Заваряване на титан

Титанов има висока якост (267-337 МРа) при плътност от 4,5 г / см3 и температура до 450-500 ° С, висока устойчивост на корозия в много корозионни среди. Титанови сплави, легирани с допинг елементи (алуминий, хром, манган, ванадий, калай, и т.н.) имат още по-голяма сила (до 1000-1400 МРа) с достатъчна еластичност и са широко използвани като структурен материал за корабостроенето, машини, самолети и ракети инженерство, производство на инструменти, химическо инженерство, както и в други отрасли на промишлеността.

Титан има една от двете основни стабилни фази (алотропни модификации), характеризиращи се със структурата на кристалната решетка:

• алфа - Титанов с шестоъгълна кристална решетка (фино-зърнена структура) при температура до 882 ° C;
• бета - титан с решетка, ориентирана към тялото (грубо-зърнеста структура) при температура над 882 ° С.

При температура от 882 ° С, структурата на кристалната решетка се променя от един на друг в титана (се извършва полиморфна трансформация).

Известен брой легиращи елементи и примеси алфа стабилизатори (алуминий, азот, калай, кислород и др.), повишават температурата на полиморфната трансформация на титана и по този начин се стабилизират алфа фаза и разширяване на региона алфа - титан. Сплавните елементи, наречени бета стабилизатори (хром, молибден, ванадий, манган) допринасят за запазването бета-титан с намаляваща температура. В зависимост от състава на сплавните компоненти титановите сплави условно се разделят на алфа сплави, бета - сплави и алфа- + бета - сплави (виж снимката по-долу).

Фигура. Зависимост на структурата на титановата сплав от температурата и съдържанието на сплавните елементи

K алфа - сплави включват технически титан VT1, както и сплави VT5 и VT5-1. Те са пластмасови, не се втвърдяват с топлинна обработка и имат добра заваряемост.

За двуфазни алфа- + бета-сплави сплави OT4, VT3, VT4, VT6, VT8, VT14. Двуфазни сплави с малко количество бета стабилизатори (например, сплави OT4) не са термично укрепени и заварени добре, и сплави, където Бета-структурата може да бъде запазена, когато е охладена до стайна температура (например сплави VT6 и VT14), термично укрепени и заварени по-зле. Благодарение на топлинната обработка (охлаждане и изкуствено стареене), тяхната якост може да бъде увеличена до 1400 МРа със задоволителна пластичност.

Сплави с бета фаза, например VT15, се втвърдяват чрез термична обработка и се заваряват по-зле. Те са склонни към растеж на зърното и появата на студени пукнатини.

Трудности при заваряването на титан и разтвори

Основните трудности при заваряването на титан се дължат на неговата висока химична активност по отношение на газовете (кислород, азот, водород) по време на загряване и топене.

При стайна температура взаимодейства титанът кислород, стабилизиране алфа фаза, чрез реакцията Ti + O2 = TiO2 с образуването на повърхностен слой с голяма твърдост - алфизиран слой - който защитава титана от по-нататъшно окисляване. Когато се нагрява до 350 ° С или по-висока, титанът абсорбира активно кислорода, образувайки различни оксиди (от Ti6O до TiO2) с висока твърдост, якост и ниска пластичност. Като окисление оксидният филм променя цвета си от жълто-златисто до тъмно-виолетово, превръщайки се в бяло. Тези цветове в зоната за заваряване характеризират качеството на защитата на метала при заваряване.

При температури над 500 ° C активно взаимодейства титанът азот с образуването на нитриди, които увеличават твърдостта и якостта на метала, но намаляват неговата пластичност. Преди заваряването трябва напълно отстраняване на повърхностния слой на титана, повишено количество наситен кислород (alfinirovanny слой) и азот, като в контакт със слоя от частици в заварка метал става крехък, се появяват пукнатини студени. Допустимото съдържание на азот в титана е до 0,05, кислород - до 0,15.

водород дори и в малко количество значително влошава свойствата на титана. Активно се абсорбира от титан при температура 200-400 ° C. Тъй като температурата се повишава, водородът започва да се отделя от титана и изгаряния. При по-ниски температури водородното съдържание също намалява, но титаниевите хидриди TiH2 допринасят за образуването на пори и бавното разрушаване на титана - появата на студени пукнатини след дълго време след заваряването. Допустимото съдържание на водород в титана е до 0,01.

Необходима е цялостна защита срещу насищане на метали с газове не само за разтопен метал, но и за секции от твърди метали с температура от 400 ° C и по-висока. По правило това се осигурява от използването на потоци, метални и поточни тампони, специални защитни газови възглавници. Светещата повърхност на метала след заваряването, лошата защита - жълто-син цвят, сивите нападения, свидетелства за надеждна защита.

Заваряването на титан и неговите сплави се извършва от метал за пълнене, който е близък в състава му с основния метал, например с тел ВТ1-00. Обикновено преди заваряването телта е изложена вакуум (Diffusion) темперирани за отстраняване на водорода. Краищата се подготвят механично, чрез плазмено или газо-кислородно рязане, последвано от отстраняване на наситените с газ метални ръбове чрез механична обработка. Повърхностите на ръбовете и съседния неблагороден метал, както и заваръчната тел, са добре почистени чрез гравиране или механично.

Титанът има ниска топлопроводимост, поради което заваръчните заварки, получени чрез заваряване с консумиращ електрод в аргонова среда, имат характерна конусовидна форма с дълбоко проникване. Поради това при някои проекти се изискват допълнителни шевове по краищата на главния шев (заваръчни шевове) или чрез заваряване с хелий, за да се получи по-широк шев.

Фигура. Заварява при заваряването на титан с консумиращ се електрод (проводник) в аргон и хелий

Основните методи за заваряване на титан и неговите сплави:

• дъгова заварка в атмосфера на инертен газ от не-консумируем и консумируем електрод;
• заварка под дъга;
• електрозаварващо заваряване;
• заваряване с електронен лъч;
• контактно заваряване.

Arc заваряване на титан в среда на инертен газ

Arc заваряване на титан в инертен газ може да се извърши или ittrirovannym lanthanised nonconsumable волфрамов електрод (ръчно или механизирано заваряване) и консуматив електрод (полуавтоматично или автоматично заваряване). Като инертни газове се използват висококачествен аргон, хелий с висока чистота или смеси от аргон с хелий.

Защитата на метала при заваряване може да се извърши по следните начини:

• във въздуха с подаване на инертен газ от дюзи със специални удължени дюзи (до 50 см) за увеличаване на защитната зона и подаване на газ от задната страна на заваръчния шев през специални подложки;
• във въздуха с помощта на местни камери, които защитават зоната на заваряване и част от заварената конструкция, докато обратната страна на шева може да бъде защитена чрез подаване на газ през обшивката;
• чрез поставяне на целия заварен механизъм в запечатана камера с контролирана атмосфера.

В затворена камера с контролирана атмосфера поставете също заваръчното оборудване, горелката и запълнете с инертен газ. Той може да има прозорци или прозрачна черупка и вградени ръкавици за заварчика. За големи критични продукти използвайте големи камери, оборудвани с необходимите устройства и проектирани да работят вътре в тях, заварчици в костюми.

Най-популярно е заваряването на титан волфрамов електрод във въздуха. Извършва се в конвенционални инсталации за автоматично аргоново дъгово заваряване с не-консумируем електрод при постоянен ток с директна полярност. Специална дюза е закрепена към заваръчната горелка, за да предпази инертния метал от въздуха с температура от 250-300 ° C и по-висока. Размерите на тези секции, по правило, се определят чрез изчисления върху формулите за разпространение на топлината в металите по време на заваряване. Най-добрата защита се постига чрез поставяне на порест материал в дюзата, за да се осигури ламинарен поток от инертен газ. Задната страна на шева е защитена със специални приставки и подложки.

Фигура. Заваряване на титан с не-консумируем електрод във въздуха (с помощта на специални подложки за подаване на инертен газ от задната страна на шева)

Аргонови заваряване волфрамови титанови части 0,5-1,5 мм челно извършени без хлабина и без подаване на пръта пълнител, и с дебелина над 1.5 mm - храна пълнежен материал. Въжето е предварително подложено на вакуумно отгряване за 4 часа при температура 900-1000 ° С. При почистване на краищата на ръбовете на заварените части и на съседния метал, както и на проводника, е необходимо да се отстрани алуминият слой, наситен с кислород.

Таблица. Препоръчителните режими на заваряване с аргон на титанови листове с волфрамов електрод (скоростта на подаване на аргон през горелката е 13-18 л / мин, на обратната страна на заваръчния шев - 2-2.5 л / мин)

Ръчното заваряване с аргон с волфрамов електрод се извършва "ъгъл напред" на къса дъга без колебателни движения на заваръчната горелка. Между електрода и пълнежния материал се поддържа ъгъл от 90 °. Ако дъгата се счупи и след края на заваряването аргонът трябва да се подава, докато температурата на метала не достигне 400 ° С.

При заваряване с аргон на титан с дебелина над 4 мм се използва обикновено рязане с V-образно, X-образно или с форма на стъкло. За подобряване на заваръчните свойства на волфрамов електрод се използват следните методи:

• Дъгова заварка;
• чрез проникване чрез заваряване;
• заваръчно пулсово заваряване;
• поточно заваряване;
• заваряване с пълнеж;
• заваръчни шевове;
• заваряване с магнитна бъркалка за заваряване
• и други.

Потопени заваряване (когато върха на електрод, разположен под повърхността на основния метал) до високи токове може да бъде заварен с едно минаване без режещи ръбове титан и неговите сплави с дебелина от 15 мм. При заваряване чрез проникване е възможно да се заваряват в един проход титан и неговите сплави с дебелина 12 мм.

С импулсно заваряване (когато текущата доставка към зоната на дъгата се извършва преходни импулси) може да бъде в широк диапазон от размери промяна шев, намаляване на нивото на остатъчно напрежение, да се намали деформацията на заварени конструкции, за да се намали зона засегнати топлина, а също и намаляване на размера на кристалита и порьозността в заварката шев.

При заваряване поток на паста-AN-TA прилага тънък слой върху повърхността на краищата да бъдат заварени части, по-ниски токове могат да бъдат заварени без режещи ръбове на метал до 12 мм дебелина. Тази технология позволява да се увеличи дълбочината на проникване, да се намали деформацията на заварени конструкции, промяна на формата на проникване, намаляване на зоната топлина засегнати, намалявайки вероятността от образуването на пори и изгаряне чрез. Същите предимства се притежават и при заваряване на тел с обработен поток като пълнител.

При заваряване с магнитно разбъркване на заварения метален басейн чрез външно магнитно поле, химическата хетерогенност и порьозността на заваръчния метал се намаляват. При заваряване в рязане с рязане (тесен процеп) разходите за скъпи и оскъдни материали намаляват и производителността се увеличава.

заваряване с консумируем електрод (тел) се изпълняват с дебелина на титана и неговите сплави с повече от 3 мм в долната позиция при постоянен ток с обратна полярност при режими, които осигуряват малко прехвърляне на капчиците на електрода метал.

Таблица. Режими на заваряване на титан и неговите сплави от консумиращ се електрод (тел) в инертни газове

За да се намали порьозността и да се увеличи ширината на заваръчния шев, се използва смес от аргон с хелий (обикновено 20 аргон и 80 хелий) или чист хелий.

За подобряване на заваряване изпълнение на титан и неговите сплави се използват консуматив електрод тел удължаване подгряване ток и импулсно заваряване под атмосфера на инертен газ (например, полуавтоматичен режим с намаляване на топлина вход заваряване енергия в 2-2,5 пъти, за да се увеличи производителността 2- 3 пъти), както и заваряване в отвора (което позволява намаляване на разходите за скъпи материали).

Arc заваряване на титан под поток

Титанът и неговите сплави могат да бъдат заварени под потоците без кислород на ANT-1, ANT-3 с дебелина на метала 2.5-8 mm и ANT-7 за метал с по-голяма дебелина. Преди заваряването, флюсът се калцинира при температура 200-400 ° C, така че съдържанието му на влага да не надвишава 0,05 масови. Заваряването се извършва на стандартно оборудване с постоянен ток с обратна полярност.

Получените заваръчни шевове не са с по-ниска якост и еластичност спрямо основния метал и имат по-фина зърнеста структура, отколкото при заваряване в инертни газове. Този метод е рентабилен за метал с дебелина повече от 6-8 мм.

Таблица. Режими за заваряване на титан и неговите сплави с консумируем електрод (проводник) под потока ANT-1 (скорост на заваряване 50 m / h)

Електросъдържащо заваряване на титан

Електромагнитното заваряване на титан и неговите сплави използва плочи електроди със същия състав като заваръчния метал с дебелина 8-12 мм и ширина, равна на дебелината на заварената част. Използват се огнеупорните потоци ANT-2, ANT-4, ANT-6, които трябва да бъдат предварително калцинирани при температура 200-400 ° С, така че съдържанието на влага в потока да не надвишава 0,05. За да се предпази охлаждащият метал и ваната от шлака от въздуха, аргонът се нанася върху междината между водните охлаждащи пързалки и детайла при скорост от 5-12 л / мин с дебелина на метала 30-120 мм.

Получените заварки са близки до свойствата на основния метал и имат груба структура. Електропластовото заваряване е ефективно за титанови части с дебелина над 40 мм.

Таблица. Електросъдържащо заваряване на титанови изковки с пластичен електрод, използващ поток ANT-2 (напрежение 16-18 V)

Електронно заваряване на титан

Електронното заваряване на титан и неговите сплави осигурява фино структура на заварения шев и надеждна защита на метала от газове. Използва се за дебелини до 160 мм. В някои случаи се използва заваряване с хоризонтално позициониране на лъча, за да се предотврати появата на пори и прекъсвания.