чем варят титановые сплавы
Сварка титана и титановых сплавов. Как и чем варить титан и его сплавы?
Содержание
Особенности сварки титана и сплавов на его основе
Сварка титана и титановых сплавов всё чаще применяется в промышленности из-за их физико-химических свойств. Температура плавления титана составляет, по разным данным, 1470-1825°C. Титан способен сохранять высокую прочность до температуры 500°C, а также высокую коррозионную стойкость во многих агрессивных средах.
Дополнительными трудностями при сварке титана являются его склонность к увеличению размера зерна при высоких температурах (выше 880°C) и к образованию пор.
Титановые сплавы склонны к закалке, в зависимости от легирующего элемента. Такие элементы как Cr, Fe, Mn, W, Mo, V, входящие в состав сплава, снижают его пластичность. Так, при температуре 250°C начинается интенсивное поглощение водорода, при 400°C кислорода и при 600°C азота.
Прочность сварного соединения титана и титановых сплавов, в зависимости от марки сплава и способа сварки плавлением составляет 0,6-0,8 прочности основного металла. Сварные соединения из титановых сплавов марок ВТ5, ОТ4, ВТ4 и др. не последующей термической обработке не подвергают. В отдельных случаях допускается выполнять отжиг для снятия напряжений.
Какие способы используют для сварки титана и его сплавов?
Титан и его сплавы свариваются плавлением только дуговой (ручной или автоматической) сваркой. Наибольшее распространение получила сварка в среде аргона или гелия под некислородным флюсом марки АН-11. Для изделий большой толщины применяют электрошлаковую сварку под флюсом марки АН-Т2. Кроме того, титан хорошо сваривается контактной сваркой в среде защитных газов или без неё. При сварке плавлением необходимо обеспечивать газовую защиту оборотной стороны шва в среде аргона. В связи с этим, рекомендуется применять сварку на подкладках или производить сварку встык.
Подготовка титана и его сплавов под сварку
Качество титанового сварного соединения во многом будет зависеть от технологической подготовки сварных кромок и сварной проволоки под сварку. У деталей из титана и титановых сплавов поверхность покрыта оксидно-нитридными плёнками, появляющимися после горячей обработки полуфабрикатов, из которых эти детали изготовлены.
Удалить эту плёнку можно при помощи механической обработки и следующего за ней травления в смеси 350мл соляной кислоты, 50г фторида натрия и 650мл воды. Время травления составляет 5-10мин, температура травления 60°C. Перед сваркой необходимо зачистить металлическими щётками сами сварные кромки, а также участки, на расстоянии 15-20мм от стыка до металлического блеска и обезжирить.
Ручная дуговая сварка титана и титановых сплавов
Технология, техника и режимы сварки
Ручную дуговую сварку титана вольфрамовым электродом выполняют постоянным током прямой полярности. При сварке используют специальные приспособления, с помощью которых обеспечивается защита зоны сварки, околошовной зоны, корня шва, а также остывающих участков шва. Такими приспособлениями могут быть, в частности, удлинённые насадки с отверстиями, защитные козырьки и др.
Защиту корня шва можно обеспечить, если плотно поджать сварные кромки к медной или стальной подкладке. Можно, также, использовать подкладку с отверстиями, или изготовленную из пористого материала и подавать через неё защитный газ. При сварке труб из титана защитный газ пропускают внутрь трубы.
Если толщина свариваемого металла не превышает 3,0мм, то при их сборке допускается зазор от 0,5мм до 1,5мм. В этом случае сварку производят без использования присадочного материала. Если используют присадочный материал, по составу сходный со свариваемым металлом, то диаметр электрода принимается равным толщине основного металла.
Приблизительные режимы для ручной дуговой сварки титана и его сплавов вольфрамовым электродом диаметром 1,5-2мм и присадочной проволокой диаметром 2мм составляют: сила тока 90-100А для сварки металла, толщиной 2мм и 120-140А для металла толщиной 3-4мм. Сварку производят постоянным током прямой полярности, как уже говорилось выше.
Ручную сварку титана проводят без колебательных движений, на короткой дуге. При этом наклон электрода должен быть в противоположную сторону от направления его движения, т.е. сварка выполняется «углом вперёд». Если используется присадочный материал, то рекомендуемый угол между электродом и присадочным прутком составляет 90°. Подача присадочной проволоки осуществляется без перерыва.
После окончания процесса сварки и гашения электрической дуги, необходимо продолжать подачу защитного газа в течение 0,5-1мин, пока металл не остынет до температуры ниже 400°C. Этот приём помогает предотвратить окисление металла сварного шва и зоны термического влияния. Окисленный шов хорошо различается по цвету. Качественный шов окрашен в светлый, жёлтый или соломенный цвет. Некачественный шов имеет серый или чёрный цвет и наличие синевы в переходной зоне. На рисунке справа показаны неокисленный, качественный шов (сверху) и шов окисленный (снизу).
Видео: аргонодуговая сварка труб из титана
В представленных ниже коротких видеороликах подробно показан процесс сварки труб из титана в среде аргона с использованием специальных фартуков для защиты зоны сварки:
Автоматическая сварка титана и его сплавов
Автоматическая сварка титана и титановых сплавов выполняется вольфрамовым электродом. Выходные отверстия сварочной горелки должны быть не менее 12-15мм. При сварке неплавящимся электродом рекомендуются постоянный ток прямой полярности.
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:
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:
Ручная дуговая сварка
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:
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):
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:
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:
Пористость возникает при контакте с водородом, если скорость подачи аргона низкая.
Варим титан и его сплавы
Обладая особенными физико-химическими свойствами, титан сегодня широко используется в промышленности. Он не коррозирует ни в воде, ни в агрессивных средах, температура его плавления 1470-1825С, нагревая его до температуры +500С, можно быть уверенным, что металл не потеряет свои прочностные характеристики. Но технология сварки титана имеет одну особенность – это не только защита зоны сварки, но и защита обратной стороны сварочного шва от воздуха. При этом необходимо защищать все участки около сварочной ванны, которые нагреваются свыше +400С. И еще одно условие – кромки свариваемых заготовок нагревать надо быстро.
И еще несколько особенностей сварки титана:
В зависимости от марки титанового сплава прочность соединения, а точнее, прочность сварочного шва ниже, чем прочность самого металла. Величина понижения в пределах 20-40%. На данный показатель также влияет и способ сварочной технологии. При этом необходимо отметить, что такие сплавы как ОТ4, ВТ4 и ВТ5 после сваривания не подвергаются термической обработке. Иногда разрешается сделать отжиг, чтобы снять термические напряжения внутри основного металла.
Сварка титана – способы и технологии
Титан и его сплавы можно варить дуговой сваркой в среде защитных газов (аргоном или гелием), использую ручной способ или полуавтоматом. Для этого рекомендуется использовать технологию сварки под флюсом. То есть, здесь требуется двойная защита. При этом если соединяются тонкостенные заготовки, то лучше использовать флюс марки АН-11, при стыковке толстостенных лучше применять флюс марки АН-Т2.
Как уже было сказано выше, одно из условия сварки титана – это зашита сварочного шва с двух сторон. Поэтому сваривание производится с обдувом стыка газом с двух сторон или с установкой с обратной стороны подкладок.
Подготовка титана к сварке
Перед тем как варить сплав или сам титан, необходимо провести подготовку его кромок. Все дело в том, что после предварительной термической подготовки заготовок (их отливают, подрезают, обрабатывают), на поверхности кромок образуется так называемая оксидно-нитридная пленка. Она очень прочная и жаростойкая. Так вот от нее и надо избавиться.
Ручная дуговая сварка
Как уже говорилось выше, основная задача получения качественного шва – это создать защитные условия, в которых будет проводиться сам сварочный процесс. При этом необходимо защитить и остывающие участки свариваемых титановых заготовок. Поэтому при сварке титана аргоном и неплавящимся вольфрамовым электродом нужно обязательно использовать специальные приспособления. Это могут быть козырьки, насадки удлиненного типа с отверстиями и прочие.
Чтобы защитить корень сварной ванны, нужно использовать подкладки, изготовленные из меди или стали. Можно устанавливать подкладки с отверстиями, через которые пропускать защитный газ. Если свариваются титановые трубы, то нужно аргон запускать внутрь трубопровода.
Что касается размера зазора между кромками, то если соединяются тонкостенные детали, то зазор между ними должен составлять 0,5-1,5 мм. В этом случае кромки можно и не формировать, а в процессе сваривания присадочную проволоку можно не использовать. Кстати, присадку надо выбирать идентичной по составу материала, как и основной свариваемый металл.
Режимы сварки таковы: если варится титан вольфрамовым электродом с диаметром 1,5-2 мм и присадочной проволокой диаметром 2 мм, а толщина свариваемых заготовок равна 2 мм, то необходимо выдерживать ток величиною 90-100 ампер. Увеличение толщины металла до 4 мм дает право варить титан током в 120-140 ампер. И основное – сварка титана и его сплавов производится переменным током постоянной полярности.
И еще несколько условий:
Последующее охлаждение металла гарантирует качество сварного шва. Кстати, качество можно определить по цвету. Если он светлый, соломенный или желтый, то все нормально. Если он серый, синеватый или черный, то произошло окисление, что снизило качество.
Сварка полуавтоматом или автоматом производится по той же технологии, что и ручная. Единственное, на что необходимо обратить внимание, это отверстия в сопле горелки. Их диаметр согласно ГОСТ должен быть в пределах 12-15 мм. При этом зажигать и гасить горелку лучше на специальных подкладках или планках.
Электрошлаковая сварка
Легированные титановые сплавы обычно сваривают электрошлаковой сваркой. К примеру, сплав марки ВТ5-1, в состав которой входит олово – 3% и алюминий – 5%, изготавливается методом прессования и прокаткой в тонкие листы. Толстостенные детали не прокатывают, а куют.
Самыми сложными при сварке – это толстостенные заготовки. Поэтому их варят в среде защитного газа аргона с использованием флюса марки АН-Т2. При этом используется переменный ток, который в зону сварки подается трехфазным трансформатором. У этого оборудования должна быть жесткая характеристика.
Чтобы сварить такие заготовки нужно установить ток 1600-1800 ампер с напряжением 14-16 вольт. При этом зазор между ними должен быть 26 мм, расход аргона устанавливается в пределах 8 литров в минуту, а вес засыпаемого флюса 130 г. Но очень важно понимать, что качество сварки при таком режиме будет обеспечивать диаметр электрода. Если данный параметр равен 12 мм, то качество гарантируется. Если он равен 8 мм, то прочностные характеристики снижаются до 80%. Также не рекомендуется использовать в процессе сварки электроды из легированных сплавов. Они снижают пластичность металла в сварочном шве.
Контактная сварка
Титановые детали можно варить и контактным способом. ГОСТ это делать позволяет, потому что оптимальная скорость сваривания титана равна 2-2,5 мм/ сек. Увеличивать данный показатель не рекомендуется, потому что будет снижаться прочность металла, заполняющего зазор. И этот показатель очень важен, когда для соединения используется контактная сварка. Потому что данная технология производится очень быстро. При этом не стоит зачищать свариваемые кромки, а тем более фрезеровать их.
Так как существует несколько вариантов контактной сварки, то все они могут быть использованы для сваривания титановых заготовок. Контактная сварка может быть точечной, линейной и конденсаторной. Необходимо понимать, что у каждой технологии будет выбираться свой режим, зависящий от толщины свариваемых заготовок, от давления электродов, от их диаметра или от ширины и длины сварочной пластины, от времени сжатия, от продолжительности прохождения тока через металл. То есть, процесс этот не самый сложный, но требующий знания подбора все вышеперечисленных параметров технологического процесса.
Описание и параметры контактной сварки титана есть в ГОСТах. Так что разобраться в ней будет несложно. Обязательно посмотрите видео, в котором показано, как можно варить титан аргонной сваркой.
Как и чем варить титан? Сварка титана: технология и особенности
Титановые детали и конструкции часто находят применение в узкоспециализированных областях, среди которых авиастроение и космическая отрасль. Столь высокое доверие к металлу обуславливается уникальным сочетанием характеристик. При небольшой удельной массе он обладает высокой прочностью, антикоррозийностью и защитными свойствами от химических воздействий. И это далеко не все качества, которыми характеризуется титан. Сварка титана по этим же причинам становится сложной задачей не только для начинающего мастера, но и для профессионалов.
Особенности сварки материала
Физико-химические свойства титана ограничивают использование некоторых высокотехнологичных способов сварки, что заставляет мастеров модифицировать подходящие, но изначально менее производительные методы. Главная сложность в использовании наиболее распространенных способов сварки заключается в повышенной температуре нагрева данного металла. В частности, эффективная работа с ним возможна при режимах термического воздействия порядка 1500-1700 °C. На уровне 500 °C заготовки чаще всего сохраняют базовые прочностные качества. Технологические особенности сварки титана определяются и негативными факторами воздействия на структуру со стороны атмосферного воздуха. В обычном состоянии этот фактор не имеет значения, но в условиях температуры более 400 °C раскаленные зоны будут требовать дополнительной защиты. И это не говоря об основной изоляции непосредственно сварочной ванны. При повышении температуры возникают и сложности другого рода. Так, при достижении 900 °C происходит увеличение зерен и образование крупных пор, что в дальнейшем сказывается на прочностных качествах заготовки.
Общие сведения о способах сварки
Базовыми методами сварочной обработки титана можно назвать дуговой ручной и автоматический способы. Что касается оптимальных сред, то наиболее эффективными считается гелий и аргон. Но важно учитывать, что в первом случае требуется включение в среду некислородного флюса. Также распространен метод электрошлаковой сварки. Его обычно используют в работах с толстыми заготовками, требующими к тому же высокой термической накалки. При грамотной организации неплохой результат обеспечивает и контактная сварка. Данный процесс требует, в частности, устройства сбалансированной защиты газом. Если применять в работе подкладки, то обеспечится высококачественная сварка титана. Технология плавления, например, подразумевает организацию специальной защиты оборотной части заготовки с помощью аргоновых газов. В свою очередь подкладка может обеспечить этой стороне дополнительное предохранение в условиях повышенной температурной нагрузки, об опасностях которой говорилось выше.
Подготовка металла к сварочной операции
Перед операцией титан необходимо соответствующим образом подготовить. В рамках этого этапа выполняется обработка кромок заготовочных элементов, создание защиты противоположных сторон (использование тех же подкладок), а также зачистка прутка присадки. Кроме этого, производится тщательная зачистка наружного слоя заготовки. Его частицы в ходе сварки могут проникнуть в структуру шва, из-за чего он станет хрупким и непригодным к работе в ответственных механических конструкциях. В случаях обработки толстых деталей от 5 см требуется разделка кромок, при которой угол раскроя должен составлять 60°. Если планируется сварка титана и его сплавов, которые до этого подвергались плазменной или газовой резке, то потребуется и зачистка поверхностей швов с ликвидацией слоя толщиной в 3-4 мм. Универсальной мерой уже финальной подготовки перед работой будет устранение внешних загрязнений, масляных пленок и окислов. Для этой процедуры используются мелкозернистые абразивы, напильник и обезжиривание с растворителями. Затем оставшиеся следы зачистки удаляются сухой ветошью.
Ручная дуговая сварка
В процессе задействуется вольфрамовый электрод с подключением источника постоянного тока. Защите подвергается зона вокруг шва, корень шва и ближние затронутые термическим воздействием зоны. Изоляция обеспечивается козырьками, насадками и термически стойкими пористыми материалами, в которые подается газ. Подкладки желательно применять из меди или стали. Если производится обработка трубы, то газ пускается прямо в дуло. Что касается оптимального режима, то для 2-миллиметрового электрода сила тока может составлять порядка 90 А. Это начальный уровень для работы с заготовками толщиной 4-5 мм. Конкретные величины могут изменяться и в зависимости от того, каким образом легировался титан. Сварка титана выполняется на короткой дуге без колебательных манипуляций. Электрод наклоняется противоположно направлению его движения – то есть вперед углом. Резко завершать операцию нельзя. В целях предотвращения образования окислов все защитные приспособления остаются на прежних местах даже после отключения электродов.
Автоматическая сварка
В работе также используется вольфрамовый электрод. Если применяется неплавящаяся разновидность электрода, то подключаемый ток должен иметь направленную полярность. При этом оптимальный размер выходных отверстий горелки составляет 14-15 мм. Техника выполнения в целом соответствует ручному методу, но важно учитывать, что в силу повышенной активности данного металла операции зажигания и гашения при работе с горелкой должны производиться в стороне от места шва. Автоматическая сварка титана аргоном после гашения должна обеспечивать подачу газа еще как минимум 1 мин.
Электрошлаковая сварка
Менее популярный метод, но он может быть эффективнее в работе с отдельными сплавами. Например, при сварке легированного 5-процентного титана с добавками алюминия и олова. В качестве силового источника применяется трехфазовый трансформатор, что свидетельствует о высоких нагрузках в процессе работы. Достаточно отметить силу тока при сварке толстых поковок – в среднем 1500-1600 А. Далее ход операции зависит от того, каким электродом плавится титан. Сварка титана электродом пластинчатого типа с размерами 12х60 мм обеспечивает оптимальное качество шва, который по характеристикам соответствует основной структуре заготовки. В обработке прессованных деталей часто используют такие же электроды, но с диаметром 8 мм. Это решение может показаться оправданным ввиду нетребовательности структуры металла, но прочностные качества шва будут понижены – в среднем 85% от показателя нетронутой структуры.
Контактная сварка
В этом случае многое зависит от скорости работы. Практика показывает, что для крупных заготовок, к примеру, предпочтительным будет режим 2 мм/сек. Увеличение данного показателя приведет к снижению прочности заготовки и положительная функция защитного газа будет минимизирована. Неплохой по качеству результат можно получить, если заранее выполнить более глубокую механическую обработку поверхности заготовки. Благодаря зачистке крупнозернистой наждачной бумагой вкупе с легкой фрезеровкой будет обеспечена стабильная и ровная сварка титана. Отзывы также указывают на достижения хороших результатов при контактной сварке в условиях сбалансированной осадки. Ее следует подбирать из следующего расчета: в среднем на 20% выше, чем при обработке углеродистой стали.
Особенности холодной сварки
Отсутствие термического воздействия, при котором наблюдаются, по сути, разрушительные процессы в структуре титана, делают этот способ почти идеальным, но и тут есть свои нюансы. Холодная сварка производится под высоким давлением, которое деформирует кристаллы структуры, в результате смещая их и образуя общий сплав. Непосредственно сварка производится внахлест с помощью специальных зажимных механизмов. Силовое механическое воздействия также отличает этот способ, что требует более высоких финансовых затрат. Есть и другой недостаток, которым характеризуется холодная сварка. Титан, в конструкции которого есть образованные такой спайкой швы, менее надежен и может задействоваться только в конструкциях, не предполагающих высокие физические нагрузки.
Возможные дефекты при сварке
Одним из самых серьезных дефектов является образование пор. Это газовые примеси в структуре металла, в формировании которых участвовал водород. Исключить этот изъян можно двумя условиями – выполнением качественной всесторонней зачистки перед сваркой и обеспечением эффективной защиты нагретого металла в процессе обработки. Еще одной проблемой может стать появление окислов, которые переходят от места создания шва к цельной структуре. Кстати, от этого недостатка полностью страхует холодная сварка титана. Отзывы самих пользователей свидетельствуют, что предотвратить этот дефект при термической обработке помогает именно долговременное поддержание газовой защиты аргона уже после завершения процесса. Индикатором для снятия защиты станет нормализация температуры шва.
Заключение
Если сравнивать сварку титана с аналогичными операциями над другими металлами, то будет выявлен целый ряд отличий. Прежде всего, они касаются организационного процесса. От исполнителя требуется надлежащим образом подготовить металл, а также позаботиться о приспособлениях, которые защитят основной бесшовный титан. Сварка титана при соблюдении правил термической обработки и выборе оптимального режима для функции электрода с большей вероятностью обеспечит достойный результат по прочности. Собственно, о том, насколько высоко качество образуемого шва, можно судить по его оттенку уже в ходе сварки. Так, серебристый цвет свидетельствует о высокой защите и, следовательно, укреплении структуры шва. Шов с соломенным оттенком менее прочен, но эту ситуацию еще не поздно исправить, скорректировав, например, подачу газа. О том, что в ходе обеспечения защиты были допущены серьезные ошибки, скажет коричневый оттенок.