Сварка титана со сталью

Обновлено: 28.03.2024

Контактная сварка титана обеспечивает получение высококачественных сварных соединений титановых сплавов при соблюдении технологии.

Рекомендуемая подготовка свариваемых участков: удаление загрязнений ацетоном, протирка ветошью, обработка в травителе (состава типа 30 % НNО3 , 3 % HF, 67 % Н2О), промывка в воде ≥5 мин, обезжиривание, обезвоживание ацетоном и протирка.

При точечной сварке защита инертным газом нe требуется благодаря плотному контaкту и сжатию свариваемых деталей. Однакo для стыковой сварки сопротивлением и шовной сварки необходимa дополнительная защита аргоном первoгo сортa.

Благодаря высокoму электрическому сопротивлению и малой теплопроводноcти титана контактная сварка титана значительно облегчается и можeт выполняться нa различных машинах средней мощности однoфазного и трехфазного переменного или постоянногo тока. Титан по сравнению сo сталями менее чувствителен к силe на электродах и иx геометрическим параметрам. Низкaя электропроводность титановых сплавов облегчает возможнoсть многоэлектродной сварки. Режим сварки чистого титана имеет параметры близке к параметрам режимов, используемыx для коррозионно-стойких сталей. Ориентировочные режимы контактной сварки приведены в таблицах ниже.

Таблица 1. Ориентировочные режимы точечной контактной сварки титана .

Толщина листoв, мм Радиус сферы электродов, мм (±I0%) Сварочный ток, кА Время сварки, с (±I0%) Сила на электродах, кН Диаметр ядра точки, мм Максимальная прочность, кН
0,8+0,8 50 5,0. 6,0 0,15 2. 2,5 4. 5 6
1,0+1,0 75 6,0. 7,0 0,20 2,5 . 3 5. 6 7
1,2+1,2 6,5. 7,5 0,22 3. 3,5 5,5. 6,5 9
1,5+1,5 100 8,0. 8,5 0,24 4. 5 6,5 . 7,0 11
2,0+2,0 9,5. 10,0 0,28 5. 6 7,0 . 8,0 15
2,5+2,5 150 11,0. 12,0 0,35 6. 7 8,0 . 9,0 16,5

Таблица 2. Ориентировочные режимы шовной контактной сварки титана .

Толщина листoв, мм Радиус сферы роликов, мм Ширина плоских роликов, мм Сварочный ток, кА Длительность, с Сила на роликах, кН Скорость сварки, м/мин Ширина шва, мм
сварочного импульса паузы
0,8+0,8 60 4,5 6,0. 7,0 0,10 0,18 2. 2,5 0,8 3. 4
1,0+1,0 75 7,0. 8,0 0,12 0,25 2,5. 3,5 0,7 4. 5
1,2+1,2 6,5 8,0. 9,0 0,16 0,30 3,5.. .4 5. 6
1,5+1,5 100 8,5. 9,0 0,20 0,40 4. 5 0,6 6. 6,5
2,0+2,0 7,5 11,0. 12,0 0,25 0,50 7. 7,5

Таблицa 3. Ориентировочные режимы стыковой контактной сварки титана оплавлением .

Поперечноe сечение, мм Припуcк, мм Сварочный ток пpи оплавлении, A Время, c
нa оплавление нa осадку подогрева оплавления
1000 10 8 29500 120 3
2000 180
2500 31200 300 4
3000 15 10 33000 360
3500 420 5
4000 430 6

Примечание к таблице 3. Сварочный ток пpи подогреве 22500 А, сила при осадке 50 кН.

Другие страницы по теме

Контактная сварка титана

СВАРКА СТАЛИ, ПЛАКИРОВАННОЙ ТИТАНОМ

Сварка стали, плакированной титаном, имеет ряд осо­бенностей, связанных со специфическими свойствами титана.

Обычно при сварке малоуглеродистой стали, плакиро­ванной нержавеющей сталью, основной и плакирующий слои сваривают последовательно с применением соответ­ствующих сварочных материалов. Сварка такой стали вы­полняется с обязательным сплавлением между собой свар­ных швов основного и плакирующего слоев.

Для стали, плакированной титаном, такой порядок свар­ки неприемлем, так как при сплавлении титана со сталью в сварном шве и на границе его образуется большое количе­ство твердых и хрупких интерметаллидов, способствующих самопроизвольному разрушению сварных соединений. По­этому соединения стали, плакированной титаном, долж­ны свариваться так, чтобы не допустить сплавления швов обоих слоев, Выполнить это условие можно, применяя специальные разделки, у которых в районе сварного шва ос­новного слоя удален плакирующий слой. В этой разделке мо­жно выполнить сварной шов основного слоя и обеспечить сквозной провар путем подварки корня шва. Для коррози­онной стойкости соединения со стороны плакирующего слоя приваривают внахлестку накладку на режимах, не допус­кающих сквозного проплавления слоя титана. При сварке плакированной титаном стали граничный слой в зоне терми­ческого влияния находится определенное время при повы­шенных температурах, которые могут вызвать его хрупкость Поэтому важно изучить свойства граничного слоя, под­верженного нагреву, и изыскать способы устранения его охрупчивания. Такие исследования были выполнены в ра­боте [53]. Опыты проводились на биметалле СтЗ (толщиной 32 мм) + ВТ1 (толщиной 4 мм), полученном сваркой взры­вом без промежуточного слоя.

В основном слое вырезали канавки, представляющие со­бой V-образную разделку. Дно канавки располагали на рас­стоянии 2—4 мм от линии соединения титана со сталью. Канавку заплавляли электродами УОНИ— 13/45 диамет­ром 3 мм для первого прохода и диаметром 5 мм — для по­следующих проходов. Сварочный ток соответственно был равен 100—120 А и 220—240 А. Из проб вырезали образцы для испытания плакирующего слоя на срез и отрыв.

Механические свойства биметалла СтЗ + ВТ1

Состояние метал­ла перед сваркой

Сопротивление срезу, 10—7 Н/м2

Сопротивление отрыву, 10—7 Н/м*

Результаты испытаний (табл. 19) показывают, что под действием тепла сварочной дуги в зоне термического влияния (з. т. в.) у стали в исходном состоянии происходит повыше­ние сопротивления срезу и понижение сопротивления отры­ву граничного слоя.

Отпуск, снижая механические свойства граничного слоя, делает его нечувствительным к термическому циклу сварки. При испытании на срез образцов, вырезанных от отпущен­ной пластины, на плакирующий слой которой были наплав­лены аргонодуговой сваркой валики, было получено со­противление срезу вне зоны термического влияния 19,2 X X 10_7Н/м2, а в зоне термического влияния—18,7 X X 10-7Н/м

Металлографическое исследование шлифов, вырезанных из сваренных проб, показало, что вдали от зоны термиче­ского влияния металл в исходном состоянии имеет структу­ру, свидетельствующую о деформации граничного слоя в процессе получения плакированной стали. Так, со стороны титана ясно видны линии скольжения, а со стороны стали —■ деформированные зерна перлита и феррита.

Микротвердость деформированных участков стали, при­мыкающих к граничному слою, равна (206—284) • 10~7Н/м2, в то время как более удаленные участки с равноос­ной структурой имеют микротвердость, не превышающую 215 • 10~7 Н/м2. У этого же металла после отпуска со­храняется структура, характерная для металла в исход­ном состоянии (после взрыва), но твердость участков стали, примыкающих к граничному слою, снижается до 220 х х 10~7 Н/м2, т. е. до уровня твердости металла в исходном состоянии с равноосной структурой.

На некоторых шлифах от образцов, сваренных в исход­ном состоянии (без отпуска), была выявлена непосредствен­но примыкающая к белой прослойке темная фаза, мик - зотвердость которой составляет (517—775) • 10~7 Н/м2. 3 образцах, сваренных в отпущенном состоянии, таких участков не обнаружено.

Появление в зоне термического влияния обезуглерожен - ной ферритной полосы у границы сплавления стали с титаном, белой прослойки по границе сплавления и продуктов распа­да титана у этой границы свидетельствует о протекании су­щественных диффузионных процессов между сталью и ти­таном в связи с нагревом граничного слоя при сварке, не­смотря на кратковременность термического цикла.

СВАРКА СТАЛИ, ПЛАКИРОВАННОЙ ТИТАНОМ

элементы сварных соединений из стали,

СВАРКА СТАЛИ, ПЛАКИРОВАННОЙ ТИТАНОМ

Рис. 31. Конструктивные плакированной титаном:

а — односторонний шов; б — двухсторонний шов.

Можно ожидать большего развития процессов диффузии в граничном слое под действием тепла дуги для стали в ис­ходном состоянии (в частности, обогащение его углеродом) по сравнению со сталью в состоянии отпуска. По-видимо­му, с этим обстоятельством и может быть связан факт неко­торого увеличения сопротивления срезу плакирующего слоя в зоне термического влияния для стали в исходном со­стоянии.

Изучение граничного слоя показало, что под действием тепла дуги его свойства для стали после отпуска изменяются незначительно и практически не могут ухудшать качества сварного соединения. Поэтому разработанные конструкции и элементы разделок соединения (рис, 31) основаны только
на технологической возможности их выполнения и обеспе­чивают отсутствие сплавления сварных швов основного и плакирующего слоев. Как обычно, в таких соединениях требуемая механическая прочность достигается за счет свар­ного шва основного слоя. Накладка, привариваемая к пла­кирующему слою, предназначе­на только для создания анти­коррозионной стойкости соеди­нения.

СВАРКА СТАЛИ, ПЛАКИРОВАННОЙ ТИТАНОМ

Рис. 32. Схема сварки биме­талла сталь—титан:

1 —- сталь; 2 — титан; воль­фрамовый электрод; 4 — горел­ка; б — присадочная' проволока; 6 — прокладка из ниобия.

На рис. 31 между накладкой и сварным швом основного слоя показан заполнитель, предна­значенный для увеличения кор­розионной стойкости соединения в случае проникновения агрес­сивной среды под накладку.

В качестве заполнителя в неко­торых случаях рекомендуют использовать серебро, которое хорошо сплавляется с титаном, или легкоплавкие припои, Для этой цели, очевидно, можно использовать также поли­меры типа эпоксидных смол, выбирая их состав в зависи­мости от характера агрессивной среды.

Прочность сварных стыковых соединений плакированной титаном стали с накладками была определена при испытании на растяжение плоских образцов. Предел прочности этих образцов равен (40,0 - г- 44,5) • 10~7 Н/м2, что удовлетворяет требованиям, предъявляемым к стали СтЗ. В процессе ис­пытания образцов на растяжение сначала (при напряжении не менее 38 • 10~7 Н/ма) разрушались швы, приваривающие накладку, а затем основной слой. Такой характер разру­шения объясняется тем, что титан не менее пластичен по сравнению со сталью марки СтЗ.

В работе [53] предложен способ сварки биметалла сталь + титан, исключающий применение накладок. По этому способу биметалл с подслоем из ванадия сваривают
следующим образом (рис. 32). Со стороны титана удаляется плакирующий слой. Со стороны стали кромки подготавлива­ются под сварку встык. После сварки стали в паз плакирую­щего слоя укладывается тонкая прокладка из ниобия, а на нее ■— присадочная проволока из титана, диаметр которой зависит от толщины слоя. Затем плакирующий слой свари­вается вольфрамовым электродом в среде аргона. При этом дуга направляется по оси уложенной проволоки, при рас­плавлении которой образуется шов. Так как температура плавления ниобия выше точки плавления титана и посколь­ку отсутствует прямое воздействие дуги на прокладку, по­следняя проплавляется лишь частично и тем самым препят­ствует сплавлению титана со сталью и образованию хрупких фаз. Для биметалла общей толщиной 10 мм при толщине плакирующего слоя из титана ВТ1, равного 2 мм, принима­ют: V-образную разделку кромок со стороны стали с углом раскрытия 60°, толщину прокладки из ниобия 0,1 мм, диа­метр присадочной проволоки из титана 4 мм.

Исследования показали, что сварные соединения, вы­полненные по описанному способу, обладают высокой кор­розионной стойкостью в растворах серной и соляной кислот и других агрессивных средах. Скорость коррозии металла и соединений одинакова и практически не отличается от соответствующего показателя для титана ВТ1.

Сварка стали с титаном и титановыми сплавами

Титан с железом образуют систему ограниченной растворимости и эвтектоидным распадом β-фазы. Предел растворимости титана в железе снижается от 12 % при 1200 ОС до 4 % при 300°с. Растворимость железа в α-титане составляет 0,5 и 0,05 . 0, 1 % соответственно при 615 и 20°С.

Другие страницы, относящиеся к теме

Сварка стали, титана, титановых сплавов

    . Применяются для сварки легких сплавов, в т.ч. титана и легированных сталей. .

Титан и железо дают химические соединения TiFe, TiFe2, Ti2Fe и эвтектики β-фаза + TiFe (1100 о С), TiFe + TiFe2 (1280 о С), TiFe2 + а-фаза (1298 о С), содержащие 32; 62,5 и 82,5 % железа соответственно. Поэтому при затвердевании расплава уже при содержании железа порядка 0,1 % будут образовываться интерметаллиды TiFe и TiFe2, которые резко снижают пластические свойства материала.

Титан и железо существенно различаются по кристаллическому строению и физическим свойствам.

Аналогичную картину металлургического взаимодействия титан имеет с легирующими компонентами в сталях (никель и др.).

Положительные результаты могут быть получены при использовании методов сварки давлением, а также барьерных слоев и вставок из третьего металла, не образующего при высоких температурах со свариваемыми материалами хрупких фаз. Особенностью титана и титановых сплавов является их высокая активность с атмосферным газом, что требует ведения процесса в условиях, обеспечивающих их защиту (инертные газы, вакуум, жидкие среды).

Сварка взрывом осуществляется с промежуточными прокладками и без прокладок. В последнем случае могут появиться интерметаллиды ТiFe и TiFe2 в местах вкрапления литого металла и перемешивания. При отжиге таких соединений идет дальнейший рост интерметаллидной фазы, выделяются карбиды титана. В зоне контакта может наблюдаться появление пор. В качестве прокладок используют ниобий, ванадий, никель, медь, серебро, железо и сплавы из тугоплавких металлов.

Получила применение двойная прокладка из ванадия или ниобия со стороны титана и медная со стороны стали. Нагрев соединений, полученных с использованием барьерных подслоев, до 800 о С не ведет к охрупчиванию шва. Некоторое снижение предела прочности при этом связано со снятием эффекта наклепа. Уменьщение толшины медной прослойки до 0,1мм повышает предел прочности соединенная, что объясняется проявлением эффекта контактного упрочнения. Разрушение соединений при испытаниях идет по слою меди и имеет вязкий характер при положительных и отрицательных температурах (+300. -269 о С).

При диффузионной сварке удовлетворительные механические характеристики получаются, когда ширина слоя интерметаллидов ≤3 . 5 мкм, а в ЗТВ имеет место α-твердый раствор железа в титане. При испытаниях зона разрушения наблюдается в переходе титан железо (сталь). На прочность соединения влияет ширина зоны, обогашенная углеродом.

Механические характеристики стыковых соединений, выполненных диффузионной сваркой в вакууме на материалах ВТ1-0 + 12Х18Н9Т и ОТ4 + 12Х18Н9Т (температура 750 . 850 о С, время сварки 15 мин), оказываются ниже прочности основного материала. Применение прокладок из ванадия и меди при сварке ВТ6, ВТ5-1 со сталью 12Х18Н9Т позволило получить предел прочности вплоть до 530. 570 МПа. В соединении не обнаруживается интерметаллидных фаз даже после длительного нагрева при высокой температуре (1000 о С в течение 10 ч). Слой меди при сварке предотвращает образование карбидов ванадия, охрупчивающих соединения. В соединении ванадий - медь легкоплавкие соединения и интерметаллиды не образуются. Соединения, выполненные через комбинированные прокладки меди (толщина 0,01 мм) и ванадия (0,07 мм), дают предел прочности 489 . 503 МПа при 450 о С, удельную вязкость 350 кдж/м 2 , угол загиба 50. 600.

Для получения стабильных результатов целесообразно в качестве прокладочного материала использовать тонкую многослойную ленту (V + Cu + Ni), полученную горячей прокаткой в вакууме. Благодаря такой ленте предел прочности соединений ВТ5-1 и АТ3 со сталью 12Х18Н10Т при растяжении составляет 500. 590 МПа.

При сварке титана с низкоуглеродистыми сталями хорошие результаты дают прослойки из серебра.

Положительные результаты получаются при диффузионной сварке в расплаве солей (70 % BaCI2 + 30 % NaCI). При этом обеспечиваются быстрый к равномерный нагрев, хорошая защита металла в процессе сварки и охлаждения.

Сварка прокаткой осуществляется в вакууме. Выявлено отрицательное влияние углерода на механические характеристики соединения из-за образования карбида титана (TiC). Увеличение содержания углерода в стали с 0,02 до 0,45 % ведет к снижению уровня прочности с 260 до 140 МПа. При использовании про кладок из ванадия содержание углерода в нем должно быть

При сварке ВТ6 со сталью 12Х18Н10Т с комбинированной прокладкой из Nb + Cu (вакуум 0,00266 Па, температура 350 o С, степень обжатия 45 . 50 %) получаются равнопрочные соединения (разрушение образцов при испытаниях - по меди). На границе ниобия с титаном образуются зоны твердых растворов, имеющие повышенную твердость.

На границе ниобия и меди имеет место диффузионная зона протяженностью порядка 40 мкм. В переходе ниобий - титан зона диффузии не наблюдается. Толщины прокладок ниобия берутся порядка 0,05 . 0,2 мм, меди 0,1 . 0,46 мм.

Контактная и ультразвуковая сварка листовых заготовок проводится с применением промежуточных прокладок.

При контактной сварке не допускается подплавления поверхности титана и стали. Наилучшие результаты контактная сварка дает через прослойку ниобия, а ультразвуковая через слой серебра.

Получены положительные результаты по клинопрессовой сварке в аргоне титановых сплавов со сталью 12Х18Н9Т через прокладку алюминия или медь. Нагрев при использовании алюминия 350 o С, меди - 850 o С. Толщина прослойки 0,1 . 0,2 мм.

Из способов сварки плавлением наибольшее распространение получили электронно-лучевая и аргонодуговая сварка титана со сталью с применением вставок из ванадия и его сплавов. Для получения более высокой прочности целесообразно при менять ванадий, легированный вольфрамом и хромом (5 . 10 %).

Предложен способ сварки титана со сталью в гелии с использованием интенсивно охлаждаемой прокладки. Возможна дуговая сварка в аргоне с применением в качестве присадочного материала медно-серебряного сплава (28 и 72 % соответственно), расплавляемой прокладки из монель-металла.

При сварке плавлением через ванадиевую вставку необходимо учитывать особенности сварки ванадия с титаном и сталью.

СВАРКА ТИТАНА СО СТАЛЬЮ

Применение сварных конструкций из титана и стали обеспечивает снижение веса изделий, что в ряде случаев имеет решающее значение. В последние годы проводились многочисленные исследования по сварке титана со сталью

разного класса. В работе [23] имеются данные о положи­тельном решении вопросов точечной сварки тонколистого титана со сталью. Однако задача сварки плавлением тита­на со сталью, в частности со сталью аустенитного класса, до сих пор не решена.

Как видно из диаграммы состояния системы титан — железо (рис. 27), растворимость железа в а-титане крайне

10 20 ЗО 40 50 60

Рис. 27. Диаграмма состояния системы титан—железо.

мала и при нормальной температуре лежит в пределах 0,05—0,1%. При концентрациях более 0,1% Fe в сплаве образуются интерметаллические соединения типов TiFe и TiFe2.

Наличие интерметаллидов в сплаве титана с железом значительно повышает прочность соединения и резко сни­жает его пластичность: сплав титана с 0,14% Fe имеет твер­
дость Hv 199, с 2,2% Fe превышает Hv 450; пластичность сплава снижается соответственно с 18,5% до 2,5%.

При дуговой сварке титана со сталью невозможно полу­чить сварной шов с содержанием железа в пределах раство­римости его в титане. Поэтому при непосредственном со­единении титана со сталью методом сварки плавлением швы чрезвычайно хрупки, в них образуются трещины. Задача еще больше усложняется при сварке титана с хромо-нике­левыми сталями аустенитного класса. В этом случае обра­зуются сложные интерметаллические соединения титана с железом, хромом и никелем, которые еще в большей степени, чем при сварке титана с углеродистой сталью, делают шов хрупким.

В микроструктуре металла шва сварного соединения ти­тана со сталью видны темные включения на светлом поле. Измерение микротвердости дает основание полагать, что эти включения представляют собой интерметаллические сое­динения титана с железом, хромом и никелем (микротвердость до 600 • 10~7 Н/м2). Светлое поле имеет микротвердость не более 370 • 10-7 Н/м2 и вероятнее всего является твердым раствором железа, хрома и никеля в титане. Наблюдаются трещины в шве, связанные с высокой хрупкостью металла из-за наличия интерметаллидов.

Выделение интерметаллидов есть также и по линии сплав­ления металла шва с титаном. Чтобы избежать обра­зования интерметаллидов и получить достаточно пластич­ные сварные соединения титана со сталью, необходимо устранить перемешивание расплавленных металлов при сварке.

Избежать перемешивания свариваемых металлов можно двумя путями: сваркой — пайкой, когда один из металлов (более легкоплавкий) растекается по соответствующему по­крытию, нанесенному на другой металл (при этом непосред­ственное сплавление металлов не происходит, а образуется сварно-паянное соединение); ступенчатым методом с при­менением промежуточных металлов-вставок. Опыты по

О 20 40 60 80 100 у

О 20 40 ' 60 80 100 uuufa

соединению титана со сталью методом сварки — панки не дали положительных результатов.

Перспективным оказалось применение промежуточных вставок. Металл вставки должен обладать хорошей свари­ваемостью как с титаном, так и со сталью. При этом необ­ходимо учитывать коррозионную стойкость соединения из разнородных металлов, включая вставку, если сварная

Рис. 28. Диаграммы состояний:

а — система титан—ванадий, б — система железо—ванадий.

конструкция предназначается для работы в агрессивных средах.

Титан удовлетворительно сваривается с очень ограничен­ным количеством металлов: цирконием, ниобием, танталом, ванадием, молибденом, гафнием. Наиболее пластичные со­единения удается получить при сварке титана с цирконием, ниобием и танталом.

Сталь не сваривается непосредственно ни с одним из перечисленных выше металлов, за исключением ванадия.

Таким образом, единственным металлом, который можно было бы применить в виде вставки при сварке титана со сталью, является ванадий [12]. Возможность сварки этого металла с титаном и сталью подтверждается также типом диаграмм состояния (рис. 28): как с титаном, так и с же­лезом ванадий образует непрерывный ряд твердых раство­ров. В системе ванадий — железо ниже 1234° в определен­

ном интервале концентрации возможно выпадение в-фазы, изоморфной ст-фазы.

СВАРКА ТИТАНА СО СТАЛЬЮ

Рис. 29. Структура сварного соеди­нения ванадиевого сплава со сталью ХІ8НЮТ при аргонодуговой свар­ке (Х200).

С. М. Гуревич и В. Н. Замков нашли способ создания комбинированной вставки из двух сваривающихся между собой металлов — тантала или ниобия и бронзы [12]. Так как тантал хорошо сваривается с титаном, а бронза со ста­лями различных классов, то такая комбинированная вставка является надежным связывающим звеном при соединении этих разнород­ных металлов.

В результате проведен­ных опытов была установ­лена принципиальная воз­можность сварки техниче­ского ванадия с титаном и сталью, в том числе аусте - нитного класса. При сварке неплавящимся электродом в среде аргона швы форми­ровались хорошо, не имели дефектов. Структура свар­ного соединения ванадие­вого сплава со сталью Х18Н10Т приведена на рис. 29. Однако во многих случаях, вследствие неиз­бежного образования е-фазы в швах в широком интервале концентраций ванадия сварные соединения ванадий — сталь обладают низкой пластичностью. Так, например, угол загиба сварного соединения ванадия со сталью 20 не пре­восходит 30—35°. Это приводит к снижению пластических свойств и соединения титан — ванадий — сталь.

Хорошие результаты удалось получить при исполь­зовании комбинированной вставки, включающей бронзу.

При разработке технологии следовало прежде всего исходить из необходимости получения соединения, равнопрочного свариваемому металлу. С этой целью был применен техни­ческий тантал, имеющий предел прочности до 70 х X10-7 Н/м2, опробованы высокопрочные бронзы Бр. ОФб, 5— •—0,15 (ств до 65 • 10~7 Н/м2), Бр. КМцЗ—1 (ов до 75 X X 10-7 Н/м2), Бр. Б2 (ав до Н 66 • 10“7Н/м2), Бр. ОЦС4— —4—2,5 (ав до 52 • 10~7 Н/м2) и др.

Наилучшие свойства сварных соединений технического титана и некоторых низколегированных титановых сплавов с углеродистой и аустенитной сталью были получены при применении бронзы с пределом прочности до 70 • 10~7 Н/м2, воспринимающей нагартовку и термическую обработку.

Автоматическая сварка образцов толщиной 1—1,5 мм на медной подкладке производилась неплавящимся воль­фрамовым электродом в среде аргона в камере с контроли­руемой атмосферой. Швы формируются удовлетворитель­но, дефекты в швах не наблюдались.

Механические свойства сварных соединений титанового сплава ОТ4 со сталью X18HI0T

Результаты испытаний плоских образцов на разрыв

Угол загиба, град

Бр. Б2 + + X18H10T

Вставка из тантала и нагартованной бронзы

Вставка из тантала и закаленной брон­зы

по стали и шву сталь— бронза

* Для сравнения приводим пределы прочности ав 10”*7 Н/м2, свариваемых

металлов: титановый сплав—76, сталь -^62,7, нагартованная бронза-^66, за­каленная бронза —* 57, тантал -» 69.

Механические свойства соединений титанового сплава ОТ4 со сталью Х18Н10Т толщиной 1,5 мм приведены в табл. 17. Применение нагартованной бронзы не обеспечива­ет равнопрочности сварного соединения стали Х18Н10Т. В этом случае под воздействием термического цикла сварки происходит разупрочнение бронзы, что подтверждает изме­нение твердости бронзовой вставки в состоянии поставки (твердая бронза) и после сварки.

Предварительная закалка бронзы (в воду от температуры 800°) заметно повышает прочность сварного соединения благодаря частичному состариванию вставки в процессе сварки. Это приводит к увеличению твердости бронзы. Структура швов и характер их границ у сварного соедине­ния сплава ОТ4 со сталью Х18Н10Т показывают, что ме­таллы удовлетворительно сплавляются, образуя прочно­плотные соединения.

При диффузионной сварке титана со сталью как и при сварке плавлением, приходится применять промежуточные прослойки, исключающие образование хрупких слоев в зоне контакта. В качестве прослоек могут быть использо­ваны ниобий — медь, тантал — медь, ванадий — медь и

Некоторые данные, характеризующие механические свойства соединений низколегированных титановых сплавов со сталью, приведены в табл. 18.

Механические свойства титановых сплавов со сталью

Предел проч­ности соедине-

Из таблицы видно, что прочность сварного соединения высокая и может превосходить прочность наиболее мягкой прослойки — меди в несколько раз. Такая прочность со­единения обеспечивается в результате так называемого кон­тактного упрочнения мягких прослоек.

о / 23 4 5671234 5 678

Я Расстояние, мкц О

Рис. 30. Характер распределения микротвердости граничной зоны биметалла титан—стал_:

а без подслоя; б — с подслоем ванадия.

Изменение предела прочности сварного соединения с мягкой прослойкой подчиняется зависимости

огв = — kbMy • 102,

где о в — предел прочности основного менее прочного ме­талла; 6м—относительное удлинение материала слоя;

о в — предел прочности материала прослойки; От —1 пре­дел текучести материала прослойки; k —■ коэффициент, зависящий от параметра наклепываемости прослойки;

и = - т— относительная толщина прослойки; —толщина

прослойки; Ь'— толщина свариваемого металла.

Если в зоне контакта имеются две прослойки, то расчет ведут для наименее прочной.

Исследования показали, что при х С 0,1 для меди и 0,25 для ванадия прочность соединения низколегированных титановых сплавов с нержавеющей сталью близка к проч­ности стали.

Одним из путей решения проблемы соединения титана со сталью является применение при сварке переходников, изготовленных из биметаллических полос с соотношени­ем толщин слоев 1:1. Технология прокатки таких полос разработана в УкрНИИМЕТ [47] и других организа­циях.

Наиболее перспективным способом получения биметалла титан — сталь является способ горячей прокатки в ваку­уме при соответствующем подборе величин обжатий и тем­ператур, если заготовки под прокатку обладают прочным соединением слоев по всей площади соединения. Такая од­нородность заготовок достигается с помощью сварки взры­вом, а в ряде случаев —• использованием металла промежу­точных слоев, например, ванадия. Биметалл с подслоем ванадия имеет более стабильные свойства в исходном состоянии, чем биметалл без подслоя; кроме того ва­надий способствует получению более вязкой граничной зоны.

Характер распределения микротвердости граничной зо­ны биметалла без подслоя и с подслоем ванадия приведены на рис. 30.

В биметалле без подслоя наблюдается повышение мик­ротвердости до (600—700) • 10~7 Н/м2 в граничной зоне на очень узком участке шириной менее 0,01 мм. В биметал­ле с подслоем ванадий предотвращает образование твер­дой и хрупкой прослойки. Структура и твердость ос­тальных участков биметалла без подслоя и с подслоем ванадия одинаковы. В граничной зоне наблюдается обез­углероживание стали на глубину 0,02—0,05 мм. Изменений в структуре титана не обнаружено,

При оценке возможности использования биметалличе­ских вставок в качестве переходников в соединении титана со сталью весьма важно знать влияние термического цикла сварочной дуги на граничные зоны биметалла.

Такие исследования показали, что наблюдается боль­шая нестабильность прочности сцепления слоев биметалла без подслоя. После наплавки валика на титан, т, е. при тер­мическом воздействии дуги, в граничной зоне образуется новая фаза — эвтектика Fe—TiFe2. Она приводит к резкому снижению прочности сцепления слоев биметалла,

Исследования влияния термического цикла сварки на свойства граничной зоны на биметалле с подслоем ванадия показали, что кратковременный нагрев до 900° С не вызы­вает никаких изменений в структуре и твердости граничной зоны. Повышение температуры от 900° до 1200° С приводит к образованию диффузионного слоя ванадия в железе с микротвердостью порядка 300 • 10~7 Н/м2, Ширина диф­фузионного слоя зависит от температуры нагрева и времени выдержки при температуре выше температуры аллотропи­ческого превращения. Чем меньше скорость нагрева и выше температура, тем шире диффузионная зона. Приближенно можно считать, что увеличение времени пребывания биме­талла при такой температуре в два раза вызывает увеличе­ние ширины диффузионной прослойки также вдвое, Твер­дость прослойки при этом не изменяется.

Нагрев граничной зоны биметалла выше температуры 1185—1200° С вызывает образование новой фазы на границе ванадия и железа. Эта фаза характеризуется высокой мик­ротвердостью (до 900 • 10~7 Н/м2) и хрупкостью. Таким образом, нагрев граничной зоны биметалла свыше 1200° С недопустим, так как при этом образуется твердая и хрупкая фаза с трещинами, что может привести к расслоению би­металла.

Исследованиями установлено, что при сварке биметалла

титан—сталь с полным проплавлением основного слоя тем­пература граничной зоны свыше 1200° С, когда возможно

образование хрупкой и твердой фаз, распространяется на ширину до 3 мм от центра шва. Поэтому для получения ка­чественного сварного соединения необходимо при подготов­ке кромок удалять плакирующий слой на ширину не менее 6 мм.

В литературе имеется мало сведений о коррозионной стойкости сварных соединений титана с другими металлами, в частности, титана со сталью. Некоторые результаты ис­следований показывают, что в растворах соляной, серной и щавелевой кислот при комнатной температуре титан имеет потенциал более отрицательный, чем потенциал нержавею­щей стали. Поэтому в паре с нержавеющей сталью скорость коррозии титана значительно снижается. При этом скорость коррозии нержавеющей стали остается без изменений. Это явление анодной защиты наблюдается также в кипящих растворах указанных кислот,