Сварка титана и титановых сплавов. Как и чем варить титан и его сплавы?

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.

Основное условие для качественной сварки титана — это необходимость надёжной
защиты зоны сварки и обратной стороны шва от вредного воздействия атмосферного
воздуха. При этом, защищать нужно не только сварочную ванну, но и те участки
металла, температура нагрева которых превышает 400°C. Кроме этого, необходимо
обеспечить минимальный по времени нагрев свариваемых кромок.

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.

Сварка титана и титановых сплавов. Как и чем варить титан и 
  его сплавы?

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.

В связи с высокой активностью титана, зажигание и гашение горелки необходимо
производить вне свариваемого изделия — на специальных планках. Также, как и
при ручной сварки, после гашения дуги защитный газ необходимо подавать ещё в
течение, примерно 1мин, чтобы предотвратить окислении шва и переходной зоны.
Рекомендуемые режимы сварки титана для автоматической
сварки в защитных газах и автоматической
сварки под флюсом представлены в таблицах ниже:

Режимы автоматической аргонодуговой сварки титана

Толщина металла, мм Диаметр вольфрамового электрода, мм Напряжение, В Сила тока, А Скорость сварки, м/ч Расход аргона, л/мин
В горелке В подкладке с обратной стороны шва
0,8 1,0-1,5 8-10 45-55 18-25 6-8 3-4
1,0 1,5 10-12 50-60 18-22 6-8 3-4
1,2 1,5 10-12 55-65 18-22 6-8 3-4
1,5 1,5 11-13 70-90 18-22 9 3-4
1,8 1,5 11-13 80-100 18-22 9 3-4
2,0 1,5-2,0 11-13 110-130 18-22 9 3-4
2,5 2,0-2,5 11-13 150-180 20-22 9-12 3-4
3,0 2,5-3,0 12-13 200-220 20-22 9-12 3-4

Режимы дуговой сварки титана под флюсом

Толщина металла, мм Тип соединения Сила тока, А Рабочее напряжение, В Скорость сварки, м/ч
3-5 Стыковое 250-320 24-38 50
3-5 Угловое 250-300 32-36 40-50
2-3 Внахлёст 250-300 30-35 40

Электрошлаковая сварка титановых сплавов

На практике широкое распространение получила электрошлаковая сварка титановых
сплавов, в частности, сплава ВТ5-1, в состав которого входит титан, легированный
до 5% алюминием и до 3% оловом. Изготавливается сплав, преимущественно, прессованием
с последующей прокаткой до тонких листов, а также ковкой заготовок крупных сечений.

Технология сварки деталей крупных сечений из сплава ВТ5-1 наиболее сложна,
но вполне выполнима электрошлаковой сваркой под флюсом АН-Т2 в среде аргона.
Источник переменного тока — трёхфазный трансформатор, должен обладать жёсткой
характеристикой.

Для сварки поковок небольшого размера (60х60мм) рекомендуются следующие режимы
сварки: сила тока 1600-1800А, напряжение дуги 14-16В. Рекомендуемый зазор между
кромками свариваемых поковок составляет 26мм, масса засыпанного флюса 130г и
расход аргона 8л/мин.

Такие режимы, при условии использования пластинчатого электрода размером 12х60мм,
обеспечивает стабильный процесс и удовлетворительное качество сварного соединения,
не уступающего по прочности основному металлу.

При сварке прессованных профилей крупного сечения на таких же режимах электродом
толщиной 8мм прочность сварного соединения оказывается несколько ниже (примерно,
80-85% от прочности основного металла) из-за применения пластинчатых электродов
из нелегированного сплава ВТ1-1. А применять легированные электродные сплавы
не рекомендуется, т.к. они не обеспечивают достаточной пластичности соединения,
потому что прессованный металл сильно насыщен газами.

Контактная сварка титана

По опытным данным, впервые проверенным на практике Забурдиным М.К., Захаренко
В.Ф. и др., оптимальная скорость оплавления, при сварке больших заготовок, составляет
2-2,5 мм/сек. Более высокая скорость оплавления приводит к снижению прочности,
даже при защите аргоном.

Перед сваркой торцы лучше всего фрезеровать или зачищать наждачной бумагой.
Из-за склонности титана к перегреву, величина осадки выбирается на 15-20% больше,
чем для сварки углеродистых сталей.

Режимы стыковой сварки титана

Ориентировочные режимы стыковой сварки титана при начальной скорости оплавления
0,5мм/сек представлены в таблице ниже:

Площадь свариваемого сечения, мм Давление осадки, МН/М2 Вылет заготовки из электродов, мм Припуск, мм на Скорость оплавления, мм/сек Сила тока оплавления, А
оплавление осадку
150 2,9 менее 25 8 3 6 1,5-2,0
250 4,9-7,8 25-40 10 6 6 2,5-3,0
500 9,8-14,7 45 10 6 6 5,0-7,0
1000 20-24 50 12 10 5 5
1500 29-59 60 15 10 5 7,5
2000 39-98 65 18 12 5 10
2500 49-147 70 20 12 5 12,5
3000 98-196 100 22 14 4 15,0
4000 147-294 110 24 15 4 20,0
5000 196-392 130 26 15 3,5 25,0
6000 343-490 140 28 15 3,5 30,0
7000 294-490 150 30 15 3,0 35,0
8000 343-588 165 35 15 3,0 40,0
9000 441-882 180 40 15 2,5 45,0
10000 490-981 180-200 40 15 2,5 50,0

Режимы точечной сварки титана

Титановые листы или пластины, толщиной до 4,0мм могут быть успешно сварены
точечной и шовной (роликовой) сваркой. Высота литого ядра равно 80-90% от суммарной
толщины листов. Приблизительные режимы точечной сварки титана представлены в
таблице:

Толщина листов, мм Диаметр контактной поверхности электрода, МН/м2 Усилие на электродах, Н Продолжительность прохождения тока, с Время сжатия деталей, с Сила тока, А
0,8 4,0-4,5 1960-2450 0,1-0,15 0,1 7000
1,0 4,5-5,0 2450-2950 0,15-0,2 0,3 8000
1,2 5,0-5,5 3150-3440 0,2-0,25 0,3 8500
1,5 5,5-6,0 3935-4915 0,25-0,3 0,4 9000
2,0 6,0-7,0 4915-5895 0,25-0,3 0,4 10000
2,5 7,0-8,0 5895-6875 0,3-0,4 0,4 12000

Режимы шовной (роликовой) сварки титана

Толщина листов, мм Ширина шва, мм Усилие на роликах, Н Продолжительность сварки, с Скорость сварки, м/мин Сила тока, А
импульс пауза
0,8+0,8 3,5-4,0 2950 0,1-0,12 0,18-0,20 0,8-1,0 6000
1,0+1,0 4,5-5,5 3935 0,14-0,16 0,24-0,28 0,6-0,8 7500
1,5+1,5 5,5-6,5 4915 0,20-0,24 0,3-0.4 0,5-0,6 10000
2,0+2,0 6,5-7,5 6385 0,24-0,28 0,4-0,5 0,4-0,5 12000
2,5+2,5 7,0-8,0 7855 0,28-0,32 0,6-0,8 0,3-0,4 15000

Режимы конденсаторной стыковой сварки титановых труб

Трубы из титана марки ВТ1-2, диаметром 10-23мм и толщиной стенки 1,0-1,5мм
можно успешно сваривать конденсаторной стыковой сваркой без газовой защиты.
Перед сваркой необходимо провести травление сварных кромок, о чём уже говорилось
выше по тексту. Режимы сварки для титана марки ВТ-1-2 даны в таблице:

Диаметр трубы, мм Ёмкость, мкф Зарядное напряжение, В Усилие осадки, Н Вылет трубы из вкладышей, мм Коэффициент трансформации
10х1 5000 850-900 8935-9805 1,0-1,5 84
23х1,5 7000 2000-2100 22565-24035 1,2-1,8 84

Оптимальный вылет для труб диаметром 10мм составляет 1-1,5мм, а для трую диаметром
23мм — 1,2-1,8мм. При вылете труб менее 0,8мм происходит выплеск расплавленного
металла, а при вылете более 2,2мм смещаются торцы и получается непровар. При
усилии осадки менее 20,7кН получается непровар. При зарядном напряжении менее
чем 1900В, также происходит непровар, а при напряжении выше 2200В выплёскивается
жидкий металл. Оплавление происходит внутри трубы в виде венчика высотой до
1,5мм и толщиной не более 0,3мм.


Источник

Author: serj