Сварка титана полуавтоматом

Технология сварки титана аргоном в домашних условиях

Титан обладает набором уникальных свойств, благодаря чему используется как в промышленном производстве, так и в медицинских целях. Из него изготавливают легкие детали летательных аппаратов, протезы, не отторгаемые организмом человека. Однако, сварка титана – процесс не из легких. Для упрощения его используются особые приспособления и технологии.

Специфические свойства металла

Титан обладает такими особенностями:

  • самовозгорается в среде кислорода;
  • обладает низкой теплопроводностью;
  • активно вступает в реакции при нагревании до 400°С;
  • поглощает водород, азотируется;
  • быстро окисляется.

Сплавы

Соединения на основе титана плавятся при температуре 1468-1830°С. Элементы отличаются повышенной коррозионной и жаростойкостью. Сплавы легко поддаются закалке при введении снижающих пластичность добавок – ванадия, хрома, марганца.

При нагревании до 400°С металл активно вступает в реакции с азотом и кислородом, находящимися в воздухе. При нагревании до 800°С зернистость и пористость металла возрастает. Потому сваривание деталей из титана должна осуществляться при исключении воздействия окисляющих газов.

Подготовка образцов (кромок)

Перед тем как сварить титан и его сплавы удаляется окисленная пленка – элементы обезжириваются и зачищаются.

Поверхности вдоль кромок обрабатываются на протяжении 10 минут раствором из соляной кислоты (35%), воды (65%) с добавлением 50 г натрия фторида. Смесь нагревается до 70°С.

Затем кромки шлифуются наждачкой или щетками – удаляются трещины и заусенцы.

Какие методы применяют?

Ручной дуговой

Ручная сварка изделий из титана аргоном используется преимущественно в небольшом производстве или при особо сложных работах при невозможности применения автомата.

При сварке электрод ведется прямо, с наклоном в переднюю сторону по направлению шва. Если необходимо применение присадочной проволоки, то она должна поступать постоянно, стержень при этом ставится перпендикулярно к свариваемым элементам.

[stextbox окончании аргонодуговой сварки защитная среда подается еще на протяжении 2 минут – за это время должен успеть охладиться заключительный участок шва.[/stextbox]

Автоматический

Выполняется на постоянном токе с помощью вольфрамовых электродов при прямой полярности. Горелка подбирается с диаметром сопла 12-15 мм.

Дуга возбуждается и гасится не на элементах, а на начальных планках, так как в ином случае возможно проплавление соединяемых изделий.

Электрошлаковый

Способ используется редко, в основном для нержавеющих деталей с добавлением к титану олова или алюминия. Подразумевается применение пластинчатых электродов размером 12х60 мм. С их помощью получается высокопрочный шов. Ток сварки достигает 1,5 кА.

Сварка прессованных изделий выполняется круглыми стержнями сечением 8 мм.

Контактный

Для такого метода титановые электроды требуются только для подвода дуги к рабочей области. Розжиг ее выполняется между соединяемыми зонами изделий, сближающихся при давлении сварочных стержней.

Способ используется для сопряжения тонких листовых изделий.

Под флюсом

Шовная линия покрывается флюсовым порошком. Защищающие газы выделяются в процессе плавления порошка под электродугой, закрывая околошовную область и сварную ванну.

Способ позволяет сваривать элементы толщиной до 5 мм при соединении в угол, при сопряжении внахлест – толщиной до 3 мм. Сварка выполняется очень быстро – со скорость до 50 м/ч.

Холодный

Холодная сварка используется в твердой фазе на обычном воздухе под высоким давлением. Сопряжение осуществляется внахлест. Изделия зажимаются специальными зажимами, после удаления которых происходит деформация титана. Таким образом детали соединяются.

Шовный роликовый

Применяются стержни в форме роликов, катящихся вдоль будущего шва и сжимающие соединяемые элементы. На линию подается мощные токовые импульсы. Проплавленные зоны перекрывают друг друга на 15%, образуя герметичный рубец.

Режимы конденсаторной стыковой сварки титановых труб

Конденсаторный способ сварки титановых труб подразумевает периодическую подачу мощных импульсов, а не постоянную. Защитные газы при этом не требуются. Соединяются трубы сечением до 23 мм с толщиной стенки не выше 1,5 мм.

Ручной процесс

Электроды

При ручной сварке используются вольфрамовые стержни, заточенные под углом 35-40°. При интенсивном применении стержень требуется периодически подтачивать.

[stextbox на больший угол сточен электрод, тем больше глубина проплавки.[/stextbox]

Проволока

Проволока используется только из соответствующего сплава титана. Предварительно она прокалятся под вакуумом для удаления водорода и обязательно защищается от окисления. Такая проволока должна храниться в закрытой тубе не более 5 суток.

Для сварки изделий толщиной до 1,5 мм встык применение присадки необязательно.

Горелка

Горелка применятся со специальными приспособлениями, уберегающими титан от азотирования и окисления. По ГОСТ область соединения должна защищаться от воздействия атмосферного воздуха.

Особенности технологии

Должны обеспечиваться беспрерывное поступление присадки и постоянная скорость перемещения электрода, точность движений.

[stextbox расхода аргона – 5-8 л/мин, на изнаночной стороне рубца – 2 л/мин.[/stextbox]

При соединении труб необходима герметизация их концов, инертный газ поступает от насоса.

Перед тем как сварить титан в домашних условиях, следует знать, что трубы невозможно соединить качественно, за исключением применения конденсаторной сварки. Их можно сопрягать и без инертного газа, параметр зарядного напряжения должен составлять 850-2100 В.

Сварка титана и его сплавов со стальными заготовками – особенности процесса

Сваривание стали с титаном позволяет снизить массу получаемых изделий. Но высокопрочных соединений добиться с помощью полуавтомата невозможно. Проблемы также могут возникнуть и при сопряжении титана с нержавейкой полуавтоматической сваркой.

Применяются следующие методы:

  • сваривание взрывом;
  • диффузионный способ;
  • клинопрессовое сваривание труб;
  • ультразвуковой;
  • контактный.

Контроль качества

Контроль качества можно выполнить визуально. Шов должен быть серебристого цвета и без трещин. Желтоваты рубец свидетельствует о среднем качестве, но приемлемом.

Любые иные оттенки говорят о нарушении технологии и содержании в материале рубца посторонних примесей. Такие соединения не обладают достаточной прочностью.

Возможные дефекты

Самым распространенным дефектом является пористость рубца, появляющаяся при поглощении расплавленным металлом воздушных пузырьков.

Чтобы минимизировать пористость следует:

  • тщательно подготовить поверхности – зачистить их и обезжирить;
  • обеспечить требуемый уровень защиты сварной зоны и ванны.

[stextbox Иванов, сварщик, стаж работы – 15 лет: «Несмотря на сложность процесса, сварка титана достаточно распространена. Выполнить ее в домашних условиях сложно, но возможно. Для этого следует неукоснительно соблюдать технологию и тщательно подбирать присадочные материалы».[/stextbox]

Полуавтоматическая сварка титана и его сплавов

Механизированная дуговая сварка плавящимся электродом (MIG) титана и его сплавов выполняется стандартным оборудованием с дополнительной комплектацией устройствами для газовой защиты зоны сварки.

Марка металла Свариваемость Технологические особенности сварки
ВТ1-00, ВТ1-0, ОТ4-0, ОТ4-1 Хорошая Тщательная зачистка кромок деталей.
Выбор режимов с минимальной погонной энергией. Электродная проволока ВТ1-00св, ВТ2, ВТ2В, ВТ20-1св, ВТ20-2св
ОТ4, ВТ5, ВТ5-1 Удовлетворительная
ВТ6, ВТ3-1, ВТ9, ВТ14, ВТ16, ВТ20 Ограниченная Сварка на мягких режимах с высокой скоростью охлаждения. Электродная проволока ВТ15, СПТ-2, СП-15
ВТ22 Сварка с последующей термообработкой. Электродная проволока ВТ6св, ВТ20-1св, ВТ20-2св, СПТ-2
ПТ-7М, ПТ-3В, ПТ-1M Хорошая Режимы с высокой скоростью охлаждения. Электродная проволока ВТ1-00св, СПТ-2, СП-15

Трудности полуавтоматической сварке титана

Подготовка к полуавтоматической сварке

Раскрой на заготовки и подготовка кромок чаще всего проводятся механическими способами. Если изделия являются толстостенными, можно провести разделительную резку и подготовку кромок газотермическими методами, но затем надо обязательно обработать кромки механически на глубину как минимум 3-5 мм.
Для зачистки кромок на ширину 15-20 мм используются металлические щетки, шаберы и прочие приспособления. Обязательным является последующее обезжиривание кромок.
Если перед сваркой проводилась вальцовка, ковка, штамповка или другие виды термообработки, необходимо очистить поверхности гидропескоструйным или дробеструйным аппаратом (подробнее см. Очистка поверхности металла перед сваркой).

После этого они подвергаются химической обработке:

  • рыхлению оксидной пленки;
  • травлению;
  • осветлению.
Режимы химической обработки титана и его сплавов
Раствор Длительность обработки, мин
Назначение Состав (на 1 литр воды)
Рыхление оксидной пленки Нитрит натрия 150-200г; Углекислый натрий 500-700 г 120
Травление Плавиковая кислота 220-300 мл; Азотная кислота 480-550 ил 60-1200
Осветление Азотная кислота 600-750 мл; Плавиковая кислота 85-100 мл 3-10

После того, как свариваемая поверхность химически обработана, свариваемые кромки на 20 мм промываются бензином и протираются ацетиленом или этиловым спиртом. Сварочная пленка на предварительном этапе подвергается вакуумному отжигу, а затем – обезжириванию
Сварка проводится в специальных приспособлениях, либо на прихватках, выполненных ручной аргонодуговой сваркой W-электродом. Когда свариваемые поверхности уже готовы к работе, к ним нельзя прикасаться незащищенными руками.

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.

Техника полуавтоматической сварки титана

При механизированной сварке титана плавящимся электродом в инертных газах особые сложности связаны с обеспечением надежной защиты зоны нагрева. Поэтому, если применяется этот метод сварки, работа проводится в специальных камерах, где контролируется атмосфера.
Сварка в монтажных условиях проводится импульсно-дуговым способом, что обеспечивает более высокую производительность, чем альтернативный вариант – ручная сварка неплавящимся электродом при одновременном снижении погонной энергии в 2-2,5 раза.
В некоторых случаях используется вакуумная сварка титана и его сплавов, главным преимуществом которой является чистота металла шва, в котором не образуются примеси из неметаллических элементов и газов.
Режим сварки и ее техники необходимо выбрать так, чтобы обеспечить устойчивое горение дуги с минимумом разбрызгиваний. Для этого необходим струйный перенос электродного металла. Важно выбрать оптимальное соотношение сварочного тока, скорости подачи электродной проволоки, дугового напряжения и вылета электрода.

Газовая защита

  • 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.

Технологии сварки титана и титановых сплавов

Титан обладает очень большой твердостью, неплохой коррозионной стойкостью. Из этого металла делают высокопрочные детали для танков, кораблей, автомобилей, оборудование для медицинского сектора, трубы. Сварка титана проводится аргонодуговым методом, поскольку он минимизирует вероятность образования вредоносных оксидов, которые негативно влияют на прочность сварного шва.

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.

Подготовительные работы

Чтобы шов получился прочным, необходимо провести подготовительные работы:

  • Большинство металлических изделий из титана покрыты защитной пленкой оксидно-нитратного типа. Пленка появляется естественным образом во время тепловой обработки металлов. Перед сваркой необходимо избавиться от этой пленки, поскольку из-за нее будет снижаться качество. Для этого необходимо выполнить травление металла в смеси на основе фторида натрия (1 часть), воды (13 частей) и соляной кислоты (7 частей). Время травления — не более 10 минут, температура — порядка 50-60 градусов.
  • Также перед проведением сварочных работ необходимо зачистить край металлического объекта, где будет пролегать сварной шов. Для очистки рекомендуется использовать металлические щетки высокой жесткости. Помимо края рекомендуется также выполнить зачистку участка, который располагается в радиусе 1,5-3 сантиметров от стыка. После проведения очистки нужно не забыть сделать обезжиривание металла (с помощью спирта или любого другого реагента).
  • Перед работой также рекомендуется подобрать пруток, который будет выступать в качестве основы для сварного шва. Химический состав прутка имеет первостепенное значение. Сварной пруток и детали для сварки должны обладать примерно одинаковым составом, чтобы шов получился прочным. Чем сильнее отличается состав, тем выше будет шанс появления трещин и дефектов.

Сварка титана полуавтоматом

Соединение отдельных титановых элементов осуществляется с помощью электрической дуги, которая создается вольфрамовым электродом. Преимущества: простота работ, высокая скорость застывания сварного шва.

Рекомендуется использовать постоянный ток прямой полярности. Это значительно ускоряет плавление титановых краев, что минимизирует шанс появления вредоносных оксидов. Гашение и зажигание горелки рекомендуется выполнять вне свариваемого объекта на специальных планках.

Обратите внимание, что сварка титана полуавтоматом может привести к образованию оксидов и кислородных пузырьков в металле. Для минимизации последствий такого сценария рекомендуется обрабатывать шов инертным газом (аргон).

Сварка титана аргоном

Методика аналогична предыдущему методу. Два объекта из титана приближаются друг к другу, за счет электрической дуги происходит локальное расплавление металла с последующим соединением.

Главное отличие этого метода заключается в том, что в аргонодуговых сварочных аппаратах подача защитного инертного газа автоматизирована. К горелке отдельных блоком подключается газовый баллон с аргоном. Во время сварки происходит автоматическое распыление защитного газа через сопло. Одновременно с этим происходит генерация электрической дуги с помощью вольфрамового электрода. Этот метод обеспечивает высокую степень защиты от образования оксидов и пузырьков. Оборудование стоит достаточно дешево, сварщику не нужен большой опыт.

Электрошлаковая

Для титановых сплавов с большим содержанием олова или алюминия можно очень часто используется технология электрошлаковой сварки. Эта технология является достаточно сложной, а для ее освоения рекомендуется получить соответствующее образование. Основные особенности электрошлаковой технологии:

  • Для больших деталей с крупными сечениями рекомендуется применять флюсы в среде аргона. Это обеспечит высокое качество защиты деталей.
  • При сварке небольших деталей флюсы можно не использовать. Оптимальные технические параметры работы: сила тока — 1700 ампер, напряжение — 15 вольт, расход аргона — около 7 литров в минуту.
  • Для прессованных профилей электрошлаковую сварку лучше не использовать. Прочность в данном случае будет достаточно низкой в сравнении с альтернативными технологиями.

Контактная

Применение контактной технологии может быть вполне оправдано, если вам нужна сварка титановых труб. Основные особенности:

  • Для сварки контактным методом подходят трубы, у которых диаметр составляет 1-2,5 сантиметра, а толщина стенок — около 1 миллиметра. Такие трубы не нуждаются в защите инертными газами.
  • Оптимальное зарядное напряжение в данном случае — 900 вольт (для труб 10 мм X 1 мм) либо 2000 вольт (для труб 25 мм X 1,5 мм).
  • Перед сваркой необходимо обязательно выполнить травление кромок труб.

Качество

После проведения сварочных работ необходимо выполнить контроль качества. Для этого необходимо выполнить осмотр шва: главные параметры здесь — это цвет и его структура.

Цвет шва

Серебристый цвет с характерным ярким отливом

Очень высокое качество шва. В естественных условиях чистый титан обладает бело-серебристым цветом. Поэтому серебристый цвет шва указывает на то, что во время сварки в состав металла не попали какие-либо посторонние примеси. Такой шов не растрескается со временем, не покроется коррозией, не деформируется под действием высоких нагрузок.

Белый или желтоватый

Высокое или хорошее качество. Желтый цвет шва указывает на то, что во время сварки в металле произошло окисление с образованием простых оксидов на основе титана. Однако таких оксидов в металле образовалось не слишком много. Поэтому качество сварного шва находится на достаточно высоком уровне. То есть такой шов без проблем выдержит средние и высокие физические перегрузки, не растрескается со временем. Выдержит воздействие не агрессивной коррозийной среды.

Рыжий, коричневый, серый, черный, синеватый

Плохое качество шва. Подобный цвет указывает на то, что во время сварки образовалось большое количество оксидов, а также соединений на основе азота и титана. Такой шов является крайне ненадежным. Он растрескается при перегрузках, может покрыться ржавчиной и окалиной. По ГОСТ детали с таким качеством шва не допускаются к эксплуатации. Требуется демонтаж шва, проведение повторной сварки с удалением поврежденного фрагмента, переплавка сварной конструкции.

Структура

В случае проведения качественной сварки шов должен получиться ровным и однородным, без каких-либо уплотнений и без деформированных участков. Если в области шва образовалось большое количество неровностей (небольшие вмятины, уплотнения, бугорки-точки и так далее), то это может указывать на то, что при сварке пузырьки воздуха (кислород, азот, углекислый газ) проникли в толщину сплава. Подобный сценарий является достаточно негативным, поскольку пузырьки воздуха плохо влияют на твердость сварного шва.

Заключение

Титан представляет собой прочный тугоплавкий металл. Детали из титановых сплавов можно соединять друг с другом с помощью сварки. Основные технологии — сварка титана аргоном или полуавтоматом, электрошлаковый метод и другие. Во время сварки рекомендуется проводить обработку сварной поверхности инертным газом, чтобы минимизировать риск появления вредоносных оксидов и пузырьков в металле. Качество можно определить по цвету и структуре сварного шва.

Используемая литература и источники:

  • Николаев Г. А. Сварка в машиностроении: Справочник в 4-х т. М.: Машиностроение, 1978.
  • Полькин И. С. Упрочняющая термическая обработка титановых сплавов. M.: Металлургия, 1984.
  • Welding and Manganese: Potential Neurologic Effects. The inhalation of nano particles National Institute for Occupational Safety and Health.

Технология сварки титана и его сплавов

Температура плавления титана 1668°С. Имеется около 20 сплавов

Марка

Свариваемость

Технологические особенности сварки

BT1-00, ВТ1-0, ОТ4-0, ОТ4-1

Зачистка кромок
Режим с минимальной погонной энергией

ВТ6, ВТ3-1, ВТ9, ВТ14, ВТ16, ВТ20

Мягкий режим с малыми скоростями охлаждения

Режим с высокой скоростью охлаждения

Трудности при сварке

Высокая химическая активность металла при высокой температуре, особенно в расплавленном состоянии. Поэтому необходима надежная защита от воздуха не только сварочной ванны, но и остывающих участков шва и околошовной зоны, пока их температура не снизится до 250-300°С. Требуется защита и обратной стороны шва даже в том случае, если металл не расплавлялся, а только нагревался выше этой температуры.

Склонность титановых сплавов к росту зерна металла в нагретых до высоких температур участках. Это затрудняет выбор режима сварки — такого, при котором нагрев околошовной зоны был бы минимальным.

Высокая температура плавления титана требует применять концентрированные источники нагрева. Низкая теплопроводность титана приводит к снижению эффективности источника нагрева по сравнению со сваркой сталей.

Поры и холодные трещины сварных соединений титана возникают из-за вредных газовых примесей и водорода. Поэтому необходимо обеспечить чистоту основного металла и сварочных материалов, в том числе присадочной проволоки.

Вблизи точки плавления поверхностное натяжение титана в 1,5 раза выше, чем алюминия, что позволяет формировать корень шва на весу. Однако расплавленный металл обладает низкой вязкостью, и при некачественной сборке деталей могут образоваться прожоги.

ГАЗОВАЯ ЗАЩИТА СВАРОЧНОЙ ВАННЫ

Существуют три варианта защиты:

  • струйная с использованием специальных приспособлений
  • местная в герметичных камерах малого объема
  • общая в камерах с контролируемой атмосферой (ВКС-1, ВУАС-1, УСБ-1)

При аргонодуговой сварке титана W-электродом следует применять сварочные горелки с возможно большим газовым соплом, создающим обширную зону защиты. Поток аргона через сопло должен быть ламинарным, что достигается газовыми линзами, установленными внутри сопла. Расход газа в зависимости от режима сварки колеблется от 8 до 20 л/мин. Если сопло горелки не гарантирует надежной защиты, то его дополняют специальной насадкой, коробом или другим приспособлением. Дополнительные защитные устройства изготавливают из нержавеющей стали. Внутри имеются рассекатели и газовые линзы. Насадка, прикрепляемая к газовой горелке для защиты кристаллизующейся сварочной ванны, должна иметь ширину 40-50 мм и длину от 60-120 мм в зависимости от режима сварки. Для сварки трубчатых конструкций, кольцевых поворотных и неповоротных стыков применяют местные или малогабаритные защитные камеры.

1- дополнительная насадка; 2 — газовая линза

Качество защиты определяют по внешнему виду металла шва. Серебристая или соломенного цвета поверхность шва свидетельствует о хорошей защите. Желто-голубой цвет указывает на нарушение защиты, хотя в отдельных случаях такие швы считаются допустимыми. Темно-синий или синевато-серый цвет с пятнами серого налета характеризует низкое качество шва.

ГАЗОВАЯ ЗАЩИТА НАГРЕТЫХ УЧАСТКОВ

Специальная подкладка для защиты корня шва, нагретого до 250-300°С

Защитные приспособления из нержавеющей стали для тавровых и угловых соединений

ЗАЩИТА ШВА ТРУБОПРОВОДА

Защита при приварке фланца

Защита при сварке секционных отводов

Подготовка к сварке

Резку титана и подготовку кромок под сварку выполняют механическим способом. Для толстостенных изделий пригодны и газотермические способы, но с обязательной последующей механической обработкой кромок на глубину не менее 3-5 мм и на ширину 15-20 мм. После этого кромки зачищают металлическими щетками, шабером и т.п. и обезжиривают. Конструкции, которые перед сваркой испытывали нагрев — при вальцовке, ковке, штамповке и т.д. — должны быть подвергнуты дробеструйной или гидропескоструйной очистке и затем химической обработке: рыхлению оксидной пленки, травлению и осветлению.

Режим химической обработки титана и его сплавов

Раствор

Длительность обработки, мин

Назначение

Состав

Рыхление оксидной пленки

Нитрит натрия 150-200 г/л Углекислый натрий 500-700 г/л

Плавиковая кислота 220-300 мл/л Азотная кислота 480-550 мл/л

Азотная кислота 600-750 мл/л Плавиковая кислота 85-100 мл/л

После этого свариваемые кромки промывают бензином на ширину 20 мм и протирают этиловым спиртом или ацетоном.

Сварочную проволоку предварительно подвергают вакуумному отжигу и обезжиривают ацетоном или спиртом. Окисленную часть удаляют кусачками. Поверхности, подготовленные к сварке, нельзя трогать незащищенными руками.

Выбор параметров режима

Сварку титана и его сплавов рекомендуется вести в отдельном помещении. Температура воздуха в нем должна быть не ниже + 15°С, а скорость его движения — не более 0,5 м/с.

Сварку выполняют на постоянном токе прямой полярности непрерывно горящей или импульсной дугой. Используют аргон высшего сорта и гелий высокой чистоты.

Сварочный ток выбирают в зависимости от толщины свариваемого изделия и диаметра W-электрода.

Техника сварки

Основное пространственное положение шва — нижнее. Ручную сварку ведут без колебательных движений горелкой, короткой дугой, «углом вперед» Проволоку подают непрерывно, угол между ней и горелкой поддерживают около 90°.

Как правило, в качестве присадка используют проволоку того же химического состава, что и основной металл (BTl-00св, ВТ20-1св и т.д.). Для большинства сплавов годится проволока марок СПТ-2 и СП-15.

Технология сварки титана и его сплавов

Автор: Игорь

Дата: 30.01.2019

  • Статья
  • Фото
  • Видео

Титан как материал открыли в конце 18 века, к его изучению приступили в начале 19, а интенсивно использовать начали к концу 20 столетия. Способствовало этому появление новых технологий, позволяющих проводить обработку сплавов, таких как литье, прокат, сварка титана. Благодаря низкой плотности, всего 4,51 г/ см³ (при прочности 450-1400 МПа, примерно равной прочности сталей, вес составляет на 60% меньше), стойкости к окислению и инертности ко многим агрессивным растворам титан широко используется в авиа- и автомобилестроении, технике, медицине, высоких технологиях.

Большое количество изделий предполагает необходимость использования такой технологии как сварка титана и его сплавов. Исходя из его свойств, можно сказать, что это целое направление металловедов, поскольку он является одним из самых сложных среди всех металлов.

Процесс сварки титана

Особенности сварки титана и сплавов на его основе

Важно! Защита инертными газами должна проводиться до остывания сварного соединения до 250 °С, по всему шву и околошовной зоне

Возникающие трудности при сварке титана схожи по аналогии с алюминием. Но первый более активный металл и образует нежелательные соединения уже при температурах свыше 250 °С. Проблема состоит в том, что это элементы, составляющие воздух:

  • N2;
  • СО2;
  • О2;
  • Н.

Однако особенности сварки титана имеют и преимущества. Несмотря на t плавления 1470-1825 °С для разогрева требуется меньшее количество тепла.

Чистые металлы никогда не используются — их параметры обладают низкими показателями. А вот добавление в них других элементов позволяет получить сплавы с широким диапазоном свойств. Для структуры чистого титана характерны 2 стабильные фазы, при которых различается кристаллическая решетка:

  1. α-фаза до t 882 °С. В этом периоде t мелкозернистая структура стабильна и нечувствительна к быстрому охлаждению.
  2. β-фаза переход при t 883 °С. Характеризуется крупным зерном и чувствительностью к быстрому охлаждению.

С изменением структуры меняются свойства самого сплава. Обеспечить определенный тип структуры могут присадки следующих элементов:

    • α-фаза — Al, O2, N2;
    • β-фаза — Cr, Mn, V.

Особенно сложная сварка титана в домашних условиях. Причем обработке подлежит ограниченное количество сплавов. В зависимости от легирующих элементов, сплавы делятся на 3 категории:

  1. ВТ1, ВТ5 — нечувствительны к скорости охлаждения. Высокая пластичность, способность к свариванию. Термообработка не проводится.
  2. ОТ4, ВТ3, ВТ4, ВТ6, ВТ8 — возможно упрочнение термообработкой. При небольших добавках не нуждаются в термообработке.
  3. ВТ15, ВТ22 — стали свариваются, но с потерей прочности из-за роста зерна, склонны к трещинообразованию. Необходима термообработка.

Способы сварки титана и сплавов на его основе

Способы и технологии

Высокая активность металла с газами определяет способы сварки титана. Их количество предоставляет право выбора, но при любом из них должна обеспечиваться защита металла, нагретого выше 400 °С. Самым практичным считается сварка титана аргоном. Поскольку металл разогревается с обеих сторон, свариваемой деталь также должна быть со всех боков защищена. Для этого она обрабатывается инертным газом с помощью подкладных планок для подачи Ar:

  1. Аргонодуговая с вольфрамовым электродом или проволочными с использованием флюса, или пластинчатыми под флюсом и аргоном, для толстостенных деталей используется присадка для сварки титана.
  2. Шлаковая под флюсом.
  3. Электроннолучевая или контактная. Используется специализированное оборудование для сварки титана.

Подготовка титана к сварке

Она заключается в прогреве флюсов до t 200-300 °С, термической обработке присадочной проволоки в вакууме при t до 1000 °С в течение 4 часов (срок хранения составляет 6 часов). Проволока зачищается аналогично кромкам после травления.

Поверхность кромок должна пройти травление при t 60-65 °С в течение 10 минут с использованием раствора, состоящего из кислот:

  • соляная HCl — 350 мл;
  • дистиллированная вода — 650 мл;
  • фторид натрия — 50 г.

После чего проводится механическая зачистка наждачкой №12, щетками (нержавеющими).

Ручная дуговая сварка

Наиболее распространенная сварка титана аргоном, технология предполагает самое большее количество вариантов. При работе с W-электродом Ø 0,5-1,5 мм присадки не используются. Увеличение диаметра более 1,5 мм увеличивает зону расплава. Чтобы минимизировать расход металла при выдувании, добавляют проволоку. Присадка, чтобы снять оксидный/альфированный слой, проходит вакуумный отжиг и зачистку. Для частичного рафинирования (процесс загущения шлака для снижения его активности взаимодействия с расплавом) используются фтористо-кальциевые флюсы АН-ТА, АНТ17А.

Сварка титана полуавтоматом плавящимся электродом происходит в аргоно-гелиевой среде в соотношении 20:80 или 100% гелия (он обеспечивает защиту широкого шва). При работе с инвертором подключение проводится по прямой полярности. Проволока для сварки титана аргоном используется для толстостенных деталей.

Электрошлаковая сварка

Способ для получения мелкого зерна. Технология сварки титана и его сплавов уже хорошо изучена, поэтому разработано большое количество добавочных материалов для ее реализации. В зависимости от условий технологии, проводить ее можно под защитой сухого гранулированного фтористого флюса:

  • h 2,5-8,0 мм — АНТ-1 или АНТ-3;
  • h ≥ 8,1 — АНТ-7.

Сварка плавящимся эл-дом (проволока для сварки титана Ø 2,0-5,0 мм) с жалом эл-да 14-22 мм. Защита обратной стороны детали проводится с помощью медной или флюсо-медной подушки. Также применяются эл-ды пластинчатые аналогичного сплава (ширина = толщине детали, толщина — 8-12 мм). Флюсы — фторидные АНТ-2/4/6. Дополнительно шов защищают аргоном.

Контактная сварка

Используется специализированное оборудование. Благодаря плотному прилеганию поверхностей и быстрому процессу защита газами не проводится для точечной сварки. Для остальных видов — шовной и стыковой — используется чистый аргон. К высокотехнологичному, но малодоступному из-за техники, методу относится и электроннолучевая сварка титана.

Схема сварки титана в камерах и боксах с контролируемой средой

Трудности при сварке титана и способы решения

Важно! Не используйте для зачистки поверхности металлические прутки, частицы железа внедряются в металл, после чего начинают коррозировать. Для этой цели нужна щетка исключительно с нержавеющим ворсом

Контроль сварки титана можно вести и визуально: уже при комнатной температуре он способен растворять кислород, который образует твердый альфированный слой на поверхности, но именно он и предотвращает его от дальнейшей коррозии. Степень окисления можно узнать по цвету поверхности:

    • минимальная — золотисто-желтый;
    • средняя — темно-фиолетовый;
    • насыщенная — белый.

Особенности сварки алюминия и титана связаны с их сродством с кислородом (у алюминия оно выше на один порядок), но зато титан при нагреве до температуры 500 °С активизирует процесс образования нитридов (бурная активность с азотом). Как результат, повышается прочность и теряется пластичность, появляется хрупкость, образуются трещины.

Водород отлично растворяется в жидком металле. И несмотря на то, что при охлаждении он выделяется из раствора, — такие реакции крайне разрушительны. Они образуют пористость и склонность к разрушению швов (медленное, поэтому и плохо прогнозируемое).

Для титановых сплавов характерны все те же дефекты околошовной зоны, что и для углеродистых, но с той лишь разницей, что здесь легче образуется крупное зерно. Поэтому каждая технология сварки титана предупреждает его развитие.

Заключение

При соблюдении всех правил проводимая сварка титана по ГОСТ Р ИСО 5817-2009 обеспечивает прочность соединения 60-80% от значения основного металла. Здесь можно найти требования, предъявляемые к различным видам сплавов на основе Ni, Ti, Fe, а также определить возможность получения брака в готовом изделии. Самым распространенным методом благодаря доступности оборудования считается аргонодуговая сварка титана.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: