Сварка титана и его сплавов

Титан – высокопрочный материал, сохраняющий устойчивость к коррозии в том числе в агрессивных средах. Прочность чистого титана находится в пределах от 267 до 337 МПа. Сплавы, особенно с алюминием, ванадием, хромом, оловом и другими отличаются более высоким коэффициентом прочности – до 1400 МПа. Но при этом сплавы достаточно пластичны, благодаря чему они востребованы в судостроении, машиностроении, химической отрасли, авиа- и приборостроении, в ракетной промышленности, у которых сварка титана является неотъемлемой частью производства.

Сварка титана – возникающие сложности и пути их преодоления

Элемент обладает высокой химической активностью, что является основной причиной сложностей, возникающих при сварке титана и его сплавов. При нагревании и находясь в расплавленном состоянии металл активно реагирует с такими элементами, как азот, водород, кислород. Взаимодействие с кислородом, которое начинается уже при комнатной температуре, приводит к образованию на поверхности титана альфинированного слоя – прочной корки, которая защищает поверхность от ее дальнейшего окисления. А реакция нагретого металла с кислородом приводит к образованию окислов, которые также очень прочные и непластичные. Причем в зависимости от степени окисления такая оксидная пленка имеет различный оттенок цвета – от желто-золотистого и до темно-фиолетового, постепенно переходящего в белый. По расцветке можно определить качество защиты околошовной зоны при сварке титановой трубы.

Взаимодействие с азотом (реакция наступает при нагреве материала до 500 градусов) также приводит к снижению качественных характеристик изделий – повышается прочность, но при этом снижается пластичность. Поэтому перед тем, как сваривать титановые заготовки, поверхность металла нужно очистить от альфинированного слоя и азота, чтобы их частички не попадали в область сварного шва, поскольку из-за этого могут образоваться холодные трещины.

Также негативно влияет на качество титана и водород. Уже при 200-400 градусах они вступают в реакцию, в результате чего металл воспламеняется. Даже при снижении температуры сохранившиеся в изделии гидриды становятся причиной растрескивания титановой трубы, образования пор и холодных трещин. Причем они могут образоваться даже спустя длительный промежуток времени после сваривания.

Чтобы избежать насыщения титана газами, его необходимо защитить. На практике применяются специальные прокладки, изготовленные из металла или флюса, а также газовые подушки. Для защиты применяются местные камеры-насадки, закрывающие непосредственно как зону сварки, так и свариваемый узел. Максимальной защиты можно добиться, поместив в насадки сетчато-пористый материал. Он обеспечит ламинарный поток инертного газа. Также необходимо защитить обратную сторону шва при помощи подкладок или специальных насадок.

 

При работе на воздухе, чтобы расширить зону защиты, подача инертного газа производится из сопел, оборудованных насадками длиной до 50 см, дополнительно подается газ через специальные подкладки, установленные с обратной стороны сварного шва. Кроме того, весь свариваемый узел можно поместить внутрь герметичной камеры.

Способы сварки титана и сплавов

Для сварки титана используется несколько основных методов. Это дуговая, контактная, электрошлаковая, электронно-лучевая сварка. Они отличаются материалом изготовления используемых электродов, структурой образующихся соединений и толщиной изделий, которые свариваются между собой.

При любом из способов сварки титана используются присадки из схожего по составу материала – в частности, проволока ВТ1-00. Подготовка кромок титановой заготовки производится механическим способом, а их поверхность и поверхность проволоки и прилегающего металла зачищается травлением или также механически.

Дуговой метод сварки

При дуговой сварке титановых сплавов используются вольфрамовые электроды двух типов: неплавящиеся иттрированные и лантанированные. А если выполняется сварка титана полуавтоматом или автоматическим аппаратом, применяются плавящиеся электроды.

Самый популярный тип – сварка аргоном титана автоматическими установками на воздухе. В этом случае применяется любой плавящийся электрод (чугунный, алюминиевый, медный), на сварочную горелку устанавливается насадка, которая защищает участки металла, нагретые до 250-300 градусов, от воздуха.

Сварка аргоном титана, если толщина изделий не более 1,5 мм, производится встык, и без подачи присадочной проволоки. Более толстые детали сваривают с подачей прутка. Предварительно с проволоки, с кромок заготовки и прилегающего металла нужно удалить альфинированный слой.

Если производится сварка титана полуавтоматом вручную, ее необходимо выполнять на короткой дуге, поддерживая между электродом и присадкой прямой угол. По завершении сварки титана полуавтоматом нельзя прекращать подачу аргона до снижения температуры металл ниже 400 градусов.

Чтобы повысить эффективность сварки титановой трубы плавящимся электродом в присутствии инертных газов, проволоку перед началом работы подогревают проходящим током, а также используют импульсно-дуговую сварку. Тем самым, при сварке титана полуавтоматом сокращение погонной энергии вдвое ведет к увеличению ее производительности также вдвое. А чтобы меньше расходовать дорогостоящие материалы, сварку осуществляют в щелевую разделку.

Электрошлаковый метод

Электрошлаковая сварка подразумевает использование электродов для сварки пластинчатого типа, изготовленных из того же материала, что и свариваемый металл. Толщина титановых электродов должна составлять 8 – 12 мм, а ширина зазора должна равняться толщине заготовки. Защиту от перегрева обеспечивает аргон. В результате прочность сварного шва оказывается высокой, поскольку полученные соединения обладают характеристиками, схожими с исходным материалом. Подобный метод, когда используются титановые электроды, эффективен при работе с деталями толщиной от 40 мм.

Электронно-лучевой способ

Лучевая сварка отличается тем, что сварной шов в результате обладает мелкозернистой структурой. Также такой вариант сварки титановой трубы позволяет обеспечить надежную защиту металлических поверхностей от газов. Данный способ используется при сварке титановых труб, толщина которых не превышает 160 мм.

Чтобы исключить образование пор и разрывов в соединении, сварка титана с заготовками из других металлов осуществляется при горизонтальном расположении луча.

Сварка титана и его сплавов со стальными заготовками – особенности процесса

Сварка титана со сталью помогает снизить вес конечных материалов. Это находит свое применение при проектировании сооружений различных типов. Однако из-за существенных различий в свойствах материалов сложно добиться высокопрочных соединений, отличающихся долговечностью. Разработки в этом направлении ведутся и сейчас. Наибольшие сложности возникают при необходимости сваривания титана с нержавейкой.

В настоящее время используются такие методы сварки со сталью, как:

• Сварка взрывом. В этом случае используются промежуточные прокладки из таких металлов, как медь (Cu), никель (Ni), серебро (Ag) либо сплавы тугоплавких металлов.
• Диффузионный метод сварки. Таким способом производится в том числе соединение титана с нержавейкой. В результате соединения получаются очень прочными, за исключением зоны шва, где их прочность будет ниже, чем у исходных заготовок.
• Клинопрессовая сварка титановой трубы. Таким способом удается получить достаточно качественное соединение.
• Контактный и ультразвуковой способы сварки.

Из всех способов, которые используются при сваривании заготовок, наиболее востребованной является технология сварки титана методом плавления – аргонодуговая.

Таким образом, существует ряд методов соединения титановых изделий, в том числе широко используется сварка титана полуавтоматом. Зная особенности сварки титана и его сплавов, можно добиться нужного результата.

Как вам статья?