Технология сварки разнородных металлов и сплавов

Возможные дефекты

При сварке титана, если она не производится лазером, возможны дефекты. Согласно ГОСТ, дефекты появляются из-за несоблюдения технических условий, нарушения технологии, после чего конструкция становится непригодной.
По ГОСТ дефекты бывают следующих видов:

• трещины;
• поры;
• твердые образования;
• несплавления;
• неправильный шов;
• иные дефекты.

Трещины-разрывы в шве или прилегающих местах, согласно ГОСТ, недопустимы, так как создается центр разрушения.

Образование разрывов объясняется высоким содержанием в расплавленном металле углерода, никеля, водорода, фосфора. При сварке лазером вероятность образования трещин сводится к нулю.

Для устранения трещин нужно засверлить концы дефекта, затем устранить трещину механическим путем и строжкой, после этого участок зачищается и заваривается.

Поры, согласно ГОСТ — это полости, заполненные газом. Образуются из-за высокого газообразования.

Место с порами нужно переварить, предварительно зачистив механическим путем, так как дефект ослабляет конструкцию.

Твердые включения по ГОСТ – это инородные металлические и неметаллические вещества в шве, снижающие прочность шва и концентрирующие напряжение, поэтому место с дефектом вырубают до здорового участка и удаляют строжкой, затем заваривают.

Видео:

Несплавления по ГОСТ — это отсутствие соединения между металлом и швом. Образуются при дуговой сварке из-за нерасплавления части кромки стыка.

Это может произойти, если неправильно выбрана форма угла, плохо зачищены кромки, неправильно выбран режим сварки. Такие дефекты снижают прочность шва. Место дефекта нужно вырубить, зачистить и вновь заварить.

Нарушение формы по ГОСТ — отклонение формы шва от установленных требований.

Причинами возникновения могут послужить колебания напряжения в сети, неправильный угол наклона и др. Последствием могут быть внутренние дефекты шва.

Для устранения место дефекта заваривается тонким швом электродом небольшого диаметра.

Ручной процесс

Сварка сплавов с титаном (в общем случае) производится постоянным током, полярность прямая. Ток зависит от толщины соединяемых деталей, калибра электрода и диаметра присадочной проволоки, изменяется в диапазоне 90-200 А.

Чем выше толщина металла, тем больший подается ток. Так, детали толщиной 2 мм соединяются при токе 90 А, 3-4 мм — 130-140 А, 10 мм — 160-200 А. Рекомендуется использовать минимальный ток из возможных. Напряжение всегда одинаково — 10-15 В.

Электроды

Используются неплавящиеся электроды из вольфрама, которые перед началом работы затачиваются под углом 30-45 °C (как у карандаша). Чем больше угол заточки, тем меньше глубина проплавления.

При интенсивном использовании электрод нужно будет снова заточить, как только он затупится. Рекомендуются электроды, содержащие оксид лантана, так как их несущая способность на 50% выше, чем у изделий из чистого вольфрама. Благодаря этому сварной шов будет менее загрязнен вольфрамом, чище, а значит — прочнее.

Проволока

Присадочная проволока — это проволока из титана соответствующего сплава, она подбирается конкретно к свариваемым деталям по специальным таблицам. Проволоку стоит отжигать под вакуумом для удаления водорода, который может присутствовать в сплаве, и в любом случае необходимо зачищать от окислов. Зачищенная проволока хранится в герметичной тубе не более 5 дней.

Если сваривают металл толщиной не более 1,5 мм стыковым методом, то применять проволоку необязательно. Шов без присадки будет даже прочнее.

Особенности технологии

При сварке выдерживается постоянная скорость движения электрода и обеспечивается непрерывная подача присадки. Скорость электрода должна составлять пример 2-2,5 мм/сек. Необходимо выдерживать высокую точность движений, избегать колебаний и уводов электрода в сторону. Электрод должен касаться шва как бы снизу вверх, сварка идет «вперед углом».

Во время всего процесса и около минуты после отключения горелки на свежий шов необходимо продолжать подавать защитный газ, пока температура шва не опустится ниже 400 °C.

В зоне сварки аргон расходуется со скоростью 5-8 литров в минуту, на оборотной стороне шва — 2 литра в минуту.

При сварке титановых труб их концы герметизируются, а инертный газ — аргон, реже гелий — закачивается внутрь при помощи специального насоса.

В домашних условиях, при отсутствии такого оборудования сварить титановые трубы невозможно. Исключение — конденсаторная стыковая сварка труб из титана марки ВТ1-ВТ2, диаметром не более 23 мм и толщиной стенок не более 1,5 мм.

Их можно сваривать вне защитной газовой среды, но только конденсаторным способом, при высоком зарядном напряжении — 850-2100 В.

Газовая защита

[context] Одним из важнейших условий получения качественного соединения при сварке титановых сплавов является обеспечение надежной газовой защиты: сварного шва; участков основного металла, которые нагреты до 250-300 градусов. Можно выбрать один из трех вариантов газовой защиты:

• струйная – с задействованием специальных приспособлений;
• местная – в герметичных камерах малого объема;
• общая – в камерах с контролируемой атмосферой (УБС-1, ВКС-1, ВУАС-1).

Рис. 1 Защитная камера для сварки титана

Дополнительные защитные устройства изготавливаются из нержавеющей стали. Необходимо, чтобы были предусмотрены газовые линзы и рассекатели. К газовой горелке прикрепляется специальная насадка для защиты кристаллизующейся сварочной ванны. Ее ширина должна быть 40-50 мм, а длина – 60-120 мм в зависимости от режима сварки. При сварке кольцевых поворотных и неповоротных стыков, а также трубчатых конструкций используются местные или малогабаритные камеры.

Рис. 2. Вспомогательное оборудование для защиты зоны сварки

Качество защиты можно определить по внешнему виду металла шва. Если его поверхность является серебристой или светло-желтой, защиту можно считать достаточной. Сварной шов желто-голубого цвета свидетельствует о нарушениях защиты, хотя в некоторых случаях такие швы вполне допустимы. О некачественном шве свидетельствует синевато-серый и темно-синий цвет.

Сварка аргоном и полуавтоматом

Если будут правильно выполняться все требования и правила аргонодуговой сварки, то можно добиться высокую прочность сварного шва титановой трубы и других конструкций из сплавов. Если же будет нарушена технология сварных работ, то качество соединения заметно снизится.

Для титанового металла в отличие от других цветных металлов требуется аргон высокого качества. Жидкая основа сварного соединения обязательно должна быть полностью защищена от атмосферного воздуха. Кроме этого горячую область рядом со швом требуется предохранять во время процесса кристаллизации и дальнейшего остывания до 427 градусов.

Технология сварки аргоном титана выполняется с учетом следующих рекомендаций:

• сварка аргоном титана должна выполняться на постоянном токе с прямой полярностью;
• в процессе сваривания требуется применять вольфрамовые электроды;
• иногда сваривание титановых сплавов при помощи аргонодуговой сварки может потребовать дополнительные приспособления, через которые будет поступать инертный газ, вытесняя воздух. Данные элементы могут иметь любую форму и размеры;
• сварка при помощи аргоном также выполняется с применением прокладок из меди или стали. В них можно вырезать отверстия для подачи газа;
• соединение труб производится специальными фартуками. Данные элементы могут иметь различные закругления;
• если соединение производится встык или внахлест, при показателе толщины металла не менее 3 мм, то присадочная проволока может не применяться. В этих случаях устанавливается сопло по наибольшему диаметру и увеличивается степень подачи аргонового газа;
• сварка титана со сталью должна выполняться на короткой дуге, при этом не должны быть колебательные движения. А подача присадочного прута должна быть в беспрерывном режиме;
• подача газа после гашения дуги должна продолжаться еще на протяжении 1 минуты. Выполнение данного действия предотвратит окисление шва.

Применять аргонодуговую сварку стоит осторожно

Важно не допускать взаимодействия вольфрамового электрода со сварочной ванной. Это позволит предотвратить проникновение вольфрамовых частиц в область сварного шва

Сварка титана полуавтоматом похожа на аргонодуговое сваривание, но она имеет повышенную экономичность и высокую степень производительности во время соединения заготовок с размером толщины более 1 см.

При полуавтоматической сварке применяется источник тока с обратной полярностью. Сварочная горелка должна быть оснащена дистанционным устройством для регулирования показателей силы тока. Это поможет предотвратить серьезные нарушения сварочного процесса.

Титановый сплав более прочный, чем чистый титан.

Титановый сплав – это особое соединение на базе титана и соединения титана и бора, представляющее собой не обычный “сплав”, а особый композитный материал, похожий по своему устройству на соты пчел или мозаику. Такой сплав имеет малый удельный вес, высокую коррозионную стойкость, гипоаллергенность. В отличии от чистого титана титановый сплав обладает высокой прочностью и твердостью.

Описание:

Титановый сплав, точнее – композит «титан-титан бор», как и чистый титан, имеет малый удельный вес, высокую коррозионную стойкость, гипоаллергенность. В отличии от чистого титана титановый сплав обладает высокой прочностью и твердостью.

Главный недостаток титана – сравнительно низкая твердость, которая не позволяет использовать титан в качестве базы для режущих инструментов или других приборов и изделий, где необходимы материалы, хорошо сопротивляющиеся деформациям.

Титановый сплав – это особое соединение на базе титана и соединения титана и бора, представляющее собой не обычный “сплав”, а особый композитный материал, похожий по своему устройству на соты пчел или мозаику.

Компоненты этого материала выполняют разные функции. В частности, стенки “сот” данного композитного материала состоят из борида титана, более прочного и твердого материала, а пустоты между ними заполнены обычным титаном, более мягким и гибким, чем соединение бора и титана.

Такой очень прочный и при этом пластичный материал на базе сот можно получить, спекая смесь из порошков титана и диборида титана при температурах примерно в 1000 оС. В таких условиях матрицы из борида титана можно обрабатывать и деформировать без образования трещин в их структуре.

Преимущества:

– высокая коррозионная стойкость,

– малый удельный вес,

– гипоаллергенность,

– немагнитный материал,

– высокая прочность и твердость.

Применение:

– изготовление сверхпрочных и легких медицинских и аэрокосмических приборов, инструментов и изделий,

– изготовление режущих инструментов.

карта сайта

жаропрочные титановые сплавыизготовим титанового сплаванож из титанового сплавапрочность сварка состав особенности титановых сплавовтитан титановые сплавы вт госттитановые сплавы используются титановыхтитановые сплавы купить марки производство механические свойства технологиититановые сплавы характеристикититановый сплав вт6цена титановые сплавыяпонский нож из титанового сплава

Коэффициент востребованности 195

Возможные дефекты при сварке титана аргоном и способы их устранения

Единственный способ избежать дефектов при соединении элементов из титана аргоном – это использование лазера, во всех остальных случаях возможны погрешности. ГОСТ определяет, что дефекты появляются вследствие несоблюдения технических условий, нарушения технологии, в результате чего конструкция становится непригодной к использованию.

Согласно ГОСТ, дефекты делятся на такие виды:

• трещины;
• поры;
• твердые образования;
• несплавления;
• неправильный шов;
• другие разновидности.

ГОСТ не допускает наличие трещин-разрывов в шве или прилегающих местах, поскольку они образуют центр разрушения.

Причина появления разрывов обычно кроется в высоком содержании углерода, никеля, водорода, фосфора в расплавленном металле. Сразу скажем, что при соединении лазером отсутствует вероятность образования трещин. Чтобы убрать появившиеся трещины, необходимо засверлить концы дефекта, после чего устранить трещину механическим путем и строжкой, зачистить и сварить участок.

Поры ГОСТ определяет как полости, заполненные газом. Вполне логично, что этот дефект образуется при сварке титана аргоном из-за высокого газообразования. Место с порами ослабляет всю конструкцию, поэтому его переваривают, перед этим зачистив механическим путем.

Твердыми включениями называют инородные металлические и неметаллические вещества, включенные в шов, снижающие его прочность и концентрирующие напряжение. Поэтому место с дефектом полностью вырубают, удаляют строжкой, заваривают.

Несплавления — это отсутствие соединения металла со швом, вызванное нерасплавлением части кромки стыка. Этот дефект может появиться при неправильном выборе формы угла или режима сварки, плохой предварительной обработке кромок. Поскольку несплавления отрицательно влияют на прочность шва, место дефекта вырубают, зачищают, после чего заваривают.

Нарушение формы представляет собой несовпадение формы шва с установленными требованиями. Такой недостаток появляется из-за скачков напряжения в сети, неправильного угла наклона, пр. Он может привести к внутренним дефектам шва, поэтому прибегают к завариванию места тонким швом электродом небольшого диаметра.

Защита титана при сварке

Титановые сварные соединения выполняются под защитой, которая нужна вплоть до их остывания до температуры +427 °С. Кроме этого, расплавленная сварочная ванна также должна быть под защитой, что не позволит начаться реакции взаимодействия с воздухом. Наиболее распространенными защитными газами являются аргон и гелий. Именно они предусмотрены технологиями сварки титана TIG и MIG.

Защитный газ используется сразу в нескольких направлениях:

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

1. Первичная защита расплавленной сварочной ванны. Грамотный выбор сварочной горелки позволяет обеспечить качественную первичную защиту. Так, чтобы не нарушать технологию сварки титана аргоном TIG, понадобится горелка, оборудованная газовой линзой и большим керамическим соплом. С помощью газовой линзы инертный газ будет подаваться равномерным потоком, а сопло позволит защитить расплавленную сварочную ванну по всей площади. Аргон дает очень стабильную дугу, поэтому чаще используют именно этот газ. Если необходимо глубже проникнуть в металл или работать при более высоком напряжении, то можно использовать смесь аргона и гелия.

   
   Чтобы определить эффективность защитного газа и узнать его расход, можно выполнить предварительные испытания на отдельном образце из титана. Чистые защищенные сварные швы имеют яркий серебристый цвет.

2. Вторичная защита охлаждающегося расплавленного металла и околошовной зоны. Для осуществления вторичной защиты используют специальную насадку на сварочную горелку. По-другому ее называют «сапожок». Для каждой операции сварки и для разных моделей горелки насадки могут быть разные, поэтому чаще всего их делают на заказ. Общими принципами изготовления насадки являются их компактность и наличие функции равномерного распределения газа в горелке. Кроме этого, для больших насадок может понадобиться водяное охлаждение. Если насадка оборудована бронзовым или медным диффузором, то это позволяет получать ровный поток защитного инертного газа.
3. Защита обратной стороны сварочного шва. Для защиты корневой части шва и околошовной зоны используют специальное устройство. Обычно оно представляет собой медную подкладку с водяным охлаждением. Кроме этого, для охлаждения сварных швов могут быть использованы крупные металлические заготовки. В них сделана специальная канавка, которая должна совпадать со сварным швом. Защита с обратной стороны обычно обеспечивается потоком газа, который в два раза меньше, чем поток для первичной защиты. Желательно для каждого вида защиты (первичной, вторичной и с обратной стороны) использовать отдельный газовый редуктор. Продувка перед сваркой и после нее осуществляется с помощью электромагнитных клапанов и таймеров.

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.

Трудности при сварке

Титан проявляет высокую химическую активность с атмосферными газами при высокой температуре и особенно в жидком состоянии. Поэтому при сварке титана возникает потребность в газовой защите не только сварочной дуги и ванны, а и остывающих участков основного металла пока их температура не будет ниже 250-300 градусов. Требуется также защита обратной стороны сварочного соединения.

Нагретые до высокой температуры (не расплавленные) участки металла склонны к росту зерен металла. Поэтому для сварки необходимо использовать режимы обеспечивающие минимальный нагрев околошовной зоны.

Сварные соединения из титана склонны к образованию пор и холодных трещин при наличии в зоне сварки вредных газовых примесей и водорода. Для противодействия этому тщательно очищают сварочные материалы и кромки деталей.

Сила поверхностного натяжения титана в точке плавления выше в 1,5 раз, чем алюминия. Это позволяет выполнять сварку на весу. Однако жидкий титан обладает низкой вязкостью и если не соблюдать правила сборки конструкции могут возникнуть прожоги.

Сварка титана

Высокая прочность и большая коррозионная стойкость, при малом удельном весе, обеспечивают титану и его сплавам все более широкое применение в различных областях человеческой деятельности. В наше время титан используется не только в авиа- и космостроении, химической промышленности и прочих высокотехнологичных отраслях, но и в производстве устройств бытового назначения. Сварка титана — задача, сталкиваться с которой обычному мастеру случается не так уж и редко.

Сварка титана в специальной камере

Свариваемость

На свариваемость титана накладывают отпечаток две особенности — высокая химическая активность металла в отношении газов, содержащихся в воздухе (кислорода, азота и водорода) и его повышенная склонность к росту зерна при температуре выше 800-850°C.
При нагреве до температуры 350°С и выше титан активно поглощает кислород, образуя различные окислы с высокими твердостью, прочностью и низкой пластичностью. По мере окисления оксидная пленка меняет окраску от желто-золотистой до темно-фиолетовой, переходящей в белую. Эти цвета в околошовной зоне характеризуют качество защиты титана при сварке.

При температуре выше 500°С титан активно взаимодействует с азотом с образованием нитридов, повышающих твердость и прочность металла, но снижающих его пластичность.

Что касается водорода (водород образуется в результате разложения воды на водород и кислород под воздействием высокой температуры дуги), то под его влиянием, с титаном происходит очень вредное явление, называемое водородным охрупчиванием. Химическая природа этого процесса состоит в образовании в остывающем и холодном металле, содержащем растворенный водород, гидридов титана, повышающих хрупкость металла и вызывающих возникновение в нем трещин. На практике это приводит к тому, что спустя некоторое время после сварки (иногда довольно продолжительное) приваренная деталь, не имевшая, казалось бы, никаких дефектов, просто отваливается — сама по себе или после легкого удара.

Рост зерна, имеющий место при высоких температурах, также отрицательно сказывается на прочности титана. Ему способствует низкая теплопроводность титана, увеличивающая время пребывания шва и околошовного металла в зоне высоких температур. Чтобы снизить рост зерна, сварку необходимо выполнять при минимально возможной погонной энергии.

Кроме всего перечисленного, титан имеет высокую температуру плавления (1660°С), поэтому при сварке требуется мощный, концентрированный источник теплоты.

И все же основная проблема сварки титановых сплавов — это надежная защита металла, нагреваемого выше 300-400°C, от водорода, кислорода и азота, содержащихся в воздухе.

Способы сварки титана

Для сваривания титана и его сплавов могут применяться различные способы сварки. Все способы предполагают защиту зоны сварки от воздуха. Сварка с защитой инертными газами является самой широко применяемой. Способ защиты зависит от конфигурации и размеров свариваемой детали. Это может быть местная защита в виде струи газа, выходящего из сопла горелки, и различных накладок на свариваемую деталь или защита с использованием специальных камер. Последние могут быть локальными (необитаемыми), куда помещаются только деталь, сварочная оснастка и горелка, и обитаемыми. Обитаемые камеры вакуумируются, заполняются аргоном, затем через шлюзы в них входят сварщики в скафандрах.

Сварка титана в специальной камере

Сварка титана в специальной камере

Сварка титана в специальной камере

Сварка титана в специальной камере

Сварка титана в специальной камере

В быту применяется практически только один способ — сварка титана неплавящимся электродом (метод TIG) с местной защитой зоны сварки инертным газом и накладками.

Необходимое оборудование и материалы

Чтобы варить титан в домашних условиях нужно иметь:

• сварочный аппарат, поддерживающий режим TIG и оснащенный горелкой;
• баллон с защитным газом — аргоном, гелием или их смесью;
• неплавящиеся вольфрамовые электроды;
• присадочную проволоку.

Необходимое оборудование и материалы для сварки титана

Защитный газ

. Высокая химическая активность титана по отношению к газам требует применения инертных газов высокой степени чистоты. В качестве таковых выступают аргон и гелий, имеющие некоторые технологические отличия друг от друга.

Гелий обеспечивает более плавный переход шва от усиления к основному металлу. Он позволяет повысить тепловую мощность дуги и производительность процесса расплавления, что важно при сварке деталей средних и больших толщин.

Аргон дает более узкое и глубокое проплавление основного металла, его расход оказывается в 1,5-2 раза меньше, чем гелия.

Чтобы объединить достоинства газов, иногда используют их смесь.

Электроды

. Сваривать титан можно любым вольфрамовым электродом, но не все они обеспечивают одинаково хорошее качество сварного шва и оптимальные характеристики дуги.

Хорошими качествами обладают лантанированные электроды марок ЭВЛ (WL). Добавление оксида лантана увеличивает несущую способность (максимальный ток) электродов примерно на 50% в сравнении с чисто вольфрамовыми. Повышается долговечность электродов и уменьшается загрязнение вольфрамом сварного шва.

Рабочая часть электрода затачивается в конус под углом 30-45°. При увеличении угла заточки снижается глубина проплавления. Нужно иметь в виду, что работоспособность электрода повышается со снижением шероховатости его конуса.

Вольфрамовый электрод

Присадочная проволока

. В качестве присадочного материала используются прутки из титана различных марок. Для предохранения металла шва от насыщения водородом, который содержится в присадочных прутках, последние полезно подвергать вакуумному отжигу, в результате которого металл избавляется от водорода.

Подготовка титана к сварке

Подготовка титана к сварке включает в себя обработку кромок свариваемых деталей, обеспечение их защиты с обратной стороны, очистку присадочного прутка. Перед сваркой следует полностью удалять поверхностный слой титана с повышенным количеством кислорода и азота, поскольку при попадании частиц данного слоя в сварной шов металл становится хрупким, появляются холодные трещины.
Если толщина свариваемых заготовок не превышает 3-4 мм, их можно сваривать без разделки кромок. У более толстых деталей выполняется разделка с углом раскрытия равным 60°.

Если свариваемые детали подвергались газовой или плазменной резке, их кромки необходимо срезать механическим способом не менее чем на 3-5 мм. Непосредственно перед сваркой, кромки необходимо очистить от загрязнений, удалить окисную пленку напильником или абразивным кругом и обезжирить ацетоном или иным растворителем. Присадочную проволоку также необходимо очистить от окисей и обезжирить.

Подготовка титана к сварке

Кроме очистки кромок необходимо обеспечить защиту корня шва и поверхность свариваемых деталей с обратной стороны. Это нужно делать даже в том случае, если шов не выходит на противоположную сторону, поскольку титан начинает вступать в реакцию с газами, содержащимися в воздухе, уже при температуре 300-400°C.

Защиту обратной стороны шва производят плотно подгоняемыми съемными стальными или медными подкладками, поддувом аргона в специальные канавки в подкладках или подачей аргона внутрь конструкции (если она имеет трубчатую форму).

Защита титана при сварке

На рисунке ниже изображена система подачи аргона внутрь детали, осуществляемая при сварке рамы велосипеда из титановых трубок.

Защита внутренней стороны трубчатой конструкции из титана

При сваривании толстостенных конструкций, у которых корневой шов не выходит наружу, сварку можно производить без защиты обратной стороны детали при условии ее минимального разогрева. Швы в этом случае должны выполняться короткими (15-20 мм), с перерывами на охлаждение.

Технология сварки титана

В помещении, где производится сварка титана, температура не должна быть ниже 15°С, а скорость движения воздуха — выше 0,5 м/с. Сварка осуществляется постоянным током прямой полярности с подачей присадочного прутка. При толщине металла менее 1,5 мм допустима сварка без присадки. В этом случае шов формируется только из основного металла и получается прочнее шва, выполненного с присадочным прутком, поскольку последний является поставщиком некоторого количества газов в зону сварки.
Подбор диаметров электрода и присадочной проволоки, а также соответствующего им сварочного тока зависит преимущественно от толщины свариваемого металла. В качестве ориентировочных, можно использовать данные, приведенные в нижеследующей таблице.

Диаметр неплавящегося электрода выбирается в зависимости от величины тока сварки с учетом рабочего тока электрода. Расход аргона для защиты зоны сварки 5-8 л/мин, для защиты корня шва — 2 л/мин.

При сварке электрод располагают под углом 70-80° к поверхности детали, присадочный материал — под углом 90-100° к оси электрода. Вылет электрода должен быть 6-8 мм, длина дуги — в пределах 1-2 мм. Для лучшей защиты шва, присадочную проволоку следует вести перед горелкой, а не за ней.

Положение электрода и присадочной проволоки

Горелку перемещают равномерно, без поперечных колебаний. Присадочный материал вводится в зону сварки также равномерно и без поперечных движений. Его конец опирается на край сварочной ванны. Во время сварки нельзя выводить нагретый конец прутка из зоны газовой защиты.

Подачу защитного газа прекращают только через 5-10 сек после потемнения шва, когда его температура опустится ниже 400°С.

Во избежание перегрева околошовных участков и роста зерна металла, сварку необходимо выполнять при минимально возможном токе.

Дефекты сварки титана

При соблюдении технологии сварки титана, прочность сварного соединения достигает 80% от прочности основного металла. Дефекты швов могут снизить показатели прочности на 40-60 и более процентов. Наиболее частыми из них являются поры и холодные трещины.
Основная причина образования пор — газовые примеси (главным образом водорода), растворенные в присадочном и основном металле. Чтобы получать беспористые швы, нужно обеспечивать чистоту сварочных материалов и основного металла и выполнять сварку на оптимальных режимах.

Холодные трещины могут возникать сразу после сварки или по истечении какого-то времени — иногда недель и даже месяцев. Основной причиной их возникновения является водородное охрупчивание.

О качестве газовой защиты, осуществленной в процессе сварки, можно судить по внешнему виду шва. Серебристый цвет (1) говорит о хорошей защите и качественном шве, светлый соломенный оттенок (2) свидетельствует о незначительных нарушениях защиты. Прочие цвета — коричневый, голубой, серый с налетом — говорят о плохой защите шва.

Внешний вид швов после сварки титана

При использовании содержания данного сайта, нужно ставить активные ссылки на этот сайт, видимые пользователями и поисковыми роботами.
Литература

Трудности обработки титана

Принято считать, что титан поддаётся механической обработке подобно нержавеющим сталям. Это значит, что обрабатывать титан в 4-5 раз труднее, чем обычную сталь, но это всё же не составляет неразрешимой проблемы. Основные проблемы при обработки титана — это большая склонность его к налипанию и задиранию, низкая теплопроводность, а также то обстоятельство, что практически все металлы и огнеупорны растворяются в титане, в результате чего представляет собой сплав титана и твёрдого материала режущего инструмента. Такая обработка вызывает быстрый износ резца.

Для уменьшения налипания и задирания и для отвода большого количества тепла, которое выделяется при резании, применяют охлаждающие жидкости. Точение заготовки производят спомощью резцов из твёрдых сплавов причём скорость обработки, как правило, ниже, чем при точении нержавеющей стали.

Если необходимо разрезать листы из титана, то эту операцию осуществляют на гильотинных ножницах. Сортовой прокат больших диаметров режут механическими пилами, применяяножовочные полотна с крупным зубом. Менее толстые прутки разрезают на токарных станках.

При фрезеровании титан остаётся верным себе и налипает на зубья фрезы. Фрезы тоже изготовляют из твёрдых сплавов, а для охлаждения применяют смазки, отличающиеся большой вязкостью.

При сверлении титана основное внимание обращают на то, чтобы стружка не скапливалась в отводящих канавках, так как это быстро повреждает сверло. В качестве материала для сверления титана применяют быстрорежущую сталь

При использовании титана как конструкционного материала титановые детали соединяют друг с другом и с деталями из иных материалов разными методами.

Основной метод — сварка. Самые первые попытки сварить титанбыли неудачными, что объяснялось взаимодействием расплавленного металла с кислородом, азотом и водородом воздуха, ростом зерна при нагреве, изменениями в микроструктуре и другими факторами, приводимые к хрупкости шва. Однако все эти проблемы, ранее казавшиеся неразрешимыми, были решены в самые короткие сроки в наши дни сварка титана — обычная промышленная технология.

Но, хотя проблемы решены, сварка титана не стала простой и лёгкой. Основная её трудность и сложность заключается в необходимости постоянного и неукоснительного предохранения сварного шва от загрязнения примесями. Поэтому при сварке титана используют не только инертный газ высокой чистоты и специальные бескислородные флюсы, но и разнообразные защитные козырьки, прокладки, которые защищают остывающие.

Чтобы максимально снизить рост зерна и уменьшить изменения в микроструктуре, сварку ведут с большой скоростью. Почти все виды сварки производят в обычных условиях, применяя специальные меры для защиты нагретого металла от соприкосновение с воздухом.

Но мировая практика знает и сварку в контролируемой атмосфере. Такая защита сварного шва обычно необходима при выполнении особо ответственных работ, когда требуется стопроцентная гарантия того, что сварной шов не будет загрязнён. Если свариваемые части не велики, сварку ведут в специальной камере, заполненной инертным газом. Сварщик хорошо видит всё, что ему нужно через специальное окно.

Когда же сваривают большие детали и узлы, контролируемую атмосферу создают в специальных вместительных герметичных помещениях, где сварщики работают, применяя индивидуальные системы жизнеобеспечения. Разумеется, эти работы ведут сварщики самой высокой квалификации, но и обычную сварку титана должны проводить только специально обученные этому делу люди.

В тех случаях, когда сварка не возможна или попросту не целесообразна, прибегают к пайке. Пайка титана осложняется тем, что он при высоких температурах химически активен и очень прочно связан с покрывающей его поверхность — окисной плёнкой. Подавляющее большинство металлов непригодно для использования в качестве припоев при пайке титана, так как получаются хрупкие соединения. Только чистые серебро и алюминий подходят для этой цели.

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.

Сварка аргоном и полуавтоматом

Если будут правильно выполняться все требования и правила аргонодуговой сварки, то можно добиться высокую прочность сварного шва титановой трубы и других конструкций из сплавов. Если же будет нарушена технология сварных работ, то качество соединения заметно снизится.

Для титанового металла в отличие от других цветных металлов требуется аргон высокого качества. Жидкая основа сварного соединения обязательно должна быть полностью защищена от атмосферного воздуха. Кроме этого горячую область рядом со швом требуется предохранять во время процесса кристаллизации и дальнейшего остывания до 427 градусов.

Технология сварки аргоном титана выполняется с учетом следующих рекомендаций:

• сварка аргоном титана должна выполняться на постоянном токе с прямой полярностью;
• в процессе сваривания требуется применять вольфрамовые электроды;
• иногда сваривание титановых сплавов при помощи аргонодуговой сварки может потребовать дополнительные приспособления, через которые будет поступать инертный газ, вытесняя воздух. Данные элементы могут иметь любую форму и размеры;
• сварка при помощи аргоном также выполняется с применением прокладок из меди или стали. В них можно вырезать отверстия для подачи газа;
• соединение труб производится специальными фартуками. Данные элементы могут иметь различные закругления;
• если соединение производится встык или внахлест, при показателе толщины металла не менее 3 мм, то присадочная проволока может не применяться. В этих случаях устанавливается сопло по наибольшему диаметру и увеличивается степень подачи аргонового газа;
• сварка титана со сталью должна выполняться на короткой дуге, при этом не должны быть колебательные движения. А подача присадочного прута должна быть в беспрерывном режиме;
• подача газа после гашения дуги должна продолжаться еще на протяжении 1 минуты. Выполнение данного действия предотвратит окисление шва.

Применять аргонодуговую сварку стоит осторожно

Важно не допускать взаимодействия вольфрамового электрода со сварочной ванной. Это позволит предотвратить проникновение вольфрамовых частиц в область сварного шва

Сварка титана полуавтоматом похожа на аргонодуговое сваривание, но она имеет повышенную экономичность и высокую степень производительности во время соединения заготовок с размером толщины более 1 см.

При полуавтоматической сварке применяется источник тока с обратной полярностью. Сварочная горелка должна быть оснащена дистанционным устройством для регулирования показателей силы тока. Это поможет предотвратить серьезные нарушения сварочного процесса.

Выбор режимов полуавтоматической сварки титана

При полуавтоматической сварке титана используется постоянный ток обратной полярности. При выборе режимов учитывается толщина металла, склонность сплава к росту зерна и подверженность термическому циклу. Чтобы максимально уменьшить рост зерна, стоит выбирать режимы с повышенными скоростями и незначительной погонной энергией. Поскольку титан имеет высокое электрическое сопротивление, сварка проводится с небольшими вылетами электрода. Однако при работе с использованием невысоких токовых режимов есть риск непровара корня шва. Чтобы избежать этого, корень стоит выполнить ручной аргонодуговой сваркой W-электродом, а остальную разделку – сваркой плавящимся электродом. Основное положение – нижнее. Если используется сварка с глубоким проплавлением на повышенных токовых режимах, необходимо использовать гелиево-аргоновую газовую смесь (80% + 20%). Для увеличения пластичности, прочности и устойчивости к образованию трещин сварочные швы требуют дополнительной термической обработки, выбрав режим в зависимости от состава сплава.

Технология и режимы сварки

Ручную сварку титана и его сплавов проводят электродами из вольфрама постоянным током обратной полярности. В ходе работ применяют оснастку и дополнительные приспособления, обеспечивающие защиту рабочей зоны и нагретой области, прилегающей к шву, и значительных отрезком остывающего шовного материала. Это специальные удлиненные насадки с соплами для подачи инертных газов, козырьки, перфорированные подкладные пластины с подачей газа и т.д. При соединении трубопроводов трубы заполняют защитным газом изнутри.

Ручная дуговая сварка

Ручная аргонодуговая сварка чаще всего применяется при изготовлении уникальных изделий или в мелкосерийном производстве, а также при выполнении работ высокой сложности, на которые не получается запрограммировать автомат.

Ручная дуговая сварка

При толщине листа до 3 мм зазор следует выставлять от полмиллиметра до полутора, и сваривать можно без добавления присадочной проволоки. При использовании 1,5-миллиметрового электрода и 2-миллиетровой присадочной проволоки сварочный ток для листов толщиной 2 миллиметра выбирают около 100 ампер, а для листов в 3-4 мм — ток увеличивают до 140 ампер.

Электрод ведут прямо, без колебаний, а наклонен он должен быть вперед по ходу шва. Если используется присадочная проволока, то она должна подаваться непрерывно, а электрод ставится перпендикулярно к заготовке.

После завершения шва и отключения электродуги требуется подавать защитные газы еще как минимум полторы — две минуты, чтобы дать возможность последнему участку шва и околошовной зоны остыть до 400 °С. Такая защита препятствует образованию окислов. Окислившийся шов легко отличим по цвету:

• высококачественный шов — желтый (соломенный);
• окислившийся – серо- черный, с переходом в синеву.

Автоматическая сварка

Автоматическая сварка проводится электродами из вольфрама с применением постоянного тока.

Если используется неплавкий электрод, то рекомендуется применять прямую полярность. Рекомендованный диаметр сопел горелки, подающих защитный газ, должен быть в пределах 12-15 мм.

Розжиг и гашение дуги выполняют не на самой детали, а на расположенных рядом с началом шва планках. Это связано с тем, что в начале и конце работы дуги в ходе переходных процессов возможны броски напряжения, могущие вызвать проплавление основной детали.

Режимы аргонодуговой сварки титана

При сварке титана аргоном работают с металлом толщиной от 0,8 до 3 миллиметров.

Параметры сварки зависят от толщины листа:

• Диаметр электрода 1 -3 мм;
• напряжение 80-130 вольт;
• сила тока 45-220 А;
• скорость ведения электрода 18-22 метров в час;
• расход газа в горелке 6-12 литров в минуту;
• расход в подкладной пластине 3-4 литра в минуту.

Режимы сварки титана под флюсом

При этом методе линия шва посыпается толстым слоем флюсового порошка. Облако инертных газов образуется по мере сгорания флюсового порошка в пламени электродуги и прикрывает как сварочную ванну, так и околошовное пространство.

Схема сварки под флюсом

Метод позволяет работать с более толстыми деталями – до 5 мм для стыковых и угловых соединений, а при сварке внахлест — только до 3 мм. Ток при этом используется от 250 до 330 ампер, рабочее напряжение — 24-38 вольт. Данный метод обеспечивает повышенную скорость сварки — от 40 до 50 метров в час (почти метр в минуту).

Электрошлаковая сварка титановых сплавов

Этот способ применяется реже, но позволяет достигнуть высокой эффективности при соединении заготовок из титановых сплавов с добавлением алюминия и олова. Метод весьма энергоемкий, применяются трехфазные сварочные источники. Сварочные токи достигают полутора тысяч ампер.

Применяются пластинчатые электроды сечением 12×60 мм. Они позволяют получить высококачественный шов, причем шовный материал по своим основным механическим параметрам близок к материалу деталей.

Для прессованных из титана деталей проводят сварку круглыми 8-миллиметровыми электродами. При этом не удается достигнуть столь же высоких прочностных показателей, как для пластинчатых.

При работе данным методом не рекомендуется использовать плавкие электроды из легированных сплавов, ввиду чрезмерного насыщения прессованного материала сварочными газами.

Контактная сварка титана

При контактной сварке электроды не используются для разжигания дуги, их назначение — только подвести электрический ток к рабочей зоне. Дуга разжигается непосредственно между небольшими зонами деталей, сближаемых между собой под давлением электродов. Метод применяется для сварки относительно тонких листов проката в ходе изготовления сосудов, корпусов и т.п.

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.

Титан и его сплавы

Данный металл в природе достаточно распространен. Многие говорят о том, что его мало, но это смотря с чем сравнивать. В любом случае, количество титана в земной коре больше, нежели меди или свинца. Это весьма прочный металл. В чистом виде его прочность достигает 337 МПа, а в сплаве порядка 1 250 МПа. Температура плавления титана – 1668 градусов по Цельсию.

При нормальных температурах он устойчив к коррозии и работает в агрессивных средах. Тем не менее при достижении температуры 400 градусов по Цельсию его эксплуатационные свойства резко падают. Он вступает в бурную реакцию с азотом, начинает окисляться кислородом и водяным паром, что сильно ограничивает сферу его применения. Примечательно то, что материал совершенно не склонен к образованию горячих трещин во время сварки, однако его зерно становится крупнее, что ухудшает технические характеристики металла и качество шва. В принципе, мы немного разобрались с тем, что такое титан. Сварка титана – вот, что еще интересно. Давайте об этом и поговорим.

Особенности сварки титановых сплавов

Температура плавления титана составляет порядка 1500 градусов. При наличии примесей температура плавления может меняться как в большую, так и в меньшую сторону. Металлические сплавы на основе титана обычно сохраняют свою структуры при нагреве до 500 градусов по Цельсию (коррозийная стойкость сохраняется и при более серьезном нагреве).

Необходимо защитить сварной шов, чтобы избежать появления вредоносных оксидов и различных сложных соединений на основе азота и титана. Механизм образования таких соединений следующий:

1. В воздушной атмосфере постоянно присутствуют различные газы — азот, кислород, углекислый газ. В твердом состоянии титан не вступают в химическую реакцию с этими веществами из-за особенностей межатомных связей в титановом сплаве.
2. Во время сварочных работ происходит частичное или полное расплавление титана в локальной области нагрева с последующим объединений расплавленных фрагментов друг с другом (в таком случае между отдельными титановыми деталями образуются прочные межатомные связи, что делает соединение надежным).
3. При нагреве металла также происходит активизация газов, которые находятся в воздушной атмосфере. Из-за этого кислород, азот и прочие газы начинают активно контактировать с расплавленным титаном. Это может вызывать две реакции — механическую и химическую. При механической реакции атмосферные газы проникают вглубь металла, оседают там в виде микроскопических пузырьков. При химической реакции газы контактируют с титаном на субатомном уровне, что приводит к образованию различных оксидов и сложных соединений.

Пузырьки и оксиды оказывают негативное воздействие на качество сварного шва, что снижает его прочность. В случае большой концентрации вредоносных элементов сварное соединение становится ненадежным. Оно растрескивается даже в случае не слишком большой нагрузки, оно заметно чаще покрывается коррозией.

Для повышения качества сварки имеет смысл применять обдувание локальной области различными инертными газами. В таком случае газы будут вытеснять азот и кислород, что будет препятствовать образованию пузырьков и оксидов. Именно поэтому электрошлаковая и сварка аргоном являются оптимальными способами соединения металлических изделий на основе титановых сплавов.