Дуговая сварка титана и его сплавов
Газовая сварка.Ручная дуговая сварка. |
Бурное развитие ряда отраслей промышленности потребовало применения новых конструкционных материалов, среди которых титан занимает первое место. Редкое сочетание в нем высоких механических и специальных свойств обусловили непрерывно расширяющееся применение его в авиапромышленности, судостроении, химическом машиностроении и других важных отраслях производства.
Титан имеет малый удельный вес, высокую температуру плавления (1660 град.), большую коррозионную стойкость во многих агрессивных средах и высокую прочность при нормальных и высоких температурах.
Благодаря этому в определенных условиях эксплуатации титан и его сплавы имеют неоспоримые преимущества перед широко известными конструкционными материалами, такими, как алюминиевые и магниевые сплавы, кислотостойкие и теплоустойчивые аустенитные стали и др.
Технический титан содержит примеси, из которых важнейшими являются азот, кислород, водород, углерод (табл. 1). Эти примеси повышают прочность и снижают пластичность и вязкость металла, что в сварных швах вызывает образование холодных трещин.
Марка сплава | Химический состав, % | Структура | Механические свойства | |||||||||||||||||
Ti | Al | Мо | Мп | V | Сг | Sn | Fe | Si | С | O2 | H2 | N2 | dт кГ/мм2 | dв кГ/мм2 | относительное удлинение, % | коэффициент потерь, % | коэффициент наплавки | HB | ||
не более | ||||||||||||||||||||
ВТ-1 | Основа | 0,3 | 0,15 | 0,1 | 0,015 | 0,015 | 0,04 | альфа | 38-60 | 45-70 | 20 - 25 | 45 - 50 | 130 - 250 | |||||||
ВТ-3 | Основа | 4-5.2 | 2-3 | 0,3 | 0,2 | 0,1 | 0,02 | 0,015 | 0,05 | альфа+бета | 85 - 105 | 95 - 115 | 10-16 | 25 - 40 | 3 - 6 | 260 - 340 | ||||
ВТ-3-1 | Основа | 4 - 5,2 | 1 - 2 | 1,5 - 2,5 | 0,5 | 0,2 | 0,1 | 0.02 | 0,015 | 0,05 | альфа+бета | 85-110 | 95 - 120 | 10 - 16 | 25 - 40 | 3 - 6 | 260 - 340 | |||
ВТ-4 | Основа | 4 - 5 | 0,3 | 0,15 | 0,05 | 0,015 | 0,15 | 0,03 | альфа+бета | 70-80 | 85 - 105 | 15 - 22 | 20 - 30 | 3 - 5 | ||||||
ВТ-5 | Основа | 4 - 5,5 | 0,3 | 0,15 | 0,05 | 0,015 | 0,015 | 0,04 | альфа | 70-85 | 80 - 95 | 10-15 | 30 - 45 | 3 - 6 | 269 | |||||
ВТ-5-1 | Основа | 4 - 5,5 | 2-3 | 0,3 | 0,15 | 0,1 | 0,015 | 0,015 | 0,04 | альфа | 65 - 85 | 75 - 95 | 12 - 25 | 20-25 | 4 - 9 | 240 | ||||
ВТ-6 | Основа | 3 - 6,5 | 3,5 - 4,5 | 0,3 | 0.15 | 0.05 | 0,015 | 0,015 | 0,04 | альфа+бета | 80-90 | 90 - 120 | 10 - 15 | 30 - 45 | 4 - 8 | 320 | ||||
ВТ-8 | Основа | 5,8 - 6,8 | 2.8-3,8 | 0,4 | 0.2 | 0,1 | 0,02 | 0,015 | 0,04 | альфа+бета | 95 - 110 | 105 - 125 | 9-16 | 30 - 55 | 3 - 6 | 310 | ||||
ОТ-4 | Основа | 2 - 3,5 | 1 - 2 | 0.4 | 0,15 | 0.1 | 0,015 | 0,015 | 0.04 | альфа+бета | 55 - 65 | 70 - 90 | 12 - 20 | 25 - 55 | 3,5 - 6,5 | 200 - 300 | ||||
ОТЧ-1 | Основа | 1 - 2,5 | 0,8 - 2 | 0,4 | 0,15 | 0.1 | 0,015 | 0,015 | 0.04 | альфа+бета | 50 - 65 | 60 - 75 | 20-40 | 30 - 50 | 5,0 - 1,0 | 210 - 250 |
Для обеспечения хорошей свариваемости в техническом титане ограничивают содержание этих примесей. Титан имеет две аллотропические формы: альфа-титан, имеющий гексагональную решетку и существующий до 882oC — этому способствуют легирующие примеси алюминия, олова, циркония; бета-титан — высокотемпературная модификация с кубической объемноцентрированной решеткой — этому способствуют легирующие примеси алюминия, молибдена, ванадия, марганца, железа, хрома.
В зависимости от степени легирования титана указанными элементами сплав при охлаждении до комнатной температуры сохраняет некоторое количеством или полностью бета-фазу. Таким образом по микроструктуре сплавы титана могут быть подразделены на однофазные сплавы, имеющие при комнатной температуре альфа- и бета-фазу, и на двухфазные сплавы, имеющие при комнатной температуре фазы альфа+бета.
Практическое применение находят сплавы, имеющие в своем составе или только альфа-фазу, или двухфазные альфа+бета фазы.
Сварка титана сопряжена с определенными трудностями, главной из которых является большая химическая активность титана при высоких температурах по отношению к азоту, кислороду и водороду.
Поэтому необходимым условием для получения качественного соединения при сварке является надежная защита от газов воздуха не только сварочной ванны, но и остывающих участков металла шва и зоны термического влияния вплоть до температуры 400oC. Необходимо также защищать обратную сторону шва даже и том случае, если она не расплавляется, а только нагревается выше 400oC.
Определенные трудности возникают в связи с большой склонностью титана к росту зерна при нагреве до высоких температур, особенно в области бета-фазы. Для предотвращения этого сварку следует производить с возможно минимальной погонной энергией.
Частым дефектом сварных швов титановых соединений являются холодные трещины. Холодные трещины возникают в том случае, если шов имеет пониженные пластические свойства вследствие насыщения газами. При этом холодные трещины в швах могут образоваться со временем.
Основной причиной появления холодных трещин является большая растворимость водорода в титане при высоких температурах. При значительном снижении растворимости с понижением температуры выпадение водорода из твердого раствора при охлаждении, а также из полностью остывшего металла сопровождается образованием гидридов, приводящих к хрупкости титана, и возникновению в шве больших внутренних напряжений, и, как следствие - трещин.
Для предохранения металла шва от насыщения водородом рекомендуется применять электродную или присадочную проволоку, предварительно подвергнутую вакуумному отжигу. Содержание водорода в такой проволоке не превышает 0,004—0,006%.
Для соединения деталей из титана и его сплавов применяются: ручная аргоно-дуговая сварка неплавящимся электродом; автоматическая аргоно-дуговая сварка проволокой из титана; автоматическая дуговая сварка под флюсом; электрошлаковая сварка с подачей на поверхность шлаковой ванны инертного газа.
рис.1. Схема ручной сварки титана неплавящимся электродом |
Некоторые технологические указания по сварке титана и его сплавов вольфрамовым электродом в аргоне приведены ниже.
- Сварку производить постоянным током при прямой полярности.
- Зажигание дуги производить касанием вольфрамового электрода о свариваемое изделие, причем только при наличии газовой защиты.
- При наплавке валика вольфрамовый электрод располагать иод углом 70—85o к поверхности свариваемого изделия, а присадочный материал под 90—100o к оси электрода (рис.1).
- Вылет вольфрамового электрода должен быть равным 6—8 мм. Длина дуги должна поддерживаться постоянной в пределах 1—2 мм.
- Присадочный материал вводить в зону сварки равномерно, без поперечных колебаний, опираясь концом стержня на край сварочной ванны. Нагретый конец присадочного стержня не должен выводиться из зоны газовой защиты.
- Горелку перемещать равномерно-поступательно без поперечных колебаний.
- Гасить дугу следует выключением сварочного тока кнопкой, расположенной на горелке, предварительно заплавив кратер.
- Прекращать подачу защитного газа через горелку и отвод ее от изделия осуществлять только через 5—10 сек после потемнения шва.
- При многопроходной сварке после каждого прохода производить тщательную зачистку сварных швов от окисной пленки.
- Защиту обратной стороны шва производить плотно подгоняемыми медными и стальными подкладками, остающимися подкладками из технического титана, поддувом аргона в специальные канавки в подкладках, или в устанавливаемые карманы вдоль сварного шва.
При выполнении угловых и нахлесточиых соединений крупногабаритных изделий, когда поддув аргона затруднен, сварку можно производить без защиты обратной стороны шва, выполняя сварку на участках длиной 15—20 мм с перерывами при минимальном разогреве свариваемых элементов.
Толщина свариваемых кромок, мм | Сила тока, а | Диаметр присадочного материала (проволока), мм | Диаметр мундштука, мм | Расход аргона через горелку, л/мин |
0,5 | 15-30 | 1,0 | 8-10 | 8-12 |
1,0 | 50—60 | 1,5 | 8—10 | 8—12 |
2,0 | 80—100 | 2,0 | 10-12 | 10—14 |
3,0 | 120—140 | 3,0 | 10-12 | 10—14 |
4,0 | 120—150 | 3,0 | 12-16 | 12-16 |
5,0 | 130—160 | 3,0 | 12-16 | 12—16 |
7,0 | 140—180 | 3—4 | 12—16 | 12-16 |
Примечания.
|
Толщина металла, мм | Метод сварки | Диаметр электродной проволоки, мм | Ток, А | Напряжение дуги, В | Скорость подачи электродной проволоки, м/ч | Скорость сварки, м/ч |
2,5 | Односторонний шов на остающейся подкладке | 2 | 180—200 | 30—32 | 160-165 | 50 |
4 | Односторонний шов на остающейся подкладке | 2,5 | 270-290 | 30—32 | 185—190 | 50 |
6 | Односторонний шов на медной подкладке | 3 | 390—420 | 30—32 | 170—175 | 50 |
8 | Односторонний шов на медной подкладке | 4 | 590—600 | 32—34 | 95—100 | 45 |
8 | Двухсторонний шов | 3 | 310—330 | 30—32 | 135—140 | 50 |
10 | Односторонний шов на медной подкладке | 4 | 600—620 | 32—34 | 110—115 | 45 |
12 | Двухсторонний шов | 3 | 350—400 | 30—32 | 160—165 | 50 |