Правила сварки титановых сплавов

Технология сварки титана — описание и пошаговая инструкция с видео

Данный металл не относится к категории редких. В земной коре его значительно больше, чем, к примеру, свинца, цинка или меди. В титане удачно сочетаются небольшая плотность и прочность сплавов на его основе, а если учесть стойкость перед коррозией даже в агрессивной среде, то интерес к нему во многих отраслях промышленности вполне понятен.

Высокая цена на Ti (22-й элемент таблицы Менделеева) объясняется тем, что его обработка – процесс довольно сложный и затратный. Эта статья познакомит читателя с технологиями сварки титана.

Общая информация

Не зная свойств и особенностей металла и его сплавов, понять все нюансы сварки достаточно сложно.

• Плотность титана (г/см³) – 4,51.
• Прочность (МПа): металла – в пределах 267 – 337, сплавов – до 1 230.
• Температура плавления (ºС): 1668.

Специфические свойства металла

• Способность титана к самовозгоранию в кислородной среде.
• Низкая теплопроводность.
• Превышение значения температуры более 400 ºС инициирует активность металла.
• Титан интенсивно поглощает водород и бурно реагирует на контакт с азотом.
• Под воздействием углекислого газа, паров воды быстро окисляется.

Кроме этого, необходимо учитывать и то, что металл может находиться в одной из двух стабильных фаз, которые обозначают латинскими буквами α и β. Чем они характеризуются?

• Фаза α – в таком состоянии титан находится при температуре окружающей среды. Структура – мелкозернистая, и металл полностью инертен к скорости охлаждения.
• Фаза β – в такое состояние титан переходит при температуре от 880 ºС. Зерно становится крупнее, и появляется чувствительность к охлаждению (скорости процесса).

Указанные фазы можно стабилизировать, введя в металл определенные добавки и легирующие элементы – O, N, Al (для α) или V, Cr, Mn (для β). Поэтому титановые сплавы, в зависимости от вида присадок, делятся на группы:

•  ВТ1 – ВТ5.1  Их называют α – сплавы. Обладают пластичностью, хорошо свариваются, однако термообработка не повышает их прочность.
•  ВТ 15 – 22.  Группа β – сплавов свариваются намного хуже, причем возможно появление холодных трещин. Размеры зерен структуры при этом увеличиваются, а это отражается на качестве соединения сегментов в худшую сторону. Плюс в том, что термообработка частично повышает прочность сплава.
•  ВТ4 – 8, ОТ4.  Группа α + β, по сути, промежуточное звено. Свойства таких сплавов во многом определяются видом и процентным содержанием введенных добавок.

Сам по себе титан (в чистом виде) практически не используется. Причина – недостаточная прочность. Поэтому говоря о его сварке, всегда подразумевается, что речь идет о каком-либо сплаве. То есть металл + легирующий элемент.

Не все распространенные технологии применимы к этому металлу и его сплавам. Главная причина – химическая активность титана. Попадание в рабочую зону инородных соединений (нитридов, оксидов, карбидов) резко снижают качество шва.

Используемые для сварки титана методики

• Дуговым флюсом.
• Холодная.
• Электронным лучом (плазменно-дуговая).
• В среде аргона. Наиболее популярный вариант, хотя есть и некоторые другие.

Особенности сварки титана

• Высокая скорость технологической операции. Это связано с тем, что длительное термическое воздействие на отдельном участке приводит к изменению структуры материала из-за увеличения размера зерен. Как следствие – металл становится ломким (хрупким).
• Полная изоляция от атмосферы. Причем не только рабочей зоны (сварочной ванны), но и тех участков, которые разогреваются до +625 (и более) ºС.

Сварка титана (сплавов) аргоном

Преимущества:

• Высокое качество сварного соединения.
• Работа на малых токах. Следовательно, можно сваривать детали небольшой толщины (тонкостенные), так как вероятность прожога практически исключена.
• Возможность наращивания объема детали на дефектных участках (например, в местах образования раковин).
• Получение шва с любыми параметрами, что позволяет обрабатывать (соединять) как крупногабаритные образцы, так и сравнительно мелкие.

Подготовка свариваемых образцов (кромок)

Механическая обработка и обезжиривание, при необходимости – травление кислотой. Задача – полное удаление пленки оксидов примерно на 20 мм от подлежащих соединению кромок. Специфика в том, что вся работа должна проводиться в защитных перчатках (рукавицах). Касание деталей руками недопустимо из-за возможного загрязнения сплава.

Если механической очистки недостаточно, то прибегают к газокислородной (с помощью горелки).

Что можно использовать:

• Наждачная бумага.
• Шаберы.
• Щетки металлические с проволокой из «нержавейки» сечением 0,25 (±5) мм или иные подходящие приспособления (абразивные материалы).
• Раствор фтора, кислота соляная (подогретые до 60 – 65 ºС).

Критерии оценки качества подготовки

• Отсутствие на образце заусениц, трещин, вкраплений и так далее.
• Ровный серебристый оттенок титанового сплава.

Проволока

Она выбирается в соответствии с группой сплава, подлежащего сварке (см. выше). На бирке (или упаковке) обязательно есть необходимая информация, так как вся продукция маркируется.

Что учесть

Перед применением проволока зачищается (если необходимо, шкуркой не выше № 12) и обезжиривается. Ее можно готовить и заранее, но в этом случае она герметизируется (например, заворачивается в п/э) и помещается в плотно закрывающийся пенал (тубу). Но хранение в таких условиях – не более 5 суток.

Горелка

Для сварки титана любая не подходит. Используются модели с соплом из керамики и специальной (газовой) линзой.

Процесс сварки

Условия

• Электрод – вольфрамовый.
• Ток – постоянный, прямой полярности.
• Подача проволоки – непрерывная.

Сварку титана вручную возможна, если получается организовать местную защиту рабочей зоны. Вспоминаем – металл довольно быстро окисляется.

Предохранение от этого лицевой стороны обеспечивается газовой струей (аргон + гелий).

А как быть с тыльной? Наиболее распространенный вариант – накладки из меди или стали, которые плотно прижимаются к месту стыка свариваемых кромок. Но это применимо, если обрабатываются детали простой конфигурации.

Перед началом операции проверяется качество очистки кромок. Достаточно провести по участкам будущей рабочей зоны салфеткой или тряпочкой белого цвета, чтобы понять, необходима ли еще одна, дополнительная, «финишная» подготовка металла.

Сварка ведется встык, присадка используется лишь для образцов с толщиной стенок более 1,5 мм. Сечение плавящейся проволоки, которая при этом применяется – от 1,2 до 1,8 мм. Защитная среда несколько иная – аргона меньше (порядка 20%), а гелия больше (соответственно, около 80%). Хотя эти данные – приблизительные. Этим обеспечивается снижение пористости и получение более широкого шва.

Результат работы визуально оценить несложно. Серебристый оттенок – шов хороший, желтоватый или с синевой – качество не на высоте.

Остается добавить, что при сварке титана, равно как и других металлов и сплавов, должны неукоснительно выполняться все требования по ТБ.

Автор надеется, что эта статья окажется полезной для читателя. Успехов в сварочном деле!

Источник: http://ISmith.ru/welding/texnologiya-svarki-titana/

Сварка титана и его сплавов – технология и особенности

Изготовление изделий из титана при помощи сварки в настоящее время является обычным процессом для многих производителей.

Давно признано, что титан не является экзотическим металлом и не требует для его сварки особенных процессов и технологий.

Понятно, что титан сваривается так же, как и другие высококачественные металлы, при условии принятия во внимание его уникальных свойств.

Существуют важные различия между титаном и сталью:

— низкая плотность титана- низкий модуль упругости- высокая температура плавления титана

— низкая пластичность титана

В этой статье мы рассмотрим общие операции и технологии, используемые при сварке титана. Предоставленная информация предназначена для использования в качестве руководящих принципов.

Требование к сварочному рабочему месту при сварке титана

Титан является химически активным металлом, который образует сварное соединение с менее оптимальными свойствами.

Поверхность титана содержит хрупкие карбиды, нитриды и оксиды, каждый из которых, нагреваясь и охлаждаясь на воздухе, может снизить сопротивление усталости и прочность сварного шва и зоны термического влияния (ЗТВ).

Мало того, что требуется постоянная защита свариваемой поверхности, необходимо также защита обратной стороны сварного шва.

Место, отведенное для этого, должно быть защищено от потоков воздуха, влаги, пыли, жира и других загрязнений, которые могут препятствовать качественной сварке. Это место должно быть защищено от воздействия таких процессов, как зачистка, резка и окраска.

Кроме того, должна быть под контролем и влажность воздуха.

Процессы аргонодуговой TIG и полуавтоматической MIG сварки титана

Титан и его сплавы свариваются несколькими процессами. Наиболее частым видом сварки является аргонодуговая сварка TIG вольфрамовым электродом и полуавтоматическая MIG сварка.

Так же можно встретить применение таких процессов как плазменная сварка, электронно-лучевая сварка и сварка трением, но эти процессы используются в ограниченной степени.

Описанные в этой статье технологии сварки титана и основные принципы будут касаться в первую очередь TIG и MIG сварки титана.

При правильной технологии сварки титана, получаемые сварные соединения являются коррозионно-стойкими, как и основной металл. Наоборот, неправильно сваренные швы могут стать хрупкими и менее коррозионно-стойкими по сравнению с основным металлом.

Технологии и оборудование, используемые при сварке титана аналогичны тем, которые требуются для других высококачественных материалов, таких как нержавеющая сталь или сплавы на основе никеля.

Титан, однако, требует большего внимания к чистоте и использованию вспомогательного инертного газа. Расплавленный металл сварного шва титана должен быть полностью защищен от взаимодействия воздуха.

Процесс TIG может быть использован для стыковых соединений без подачи присадочного материала при толщине листа примерно до 3 мм. Сварка более толстого металла, как правило, требует использования присадочного металла и разделки кромок.

Тут уже можно использовать TIG сварку с подачей проволоки или полуавтоматическую MIG сварку. Полуавтоматическая сварка является наиболее экономичной и производительной при толщинах титана от 10 мм.

Если используется процесс TIG, то следует проявлять осторожность, чтобы предотвратить контакт вольфрамового электрода со сварочной ванной. Тем самым предотвращая попадание частиц вольфрама в сварочный шов.

Источники питания

Источник питания постоянного тока DC прямой полярности (DCSP) используется для TIG сварки титана. Для MIG сварки требуется источник тока обратной полярности (DCRP).

На сварочной горелке должно быть дистанционное управление силой тока, чтобы не нарушать процесс сварки и контролировать охлаждение сварного шва при помощи защиты инертным сварочным газом.

Желательной характеристикой аппарата для TIG сварки титана является ножная педаль управления током, высокочастотным зажиганием и таймерами защитного газа, для предварительного и окончательного продува.

Инертный защитный газ

Защита должна быть постоянной для титановых сварных соединений до их остывания до температуры 427 °C, а также расплавленной сварочной ванны в целях предотвращения взаимодействия с воздухом. Как для TIG сварки, так и для MIG сварки в качестве защитного газа и для обеспечения необходимой защиты применяется аргон или гелий.

Защитный газ необходим:

• Первичная защита расплавленной сварочной ванны
• Вторичная защита охлаждающегося расплавленного металла и околошовной зоны
• Защита обратной стороны сварочного шва

Первичная защита расплавленной сварочной ванны

Первичная защита обеспечивается правильным выбором сварочной горелки. Горелки для аргонодуговой TIG сварки титана и его сплавов должны быть оснащены большим (18-25 мм) керамическим соплом и газовой линзой.

Сопло должно обеспечивать адекватную защиту для всей расплавленной сварочной ванны. Газовая линза обеспечивает равномерный, не турбулентный поток инертного газа.

Как правило, для первичной защиты используется аргон из-за его лучших характеристик стабильности дуги. Аргонно-гелиевые смеси могут быть использованы при более высоком напряжении и для большего проникновения в металл.

Определение расхода и эффективность сварочного газа для первичной защиты должны быть проверены до начала сварочных работ на отдельной титановой пластине. Незагрязненные, т.е. защищенные сварные швы должны быть яркие и серебристые по внешнему виду.

Вторичная защита охлаждающегося расплавленного металла и околошовной зоны

Вторичная защита наиболее часто происходит посредством специальной насадки на сварочную горелку – так называемого «сапожка». Насадки, как правило, изготавливаются на заказ, чтобы соответствовать определенной сварочной горелке и конкретной операции сварки.

Дизайн насадки должен быть компактным и должен способствовать равномерному распределению инертного газа внутри устройства. Следует учитывать также возможность водяного охлаждения, особенно для больших насадок.

Наличие в насадке медных или бронзовых диффузоров способствуют не турбулентному потоку инертного газа для защиты.

Защита обратной стороны сварочного шва

Основная цель устройства для защиты обратной стороны сварного шва заключается в обеспечении защиты инертным газом корневой части шва и околошовной зоны. Такими устройствами обычно являются медные подкладки.

С водяным охлаждением или массивные металлические болванки, также могут быть использованы в качестве радиаторов для охлаждения сварных швов. Эти подкладки имеют канавку, которая расположена непосредственно под сварным швом.

Важно использование отдельных газовых редукторов для первичной, вторичной и защиты с обратной стороны. Таймеры и электромагнитные клапаны управляют продувкой до и после сварки.

Очистка поверхности и присадочного металла перед сваркой

Перед сваркой титана, важно, чтобы сварные швы и прутки (проволока) были очищены от окалины, грязи, пыли, жира, масла, влаги и других возможных загрязнений. Включение этих загрязнений в титан может ухудшить свойства и коррозионную стойкость сварочного соединения.

Если пруток кажется грязным, протирка его нехлорированным растворителем перед использованием является хорошей практикой. В тяжелых случаях при особых загрязнениях может быть необходима очистка кислотой.

Все поверхности сварного соединения и околошовной зоны на расстояние 25 мм должны быть очищены. Растворители особенно эффективны в удалении следов жира и масла. Очистка металла должна проводиться щеткой из нержавеющей стали.

Ни при каких обстоятельствах не используйте стальные щетки из-за опасности внедрения в поверхность титана частиц железа и его дальнейшей коррозии.

Технология TIG сварки титана и его сплавов

В дополнение к чистоте свариваемой поверхности и присадочного металла, соответствующих параметров сварки, а также надлежащего инертного защитного газа, требует внимания техника сварки. Неправильная техника может быть источником появления сварных дефектов.

Перед началом сварки, должны быть сделана продувка горелки, защитной насадки и подкладки для обратной стороны шва, чтобы убедиться, что весь воздух удален из системы. Для зажигания дуги должно быть использовано высокочастотное зажигание. Царапины, от вольфрамовых электродов являются источником вольфрамовых включений в сварных швах титана.

Затухание дуги в конце сварки должно происходить плавным спаданием тока. Защита шва и околошовной зоны должна быть продолжена до охлаждения титана до температуры ниже 427 °C.

Вторичная и защита корня шва также должны быть продолжены. Сварной шов желтоватого или синего цвета указывает на преждевременное снятие защитного газа. Предварительный нагрев при сварке титана обычно не требуется.

Однако если подозревается наличие влаги, из-за низких температур или высокой влажности, нагрев может быть необходимым. Нагрева газовой горелкой сварных поверхностей до 70 °C, как правило, достаточно, чтобы удалить влагу.

Длина дуги для TIG сварки титана без присадочной проволоки должна быть примерно равна диаметру вольфрамового электрода. Если добавляется присадка, то максимальная длина дуги должна быть около 1-1,5 диаметра электрода.

Цвет сварочного шва титана отображает его качество

Очистка между проходами не требуется, если сварной шов остается ярким и серебристый. Швы желтоватого или голубого цвета могут быть удалены проволочной щеткой из нержавеющей проволоки.

Некачественные сварные швы, о чем свидетельствует темно-синий, серый или белый порошкообразный цвета, должны быть полностью удалены путем зачистки.

Соединение затем должно быть тщательно подготовлено и снова очищено перед сваркой.

Как видно из этой статьи, сварка титана и его сплавов это не такая сложная наука, и используя указанные правила и технологии можно добиться высококачественных швов без особых усилий.

Основой технологии сварки титана является подготовка соединения и материала перед сваркой и защита сварочного шва, его обратной стороны и околошовной зоны. В остальном сварка титана очень похожа на сварку других металлов, но только требует разное распределение времени в процессе.

В то время как при сварке стали 30% времени уходит на подготовку и 70% на саму сварку, при сварке титана как раз наоборот: 70% на подготовку и 30% на сварку.

© Смарт Техникс<\p>

Источник: http://www.Smart2Tech.ru/svarka-titana-i-ego-splavov-tekhnologiya-i-osobennosti

Технология сварки титана

Темы: Технология сварки, Сварка титана.

Основной критерий, по которому выбирается технология сварки титана, исходя из оптимальныx механических свойcтв, — оптимальный интервал скоростей охлаждeния Δ(ωoхл, в котором степень снижения урoвня пластических свойств OШЗ оказывается наименьшей.

Поэтoму сварку α- и псевдo α-сплавов целесообразно провoдить при минимальных погонных энеpгиях; (α + β)-сплавы со срeдним количеством β-фазы характеризуютcя резким снижениeм пластических свойств в широком интервалe скоростей охлаждения вследствие неблагоприятного сочетaния α'-, ω- и β-фаз.

Внe этого интервалa пластичность увеличивается пpи малых скоростях в результате уменьшeния количества β-фазы, пpи высоких — за счет еe увеличения. Эти сплавы целесообразнo сваривать на мягких режимах c малыми скоростями охлаждeния.

Технология сварки титана : подготовка под сварку.

Качество сварных соединений во многoм определяется технологией подготовки кромок деталeй и титановых проволок пoд сварку. Подготовительные операции выбираются в зависимости от исходногo состояния заготовки.

Плоские листовые заготoвки, нарезанные ножницами, детали простoй формы, изготовленные холодной штамповкoй и т.п., подготавливаются пoд сварку механической обработкой кромок (пятый-шестой классы чистоты).

Свариваемые детали разрезают механическим путeм. В качествe предварительного метода разрезки c последующей механической обработкой кромок можeт быть использована такжe газовая и плазменная резка.

Газовая резка титана проводится на повышенной (в сравнении со сталью) скорости пpи одновременном снижении мощности подогревающего пламeни из-за болеe интенсивного выделения теплоты в зонe реза.

Сварные соединения, выполненныe непосредственно после газовой сварки, имeют низкую пластичность и склoнны к растрескиванию в условиях напряженногo состояния. Удаление поверхностного слoя после газовой резки механическим путeм на глубину ≥1 мм позволяeт получить высококачественное сварное соединение.

Разделка кромок пpи сварке титановых сплавов принципиально не отличается oт разделок, применяемыx для сталей. В зависимоcти oт толщины свариваемого металла сварка проводится бeз разделки, c рюмкообразными, V-, U-, X- разделками, a также применяются замковые соединения.

Сварка деталей из титановых сплавов выполняется после снятия газонасыщенного (альфированного) слоя. Такой обработке должны быть подвеpгнуты детали, изготовленные пластической деформацией (штампoвки, поковки, и т.д.

), a также детали, прошедшиe термическую обработку в печах бeз защитной атмосфeры.

Удаление альфированного слоя c применением травителей предусматривает:

• предварительноe рыхление альфированного слоя дробe- или пескоструйной обработкoй;
• травление в растворе, содержащeм (в %): 40 HF, 40 НNОз , 20 Н2О или 50 HF и 50 Н2NОз; увеличениe времени травления выше оптимального привoдит к взрыхлению поверхностных слоeв металла, повышенной сорбции ингредиентoв среды и увеличению порообразования пpи сварке;
• последующую зачистку кромок нa участке ширинoй 10… 15 мм c каждой сторoны металлическими щетками или шаберaми для удаления тонкогo слоя металла, насыщенного водородом пpи травлении (см. таблицу Составы некоторых растворов для химической обработки поверхностей деталей из титана перед сваркой).

Механическое удаление альфированного слоя (зачиcтка шабером) непосредственно перeд сваркой обеспечивает лучшие результаты.

Перед началoм сборочно-сварочных работ нужно очистить детали от загрязнений металлическoй щеткой и обезжирить органическим растворителeм. В качестве органических растворителей можнo использовать ацетон и бензин.

Пpи сборке под сварку конструкций из титана необходимо соблюдать такие особенности:

• в связи c жидкотекучестью а такжe высоким коэффициентом поверхностногo натяжения расплавленного титана обеспечивaть более высокое качество сборки;
• иcключить правку и подгонку деталей c использованиeм местного нагрева газовым пламенем;
• учитывaть трудность правки и подготовки деталей в холодном состоянии в связи со значительной пружинистостью титана;
• надежно защищать швы при сварке плавлением oт доступа воздуха c обратнoй стороны шва пoи выполнении прихваток.

В качествe присадочных материалов пpи сварке титана плавлением испoльзуют холоднотянутую проволоку и прутки, изготовленныe из листового металла.

Выбoр сварочной проволоки определяется условиями эксплуатации и сварки конструкции. Состав проволоки должeн быть близок к составу основногo металла.

Сварочная проволока из титана и eго сплавов изготовляется диаметрoм 0,8 … 7 мм. Еe подвергают вакуумному отжигу.

Пoи соблюдении рассмотренных требовaний к качеству исходного материалa, подготовке под сварку и технологии сварки свариваемость титановых сплавов можно характеризовать слeдующим образoм.

Высокопластичные малопрочныe титановые сплавы (у которых σв < 700 МПa : ОТ4-1, OТ4-0, АТ2, a также техничеcкий титан ВТ1-0, ВТО-1) обладaют хорошей свариваемостью всeми приемлемыми для титана видaми сварки; прочность и пластичноcть сварных соединений близка к прочноcти и пластичности основного металлa.

Свариваемость титановых сплавов средней прочноcти (σв < 750... 1000 МПa) различна. Сплавы ВТ5, ВТ5-1,ОТ4, 4201 (β-сплав) хорошo свариваются различными методами; механическиe свойства сварных соединений такжe близки к мех. свойствам основного металла.

Титановые сплавы АТ3, ВТ4, , ОТ4-2, АТ4, СТ5, ВТ20 отличаютcя хорошей свариваемостью, но прочность и пластичноcть сварных соединений снижаются нa 5…10 % пo сравнению c прочностью и пластичностью основногo металла. Титановый сплав ВТ6С обладаeт удовлетворительной свариваемостью пpи контактной сварке и сварке плавлением.

Предeл прочности сварного соединения, выполненногo сваркой плавлением, ≥90 % пределa прочности основного металла.

Еще один этап технологии сварки титана вынесен на отдельную станицу : Термообработка титана.

Технология сварки титана и титановых сплавов выбирается из следующих нашедших применение способов: дуговая в инертных газах, электронно-лучевая сварка, плазменная сварка, автоматическая сварка под флюсом, электрошлаковая сварка, высокочастотная, контактная сварка, диффузионная, холодная сварка, взрывом, прокаткой биметаллов.

Далее подробнее рассмотрены такиe технологии сварки татана: Сварка титана под флюсом, Электрошлаковая сварка титана, Дуговая сварка титана в вакууме, Контактная сварка титана, Диффузионная сварка титана, Электронно-лучевая сварка титана, Дуговая сварка титана в защитных газах.

Другие страницы по теме

:

• Титановые сплавы.
• Лазерная сварка титана и титановых сплавов.

Источник: http://weldzone.info/technology/materials/153-svarka-titana-i-ego-splavov-/915-texnologiya-svarki-titana

Технология сварки титановых сплавов

Титановые сплавы имеют очень высокую химическую активность, из-за чего их сваривание возможно проводить исключительно следующими видами сварок…

• это использование дуговой сварки в инертных газах с использованием неплавящихся или плавящихся электродов;
• это использование дуговой сварки под флюсом;
• это использование электронного луча;
• это использование электрошлаковой и контактной сварок.

Таким образом, в процессе любой из приведенных сварок, расплавленный титан будет жидкотекучим, хорошо формировать шов и качественно ложиться в основе сварного шва. Основной трудностью сварки титана и его сплавов, является необходимость в защите металла, который нагревается выше температуры, порядка 400°С.

Дуговая сварка титана и его сплавов проводится с использованием аргона, а также смесей с гелием. Так, сварка проводится с местной защитой, в ходе которой газ подается через сопло специальной горелки (в редких случаях, используются насадки, которые увеличивают зону защиты).

Вместе с тем, с обратной стороны выполнения сварного соединения, устанавливаются специальные медные подкладные планки, которые имеют канавки, которые в свою очередь, равномерно распределяют аргон. Если же используется сложная конструкция детали, тогда сварка проводится с общей защитой в специальной камере, где контролируется атмосфера.

В камере помещается деталь, а также сварочная оснастка и горелка.

Аргонодуговая сварка с использованием вольфрамовых электродов

В данном случае, когда в процессе аргоновой сварки титана используются вольфрамовые электроды, если же используются детали, толщина которых составляет 0,5-1,5 мм, то они свариваются встык и без зазоров, а также без использования присадок. Если же толщина детали превышает 1,5 мм – используется дополнительно и присадочная проволока.

В процессе, кромки деталей, которые свариваются, должны защищаться таким образом, чтобы был снят альфированный слой, путем использования насыщенного кислорода. Таким образом, проволока проходит вакуумный отжиг, температура которого равна 900-1000°С, на протяжении 4 часов. После, сварщик приступает к процессу сварки, который проходит на постоянном токе прямой последовательности.

Если же используются детали, толщина которых приблизительно равна 10-15 мм, такие детали могут свариваться в один проход, благодаря погруженной дуге.

После, электрод опускается в сварочную ванну, и давление дуги начинает оттеснять жидкий металл. При этом, дуга будет гореть внутри углубления, а проплавляющая способность дуги резко увеличится.

Дуговая сварка титановых сплавов плавящимся электродом

Данный вид сварки применяется с использованием проволоки, диаметр которой составляет 1,2-2,0 мм. Сварка проходит при постоянном токе, имеющий обратную полярность в тех режимах, при которых будет обеспечиваться мелкокапельный перенос электродных металлов.

Также, в качестве защитной среды, используются специальные смеси. Например, смесь на основе 20% аргона, а также 80% гелия, или же смесь на основе чистого гелия.

Это, в свою очередь, позволит значительно увеличивать ширину шва, а также, вместе с тем уменьшать пористость сварного соединения.

Источник: https://www.alfamag.pro/poleznoe/svarka-raznorodnykh-metallov/1639-tekhnologiya-svarki-titanovykh-splavov.html

Сварка титановых сплавов гибридным способом

В настоящее время титановые сплавы применяются при производстве ответственных конструкций в авиакосмической и химической промышленности, в судостроении.

Из них изготавливают такие ответственные изделия, как баллоны высокого давления, элементы шасси, стрингерные панели для самолетов, элементы ракетной техники, емкости для химических реакторов и вытяжных систем, некоторые корпусные изделия [1].

Однако эти методы сварки имеют и свои недостатки, такие как малую плотность энергии в дуговой плазме при дуговой сварке, или высокую стоимость и малые габариты большинства доступных вакуумных камер при электронно-лучевой сварке.

В последнее время расширяется применение лазерной сварки, имеющей такие преимущества как высокую плотность энергии в лазерном луче, высо-
кую производительность и прецизионность обработки.

Среди недостатков процесса лазерной сварки, прежде всего, можно отметить значительную себестоимость оборудования.

В этом случае одним из путей снижения этого показателя в случае применения может являться частичная замена лазерной мощности дуговой при лазерной сварке [3].

Кроме того особенно актуальным стоит вопрос о влиянии термического цикла лазерно-дуговой сварки на свойства соединений высокопрочных титановых сплавов таких, например как Т110, поскольку лазерная сварка может приводить к ухудшению их механических свойств [4].

Поэтому целью данной работы является исследование возможности выполнения лазерно-дуговой сварки соединений титановых сплавов таких как низколегированный титановый сплав ВТ6 и высокопрочный Т110 и оценка механических свойств полученных сварных соединений.

В процессе работы изучались: технологическая схема процесса и особенности процесса лазерно-дуговой сварки титана и сплавов на его основе; выполнялось сравнение проплавляющей способности процесса лазерной и лазерно-дуговой сварки титана; определялись механические характеристики полученных сварных соединений титановых сплавов и изучалась их микроструктура.

Для решения этих задач авторами была реализована технологическая схема, процесса лазерно-дуговой сварки, показанная на рис. 1. Согласно этой схеме вольфрамовый электрод располагается перед лазерным лучом.

Источником излучения служил Nd:YAG-лазер модели DY 044 мощностью до 4,4 кВт с длиной волны 1,06 мкм, а источником сварочного тока – источник питания для автоматической сварки вольфрамовым электродом ВДУ-601 У3.

Этот вариант позволяет выполнять сварку в широких диапазонах режимов, причем как с применением присадочного металла, так и без него.

Рис. 1.

Технологическая схема проведения экспериментов по гибридной лазерно-дуговой сварке: 1 – лазерное излучение; 2 – вольфрамовый электрод; 3 – плоскопараллельная пластина для ввода лазерного луча; 4 – сварочная горелка для TIG-сварки титана; 5 – приспособление для дополнительной подачи защитного газа; 6 – свариваемый образец; 7, 8 – защитное приспособ- ление для защиты зоны сварки и остывающего металла

Такое сочетание лазера и TIG-сварки позволяет увеличить  проплавляющую способность процесса лазерно-дуговой сварки, а также допускает несложное введение присадочной проволоки в зону сварки.

Для реализации этой схемы была разработана гибридная сварочная головка, сочетающая в себе под вод сфокусированного линзой с фокусным расстоянием F = 300 мм лазерного излучения 1 и вольфрамового электрода 2 диаметром 5 мм.

Увеличение глубины провара, достигалось засчет того, что первой по ходу сварки расположена дуга неплавящегося электрода, что обеспечивало увеличение поглощаемого металлом лазерного излучения, т.к. расплавленный электрической дугой металл имеет лучшую поглощательную способность, чем холодный.

В качестве образцов использовали титановые сплавы ВТ-6 и Т110 толщиной δ = 13 мм.

Проведенные экспериментальные исследования позволили установить, что лазерно-дуговым способом можно проваривать титановые сплавы толщиной 12 мм на скорости 22—24 м/ч при мощности излучения 4,4 кВт, сварочном токе 400 А и напряжении 12—14 В. Поперечные макрошлифы сварных швов титановых сплавов ВТ6 и Т110 приведены на рис. 2 и рис. 3.

Рис. 2. Поперечный макрошлиф наплавки на титановом сплаве ВТ6 толщиной 13 мм: а – лазерно-дуговая сварка, б – лазерная сварка

Глубина проплавления при выполнении лазерно-дуговой сварки титанового сплава ВТ6 увеличилась по сравнению с лазерной сваркой в 3 раза при увеличении погонной энергии в 2 раза. При сварке титанового сплава Т110 глубина проплавления увеличилась в 2 раза.

Анализ механических свойств полученных сварных соединений (табл. 1, 2), показал, что более высокие значения ударной вязкости и имеют сварные соединения, выполненные лазерно-дуговой сваркой.

При этом сварные соединения сплава ВТ6, выполненные с применением как одного лишь лазера так и лазерно-дуговой сваркой имеют удовлетворительные показатели ударной вязкости металла шва, которые меньше несколько хуже аналогичных показателей для основного металла.

Рис. 4. Микроструктура металла шва и ЗТВ сварных соединений сплава ВТ6: а, б – выполненных лазерной сваркой; в, г – выполненных лазерно-дуговой сваркой; а, в – металл шва; б, г – ЗТВ околошовная зона

Рис. 5. Микроструктура металла шва и ЗТВ сварных соединений сплава Т110: а, б, г – выполненных лазерной сваркой; в – выполненных лазерно-дуговой сваркой; а, в, г – металл шва; б – ЗТВ околошовная зона

Для определения причин понижения свойств сварных соединений высокопрочного титанового сплава Т110 выполненных лазерной сваркой, по сравнению с выполненного лазерно-дуговой сваркой были проведены детальные исследования структуры сварных соединений.

Для оценки возможного влияния на свойства полученных сварных соединений выгорания возможного выгорания легирующих элементов, и как результат уменьшения их содержания в металлешва выполнялся микрорентгеноспектральный анализ сварных соединений.

Данные спектрального анализа и сканирующей электронной микроскопии, позволили сделать вывод, что при сварке образцов из сплавов ВТ6 и Т110 на выбранных режимах снижение содержания легирующих элементов в сварных швах находилось в пределах марочных стандартов.

В металле шва сварных соединений титанового сплава ВТ6 выполненных лазерной сваркой формируются преимущественно вытянутые в направлении теплоотвода первичные β-зерна характерные для титановых α + β-сплавов мартенситного типа (рис. 4, а).

ЗТВ при лазерной сварке этого сплава имеет строение, несколько отличающееся от строения ЗТВ после сварки плавлением сплава ВТ6 другими способами.

Как правило, в ЗТВ сварных соединений титановых сплавов различают три характерных участка: участок крупного зерна, (от температуры плавления до температур интенсивного роста β-зерен около 1300 °С); участок полной перекристаллизации, от температур интенсивного роста β-зерен до температур конца α → β-превращения 890 °С; участок неполной перекристаллизации; нагреваются до температур начала α → β-превращения 890 °С. Исследования выполненных сварных соединений показали, что в случае лазерной сварки сплава ВТ6 по указанному выше режиму в ЗТВ отсутствует участок крупного зерна.

В участке полной перекристаллизации, так же как и в шве, преобладает мартенситная α′-фаза (более мелкоигольчатая, чем в металле шва). Участок полной перекристаллизации имеет минимальную ширину, составляющую 0,5—1 зерно (рис. 4, б).

В металле шва соединений титанового сплава ВТ6 выполненных лазерно-дуговой сваркой формируются так же, как и при лазерной сварке, вытянутые в направлении теплоотвода первичные β-зерна по всей высоте шва (рис. 4, в).

Внутризеренную структуру составляет грубоигольчатая α′-фаза, подобно тому как это происходило при лазерной сварке сплава ВТ6.

В ЗТВ сварного соединения, выполненного лазерно-дуговой сваркой, в отличие от ЗТВ сварного соединения, выполненного лазерной сваркой, присутствуют все три участка ЗТВ, описанные выше и характерные для других способов сварки плавлением. Внутризеренная структура околошовной зоны состоит из игольчатой метастабильной α′-фазы (рис. 4, г).

Сплав Т110, относится к титановым α + β-сплавам мартенситного типа, коэффициент стабильности β-фазы в сплаве Т110 составляет около 0,6. В металле сварных соединений титанового сплава Т110, выполненном лазерно-дуговой сваркой, четко прослеживается дендритная структура  (рис. 5, а). В металле шва фиксируются метастабильные β- и α′/α′′-фазы.

В ЗТВ сварного соединения сплава Т110, выполненного лазерной сваркой участок крупного зерна – отсутствует (рис. 5, б), как и в случае лазерной сварки сплава ВТ6.

В зоне полного полиморфного превращения, после быстрого охлаждения фиксировалась метастабильная структура, состоящая из матричной β-фазы и дисперсных частиц мартенситной α′/α′′-фазы.

Большинство зерен в околошовной зоне имеют субструктуру, в участках ЗТВ с неполной перекристаллизацией, примыкающих к ОМ, субструктура отсутствует.

При лазерно-дуговой сварке сплава Т110 в металле шва образуются преимущественно вытянутые в направлении теплоотвода β-зерна (рис. 5, в).
Внутризеренная структура состоит так же, как и после лазерной сварки, из метастабильных β- и α′/α′′-фаз. При лазерно-дуговой сварке сплава Т110 участок крупного зерна присутствует.

В отличие от сварного соединения сплава Т110, выполненного лазерной сваркой, ни в шве, ни в ЗТВ сварного соединения, выполненного лазерно-дуговой сваркой, не наблюдалось субструктуры, микроструктура была более однородной и равномерной, ямки травления не появлялись, что по видимому связано с более низким уровнем сварочных напряжений.

Таким образом, результаты металлографического исследования сварных швов, показавшие отсутствие субструктуры в металле шва выполненного лазерно-дуговой сваркой при ее наличии субструктуры в швах выполненных лазерной сваркой, а также более высокий уровень внутренних напряжений в металле соединений выполненных лазерной сваркой подтверждают различие свойств сварных соединений.

Изложенные результаты позволили сделать следующие выводы: 1.

Установлено, что применение предложенной схемы лазерно-дуговой сварки при мощности лазерного луча 4,4 кВт и величине сварочного тока 400 А обеспечивает примерно двукратное увеличение глубины провара по сравнению с результатами одной лишь лазерной сварки, выполненной на режиме с аналогичными параметрами. 2.

Предел прочности сварных соединений титановых сплавов ВТ6 и Т110 (в состоянии после свар- ки), выполненных лазерно-дуговой сваркой, несколько больше (на 2—4 %) значений предела проч ности основного металла при удовлетворительной пластичности и ударной вязкости. 3. Наличие зоны крупного зерна в ЗТВ и отсутствие субструктуры в металле соединений, выпол-

ненных лазерно-дуговой сваркой, по мнению авторов, повышает их ударную вязкость по сравнению с соединениями, выполненными лазерной сваркой, в ЗТВ которых отсутствует зона крупного зерна.

Источник: http://svarka-24.info/svarka-titanovyx-splavov-gibridnym-sposobom/

Технологические особенности сварки титана и его сплавов

Физико-химические свойства титана и сплавов на его основе оказывают значимое влияние на его свариваемость. Основными характеристиками элемента считаются высокий показатель активности титана к атмосферным газам (кислород, азот, водород) под влиянием высоких температур, рост зерен в момент нагревания, приобретение хрупкости при охлаждении сварного соединения.

Взаимодействие титана с атмосферными газами

Комнатная температура способствует образованию на поверхности изделия твердого слоя, предохраняющего титан от окисления. Это сопровождается изменением цвета поверхности от желтого до фиолетового, или белого фона. Посредством цвета шовной зоны можно определить защитные свойства металла во время сварки титановых сплавов.

Взаимодействие металла с азотом происходит при нагревании выше 550 °С, процесс способствует наращиванию прочности и твердости материала, и уменьшению его пластичности.

Слой, насыщенный кислородом и азотом, полностью удаляется перед началом сварочных работ, так как его частицы, попадая в соединение, делают шов ломким и хрупким.

Допустимое содержание кислорода достигает 0,15%; а азота – 0,05%.

Высокий уровень защиты металла от насыщения газами, требуется не только для оплавленных участков, но и для твердых поверхностей нагретых от 400°С и выше.

Обеспечить это можно применив флюсовые или металлические прокладки, специальные газовые подушки.

Проверить степень защищенности материала можно по состоянию его поверхности после сварки: блестящее основание свидетельствует о надежной защите, серый налет или желто-голубые разводы сообщат о низком качестве соединения.

Способы сварки титана и титановых сплавов

Сварка титана и сплавов производится с помощью металлических присадок, имеющих состав максимально приближенный к основному материалу. Например, это может быть стальная проволока ВТ1-00, из которой также необходимо удалить водород.

Для этого проволока подвергается диффузионному отжигу (вакуумному). Края обрабатываются методом плазменной или гидравлической резки. После механической подготовки, с кромки следует удалить металл, насыщенный газами во время процесса.

Поверхность кромки и основания очищается методом травления или механическим способом.

Глубокое проплавление, имеющее конусовидную форму, требует наложения дополнительных (глательных) швов, сопровождающих основное соединение.

При соединении некоторых конструкций выполняется сварка в гелиевой среде, при которой получается шов, имеющий достаточно широкий захват.

Существует несколько способов сварки титана:

• дуговая, с применением флюса, или в среде инертных газов посредством плавящихся и не плавящихся электродов;
• электрошлаковое или электронно-лучевое соединение;
• контактная.

Большой популярностью пользуется дуговой метод на открытом воздухе вольфрамовыми электродами посредством обычной аргонодуговой автоматической аппаратуры. В этом случае применяются специальные стальные прокладки или флюсы-пасты, способствующие подаче инертного газа на обратную сторону шва и уменьшающие пористость соединения.

Выполняя электрошлаковую сварку необходимо использовать прокаленные при высокой температуре фторидные флюсы, а шлаковую ванну защитить аргоном. Структура шва при подобном соединении остается крупнозернистой.

Хорошая защита металла от газов и мелкозернистая структура шва обеспечивается в результате электронно-лучевой сварки, которая требует более тщательной сборки, чем при использовании других методов.

Соединение стали с титаном

Сварка титана со сталью требует тщательного выбора сварочного материала, метода и режима сварки, которые будут способствовать уменьшению хрупкости шва.

Получить положительный результат при контактном стыковом соединении невозможно.

Поэтому обычно применяется соединение в аргоне при использовании вольфрамовых электродов, или дуговая сварка с наложением промежуточных материалов флюсов, стальных подкладок и прочего.

Наиболее удачным решением считаются комбинированные вставки из материала, в состав которого входит технический тантал и прокаленная бронза. Для этого применяется аргонодуговое устройство, с помощью которого соединяется не плавящимся электродом бронза и углеродистая (или аустенитная) сталь. Тантал соединяется с титаном в специальных камерах, оснащенных контролируемой атмосферой.

Источник: http://stroitel5.ru/tekhnologicheskie-osobennosti-svarki-titana-i-ego-splavov.html

Технология сварки титановых сплавов — Страница 8

ПодробностиОпубликовано 25.05.2012 16:10Просмотров: 27290

Страница 8 из 9

Из-за высокой химической активности титановые сплавы удается сваривать только дуговой сваркой в инертных газах неплавящимся и плавящимся электродом, дуговой сваркой под флюсом, электронным лучом, электрошлаковой и контактной сваркой. Расплавленный титан жидкотекуч, шов хорошо формируется при всех способах сварки. Основная трудность сварки титана — это необходимость надежной защиты металла, нагреваемого выше температуры 400 °С от воздуха.

Дуговую сварку ведут в среде аргона и в его смесях с гелием. Сварку с местной защитой производят, подавая газ через сопло горелки, иногда с насадками, увеличивающими зону защиты. С обратной стороны стыка деталей устанавливают медные подкладные планки с канавкой, по длине которой равномерно подают аргон.

При сложной конструкции деталей, когда осуществить местную защиту трудно, сварку ведут с общей защитой в камерах с контролируемой атмосферой. Это могут быть камеры-насадки для защиты части свариваемого узла, жесткие камеры из металла (см. рис.

Камеры вакуумируются, затем заполняются аргоном, через шлюзы в них входят сварщики в скафандрах.

Аргонодуговой сваркой вольфрамовым электродом детали толщиной 0,5…1,5 мм сваривают встык без зазора и без присадки, а толщиной более 1,5…3,0 мм — с присадочной проволокой.

Кромки свариваемых деталей и проволока должны зачищаться так, чтобы был снят насыщенный кислородом альфированный слой. Проволока должна пройти вакуумный отжиг при температуре 900… 1000 °С в течение 4 ч. Сварку ведут на постоянном токе прямой полярности.

Детали толщиной более 10… 15 мм можно сваривать за один проход погруженной

дугой (рис. 103). После образования сварочной ванны увеличивают расход аргона до 40…50 л/мин, что приводит к обжатию дуги. Затем электрод опускают в сварочную ванну.

Давление дуги оттесняет жидкий металл, дуга горит внутри образовавшегося углубления, ее проплавляющая способность увеличивается.

Узкий шов с глубоким проплавлением при сварке неплавящимся электродом в аргоне можно получать, применяя флюсы-пасты АН-ТА, АНТ17А на основе фтористого кальция с добавками. Они частично рафинируют и модифицируют металл шва, а также уменьшают пористость.

Дуговую сварку титановых сплавов плавящимся электродом (проволокой диаметром 1,2.1.2,0 мм) выполняют на постоянном токе обратной полярности на режимах, обеспечивающих мелкокапельный перенос электродного металла. В качестве защитной среды применяют смесь из 20 % аргона и 80 % гелия или чистый гелий. Это позволяет увеличить ширину шва и уменьшить пористость.

5,0 мм с вылетом электрода 14…22 мм на медной или на флюсомедной подкладке, либо на флюсовой подушке.

Структура металла в результате модифицирующего действия флюса получается более мелкозернистой, чем при сварке в инертных газах,

При электрошлаковой сварке используют пластинчатые электроды из того же титанового сплава, что и свариваемая деталь, толщиной 8… 12 мм и шириной, равной толщине свариваемого металла. Используют тугоплавкие фторидные флюсы АНТ2, АНТ4, АНТ6. Чтобы через флюс не проникал кислород, шлаковую ванну дополнительно защищают аргоном.

Металл зоны термического влияния защищают, увеличивая ширину формирующих водоохлаждаемых ползунов и продувая в зазор между ними и деталью аргон. Сварные соединения после электрошлаковой сварки имеют крупнокристаллическую структуру, но свойства их близки к основному металлу.

Перед электрошлаковой сваркой, так же как и перед дуговой, флюсы должны быть прокалены при температуре 200…300 °С.

Электроннолучевая сварка титановых сплавов обеспечивает наилучшую защиту металла от газов и мелкозернистую структуру шва. Требования к сборке по сравнению с другими способами жестче.

При всех способах сварки титановых сплавов нельзя допускать перегрева металла.

Нужно применять способы и приемы, позволяющие влиять на кристаллизацию металла: электромагнитное воздействие, колебания электрода или электронного луча поперек стыка, ультразвуковое воздействие на сварочную ванну, импульсный цикл дуговой сварки и т.п. Все это позволит получать более мелкую структуру шва и высокие свойства сварных соединений.

Диаметр электродов 3…4 мм с покрытием типа УОНИ-13. Для сварки применяют постоянный ток обратной полярности. В целях повышения графитизирующего действия покрытия Я. Я. Синеок предложил производить сварку пучком электродов малого диаметра. Такой прием обеспечивает более полное взаимодействие капель наплавляемого металла с покрытием и хорошую графитизацию металла шва.

В зависимости от толщины свариваемого металла пучок электродов составляется из 5…20 стержней диаметром от 1 до 2 мм. Величина тока должна быть 10… 12 А на 1 мм2 сечения пучка электродов. Покрытие состоит из 40% графита и 60% ферросилиция, замешанных на жидком стекле (30% к массе сухих составляющих). Сварка электродами из цветных металлов и сплавов.

Наибольшее применение получили электроды из меди и ее сплавов. Медь, обладая графитизирующей способностью, снижает общую твердость металла и уменьшает отбел чугуна. Хорошие результаты дают электроды марки МНЧ с покрытием основного типа. Стержень электрода изготовляют из проволоки НМЖМц-28-2,5-1,5 ГОСТ 492-73, а покрытие состоит из смеси 55…60% мела и 40…45% графита.

Комбинированные электроды для холодной сварки чугуна состоят из меди и железа. Применяют следующие сочетания: стержень из меди марки Ml, железо вводят в покрытие электрода в виде железного порошка; медный стержень покрывают тонкой оболочкой из жести толщиной 0,3 мм (навиваемой в виде ленты шириной 6..

7 мм или надеваемого в виде трубки); стержень из низкоуглеродистой стали покрывают оболочкой из тонкой медной ленты или медной трубкой или применяют электролитическое покрытие медью толщиной 0,7… 1,0 мм; пучок электродов составляют из одного стального электрода с покрытием УОНИ-13 и нескольких тонких медных стержней. Большое применение получили электроды ОЗЧ-1 и АНЧ-1.

Сварка производится постоянным током обратной полярности. Сварочный ток определяют из расчета 30…40 А на 1 мм диаметра электрода.

Источник: http://electrowelder.ru/index.php/svarkasvetnyh.html?start=7