Металлургия и технология сварки титана и его сплавов

Обновлено: 01.05.2024

Титан - распространенный в природе металл, в земной коре его больше, чем меди, свинца и цинка. При плотности 4,51 г/см 3 титан имеет прочность 267. 337 МПа, а его сплавы - до 1250 МПа. Это тускло-серый металл с температурой плавления 1668 °С, коррозионно стоек при нормальной температуры даже в сильных агрессивных средах, но очень активен при нагреве выше 400 °С. В кислороде способен к самовозгоранию. Бурно реагирует с азотом. Окисляется водяным паром, углекислым газом, поглощает водород. Теплопроводность титана более чем в два раза ниже, чем у углеродистой стали. Поэтому при сварке титана, несмотря на его высокую температуру плавления, требуется меньше тепла.

Титан может находиться в виде двух основных стабильных фаз, отличающихся строением кристаллической решетки. При нормальной температуре он существует в виде а-фазы с мелкозернистой структурой, не чувствительной к скорости охлаждения. При температуре выше 882 °С образуется (3-фаза с крупным зерном и высокой чувствительностью к скорости охлаждения. Легирующие элементы и примеси могут стабилизировать а-фазу (алюминий, кислород, азот) или (3-фазу (хром, марганец, ванадий). Поэтому сплавы титана условно разделяют на три группы: а, а + (3 и (3 сплавы. Первые (ВТ1, ВТ5-1) термически не упрочняются, пластичны, обладают хорошей свариваемостью. Вторые (ОТ4, ВТЗ, ВТ4, ВТ6, ВТ8) при малых добавках р-стабилизаторов также свариваются хорошо. Они термически обрабатываются. Сплавы с p-структурой, например ВТ 15, ВТ22, упрочняются термообработкой. Они свариваются хуже, склонны к росту зерен и к холодным трещинам.

При комнатной температуре поверхность титана растворяет кислород, образуется его твердый раствор в титане. Возникает слой насыщенного раствора, который предохраняет титан от дальнейшего окисления. Этот слой называют альфированным. При нагреве титан вступает в химическое соединение с кислородом, образуя ряд окислов от Ti60 до ТЮ2. По мере окисления изменяется окраска оксидной пленки от золотисто-желтой до темно-фиолетовой, переходящей в белую. По этим цветам в околошовной зоне можно судить о качестве защиты металла при сварке. С азотом титан, взаимодействуя активно при температуре более 500 °С, образует нитриды, повышающие прочность, но резко снижающие пластичность металла. Растворимость водорода в жидком титане больше, чем в стали, но с понижением температуры она резко падает, водород выделяется из раствора. При затвердевании металла это может вызвать пористость и замедленное разрушение сварных швов после сварки. Все титановые сплавы не склонны к образованию горячих трещин, но склонны к сильному укрупнению зерна в металле шва и околошовной зоны, что ухудшает свойства металла.

Из-за высокой химической активности титановые сплавы удается сваривать только дуговой сваркой в инертных газах неплавящимся и плавящимся электродом, дуговой сваркой под флюсом, электронным лучом, электрошлаковой и контактной сваркой. Расплавленный титан жидкотекуч, шов хорошо формируется при всех способах сварки. Основная трудность сварки титана - это необходимость надежной защиты металла, нагреваемого выше температуры 400 °С от воздуха.

Дуговую сварку ведут в среде аргона и в его смесях с гелием. Сварку с местной защитой производят, подавая газ через сопло горелки, иногда с насадками, увеличивающими зону защиты. С обратной стороны стыка деталей устанавливают медные подкладные планки с канавкой, по длине которой равномерно подают аргон. При сложной конструкции деталей, когда осуществить местную защиту трудно, сварку ведут с общей защитой в камерах с контролируемой атмосферой. Это могут быть камеры-насадки для защиты части свариваемого узла, жесткие камеры из металла или мягкие из ткани со смотровыми окнами и встроенными рукавицами для рук сварщика. В камеры помещают детали, сварочную оснастку и горелку. Для крупных ответственных узлов применяют обитаемые камеры объемом до 350 м3, в которых устанавливают сварочные автоматы и манипуляторы. Камеры вакуумируются, затем заполняются аргоном, через шлюзы в них входят сварщики в скафандрах.

Аргонодуговой сваркой вольфрамовым электродом детали толщиной 0,5. 1,5 мм сваривают встык без зазора и без присадки, а толщиной более 1,5. 3,0 мм - с присадочной проволокой. Кромки свариваемых деталей и проволока должны зачищаться так, чтобы был снят насыщенный кислородом альфированный слой. Проволока должна пройти вакуумный отжиг при температуре 900. 1000 °С в течение 4 ч. Сварку ведут на постоянном токе прямой полярности. Детали толщиной более 10. 15 мм можно сваривать за один проход погруженной

дугой . После образования сварочной ванны увеличивают расход аргона до 40. 50 л/мин, что приводит к обжатию дуги. Затем электрод опускают в сварочную ванну. Давление дуги оттесняет жидкий металл, дуга горит внутри образовавшегося углубления, ее проплавляющая способность увеличивается. Узкий шов с глубоким проплавлением при сварке неплавящимся электродом в аргоне можно получать, применяя флюсы-пасты АН-ТА, АНТ17А на основе фтористого кальция с добавками. Они частично рафинируют и модифицируют металл шва, а также уменьшают пористость.

Дуговую сварку титановых сплавов плавящимся электродом (проволокой диаметром 1,2.1.2,0 мм) выполняют на постоянном токе обратной полярности на режимах, обеспечивающих мелкокапельный перенос электродного металла. В качестве защитной среды применяют смесь из 20 % аргона и 80 % гелия или чистый гелий. Это позволяет увеличить ширину шва и уменьшить пористость.

Титановые сплавы можно сваривать дуговой сваркой под бескислородными фтористыми флюсами сухой грануляции АНТ1, АНТЗ для толщины 2,5. 8,0 мм и АНТ7 для более толстого металла. Сварку ведут электродной проволокой диаметром 2,0. 5,0 мм с вылетом электрода 14. 22 мм на медной или на флюсомедной подкладке, либо на флюсовой подушке. Структура металла в результате модифицирующего действия флюса получается более мелкозернистой, чем при сварке в инертных газах,

При электрошлаковой сварке используют пластинчатые электроды из того же титанового сплава, что и свариваемая деталь, толщиной 8. 12 мм и шириной, равной толщине свариваемого металла. Используют тугоплавкие фторидные флюсы АНТ2, АНТ4, АНТ6. Чтобы через флюс не проникал кислород, шлаковую ванну дополнительно защищают аргоном. Металл зоны термического влияния защищают, увеличивая ширину формирующих водоохлаждаемых ползунов и продувая в зазор между ними и деталью аргон. Сварные соединения после электрошлаковой сварки имеют крупнокристаллическую структуру, но свойства их близки к основному металлу. Перед электрошлаковой сваркой, так же как и перед дуговой, флюсы должны быть прокалены при температуре 200. 300 °С.

Электроннолучевая сварка титановых сплавов обеспечивает наилучшую защиту металла от газов и мелкозернистую структуру шва. Требования к сборке по сравнению с другими способами жестче.

При всех способах сварки титановых сплавов нельзя допускать перегрева металла. Нужно применять способы и приемы, позволяющие влиять на кристаллизацию металла: электромагнитное воздействие, колебания электрода или электронного луча поперек стыка, ультразвуковое воздействие на сварочную ванну, импульсный цикл дуговой сварки и т.п. Все это позволит получать более мелкую структуру шва и высокие свойства сварных соединений.

Технология сварки титана и его сплавов

Высокая химическая активность металла при высокой температуре, особенно в расплавленном состоянии. Поэтому необходима надежная защита от воздуха не только сварочной ванны, но и остывающих участков шва и околошовной зоны, пока их температура не снизится до 250-300°С. Требуется защита и обратной стороны шва даже в том случае, если металл не расплавлялся, а только нагревался выше этой температуры.

Склонность титановых сплавов к росту зерна металла в нагретых до высоких температур участках. Это затрудняет выбор режима сварки - такого, при котором нагрев околошовной зоны был бы минимальным.

Высокая температура плавления титана требует применять концентрированные источники нагрева. Низкая теплопроводность титана приводит к снижению эффективности источника нагрева по сравнению со сваркой сталей.

Поры и холодные трещины сварных соединений титана возникают из-за вредных газовых примесей и водорода. Поэтому необходимо обеспечить чистоту основного металла и сварочных материалов, в том числе присадочной проволоки.

Вблизи точки плавления поверхностное натяжение титана в 1,5 раза выше, чем алюминия, что позволяет формировать корень шва на весу. Однако расплавленный металл обладает низкой вязкостью, и при некачественной сборке деталей могут образоваться прожоги.

ГАЗОВАЯ ЗАЩИТА СВАРОЧНОЙ ВАННЫ

Существуют три варианта защиты:

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

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

1- дополнительная насадка; 2 - газовая линза

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

ГАЗОВАЯ ЗАЩИТА НАГРЕТЫХ УЧАСТКОВ

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

Защитные приспособления из нержавеющей стали для тавровых и угловых соединений

ЗАЩИТА ШВА ТРУБОПРОВОДА

Защита при приварке фланца

Защита при сварке секционных отводов

Подготовка к сварке

Резку титана и подготовку кромок под сварку выполняют механическим способом. Для толстостенных изделий пригодны и газотермические способы, но с обязательной последующей механической обработкой кромок на глубину не менее 3-5 мм и на ширину 15-20 мм. После этого кромки зачищают металлическими щетками, шабером и т.п. и обезжиривают. Конструкции, которые перед сваркой испытывали нагрев - при вальцовке, ковке, штамповке и т.д. - должны быть подвергнуты дробеструйной или гидропескоструйной очистке и затем химической обработке: рыхлению оксидной пленки, травлению и осветлению.

Режим химической обработки титана и его сплавов

Раствор

Длительность обработки, мин

Назначение

Состав

Рыхление оксидной пленки

Нитрит натрия 150-200 г/л Углекислый натрий 500-700 г/л

Плавиковая кислота 220-300 мл/л Азотная кислота 480-550 мл/л

Азотная кислота 600-750 мл/л Плавиковая кислота 85-100 мл/л

После этого свариваемые кромки промывают бензином на ширину 20 мм и протирают этиловым спиртом или ацетоном.

Сварочную проволоку предварительно подвергают вакуумному отжигу и обезжиривают ацетоном или спиртом. Окисленную часть удаляют кусачками. Поверхности, подготовленные к сварке, нельзя трогать незащищенными руками.

Выбор параметров режима

Сварку титана и его сплавов рекомендуется вести в отдельном помещении. Температура воздуха в нем должна быть не ниже + 15°С, а скорость его движения - не более 0,5 м/с.

Сварку выполняют на постоянном токе прямой полярности непрерывно горящей или импульсной дугой. Используют аргон высшего сорта и гелий высокой чистоты.

Сварочный ток выбирают в зависимости от толщины свариваемого изделия и диаметра W-электрода.

Техника сварки

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

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

Резка на заготовки и подготовка кромок под сварку ведутся механическими способами. Разделительная резка и подготовка кромок толстостенных изделий возможна и газотермическими способами, но с обязательной последующей механической обработкой кромок на глубину не менее 3-5 мм.

Кромки на ширину 15-20 мм зачищают металлическими щетками, шабером и т .п. с последующим обезжириванием.

Если до сварки конструкция подверглась термообработке (вальцовке, ковке, штамповке), то перед сваркой ее поверхности необходимо очистить дробеструйным или гидропескоструйным аппаратом, а затем еще подвергнутъ и химической обработке: рыхлению оксидной пленки, травлению и осветлению.

Режимы химической обработки титана и его сплавов

Нитрит натрия 150-200 г
Углекислый натрий 500-700 г

Плавиковая кислота 220-300 мл
Азотная кислота 480-550 мл

Азотная кислота 600-750 мл
Плавиковая кислота 85-100 мл

После химической обработки свариваемые кромки промывают на ширину 20 мм бензином и протирают этиловым спиртом или ацетиленом. Сварочную проволоку предварительно подвергают вакуумному отжигу с последующим обезжириванием.

Сварку ведут в приспособлениях или на прихватках, которые выполняют ручной аргонодуговой сваркой W-электродом.Свариваемые поверхности, подготовленные к сварке, нельзя трогать незащищенными руками.

Сварку осуществляют постоянным током обратной полярности. Режимы выбирают исходя из толщины металла с учетом склонности сплава к росту зерна и термическому циклу. Для уменьшения роста зерна рекомендуются режимы с малой погонной энергией и повышенными скоростями.

Учитывая высокое электрическое сопротивление титана, сварку ведут с малыми вылетами электрода. При сварке на низких токовых режимах возможен непровар корня шва. Во избежание этого корень выполняют ручной аргонодуговой сваркой W-электродом, а остальную разделку - сваркой плавящимся электродом.

Титан и его сплавы с пределом прочности не менее 90 кгс/мм 2

То же более 90 кгс/мм 2

Высокопрочные сплавы типа ВТ14, ВТ22 и др.

Основное пространственное положение - нижнее.

При сварке с глубоким проплавлением на повышенных токовых режимах рекомендуется сварочная смесь гелия и apгона (80%+20%). Для повышения прочности, пластичности и стойкости против образования трещин сварные соединения термически упрочняемых сплавов подвергают последующей термической обработке, режим которой зависит от состава сплава.

Надежная зашита зоны нагрева при механизированной сварке титана плавящимся электродом в инертных газах сопряжена с рядом трудностей. Поэтому сварку этим способом в большинстве случаев ведут в камерах с контролируемой атмосферой.

Целесообразно применять импульсно-дуговой метод, что обеспечивает возможность сварки в монтажных условиях, повышает производительность по сравнению с ручной сваркой неплавящимся электродом при одновременном снижении погонной энергии в 2-2,5 раза.

Ориентировочные режимы сварки титана и его сплавов

150-200
200-220
300-330

В ряде случаев сварка титана и его сплавов выполняется в вакууме. Преимущество этого способа заключается в обеспечении высокой чистоты металла шва. В нем не остается примесей - газов и неметаллических включений.

Техника и режимы сварки должны обеспечивать устойчивое горение дуги с минимальным разбрызгиванием, что достигается при струйном переносе электродного металла Этот процесс осуществляется при определенном соотношении сварочного тока напряжения на дуге, скорости подачи электродной проволоки и вылета электрода.

Газовая защита

Качественное сварное соединение титановых сплавов получается только при надежной газовой защите сварного шва и участков основного металла, нагретых до 250-300°С.

Существуют три варианта защиты:

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

Дополнительные защитные устройства изготовляют из нержавеющей стали. Внутри имеются рассекатели и газовые линзы. Насадка, прикрепляемая к газовой горелке для защиты кристаллизующейся сварочной ванны, должна быть шириной 40-50 мм и длиной 60-120 мм в зависимости от режима сварки. Для сварки трубчатых конструкций, кольцевых поворотных и неповоротных стыков применяют местные или малогабаритные защитные камеры.

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

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.

Особенности сварки титана и титановых сплавов. Технология сварки и необходимое оборудование

Титан и его сплавы нашли широкое применение в самых ответственных отраслях современного машиностроения, благодаря их низкой массе, высокой прочности и стойкости к агрессивным химическим средам.

Особенности сварки титана и его сплавов

В то же время сварка этих материалов сильно затруднена, что объясняется рядом их свойств:

высокая температура плавления (1470-1825℃);
склонность к увеличению размеров кристаллов и появлению пор при температурах более 880℃;
окисление металла атмосферным воздухом, высокая химическая активность всех зон, температура которых превышает 400℃;
сплавы, содержащие железо, хром, марганец, молибден, вольфрам или ванадий, склонны к закалке и обладают низкой пластичностью, в ряде случаев после сварки требуется их отжиг.

Эти факторы обусловили необходимость сварки титана и его сплавов в защитных газовых средах, в первую очередь, аргоновой и гелиевой. Кроме того, одной из главных задач сварочного оборудования, задействованного в работе с данными металлами, является минимизация времени и площади термического воздействия как на шов, так и на прилежащие к нему зоны.

Вне зависимости от использованного вида сварки и технологического процесса прочность шва по отношению к прочности основного металла не превышает 80%, что нужно учитывать при проектировании титановых конструкций.

В настоящее время ведется поиск более эффективных методов соединения материала.

Подготовка титана и его сплавов под сварку

Процесс изготовления любых полуфабрикатов и заготовок из титана и его сплавов связан с термической обработкой металла. Это значит, что на поверхности изделий содержится плотная оксидно-нитридная пленка, без разрушения которой сварочные работы будут невозможны или неэффективны. Поэтому процесс подготовки к сварке имеет такую последовательность:

Подгонка заготовок, кромкование в случае необходимости.
Механическая обработка (шлифование) подготовленных кромок, а также прилегающих к ним поверхностей.
Химическая обработка стыка. Для растворения остаточных пленок используется смесь дистиллированной воды, соляной кислоты и фторида натрия в пропорции 13:7:1. Время воздействия на металл составляет 5-10 минут, необходимая температура – около 60℃.
Окончательная обработка. Непосредственно перед сваркой стык и прилегающие к нему зоны (шириной до 25 мм) зачищают металлической щеткой до характерного блеска, после чего обезжиривают спиртосодержащими составами.

Правильно проведенные подготовительные операции сводят к минимуму вероятность появления полостей в сварочном шве, его растрескивание или разрушение под нагрузкой, позволяют сформировать однородную устойчивую сварочную ванну.

Основные способы сварки материала

Из-за необходимости защиты шва от вредоносного воздействия окружающего воздуха, а также в связи со склонностью титана и титановых сплавов терять прочность при длительном термическом воздействии широкое распространение получили лишь такие виды сварки материала:

электродуговая в защитной газовой среде – предполагает быструю проварку шва неплавящимся или плавящимся электродом в камере, заполненной аргоном, гелием или другими инертными газами; – обеспечивает защиту шва тугоплавкими фтористыми флюсами, плавление которых осуществляется низковольтным переменным током;
электронно-лучевая и лазерная технологии – позволяют проводить сварку в полностью изолированной безвоздушной среде при отсутствии прямого контакта с заготовками, высокая концентрация тепловой энергии гарантирует быструю проплавку и малую ширину шва;
альтернативные виды – включают сварку титана и его сплавов давлением, трением, взрывом и прочими способами, предполагающими взаимопроникновение стыкуемых поверхностей под действием механических сил.

Ограниченно применяются дуговая сварка под флюсом и контактная точечная сварка титана. Среди их преимуществ – относительная простота, дешевизна и низкая трудоемкость технологий, но качество шва значительно уступает рассмотренным выше методам.

В машиностроении распространена практика сварки изделий из титана или титановых сплавов со сталью. Она осложнена вероятностью возникновения хрупких химических соединений – титанидов железа (FeTi и Fe₂Ti). Проблема решается выбором особых режимов проварки шва в среде аргона вольфрамовым электродом, а также методом комбинированных вставок, когда между заготовкой из титана и заготовкой из стали помещается прослойка из бронзы или тантала. Особо сложные соединения требуют совместного использования бронзы и ниобия, которые соединяют в камере с контролируемой атмосферой.

Технология сварки титана аргоном

Аргонодуговая сварка титана и его сплавов приобрела наибольшую популярность ввиду оптимального соотношения доступности технологического процесса и качества получаемых швов. Она широко используется как в массовом производстве деталей из титановых заготовок, так и в частных случаях.

Необходимое оборудование

Технология допускает использование любого электродугового сварочного аппарата, способного обеспечить жесткую вольт-амперную характеристику (обычно сила тока составляет не менее 140 А). Используются вольфрамовые электроды, особенности которых рассмотрены ниже. Поскольку свойства металла требуют непрерывной защиты стыка инертными газами, особую сложность представляет именно равномерная подача газа с необходимой интенсивностью.

Распространены три способа газовой защиты:

струйная – аргон подается в зону сварки направленной струей через специализированные сопла и отражатели, вытесняя атмосферный воздух;
местная – предполагает использование небольших герметичных камер, заполненных газом, работать в которых можно через гибкие рукава-манипуляторы;
полная – промышленный способ, при котором заготовки размещаются в камере с контролируемой атмосферой (например, УБС-1, ВКС-1, ВУАС-1), требует использования сварочного костюма-скафандра.

Важно помнить, что защите должна подвергаться не только сварочная ванна, но и обратная стороны стыка, а также все прилегающие к ним зоны, которые нагреваются до высоких температур в процессе сварки.

Выбор электродов

Для аргонодуговой сварки титана и титановых сплавов используют вольфрамовые электроды малого диаметра.

Если толщина стыка не превышает 3 мм, применяются электроды диаметром 1,5-2,0 мм без присадочного материала. Во всех остальных случаях толщина электрода соответствует толщине стыка, использование присадочной проволоки обязательно.

При первых же признаках износа или повреждения электрод заменяют. Работа неисправным электродом не только отрицательно сказывается на технических характеристиках сварочных швов, чувствительных к режиму проведения работ, но и может быть небезопасной для сварщика.

Примерная стоимость вольфрамовых электродов на Яндекс.маркет

Присадочная проволока

Выбор присадочного материала зависит от марки титана или сплава, толщины заготовок, толщины электрода, параметров сварки, эффективности принятого метода защиты стыка от атмосферного воздуха. В большинстве случаев можно руководствоваться этой таблицей:

Марка материала	Марка присадочной проволоки
ВТ1-00, ВТ1-0, ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4, ВТ5, ВТ5-1	ВТ1-00св, ВТ2, ВТ2В, ВТ20-1св, ВТ20-2св
ВТ6, ВТ3-1, ВТ9, ВТ14, ВТ16, ВТ20	ВТ15, СПТ-2, СП-15
ВТ22 (с пост-термообработкой)	ВТ20-1св, ВТ20-2св, СПТ-2
ПТ-7М, ПТ-3В, ПТ-1M	ВТ1-00св, СПТ-2, СП-15

Следует учитывать, что металлы марок ОТ4, ВТ5, ВТ5-1 требуют использования щадящих режимов сварки, в том числе с минимальной погонной энергией. Для большинства других материалов требуются режимы с быстрым охлаждением.

Процесс сварки

Наличие и метод разделки кромок, а также параметры сварки зависят от толщины стыка. Обычно эта зависимость имеет такой вид:

Толщина металла, мм	Разделка кромок	Сила сварочного тока, А	Напряжение дуги, В	Диаметр присадочной проволоки, мм	Количество проходов, шт.
1-3	Отсутствует	40-90	10-14	1,2-2,0	1
3-10	Односторонняя прямая фаска под углом 35-45°	120-200	10-15	1,5-2,5	2-12
10-20	Радиальная ванна с бортами, наклоненными на 15°	180-280	12-16	2,5-3,0	12-26
Более 20	Двухсторонние прямые фаски под углом 30-35°	230-280	13-16	2,5-3,0	Не менее 24

Электродуговую сварку титана и сплавов проводят в нижнем положении. Техника мало чем отличается от классической дуговой сварки, общий алгоритм действий включает следующее:

Закрепление очищенных и обезжиренных заготовок на опорной поверхности с зазором, соответствующим конфигурации детали и режиму сварки (для листов толщиной 2,0-3,0 мм зазор составляет 0,5-1,5 мм).
Подача аргона к месту стыка или в защитную камеру. При струйном методе защиты общий расход газа на обдув рабочей и обратной стороны шва составляет 12-16 л/мин для листов толщиной 2,0-3,0 мм.
Поджигание дуги в начале шва. Происходит не раньше, чем через 15 секунд после начала струйной подачи аргона или сразу после вытеснения атмосферного воздуха из защитной камеры.
Последовательная проварка шва. Осуществляется путем плавного и достаточно быстрого осевого перемещения, поперечное смещение следует свести к минимуму. Обычно электрод ведется углом вперед, а присадочную проволоку подают перпендикулярно ему.
Повторная проварка шва в случае необходимости. Может проводиться до 40 последовательных проходов.
Обрыв дуги и завершение работ. При этом подача аргона продолжается, пока металл в зоне стыка не остынет до 250-300℃ (для изделий небольшой толщины – около 45-60 секунд).

Читайте также: