Сварка титана и его сплавов: Сварка титана и его сплавов: технология и особенности

Остается добавить, что при сварке титана, равно как и других металлов и сплавов, должны неукоснительно выполняться все требования по ТБ.

Автор надеется, что эта статья окажется полезной для читателя. Успехов в сварочном деле!

особенности технологии с применением аргона

Титан — редкоземельный металл серебристого цвета, с характерным отливом. Используется как основа для создания различных сплавов с высокими прочностными характеристиками.

В чистом виде из-за низкой температуры плавления (640 °C) применяется очень редко, поэтому в обиходе под титановыми изделиями подразумевают обычно изделия из его сплавов. Особенность физических свойств потребует специфического подхода при сварке титана.

Титановые сплавы

Сплавы титана имеют температуру плавления от 1470 до 1825 °C, в зависимости от марки. Они обладают выгодным сочетанием легкости (благодаря малой плотности) и высокой прочности, поэтому часто применяются для изготовления таких конструкций, как велосипедные рамы и детали скоростных автомобилей. Сварка титановых сплавов — сложный технологический процесс, поскольку эти материалы имеют ряд специфических свойств.

Далее под словом «титан» будут подразумеваться именно сплавы титана с легирующими присадками — хромом, железом, молибденом, ванадием, вольфрамом и другими.

Свойства материала

У титана есть несколько особых свойств, которыми обусловлена сложность сварки конструкций из этого металла. В их числе:

• невысокая теплопроводность;
• склонность к самовозгоранию при нагреве до 400 °C и контакте с кислородом;
• окисление под воздействием углекислоты;
• образование нитридных соединений при нагреве до 600 °C и прямом контакте с азотом, твердых, но хрупких;
• склонность к поглощению водорода при нагреве до 250 °C;
• изменение структуры (увеличение зерна) при нагреве свыше 880 °C.

Для титана критично повышение температуры уже свыше 400-500 °C. При таком нагреве у него резко повышается химическая активность, и титан начинает взаимодействовать с атмосферным воздухом, который оказывает на шов сварки губительное воздействие.

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

Если сварка проводилась в соответствии с нормативами, то прочность шва будет находиться в пределах 0,6 — 0,8 от прочности свариваемого металла.

На сварку и сварные соединения из титана распространяется ГОСТ Р ИСО под номером 5817-2009. Он устанавливает уровни качества при сварке разных металлов — стали, титана и никеля, в том числе их сплавов и определяет максимально допустимые уровни дефектов готового изделия.

Как подготавливают детали

Для сварки титана необходимо полностью изолировать свариваемые поверхности от атмосферы, поэтому, как правило, используют автоматическую или полуавтоматическую сварку.

Ручная сварка титана возможна, но только если используется специальная сварочная горелка с керамическим соплом, через которую на свариваемые участки подается под давлением инертный газ — аргон, который вытесняет воздух.

При этом обратная сторона шва должна быть изолирована от атмосферы плотно прилегающими стальными либо медными накладками. Для обеспечения наилучшего качества шва используют перфорированные накладки, в отверстия которых подается аргон.

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

Другим важным нюансом является зачистка и обезжиривание свариваемых поверхностей на 20 мм от линии стыка. Необходимо удалить оксидную пленку, которая всегда присутствует на поверхности титанового изделия.

Работать необходимо в перчатках, поскольку руки, даже чистые, могут оставить на кромке потожировые следы, которые приведут к ухудшению сварного шва.

Перед сваркой титан дополнительно подвергают травлению с использованием смеси 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.

После травления титан подвергают тщательной шлифовке. Для механической обработки используют наждачную бумагу до № 12, проволочные щетки, шаберы. Необходимо удостовериться, что края свариваемых деталей ровные, на них отсутствуют заусенцы и трещины. Точно так же зачищается и присадочная проволока. Только после этого можно приступать к сварке титана.

Какие методы применяют

Для сварки титана можно использовать как «холодный» метод, так метод дугового флюса либо плазменно-дуговую сварку.

Но самым популярным считается метод сварки титана аргоном, то есть плавлением в изолированной аргоновой среде, который был частично описан выше. Детали крупного сечения соединяют методом электрошлаковой сварки.

Многое зависит от вида сплава. Титан марки ВТ1-ВТ5 сваривается очень хорошо, хотя не подлежит закалке. Сплавы ВТ15 — ВТ22 свариваются значительно хуже, образуя крупнозернистый шов низкой прочности, но при этом закалка может повысить его прочность. Остальные виды титановых сплавов — промежуточные.

Возможны следующие виды контактной сварки:

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

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

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.

Контроль качества

Получившийся шов должен иметь ровный серебристый цвет и не иметь никаких трещин и пор. Если шов получился желтоватым — качество сварки среднее, но удовлетворительное.

Любые другие цвета — серый, коричневый, ярко-золотистый, даже голубой и фиолетовый с переливами — говорят о том, что технология сварки была нарушена, и материал шва содержит ненужные примеси, образовавшиеся при контакте раскаленного титана с атмосферным воздухом. Такое соединение непрочно и может разрушиться при малейшем усилии.

Технология сварки титана и его сплавов

Температура плавления титана 1668°С. Имеется около 20 сплавов

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

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.

ОРИЕНТИРОВОЧНЫЕ РЕЖИМЫ СВАРКИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Вид разделки кромок	Толщина металла, мм	Сварочный ток, А	Напряжение на дуге, В	Диаметр присадка, мм	Число проходов
	1 2	40-60 70-90	10-14	1,2-1,5 1,5-2	1
	3 4 5 10	120-130 130-140 140-160 160-200	10-15 11-15 11-15 11-15	1,5-2 1.5-2 2-2,5 2-2,5	2 2 2-3 8-12
	12 16 20	180-210 200-230 230-280	12-16 13-16 13-16	2,5-3	12-16 16-20 24-26
	Более 20	230-280	13-16	2,5-3	Более 24

При толщине металла до 2,5 мм его сваривают за один проход без разделки кромок. При больших толщинах выполняют многослойные швы с разделкой кромок и обязательным использованием присадка. По окончании сварки или при случайном обрыве дуги аргон подают до тех пор, пока металл не остынет до 250-300°С.

Конструкции из титана и его сплавов толщиной 0,5-2,0 мм сваривают ручной импульсно-дуговой сваркой. Эффективность ее очевидна при различных пространственных положениях шва и для тех сплавов, где требуется минимальный нагрев околошовной зоны.

От размера свариваемых деталей зависит вариант защиты инертным газом.

сварка его сплавов в домашних условиях. Дефекты при сварке титана, ГОСТ. Сварка титана в вакууме, современные технологии и их особенности

Титан — по-настоящему удивительный металл, который характеризуется комбинацией легкости, особой прочности и повышенной стойкости к коррозии, а кроме того, этот металл не отторгается тканями человеческого организма. Из него делают детали для кораблей, подводных лодок, самолётов и самые современные протезы. В то же время термообработка титана связана с некоторыми сложностями. Для их преодоления технологами были разработаны специализированные методы сварки непосредственно титана, а также его сплавов.

Особенности

Известно, что температура плавления этого металла варьируется от 1460 до 1830 гр.

Титан отличает повышенная жаростойкость, достигающая 500 градусов и устойчивость к появлению ржавчины.

Титан имеет ряд физико-химических характеристик, которые становятся причиной трудностей при проведении сварки конструкций, выполненных из этого металла. К ним относят:

• низкую теплопроводность;
• при контакте с кислородом из воздуха и уровне нагрева до 400 гр. у металла проявляется склонность к возгоранию;
• под действием углекислого газа начинаются окислительные процессы;
• при нагреве до уровня 600 гр., а также прямом взаимодействии с азотом формируются нитритные соединения;
• при нагреве до отметки 250 гр. металл поглощает водород;
• при нагреве больше уровня в 800 гр. начинается изменение структуры титана, в частности увеличение зернистости.

Таким образом, для титана, а также его сплавов критичным считается повышение температуры за пределы 400 гр. При данном уровне нагрева у него изменяется физико-химическая активность, титан активно реагирует с компонентами газовой смеси атмосферного воздуха, и это оказывает самое неблагоприятное воздействие на качество сварочного шва. В этот момент формируется карбиды, нитриды, а также гидриды и многие другие соединения, ухудшающие прочность сварки.

Таким образом, любое малейшее нарушение технологии и несоблюдение установленных требований зачастую приводит к тому, что сваренные элементы могут отвалиться даже от самого лёгкого удара.

На процесс варки титана и всех его сплавов распространяется утвержденный ГОСТ Р ИСО 5817-2009, этот документ определяет степень качества при соединении самых разных материалов — никеля, стали, а также титана и устанавливает допустимые параметры дефектов готового изделия на выходе.

Способы

Для выполнения сварки обычно используют холодный способ, также сварщики прибегают к технике дугового флюса или плазменно-дуговой технике. Однако самой востребованной в наши дни стала сварка титана при помощи аргона, когда металл плавится в полностью изолированной аргоновой среде. Для варки элементов крупного сечения используют электрошлаковую сварку.

Выбор конкретной технологии в первую очередь определяется характеристиками сплава. Так, состав марки ВТ1-ВТ5 сваривается довольно легко, но он не подлежит последующей закалке. В то время как сплавы, относящиеся к группе ВТ15- ВТ22, подвергаются сварки труднее, они формируют крупнозернистый шов довольно низкой прочности, который требует дополнительной закалки. Все остальные типы титановых сплавов относятся к промежуточной категории, к ним применяют штыковую, точную или роликовую технику сварки.

В общем случае сварка титановых элементов выполняется под действием постоянного электрического тока прямой полярности.

При этом сила тока пропорциональна толщине скрепляемых заготовок, а также размеру поперечного сечения присадочной проволоки и калибру используемых электродов — она может варьироваться от 90 до 200 А. Детали толщиной 2 мм соединяют при подаче тока параметром 90 А, а для заготовок 3-4 мм потребуется ток в 130-140 А, элементы толщиной 10 мм нуждаются в максимальном режиме работы от 160 до 200 А. Обращаем внимание на то, что при проведении любых работ лучше всего использовать минимальный ток из всех возможных. Напряжение во всех случаях одинаково — от 10 до 15 В.

При работе используют неплавящиеся вольфрамовые электроды. Еще до начала сварочных работ их затачивают под углом 30-40 градусов, при этом, чем больше будет угол заточки, тем будут меньше параметры сплавления.

При интенсивной эксплуатации электрода требуется его повторная заточка сразу же, как он затупится. Лучше всего использовать электроды с содержанием оксида лантана, поскольку их несущая способность намного выше, чем у изделий из вольфрама. Соответственно, шов будет в меньшей степени загрязнён вольфрамом, будет чище и прочнее.

Любая сварка требует использования присадки, которая представляет собой проволоку особого химического состава. Проволоку отжигают под вакуумом для полного выведения водорода, который зачастую имеется в сплаве. Кроме того, необходимо защитить материал от окислов. Подготовленную проволоку до начала работ можно хранить в герметично закрытых емкостях не больше 5 суток. При сваривании металла толщиной менее 1,5 мм проволоку использовать необязательно — такой шов будет более прочным даже без присадки.

Технология и режимы сварки

Для формирования долговечного, надежного шва надо специальным образом подготовить свариваемые поверхности. Для начала следует снять оксидную пленку – для этого заготовку следует тщательно очистить от загрязнений и обезжирить с обеих сторон на удалении не менее 20 см от линии будущего шва. Выполнять эти манипуляции нужно в защитных перчатках и кузнечном фартуке, в противном случае потожировые пятна попадут с рук и одежды на свариваемые поверхности, и это ухудшит качество работ.

После этого элементы обрабатывают протравкой, для этого смешивают 35 частей соляной кислоты, 65 частей обычной воды и 50 г натрия фторида.

Раствор прогревают до 60 градусов и обрабатывают поверхности около 10-15 минут.

После этого приходит очередь механической обработки, которая сводится к шлифовке поверхности наждаком No12 и металлизированными щетками, это помогает полностью удалить все трещины.

Аналогичным образом обрабатывают сварочный пруток — лишь после этого можно переходить непосредственно к привариванию титановых сплавов.

В ходе проведения сварочных работ обычно выдерживается постоянная скорость движения электронов, тем самым достигается непрерывность подачи присадки. На этом этапе нужно задать такой режим работы, при котором скорость электрода составляет примерно 2-2,5 мм в секунду. Очень важно придерживаться точности движений, свести к минимуму уводы электродов в сторону и их колебания — в процессе работы электрод должен прикасаться к шву по направлению снизу вверх так, чтобы сварка выполнялась «вперед углом» исключались поддувы.

В ходе сварочного процесса, а также примерно в течение 50-60 секунд после выключения горелки нужно продолжать подачу защитного газа на шов до тех пор, пока температура нагрева шва не опустится до отметки ниже 400 гр.

Режим работы необходимо задать таким образом, чтобы газ аргон в месте сварочных работ расходовался со скоростью 58 л/мин, а на внутренней стороне сварочного шва — 2 л/мин.

Чтобы варить титановые трубы, потребуется герметизация их концов, для этого используется инертный газ, обычно аргон либо гелий, его закачивают внутрь через специальный насос.

При отсутствии специализированного сварочного аппарата в домашних условиях приварить трубы из этого металла не представляется возможным. Единственно доступной технологией является стыковая конденсаторная сварка заготовок из металла марки BT1-ВТ2, диаметр поперечного сечения которой не превышает 20-23 мм с толщиной стенок не больше 1,5 мм. Такие элементы можно приваривать друг к другу исключительно в огнезащитной газовой среде и только конденсаторным методом при повышенном заряде, напряжение которого установлено на отметке 850- 2100 B.

Контроль качества

Сформированный в результате сварки шов должен обязательно иметь серебристый оттенок. Не допускается наличие трещин и пор. Желтый цвет шва свидетельствует об умеренном качестве сварки, такой уровень качества считается удовлетворительным. В то время как все остальные цвета — коричневый, ярко-золотистый, сероватый, фиолетовый, синий или даже голубой прямо указывает на то, что технология работ было грубо нарушена, а материал шва включает недопустимые примеси, которые образовались при контакте атмосферного воздуха с раскалённым титаном.

Подобное соединение будет непрочным и при минимальном давлении разрушится.

Деформации также связаны с тем, что титан имеет родство с кислородом. При прогреве до 500 гр. в сплаве начинается бурное взаимодействие этого металла с азотом из воздуха и начинается образование нитритов — всё это повышает прочность сварки, но в то же время, утрачивается её пластичность, шов становится хрупким и покрывается трещинами.

Одним из самых распространенных сварочных дефектов при работе с титаном становится повышенная пористость шва, она является результатом поглощения шовным покрытием водорода, попавшего в сварочную ванну. Во избежание такого дефекта необходимо перед началом сварочных работы основательно почистить и обезжирить все поверхности и обеспечить эффективную защиту самой сварочной ванны, а также остывающего титана от попадания атмосферного воздуха.

Часто встречается образование активного слоя, который от шва начинает переходить к сплошному металлу соединенных деталей. Чтобы избежать такого неприятного явления, необходимо поддерживать вокруг рабочей зоны газовое облако вплоть до момента, когда шов остынет до температуры 400 градусов.

О том, как выглядит сварка титана, смотрите далее.

особенности, технология и методы, оборудование, возможные сложности

Титан — металл, который стал синонимом прочности. Он устойчив ко многим растворам кислот и щелочей, практически не чувствителен к коррозии из-за оксидной плёнки на его поверхности.

В целом прочность титана 270-340 МПа. Сплавление его с такими металлами как алюминий, олово или хром увеличивает показатель прочности в 4-5 раз.

Но сплавы также имеют большую пластичность, чем чистый металл, поэтому их чаще используют в кораблестроении, на химических производствах, для создания корпусов разной техники и так далее. На таких заводах титан обязательно есть на складе материалов.

Содержание статьиПоказать

Особенности сварки титана

Титан — элемент, который химически очень активен. Это создаёт проблемы, когда вы соединяете детали из него и сплавов. Когда вы нагреваете этот металл, он вступает в бурную реакцию с атмосферными газами: азотом, водородом, кислородом.

Находясь в помещении с температурой в 20-22 градуса титан уже реагирует с кислородом. Во время реакции на поверхности металла образуется слой с низкой пластичностью — альфинированный. Он предотвращает последующее взаимодействие с газом.

А, когда расплавленный титан вступает в реакцию с кислородом, появляются окислы. Они тоже сверхпрочные и мало пластичные. Свойства плёнки окисленного титана можно определить по тому, какой цвет она имеет.

Она может быть жёлтого, золотистого, темного фиолетового или даже почти белого цвета. Эта характеристика «расскажет» вам, насколько надёжной получилась зона вокруг шва.

Если материал нагреть до пятисот градусов, он начинает взаимодействовать с азотом. Такая реакция тоже делает соединение прочнее за счет понижения пластичности.

Поэтому перед сваркой титана, его нужно тщательно обработать: очистить от оксидной плёнки и азота, чтобы они частично не попали в место шва. Если это произойдёт, на месте сварного соединения могут появиться трещины холодного типа.

Уже от двухсот градусов титан начинает реагировать с водородом. Это также плохо влияет на металл — он становится легко воспламеняемым и взрывоопасным.

Даже после того, как вы понизите температуру, гидриды титана, которые сохранились в конструкции, делают конструкцию хрупкой. В итоге она может растрескаться. Даже если сразу трещины не появились, они могут появиться намного позже после сварки.

Если вы работаете с титаном на открытом воздухе, нужно увеличить область защиты. Для этого используйте сопла. подающие инертный газ (например, аргон).

Насадки сопел должны быть примерно 50 сантиметров в длину. Устанавливают их с помощью подкладок с оборотной стороны соединения. А сам узел, который вы варите, должен быть закрыт в герметичной камере.

Способы сварки титана и его сплавов

Для пайки титановых деталей используют один из пяти основных методов. Это может быть электродуговая, точечная, электрическая шлаковая, вольфрамовая лучевая сварка и применение сопел, выпускающих инертные газы.

Их разница в том, что используются электроды с различным покрытием и наполнением, получаются соединения с разными характеристиками. Чтобы понять, какой из методов подходит, нужно также учитывать сечение заготовок, которые вы свариваете.

Каждый из типов сварки всё равно включает использование присадочной проволоки, похожей по составу на детали. Чаще всего это проволока марки ВТ1-00.

Края титановой детали перед сваркой подготавливают механически (например, шлифовальным кругом), а поверхность можно очистить как методом травления, так и механическим способом.

Дуговой метод

Электродуговая сварка сплавов титана проходит с использованием электродов из вольфрама. Они могут быть неплавкими иттрованными и лантанированными (для ручной сварки) или плавкими (для сварки автоматическим или полуавтоматическим оборудованием).

Если вы используете аргонодуговую сварку титана, то применяйте стыковой метод. С деталями сечением в полтора миллиметра подача присадочного материала не нужна.

Если же заготовки толще, то подавать пруток нужно. Перед работой и с проволоки, и с заготовок снимите окисленный слой.

Пайка полуавтоматически или вручную требует применения короткой дуги. Также между электродным стержнем и присадочной проволокой угол должен быть в 90 градусов.

Останавливать подачу инертного газа можно только тогда, когда он остынет примерно до 300 градусов.

Чтобы пайка труб из титана электродом была эффективнее, в аргоновой (или другой инертной среде) присадку нужно подогреть током. Также подойдет дуговая сварка импульсами тока.

Из-за этого полуавтоматическая сварка титановых деталей уменьшает расход энергии, а производительность процесса возрастает в два раза. Чтобы сэкономить присадочный материал и сохранить металлические заготовки, сваривайте титан в щелевую разделку.

Электрошлаковый метод

Электрическая шлаковая сварка проходит с пластинчатыми электродами, сделанными из того же металла что и детали, которые соединяются. Ширина электродных стержней должна быть 8-12 миллиметров, а расстояние между заготовками — их толщине.

В этом случае аргоновая среда защищает от перегрева. Плотность соединения будет высокой, так как, несмотря на обработку, сохраняются характеристики взятого материала.

Электрошлаковую сварку неэффективно использовать, если ваши детали толще сорока миллиметров.

Электронно-лучевой способ

Особенность электронно-лучевой сварки в том, что соединение, которое она оставляет, имеет структуру мелкого зерна. Этот метод пайки элементов из титана хорошо защищает поверхность изделия от атмосферных газов.

Его используют с металлическими трубами не шире 160 миллиметров.

Луч в этом случае размещают горизонтально. Делается это для того, чтобы титан и другие металлы не «покрывались» порами и разрывами на месте шва.

Сварка со стальными заготовками

Если масса готовой конструкции не должна превышать определенный лимит, титан сваривают со сталью. Этот метод используют в строительстве малых и больших сооружений.

Но различия между сталями и титаном усложняет получение соединения с высокой прочностью. Это основная проблема, которая укорачивает жизнь конструкций.

Особенно этот минус проявляется, когда титан нужно соединить с нержавеющей сталью. Учёные всё еще исследуют эту область.

Пока что есть всего несколько методов сварки титана со сталью:

• При помощи взрыва. Для этого между стальными и титановыми заготовками прокладывают еще один металл. Например, медь, серебро или соединения из туго плавящихся металлов;
• Диффузионная сварка. Лучше всего подходит для объединения титановой заготовки с заготовкой из нержавеющей стали. Зона соединения будет менее прочной, чем начальные заготовки, но в целом шов будет надёжным и плотным;
• Клинопрессовая сварка. Эта методика предусматривает механическое сдавливание заготовок под термическим влиянием. Швы получаются прочные, менее склонные к коррозии;
• Точечный метод сварки и сварка ультразвуковым способом.

Заключение

В зависимости от того, какие требования у вас к сварному соединению, вы можете выбрать одну из пяти методик сварки вручную или полуавтоматическим сварочным аппаратом.

Но для правильной сварки титановой конструкции всегда нужно понимать особенности металла и его сплавов. Удачи в работе!

Сварка титана и его сплавов: технология, электроды

Титан является высокопрочным металлом, который используется для изготовления различных конструкций важного назначения. В чистом виде данным материал используется достаточно редко, это связано с низкой температурой плавления (6400С), по этой причине титановые изделия производятся только из сплавов.

Сварка титана считается сложной технологией, при которой металл активно взаимодействует с газами в жидком и нагретом состоянии.

Особенности титановых сплавов

Титан редко применяется для изготовления различных конструкций в чистом виде, его обычно используют в виде сплавов. Они имеют высокую температуру плавления от 1470 до 18250С, данный показатель зависит от марки.

За счет того, что сплавы обладают идеальным сочетанием небольшой легкости и высокой прочности, их часто применяют для изготовления важных конструкций таких как, велосипедные рамы или запчасти для высокоскоростных автомобилей. Сварка титана и его сплавов является тяжелым процессом, потому что материалы имеют ряд специфических свойств.

Свойства материала

Титан обладает несколькими особыми качествами,  которые и осложняют процесс сваривания данного металла. К ним относят:

• невысокая степень теплопроводности;
• металл имеет склонность к самовозгоранию при нагревании до 400 градусов Цельсия, а также при контакте с кислородом;
• окисляется под влиянием углекислоты;
• при нагревании до 600 градусов Цельсия происходит образование нитридных соединений. Также данные соединения образуются при контакте с азотом, при этом они имеют твердую, но сильно хрупкую структуру;
• обладают склонностью к поглощению водорода при нагревании до 250 градусов Цельсия;
• при нагревании выше 800 градусов происходит изменение структуры (увеличение размеров зерна).

Критическими показателями температуры для титанового металла являются выше 400-500 градусов Цельсия. При разогревании до этого уровня у него отмечается повышение химической активности. Во время него титан взаимодействует с атмосферным воздухом, которое может оказать негативное воздействие на сварное соединение.

Дополнительно могут появиться вредные примеси —  гидриды, нитриды, карбиды и другие, которые могут снизить прочность шва. Если будет нарушена технология сварки титана, а также не будут соблюдаться правила и требования по ГОСТу, то это может привести к тому, что сварной шов развалится даже после небольшого удара.

Если процесс сваривания выполняется согласно установленным нормативам, то показатель прочности шва будет находиться на уровне от 0,6-0,8 от прочности свариваемого металла.

Какие возникают сложности при сварке титана и его сплавов

Особенности сварки титана и его сплавов состоят в том, что данный процесс имеет некоторые сложности, которые делают этот процесс тяжелым. При нагревании сплавы с титаном начинают активно взаимодействовать с воздухом. При этом процесс данного взаимодействия может наступать задолго до достижения показателя температуры титана, а точнее уже при 450 градусах Цельсия.

Сварка титановых труб и других изделий из данного металла может осложняться следующими процессами:

• при взаимодействии титана с кислородом на поверхности свариваемой заготовки  начинается активный процесс образования оксида титана и окалины, а именно появляется альфированный слой. При возникновении слоя этого вида может вызвать образование трещин на поверхности свариваемого изделия. Чтобы этого избежать стоит выполнять определенные нормы, которые указывают на допустимое максимальное содержание кислорода — в любом сплаве из титанового металла оно должно быть не выше 0,015 %;
• во время нагревания титановые сплавы усилено воздействуют с азотом. Если в составе сплава из титана будет превышен уровень азота, то этом может вызвать изменения физических свойств основы, а именно — прочность сплава станет намного выше, но вот свойства пластичности снизятся в несколько раз. Согласно существующим нормам наибольший показатель азота в составе сплава из титана должен составлять не больше 0,04-0,05 %;
• самым вредным газом для титановых сплавов является водород. Если его содержание в составе металла будет составлять выше нормы, то это может вызвать сильную хрупкость, образование на поверхности трещин, больших пор. В норме водород в составе титановых сплавов должен быть не выше 0,01-0,15 %.

Особенности подготовки титана к сварке

Сварка титановых сплавов должна выполняться правильно, именно от этого будет зависеть прочность сварного шва. Перед тем как начинать процесс сваривания стоит выполнить подготовку кромок материала.

Стоит учитывать, что после проведения предварительного термического подготовительного процесса заготовок, на поверхности кромок появляется оксидно-нитридная пленка. Она имеет высокую прочность и устойчивость к повышенным температурам. Вот именно от этой пленки и требуется избавиться.

Процесс очищения пленки с кромок осуществляется так:

• в первую очередь кромки подвергаются механическому очищению. Для этого может применяться железная щетка, ею можно пройтись по краям кромки вручную или при помощи болгарки;
• от пленки требуется зачистить не только кромки, но и область, которая прилегает к стыку на ширину полтора или два см;
• после этого нужно выполнить процесс травления металлического изделия. Для этого применяется специальная жидкость, которая должна состоять из 350 мл соляной кислоты, 650 мл воды, 50 мл фторида натрия;
• протравливание должно выполняться при температуре +600С на протяжении 5-10 минут.

Помимо этого обязательно нужно тщательно подготовить рабочее место. При проведении сваривания титана и его сплавов обязательно должна обеспечиваться полная чистота рабочего места, при этом оно должно быть надежно защищено от следующих негативных факторов:

• стоит полностью устранить сквозняки;
• в помещении не должны быть высокими показатели влажности;
• обязательно очистите пыль;
• полное удаление жира.

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.

Электрошлаковая сварка

Сварка титана с нержавейкой или другими сплавами может проводиться при помощи электрошлакового сваривания. Данный метод сваривания часто применяется для сплава марки ВТ5-1, который состоит из 3 % олова и 5 % алюминия. Листы из этого сплава производится методом прессования и прокаткой в тонкие листы. А вот толстостенные конструкции не прокатывают, они подвергаются ковке.

Так как сваривают титан с толстыми стенками? Толстостенные заготовки свариваются в условиях из защитного газа аргона с применением флюса марки АН-Т2. Во время данного процесса обязательно применяют переменный ток, подача которого в область сварки производиться при помощи трехфазного трансформатора.

Важные особенности электрошлаковой сварки титана:

• для того, чтобы сварить заготовки с толстыми стенками требуется выставить мощность тока на 1600-1800 ампер с показателем напряжения в 14-16 вольт;
• зазор между заготовками должен составлять 2,6 см;
• расход аргона должен составлять не больше 8 литров на 1 минуту;
• масса засыпаемого флюса — 130 грамм;
• при этом стоит с особой внимательностью относиться ко всем требования данного сварочного процесса, их полное соблюдение сможет обеспечить высокое качество сварочного шва;
• электроды для сварки титана должны соответствовать по размеру диаметра. Обычно рекомендуется использовать расходники с размером диаметра в 12 мм. Если они будут иметь размер в 8 мм, то показатель прочности падает до 80 %;
• не стоит использовать легированные и титановые электроды, они снижают показатель пластичности в сварочном соединении.

Электронно-лучевая сварка

Электронно-лучевая сварка титана считается одним из популярных способов соединения изделий. При этом сваривание позволяет получить прочное и качественное соединение. Данный процесс основан на применении тепла, которое выделяется при торможении остросфокусированного пучка частиц, ускоренных до показателей высокой энергии.

Главным компонентом, при помощи которого выполняется сварка конструкций из титана, является луч, выделяемый специальным устройством — электронной пушкой. Питание пушки осуществляется при помощи высоковольтного источника постоянного тока.

Процесс обычно происходит в условиях вакуума, который защищает от негативных внешних условий. На заводах и предприятиях имеется специальная камера для сварки титана, которая защищает металл от взаимодействия с атмосферной средой и снижает потерю кинетической энергии электронов.

Контактная сварка

Чем еще можно сваривать титан и его сплавы? Для сварки деталей из этого металла может применяться контактный способ. Согласно нормам ГОСТа данный метод разрешается использовать для титана, потому что оптимальный показатель скорости сваривания титановых сплавов равен 2-2,5 мм в секунду.

Не желательно превышать установленную скорость, потому что это может негативно отразиться на прочности сварного шва. При этом этот показатель особенно важен при использовании контактной сварки, потому что она выполняется очень быстро. Свариваемые кромки не нужно защищать и фрезеровать.

Контактная сварка может выполнять разными методами:

• точечным;
• линейным;
• конденсаторным.

При этом стоит обращать внимание, что каждый метод подбирается индивидуально. Он может зависеть от уровня толщины заготовок, от степени давления электродов, от их диаметра, от размера толщины и длины свариваемой пластины, от периода сжатия, от времени прохождения тока через металлическое изделие.

Любой метод сварки титана имеет важные особенности и требования, от которых зависит прочность сварного шва. Если сваривание производится в условиях большого предприятия, то обязательно выполняется УЗК сварного шва титановой трубы, которое позволяет определить степень прочности соединения. Если она будет низкая, то это может негативно отразится на всей конструкции.

Интересное видео

Сварка титана и его сплавов: технология и особенности

Легкие и прочные титановые сплавы находят широкое применение благодаря стойкости к коррозии, прочности. Сварка титана усложняется химической активностью горячего металла, он одновременно реагирует с компонентами воздуха: кислородом, азотом, водородом, образуя непластичные соединения, ухудшающие качество шва.

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.

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.

Максимальный ток при работе с 4 мм деталями – 140 А, 10 мм – до 200 А.

Аргонодуговая сварка титановых сплавов автоматом или полуавтоматом плавящимися электродами эффективна при использовании насадок, локализующих защитную атмосферу в нужной зоне. При ручной сварке титана аргоном:

• нужен ток постоянной полярности напряжением от 10 до 15В;
• электрод направляется вперед под углом;
• скорость образования шва – не меньше 2–2,5 мм/сек;
• присадка подается перпендикулярно;
• шов формируется на короткой дуге точными движениями;
• до охлаждения шов обдувается аргоном.

Расход инертного газа в минуту с внешней стороны 5–8 л, с обратной поверхности стыка достаточно 2 л/мин.

Электрошлаковая сварка

Применяется для толстостенных и кованых деталей из титановых сплавов, легированных алюминием и оловом. Рабочие параметры тока (варьируются в зависимости от толщины детали):

• сила от 250 до 330А;
• напряжение — 24-38В.

Такую нагрузку способен обеспечить мощный трансформатор. На металл наносят флюс марки АН–Т2, при разогреве он образует шлаковую ванну. Инертная атмосфера снижает риск самовозгорания металла, в аргоне стык находится до полного остывания. Расход защитного газа до 8 л/мин. Шов получается за счет использования пластинчатых титановых электродов сечением 12х60 мм или круглыми 8 мм. Прочность такого соединения значительно ниже, чем у титана, теряется до 2/3 пластичности.

Контактная сварка

Варить титан токоподающими электродами, образующими дугу внутри металла, можно несколькими способами:

1. Встык соединяют элементы с площадью сечения от 150 до 104мм2. Сила постоянно тока от 1,5 до 50А, максимальный вылет электродов – 20 см.
2. Точечно, способ применим для соединения титанового сплава внахлест. Получается прочный, но не герметичный шов. В зависимости от толщины листов сила сжатия электродов – от 1,9 до 6,8 кН; диаметр точки от 4 до 8 мм; импульсный ток от 7 до 12 кА.
3. Роликовый – непрерывный ряд овальных точек, образующих шов. Электроды-ролики катятся по поверхности, проваривают металл до 3 мм.
4. Конденсаторный способ схож с роликовым, импульс формируется в конденсаторной батарее, достигает 2100 в. Дуга прожигает титан до 1,5 мм толщиной, оксиды, ухудшающие соединение, испаряются.

Электронно-лучевая сварка

Мелкозернистый шов на титане до 160 мм создается мощным лучом. Пользоваться электронно-лучевой сваркой титана удобно при монтаже воздуховодов для отходящих газов. Этим способом соединяют стальные и титановые сплавы с образованием прочных соединений.

Контроль качества

Процесс сварки титановых сплавов регламентирован госстандартом ИСО 5817-2009. В зависимости от легирующих добавок прочность соединения составляет от 60 до 80% прочности сплава. Оксидная пленка видна сразу, цвет зависит от степени окисления титана:

• желтая – среднее качество соединения, прочность удовлетворительная;
• коричневый или фиолетовый – шов непрочный, нарушена технология.

Пористость возникает при контакте с водородом, если скорость подачи аргона низкая.

Сварка титана и его сплавов — Часть 1

Титан — химически активный металл; он будет гореть в чистом кислороде при 600 ° C и в азоте при температуре около 800 ° C. Кислород и азот также диффундируют в титан при температурах выше 400 ° C, повышая предел прочности, но делая металл хрупким. В виде порошка или металлической стружки титан также представляет опасность пожара.

Несмотря на такую ​​реакционную способность, титан широко используется в химической обработке, на море и в космосе.Это связано с:

• Образуется прочная защитная оксидная пленка, придающая сплавам очень хорошую коррозионную стойкость, особенно в хлоридсодержащих средах.
• Без потери прочности при температурах до -196 ° C
• Хорошая стойкость к ползучести и окислению при температурах почти до 600 ° C.
• По прочности такая же, как у стали, но примерно вдвое меньше.

Титан аллотропный; он имеет две различные кристаллографические формы в зависимости от температуры и химического состава. Ниже 880 ° C он образует гексагональную плотноупакованную альфа-фазу, выше 880 ° C он существует как объемноцентрированная кубическая бета-фаза.

Ряд элементов может использоваться для улучшения механических свойств, некоторые стабилизируют альфа-фазу, а другие способствуют образованию бета.Кислород, углерод, азот и алюминий способствуют образованию альфа-фазы; хром, молибден, ниобий, олово и ванадий способствуют образованию бета. Посредством подходящих добавок этих элементов можно производить четыре семейства титановых сплавов, разделенных на основе микроструктуры на технически чистый титан, альфа- или почти альфа-сплавы, альфа-бета-сплавы и бета-сплавы. Обозначения ASTM, простая система нумерации, являются обычно используемым сокращенным способом идентификации различных сплавов, и в этой статье будут использоваться как они, так и состав сплава , например Ti-6Al-4V.

Коммерчески чистые нелегированные марки ASTM 1–4 и 7 содержат небольшие количества примесей, таких как кислород, азот и углерод, обычно менее 0,2%, и обладают механическими свойствами, соответствующими характеристикам низкоуглеродистой стали хорошего качества. Чем меньше загрязняющих веществ, тем ниже предел прочности. Большинство этих сплавов используются из-за их коррозионной стойкости. Сварка проста и мало влияет на механические свойства в ЗТВ, и их обычно сваривают в отожженном состоянии.

Альфа- и почти альфа-сплавы, типичным примером которых является сплав Ti-5Al-2.5Sn, имеют предел прочности на разрыв (UTS) 500-900 МПа, прочность 0,2% (PS) 600-800 МПа и относительное удлинение (El%) около 18 %. Как и в случае технически чистых сплавов, механические свойства этой группы нечувствительны к термической обработке. Свариваемость хорошая, сплавы свариваются в отожженном состоянии.

Альфа-бета сплавы чувствительны к термообработке, обработке на твердый раствор и старению, увеличивая прочность на 50% по сравнению с состоянием отжига.Очень высокопрочные альфа-бета-сплавы, такие как Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr, могут иметь UTS 1200 МПа, PS 1150 МПа и El% 10. Однако свариваемость сплавов этой группы зависит от от количества присутствующего бета-бета-сплава, наиболее сильно бета-стабилизированные сплавы охрупчиваются во время сварки, и, хотя можно восстановить некоторую пластичность посредством термообработки после сварки, это часто непрактично. Поэтому эти очень высокопрочные сплавы с высоким содержанием бета сваривают редко.Сравните это с, возможно, наиболее часто используемым альфа-бета сплавом, Ti-6Al-4V (ASTM Grade 5) с UTS 950 МПа, PS 850 МПа и El% 15. Этот сплав имеет хорошую формуемость, легко обрабатывается, имеет хорошая литье, отличная свариваемость и может рассматриваться как сплав, с которым сравниваются все остальные.

Полностью бета-сплавы, , например Ti-13V-11Cr-3Al, обладают аналогичной прочностью, но с немного улучшенной пластичностью, как правило, с удлинением около 15%. Бета-фаза называется метастабильной — холодная обработка или нагревание до повышенных температур может вызвать частичное превращение в альфа.Сплавы обладают высокой прокаливаемостью, хорошей ковкостью и очень пластичны. Свариваемость хорошая, имеет место со сплавом в отожженном состоянии или в состоянии, обработанном раствором, хотя для получения полной прочности обычно необходимо сваривать в отожженном состоянии, выполнять холодную обработку, обрабатывать раствором, а затем выполнять обработку старением.

Присадочные металлы, все сплошные проволоки и соответствующие по составу сплавам общего назначения, доступны, соответствующие спецификации — AWS A5.16 / A5.16M: 2007 Технические условия на электроды и стержни для сварки титана и титановых сплавов и BS EN ISO 24034.2010 Сварочные материалы, сплошные проволоки и прутки для сварки плавлением титана и титановых сплавов. Несмотря на легкодоступность, диапазон расходных материалов несколько ограничен, и в соответствии с этими спецификациями производится всего четырнадцать или пятнадцать составов.

Свариваемость, как упоминалось выше, в целом очень хорошая. Исключение составляют сплавы с высоким бета-альфа-бета.Основная проблема при сварке титановых сплавов — устранение атмосферных загрязнений. Загрязнение металла сварного шва и прилегающих зон HAZ увеличит предел прочности на разрыв и твердость, но может снизить пластичность до неприемлемо низкого значения, так что трещины могут возникать даже в условиях только умеренного ограничения. Наиболее вероятными загрязнителями являются кислород и азот, улавливаемые воздухом, захваченным газовой защитой, или загрязненным защитным газом, и водородом из-за влаги или поверхностного загрязнения.

Максимально допустимые пределы для металла сварного шва были оценены как 0,3% кислорода, 0,15% азота и 150 ppm водорода, поэтому тщательная чистота важна как для основного металла, так и для присадочной проволоки. Обычно достаточно обезжиривания при подготовке к сварке с последующей очисткой проволочной щеткой из нержавеющей стали и дальнейшим обезжириванием. Сильно окисленные компоненты могут нуждаться в протравливании в смеси азотной / фтористоводородной кислоты для удаления оксидного слоя. Обезжиривание присадочной проволоки для сварки TIG должно производиться в обычном режиме, а с очищенной проволокой работать в чистых хлопчатобумажных перчатках; жир и пот с пальцев могут вызвать локальное загрязнение и / или пористость.Проволоку МИГ следует заказывать обезжиренной, хранить в чистых, сухих условиях и не оставлять без защиты в цехе.

Во время сварки те части сварной конструкции, которые подвергаются воздействию температур выше 520 ° C, будут поглощать кислород и азот, поэтому их необходимо защищать до тех пор, пока они не остынут ниже этой критической температуры. К счастью, теплопроводность в титане низкая, поэтому площадь воздействия ограничена по размеру, и можно использовать охлаждающие блоки, чтобы еще больше уменьшить эту зону нагрева. Расплавленная сварочная ванна защищена обычным газовым кожухом, но охлаждающий сварной шов и его ЗТВ потребуют дополнительной защиты за счет использования отводного щита с собственной подачей защитного газа, который следует за сварочной горелкой.Обратная сторона сварного шва также нуждается в аналогичной защите за счет обеспечения эффективной газовой продувки.

Изменение цвета поверхности будет хорошим показателем степени атмосферного загрязнения, как показано в таблице цветов. В идеальных условиях экранирования сварной шов будет блестящим и серебристым. Изменение цвета на внешних краях ЗТВ, как правило, незначительно, и им можно не обращать внимания. По мере увеличения загрязнения цвет меняется с серебристого на светло-соломенный, затем темно-соломенный, темно-синий, светло-голубой, серый и, наконец, порошкообразно-белый.

Светло-соломенный и темно-соломенный цвета указывают на легкое загрязнение, которое обычно допускается. Темно-синий цвет указывает на более сильное загрязнение, которое может быть приемлемым в зависимости от условий эксплуатации. Голубой, серый и белый цвета указывают на такой высокий уровень загрязнения, что они считаются неприемлемыми. В многопроходных сварных швах загрязнение, очевидно, повлияет на любые последующие циклы сварки, поэтому внешний вид поверхности сам по себе не является надежным показателем того, произошло ли неприемлемое загрязнение.Простое испытание на изгиб — надежный, но разрушительный метод проверки того, является ли сварной шов неприемлемо хрупким, но учтите, что радиус изгиба варьируется в зависимости от конкретного сплава. Например, радиус изгиба 3t используется для испытания сварного шва класса 2, а радиус изгиба 10t используется при испытании Ti-6Al-4V. Переносные проверки твердости также могут проводиться на производственных объектах; для этого необходимо знать твердость, ожидаемую от металла шва конкретного сплава.

В части 2 этой статьи будут рассмотрены некоторые другие проблемы сварки и даны рекомендации по сварке титана TIG и MIG.

Эту статью написал Джин Мазерс .

Сварка титана и его сплавов — Часть 2

Пористость — самая распространенная проблема, особенно когда используются стыки с близким квадратным сечением. Обычно это связано с водородом, поэтому чистота имеет решающее значение для устранения пористости.Пористость может быть одного или двух типов: во-первых, микропористость, образованная внутри плеч дендритов во время затвердевания, и, во-вторых, поры большего размера, которые часто выравниваются вдоль центральной линии сварного шва.

Как обсуждалось в , часть 1 , чистота является ключом к бездефектным сварным швам, а это означает, что не только компонент должен быть тщательно обезжирен, но и присадочная проволока; Края подготовки к сварке должны быть очищены от заусенцев и должен использоваться защитный газ высшей степени чистоты.В идеале точка росы газа должна быть ниже -50 ° C (39 ppm H ₂ O), и для поддержания этого низкого уровня в системе подачи газа не должно быть утечек. Поэтому важно регулярное и частое техническое обслуживание системы, проверка соединений на предмет утечек и поврежденных шлангов. В идеале газ должен подаваться из баллонов, а не из баллонов, и доставляться на рабочие места по сварным или паяным стальным или медным трубам. Пластиковые шланги должны быть как можно короче; большинство используемых пластиков пористые и позволяют влаге проникать через стенку шланга; неопрен и ПВХ — худшие, тефлон — из наименее пористых.Стоит помнить, что влага может собираться в шланге в течение определенного периода времени, поэтому проблема пористости, например, после отключения на выходных, может быть признаком того, что это происходит.

TIG следует очистить безворсовой тканью и эффективным обезжиривающим средством непосредственно перед использованием. После очистки прикасаться к проволоке не голыми руками, а в чистых, обезжиренных перчатках. Проволока MIG представляет большую проблему, но доступны устройства для очистки проволоки, когда она проходит через механизм подачи.Для достижения наилучших результатов можно получить проволоку, которая была выбрита для удаления любых въевшихся загрязнений.

Еще одним потенциальным источником загрязнения, о котором часто забывают, является использование пневматических инструментов для чистки проволочной щеткой или зачистки подготовительных и сварных швов. Большая часть сжатого воздуха содержит влагу и масло, поэтому даже при установке маслосборников и влагоуловителей на свариваемой поверхности можно оставить тонкую пленку влаги и / или масла. Рекомендуется постоянно использовать инструменты с электрическим приводом после обезжиривания изделия перед сваркой.

Несмотря на то, что это считается очень незначительной проблемой, в некоторых титановых сплавах было отмечено растрескивание при падении пластичности (когда сплавы сильно теряют пластичность при температуре ниже температуры затвердевания); альфа-бета-сплавы, содержащие ниобий, являются наиболее чувствительными, а Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo — наиболее чувствительными. Диапазон температур, в котором происходит потеря пластичности, составляет от 750 ° C до 850 ° C.

Растрескивание является межкристаллитным и, как полагают, частично является результатом изменения объема во время перехода фазы бета в альфа в сочетании с уменьшением пластичности.

Значительный объем сварки титановых сплавов осуществляется без использования присадочных металлов. При использовании присадочной проволоки обычно выбирается состав, соответствующий составу основного металла. Однако есть и исключения. Сварка высокопрочного, но малопластичного титана технической чистоты обычно выполняется с присадочным металлом с низкой прочностью для достижения желаемого качества сварки. Точно так же нелегированный присадочный металл иногда используется для сварки сплавов, таких как Ti-6Al-4V, тем самым улучшая пластичность металла шва за счет снижения количества образующейся бета-фазы.Также доступны присадочные металлы со сверхнизким межузельным слоем (ELI), которые могут использоваться для улучшения пластичности и вязкости металла сварного шва.

Большинство титановых сплавов можно успешно сваривать плавлением с использованием процессов сварки в среде защитных газов и силовых балок; все они могут быть сварены с использованием твердофазных процессов, сварки трением и контактной сваркой. Параметры сварки и подготовка к сварке аналогичны тем, которые использовались бы для сварки углеродистой стали. С точки зрения сварщика, титан легче сваривать, чем сталь, поскольку он обладает хорошей текучестью и высоким поверхностным натяжением, что упрощает задачу нанесения качественных корневых валиков с полным проникновением.

TIG, вероятно, является наиболее часто используемым процессом как в ручном, так и в механизированном режиме. Ток является постоянным и постоянным, обычно с использованием аргона высокой чистоты в качестве защитного газа, хотя для улучшения проникновения можно использовать гелий или смеси Ar / He. Сопла горелок должны быть оснащены газовыми линзами для улучшения газовой защиты, а керамический кожух должен быть как можно большего диаметра. Например, вольфрам диаметром 1,5 мм следует использовать с керамикой диаметром 16 мм. Длина дуги должна быть как можно короче, чтобы снизить риск загрязнения; 1 к 1.5-кратный диаметр электрода считается хорошим практическим правилом. Возникновение дуги должно осуществляться с помощью высокочастотного тока или подъемной дуги, чтобы предотвратить загрязнение вольфрамом. Оборудование также должно поддерживать поток защитного газа после гашения дуги, чтобы сварной шов мог охлаждаться в защитном газе. Также рекомендуется держать конец присадочной проволоки внутри газовой защиты до тех пор, пока он не остынет до достаточно низкой температуры.

К горелке также необходимо прикрепить дополнительный задний газовый экран, чтобы обеспечить защиту остывающего металла шва, когда сварщик перемещается вдоль линии соединения.Это затрудняет манипулирование сварочной горелкой. Большинство сварщиков изготавливают свои собственные дополнительные экраны, форма которых полностью соответствует детали; Следовательно, для сварки труб различного диаметра потребуется несколько экранов. Также необходим подающий газ, и обратная продувка должна поддерживаться по крайней мере в течение первых трех или четырех проходов сварного шва. Чистота вспомогательного газа должна быть выше, чем максимальное содержание кислорода 20 ppm.

MIG с использованием аргона или смесей аргона и гелия, но этот процесс не обеспечит такое же высокое качество металла шва, как процесс TIG, и может оказаться трудным достичь строгих уровней качества, требуемых в аэрокосмической сфере.Перенос погружением может привести к отсутствию дефектов плавления, а перенос распыла требует как передних, так и задних дополнительных газовых экранов, ведущего газового экрана для предотвращения окисления любых брызг, которые могут повторно расплавиться в сварочную ванну. Усовершенствования импульсных источников питания MIG за счет использования инверторной технологии и микропроцессорного управления устранили некоторые из этих проблем и существенно сократили разрыв между MIG и TIG. Однако MIG по-прежнему затруднен для ручного сварщика из-за сложности манипулирования горелкой MIG с дополнительным газовым кожухом.Из-за этих трудностей сварка MIG часто механизирована или автоматизирована.

Plasma-TIG может использоваться для сварки титана, так как он способен обрабатывать шов толщиной до 12,5 мм. Те же требования к чистоте газа и защите сварочной ванны, которые требуются для сварки TIG, необходимы и для плазменной сварки TIG. Plasma-TIG редко используется в ручном режиме и никогда в режиме замочной скважины.

Загрязнение атмосферы лучше всего избежать, используя сварочную камеру или перчаточный ящик, которые можно заполнить аргоном.Можно приобрести специально изготовленные перчаточные боксы, но легко изготовить камеру подходящего размера, используя угол с прорезью , например, угол Dexion ^TM , чтобы сформировать раму и накрыть ее прозрачным пластиком или ацетатным листом. Размер компонента, который можно сваривать в перчаточном ящике, обязательно ограничен.

Электронно-лучевая, лазерная, трение, контактная точечная сварка, а также сварка швами и оплавлением используются для сварки титана и его сплавов. Электронно-лучевая сварка, проводимая в вакууме, не требует защиты от газа.Обычная сварка трением также может выполняться без защитного экрана, хотя при сварке трением с перемешиванием следует использовать газовую защиту. Точно так же газовая защита не требуется при контактной сварке, хотя для наиболее ответственных применений рекомендуется газовая защита. И для лазерной, и для оплавления требуется защита от газа для достижения наилучших результатов и минимального загрязнения атмосферы.

Эту статью написал Джин Мазерс .

Соединение титана и его сплавов с алюминиевыми сплавами сваркой трением с перемешиванием

[1] Панченко О.В., Иванов С.Ю., Наумов А.А., Исупов Ф.Ю., Попович А.А. Оценка локальных механических свойств соединений Al-Mg-Si, сваренных трением с перемешиванием.Труды Международной конференции по морской и полярной инженерии, 2018, 172-174.

DOI: 10.7449 / 2018mst / 2018 / mst_2018_867_874

[2] Крылов Н.А., Скотникова М.А., Цветкова Г.В., Иванова Г.В. Устойчивость к эрозионному разрушению лопаток паровых турбин из титановых сплавов, их структура и фазовый состав. Физика и механика материалов. 1 января 2018 г .; 39 (1): стр.128-34.

DOI: 10.5862 / jest.249.10

[3] Наумов А.А., Черников Е.В., Исупов Ф.И., Панченко О.В. Сварка трением с перемешиванием стыковых стыков из сплава Al-5Mg разной толщины.

DOI: 10.7449 / 2017 / mst_2017_971_977

[4] Рудской А.И., Наумов А.А., Черников Е.В. Обработка металлов трением с перемешиванием — новый метод интенсивной пластической деформации, Цветные металлы 4 (2014) 36-40.

[5] Чуларис А.А. Методика оценки свариваемости разнородных материалов. Сварочное производство: Сборник трудов молодых ученых. Ростов-на-Дону: РИЦ ДГТУ. 2015. С. 25–28.

[6] Макаров Э.С., Гвоздев А.Е., Журавлев Г.М., Сергеев А.Н., Минаев И.В., Бреки А.Д., Малий Д.В. Применение теории пластичности расширяющихся сред к процессам герметизации порошков металлических систем. Чебышевский сборник. 2017; 18 (4): 269-285.

[7] Шоршоров М.Х. Гвоздев А. Тихонова Расчет энергии активации процессов сверхпластической деформации сталей и сплавов при одноосном растяжении. Изв. ТулГУ. сер. Материаловедение, т. 2, 2002, с.222–226.

[8] Наумов А.А., Исупов Ф.Ю., Панченко О.В., Рыльков Е.Н. Сварка разнородных сплавов Cu и Al сваркой трением с перемешиванием и импульсной сваркой трением с перемешиванием. Труды Международной конференции по морской и полярной инженерии, 2018, 166-171.

DOI: 10.1201 / 9781315116815-3

[9] Туричин Г., Цибульский И., Сомонов В., Кузнецов М., Ахметов А. Лазерная TIG сварка титановых сплавов. Серия конференций InIOP: Материаловедение и инженерия, август 2016 г. (Том 142, № 1, с. 012009). IOP Publishing.

DOI: 10.1088 / 1757-899x / 142/1/012009

[10] Барышникова М.В., Филатов Л.А., Петров А.С., Александров С.Е. CVD-осаждение тонких пленок диоксида титана для газовых сенсоров с улучшенными рабочими характеристиками. Химическое осаждение из паровой фазы. 2015 декабрь; 21 (10-11-12): стр. 327-333.

DOI: 10.1002 / cvde.201507187

[11] Имаев В., Гайсин Р., Рудской А., Назарова Т., Шаймарданов Р., Имаев Р. Исключительные сверхпластические свойства горячеобработанного сплава Ti – 45Al – 8Nb – 0.2 C. Журнал сплавов и соединений. 2016 5 апреля; 663: 217-224.

DOI: 10.1016 / j.jallcom.2015.11.228

[12] Нестерова Е.В., Рыбин В.В. Механическое двойникование и фрагментация технически чистого титана на стадии развитой пластической деформации. ФММ, 1985, т. 59 (2) pp 396-406.

[13] Колобов Ю.Р., Валиев Р.З., Грабовецкая Г.П. Зернограничная диффузия и свойства наноструктурированных материалов. Новосибирск: Наука, 2001. 21 с.

[14] Наумов А.А., Исупов Ф.Ю., Панченко О.В., Рыльков Е.Н. Конечноэлементное моделирование температурного поля при СТП разнородного соединения Al-Cu. Материаловедение и технологии 2018, MS and T 2018, 2019, 875-881.

DOI: 10.7449 / 2018mst / 2018 / mst_2018_875_881

[15] Смирнов О.М. Сверхпластичность нанокристаллических и аморфных материалов. Перспективные материалы, 2010, с.228– 241.

[16] Скотникова М.А., Иванова Г.В., Попов А.А., Паитова О.В.Локализация пластической деформации ГПУ — кристаллы при вдавливании и царапании. InAdvances in Machine Engineering 2018, стр. 143-150. Спрингер, Чам.

DOI: 10.1007 / 978-3-319-72929-9_15

[17] Дударев Э.Почивалова Г.П., Колобов Ю.Р. Микропластическая деформация субмикрокристаллического титана при комнатной и повышенных температурах. Изв. высш. завед. Физика.2012. 55 (7), стр 88-96.

DOI: 10.1007 / s11182-012-9886-2

[18] Кайбышев Р., Малофеев С. Механизм динамической рекристаллизации в алюминиевых сплавах. Форум по материаловедению, 2014 г., т. 794–796, стр. 784–789.

DOI: 10.4028 / www.scientific.net / msf.794-796.784

[19] Галеев Р.М., Валиахметов О.Р., Салищев Г.А. Динамическая рекристаллизация крупнозернистого титанового сплава ВТ30 в поле (α + β). Металлы, 1990, №4, с.97–103.

Ti и его сплавы — Международная титановая ассоциация

Член ITA со скидкой: 999 долларов США за годовую подписку на завершение курса

Обзор курса

Титан занимает важное место в семействе металлов из-за его легкого веса и устойчивости к коррозии. Уникальное сочетание физических, химических и механических свойств делает титановые сплавы привлекательными для применения в аэрокосмической и промышленной сферах.

Что вы узнаете

• Механические свойства и испытания сплавов
• Узнайте об обработке, соединении и механической обработке титана
• Общие характеристики титана и его сплавов
• Способы изготовления титановых компонентов путем плавления путем механической обработки
• Почему титан может быть или не быть правильным ответом для вас
• Подробное описание титановых сплавов и их применения

Кому следует записаться?

• Персонал, который непосредственно занимается производством и изготовлением
• Металлурги
• Техники
• Дизайнеры
• Персонал по контролю качества
• Продавцы
• Агенты по закупкам

Подразделения повышения квалификации: 3.0

Краткое содержание курса:

1. История и металлургия: историческая справка; происшествия; металлический выигрыш; металлический титан; свойства и легирующие свойства; экономика; проблемные зоны; добывающая металлургия; восстановительные процессы; электролитический выигрыш; сравнения
2. Отверждение и фазовые диаграммы: жидкие металлы и сплавы; фазовые равновесия; прогрессивное затвердевание; зарождение; механизмы затвердевания
3. Принципы легирования титана: Атомная и решетчатая структура; физические свойства; легирующие элементы; фазовая стабилизация; типы сплавов
4. Принципы бета-превращения и термической обработки титановых сплавов: бета-превращение ; равновесные фазовые отношения; фазовые диаграммы; метастабильная бета-фаза; омега; бета прайм; кинетика превращения; термическая обработка; Сплав Ti-Al
5. Деформация и рекристаллизация титана и титановых сплавов: Упрочнение текстуры; деформационное упрочнение; перекристаллизация
6. Механические свойства и испытания титановых сплавов: предел прочности на разрыв; повышенные температурные свойства; пластичность; ползучесть и разрыв под напряжением; предел выносливости; вязкость
7. Металлография титана и его сплавов: Обзор металловедения; терминология; влияние изготовления и термической обработки на микроструктуру
8. Плавка, литье и порошковая металлургия : традиционный вакуумно-дуговый переплав; тенденции плавления титана; технология и тенденции литья; горячее изостатическое прессование; ремонт сварных швов; термическая обработка; микроструктурные и механические свойства; порошковая металлургия титана; смешанный элементаль; предварительно легированные; быстрое застывание; будущие разработки
9. Первичная обработка : кристаллическая структура; влияние на деформацию; ковка; поломка iIngot; защитные покрытия; обработка титана; i Промежуточное кондиционирование; кованые заготовки и прутки; прокатка; Радиально-прецизионные кузнечно-прессовые станки GFM; катанка и пруток; лист и плита; полоса и фольга; горячая и холодная прокатка; экструзия; смазка; обработка стекла sejournet; обработка проволоки и труб; бесшовные трубы и трубки
10. Вторичная обработка сортового проката: Металлургия; ковка; экструзия; микроструктура и механические свойства; поверхностные эффекты нагрева
11. Вторичная обработка титановых пластин, листов, полос и труб: температуры формования; обработка и очистка; смазочные материалы; инструментальный материал; методы
12. Соединение титана и его сплавов: сварка; сварочные процедуры; пайка; пайка; склеивание; механическое крепление; клепка; закрепление резьбы
13. Обработка и химическая обработка: Поведение при механической обработке; требования к механической обработке; фрезерный титан; токарная обработка, торцовка и растачивание; сверление титана; плоское шлифование; протяжка; постукивание; газовая резка; химическая и электрохимическая обработка
14. Коррозия: теория; реакции; потенциалы; поляризация; формы; ингибиторы; локализованная атака; гальванический; эрозия; экологическое растрескивание; профилактика; химические и связанные приложения
15. Области применения титана: ранние области применения; доступность материала; аэрокосмическая промышленность; промышленный; инженерные свойства; устойчивость к коррозии; свойства; изготовление; медицинские; потребитель; энергоснабжение; морской; разное

Регистрация: 700 долларов США для участников ITA, использующих промокод ITA50OFF

Политика отмены

Политика возврата средств за онлайн-курсы (включая самообучение и DVD)

Для всех On- line, покупки SelfStudy и DVD считаются окончательными.Однако полный возврат средств может быть предоставлен по письменному запросу в ASM International Education в течение 30 дней с момента покупки онлайн-курса или курса SelfStudy. Однако, если записи ASM International демонстрируют, что учащийся получил доступ к более чем 2 урокам онлайн в течение этих 30 дней, возврат средств не производится.