Каким способом сваривают титан чаще всего

Особенности сварки титана и титановых сплавов. Технология сварки и необходимое оборудование

Титан и его сплавы нашли широкое применение в самых ответственных отраслях современного машиностроения, благодаря их низкой массе, высокой прочности и стойкости к агрессивным химическим средам.

Особенности сварки титана и его сплавов

В то же время сварка этих материалов сильно затруднена, что объясняется рядом их свойств:

• высокая температура плавления (1470-1825℃);
• склонность к увеличению размеров кристаллов и появлению пор при температурах более 880℃;
• окисление металла атмосферным воздухом, высокая химическая активность всех зон, температура которых превышает 400℃;
• сплавы, содержащие железо, хром, марганец, молибден, вольфрам или ванадий, склонны к закалке и обладают низкой пластичностью, в ряде случаев после сварки требуется их отжиг.

Эти факторы обусловили необходимость сварки титана и его сплавов в защитных газовых средах, в первую очередь, аргоновой и гелиевой. Кроме того, одной из главных задач сварочного оборудования, задействованного в работе с данными металлами, является минимизация времени и площади термического воздействия как на шов, так и на прилежащие к нему зоны.

Вне зависимости от использованного вида сварки и технологического процесса прочность шва по отношению к прочности основного металла не превышает 80%, что нужно учитывать при проектировании титановых конструкций.

В настоящее время ведется поиск более эффективных методов соединения материала.

Подготовка титана и его сплавов под сварку

Процесс изготовления любых полуфабрикатов и заготовок из титана и его сплавов связан с термической обработкой металла. Это значит, что на поверхности изделий содержится плотная оксидно-нитридная пленка, без разрушения которой сварочные работы будут невозможны или неэффективны. Поэтому процесс подготовки к сварке имеет такую последовательность:

1. Подгонка заготовок, кромкование в случае необходимости.
2. Механическая обработка (шлифование) подготовленных кромок, а также прилегающих к ним поверхностей.
3. Химическая обработка стыка. Для растворения остаточных пленок используется смесь дистиллированной воды, соляной кислоты и фторида натрия в пропорции 13:7:1. Время воздействия на металл составляет 5-10 минут, необходимая температура – около 60℃.
4. Окончательная обработка. Непосредственно перед сваркой стык и прилегающие к нему зоны (шириной до 25 мм) зачищают металлической щеткой до характерного блеска, после чего обезжиривают спиртосодержащими составами.

Правильно проведенные подготовительные операции сводят к минимуму вероятность появления полостей в сварочном шве, его растрескивание или разрушение под нагрузкой, позволяют сформировать однородную устойчивую сварочную ванну.

Основные способы сварки материала

Из-за необходимости защиты шва от вредоносного воздействия окружающего воздуха, а также в связи со склонностью титана и титановых сплавов терять прочность при длительном термическом воздействии широкое распространение получили лишь такие виды сварки материала:

• электродуговая в защитной газовой среде – предполагает быструю проварку шва неплавящимся или плавящимся электродом в камере, заполненной аргоном, гелием или другими инертными газами;
• электрошлаковая сварка – обеспечивает защиту шва тугоплавкими фтористыми флюсами, плавление которых осуществляется низковольтным переменным током;
• электронно-лучевая и лазерная технологии – позволяют проводить сварку в полностью изолированной безвоздушной среде при отсутствии прямого контакта с заготовками, высокая концентрация тепловой энергии гарантирует быструю проплавку и малую ширину шва;
• альтернативные виды – включают сварку титана и его сплавов давлением, трением, взрывом и прочими способами, предполагающими взаимопроникновение стыкуемых поверхностей под действием механических сил.

Ограниченно применяются дуговая сварка под флюсом и контактная точечная сварка титана. Среди их преимуществ – относительная простота, дешевизна и низкая трудоемкость технологий, но качество шва значительно уступает рассмотренным выше методам.

В машиностроении распространена практика сварки изделий из титана или титановых сплавов со сталью. Она осложнена вероятностью возникновения хрупких химических соединений – титанидов железа (FeTi и Fe₂Ti). Проблема решается выбором особых режимов проварки шва в среде аргона вольфрамовым электродом, а также методом комбинированных вставок, когда между заготовкой из титана и заготовкой из стали помещается прослойка из бронзы или тантала. Особо сложные соединения требуют совместного использования бронзы и ниобия, которые соединяют в камере с контролируемой атмосферой.

Технология сварки титана аргоном

Аргонодуговая сварка титана и его сплавов приобрела наибольшую популярность ввиду оптимального соотношения доступности технологического процесса и качества получаемых швов. Она широко используется как в массовом производстве деталей из титановых заготовок, так и в частных случаях.

Необходимое оборудование

Технология допускает использование любого электродугового сварочного аппарата, способного обеспечить жесткую вольт-амперную характеристику (обычно сила тока составляет не менее 140 А). Используются вольфрамовые электроды, особенности которых рассмотрены ниже. Поскольку свойства металла требуют непрерывной защиты стыка инертными газами, особую сложность представляет именно равномерная подача газа с необходимой интенсивностью.

Распространены три способа газовой защиты:

• струйная – аргон подается в зону сварки направленной струей через специализированные сопла и отражатели, вытесняя атмосферный воздух;
• местная – предполагает использование небольших герметичных камер, заполненных газом, работать в которых можно через гибкие рукава-манипуляторы;
• полная – промышленный способ, при котором заготовки размещаются в камере с контролируемой атмосферой (например, УБС-1, ВКС-1, ВУАС-1), требует использования сварочного костюма-скафандра.

Важно помнить, что защите должна подвергаться не только сварочная ванна, но и обратная стороны стыка, а также все прилегающие к ним зоны, которые нагреваются до высоких температур в процессе сварки.

Выбор электродов

Для аргонодуговой сварки титана и титановых сплавов используют вольфрамовые электроды малого диаметра.

Если толщина стыка не превышает 3 мм, применяются электроды диаметром 1,5-2,0 мм без присадочного материала. Во всех остальных случаях толщина электрода соответствует толщине стыка, использование присадочной проволоки обязательно.

При первых же признаках износа или повреждения электрод заменяют. Работа неисправным электродом не только отрицательно сказывается на технических характеристиках сварочных швов, чувствительных к режиму проведения работ, но и может быть небезопасной для сварщика.

Примерная стоимость вольфрамовых электродов на Яндекс.маркет

Присадочная проволока

Выбор присадочного материала зависит от марки титана или сплава, толщины заготовок, толщины электрода, параметров сварки, эффективности принятого метода защиты стыка от атмосферного воздуха. В большинстве случаев можно руководствоваться этой таблицей:

Марка материала	Марка присадочной проволоки
ВТ1-00, ВТ1-0, ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4, ВТ5, ВТ5-1	ВТ1-00св, ВТ2, ВТ2В, ВТ20-1св, ВТ20-2св
ВТ6, ВТ3-1, ВТ9, ВТ14, ВТ16, ВТ20	ВТ15, СПТ-2, СП-15
ВТ22 (с пост-термообработкой)	ВТ20-1св, ВТ20-2св, СПТ-2
ПТ-7М, ПТ-3В, ПТ-1M	ВТ1-00св, СПТ-2, СП-15

Следует учитывать, что металлы марок ОТ4, ВТ5, ВТ5-1 требуют использования щадящих режимов сварки, в том числе с минимальной погонной энергией. Для большинства других материалов требуются режимы с быстрым охлаждением.

Процесс сварки

Наличие и метод разделки кромок, а также параметры сварки зависят от толщины стыка. Обычно эта зависимость имеет такой вид:

Толщина металла, мм	Разделка кромок	Сила сварочного тока, А	Напряжение дуги, В	Диаметр присадочной проволоки, мм	Количество проходов, шт.
1-3	Отсутствует	40-90	10-14	1,2-2,0	1
3-10	Односторонняя прямая фаска под углом 35-45°	120-200	10-15	1,5-2,5	2-12
10-20	Радиальная ванна с бортами, наклоненными на 15°	180-280	12-16	2,5-3,0	12-26
Более 20	Двухсторонние прямые фаски под углом 30-35°	230-280	13-16	2,5-3,0	Не менее 24

Электродуговую сварку титана и сплавов проводят в нижнем положении. Техника мало чем отличается от классической дуговой сварки, общий алгоритм действий включает следующее:

1. Закрепление очищенных и обезжиренных заготовок на опорной поверхности с зазором, соответствующим конфигурации детали и режиму сварки (для листов толщиной 2,0-3,0 мм зазор составляет 0,5-1,5 мм).
2. Подача аргона к месту стыка или в защитную камеру. При струйном методе защиты общий расход газа на обдув рабочей и обратной стороны шва составляет 12-16 л/мин для листов толщиной 2,0-3,0 мм.
3. Поджигание дуги в начале шва. Происходит не раньше, чем через 15 секунд после начала струйной подачи аргона или сразу после вытеснения атмосферного воздуха из защитной камеры.
4. Последовательная проварка шва. Осуществляется путем плавного и достаточно быстрого осевого перемещения, поперечное смещение следует свести к минимуму. Обычно электрод ведется углом вперед, а присадочную проволоку подают перпендикулярно ему.
5. Повторная проварка шва в случае необходимости. Может проводиться до 40 последовательных проходов.
6. Обрыв дуги и завершение работ. При этом подача аргона продолжается, пока металл в зоне стыка не остынет до 250-300℃ (для изделий небольшой толщины – около 45-60 секунд).

Источник

Как и чем варить титан

Легкие и прочные титановые сплавы находят широкое применение благодаря стойкости к коррозии, прочности. Сварка титана усложняется химической активностью горячего металла, он одновременно реагирует с компонентами воздуха: кислородом, азотом, водородом, образуя непластичные соединения, ухудшающие качество шва.

Особенности сварки титана и его сплавов

При работе шов необходимо защищать с обеих сторон. Защитным флюсом покрывают зону прогрева около ванны расплава. Важно правильно подготовить кромки. Долго их не прогревают, титан начинает реагировать с водородом при 250°С. Чтобы сваривать в домашних условиях детали из титана, необходимо контролировать температуру, при 400°С титановый сплав способен воспламениться при доступе кислорода.

Для защиты титана в рабочей зоне используют:

• металлические накладки;
• флюсовые составы;
• газовые подушки, их создают с помощью насадочных камер.

При соединении труб делают заглушки, заполняют участок защитной атмосферой. Сплавы ВТ1–ВТ5 варить легче, шов получается плотным. При работе со сплавами ВТ15–ВТ22 применяют метод отжига швов для повышения их прочности.

Технология сварки

Подготовка состоит из зачистки кромок, окислы снимают на расстоянии до 2 см от кромки, и обезжиривания (нужно протирать титан в перчатках, чтобы от пальцев не оставалось следов). Затем металл протравливают горячей смесью (60°С) соляной кислоты (в 650 мл растворяют 350 мл) и фторида натрия (50 г). Состав наносится на 10 минут.

Для сварки титана и его сплавов используют:

• холодный метод;
• дуговой с использованием электродов;
• контактный;
• лучевой.
• Рассмотрим их подробней.

Ручная дуговая сварка

Используют тугоплавкий электрод на основе вольфрама (с итрированной или лантановой обмазкой). Его необходимо заточить под углом 45°. Сила тока удерживается на уровне 90–100 ампер. Тонкие изделия до 1,5 мм соединяют встык без присадки, остальные – с подачей прутка. Присадку по составу выбирают под сплав, перед работой ее отжигают в вакууме – удаляют водород. В герметичной упаковке она сохраняет свои свойства до 5 суток.

Максимальный ток при работе с 4 мм деталями – 140 А, 10 мм – до 200 А.

Аргонодуговая сварка титановых сплавов автоматом или полуавтоматом плавящимися электродами эффективна при использовании насадок, локализующих защитную атмосферу в нужной зоне. При ручной сварке титана аргоном:

• нужен ток постоянной полярности напряжением от 10 до 15В;
• электрод направляется вперед под углом;
• скорость образования шва – не меньше 2–2,5 мм/сек;
• присадка подается перпендикулярно;
• шов формируется на короткой дуге точными движениями;
• до охлаждения шов обдувается аргоном.

Расход инертного газа в минуту с внешней стороны 5–8 л, с обратной поверхности стыка достаточно 2 л/мин.

Электрошлаковая сварка

Применяется для толстостенных и кованых деталей из титановых сплавов, легированных алюминием и оловом. Рабочие параметры тока (варьируются в зависимости от толщины детали):

• сила от 250 до 330А;
• напряжение — 24-38В.

Такую нагрузку способен обеспечить мощный трансформатор. На металл наносят флюс марки АН–Т2, при разогреве он образует шлаковую ванну. Инертная атмосфера снижает риск самовозгорания металла, в аргоне стык находится до полного остывания. Расход защитного газа до 8 л/мин. Шов получается за счет использования пластинчатых титановых электродов сечением 12х60 мм или круглыми 8 мм. Прочность такого соединения значительно ниже, чем у титана, теряется до 2/3 пластичности.

Контактная сварка

Варить титан токоподающими электродами, образующими дугу внутри металла, можно несколькими способами:

1. Встык соединяют элементы с площадью сечения от 150 до 104мм2. Сила постоянно тока от 1,5 до 50А, максимальный вылет электродов – 20 см.
2. Точечно, способ применим для соединения титанового сплава внахлест. Получается прочный, но не герметичный шов. В зависимости от толщины листов сила сжатия электродов – от 1,9 до 6,8 кН; диаметр точки от 4 до 8 мм; импульсный ток от 7 до 12 кА.
3. Роликовый – непрерывный ряд овальных точек, образующих шов. Электроды-ролики катятся по поверхности, проваривают металл до 3 мм.
4. Конденсаторный способ схож с роликовым, импульс формируется в конденсаторной батарее, достигает 2100 в. Дуга прожигает титан до 1,5 мм толщиной, оксиды, ухудшающие соединение, испаряются.

Электронно-лучевая сварка

Мелкозернистый шов на титане до 160 мм создается мощным лучом. Пользоваться электронно-лучевой сваркой титана удобно при монтаже воздуховодов для отходящих газов. Этим способом соединяют стальные и титановые сплавы с образованием прочных соединений.

Контроль качества

Процесс сварки титановых сплавов регламентирован госстандартом ИСО 5817-2009. В зависимости от легирующих добавок прочность соединения составляет от 60 до 80% прочности сплава. Оксидная пленка видна сразу, цвет зависит от степени окисления титана:

• желтая – среднее качество соединения, прочность удовлетворительная;
• коричневый или фиолетовый – шов непрочный, нарушена технология.

Пористость возникает при контакте с водородом, если скорость подачи аргона низкая.

Источник