Специфичность сварки титановых конструкций

Виды сварки

В неких узкоспециализированных областях индустрии требуется сварка титана для производства металлоконструкций завышенной прочности.

Титановые детали характеризуются неповторимым набором эксплуатационных характеристик, но сварить их можно далековато не всеми всераспространенными методами.

Специальные характеристики титана

Титановые конструкции делают методом сварки разными методами. Более всераспространена из их сварка титана аргоном.

Сплавы титана и их свариваемость.

Но охватить все аспекты сварочного процесса трудно, если не осознавать специфичных параметров этого сплава:

• плотность материала составляет 4,51 г/см³;
• крепкость сплава варьируется от 267 до 337 Мпа;
• температура плавления равна 1668 ºС;
• склонность к самопроизвольному возгоранию в кислородной среде;
• низкая теплопроводимость;
• способность к активности при нагреве до температуры наиболее 400 ºС;
• способность активно всасывать водород, давать бурную реакцию при контакте с азотом;
• склонность к резвому окислению под действием углекислого газа, паров воды.

На заметку! Титан не причисляют к группы редчайших металлов, потому что размер его залежей в земной коре существенно превосходит подобные характеристики, например, свинца либо цинка.

Технологии сварки

Не каждую пользующуюся популярностью сварочную технологию можно применить к титану, поэтому что он химически активен. При попадании в рабочую зону постороннего соединения, например, нитридов, оксидов, карбидов, резко понижается свойство сварного шва.

Разработка аргоно-дуговой сварки.

Последующие методы употребляют для сварки титана:

• дуговая под флюсом;
• прохладное сваривание;
• плазменно-дуговая;
• разработка сварки титана аргоном ‒ более всераспространенный способ работы с титановыми конструкциями.

Работать с титаном можно с помощью ручного аппарата либо полуавтомата в сочетании с не плавящимися электродами, титановой проволоки, флюсов.

С целью понижения издержек электроэнергии, сокращения зоны термовоздействия, сведения к нулю риска возникновения пор в сварных швах и увеличения защитных параметров материала к действию воздуха во время выполнения сварочных работ употребляются бескислородные фторидно-хлоридные флюсы.

В процессе дугового сваривания титановых сплавов в инертных газовых средах используются вольфрамовые электроды. А при автоматической в аргоне – присадка для титана, вылет которой не превосходит 2-2,5 см.

Процесс сварки титановых сплавов.

Ручную аргонодуговую сварку вольфрамовыми электродами производят неизменным током с прямой полярностью. При работе с метоллозаготовками шириной до 4 см ток не может превосходить 170 А, а с шириной порядка 12 мм животрепещущ способ прохладного сваривания титана плазмой.

Во время соединения железных изделий большей толщины, сварные операции производятся в несколько проходов.

Плазменное сваривание конструкций из сплава не плавящимся электродом обеспечивает наиболее высшую производительность по сопоставлению с классической аргонодуговым свариванием. Доп плюсом технологии является наиболее низкие характеристики деформаций свариваемой заготовки.

Перед электросваркой материал требуется приготовить, обработав соединяемые кромки механическим методом либо травлением веществом кислот на ширину, наименее 20-25 мм от края. Дальше принципиально кропотливо обезжирить пространство грядущей работой и протравить его.

Если избран механический путь обработки кромок, пригодятся крутящиеся железные щетки, шаберы, шлифовальная шкурка либо остальные приспособления, дозволяющие достигнуть требуемого уровня чистоты сварной поверхности.

Механические щетки можно сделать в домашних условиях из нержавеющей металлической проволоки с поперечником 0,2-0,3 мм.

Итоги

Титан соединяет в для себя неповторимые физические свойства, что завлекает к нему почти все производственные компании различных отраслей индустрии. Но сварные работы с таковым сплавом необходимо делать с учетом его специфичных свойств.

Разработка сварки титана и его сплавов

Титан как материал открыли в конце 18 века, к его исследованию приступили в начале 19, а активно употреблять начали к концу 20 столетия. Содействовало этому возникновение новейших технологий, позволяющих проводить обработку сплавов, таковых как литье, прокат, сварка титана. Благодаря низкой плотности, всего 4,51 г/ см³ (при прочности 450-1400 МПа, приблизительно равной прочности сталей, вес составляет на 60% меньше), стойкости к окислению и инертности ко почти всем брутальным растворам титан обширно употребляется в авиа- и автомобилестроении, технике, медицине, больших разработках.

Огромное количество изделий подразумевает необходимость использования таковой технологии как сварка титана и его сплавов. Исходя из его параметров, можно сказать, что это целое направление металловедов, так как он является одним из самых сложных посреди всех металлов.

Процесс сварки титана

Индивидуальности сварки титана и сплавов на его базе

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

Возникающие трудности при сварке титана идентичны по аналогии с алюминием. Но 1-ый наиболее активный сплав и образует ненужные соединения уже при температурах выше 250 °С. Неувязка состоит в том, что это элементы, составляющие воздух:

• N2;
• СО2;
• О2;
• Н.

Но индивидуальности сварки титана имеют и достоинства. Невзирая на t плавления 1470-1825 °С для разогрева требуется наименьшее количество тепла.

Незапятнанные сплавы никогда не употребляются — их характеристики владеют низкими показателями. А вот добавление в их остальных частей дозволяет получить сплавы с широким спектром параметров. Для структуры незапятнанного титана свойственны 2 постоянные фазы, при которых различается кристаллическая сетка:

1. α-фаза до t 882 °С. В этом периоде t тонкодисперсная структура размеренна и нечувствительна к резвому остыванию.
2. β-фаза переход при t 883 °С. Характеризуется большим зерном и чувствительностью к резвому остыванию.

С конфигурацией структуры изменяются характеристики самого сплава. Обеспечить определенный тип структуры могут присадки последующих частей:

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

В особенности непростая сварка титана в домашних условиях. При этом обработке подлежит ограниченное количество сплавов. Зависимо от легирующих частей, сплавы делятся на 3 группы:

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



Методы сварки титана и сплавов на его базе

Методы и технологии

Высочайшая активность сплава с газами описывает методы сварки титана. Их количество предоставляет право выбора, но при любом из их обязана обеспечиваться защита сплава, нагретого выше 400 °С. Самым удобным считается сварка титана аргоном. Так как сплав разогревается с обеих сторон, свариваемой деталь также обязана быть со всех боков защищена. Для этого она обрабатывается инертным газом при помощи подкладных планок для подачи Ar:

1. Аргонодуговая с вольфрамовым электродом либо проволочными с внедрением флюса, либо пластинчатыми под флюсом и аргоном, для толстостенных деталей употребляется присадка для сварки титана.
2. Шлаковая под флюсом.
3. Электроннолучевая либо контактная. Употребляется спец оборудование для сварки титана.

Подготовка титана к сварке

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

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

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

Опосля чего же проводится механическая зачистка наждачной бумагой №12, щетками (нержавеющими).

Ручная дуговая сварка

Более всераспространенная сварка титана аргоном, разработка подразумевает самое большее количество вариантов. При работе с W-электродом Ø 0,5-1,5 мм присадки не употребляются. Повышение поперечника наиболее 1,5 мм наращивает зону расплава. Чтоб минимизировать расход сплава при выдувании, добавляют проволоку. Присадка, чтоб снять оксидный/альфированный слой, проходит вакуумный отжиг и зачистку. Для частичного рафинирования (процесс загущения шлака для понижения его активности взаимодействия с расплавом) употребляются фтористо-кальциевые флюсы АН-ТА, АНТ17А.

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

Электрошлаковая сварка

Метод для получения маленького зерна. Разработка сварки титана и его сплавов уже отлично исследована, потому создано огромное количество дополнительных материалов для ее реализации. Зависимо от критерий технологии, проводить ее можно под защитой сухого гранулированного фтористого флюса:

• h 2,5-8,0 мм — АНТ-1 либо 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 оборотной стороны детали проводится при помощи медной либо флюсо-медной подушечки. Также используются эл-ды пластинчатые аналогичного сплава (ширина = толщине детали, толщина — 8-12 мм). Флюсы — фторидные АНТ-2/4/6. Добавочно шов защищают аргоном.

Контактная сварка

Употребляется спец оборудование. Благодаря плотному прилеганию поверхностей и резвому процессу защита газами не проводится для точечной сварки. Для других видов — шовной и стыковой — употребляется незапятнанный аргон. К сверхтехнологичному, но малодоступному из-за техники, способу относится и электроннолучевая сварка титана.



Схема сварки титана в камерах и боксах с контролируемой средой

Трудности при сварке титана и методы решения

Принципиально! Не используйте для зачистки поверхности железные прутки, частички железа внедряются в сплав, опосля чего же начинают коррозировать. Для данной нам цели нужна щетка только с нержавеющим ворсом

Контроль сварки титана можно вести и зрительно: уже при комнатной температуре он способен растворять кислород, который образует жесткий альфированный слой на поверхности, но конкретно он и предутверждает его от предстоящей коррозии. Степень окисления можно выяснить по цвету поверхности:

• малая — золотисто-желтый;
• средняя — фиолетовый;
• насыщенная — белоснежный.

Индивидуальности сварки алюминия и титана соединены 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 итог, увеличивается крепкость и пропадает пластичность, возникает хрупкость, образуются трещинкы.

Водород непревзойденно растворяется в водянистом сплаве. И невзирая на то, что при охлаждении он выделяется из раствора, — такие реакции очень разрушительны. Они образуют пористость и склонность к разрушению швов (неспешное, потому и плохо прогнозируемое).

Для титановых сплавов свойственны все те же недостатки околошовной зоны, что и для углеродистых, но с той только различием, что тут легче появляется большое зерно. Потому любая разработка сварки титана предупреждает его развитие.

Заключение

При соблюдении всех правил проводимая сварка титана по ГОСТ Р ИСО 5817-2009 обеспечивает крепкость соединения 60-80% от значения основного сплава. Тут можно отыскать требования, предъявляемые к разным видам сплавов на базе Ni, Ti, Fe, также найти возможность получения брака в готовом изделии. Самым всераспространенным способом благодаря доступности оборудования считается аргонодуговая сварка титана.

Правила сварки титановых сплавов

Титан — редкоземельный сплав серебристого цвета, с соответствующим отливом. Употребляется как база для сотворения разных сплавов с высочайшими прочностными чертами.

В чистом виде из-за низкой температуры плавления (640 °C) применяется весьма изредка, потому в обиходе под титановыми изделиями предполагают обычно изделия из его сплавов. Изюминка физических параметров востребует специфичного подхода при сварке титана.

Титановые сплавы

Сплавы титана имеют температуру плавления от 1470 до 1825 °C, в зависимости от марки. Они владеют прибыльным сочетанием легкости (благодаря малой плотности) и высочайшей прочности, потому нередко используются для производства таковых конструкций, как велосипедные рамы и детали высокоскоростных каров. Сварка титановых сплавов — непростой технологический процесс, так как эти материалы имеют ряд специфичных параметров.



Дальше под словом «титан» будут предполагаться конкретно сплавы титана с легирующими присадками — колченогом, железом, молибденом, ванадием, вольфрамом и иными.

Характеристики материала

У титана есть несколько особенных параметров, которыми обоснована сложность сварки конструкций из этого сплава. В числе их:

• низкая теплопроводимость;
• склонность к самовозгоранию при нагреве до 400 °C и контакте с кислородом;
• окисление под действием углекислоты;
• образование нитридных соединений при нагреве до 600 °C и прямом контакте с азотом, жестких, но хрупких;
• склонность к поглощению водорода при нагреве до 250 °C;
• изменение структуры (повышение зерна) при нагреве выше 880 °C.

Для титана критично увеличение температуры уже выше 400-500 °C. При таком нагреве у него резко увеличивается хим активность, и титан начинает вести взаимодействие с атмосферным воздухом, который оказывает на шов сварки гибельное действие.

При всем этом могут создаваться гидриды, нитриды, карбиды и остальные соединения, которые нарушают крепкость сварного шва. Существенное нарушение технологии, несоблюдение требований ГОСТ может привести к тому, что приваренная деталь просто отвалится от легкого удара.

Если сварка проводилась в согласовании с нормативами, то крепкость шва будет находиться в границах 0,6 — 0,8 от прочности свариваемого сплава.

На сварку и сварные соединения из титана распространяется ГОСТ Р ИСО под номером 5817-2009. Он устанавливает уровни свойства при сварке различных металлов — стали, титана и никеля, в том числе их сплавов и описывает очень допустимые уровни изъянов готового изделия.

Как подготавливают детали

Для сварки титана нужно на сто процентов изолировать свариваемые поверхности от атмосферы, потому, обычно, употребляют автоматическую либо автоматическую сварку.

Ручная сварка титана вероятна, но лишь если употребляется особая сварочная горелка с глиняним соплом, через которую на свариваемые участки подается под давлением инертный газ — аргон, который теснит воздух.

При всем этом оборотная сторона шва обязана быть изолирована от атмосферы плотно прилегающими железными или медными накладками. Для обеспечения лучшего свойства шва употребляют перфорированные накладки, в отверстия которых подается аргон.

В случае автоматической либо автоматической сварки она проводится в специальной капсуле, заполненной аргоном или гелием. Сварка титановых труб может выполняться без помещения трубы в защитную газовую среду полностью, но при всем этом сама труба обязана быть герметизирована и заполнена аргоном изнутри.

Остальным принципиальным аспектом является зачистка и обезжиривание свариваемых поверхностей на 20 мм от полосы стыка. Нужно удалить оксидную пленку, которая постоянно находится на поверхности титанового изделия.

Работать нужно в перчатках, так как руки, даже незапятнанные, могут бросить на кромке потожировые следы, которые приведут к ухудшению сварного шва.

Перед сваркой титан добавочно подвергают травлению с внедрением консистенции соляной кислоты с водой и фторидом натрия — 350 мл HCl, 650 мл дистиллированной воды, 50 г фторида натрия. Температура травления — 60-65 °C, время — около 10 минут.

Опосля травления титан подвергают кропотливой шлифовке. Для механической обработки употребляют наждачку до № 12, проволочные щетки, шаберы. Нужно удостовериться, что края свариваемых деталей ровненькие, на их отсутствуют заусенцы и трещинкы. Буквально так же зачищается и присадочная проволока. Лишь опосля этого можно приступать к сварке титана.

Какие способы используют

Для сварки титана можно употреблять как «прохладный» способ, так способ дугового флюса или плазменно-дуговую сварку.

Но самым пользующимся популярностью считается способ сварки титана аргоном, другими словами плавлением в изолированной аргоновой среде, который был отчасти описан выше. Детали большого сечения соединяют способом электрошлаковой сварки.

Почти все зависит от вида сплава. Титан марки ВТ1-ВТ5 сваривается весьма отлично, хотя не подлежит закалке. Сплавы ВТ15 — ВТ22 свариваются существенно ужаснее, образуя крупнозернистый шов низкой прочности, но при всем этом закалка может повысить его крепкость. Другие виды титановых сплавов — промежные.

Вероятны последующие виды контактной сварки:

• стыковая;
• точечная;
• роликовая;
• конденсаторная стыковая (для труб).

При аргоновой сварке с флюсом применяется бескислородный флюс АН-11 либо АН-Т2.

Ручной процесс

Сварка сплавов с титаном (в общем случае) делается неизменным током, полярность ровная. Ток зависит от толщины соединяемых деталей, калибра электрода и поперечника присадочной проволоки, меняется в спектре 90-200 А.

Чем выше толщина сплава, тем больший подается ток. Так, детали шириной 2 мм соединяются при токе 90 А, 3-4 мм — 130-140 А, 10 мм — 160-200 А. Рекомендуется употреблять малый ток из вероятных. Напряжение постоянно идиентично — 10-15 В.

Электроды

Употребляются 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 необходимо будет опять заточить, как он затупится. Рекомендуются электроды, содержащие оксид лантана, потому что их несущая способность на 50% выше, чем у изделий из незапятнанного вольфрама. Благодаря этому сварной шов будет наименее загрязнен вольфрамом, чище, а означает — прочнее.

Проволока

Присадочная проволока — это проволока из титана соответственного сплава, она подбирается непосредственно к свариваемым деталям по особым таблицам. Проволоку стоит отжигать под вакуумом для удаления водорода, который может находиться в сплаве, и в любом случае нужно зачищать от окислов. Зачищенная проволока хранится в герметичной тубе не наиболее 5 дней.

Если сваривают сплав шириной не наиболее 1,5 мм стыковым способом, то использовать проволоку необязательно. Шов без присадки будет даже прочнее.

Индивидуальности технологии

При сварке выдерживается неизменная скорость движения электрода и обеспечивается непрерывная подача присадки. Скорость электрода обязана составлять пример 2-2,5 мм/сек. Нужно выдерживать высшую точность движений, избегать колебаний и уводов электрода в сторону. Электрод должен касаться шва вроде бы снизу ввысь, сварка идет «вперед углом».

Во время всего процесса и около минутки опосля отключения горелки на свежайший шов нужно продолжать подавать защитный газ, пока температура шва не опустится ниже 400 °C.

В зоне сварки аргон расходуется со скоростью 5-8 л. в минутку, на обратной стороне шва — 2 литра в минутку.

При сварке титановых труб их концы герметизируются, а инертный газ — аргон, пореже гелий — закачивается вовнутрь с помощью специального насоса.

В домашних условиях, при отсутствии такового оборудования сварить титановые трубы нереально. Исключение — конденсаторная стыковая сварка труб из титана марки ВТ1-ВТ2, поперечником не наиболее 23 мм и шириной стен не наиболее 1,5 мм.

Их можно сваривать вне защитной газовой среды, но лишь конденсаторным методом, при высочайшем зарядном напряжении — 850-2100 В.

Контроль свойства

Получившийся шов обязан иметь ровненький серебристый цвет и не иметь никаких трещинок и пор. Если шов вышел желтым — свойство сварки среднее, но удовлетворительное.

Любые остальные цвета — сероватый, карий, ярко-золотистый, даже голубой и фиолетовый с переливами — молвят о том, что разработка сварки была нарушена, и материал шва содержит ненадобные примеси, образовавшиеся при контакте раскаленного титана с атмосферным воздухом. Такое соединение некрепко и может разрушиться при мельчайшем усилии.