Технология сварки титана и его сплавов

  • 02 сентября 2019 14:05:21
  • Отзывы : 0
  • Просмотров: 44
  • 0

Титан владеет высокой прочностью до температур 450…500°С при малой плотности (γ = 4,5 г/см3), высокой коррозийной устойчивостью по многих агрессивных средах и всё шире применяется в качестве конструкционного материала в сварных конструкциях различного назначения.

Отдельное либо совместное легирование технического титана небольшими подбавками некоторых элементов (например, 3…6,5% Al, до 2% Mn, 3,5…4,5% V, до 2,5% Cr, 2…3% Sn) значительно увеличивают его прочность (до 1000…1400 МПа) при достаточной пластичности.

Титан претерпевает полиморфное превращение при температуре 882°С: до 882°С он существует в форме α-титана с гексагональной решёткой, выше 882°С – β-титана с объёмно-центрированной решёткой.

Ряд элементов – Al, Sn, N, O – повышают температуру полиморфного преобразования, расширяют область α-титана и называются α-стабилизаторами. Mo, V, Mn, Cr способствуют сохранению при нормальной температуре высокотемпературной структуры β-титана и называются β- стабилизаторами.
Сплавы со стабильной при разных температурах α структурой (технический титан ВТ1, сплавы ВТ5 и ВТ5-1) термообработкой не укрепляются, поэтому владеют хорошей свариваемостью.
Двухфазные сплавы, где β-фаза существую при повышенных температурах (типа ВОТ4), термообработкой не укрепляются, а сплавы, где β-фаза может сохраняться при охлаждении до комнатной температуры (сплавы ВТ6, ВТ14), укрепляются термообработкой и свариваются хуже. 
Основные трудности при сварке титана связаны с его высокой химической активностью относительно газов при нагреве и расплавлении. Так, при температурах 350°С и выше титан активно поглощает кислород с образованием структур внедрения, которое имеют высокую прочность, твёрдость (может быть в 2 раза более за прочность титана) и малую пластичность. Кислород стабилизирует α-фазу с образованием поверхностного слоя большой твёрдости, который называется альфированным слоем.
При нагреве до 550°С и выше титан энергично растворяет азот, в результате образуются малопластичные фазы внедрения (нитриды). Нитриды повышает твёрдость и снижают пластичность титана. Поверхностный слой титана насыщается повышенным количеством азота и кислорода (альфированный слой). Проникание частичек этого слоя в сварной шов приводит к хрупкости металла и образованию холодных трещин, в связи с чем перед сваркой его стоит целиком удалять. Допускается очень жёсткое ограничение этих газов в титане: кислорода – к 0,15%, азота – к 0,05%.
Водород также при малом содержании очень резко ухудшает свойства титана. Хотя его содержание с увеличением температуры падает, водород, который находится в твёрдом перенасыщенном растворе, выделяется и образует отдельную фазу – гидриды титана (TiH2), которые сильно охрупчивают титан и способствуют образованию холодных трещин через длительное время после сварки (замедленное разрушение). Кроме того, водород способствует образованию пор. В связи с этим допустимое содержание водорода в металле ограничивается 0,01% и принимаются все меры к избежанию возможности наводораживания металла (например, сварочная проволока подвергается вакуумному отжигу).
Всё это требует тщательной защиты при сварке не только расплавленного металла, но и участков твёрдого металла, нагретого к температуры 400°С. Обычно эта достигается применением флюсов, специальных газовых защитных подушек, флюсовых и металлических подложек. Защита считается надёжной, когда после сварки поверхность металла имеет блестящую поверхность.
При сварке титана и его сплавов используют присадочный металл, близкий по составу к основному металлу. Во многих случаях положительные результаты получаются при использовании проволоки ВТ1-00. Для удаления водорода проволоки подвергают диффузионному (вакуумному) отжигу. Подготовку кромок делают механическим путём, газокислородной либо плазменной резкой со следующим удалением насыщенного газами металла механической обработкой.
В связи с низкой теплопроводностью титана стыковые швы при сварке плавящимся электродом в аргоне имеют характерную конусовидную форму, што вызывает необходимость для некоторых конструкций наложения галтельных швов либо перехода к сварке в гелии для улучшения формы внешней части усиления шва. Удельное электросопротивление титана примерно в 4 раза больше, чем у железа, поэтому вылет плавящегося электрода должен быть относительно небольшим.
Основные способы сварки титана: дуговая сварка в среде инертных газов, под флюсом, электрошлаковая и электронно-лучевая.
Дуговая сварка в среде инертных газов титана и его сплавов может быть выполнена неплавящимся лантанированным или иттрированным вольфрамовым электродом и плавящимся электродом. Применяют аргон только высшего сорта или гелий высокой чистоты. Сварку производят с использованием удлинённых насадок на сопле (длиною до 500 мм) с подачей газа с обратной стороны через специальные подкладки, а также в камерах с контролируемой атмосферой.
Титан небольшой толщины (до 4 мм) вольфрамовым электродом сваривают на обычных установках аргонодуговой сварки неплавящимся электродом на постоянном токе прямой полярности. Присадочный пруток подают только при толщине металла более   1,5 мм. Без подачи присадочного прутка прочность соединения равна прочности основного металла. При подаче прутка его нагретая поверхность адсорбирует некоторое количество газов атмосферы, которое приводит к снижению пластичности металла шва.
При толщине металла более   4 мм применяют разделку кромок. Для увеличения глубины проплавления при сварке вольфрамовым электродом применяют флюс-пасты типа АН-ТА, которые наносят тонким слоем на поверхности кромок. Они позволяют без разделки кромок сваривать металл толщиной до 12 мм на меньших, чем при обычных способах, сварочных токах. Эта технология снижает деформации сварных конструкций и уменьшает пористость швов, а также способствует рафинированию металла шва.
При сварке под флюсом и электрошлаковой сварке используют бескислородные флюсы (АН-Т1 и АН-Т2), основные компоненты которых – фториды (CaF2, Na2F) и хлориды (KCl, NaCl). Для уменьшения опасности попадания водорода по металл шва требуется, чтобы содержание влаги по флюсе не превышало 0,05%.
Титан сваривают под флюсом на обычном оборудовании на постоянном токе обратной полярности. Этот способ экономически эффективен при соединении металла толщиной 6…8 мм, хотя сваривают и металл меньшей толщины. Прочность и пластичность сварных соединений получают не ниже, чем у основного металла. При электрошлаковой сварке для защиты шлаковой ванны и остывающего металла осуществляют поддув аргоном через специальные каналы в ползунах из расчёта 5…12 л/мин для металла толщиной 30…120 мм.
В последнее время в авиастроении и других смежных отраслях при сварке титановых сплавов широко используют электронно-лучевую и лазерную сварку.