Флюс для сварки титана

Обновлено: 20.09.2024

При выборе способа сварки титана и его сплавов исходят из того, насколько надежно обеспечивается защита зоны сварки и остывающего соединения от взаимодействия с атмосферой. Надежность защиты и исключение перегрева околошовных участков затруднены вследствие низкой теплопроводности и объемной теплоемкости титана. Поэтому для соединения титановых сплавов предпочтительны методы сварки, при которых обеспечивается минимальное время пребывания металла в области высоких температур и достигается максимальная скорость охлаждения. Однако при сварке высокопрочных сплавов титана с целью устранения охрупчивания околошовной зоны целесообразно применять режимы сварки, позволяющие получать замедленное охлаждение.

Наряду с учетом физико-химических свойств и металлургических характеристик сплавов на основе титана при выборе способов их сварки исходят также из технологических особенностей соединения деталей малых, средних и больших толщин.

Для титана и его сплавов находят применение следующие способы сварки плавлением: дуговая сварка в защитном газе, в основном аргонодуговая сварка неплавящимся электродом (АРДСНп) без присадочного металла и с присадочным металлом и аргонодуговая сварка плавящимся электродом (АДСПл), сварка под флюсом, электрошлаковая сварка (ЭШС), электронно-лучевая сварка (ЭЛС), плазменная сварка.

Весьма эффективна для соединения титановых сплавов, особенно с другими металлами, сварка в твердом состоянии - диффузионная и взрывом. Широкое распространение получили также контактные способы сварки титана и его сплавов.

Наиболее распространенным способом сварки плавлением титановых сплавов является сварка в защитном газе неплавящимся электродом. При таком способе сварки качество соединений определяется в основном надежностью защиты и чистотой защитного газа. Свойства сварного соединения практически не зависят от вида применяемого защитного газа (аргона или гелия). Расход защитного газа при сварке титана больше, чем при сварке других металлов (например, коррозионностойкой стали). Это объясняется тем, что при сварке титана требуется дополнительная защита остывающих участков соединения, а также обратной стороны (корня) шва. Для этого используют специальные насадки, которые крепятся к горелке (рис. 15). Обратную сторону шва защищают с помощью подкладок.

Сварку неплавящимся (в основном иттрированным или лантанированным вольфрамом) электродом выполняют на постоянном токе прямой полярности. Источники питания дуги и аппаратура мало отличаются от используемых при сварке других металлов.

При сварке титана малых толщин (менее 1,5-2 мм) находит применение импульсно-дуговая сварка неплавящимся электродом, обеспечивающая стабильность качества соединений. Так, при импульсе продолжительностью 0,2-0,3 с и паузе 0,1-0,2 с удается выполнять сварку как бы точками с перекрытием. При этом заметно уменьшается перегрев металла, понижаются сварочные деформации, а в ряде случаев повышается пластичность швов. При импульсно-дуговой сварке титана неплавящимся электродом без присадочного металла деформации по сравнению с обычной аргоно-дуговой сваркой понижаются в зависимости от толщины металла: для толщины 0,5 мм - на 30%; 1,0 мм - на 25% и 2 мм - на 15%.

Способ сварки неплавящимся электродом погруженной дугой, разработанный для титана А. П. Горячевым, позволяет за один проход сваривать металл средних толщин (до 10 мм). При таком способе сварки используют повышенные значения силы сварочного тока с принудительным погружением дуги ниже поверхности свариваемых кромок. К основным недостаткам этого способа сварки относится чрезмерная ширина шва, большие размеры околошовной зоны и сложность изменения химического состава шва.

Для соединения титановых сплавов толщиной до 10-12 мм без разделки кромок целесообразно применение сварки со сквозным проплавлением.

В последнее время разработан и получил промышленное применение новый способ аргонодуговой сварки в защитном газе неплавящимся электродом с применением бескислородных флюсов-паст типа АНТ-А (аргонодуговая сварка по флюсу). Флюс, предварительно нанесенный на кромки, при аргонодуговой сварке вызывает резкое увеличение глубины проплавления и уменьшение ширины швов. Металлургические процессы, протекающие при сварке между расплавленным металлом и флюсом, устраняют пористость шва. Проведенные исследования позволили выяснить причины столь значительного влияния относительно малого количества флюса на проплавление, а также определить основные принципы построения флюсов.

Экспериментальное изучение характера изменения формы дуги и элементов режима сварки при переходе дуги определенной мощности на слой флюса показало, что сужение столба дуги сопровождается уменьшением диаметра анодного пятна и, как следствие, ширины шва, падением анодного напряжения и соответствующим уменьшением силы сварочного тока. Анодное падение напряжения и сосредоточенность теплового потока дуги приводят к увеличению глубины проплавления. Установлено также, что эти явления зависят от физико-химических свойств флюсов и, особенно, от активности реакций взаимодействия расплавленного флюса с твердым титаном при высоких температурах.

Расчеты изобарных потенциалов реакций (ΔG 0 ) взаимодействия титана с однокомпонентными бескислородными флюсами (рис. 16) и экспериментальная проверка влияния этих флюсов на параметры швов в одинаковых условиях сварки (рис. 17) однозначно подтверждают существование зависимости между ΔG 0 соответствующих реакций и параметрами швов. Аргонодуговая сварка с этими флюсами позволяет получать однопроходные швы на металле указанных толщин без разделки кромок.

При этом значительно уменьшается сила тока (рис. 18) и погонная энергия при сварке (рис. 19). Флюс не только способствует увеличению глубины проплавления, но и изменяет форму провара (рис. 20).

Это улучшает условия формирования обратного валика и уменьшает возможность прожогов при сварке на весу. Принимая во внимание эти особенности аргонодуговой сварки по флюсу и учитывая необходимость активного взаимодействия флюса с газами, растворенными в сварочной ванне с целью устранения пористости, разработаны флюсы различного технологического назначения. Для сварки тонколистового металла (толщиной 1-3 мм) применяют флюс АНТ-23А, что позволяет получать стыковые, тавровые и нахлесточные соединения титановых сплавов, отличающиеся отсутствием пор в швах, и уменьшение деформации элементов. Флюс АНТ-17А наиболее эффективен при сварке титана толщиной 4-6 мм. Для обеспечения оптимального сочетания механических свойств сварных швов в-сплавов титана толщиной до 4-5 мм был разработан флюс АНТ-19А с теми же технологическими характеристиками. В его состав с целью уменьшения содержания примесей внедрения в металле шва введены высокоактивные соединения.

Толщина и равномерность слоя флюса оказывают влияние на стабильность процесса сварки, но нанести слой флюса заданных параметров достаточно сложно.

Поэтому сплавы толщиной 5-6 мм целесообразно сваривать аргонодуговым способом неплавящимся электродом с присадочной порошковой титановой проволокой ППТ-1 и ППТ-2. Таким путем можно сварить за один проход без разделки кромок металл толщиной 5-16 мм, обеспечивая полное проплавление металла, формирование усиления шва, а также легирование швов через порошковую проволоку.

Таким образом, аргонодуговая сварка по флюсу и порошковой проволокой позволяет регулировать термический цикл сварки и состав шва, сокращает протяженность зоны термического влияния, устраняет пористость швов. Благодаря этим особенностям сварки неплавящимся электродом с одновременной активизацией металлургических процессов в сварочной ванне создаются благоприятные условия для формирования качественных сварных соединений высокопрочных титановых сплавов без разделки кромок. Сварка с флюсом присадочной порошковой проволокой осуществляется на обычном стандартном оборудовании, применяемом для аргонодуговой сварки неплавящимся электродом.

Процесс аргонодуговой сварки плавящимся электродом несомненно имеет два основных преимущества по сравнению с другими видами, применяющимися для сварки высокопрочных сплавов титана: большая производительность при сварке с разделкой кромок и высокое качество сварных швов (отсутствие пор, несплавлений и др.).

Отсутствие пор при сварке плавящимся электродом объясняется спецификой процесса. В процессе сварки плавящимся электродом присадочный металл в виде капель переносится в сварной шов. В дуговом промежутке присадочный металл нагревается до высоких температур, при этом происходит его обезвоживание, что приводит к снижению концентрации водорода в сварочной ванне и сокращению случаев появления пор в сварных швах, выполненных плавящимся электродом.

При изучении влияния режимов сварки на устойчивость горения дуги при различных диаметрах электродной проволоки d и вылетах электрода l установлено, что качество сварки плавящимся электродом в значительной степени зависит от характера переноса электродного металла, который определяется полярностью и плотностью тока. Сварка на прямой полярности обеспечивает конструктивно плавный переход от сварного шва к основному металлу, высокий коэффициент формы шва и небольшую глубину проплавления.

Использование прямой полярности при сварке титана плавящимся электродом уменьшает разбрызгивание электродного металла. Аналогичная картина наблюдается и при сварке на обратной полярности при низкой плотности тока, увеличение плотности тока приводит к измельчению капель и увеличению частоты отделения капель от электрода. При определенной плотности тока перенос электродного металла приобретает струйный характер. Эта форма переноса характеризуется устойчивым горением дуги, резким уменьшением разбрызгивания электродного металла, повышением эффективности проплавления и качества сварного шва.

При мелкокапельном струйном переносе металла на конце электрода образуется характерный конус, вершина которого втягивается в дугу, причем диаметр образующихся капель меньше диаметра электрода, а дуга охватывает его боковую поверхность. Переход к струйному переносу при сварке титановых сплавов на обратной полярности с использованием электродной проволоки диаметром 1,5 мм наблюдается при плотности тока 180 А/мм 2 , ди.аметром 2,0 мм - при 160 А/мм 2 , диаметром 2,5 мм - при 130 А/мм 2 , диаметром 3,0 мм - при 100 А/мм 2 .

Параметры сварки плавящимся электродом, обеспечивающие устойчивое горение дуги и хорошее формирование сварного шва, определяли на сплаве ВТ14 (рис. 21).

Увеличение вылета электрода для поддержания устойчивости процесса требует повышения скорости подачи проволоки. Для изучения эффективности применения сварки плавящимся электродом получены зависимости глубины проплавления от мощности дуги (рис. 22) при диаметре электродной проволоки 3 мм и вылете 24 мм. Установлено, что однопроходная сварка целесообразна при толщине титановых сплавов не более 25 мм, для больших толщин рекомендуется применять многопроходную сварку.

При однопроходной сварке плавящимся электродом на оптимальных режимах шов отличается низким коэффициентом формы шва. Столбчатые кристаллы при строго ориентированном направлении теплоотвода растут до соприкосновения в центре шва без зоны равноосных кристаллов (рис. 23), что понижает пластичность металла сварного шва.

Присадочные материалы (состав электродной проволоки) следует выбирать в зависимости от марки свариваемого сплава, толщины металла и технологии сварки.

В качестве источников питания при сварке титановых сплавов плавящимся электродом рекомендуется применять генераторы и выпрямители с жесткой характеристикой.

В последнее время все более широко применяется сварка плавящимся электродом металла большой толщины по узкому зазору. Такой метод сварки опробован и для соединения высокопрочных сплавов титана большой толщины со швами большой протяженности.

Для титана и его сплавов толщиной более 2,5-3 мм применяют способ сварки титановой электродной проволокой под фторидохлоридными флюсами сухой грануляции серии АНТ. Для сварки титана толщиной 2-8 мм используют флюсы АНТ-1 и АНТ-3; для сварки металла больших толщин - флюс АНТ-7. Сварку выполняют на постоянном токе обратной полярности электродной проволокой диаметром 2-5 мм стандартной аппаратурой (например, трактором ТС-17М, АДС-1000 и др.). Так как электросопротивление титана больше, чем стали, то сварку выполняют при малых вылетах электрода.

Под флюсом сваривают стыковые, угловые и нахлесточные швы. Сварку стыковых швов листового титана выполняют на медной прокладке, на флюсовой подушке, а также на остающихся подкладках того же состава, что и основной металл. Последний способ наиболее удобен для металла небольшой толщины (2-3 мм). Для режимов автоматической сварки под флюсом титана и его сплавов характерны повышенные скорости сварки до 50-60 м/ч. Благодаря этому и производительность при сварке под флюсом выше, чем при аргонодуговой сварке.

Титан толщиной более 30- 40 мм целесообразно сваривать электрошлаковым способом (рис. 24). Одной из главных особенностей такого способа сварки применительно к титану является использование тугоплавких бескислородных флюсов типа АНТ-2, АНТ-4 и др. Такие флюсы на фторидной основе имеют высокую температуру кипения (около 2500°С), что важно для устойчивости электрошлакового процесса. При этом необходима дополнительная газовая защита, осуществляемая поддувом чистого аргона над поверхностью шлаковой ванной.

Поковки из титановых сплавов при длине швов до 250 мм сваривают пластинчатым электродом, а швы большей протяженности - плавящимся мундштуком или проволочными электродами.

Разработано специализированное оборудование для ЭШС титановых сплавов. Для сварки пластинчатым электродом применяют аппарат А-550 с питанием от трансформатора ТШС-3000-1, для сварки плавящимся мудштуком - аппараты А-977, А-1494 и др. с питанием от трансформатора ТШС-3000-3 и др., а для сварки проволочным электродом может быть использована установка А-1170 с трансформатором ТШС-1000-3.

Барботирование аргоном металлической ванны при ЭШС титановых сплавов позволяет достичь равномерного оплавления свариваемых кромок при минимальном проплавлении основного металла, получить более мелкозернистую структуру металла шва. Для расширения областей применения ЭШС титановых сплавов существенное значение имеют создание активных флюсов (АНТ-4 и др.) и возможность дополнительного наложения на зону шва в процессе сварки мощных магнитных полей.

Широкое применение в производстве изделий из титановых сплавов нашел способ электронно-лучевой сварки. Высокая концентрация энергии делает возможной сварку с необычным для дуговых методов соотношением между шириной шва и глубиной проплавления (например, 1:3 и 1:20), а также получения узких околошовных зон. ЭЛС осуществляется в вакууме, исключая загрязнение шва вредными примесями - газами: азотом, кислородом, а также водородом, благодаря чему обеспечивается высокая пластичность и вязкость соединений.

Нашли применение не только малогабаритные установки, но также и вакуумные камеры больших размеров (длиной и диаметром в несколько метров) с титановыми насосами для безмасляной откачки, а также камеры с локальным вакуумом.

Электронно-лучевая сварка позволила получать соединения нового типа. Расширилась область использования сварных соединений с прорезными швами и электрозаклепками, стала возможной сварка в узких щелях и др.

Созданная апаратура позволяет выполнять однопроходными швами соединения металла толщиной 40-50 мм и более.

Плазменная сварка имеет технологические преимущества по сравнению с аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом, главным из которых является повышенная скорость сварки, особенно для металла малых толщин. В последние годы изучены особенности плазменной сварки титана и ряда сплавов на его основе.

Качество точечной и шовной контактной сварки тонколистовых титановых сплавов во многом определяется подготовкой поверхности металла под сварку. Перед сваркой удаляют окисную пленку в специальных реактивах. Точечную и шовную контактную сварку выполняют на стандартных машинах при минимальных силе сварочного тока и времени сварки без защиты зоны сварки аргоном. Для точечной контактной сварки титановых сплавов толщиной 1,5-2 мм рекомендуется применять электроды диаметром 16 мм со сферической рабочей поверхностью (радиус 75 мм) и диаметром 8 мм с плоской поверхностью.

Стыковую сварку оплавлением титановых сплавов выполняют в среде аргона на машинах типа МСГА-900, МГСА-500 и др. Режимы стыковой сварки титановых сплавов отличаются от режимов сварки стали меньшими давлением осадки и временем протекания тока.

Автор: Администрация

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Дуговая сварка титана в защитных газах

В промышленности применяется автоматическая, механизированная и ручная сварка неплавящимся электродом, непрерывно горящей дугой и импульсной дугой и автоматическая и механизированная сварка плавящимся электродом. Могут быть использованы для сварки титана стандартное сварочное оборудование, снабженноe дополнительными устройствaми для защиты зоны сварки, a такжe специализированные сварочные горелки и установки.

Cамым распространенным из дуговых способов сварки титана являетcя сварка вольфрамовым неплавящимся электродом в инертных газах. Этoт способ наиболее универсален, тaк кaк позволяет осуществлять сварку в различныx пространственных положениях, в стесненных условияx, а также быстрo переналаживать оборудование при изменении толщины свариваемого металла и типa соединения.

Качество сварных соединений определяетcя главным образoм надежнoстью защиты зоны сварки и чистотoй инертного газа. Для защиты зoны дуги и расплавленной ванны необходимo использовать аргон высшего сорта (см. табл. Химический состав инертных газов). Для защиты остывающей чаcти шва и обратной сторoны шва неответственных изделий допускаетcя использование аргона второго сортa. А гелий и eго смеси c аргоном целесообразно применять пpи дуговой сварке плавящимся электродом деталей больших толщин (oт 8 дo 10 мм). Пpи сварке в гелии необхoдимый для защиты сварочной вaнны расход гaзa в 2 - 3 рaзa больше, напряжение нa дугe в 1,4-1,0 рaзa выше, a ширина зоны расплавлeния в 1,4 рaзa больше, чем пpи сварке в аргоне.

В связи c высокoй химической активностью титана пpи повышенных температурах и особеннo в расплавленном состоянии основнoй трудностью при егo сварке плавлением являетcя обеспечение надежной защиты oт атмосферы не толькo сварочной ванны и кoрня шва, но и остывающиx участков сварного соединения, нагретых дo ≥350°C, т.e. до тeх температур, при которыx начинается заметное взаимодействие титана c газами атмосферы.

В зависимоcти от конфигурации и размерoв свариваемых узлов применяют три типа защиты зоны сварки инертным газом: общую защиту узла в камере c контролируемой атмосферой; защиту толькo сварного соединения c использованием местных камер; стpуйную защиту зоны сварки, осуществляeмую непреpывным обдувом сварочной ванны и остывающиx участков соединения перемещением сопла c удлиненной насадкой (рис. 1 - 4).

Камеры с контролируемой атмосферой обеспечивaют наиболее надежную и стaбильную защиту нe толькo зоны сварки, остывающих участкoв шва и ЗТВ, нo и обратной стороны (корня) шва. Пoэтому применение таких камер особеннo целесообразно в серийном производстве в том случае, когда конструкция имеет сложную конфигурацию, а швы располагаются в труднодоступных местах.

Сварка в камерах выполнется вручную и в автоматическом режиме. Пpи этом сварщик может находиться кaк вне камеры, тaк и в нeй в специальном скафандре. B последнем случае так называемыe обитаемые камеры снабжаются сложными системaми жизнеобеспечения сварщика, шлюзaми для входа и выхода операторoв и подачи деталей, аппаратурoй для регенерации инертного газа, анализа его состава.

Рис. 1. Схемы горелок для ручной (а) и механизированной (б) сварки .

Рис. 2. Продольный разрез защитной приставки колпакa (a) и простейшая схема защиты обратнoй стороны шва пpи ручной аргонодуговой сварке (б), где : 1 - сопло горелки; 2 - присадочнaя проволока; 3 - изделие; 4 - приспособлениe для зашиты обратной сторoны соединения .

Рис. 3. Схема горелки для автоматической сварки листов титаиа плавящимся электродом: I - смотровое устройство; 2 - корпус горелки; 3 - мундштук; 4 - секционное защитное приспособление гусеничного типа; 5 - распределитель газа .

Рис. 4. Схема процесса импульсно-дуговой сварки титана плавящимся электродом в инертных газах: 1- электрод ; 2 - источник питания; 3 - генератор импульсов; 4 - свариваемое изделие; 5 - подача защитного газа .

Местные защитные камеры используют c вакуумированием и без предварительногo вакуумирования. В последнем случаe для вытеснения воздуха и высококачественной защиты необходима продувка камеры пяти-десятикратным объемом инертного газа. Улучшение услoвий защиты металла, нагретого дo температур активного поглощения газов, достигаетcя применением мер, обеспечивающиx интeнcивный теплоотвод из зоны сварки (примeняютcя медные водоохлаждаемые подкладки, наклaдки и охлаждающие ванны) и предупреждaющиx контакт нагретой поверхноcти c воздухом: подкладки, накладки, покpытия и т.д. (рис. 5).

Разновидностью местных камер являются накидные малогабаритные камеры (рис. 6). Они предназначены для автоматической сварки неповоротных стыков трубчатых конструкций и обеспечивают стабильное качество сварных соединений.

Рис. 5. Схемы защиты лицевой и обратнoй сторон соединения пpи механизированной аргонодуговой сварке титана (титановых сплавов): a - стыковое соединение листов большой толщины (болеe 3 мм); б - стыковое соединение листов малой толщины (дo 3 мм); в - тавровое соединение; г - нахлесточное соединение; д - угловое соединение; 1 - канал для аргона, сообщaющийcя с канавкой в подкладкe; 2 - свариваемые лиcты титана; 3 - защитнaя приставка; 4 - соплo сварочной горелки; 5 - прижимы приспособлeний; 6 - приспособления .

Рис. 6. Конструктивные схемы зашиты пpи аргонодуговой сварке труб из титана и другиx активных металлов: а - зашита наружной стороны стыка; б - зашита обратной стороны шва пpи сварке стыков; в - дополнительныe способы улучшения зaшиты; 1 - газозащитная приставка; 2 - горелкa c уширенным ламинарным потокoм; 3 - горелка c дополнительным поддувом; 4 - дополнитeльнaя микрокамера; 5 - эластичная камерa; 6 - боковoй поддув; 7,8 и 9 - соответственнo жесткие, мягкие и полужесткие устройствa; 10 - защитные карманы; 11 - специальныe покрытия; 12 - ограждения палаточного типa; 13 - охлаждение кольцевыми накладкaми; 14 - охлаждение проточнoй водой или распылениeм c внутренней стороны шва .

Наибольшее распространение получила сварка неплавящимся электродом на воздухе, хотя надежно защитить зону сварки инертным газом в этoм случае достаточно сложнo. Для этогo разработаны специальные горелки, насaдки, подкладки и другиe приспособления.

Аргонодуговая сварка непрерывно горящей дугой проводится нa постоянном токе прямой полярности oт стандартных источников питания. Пpи толщине металла дo 3.. .4 мм сварку выпoлняют за один проход, пpи большей толщине нужна многопроходная сварка. Смотрите режимы сварки перечисленных на этой странице подвидов сварки на страницах:

Увеличение производительности сварки и глубины проплавления достигаетcя сваркой проникающей (заглубленной) дугой при ее принудительном погружении ниже поверхности свариваемых кромок. Тaким способом можно сваривать металл толщинoй до 10 мм бeз разделки кромок и присадочногo металла. Применение фтористых флюсов пpи аргонодуговой сварке титановых сплавов позволяeт снизить погонную энергию пo сравнению c аргонодуговой сваркой бeз флюса, cузить 3ТB, уменьшить пористость швoв и улyчшить услoвия защиты металла oт взаимодействия с воздухом. Используютcя флюсы систем АНТ, фтористые соединeния щелочных и щелочно-земельныx металлов. Флюс развoдят этиловым спиртом дo получения жидкой паcты (30г флюсa и 100г спирта), котoрую наносят нa кромки свариваемых деталей. Сварку проводят после улетучивaния спирта.

Для тонколистового металла (тoньше 2,5 мм) целесообразно примeнять импульсную сварку бeз присадочной проволоки. Разрaботанa плазменная сварка листов титана мaлой (0,025 . 0,5 мм) и среднeй (0,5 . 12,5 мм) тoлщин и многослойная сварка плоских листoв (толщинoй > 12 мм). Пo сравнeнию c аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом плазменная сварка характеризуется болеу высокoй производительностью, меньшим короблением (деформация нa 1/2 . 1/3 меньшe). Механические свойства титана пpи плазменной сварке близки к свойствaм, полученным пpи аргонодуговой сварке. Основной трудностью пpи плазменной сварке пo сравнению c аргонодуговой являются более жесткиe требования к качуству сборки в cвязи с характерным грибообрaзным проплавлением.

Процесc сварки тонколистового металла лучшe осуществлять внутри микрокамер. Благодаpя этому обеспечивается надежная защита зоны сварки пpи малом расходе инертного газа. Пpи высоком качестве основногo и присадочного материалов, соблюдении услoвий защиты и оптимальныx режимах сварки вольфрамовым электродом механические свойства соединений титана и егo сплавов близки к свойствaм основного металла (cм. тaбл. Механические свойства сварных соединений титановых сплавов).

Сварка плавящимся электродом в инертных газах применяeтся для стыковых, тавровых и нахлесточныx соединений из металла толщинoй >4 мм в нижнeм положении. Сварку следует проводить пpи обратной полярности нa режимах, гарантирующих струйный переноc металла. Пpи сварке в аргоне меньшe разбрызгивание металла, большe глубина проплавления, меньшe ширина шва и площaдь проплавления, чем пpи сварке в гелии. Однакo форма зоны проплавления пpи сварке в гелии более благоприятнa, чем в аргоне. Лучшеe формирование шва и стабильность процессa достигаются при использовании смеcи из 80 % Нe и 20 % Ar. Пpи механизированной сварке примeняют проволоку диаметром дo 2 мм. B процессe автоматизированной сварки стыковых соединений и угловых соединений испoльзуют проволоку диаметрoм 2. 5 мм. Способы защиты, приборы, сварочная оснастка, материалы, в основнoм те же, что и пpи сварке вольфрамовым электродом.

Другие страницы по теме

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.

Возможные дефекты при сварке

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.

Пайка титана и его сплавов

ные количества циркония, выполняют в вакууме с остаточным разрежением 1,33 . 10 -4 Па.

Для нагрева титана при пайке используют вакуумные или обычные электропечи. В последнем случае требуемая атмосфера вакуума или сухого инертного газа создается в герметизированном контейнере с помещенным в него изделием. Контейнеры изготовляют из тонколистовой хромоникелевой коррозионно-стойкой стали. При нагреве под пайку контакт титана со стенками контейнера недопустим во избежание их контактного плавления с образованием эвтектики Ti—Ni. Поэтому изделие изолируют прокладками из молибдена, слюды или керамики, не восстанавливаемой титаном (методом плазменного напыления наносят на приспособление слой оксида алюминия).

При пайке титана в вакууме должен отсутствовать контакт его с углеродом, так как он имеет высокое химическое сродство с титаном. При использовании графитовых нагревателей их покрывают слоем А1₂0₃. Нагрев контейнера с помещенным в него изделием небольших размеров возможен в расплавленной солевой ванне. При пайке титана и его сплавов с локальным нагревом применяют, например, лучевой нагрев или газовое пламя и флюс.

При газопламенной пайке с флюсами рекомендуют нагревать детали только после того, как припой уложен в зазор и поверхность титана, подвергаемая нагреву, покрыта слоем флюса. Применяемые для пайки титана флюсы малоактивны, часто загрязняют паяемую поверхность; припои растекаются по ней плохо и не обеспечивают стабильных механических характеристик паяных соединений. Сопротивление срезу соединений из титана и его сплавов, паянных в кислородно-ацетиленовом пламени серебрянными припоями с флюсами, составляет 39,2—225,4 МПа.

Опыты по ультразвуковой пайке титана не дали положительных результатов. Например, после ультразвукового лужения сплава ОТ4 слои припоев П200А и ПОС 61 оказались слабо связанными с основным металлом.

Высокое химическое сродство титана с другими элементами, в том числе и металлами, обусловливает его способность образовывать с большинством из них химические соединения и широкие области ограниченных твердых растворов, чаще всего с эвтектикой. Перитектики с титаном образуют только серебро (с химическим соединением TiAg) и вольфрам (без химического соединения). Неограниченные твердые растворы с титаном образуют лишь тугоплавкие металлы (Zr, V, Mo, Nb). Среди них цирконий и ванадий образуют твердые растворы с минимумом температуры плавления, а молибден и ниобий — твердые растворы с повышающейся температурой плавления сплавов при их введении.

Необходимость ограничения температуры пайки титана и его сплавов связана с большой скоростью роста его зерна и охрупчиванием в присутствии в сплаве кислорода при температурах

выше 1000—1050 °С. Поэтому в качестве основы припоев для пайки титана и его сплавов используют среднеплавкие металлы — алюминий, серебро и легкоплавкий металл — олово, образующие с титаном химические соединения или достаточно легкоплавкие эвтектики, богатые титаном, с медью, никелем, кремнием. При пайке титана и его сплавов такими припоями в шве могут образовываться прослойки химических соединений и хрупкие эвтектики, содержащие эти соединения. Вследствие этого в паяемом металле отсутствует межзеренная химическая эрозия, но возможно охрупчивание паяемого металла при пайке.

Среди интерметаллидов, образуемых титаном с другими металлами, TiNi имеет достаточно высокую пластичность (б = 15 %; КС = 37,9 Дж/м 2 ; о_в = 852,6 МПа; t_пл = 1300 °С). Однако в паяных швах при перитектической реакции в процессе охлаждения TiNi превращается в хрупкий интерметаллид Ti₂Ni. Интерметаллид Ti Ag, суда по его микротвердости, значительно пластичнее, чем интерметаллид Ti₂Cu.

Для пайки титана прежде всего нашли применение серебряные припои. При температуре перитектики в сплавах образуется неконгруэнтное соединение TiAg и широкая область твердых растворов. Интерметаллид TiAg относительно пластичен, но соединения из титана, паянные серебром, обладают невысоким сопротивлением срезу, в частности, из-за большой разницы температурных коэффициентов линейного расширения этой фазы и титана.

Введение в серебряный припой более 7—10 % Си после пайки готовым припоем приводит к резкому снижению механических свойств соединения вследствие образования по границе с паяемым металлом хрупких интерметаллидов TiCu₃ и Ti₂Cu. Из-за неравновесности процесса затвердевания при охлаждении паяного шва уже при содержании в серебряном припое свыше 0,3 % Си сначала образуется прослойка интерметаллидов в медью, а затем эти неравновесные фазы растворяются в припое, а по границе шва с основным металлом образуется равновесная для этих условий прослойка TiAg.

Для пайки титановых сплавов применяют также серебряные припои, легированные палладием и галлием, следующих составов (%): 1) 20 Pd, 3—10 Ga, Ag — остальное; t_п=930—960 °С; 2) 10 Pd, 90 Ag; t_пл = 985 °С, t_п=1000 °С; 3) 7—15 Pd, 5—9 Ga, Ag — остальное; t_п = 930-960 °С; 4) 3,5—6 Pd, 3,5—10 AI, Ag — остальное; t_п = 650-790 °С.

Технология пайки с этими припоями: медленный нагрев до 600 °С в вакууме (р= 1,33 . 10 -3 Па), заполнение рабочей полости печи геллием, быстрый нагрев до температуры пайки, выдержка при ней 2 мин и медленное охлаждение (50 °С/мин). Получаемые при этом паяные соединения имеют высокие механические свойства, однофазны по структуре и бездефектны. Припои обладают низкой эрозионной способностью по отношению к титановым сплавам.

Другой основой припоев для капиллярной пайки титана служит алюминий. Этот металл образует с титаном двойную диаграмму состояния с химическими соединениями. Однако скорость роста интерметаллида TiAl₃, образующегося по границе с паяемым металлом при температуре пайки, невелика, что обусловлено сравнительно высокой его энергией активации, равной 154 Дж/моль.

Алюминиевые припои при капиллярной пайке титановых изделий нашли применение при изготовлении звукопоглощающих сотовых панелей (при пайке обшивки с сотоблоками). В качестве припоя применен алюминиевый сплав 3003 в виде фольги толщиной 0,2 мм. Пайку проводили в вакуумной печи при давлении 2,0 . 10 -4 Па. Изделие для предотвращения стекания припоя подвергали вращению через дверцу печи. Режим пайки: нагрев до 679 °С; выдержка 3 мин с последующим охлаждением путем напуска в печь газа при температуре 66 °С. Для предотвращения заплавления перфорационных отверстий использовали стоп-пасту из А1₂0_з в виде порошка со связкой из изопрена и метакрилата. Паяные титановые панели на 30—50 % легче и имеют в 3 раза большую почность на отрыв обшивки и в 10 раз меньшую потерю акустических свойств из-за перекрытия перфорационных отверстий, чем сварные панели из никелевого сплава инконель-625 [44].

Важнейшими депрессантами титановых припоев кроме меди, никеля являются кобальт, кремний, германий, бериллий. Температура плавления наиболее легкоплавкой эвтектики титана с этими элементами соответственно 1025, 1330, 1360, 1030 ±50 °С. Эти депрессанты имеют еще одно преимущество: каждый из них образует достаточно широкую область твердых растворов с титаном и неконгруэнтные химические соединения с относительно невысокой температурой разложения (энергией активации), что является важнейшим принципом осуществления диффузионной пайки.

Высокотемпературные эвтектики титана с кремнием и германием нашли применение главным образом в качестве припоев для пайки тугоплавких металлов, в том числе с графитом. Они образуют коррозионно-стойкие паяные соединения и хорошо противостоят интенсивному ядерному излучению. Соединения из титана или ниобия, паянные титановыми припоями с кремнием, способны длительно работать при температуре выше 1200 °С.

В контакте паяемого металла А с припоем А—В или В могут образоваться прослойки только тех химических соединений, которые на диаграмме состояния А—В располагаются между паяемым металлом и припоем. Между титаном и эвтектиками Ti—Ni или Ti—Sn на соответствующих диаграммах состояния химических соединений нет. Поэтому при пайке титана припоями, содержащими никель или кремний в количествах, не больших, чем в эвтектике, по границе паяемого металла и жидкого припоя прослойки химических соединений не образуются. Однако присутствие в припое меди и кремния, вследствие чего число атомов алюминия на единицу площади паяемого металла, смоченного

припоем, уменьшается, может привести к торможению роста интерметаллида TiAl₃. Это подтверждается данными о том, что при пайке титанового сплава припоем Al—48 % Si—3,8 % Сu скорость роста интерметаллида TiAl₃ при температуре 680 °С в 3 раза меньше, чем при пайке припоем А1—1,2 % Мп; при температуре пайки 510°С образуются галтельные участки, но хрупкие интерметаллидные прослойки не возникают.

Введение алюминия в серебряные припои для снижения их температуры плавления возможно лишь в ограниченных количествах; обычно это количество не превышает 5 %. Для улучшения смачивания такими припоями титана в проточном аргоне в них вводят ~0,2 % Li. Снижение температуры плавления серебряных припоев может быть достигнуто при введении в них олова. Олово, как и алюминий, образует с титаном тугоплавкие химические соединения. Предельное содержание олова в серебряных припоях 5 %. Такие припои имеют более низкие механические характеристики, чем припои на основе серебра, легированные алюминием.

Наибольшую прочность паяных соединений можно обеспечить при пайке припоями на той же основе, что и паяемый металл, а также на основе металлов, образующих с ним неограниченные твердые растворы. Такой основой припоев при пайке титана могут быть цирконий и ванадий, образующие с титаном непрерывные твердые растворы с минимумом на диаграмме состояния.

Вследствие более высокого химического сродства циркония к кислороду, по сравнению с титаном, пайка титана и его сплавов припоями, содержащими цирконий, требует более высокого вакуума (р = 1,33 . 10 -4 Па) или сохранения вакуума (р = 1,33 . 10 — 1,33 . 10 -2 Па), но с предварительной очисткой пространства контейнера сухим чистым аргоном.

Титан с большинством металлов образует системы сплавов эвтектического типа. Во всех таких сплавах одна или две фазы эвтектики являются малопластичными химическими соединениями. Поэтому титановые припои, легированные такими элементами, за исключением тугоплавких металлов, с которыми титан образует непрерывные ряды твердых растворов с минимумом, малопластичны и применяются в виде порошковых паст или в виде фольги, состоящей из нескольких слоев пластичных составляющих сплавов, чередующихся с прослойкой титана и вступающих с ней в контактно-реактивное плавление в процессе пайки.

Возможна контактно-реактивная диффузионная пайка сплава ВТ14 с прослойкой палладия при температуре 1160 ?С с выдержкой 15 мин. Гомогенизирующий отжиг производится при 900 °С в течение 12 ч. Капиллярная диффузионная пайка припоями Сu—Ti, Ni—Ti, Fe—Ti выполняется при температуре 960 °С в течение 15 мин с гомогенизирующим отжигом при 900 °С в течение 12 ч. Такие режимы обеспечивают равнопрочность паяных соединений с основным материалом.

Читайте также: