образце заусениц, трещин, вкраплений и так далее.
• Ровный серебристый оттенок титанового сплава.

Проволока

Она выбирается в соответствии с группой сплава, подлежащего сварке (см. выше). На бирке (или упаковке) обязательно есть необходимая информация, так как вся продукция маркируется.

Что учесть

Перед применением проволока зачищается (если необходимо, шкуркой не выше № 12) и обезжиривается. Ее можно готовить и заранее, но в этом случае она герметизируется (например, заворачивается в п/э) и помещается в плотно закрывающийся пенал (тубу). Но хранение в таких условиях – не более 5 суток.

Горелка

Для сварки титана любая не подходит. Используются модели с соплом из керамики и специальной (газовой) линзой.

Контроль качества

Процесс сварки титановых сплавов регламентирован госстандартом ИСО 5817-2009. В зависимости от легирующих добавок прочность соединения составляет от 60 до 80% прочности сплава. Оксидная пленка видна сразу, цвет зависит от степени окисления титана:

• желтая – среднее качество соединения, прочность удовлетворительная;
• коричневый или фиолетовый – шов непрочный, нарушена технология.

Пористость возникает при контакте с водородом, если скорость подачи аргона низкая.

Сварка аргоном и полуавтоматом

Если будут правильно выполняться все требования и правила аргонодуговой сварки, то можно добиться высокую прочность сварного шва титановой трубы и других конструкций из сплавов. Если же будет нарушена технология сварных работ, то качество соединения заметно снизится.

Для титанового металла в отличие от других цветных металлов требуется аргон высокого качества. Жидкая основа сварного соединения обязательно должна быть полностью защищена от атмосферного воздуха. Кроме этого горячую область рядом со швом требуется предохранять во время процесса кристаллизации и дальнейшего остывания до 427 градусов.

Технология сварки аргоном титана выполняется с учетом следующих рекомендаций:

• сварка аргоном титана должна выполняться на постоянном токе с прямой полярностью;
• в процессе сваривания требуется применять вольфрамовые электроды;
• иногда сваривание титановых сплавов при помощи аргонодуговой сварки может потребовать дополнительные приспособления, через которые будет поступать инертный газ, вытесняя воздух. Данные элементы могут иметь любую форму и размеры;
• сварка при помощи аргоном также выполняется с применением прокладок из меди или стали. В них можно вырезать отверстия для подачи газа;
• соединение труб производится специальными фартуками. Данные элементы могут иметь различные закругления;
• если соединение производится встык или внахлест, при показателе толщины металла не менее 3 мм, то присадочная проволока может не применяться. В этих случаях устанавливается сопло по наибольшему диаметру и увеличивается степень подачи аргонового газа;
• сварка титана со сталью должна выполняться на короткой дуге, при этом не должны быть колебательные движения. А подача присадочного прута должна быть в беспрерывном режиме;
• подача газа после гашения дуги должна продолжаться еще на протяжении 1 минуты. Выполнение данного действия предотвратит окисление шва.

Применять аргонодуговую сварку стоит осторожно. Важно не допускать взаимодействия вольфрамового электрода со сварочной ванной. Это позволит предотвратить проникновение вольфрамовых частиц в область сварного шва.

Сварка титана полуавтоматом похожа на аргонодуговое сваривание, но она имеет повышенную экономичность и высокую степень производительности во время соединения заготовок с размером толщины более 1 см.

При полуавтоматической сварке применяется источник тока с обратной полярностью. Сварочная горелка должна быть оснащена дистанционным устройством для регулирования показателей силы тока. Это поможет предотвратить серьезные нарушения сварочного процесса.

Видео: аргонодуговая сварка труб из титана

В представленных ниже коротких видеороликах подробно показан процесс сварки труб из титана в среде аргона с использованием специальных фартуков для защиты зоны сварки:

Техника сварки

Основное пространственное положение шва — нижнее. Ручную сварку ведут без колебательных движений горелкой, короткой дугой, «углом вперед» Проволоку подают непрерывно, угол между ней и горелкой поддерживают около 90°.

Как правило, в качестве присадка используют проволоку того же химического состава, что и основной металл (BTl-00св, ВТ20-1св и т.д.). Для большинства сплавов годится проволока марок СПТ-2 и СП-15.

ОРИЕНТИРОВОЧНЫЕ РЕЖИМЫ СВАРКИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Вид разделки кромок	Толщина металла, мм	Сварочный ток, А	Напряжение на дуге, В	Диаметр присадка, мм	Число проходов
	40-60 70-90	10-14	1,2-1,5 1,5-2
	120-130 130-140 140-160 160-200	10-15 11-15 11-15 11-15	1,5-2 1.5-2 2-2,5 2-2,5	2-3 8-12
	180-210 200-230 230-280	12-16 13-16 13-16	2,5-3	12-16 16-20 24-26
	Более 20	230-280	13-16	2,5-3	Более 24

При толщине металла до 2,5 мм его сваривают за один проход без разделки кромок. При больших толщинах выполняют многослойные швы с разделкой кромок и обязательным использованием присадка. По окончании сварки или при случайном обрыве дуги аргон подают до тех пор, пока металл не остынет до 250-300°С.

Конструкции из титана и его сплавов толщиной 0,5-2,0 мм сваривают ручной импульсно-дуговой сваркой. Эффективность ее очевидна при различных пространственных положениях шва и для тех сплавов, где требуется минимальный нагрев околошовной зоны.

От размера свариваемых деталей зависит вариант защиты инертным газом.

Электронно-лучевая сварка

Электронно-лучевая сварка титана считается одним из популярных способов соединения изделий. При этом сваривание позволяет получить прочное и качественное соединение. Данный процесс основан на применении тепла, которое выделяется при торможении остросфокусированного пучка частиц, ускоренных до показателей высокой энергии.

Главным компонентом, при помощи которого выполняется сварка конструкций из титана, является луч, выделяемый специальным устройством — электронной пушкой. Питание пушки осуществляется при помощи высоковольтного источника постоянного тока.

Процесс обычно происходит в условиях вакуума, который защищает от негативных внешних условий. На заводах и предприятиях имеется специальная камера для сварки титана, которая защищает металл от взаимодействия с атмосферной средой и снижает потерю кинетической энергии электронов.

Интересное видео

Поделитесь в соц.сетях:

Оцените статью: (Пока оценок нет) Загрузка...