Способы сварки титана и его сплавов

Из способов сварки плавлением для соединения деталей из титана и его сплавов находят наибольшее применение следующие: дуговая сварка в среде инертных газов, под флюсом, электрошлаковая, электронно-лучевая. Из-за высокой активности титана не нашли применения такие способы, как газовая сварка и сварка покрытыми электродами.

Перед сваркой производят подготовку кромок заготовок и присадочной титановой проволоки. Разделку кромок выполняют для толщин более 4 мм. Принципиально разделка кромок при сварке титановых сплавов не отличается от разделок, применяемых для сталей. Подготовительные операции выбирают в зависимости от исходного состояния заготовки. Если заготовки были вырезаны термическим способом резки, то кромки необходимо обработать механическими способами на глубину не менее 2 мм. Непосредственно перед сваркой поверхность кромок и поверхность прилегающего основного металла на ширину 15…20 мм от стыка тщательно очищают механическим путем или травлением. Очистка поверхности предусматривает удаление загрязнений и альфированного слоя (оксидно-нигридной пленки) для заготовок, подвергнутых до сварки горячей обработке (прокатке, вальцовке, штамповке) или термической обработке в печах без защитной атмосферы.

Механическую очистку поверхностей производят хромоникслсвыми стальными или титановыми проволочными щетками или шабером с последующим обезжириванием этиловым спиртом — ректификатом или ацетоном. Механическое удаление альфированного слоя (зачистка шабером) непосредственно перед сваркой обеспечивает лучшие результаты, чем удаление с применением травителей.

Сварочную проволоку перед сваркой обезжиривают, протравливают и, как правило, подвергают вакуумному отжигу с целью удаления водорода.

Дуговая сварка в среде инертных газов. В промышленности применяют сварку нсплавящимся вольфрамовым электродом (автоматическую, механизированную, ручную) и плавящимся электродом (автоматическую и механизированную). Для защиты зоны сварки используют аргон высшего сорта по ГОСТ 10 157–79 и гелий высокой чистоты по ТУ 51−689−75 или смеси этих газов.

В связи с высокой химической активностью титана при его сварке обеспечивают тщательную защиту инертным газом не только расплавленного металла, но и остывающих участков сварного соединения, нагретого до температуры 350 °C и выше (температура начала заметного взаимодействия титана с газами атмосферы). Для этого в зависимости от конфигурации и размеров свариваемых узлов применяют три типа защиты зоны сварки инертным газом: общую защиту узла в камере с контролируемой атмосферой; защиту только сварного соединения с использованием местных камер; струйную защиту зоны сварки, осуществляемую непрерывным обдувом сварочной ванны и остывающих участков соединения перемещением сопла горелки с удлиненной насадкой.

При общей защите свариваемый узел полностью помещают в камеру, которая затем вакуумирустся до разрежения 10 ² Па (для удаления воздуха) и заполняется инертным газом. При работе сварщик находится вне камеры. Сварку выполняют вручную, используя рукава-перчатки, соединенные с корпусом камеры, или автоматически с дистанционным управлением. Для изготовления крупногабаритных конструкций применяют обитаемые камеры с инертной атмосферой. В этом случае сварщик находится внутри камеры в специальном скафандре.

Применение камер с общей защитой всего узла обеспечивает наиболее надежную защиту нагретого и расплавленного металла от взаимодействия с воздухом. Поэтому применение таких камер особенно целесообразно в серийном производстве конструкций, имеющих сложную конфигурацию со швами, расположенными в труднодоступных местах.

В опытном или единичном производстве применение камер с общей защитой, тем более обитаемых, нецелесообразно из экономических соображений. В этих случаях для защиты зоны сварки применяют переносные местные защитные камеры из полиэтилена, устанавливаемые на поверхности изделия.

В сварочном производстве изделий из титана наиболее широкое распространение получила струйная защита зоны сварки, осуществляемая непрерывным обдувом сварочной ванны и остывающих участков соединения горелками со специальными насадками, подкладками и другими приспособлениями.

Сварка неплавящимся электродом. Из дуговых способов сварки титана и его сплавов самым распространенным является сварка неплавящимся вольфрамовым электродом в инертных газах. Этот способ наиболее универсален, он позволяет осуществлять сварку в различных пространственных положениях, быстро переналаживать оборудование при изменении типа соединения и толщины свариваемых заготовок и обеспечивать высокое качество сварных соединений.

Сварку титана неплавящимся электродом осуществляют на постоянном токе прямой полярности, используя обычные серийные установки для автоматической аргонодуговой сварки. В качестве неплавящегося электрода применяют лантанированные и иттрированные вольфрамовые электроды марок ЭВЛ и ЭВИ. Для защиты остывающих участков сварного соединения на горелке закрепляют специальную удлиненную газовую насадку, размеры которой назначают исходя из размеров требуемой для защиты от воздуха изотермы на основном металле (350 °С). Размеры изотермы определяют расчетным путем, используя формулы для инженерных расчетов тепловых процессов при сварке. Длина и ширина насадки должны соответствовать размерам изотермы.

Наилучшая защита осуществляется при создании ламинарного потока инертного газа, для обеспечения которого в насадку закладывают сетчато-пористый материал. Для защиты металла с обратной стороны шва применяют съемные медные подкладки с формирующей канавкой и системой отверстий для подачи инертного газа.

Приближенно о надежности газовой защиты можно судить по внешнему виду сварного соединения. Блестящая серебристая поверхность шва свидетельствует о хорошей защите и удовлетворительных свойствах шва. Желто-голубой цвет, серые налеты указывают на плохую защиту.

Качество защиты влияет не только на газонасыщенность и свойства сварных соединений, но и на стабильность процесса сварки. При нарушении защиты или при недостаточной чистоте защитного газа на рабочей части вольфрамового электрода образуется «козырек» из оксидов вольфрама, изменяющий форму электрода и его эмиссионные характеристики. Дуга расфокусируется, что влечет за собой изменение параметров шва.

Сварку вольфрамовым электродом ведут без колебательных движений горелки углом вперед короткой дугой. Угол между электродом и присадкой поддерживается в 90°. В качестве присадки применяют проволоки: ВТ 1−00, ВТ-2 для а- и псевдо-«-сплавов, СПТ-2 — для (а + /?) — сплавов и др. При толщине металла 3…4 мм сварку выполняют за один проход, при большей толщине применяют разделку кромок и используют многослойную сварку. При случайном обрыве дуги и после окончания сварки защитный газ должен подаваться до тех пор, пока металл не охладится ниже 350 °C. Ориентировочные режимы автоматической сварки приведены в табл. 17.

Таблица 17.

Ориентировочные параметры режимов автоматической аргонодуговой сварки титановых сплавов W-электродом

Примечание

Для многопроходной сварки используют присадочную проволоку

диаметром 2,5 мм, скорость подачи 60… 100 м/ч.

Для тонколистового металла (< 2,5 мм) целесообразно применять сварку импульсной дугой, обеспечивающей расширенные возможности формирования шва, измельчение его структуры, снижение уровня остаточных напряжений и деформаций сварных конструкций на 15…30%, уменьшение размеров зоны термического влияния и пористости в шве.

Увеличение глубины проплавления и производительности сварки достигается сваркой погруженной дугой при ее принудительном заглублении ниже поверхности свариваемых кромок. Таким способом можно сваривать титан толщиной до 12 мм без разделки кромок и присадочного металла. Однако использование данного способа из-за малой скорости сварки и относительно большой погонной энергии приводит к формированию структуры перегрева и протяженной зоны термического влияния.

Применение галогенидных флюсов типа АН-ТА, АНТ-23 А, наносимых на кромки свариваемых деталей в виде пасты тонким слоем, позволяет при аргонодуговой сварке титановых сплавов снизить погонную энергию по сравнению со сваркой без флюса, сузить зону термического влияния, уменьшить пористость швов и улучшить условия защиты металла от взаимодействия с воздухом.

Сварка плавящимся электродом. Этот способ сварки в инертных газах применяют для различных типов соединений из титана и его сплавов толщиной более 3…4 мм. Сварку ведут в нижнем положении на постоянном токе обратной полярности на режимах, обеспечивающих струйный перенос электродного металла. Для автоматизированной сварки стыковых и угловых соединений применяют проволоку диаметром 2…5 мм, для механизированной — до 2 мм. Способы защиты, материалы, сварочная оснастка в основном те же, что и при сварке вольфрамовым электродом.

Сварка может осуществляться как в аргоне, так и в гелии. При сварке в аргоне меньше разбрызгивание металла, меньше ширина шва и площадь проплавления металла, чем при сварке в гелии. Однако форма зоны проплавления при сварке в гелии из-за повышенного напряжения дуги более благоприятная, чем в аргоне (обеспечивается плавный переход от шва к основному металлу). Лучшее формирование шва и стабильность процесса достигается при использовании смеси из 80% Не и 20% Аг.

При необходимости осуществлять соединение деталей из титана и его сплавов в монтажных условиях используют механизированную импульсно-дуговую сварку, обеспечивающую хорошее формирование швов, расположенных в различных пространственных положениях, значительное снижение разбрызгивания и улучшение защиты. При этом применяют проволоки пониженных диаметров.

Сварка под флюсом. Основным преимуществом сварки титана под флюсом является высокая производительность процесса. Этот способ применяют для элементов толщиной 3…40 мм с использованием постоянного тока обратной полярности и бескислородных галогенных флюсов серии АНТ системы CaF₂ — ВаС1₂ — NaF. Флюс перед сваркой необходимо прокаливать при температуре 300…400 °С. Содержание влаги во флюсе не должно превышать 0,05%. Высота слоя флюса должна быть нс меньше вылета электрода. Сварку ведут на медной формирующей подкладке, на флюсовой подушке или на остающихся подкладках. Для толщин 8… 10 мм применяют однопроходную сварку без разделки кромок, а при толщине 10…20 мм — двухстороннюю с разделкой кромок.

Автоматическую сварку под флюсом осуществляют сварочной проволокой диаметром 2,5; 3,0; 4,0 и 5,0 мм. Применение проволок большего диамегра затруднено вследствие их повышенной жесткости. Для сварки технического титана ВТ 1−00, ВТ 1−0 и низколегированных сплавов ОТ4−1, ВТ5, 4200 и др. используют сварочную проволоку марок ВТ 1−00 и ВТ1−00св. Для сварки среднеи высоколегированных сплавов (например, ВТ6С, ВТ 14, ВТ20 и др.) применяют проволоки марок СПЛ2, ВТ20св и др. Использование этих проволок обеспечивает получение сварных соединений с оптимальным сочетанием прочностных и пластических характеристик и с надежной работоспособностью в сложных условиях эксплуатации.

Электрошлаковаи сварка. Этим способом целесообразно сваривать титан и его сплавы толщиной более 40 мм. К числу преимуществ электрошлаковой сварки относится благоприятный для титана термический цикл — низкие скорости нагрева и охлаждения сварного соединения, что способствует получению швов без внутренних дефектов типа пор, шлаковых включений, а также исключает образование закалочных структур.

Сварку швов небольшой протяженности (200…250 мм) выполняют пластинчатым электродом (плотность тока 2,0…2,5 А/мм²; напряжение.

• 13.. 17 В; толщина электродов 9… 18 мм; глубина шлаковой ванны
• 20. .30 мм; зазор между кромками 24…28 мм). Пластинчатый электрод выполняют обычно из металла с составом, аналогичным основному, ширина его должна соответствовать толщине свариваемых деталей.

Для сварки используют тугоплавкие фторидные флюсы типов АНТ-2, АНТ-4, АНТ-6. Поскольку в условиях элсктрошлаковой сварки наблюдаются перенос кислорода и азота воздуха через флюс и насыщение ими металла сварочной ванны, шлаковую ванну, дополнительно, защищают аргоном высшего сорта. Металл в зоне термического влияния, где температура выше 400 °C, защищают путем увеличения водоохлаждающих формирующих усгройсгв.

Сварку проводят переменным током с минимальной погонной энергией, обеспечивающей устойчивый элекгрошлаковый процесс и необходимое проплавление свариваемых кромок.

Швы протяженностью более 250 мм при толщине деталей 30… 110 мм сваривают проволочными электродами диаметром 5 мм одной или двумя электродными проволоками. Для выполнения прямои криволинейных швов на металле большой толщины применяют сварку плавящимся мундштуком.

Сварные соединения, выполненные элсктрошлаковой сваркой, отличаются крупнокристаллической структурой, понижающей пластические свойства. Однако в большинстве случаев они имеют близкие к основному металлу прочностные свойства и достаточную пластичность. При необходимости улучшают свойства термической обработкой.

Электронно-лучевая сварка (ЭЛС). Этот процесс сварки титана и его сплавов обеспечивает наилучшис условия защиты металла от газов. Поэтому его применяют при изготовлении сложных и ответственных конструкций.

Однопроходную ЭЛС титановых сплавов выполняют при толщине металла от 0,5 до 150 мм. Необходимым условием получения высококачественных сварных соединений является точная сборка под сварку и строгое соблюдение допустимых размеров между кромками, которые перед сваркой тщательно зачищают.

Высокая концентрация тепловой энергии позволяет вести сварку на высоких скоростях при малой энергоемкости процесса и получать сварные соединения титана и его сплавов с мелкозернистой структурой металла шва и околошовной зоны, малой шириной шва и зоной термического влияния.

Режимы ЭЛС зависят от толщины металла, конфигурации и размеров изделия, типа используемой электронной пушки, технологической оснастки. Широкий диапазон толщин свариваемых заготовок, возможность варьирования параметрами сварки, а также особенности электронно-оптических систем разных сварочных пушек затрудняют назначение режимов сварки конкретных деталей и требуют проведения дополнительных работ по их выбору. Примером выбранных режимов могут служить рекомендуемые режимы ЭЛС стыковых соединений из сплавов ВТ20, ВТ22, ВТ23 толщиной 8… 15 мм в нижнем положении на остающейся массивной технологической подкладке: ускоряющее напряжение U_yc = 30 кВ; сила тока луча 1″ = ПО… 180 мА, скорость сварки V_CB= 25…35 м/ч.