Особенности сварки титановых сплавов

Обновлено: 13.05.2024

Выбор способов, режимов и технологии сварки плавлением в-сплавов титана зависит от типа сварной конструкции, ее назначения, условий работы и характера термической обработки до и после сварки. Так как сварные соединения из в-сплавов предназначены для использования в состоянии после упрочняющей термической обработки, то основным критерием выбора режимов и технологии сварки является оптимальный интервал скорости охлаждения при сварке. Его назначают из целесообразности получения максимальных пластических свойств соединений после сварки в результате благоприятного соотношения структурных составляющих.

В связи с высоким содержанием в-стабилизаторов в сплавах интервал в_опт следует выбирать так, чтобы развивающаяся в процессе сварки химическая и физическая неоднородность в сварных швах и околошовной зоне была минимальной. Имеются в виду внутрикристаллическая неоднородность в металле шва при последующем охлаждении, рост зерна в околошовной зоне, обогащение пограничных областей зерен, субзерен и фрагментов легирующими элементами и другие процессы, приводящие к резкому снижению дисперсности продуктов старения, т. е. выделений а-фазы и интерметаллических соединений. Кроме того, для получения по возможности равномерных механических свойств во всех участках сварного соединения необходимо исключить подстаривание основного металла в процессе сварки в участке зоны термического влияния, который нагревается до температур интенсивного старения. Обычно эти требования выполняют при условии сварки на весьма жестких режимах.

Исходная структура металла шва определяет его механические свойства. В табл. 30 сравниваются результаты испытаний механических свойств швов, выполненных различными способами сварки.

Однако при выборе оптимальных способов сварки в-сплавов титана необходимо учитывать, что качество сварных соединений зависит от структуры и свойств околошовной зоны, которые определяются исходными химическим и фазовым составами сплава и сварочным термическим циклом, поэтому целесообразно сравнить различные способы сварки плавлением по их тепловому влиянию на околошовную зону. Главной задачей при исследовании зоны, так же как и шва, является определение зависимости структуры и свойств этого участка сварного соединения от погонной энергии.

Поскольку формообразование металла (вальцовка, штамповка, гибка и др.) выполняется только в закаленном состоянии вследствие высокой пластичности в-фазы после закалки, представляет интерес установить связь между погонной энергией при сварке и свойствами околошовной зоны на предварительно закаленном сплаве. Одним из возможных вариантов получения высокопрочных соединений из в-сплавов титана является сварка с утолщенными кромками предварительно термически упрочненного основного металла, поэтому важно оценить влияние погонной энергии на упрочненный основной металл.

Для решения поставленных задач проводили замеры термических циклов в различных участках околошовной зоны при сварке стыковых соединений из сплава ВТ15. Термические циклы записывали с помощью двадцатиканального осциллографа Н004. Для замеров температур использовали платино-платинородиевые и хромель-алюмелевые термопары.

Для оценки свойств зоны из сварных соединений вырезали стандартные образцы Менаже с надрезом по линии сплавления и на различных расстояниях от нее (1 -10 мм). Твердость измеряли по всей ширине зоны термического влияния и, кроме того, исследовали микроструктуру.

В сплаве ВТ15, как и в других сплавах, претерпевающих при сварке фазовые и структурные превращения при нагреве и охлаждении, образуются участки околошовной зоны с характерными изменениями структуры и свойств (перегрева или крупного зерна, полной перекристаллизации, частичной перекристаллизации).

В околошовной зоне под воздействием термического цикла сварки в-фаза претерпевает распад, который определяется в основном скоростью охлаждения. В соответствии с диаграммой анизотермического превращения сплава ВТ15 и литературными данными распад в-твердого раствора происходит при в_oxлoxл>9°С/с.

Исследованиями микроструктур в различных участках околошовной зоны установлены некоторые особенности выделения второй фазы. Количество и характер расположения ее в околошовной зоне и в шве несколько различны: в зоне меньше второй фазы и располагается она преимущественно внутри зерна, в то время как в шве - и внутри, и по границам зерен. Это, очевидно, объясняется различной термодинамической устойчивостью границ зерен литого металла шва и деформированного основного металла. В зоне выделения второй фазы по границам зерен наблюдаются только при очень малых скоростях охлаждения (менее 1,1 °С/с). При удалении от линии сплавления количество второй фазы уменьшается.

На рис. 51 представлена зависимость ударной вязкости в различных участках околошовной зоны от погонной энергии в состоянии после сварки и термической обработки. Из приведенных данных видно, что ударная вязкость находится на уровне соответвующих свойств основного металла и лишь при увеличении погонной энергии до 1200 кал/см наблюдается небольшое уменьшение этого показателя.

Сварка предварительно закаленных пластин понижает ударную вязкость околошовной зоны с 8,5 кгс•м/см 2 для основного металла до 3 кгс•м/см 2 вблизи линии сплавления (рис. 52). С увеличением погонной энергии ударная вязкость понижается и при максимальных ее значениях (1200 кал/см) даже на расстоянии 10 мм от линии сплавления а_н=4,5 кгс•м/см 2 . Следовательно, на предварительно закаленном сплаве ВТ15 в прилегающих к шву участках образуется область с пониженной ударной вязкостью. Микроструктура этого участка отличается от основного металла большим количеством выделившейся второй фазы. Существенных изменений твердости в разных участках зоны по сечению шлифов не обнаружено.

Значения ударной вязкости в зоне термического влияния после отпуска предварительно закаленного и сваренного образца, а также образца, повторно закаленного после сварки, примерно одинаковы и близки по величине к ударной вязкости основного металла после закалки и отпуска. Это позволяет сделать вывод, что для получения оптимальных свойств в околошовной зоне при сварке предварительно закаленного металла повторной закалки не требуется.

Одним из способов повышения конструктивной прочности изделий из сплава ВТ15 является изготовление сварных конструкций с утолщенными кромками: отдельные узлы предварительно подвергают упрочняющей термической обработке, а швы после сварки оставляют в необработанном состоянии.

В процессе сварки предварительно упрочненного металла нагрев прилегающих к шву участков околошовной зоны до высоких температур может вызвать разупрочнение сварного соединения. Вследствие особых теплофизических свойств титановых сплавов (высокая температура плавления, малая теплопроводность, большая теплоемкость и др.) области, нагретые при сварке до высоких температур, значительно больших размеров, чем у стали и особенно у таких цветных металлов, как алюминий и медь. Ширина утолщения должна быть достаточной для того, чтобы участки околошовной зоны, которые нагреваются в процессе сварки до высоких температур и в связи с этим разупрочняются, полностью находились на утолщенной части кромок. Экспериментально установлено, что с повышением погонной энергии при сварке предварительно закаленного и состаренного металла участок зоны термического влияния с пониженной твердостью увеличивается. Понижение твердости согласуется с увеличением ударной вязкости металла в соответствующих участках околошовной зоны.

На основании проведенных исследований можно сделать вывод о том, что на структуру и свойства околошовной зоны в сварных соединениях сплава ВТ15 влияют погонная энергия и соответственно скорость охлаждения. Для получения качественных сварных соединений необходимо выполнять сварку с минимальной погонной энергией и с максимальными скоростями охлаждения. Применение наряду с аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом способа сварки с флюсами разного состава позволило выполнять соединения на металле данной толщины при затратах погонной энергии, изменяющихся в широких пределах (350-1200 кал/см). Режимы сварки сплава ВТ15 толщиной 3,5 мм приведены в табл. 31.

На рис. 53 показаны термические циклы нагрев - охлаждение в разных участках околошовной зоны для трех вариантов сварки, приведенных в табл. 31.

Как видно из рис. 53, скорость охлаждения околошовной зоны при сварке сплава ВТ15 может колебаться в широких пределах.

Скорость охлаждения от температуры Т для зоны термического влияния можно представить в следующем виде:

Подставив значения q/v из табл. 31 для режимов 1 и 3, получим сравнение скоростей охлаждения при обычной аргонодуговой сварке и с применением флюса:

Полученные результаты свидетельствуют о том, что использование специально разработанного флюса при аргонодуговой сварке сплава ВТ15 позволяет резко увеличить скорость охлаждения околошовной зоны по сравнению со сваркой без флюса. Для сплава толщиной 3,5 мм эта скорость увеличивается почти в 9 раз.

Из сравнения микроструктур в равноудаленных от линии сплавления местах при сварке с различными погонными энергиями установлено, что, чем ниже значение q/v, тем меньше количество второй фазы. При минимальной затрате погонной энергии, которой соответствует максимальная скорость охлаждения, вторая фаза практически отсутствует даже в участках, прилегающих к линии сплавления. Только при больших увеличениях ее (в 1000 раз и более) наблюдаются мелкодисперсные выделения второй фазы.

С понижением погонной энергии участок максимальных температур в околошовной зоне уменьшается и время пребывания металла при высоких температурах резко сокращается. Это способствует менее интенсивному росту зерна в зоне полной перекристаллизации. При переходе от режима 1 к режиму 3 (см. табл. 31) общая протяженность зоны уменьшается в 2,5 раза. Такое сужение зоны благоприятно сказывается и на свойствах соединений, особенно в случае их термической обработки.

Замерами твердости в зоне термического влияния на металле толщиной 3,5 мм, сваренном на режимах 1-3 (табл. 31) и подвергнутом перед сваркой закалке и старению, показано, что разупрочнение от нагрева происходит на участке протяженностью до 10-11 мм от линии сплавления при режиме сварки 1 и 7,5 и 2 мм - при сварке на режимах 2 и 3 соответственно. Эти расстояния соответствуют максимальным температурам нагрева 520 и 560° С. Повышение температуры нагрева на 40° С без понижения прочности при сварке с флюсом вызвано тем, что действие этих температур весьма кратковременно (см. рис. 53). Если принять во внимание, что при сварке сплава рассмотренной толщины ширина шва, сваренного без флюса, составляет 12 мм, а сваренного с флюсами - 6 и 4 мм, то общая ширина утолщенной кромки будет равна 18, 12 и 5 мм соответственно режимам 1, 2, 3.

Таким образом, применение флюса при АДСНп сплава ВТ15 позволяет значительно уменьшить затраты погонной энергии при сварке, сократить протяженность зоны термического влияния и резко увеличить скорость охлаждения в околошовных участках, что обеспечивает благоприятное сочетание структуры и свойств зоны термического влияния и всего сварного соединения.

Исследования свариваемости в-сплавов титана показали, что в состоянии после сварки прочностные характеристики и показатели пластичности металла шва могут находиться на уровне свойств основного металла. Однако основное назначение метастабильных в-сплавов титана - использование их в термически упрочняемых сварных конструкциях с пределом прочности 140 кгс/мм 2 и более.

Установлено, что закалка сварных соединений сплавов ВТ15 и B120VCA приводит к понижению пластичности и особенно ударной вязкости, в то время как закаленный основной металл обладает наиболее высокой пластичностью и ударной вязкостью. Причина этого точно не выяснена. Предполагают, что понижение ударной вязкости и пластичности вызвано ростом зерна в области высоких температур, химической неоднородностью этого металла и дополнительным распадом твердого раствора, поэтому сварные соединения из термически нестабильных в-сплавов титана не рекомендуется подвергать после сварки нагревам под закалку или отжигу.

После термической обработки, рекомендуемой для основного металла, сварные соединения становятся хрупкими, не достигая высокой прочности. Некоторое улучшение свойств достигается применением ступенчатого старения. В этом случае при некотором понижении прочности удается повысить пластичность сварных соединений. Для сварных соединений сплава B120VCA рекомендуется старение при 482°С в течение 20-30 ч с охлаждением на воздухе и повторный нагрев до 538°С с выдержкой 1 ч. Считают, что такая термическая обработка исключает возможность присутствия следов в-фазы в швах. Однако двойной отпуск не дает положительных результатов. Сопоставление свойств сварных соединений, выполненных различными методами, показало перспективность для в-сплавов сварки электронным лучом.

При АДСНп значения свойств сварных соединений можно значительно повысить путем специальных мер, к которым относятся магнитная или механическая вибрация кристаллизующегося металла для измельчения зерна, металлургическое рафинирование и модифицирование структуры, понижение погонной энергии.

Для получения высокой конструктивной прочности сварных узлов из сплавов типа ВТ15 рекомендуется ряд технических мер. Например, это может быть достигнуто при сварке термически обработанного основного металла с .утолщенными кромками. Перспективным путем повышения прочности и пластичности является механико-термическая обработка сварных соединений. Разработано несколько вариантов механико-термической обработки, которые различаются между собой температурой закалки перед деформацией, температурой деформации, наличием или отсутствием кратковременного нагрева после деформации и режимом старения. Сочетание полигонизационного отжига деформированной в-фазы, приводящего к развитой структуре, и последующего стабилизирующего старения обеспечивает максимально равномерное и высокодисперсное выделение второй фазы.

Однако рассмотренные способы используют мало из-за значительного усложнения технологического процесса и увеличения массы конструкций. В некоторых случаях конструктивные особенности изделий вообще не позволяют применить эти методы, поэтому проблема получения удовлетворительных по свойствам сварных соединений после термической обработки является актуальной.

Автор: Администрация

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

Технология сварки титана и его сплавов

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

Рыхление оксидной пленки

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.

Выбор параметров режима

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.

Техника сварки

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.

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).

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.

Читайте также: