Электроды для сварки титана

Обновлено: 19.09.2024

Титан является высокопрочным металлом, который используется для изготовления различных конструкций важного назначения. В чистом виде данным материал используется достаточно редко, это связано с низкой температурой плавления (6400С), по этой причине титановые изделия производятся только из сплавов.

Сварка титана считается сложной технологией, при которой металл активно взаимодействует с газами в жидком и нагретом состоянии.

Особенности титановых сплавов

Титан редко применяется для изготовления различных конструкций в чистом виде, его обычно используют в виде сплавов. Они имеют высокую температуру плавления от 1470 до 18250С, данный показатель зависит от марки.

За счет того, что сплавы обладают идеальным сочетанием небольшой легкости и высокой прочности, их часто применяют для изготовления важных конструкций таких как, велосипедные рамы или запчасти для высокоскоростных автомобилей. Сварка титана и его сплавов является тяжелым процессом, потому что материалы имеют ряд специфических свойств.

Свойства материала

Титан обладает несколькими особыми качествами, которые и осложняют процесс сваривания данного металла. К ним относят:

невысокая степень теплопроводности;
металл имеет склонность к самовозгоранию при нагревании до 400 градусов Цельсия, а также при контакте с кислородом;
окисляется под влиянием углекислоты;
при нагревании до 600 градусов Цельсия происходит образование нитридных соединений. Также данные соединения образуются при контакте с азотом, при этом они имеют твердую, но сильно хрупкую структуру;
обладают склонностью к поглощению водорода при нагревании до 250 градусов Цельсия;
при нагревании выше 800 градусов происходит изменение структуры (увеличение размеров зерна).

Критическими показателями температуры для титанового металла являются выше 400-500 градусов Цельсия. При разогревании до этого уровня у него отмечается повышение химической активности. Во время него титан взаимодействует с атмосферным воздухом, которое может оказать негативное воздействие на сварное соединение.

Дополнительно могут появиться вредные примеси - гидриды, нитриды, карбиды и другие, которые могут снизить прочность шва. Если будет нарушена технология сварки титана, а также не будут соблюдаться правила и требования по ГОСТу, то это может привести к тому, что сварной шов развалится даже после небольшого удара.

Если процесс сваривания выполняется согласно установленным нормативам, то показатель прочности шва будет находиться на уровне от 0,6-0,8 от прочности свариваемого металла.

Какие возникают сложности при сварке титана и его сплавов

Особенности сварки титана и его сплавов состоят в том, что данный процесс имеет некоторые сложности, которые делают этот процесс тяжелым. При нагревании сплавы с титаном начинают активно взаимодействовать с воздухом. При этом процесс данного взаимодействия может наступать задолго до достижения показателя температуры титана, а точнее уже при 450 градусах Цельсия.

Сварка титановых труб и других изделий из данного металла может осложняться следующими процессами:

при взаимодействии титана с кислородом на поверхности свариваемой заготовки начинается активный процесс образования оксида титана и окалины, а именно появляется альфированный слой. При возникновении слоя этого вида может вызвать образование трещин на поверхности свариваемого изделия. Чтобы этого избежать стоит выполнять определенные нормы, которые указывают на допустимое максимальное содержание кислорода - в любом сплаве из титанового металла оно должно быть не выше 0,015 %;
во время нагревания титановые сплавы усилено воздействуют с азотом. Если в составе сплава из титана будет превышен уровень азота, то этом может вызвать изменения физических свойств основы, а именно - прочность сплава станет намного выше, но вот свойства пластичности снизятся в несколько раз. Согласно существующим нормам наибольший показатель азота в составе сплава из титана должен составлять не больше 0,04-0,05 %;
самым вредным газом для титановых сплавов является водород. Если его содержание в составе металла будет составлять выше нормы, то это может вызвать сильную хрупкость, образование на поверхности трещин, больших пор. В норме водород в составе титановых сплавов должен быть не выше 0,01-0,15 %.

Особенности подготовки титана к сварке

Сварка титановых сплавов должна выполняться правильно, именно от этого будет зависеть прочность сварного шва. Перед тем как начинать процесс сваривания стоит выполнить подготовку кромок материала.

Стоит учитывать, что после проведения предварительного термического подготовительного процесса заготовок, на поверхности кромок появляется оксидно-нитридная пленка. Она имеет высокую прочность и устойчивость к повышенным температурам. Вот именно от этой пленки и требуется избавиться.

Процесс очищения пленки с кромок осуществляется так:

в первую очередь кромки подвергаются механическому очищению. Для этого может применяться железная щетка, ею можно пройтись по краям кромки вручную или при помощи болгарки;
от пленки требуется зачистить не только кромки, но и область, которая прилегает к стыку на ширину полтора или два см;
после этого нужно выполнить процесс травления металлического изделия. Для этого применяется специальная жидкость, которая должна состоять из 350 мл соляной кислоты, 650 мл воды, 50 мл фторида натрия;
протравливание должно выполняться при температуре +600С на протяжении 5-10 минут.

Помимо этого обязательно нужно тщательно подготовить рабочее место. При проведении сваривания титана и его сплавов обязательно должна обеспечиваться полная чистота рабочего места, при этом оно должно быть надежно защищено от следующих негативных факторов:

стоит полностью устранить сквозняки;
в помещении не должны быть высокими показатели влажности;
обязательно очистите пыль;
полное удаление жира.

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.

Электрошлаковая сварка

Сварка титана с нержавейкой или другими сплавами может проводиться при помощи электрошлакового сваривания. Данный метод сваривания часто применяется для сплава марки ВТ5-1, который состоит из 3 % олова и 5 % алюминия. Листы из этого сплава производится методом прессования и прокаткой в тонкие листы. А вот толстостенные конструкции не прокатывают, они подвергаются ковке.

Так как сваривают титан с толстыми стенками? Толстостенные заготовки свариваются в условиях из защитного газа аргона с применением флюса марки АН-Т2. Во время данного процесса обязательно применяют переменный ток, подача которого в область сварки производиться при помощи трехфазного трансформатора.

Важные особенности электрошлаковой сварки титана:

для того, чтобы сварить заготовки с толстыми стенками требуется выставить мощность тока на 1600-1800 ампер с показателем напряжения в 14-16 вольт;
зазор между заготовками должен составлять 2,6 см;
расход аргона должен составлять не больше 8 литров на 1 минуту;
масса засыпаемого флюса - 130 грамм;
при этом стоит с особой внимательностью относиться ко всем требования данного сварочного процесса, их полное соблюдение сможет обеспечить высокое качество сварочного шва;
электроды для сварки титана должны соответствовать по размеру диаметра. Обычно рекомендуется использовать расходники с размером диаметра в 12 мм. Если они будут иметь размер в 8 мм, то показатель прочности падает до 80 %;
не стоит использовать легированные и титановые электроды, они снижают показатель пластичности в сварочном соединении.

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.

Контактная сварка

Чем еще можно сваривать титан и его сплавы? Для сварки деталей из этого металла может применяться контактный способ. Согласно нормам ГОСТа данный метод разрешается использовать для титана, потому что оптимальный показатель скорости сваривания титановых сплавов равен 2-2,5 мм в секунду.

Не желательно превышать установленную скорость, потому что это может негативно отразиться на прочности сварного шва. При этом этот показатель особенно важен при использовании контактной сварки, потому что она выполняется очень быстро. Свариваемые кромки не нужно защищать и фрезеровать.

Контактная сварка может выполнять разными методами:

точечным;
линейным;
конденсаторным.

При этом стоит обращать внимание, что каждый метод подбирается индивидуально. Он может зависеть от уровня толщины заготовок, от степени давления электродов, от их диаметра, от размера толщины и длины свариваемой пластины, от периода сжатия, от времени прохождения тока через металлическое изделие.

Любой метод сварки титана имеет важные особенности и требования, от которых зависит прочность сварного шва. Если сваривание производится в условиях большого предприятия, то обязательно выполняется УЗК сварного шва титановой трубы, которое позволяет определить степень прочности соединения. Если она будет низкая, то это может негативно отразится на всей конструкции.

Интересное видео

Сварка титана

Высокая прочность и большая коррозионная стойкость, при малом удельном весе, обеспечивают титану и его сплавам все более широкое применение в различных областях человеческой деятельности. В наше время титан используется не только в авиа- и космостроении, химической промышленности и прочих высокотехнологичных отраслях, но и в производстве устройств бытового назначения. Сварка титана - задача, сталкиваться с которой обычному мастеру случается не так уж и редко.

Сварка титана в специальной камере

Свариваемость

На свариваемость титана накладывают отпечаток две особенности - высокая химическая активность металла в отношении газов, содержащихся в воздухе (кислорода, азота и водорода) и его повышенная склонность к росту зерна при температуре выше 800-850°C.

При нагреве до температуры 350°С и выше титан активно поглощает кислород, образуя различные окислы с высокими твердостью, прочностью и низкой пластичностью. По мере окисления оксидная пленка меняет окраску от желто-золотистой до темно-фиолетовой, переходящей в белую. Эти цвета в околошовной зоне характеризуют качество защиты титана при сварке.

При температуре выше 500°С титан активно взаимодействует с азотом с образованием нитридов, повышающих твердость и прочность металла, но снижающих его пластичность.

Что касается водорода (водород образуется в результате разложения воды на водород и кислород под воздействием высокой температуры дуги), то под его влиянием, с титаном происходит очень вредное явление, называемое водородным охрупчиванием. Химическая природа этого процесса состоит в образовании в остывающем и холодном металле, содержащем растворенный водород, гидридов титана, повышающих хрупкость металла и вызывающих возникновение в нем трещин. На практике это приводит к тому, что спустя некоторое время после сварки (иногда довольно продолжительное) приваренная деталь, не имевшая, казалось бы, никаких дефектов, просто отваливается - сама по себе или после легкого удара.

Рост зерна, имеющий место при высоких температурах, также отрицательно сказывается на прочности титана. Ему способствует низкая теплопроводность титана, увеличивающая время пребывания шва и околошовного металла в зоне высоких температур. Чтобы снизить рост зерна, сварку необходимо выполнять при минимально возможной погонной энергии.

Кроме всего перечисленного, титан имеет высокую температуру плавления (1660°С), поэтому при сварке требуется мощный, концентрированный источник теплоты.

И все же основная проблема сварки титановых сплавов - это надежная защита металла, нагреваемого выше 300-400°C, от водорода, кислорода и азота, содержащихся в воздухе.

Способы сварки титана

Для сваривания титана и его сплавов могут применяться различные способы сварки. Все способы предполагают защиту зоны сварки от воздуха. Сварка с защитой инертными газами является самой широко применяемой. Способ защиты зависит от конфигурации и размеров свариваемой детали. Это может быть местная защита в виде струи газа, выходящего из сопла горелки, и различных накладок на свариваемую деталь или защита с использованием специальных камер. Последние могут быть локальными (необитаемыми), куда помещаются только деталь, сварочная оснастка и горелка, и обитаемыми. Обитаемые камеры вакуумируются, заполняются аргоном, затем через шлюзы в них входят сварщики в скафандрах.

В быту применяется практически только один способ - сварка титана неплавящимся электродом (метод TIG) с местной защитой зоны сварки инертным газом и накладками.

Необходимое оборудование и материалы

сварочный аппарат, поддерживающий режим TIG и оснащенный горелкой;
баллон с защитным газом - аргоном, гелием или их смесью;
неплавящиеся вольфрамовые электроды;
присадочную проволоку.

Необходимое оборудование и материалы для сварки титана

Защитный газ. Высокая химическая активность титана по отношению к газам требует применения инертных газов высокой степени чистоты. В качестве таковых выступают аргон и гелий, имеющие некоторые технологические отличия друг от друга.

Гелий обеспечивает более плавный переход шва от усиления к основному металлу. Он позволяет повысить тепловую мощность дуги и производительность процесса расплавления, что важно при сварке деталей средних и больших толщин.

Аргон дает более узкое и глубокое проплавление основного металла, его расход оказывается в 1,5-2 раза меньше, чем гелия.

Чтобы объединить достоинства газов, иногда используют их смесь.

Электроды. Сваривать титан можно любым вольфрамовым электродом, но не все они обеспечивают одинаково хорошее качество сварного шва и оптимальные характеристики дуги.

Хорошими качествами обладают лантанированные электроды марок ЭВЛ (WL). Добавление оксида лантана увеличивает несущую способность (максимальный ток) электродов примерно на 50% в сравнении с чисто вольфрамовыми. Повышается долговечность электродов и уменьшается загрязнение вольфрамом сварного шва.

Рабочая часть электрода затачивается в конус под углом 30-45°. При увеличении угла заточки снижается глубина проплавления. Нужно иметь в виду, что работоспособность электрода повышается со снижением шероховатости его конуса.

Вольфрамовый электрод

Присадочная проволока. В качестве присадочного материала используются прутки из титана различных марок. Для предохранения металла шва от насыщения водородом, который содержится в присадочных прутках, последние полезно подвергать вакуумному отжигу, в результате которого металл избавляется от водорода.

Подготовка титана к сварке

Подготовка титана к сварке включает в себя обработку кромок свариваемых деталей, обеспечение их защиты с обратной стороны, очистку присадочного прутка. Перед сваркой следует полностью удалять поверхностный слой титана с повышенным количеством кислорода и азота, поскольку при попадании частиц данного слоя в сварной шов металл становится хрупким, появляются холодные трещины.

Если толщина свариваемых заготовок не превышает 3-4 мм, их можно сваривать без разделки кромок. У более толстых деталей выполняется разделка с углом раскрытия равным 60°.

Если свариваемые детали подвергались газовой или плазменной резке, их кромки необходимо срезать механическим способом не менее чем на 3-5 мм. Непосредственно перед сваркой, кромки необходимо очистить от загрязнений, удалить окисную пленку напильником или абразивным кругом и обезжирить ацетоном или иным растворителем. Присадочную проволоку также необходимо очистить от окисей и обезжирить.

Подготовка титана к сварке

Кроме очистки кромок необходимо обеспечить защиту корня шва и поверхность свариваемых деталей с обратной стороны. Это нужно делать даже в том случае, если шов не выходит на противоположную сторону, поскольку титан начинает вступать в реакцию с газами, содержащимися в воздухе, уже при температуре 300-400°C.

Защиту обратной стороны шва производят плотно подгоняемыми съемными стальными или медными подкладками, поддувом аргона в специальные канавки в подкладках или подачей аргона внутрь конструкции (если она имеет трубчатую форму).

Защита титана при сварке

На рисунке ниже изображена система подачи аргона внутрь детали, осуществляемая при сварке рамы велосипеда из титановых трубок.

Защита внутренней стороны трубчатой конструкции из титана

При сваривании толстостенных конструкций, у которых корневой шов не выходит наружу, сварку можно производить без защиты обратной стороны детали при условии ее минимального разогрева. Швы в этом случае должны выполняться короткими (15-20 мм), с перерывами на охлаждение.

Технология сварки титана

В помещении, где производится сварка титана, температура не должна быть ниже 15°С, а скорость движения воздуха - выше 0,5 м/с. Сварка осуществляется постоянным током прямой полярности с подачей присадочного прутка. При толщине металла менее 1,5 мм допустима сварка без присадки. В этом случае шов формируется только из основного металла и получается прочнее шва, выполненного с присадочным прутком, поскольку последний является поставщиком некоторого количества газов в зону сварки.

Подбор диаметров электрода и присадочной проволоки, а также соответствующего им сварочного тока зависит преимущественно от толщины свариваемого металла. В качестве ориентировочных, можно использовать данные, приведенные в нижеследующей таблице.

Толщина свари- ваемого металла, мм	Свароч- ный ток, А	Напря- жение дуги, В	Диаметр приса- дочной прово- локи, мм	Коли- чество прохо- дов
1	40-60	10-14	1,2-1,5	1
2	70-90	10-14	1,5-2,0	1
3	120-130	10-15	1,5-2,0	2
4	130-140	11-15	1,5-2,0	2
5	140-160	11-15	2,0-2,5	2-3
10	160-200	11-15	2,0-3,0	10-14

Диаметр неплавящегося электрода выбирается в зависимости от величины тока сварки с учетом рабочего тока электрода. Расход аргона для защиты зоны сварки 5-8 л/мин, для защиты корня шва - 2 л/мин.

При сварке электрод располагают под углом 70-80° к поверхности детали, присадочный материал - под углом 90-100° к оси электрода. Вылет электрода должен быть 6-8 мм, длина дуги - в пределах 1-2 мм. Для лучшей защиты шва, присадочную проволоку следует вести перед горелкой, а не за ней.

Положение электрода и присадочной проволоки

Горелку перемещают равномерно, без поперечных колебаний. Присадочный материал вводится в зону сварки также равномерно и без поперечных движений. Его конец опирается на край сварочной ванны. Во время сварки нельзя выводить нагретый конец прутка из зоны газовой защиты.

Подачу защитного газа прекращают только через 5-10 сек после потемнения шва, когда его температура опустится ниже 400°С.

Во избежание перегрева околошовных участков и роста зерна металла, сварку необходимо выполнять при минимально возможном токе.

Дефекты сварки титана

При соблюдении технологии сварки титана, прочность сварного соединения достигает 80% от прочности основного металла. Дефекты швов могут снизить показатели прочности на 40-60 и более процентов. Наиболее частыми из них являются поры и холодные трещины.

Основная причина образования пор - газовые примеси (главным образом водорода), растворенные в присадочном и основном металле. Чтобы получать беспористые швы, нужно обеспечивать чистоту сварочных материалов и основного металла и выполнять сварку на оптимальных режимах.

Холодные трещины могут возникать сразу после сварки или по истечении какого-то времени - иногда недель и даже месяцев. Основной причиной их возникновения является водородное охрупчивание.

О качестве газовой защиты, осуществленной в процессе сварки, можно судить по внешнему виду шва. Серебристый цвет (1) говорит о хорошей защите и качественном шве, светлый соломенный оттенок (2) свидетельствует о незначительных нарушениях защиты. Прочие цвета - коричневый, голубой, серый с налетом - говорят о плохой защите шва.

Внешний вид швов после сварки титана

При использовании содержания данного сайта, нужно ставить активные ссылки на этот сайт, видимые пользователями и поисковыми роботами.

Аргонная TIG сварка

TIG сварка

Аббревиатура TIG расшифровывается как Tungsten (вольфрам) Inert (инертный) Gas (газ). То есть, TIG сварка означает - сварка вольфрамовыми электродами в среде инертного газа. При этом металл (в виде прутка) для заполнения шва (если это необходимо) подается второй рукой. В качестве инертного газа чаще используется аргон, он защищает металл, разогретый дугой до высокой температуры, от газов воздуха - кислорода, азота, водяного пара. Инертный газ непрерывно подается в зону горения дуги. Выглядит это так:

Конструкция горелки TIG сварки

Реже используется гелий, из-за высокой стоимости и большего расхода (из-за меньшей плотности). Однако, при одном и том же значении тока, дуга в гелии выделяет в 1,5-2 раза больше энергии, чем в аргоне. Это способствует более глубокому проплавлению металла и значительно повышает скорость сварки. Поэтому при сварке тугоплавких металлов отдают предпочтение гелию. Смесь аргона и гелия (оптимальный состав содержит 35-40% аргона и 60-65% гелия) имеет преимущества обоих газов: аргон обеспечивает стабильность дуги, гелий - высокую степень проплавления.

Преимущества

TIG сварка отличается чистым, аккуратным и точным сварным швом.
TIG сваркой можно сваривать больше металлов чем любым другим способом сварки. Качественно свариваются коррозионностойкая сталь, алюминий, магний, медь, бронза и др.
TIG сварка позволяет лучше контролировать сварочную ванну и весь процесс в целом, что позволяет делать аккуратные и точные швы. В процессе сварки нет искр и брызг (если все делается правильно), т.к. присадочный металл подается без избытка. На шве нет шлака, а воздух не задымляется, как при сварке покрытыми электродами.

Выбор и заточка вольфрамовых электродов

Вольфрамовые электроды

Как понятно из названия, вольфрамовые электроды делаются из вольфрама, которого в них 97-99,5%. При этом, в зависимости от условий использования, применяются различные добавки. Вольфрам имеет очень высокую температуру плавления (3380°C), самую высокую из металлов. Поэтому, сделанные из него электроды способны относительно успешно противостоять высокой температуре дуги.

Вольфрама не менее 99,5%, остальное примеси

* - цифра в маркировке обозначает концентрацию оксида, и есть электроды с меньшими концентрациями, например WL-15 (золотистый), содержащий около 1,5% оксида лантана. Они имеют и другой цветовой код.

Даже если два электрода относятся к одному типу и имеют одинаковую концентрацию легирующей добавки, но произведены разными фирмами, они могут заметно отличаться в работе. Большое значение имеет размер зерна, структура и распределение оксида. Поэтому аккуратнее выбирайте производителя.

Выбор диаметра электрода:

Большое значение имеет заточка электрода, причем со временем электроды деформируются и заточку нужно обновлять. При сварке постоянным током используется конусовидная заточка, при переменном токе делается округлый кончик.

Длина заточки влияет на глубину и ширину шва при сварке, её размер около 2-0,5 диаметра электрода. Ширина зоны проплавления уменьшается с увеличением длины заточки, а при малой длине заточки заметно снижается глубина проплавления. На стабильность дуги также влияют риски, образующиеся при заточке. Для стабильного горения дуги риски должны располагаться строго вдоль оси электрода, а их величина должна быть минимальной. Наилучшим вариантом является полировка электрода после его заточки. Также на горение дуги влияет притупление на кончике. Диаметр притупления выбирается в зависимости от диаметра электрода и величины сварочного тока.

Заточка вольфрамового электрода

Выполнение TIG сварки

Непосредственно перед выполнением сварки, свариваемые поверхности очищаются от загрязнений, ржавчины и поверхностной оксидной пленки, до блеска. Затем обезжириваются ацетоном, уайт-спиритом или другим растворителем.

Механическая очистка поверхности перед сваркой

Большинство металлов сваривается постоянным током прямой полярности (на электроде минус). Сварку алюминия и его сплавов, магния, медных сплавов со значительным содержанием алюминия (например, алюминиевая бронза) выполняют переменным током.

Сварочный ток выбирается в соответствии с диаметром электрода. Величина тока зависит также от рода тока. В таблице представлены ориентировочные значения силы тока (при использовании аргона), последнее слово за производителем выбранного электрода. Если ориентироваться на нижнюю границу, то при слишком малой силе тока дуга будет блуждать, и нужно просто увеличить силу тока (при условии правильной заточки электрода).

Диаметр электрода, мм	Постоянный ток прямой полярности, А	Переменный ток, А
1	10-70	10-15
1,6	40-130	30-90
2	65-160	50-100
3	140-180	100-160
4	250-340	140-220
5	300-400	200-280
6	350-450	250-300

Если сила тока будет чрезмерной для данного диаметра электрода, то электрод расплавится. Если слишком маленькой, то дуга будет нестабильной.

Напряжение на дуге зависит от её длины. Рекомендуется вести сварку на минимально короткой дуге, что соответствует пониженным напряжениям на ней. При повышении длины увеличивается ширина шва, уменьшается глубина проплавления и ухудшается защита зоны сварки. Оптимальная длина дуги составляет 1,5-3 мм, что соответствует напряжению на дуге 11-14В (напряжение холостого хода около 50-70В).

Вылет кончика электрода при сварке стыковых соединений должен быть 3-5 мм, а угловых и тавровых 5-8 мм.

Вылет кончика электрода

Истечение газа по всему сечению сопла должно быть равномерным. Для этого внутри горелки устанавливаются газовые линзы, которые поддерживают ламинарный поток. При ветре или сквозняке эффективность защиты определяется жесткостью струи газа и ее размером.

Нарушение газовой защиты

Жесткость струи зависит от газа (аргон, гелий, их смесь) и растет с увеличением скорости его истечения. Поэтому при увеличении диаметра сопла необходимо одновременно повышать расход газа. Для улучшения защиты при сварке на ветру и на повышенных скоростях рекомендуется увеличить расход газа и диаметр сопла, а также приблизить горелку к детали. Для ограждения от ветра, зону сварки закрывают малогабаритными экранами. Подачу газа выключают через 10-15с (примерно по одной секунде для каждых 10А сварочного тока) после обрыва дуги. Для лучшей защиты металла, например при сварке титана, используют специальные приспособления (см. в статье Приспособления для сварки).

Существует два способа зажигания дуги: бесконтактный (дуга зажигается при помощи высокочастотного и высоковольтного разряда, создаваемого осциллятором) и контактный (дуга между электродом и изделием возникает в результате короткого замыкания электрода на изделие). Бесконтактный способ зажигания дуги используется когда недопустим поверхностный ожог и попадание вольфрама в шов, например, при сварке высоколегированных коррозионностойких сталей и сплавов (вольфрам может нарушить стойкость стали к коррозии). Контактный способ используют при сварке малоответственных конструкций, когда требования к качеству менее жесткие. Однако, при сварке ответственных металлоконструкций при отсутствии осциллятора, контактное зажигание дуги и выход на режим сварки можно выполнять на угольной или медной пластине. Современные аппараты сильно ограничивают ток короткого замыкания при касании электродом изделия, а при поднятии электрода, микроконтроллер обеспечивает плавное нарастание тока.

При сварке совершают только одно движение - вдоль оси шва. Отсутствие поперечных колебаний приводит к тому, что шов получается более узкий.

Положение горелки и присадочного прутка при TIG сварке

Чтобы металл шва не насыщался кислородом или азотом воздуха, надо следить, чтобы конец присадочного прутка постоянно находился в зоне защитного газа. Во избежание разбрызгивания металла, конец прутка подают в сварочную ванну плавно. О степени проплавления судят по форме ванны расплавленного металла. Хорошему проплавлению соответствует ванна растянутая в сторону направления сварки, а плохому - круглая или овальная.

Форма сварочной ванны

Сварку обычно выполняют справа налево. При сварке без присадочного материала, электрод располагают перпендикулярно к поверхности свариваемого металла, а с присадочным материалом - под углом. Присадочный пруток перемещают впереди горелки без поперечных колебаний.

При наплавке валиков горизонтальных швов в нижнем положении, присадочному прутку придают два направления движения: вниз и поступательно вдоль свариваемых кромок. Это надо делать так, чтобы металл равномерными порциями поступал в сварочную ванну.

Движения присадочного прутка

Ошибки при TIG сварке

Как и чем варить титан? Сварка титана: технология и особенности

Титановые детали и конструкции часто находят применение в узкоспециализированных областях, среди которых авиастроение и космическая отрасль. Столь высокое доверие к металлу обуславливается уникальным сочетанием характеристик. При небольшой удельной массе он обладает высокой прочностью, антикоррозийностью и защитными свойствами от химических воздействий. И это далеко не все качества, которыми характеризуется титан. Сварка титана по этим же причинам становится сложной задачей не только для начинающего мастера, но и для профессионалов.

Особенности сварки материала

Физико-химические свойства титана ограничивают использование некоторых высокотехнологичных способов сварки, что заставляет мастеров модифицировать подходящие, но изначально менее производительные методы. Главная сложность в использовании наиболее распространенных способов сварки заключается в повышенной температуре нагрева данного металла. В частности, эффективная работа с ним возможна при режимах термического воздействия порядка 1500-1700 °C. На уровне 500 °C заготовки чаще всего сохраняют базовые прочностные качества. Технологические особенности сварки титана определяются и негативными факторами воздействия на структуру со стороны атмосферного воздуха. В обычном состоянии этот фактор не имеет значения, но в условиях температуры более 400 °C раскаленные зоны будут требовать дополнительной защиты. И это не говоря об основной изоляции непосредственно сварочной ванны. При повышении температуры возникают и сложности другого рода. Так, при достижении 900 °C происходит увеличение зерен и образование крупных пор, что в дальнейшем сказывается на прочностных качествах заготовки.

Общие сведения о способах сварки

Базовыми методами сварочной обработки титана можно назвать дуговой ручной и автоматический способы. Что касается оптимальных сред, то наиболее эффективными считается гелий и аргон. Но важно учитывать, что в первом случае требуется включение в среду некислородного флюса. Также распространен метод электрошлаковой сварки. Его обычно используют в работах с толстыми заготовками, требующими к тому же высокой термической накалки. При грамотной организации неплохой результат обеспечивает и контактная сварка. Данный процесс требует, в частности, устройства сбалансированной защиты газом. Если применять в работе подкладки, то обеспечится высококачественная сварка титана. Технология плавления, например, подразумевает организацию специальной защиты оборотной части заготовки с помощью аргоновых газов. В свою очередь подкладка может обеспечить этой стороне дополнительное предохранение в условиях повышенной температурной нагрузки, об опасностях которой говорилось выше.

Подготовка металла к сварочной операции

Перед операцией титан необходимо соответствующим образом подготовить. В рамках этого этапа выполняется обработка кромок заготовочных элементов, создание защиты противоположных сторон (использование тех же подкладок), а также зачистка прутка присадки. Кроме этого, производится тщательная зачистка наружного слоя заготовки. Его частицы в ходе сварки могут проникнуть в структуру шва, из-за чего он станет хрупким и непригодным к работе в ответственных механических конструкциях. В случаях обработки толстых деталей от 5 см требуется разделка кромок, при которой угол раскроя должен составлять 60°. Если планируется сварка титана и его сплавов, которые до этого подвергались плазменной или газовой резке, то потребуется и зачистка поверхностей швов с ликвидацией слоя толщиной в 3-4 мм. Универсальной мерой уже финальной подготовки перед работой будет устранение внешних загрязнений, масляных пленок и окислов. Для этой процедуры используются мелкозернистые абразивы, напильник и обезжиривание с растворителями. Затем оставшиеся следы зачистки удаляются сухой ветошью.

Ручная дуговая сварка

В процессе задействуется вольфрамовый электрод с подключением источника постоянного тока. Защите подвергается зона вокруг шва, корень шва и ближние затронутые термическим воздействием зоны. Изоляция обеспечивается козырьками, насадками и термически стойкими пористыми материалами, в которые подается газ. Подкладки желательно применять из меди или стали. Если производится обработка трубы, то газ пускается прямо в дуло. Что касается оптимального режима, то для 2-миллиметрового электрода сила тока может составлять порядка 90 А. Это начальный уровень для работы с заготовками толщиной 4-5 мм. Конкретные величины могут изменяться и в зависимости от того, каким образом легировался титан. Сварка титана выполняется на короткой дуге без колебательных манипуляций. Электрод наклоняется противоположно направлению его движения – то есть вперед углом. Резко завершать операцию нельзя. В целях предотвращения образования окислов все защитные приспособления остаются на прежних местах даже после отключения электродов.

Автоматическая сварка

В работе также используется вольфрамовый электрод. Если применяется неплавящаяся разновидность электрода, то подключаемый ток должен иметь направленную полярность. При этом оптимальный размер выходных отверстий горелки составляет 14-15 мм. Техника выполнения в целом соответствует ручному методу, но важно учитывать, что в силу повышенной активности данного металла операции зажигания и гашения при работе с горелкой должны производиться в стороне от места шва. Автоматическая сварка титана аргоном после гашения должна обеспечивать подачу газа еще как минимум 1 мин.

Менее популярный метод, но он может быть эффективнее в работе с отдельными сплавами. Например, при сварке легированного 5-процентного титана с добавками алюминия и олова. В качестве силового источника применяется трехфазовый трансформатор, что свидетельствует о высоких нагрузках в процессе работы. Достаточно отметить силу тока при сварке толстых поковок – в среднем 1500-1600 А. Далее ход операции зависит от того, каким электродом плавится титан. Сварка титана электродом пластинчатого типа с размерами 12х60 мм обеспечивает оптимальное качество шва, который по характеристикам соответствует основной структуре заготовки. В обработке прессованных деталей часто используют такие же электроды, но с диаметром 8 мм. Это решение может показаться оправданным ввиду нетребовательности структуры металла, но прочностные качества шва будут понижены – в среднем 85% от показателя нетронутой структуры.

В этом случае многое зависит от скорости работы. Практика показывает, что для крупных заготовок, к примеру, предпочтительным будет режим 2 мм/сек. Увеличение данного показателя приведет к снижению прочности заготовки и положительная функция защитного газа будет минимизирована. Неплохой по качеству результат можно получить, если заранее выполнить более глубокую механическую обработку поверхности заготовки. Благодаря зачистке крупнозернистой наждачной бумагой вкупе с легкой фрезеровкой будет обеспечена стабильная и ровная сварка титана. Отзывы также указывают на достижения хороших результатов при контактной сварке в условиях сбалансированной осадки. Ее следует подбирать из следующего расчета: в среднем на 20% выше, чем при обработке углеродистой стали.

Особенности холодной сварки

Отсутствие термического воздействия, при котором наблюдаются, по сути, разрушительные процессы в структуре титана, делают этот способ почти идеальным, но и тут есть свои нюансы. Холодная сварка производится под высоким давлением, которое деформирует кристаллы структуры, в результате смещая их и образуя общий сплав. Непосредственно сварка производится внахлест с помощью специальных зажимных механизмов. Силовое механическое воздействия также отличает этот способ, что требует более высоких финансовых затрат. Есть и другой недостаток, которым характеризуется холодная сварка. Титан, в конструкции которого есть образованные такой спайкой швы, менее надежен и может задействоваться только в конструкциях, не предполагающих высокие физические нагрузки.

Возможные дефекты при сварке

Одним из самых серьезных дефектов является образование пор. Это газовые примеси в структуре металла, в формировании которых участвовал водород. Исключить этот изъян можно двумя условиями – выполнением качественной всесторонней зачистки перед сваркой и обеспечением эффективной защиты нагретого металла в процессе обработки. Еще одной проблемой может стать появление окислов, которые переходят от места создания шва к цельной структуре. Кстати, от этого недостатка полностью страхует холодная сварка титана. Отзывы самих пользователей свидетельствуют, что предотвратить этот дефект при термической обработке помогает именно долговременное поддержание газовой защиты аргона уже после завершения процесса. Индикатором для снятия защиты станет нормализация температуры шва.

Заключение

Сварка титана

Титан — удивительный металл. Он отличается уникальным сочетанием свойств: легкость, прочность, коррозионная стойкость. Кроме того, титан не отторгается тканями человеческого организма. Из титана изготавливают детали самолетов и подводных лодок, элитные велосипеды и протезы. Однако обработка титана, а особенно — его сварка сопряжена с определенными трудностями. Для их преодоления ученые и инженеры разработали и успешно применяют специальные способы сварки титана и его сплавов.

Особенности сварки титана и сплавов на его основе

Титан и его сплавы обладают температурой плавления от 1468 до 1830 ° С. Металл обладает высокой жаропрочностью (до 500 °С ) и высокой коррозионной стойкостью. Эти сплавы можно закалять, если добавить в качестве легирующих присадок хром, марганец или ванадий. При этом пластичность материала падает.

Однако при нагреве до 400 ° С поверхностные слои металла становятся химически активными и стремятся прореагировать с доступными окислителями, прежде всего — кислородом и азотом воздуха. Кроме того, при нагреве свыше 800 °С сплавы проявляют склонность к росту зернистости и пористости. Сварка титана должна происходить в условиях отсутствия газов — окислителей.

Способы сварки титана и его сплавов

Учитывая физико-химические свойства, титан и титановые сплавы сваривают только электродуговой сваркой.

Основные способы сварки титана:

в газовой среде, с бескислородным флюсовым порошком АН-11;
электрошлаковый для толстых листов, под флюсом АН-Т2;
контактный в атмосфере защитных газов.

В ходе работы требуется защищать от окислителей не только рабочую зону, но и оборотную сторону соединения. Поэтому технология сварки титана предусматривает работу в изолированном объеме, заполненном газовой смесью на основе аргона. Дополнительную защиту осуществляют, используя подкладки или сваривая детали встык.

Подготовительные операции

Для получения прочного и долговечного шва необходимо подготовить свариваемые поверхности. Прежде всего, следует удалить пленку из окислов. Для этого детали тщательно зачищают и обезжиривают с двух сторон на расстояние в 20 см от линии шва. Проводить очистку и обезжиривание следует в защитных перчатках, предотвращающих попадание потожировых пятен с рук.

Далее поверхности в течение 10 минут обрабатывают травильным составом — 35 частей соляной кислоты, 65 частей воды и 50 граммов фторида натрия. Раствор нагревают до 60-70 °С.

Следом наступает очередь механической обработки — шлифовки металлическими щетками и наждачкой №12 до полного удаления заусенцев и трещинок. Аналогично следует обработать и присадочную проволоку. Теперь можно приступать непосредственно к сварке титана и его сплавов.

Технология и режимы сварки

Ручную сварку титана и его сплавов проводят электродами из вольфрама постоянным током обратной полярности. В ходе работ применяют оснастку и дополнительные приспособления, обеспечивающие защиту рабочей зоны и нагретой области, прилегающей к шву, и значительных отрезком остывающего шовного материала. Это специальные удлиненные насадки с соплами для подачи инертных газов, козырьки, перфорированные подкладные пластины с подачей газа и т.д. При соединении трубопроводов трубы заполняют защитным газом изнутри.

Ручная дуговая сварка

Ручная аргонодуговая сварка чаще всего применяется при изготовлении уникальных изделий или в мелкосерийном производстве, а также при выполнении работ высокой сложности, на которые не получается запрограммировать автомат.

Ручная дуговая сварка

При толщине листа до 3 мм зазор следует выставлять от полмиллиметра до полутора, и сваривать можно без добавления присадочной проволоки. При использовании 1,5-миллиметрового электрода и 2-миллиетровой присадочной проволоки сварочный ток для листов толщиной 2 миллиметра выбирают около 100 ампер, а для листов в 3-4 мм — ток увеличивают до 140 ампер.

Электрод ведут прямо, без колебаний, а наклонен он должен быть вперед по ходу шва. Если используется присадочная проволока, то она должна подаваться непрерывно, а электрод ставится перпендикулярно к заготовке.

После завершения шва и отключения электродуги требуется подавать защитные газы еще как минимум полторы — две минуты, чтобы дать возможность последнему участку шва и околошовной зоны остыть до 400 °С. Такая защита препятствует образованию окислов. Окислившийся шов легко отличим по цвету:

высококачественный шов — желтый (соломенный);
окислившийся – серо- черный, с переходом в синеву.

Автоматическая сварка

Автоматическая сварка проводится электродами из вольфрама с применением постоянного тока.

Если используется неплавкий электрод, то рекомендуется применять прямую полярность. Рекомендованный диаметр сопел горелки, подающих защитный газ, должен быть в пределах 12-15 мм.

Розжиг и гашение дуги выполняют не на самой детали, а на расположенных рядом с началом шва планках. Это связано с тем, что в начале и конце работы дуги в ходе переходных процессов возможны броски напряжения, могущие вызвать проплавление основной детали.

Режимы аргонодуговой сварки титана

При сварке титана аргоном работают с металлом толщиной от 0,8 до 3 миллиметров.

Параметры сварки зависят от толщины листа:

Режимы сварки титана под флюсом

При этом методе линия шва посыпается толстым слоем флюсового порошка. Облако инертных газов образуется по мере сгорания флюсового порошка в пламени электродуги и прикрывает как сварочную ванну, так и околошовное пространство.

Схема сварки под флюсом

Метод позволяет работать с более толстыми деталями – до 5 мм для стыковых и угловых соединений, а при сварке внахлест — только до 3 мм. Ток при этом используется от 250 до 330 ампер, рабочее напряжение — 24-38 вольт. Данный метод обеспечивает повышенную скорость сварки — от 40 до 50 метров в час (почти метр в минуту).

Электрошлаковая сварка титановых сплавов

Этот способ применяется реже, но позволяет достигнуть высокой эффективности при соединении заготовок из титановых сплавов с добавлением алюминия и олова. Метод весьма энергоемкий, применяются трехфазные сварочные источники. Сварочные токи достигают полутора тысяч ампер.

Применяются пластинчатые электроды сечением 12×60 мм. Они позволяют получить высококачественный шов, причем шовный материал по своим основным механическим параметрам близок к материалу деталей.

При работе данным методом не рекомендуется использовать плавкие электроды из легированных сплавов, ввиду чрезмерного насыщения прессованного материала сварочными газами.

Контактная сварка титана

При контактной сварке электроды не используются для разжигания дуги, их назначение — только подвести электрический ток к рабочей зоне. Дуга разжигается непосредственно между небольшими зонами деталей, сближаемых между собой под давлением электродов. Метод применяется для сварки относительно тонких листов проката в ходе изготовления сосудов, корпусов и т.п.

Контактная сварка бывает:

стыковая;
точечная;
шовная, или роликовая;
конденсаторная

По данным исследований, наилучшая скорость оплавления при работе с крупными заготовками должна составлять 2-3 мм/с. Повышение скорости вызывает понижение прочностных характеристик шва, несмотря на аргонную защитную атмосферу.

В ходе подготовки к сварочным работам кромки заготовок следует отфрезеровать или зачистить абразивными материалами. Необходимо также тщательно обезжирить как линию шва, так и околошовную зону до 20 см. Поскольку титан имеет низкую теплопроводность, он склонен перегреваться. Поэтому значение осадки устанавливается на 10-20% выше, чем для конструкционных сталей.

Режимы стыковой сварки титана

Сварочные режимы определяются, прежде всего, площадью сечения свариваемых заготовок. Метод позволяет сваривать детали сечением от 150 до 10 000 мм 2 . При этом остальные характеристики варьируются в зависимости от сечения:

Точечная сварка титана

Этот метод позволяет получить негерметичное соединение листового металла до 4 мм толщины. Она широко применяется для корпусов механизмов и защитных кожухом, для сборки различных опорных рамок и т.п. Электрод должен быть достаточно прочным, чтобы выдерживать большое усилие сжатия листов. Для сварки протяженных швов с целью повышения производительности используется несколько электродов, расположенных с тем же шагом, что и точки шва.

Режимы точечной сварки титана определяются толщиной проката:

Шовная роликовая сварка титана

данный способ используется для создания герметичных сварных соединений. Используются электроды в виде силовых роликов, которые катятся вдоль лини шва и сжимают листы заготовок друг с другом. На них периодически подают мощные импульсы тока с тем расчетом, чтобы зоны проплавления, имеющие овальную форму, перекрывали друг друга на 10-15% . Цепочка таких точек сварки и образует непрерывный герметичный шов. Метод позволяет сваривать листы толщиной от 0,2 до 3 мм и весьма популярен при изготовлении герметичных емкостей сосудов низкого давления, таких, как топливные баки, сильфоны и т.п.

Режимы конденсаторной стыковой сварки титановых труб

Конденсаторный метод является подвидом шовной сварки и отличается от него тем, что энергия электрического импульса запасается в батарее, составленной из мощных конденсаторов, и управляющим модулем периодически подается на электроды. Трубные заготовки диаметром до 23 мм с толщиной стенки до 1,5 мм получается сваривать даже без защитной атмосферы, поскольку мощный импульс выжигает окислители в зоне сварки.

Режим сварки также определяется диаметром трубы и толщиной ее стенки. Емкость конденсаторной батареи колеблется от 5 000 до 7000 микрофарад, напряжение импульса — от 800 до 2100 вольт, усилие сжатия — от 8 до 24 кН.

Очень важно соблюдать дистанцию вылета труб из вкладышей (от 1 до 1,8мм), поскольку при его превышении более 2,2 мм происходит смещение торцов и неполный провар шва.

Одним из наиболее часто встречающихся дефектов является повышенная пористость шва. Он возникает за счет поглощения шовным материалом пузырьков водорода, попадающего в сварочную ванну. Чтобы избежать пористости, следует:

тщательно зачистить и обезжирить рабочие поверхности;
обеспечить достаточную защиту сварочной ванны и зоны остывающего металла.

Распространено также образование окисного слоя, переходящего от линии шва к сплошному металлу заготовок. Избежать этого позволяет поддержание защитного газового облака до остывания шва до температуры 400 °С.

Читайте также: