Тема 2.9 Технология сварки титана и его сплавов. Характеристика титановых сплавов. Металлургические особенности сварки. Выбор способов сварки. Сварочные материалы. Особенности технологии сварки.

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ

Титан обладает высокой прочностью до температур 450—500° С при малой плотности, высокой коррозионной стойкостью во мно­гих агрессивных средах и все шире применяется в качестве кон­струкционного материала в сварных конструкциях различного назначения.

Раздельное или совместное легирование технического титана небольшими добавками некоторых элементов, например 3—6,5% AI, до 2% Mn, 3.5-4,5% V, до 2,5 Сг. 2—3% Sn, значительно увеличивает его прочность (до 1000 - 1400 МПа) при достаточ­ной пластичности.

Ряд элементов, и частности алюминий, олово, азот, кислород, повышают температуры полиморфного превращения, рас­ширяют область и называются -стабилизаторами. Такие элементы, кик молибден, ванадий, марганец, хром, способствуют сохранению при нормальной температуре высокотемпера­турной структуры-титана и называются-стабилизаторами. В зависимости от комбинации легирующих компонентов сплавы титана могут быть-сплавами,-сплавами и+-сплавами.

Сплавы со стабильной при различных температурах структу­рой (технический титан ВТ1, сплавы ВТ5 и ВТ5-1) термообработ­кой не упрочняются, поэтому они обладают хорошей сваривае­мостью. Сплавы со стабильной -структурой (типа ВТ14) также имеют высокую термическую стабильность, высокую прочность, пластичность и также хорошо свариваются.

Двухфазные сплавы, где -фаза существует при повышенных температурах (типа ОТ4), термообработкой не упрочняются, а сплавы, где-фаза может сохраняться при охлаждении до комнатной температуры (сплавы ВТ6, ВТ14), упрочняются термо­обработкой и свариваются хуже; термообработка (закалка и искусственное старение) позволяет довести их прочность до 1400 МПа при удовлетворительной пластичности.

Основные затруднения при сварке титана связаны с его высо­кой химической активностью по отношению к газам при нагреве и расплавлении. Так, при температурах 350° С и выше титан активно поглощает кислород с образованием структур внедре­ния, имеющих высокую прочность, твердость (может быть в 2 раза выше, чем у титана) и малую пластичность. Кислород стабили­зирует -фазу при его взаимодействии по реакции Ti + 02 =TiO2

с образованием поверхностного слоя большой твердости, который называется альфированным слоем.

При нагреве до температуры 5500 С и выше титан энергично растворяет азот, химически взаимодействует с ним, в результате часто образуются малопластичные фазы внедрения (нитриды): Ti + 0,5N2 = TIN либо 6Ti + N2 = 2Ti 3N.

Азот, находящийся в титане в виде нитридов и элементов внедрения, повышает твердость снижает его пластичность. Поверх­ностный слон титана насыщается повышенным количеством азота и кислорода (альфированный слой). Попадании частиц этого слоя в сварной шов приводит к хруп­кости металла и образованию хо­лодных трещин, в связи с чем его перед сваркой следует полностью удалить.

Водород даже при малом содержании наиболее резко ухуд­шает свойства титана. Хотя содержание водорода с увеличением температуры падает, водород находящийся в твердом пересыщенном растворе выделяется и образует отдельную фазу — гидриды титана (TiН2), которая сильно охрупчивает титан способствует образованию холодных трещин через длительное время после сварки (замедленное разрушение). Кроме того, водород способствует образованию пор. В связи с этим обстоятель­ством допустимое содержание водорода в металле ограничивается до 0,01%, и принимаются все меры к устранению возможности наводороживания металла (например, сварочную проволоку подвергают вакуумному отжигу).

В ряде случаен пригодность титана дли сварки предвари­тельно оценивают по величине расчетной твердости, определяя ее по эмпирической формуле

НВ= 40+310 (Оэ)1/2,

где Оэ – эквивалентное содержание кислорода;

Оэ = [%О] + 2 [%N] +2/3 [%С];

Если НВ < 200 и содержание водорода не превышает 0,01%, технический титл и обладает хорошей свариваемостью.

Отрицательное влияние насыщения нагретого и расплавлен­ного металла газами требует тщательной защиты при сварке по только расплавленного металла, но и участков твердого ме­талла, нагретого до температуры 4000 С и выше. Обычно это достигается применением флюсов, специальных газовых насадок, а также применением с обратной стороны шва газовых защитных подушек, флюсовых и металлических подкладок. Защита счи­тается надежной, если после сварки поверхность металла имеет блестящую поверхность.

Титан и его сплавы чувствительны к термическому циклу сварки, при нагреве и охлаждении металла в области фазы наблюдается рост зерна. Этому способствует и низкая теплопро­водность титана. При охлаждении и старении могут образовы­ваться хрупкие фазы. В результате этих процессов снижаются пластические свойства металла и появляется неоднородность свойств сварного соединения.

При сварке титана и его сплавов используют присадочный металл, близкий по составу к основному металлу. Во многих случаях положительные результаты получаются при использовании проволоки ВT1- 00. Для удаления водорода проволоку обычно подвергают диффузионному (вакуумному) отжигу. Подготовку кромок ведут механическим путем, газокислородной или плазмен ной резкой с последующим удалением металла насыщенных газами кромок механической обработкой. Перед сваркой поверх­ности кромок и прилегающего основного металла, электродной проволоки тщательно очищают механическим путем или травлением.

В связи с низкой теплопроводностью титана стыковые швы при сварке плавящимся электродом в аргоне имеют характерную конусообразную форму (рис. 1 а) с малым , что вызывает необходимость для некоторых конструкций наложения галтельных швов (рис., 1 б) либо перехода к сварке в гелии с целью улучшения формы внешней части усиления шва (рис.1, в). Удельное электросопротивление титана примерно в 4 раза больше, чем у железа, поэтому вылет плавящегося электрода должен быть относительно небольшим.

Основные способы сворки титана — дуговая сварка в среде инертных газов, под флюсом, электрошлаковая и электронным лучом.

Дуговая сварка в среде инертных газов титана и его сплавов может быть осуществле­на неплавящимся лантанированным или иттрированным вольфрамо­вым электродом и пла­вящимся электродом..

Рис. 1. Формы проилавления при сварке титана плавящимся электродом

Применяют аргон только высшего сорта по ГОСТ 10157—73 или гелий высокой чистоты. Сварку выполняют с использованием удлиненных насадок на сопле (длиной 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 для автоматической аргонодуговой сварки неплавящимся электродом. Присадоч­ный пруток подают только при толщине металла более 1.5 мм. Возможна также ручная сварки на постоянном токе прямой полярности. Без подачи присадочного прутка прочность соеди­нения равна прочности основного металла. При подаче прутка его нагретая поверхность адсорбирует некоторое количество газов атмосферы, что приводит к снижению пластичности металла шва на 40-50%.

При толщине металла свыше 4 мм применяют разделку кро­мок V-, Х-образную и рюмкообразную. Для увеличения глубины проплавления при сварке вольфрамовым электродом применяют флюсы-пасты типа АН-ТА, которые наносят тонким слоем на поверхность кромок. Они позволяют без разделки кромок сва­ривать металл толщиной до 12 мм на меньших, чем при обычных способах, сварочных токах. Эта технологии снижает деформации сварных конструкций и уменьшает пористость швов, а также способствует частичному рафинированию металла шва.

При сварке погруженной дутой, без разделки кромок также можно соединить металлы повышенной толщины,

При сварке плавящимся электродом за два прохода (с двух сторон) можно сваривать металл без скоса кромок толщиной до 36 мм. В качестве защитного газа используют аргон и гелий (табл. 1). При сварке за два прохода в аргоне швы получаются относительно более узкими, а в гелии — более широ­кими, что связано с физическими свойствами защит­ных газов: при сварке в гелии требуется более высокое напряже­ние дуги. Сварку ведут на постоянном токе обратной полярности.

Таблица 1 Режимы сварки титана и его сплавов плавящимся электродом.

Диам. эл., мм	Сила св. тока, А	Толщ. св. листов без разделки, мм	Напряж., В	Скорость сварки, м/ч	Вылет электр, мм	Расход Аргона, л/мин
0,6-0,8 1,0-1,2 1,6-2,0 3,0 4,0 5,0	150-250 280-320 340-520 480-750 680-980 780-1200	4-8 5-10 8-12 14-34 16-36 16-36	22-24 24-28 30-34 32-34 32-36 34-38	30-40 30-40 20-25 18-22 16-18 14-16	10-14 17-20 20-25 30-35 35-40 40-45	20-30 25-35 35-45 40-50 50-60 50-60

Механические свойства металла сварных швов и прочность соединения в целом зависят от марки титана, марки присадочной проволоки и могут быть доведены до соответствующих показа­телей основного металла. Для автоматической сварки по этой схеме используют модернизированные автоматы АДС-500 М. АДС-1000-24, для сварки угловых швов — автоматы АСУ-ИМ и полуавтоматы типа ПГТ-2.

При модернизации серийного оборудования (для сварки ста­лей) внимание уделялся повышению скорости подачи проволоки (вместо обычных 500-600 м/ч ее доводят до 2500—3000 м/ч) и созданию условии для полноценной защиты металла при сварке. Источники питания — с жесткой характеристикой.

С точки зрения уменьшения расхода дефицитных и дорогих материалов и повышения производительности сварки важное значение имеет способ сварки титана по узкому зазору — щеле­вой разделке, выполняемый неплавящимся вольфрамовым или плавящимся электродом. В первом случае листы собирают с за­зором = 6 - 12 мм; диаметр вольфрамового электрода d = З--4 мм; диаметр присадочной проволоки 1,5- 2 мм; сила сварочного тока 200—300 А; расход аргона 9—12 л/мин через горелку и 2—3 л/мин с обратной стороны. Про полуавтоматической сварке используют проволоку диаметром 1,6—2 мм при том же рас­ходе аргона, силе сварочного тока 360—420 А и напряжение 32—36 В.

При сварке под флюсом и электрошлаковой сварке исполь­зуют бескислородные флюсы (АН-Т1 и АН-Т2), основные компоненты которых — фториды (CaF2, NaF) и хлориды (КС1, NaCI). Для уменьшения опасности попадания водорода в металл шва требуется, чтобы содержание влаги во 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 свыше 6-8 мм. Прочность и пластичность сварных соединений получают не ниже, чем у основ­ного металла.