Меню Рубрики

Установки для сварки титана

Сварка титана и его сплавов

Титан – высокопрочный материал, сохраняющий устойчивость к коррозии в том числе в агрессивных средах. Прочность чистого титана находится в пределах от 267 до 337 МПа. Сплавы, особенно с алюминием, ванадием, хромом, оловом и другими отличаются более высоким коэффициентом прочности – до 1400 МПа. Но при этом сплавы достаточно пластичны, благодаря чему они востребованы в судостроении, машиностроении, химической отрасли, авиа- и приборостроении, в ракетной промышленности, у которых сварка титана является неотъемлемой частью производства.

СВАРКА ТИТАНА – ВОЗНИКАЮЩИЕ СЛОЖНОСТИ И ПУТИ ИХ ПРЕОДОЛЕНИЯ

Элемент обладает высокой химической активностью, что является основной причиной сложностей, возникающих при сварке титана и его сплавов. При нагревании и находясь в расплавленном состоянии металл активно реагирует с такими элементами, как азот, водород, кислород. Взаимодействие с кислородом, которое начинается уже при комнатной температуре, приводит к образованию на поверхности титана альфинированного слоя – прочной корки, которая защищает поверхность от ее дальнейшего окисления. А реакция нагретого металла с кислородом приводит к образованию окислов, которые также очень прочные и непластичные. Причем в зависимости от степени окисления такая оксидная пленка имеет различный оттенок цвета – от желто-золотистого и до темно-фиолетового, постепенно переходящего в белый. По расцветке можно определить качество защиты околошовной зоны при сварке титановой трубы.

Взаимодействие с азотом (реакция наступает при нагреве материала до 500 градусов) также приводит к снижению качественных характеристик изделий – повышается прочность, но при этом снижается пластичность. Поэтому перед тем, как сваривать титановые заготовки, поверхность металла нужно очистить от альфинированного слоя и азота, чтобы их частички не попадали в область сварного шва , поскольку из-за этого могут образоваться холодные трещины.

Также негативно влияет на качество титана и водород. Уже при 200-400 градусах они вступают в реакцию, в результате чего металл воспламеняется. Даже при снижении температуры сохранившиеся в изделии гидриды становятся причиной растрескивания титановой трубы , образования пор и холодных трещин. Причем они могут образоваться даже спустя длительный промежуток времени после сваривания.

Чтобы избежать насыщения титана газами, его необходимо защитить. На практике применяются специальные прокладки, изготовленные из металла или флюса, а также газовые подушки. Для защиты применяются местные камеры-насадки, закрывающие непосредственно как зону сварки, так и свариваемый узел. Максимальной защиты можно добиться, поместив в насадки сетчато-пористый материал. Он обеспечит ламинарный поток инертного газа. Также необходимо защитить обратную сторону шва при помощи подкладок или специальных насадок.

При работе на воздухе, чтобы расширить зону защиты, подача инертного газа производится из сопел, оборудованных насадками длиной до 50 см, дополнительно подается газ через специальные подкладки, установленные с обратной стороны сварного шва. Кроме того, весь свариваемый узел можно поместить внутрь герметичной камеры.

СПОСОБЫ СВАРКИ ТИТАНА И СПЛАВОВ

Для сварки титана используется несколько основных методов. Это дуговая, контактная, электрошлаковая, сопла для выпуска инертного газа, вольфрамовый электродэлектронно-лучевая сварка. Они отличаются материалом изготовления используемых электродов, структурой образующихся соединений и толщиной изделий, которые свариваются между собой.

При любом из способов сварки титана используются присадки из схожего по составу материала – в частности, проволока ВТ1-00. Подготовка кромок титановой заготовки производится механическим способом, а их поверхность и поверхность проволоки и прилегающего металла зачищается травлением или также механически.

ДУГОВОЙ МЕТОД СВАРКИ

При дуговой сварке титановых сплавов используются вольфрамовые электроды двух типов: неплавящиеся иттрированные и лантанированные. А если выполняется сварка титана полуавтоматом или автоматическим аппаратом, применяются плавящиеся электроды.

Самый популярный тип – сварка аргоном титана автоматическими установками на воздухе. В этом случае применяется любой плавящийся электрод (чугунный, алюминиевый, медный), на сварочную горелку устанавливается насадка, которая защищает участки металла, нагретые до 250-300 градусов, от воздуха.

Сварка аргоном титана, если толщина изделий не более 1,5 мм, производится встык, и без подачи присадочной проволоки. Более толстые детали сваривают с подачей прутка. Предварительно с проволоки, с кромок заготовки и прилегающего металла нужно удалить альфинированный слой.

Читайте также:  Установка газгольдера в гараже

Если производится сварка титана полуавтоматом вручную, ее необходимо выполнять на короткой дуге, поддерживая между электродом и присадкой прямой угол. По завершении сварки титана полуавтоматом нельзя прекращать подачу аргона до снижения температуры металл ниже 400 градусов.

Чтобы повысить эффективность сварки титановой трубы плавящимся электродом в присутствии инертных газов, проволоку перед началом работы подогревают проходящим током, а также используют импульсно-дуговую сварку. Тем самым, при сварке титана полуавтоматом сокращение погонной энергии вдвое ведет к увеличению ее производительности также вдвое. А чтобы меньше расходовать дорогостоящие материалы, сварку осуществляют в щелевую разделку.

Электрошлаковая сварка подразумевает использование электродов для сварки пластинчатого типа, изготовленных из того же материала, что и свариваемый металл. Толщина титановых электродов должна составлять 8 – 12 мм, а ширина зазора должна равняться толщине заготовки. Защиту от перегрева обеспечивает аргон. В результате прочность сварного шва оказывается высокой, поскольку полученные соединения обладают характеристиками, схожими с исходным материалом. Подобный метод, когда используются титановые электроды, эффективен при работе с деталями толщиной от 40 мм.

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СПОСОБ

Лучевая сварка отличается тем, что сварной шов в результате обладает мелкозернистой структурой. Также такой вариант сварки титановой трубы позволяет обеспечить надежную защиту металлических поверхностей от газов. Данный способ используется при сварке титановых труб, толщина которых не превышает 160 мм.

Чтобы исключить образование пор и разрывов в соединении, сварка титана с заготовками из других металлов осуществляется при горизонтальном расположении луча.

СВАРКА ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ СО СТАЛЬНЫМИ ЗАГОТОВКАМИ – ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА

Сварка титана со сталью помогает снизить вес конечных материалов. Это находит свое применение при проектировании сооружений различных типов. Однако из-за существенных различий в свойствах материалов сложно добиться высокопрочных соединений, отличающихся долговечностью. Разработки в этом направлении ведутся и сейчас. Наибольшие сложности возникают при необходимости сваривания титана с нержавейкой.

В настоящее время используются такие методы сварки со сталью, как:

  • Сварка взрывом. В этом случае используются промежуточные прокладки из таких металлов, как медь (Cu), никель (Ni), серебро (Ag) либо сплавы тугоплавких металлов.
  • Диффузионный метод сварки. Таким способом производится в том числе соединение титана с нержавейкой. В результате соединения получаются очень прочными, за исключением зоны шва, где их прочность будет ниже, чем у исходных заготовок.
  • Клинопрессовая сварка титановой трубы. Таким способом удается получить достаточно качественное соединение.
  • Контактный и ультразвуковой способы сварки.

Из всех способов, которые используются при сваривании заготовок, наиболее востребованной является технология сварки титана методом плавления – аргонодуговая.

Таким образом, существует ряд методов соединения титановых изделий, в том числе широко используется сварка титана полуавтоматом. Зная особенности сварки титана и его сплавов, можно добиться нужного результата.

источник

Особенности сварки титана и титановых сплавов. Технология сварки и необходимое оборудование

Титан и его сплавы нашли широкое применение в самых ответственных отраслях современного машиностроения, благодаря их низкой массе, высокой прочности и стойкости к агрессивным химическим средам.

Особенности сварки титана и его сплавов

В то же время сварка этих материалов сильно затруднена, что объясняется рядом их свойств:

  • высокая температура плавления (1470-1825℃);
  • склонность к увеличению размеров кристаллов и появлению пор при температурах более 880℃;
  • окисление металла атмосферным воздухом, высокая химическая активность всех зон, температура которых превышает 400℃;
  • сплавы, содержащие железо, хром, марганец, молибден, вольфрам или ванадий, склонны к закалке и обладают низкой пластичностью, в ряде случаев после сварки требуется их отжиг.
Читайте также:  Установка передних расширенных брызговиков на дастер

Эти факторы обусловили необходимость сварки титана и его сплавов в защитных газовых средах, в первую очередь, аргоновой и гелиевой. Кроме того, одной из главных задач сварочного оборудования, задействованного в работе с данными металлами, является минимизация времени и площади термического воздействия как на шов, так и на прилежащие к нему зоны.

Вне зависимости от использованного вида сварки и технологического процесса прочность шва по отношению к прочности основного металла не превышает 80%, что нужно учитывать при проектировании титановых конструкций.

В настоящее время ведется поиск более эффективных методов соединения материала.

Подготовка титана и его сплавов под сварку

Процесс изготовления любых полуфабрикатов и заготовок из титана и его сплавов связан с термической обработкой металла. Это значит, что на поверхности изделий содержится плотная оксидно-нитридная пленка, без разрушения которой сварочные работы будут невозможны или неэффективны. Поэтому процесс подготовки к сварке имеет такую последовательность:

  1. Подгонка заготовок, кромкование в случае необходимости.
  2. Механическая обработка (шлифование) подготовленных кромок, а также прилегающих к ним поверхностей.
  3. Химическая обработка стыка. Для растворения остаточных пленок используется смесь дистиллированной воды, соляной кислоты и фторида натрия в пропорции 13:7:1. Время воздействия на металл составляет 5-10 минут, необходимая температура – около 60℃.
  4. Окончательная обработка. Непосредственно перед сваркой стык и прилегающие к нему зоны (шириной до 25 мм) зачищают металлической щеткой до характерного блеска, после чего обезжиривают спиртосодержащими составами.

Правильно проведенные подготовительные операции сводят к минимуму вероятность появления полостей в сварочном шве, его растрескивание или разрушение под нагрузкой, позволяют сформировать однородную устойчивую сварочную ванну.

Основные способы сварки материала

Из-за необходимости защиты шва от вредоносного воздействия окружающего воздуха, а также в связи со склонностью титана и титановых сплавов терять прочность при длительном термическом воздействии широкое распространение получили лишь такие виды сварки материала:

  • электродуговая в защитной газовой среде – предполагает быструю проварку шва неплавящимся или плавящимся электродом в камере, заполненной аргоном, гелием или другими инертными газами;
  • электрошлаковая сварка – обеспечивает защиту шва тугоплавкими фтористыми флюсами, плавление которых осуществляется низковольтным переменным током;
  • электронно-лучевая и лазерная технологии – позволяют проводить сварку в полностью изолированной безвоздушной среде при отсутствии прямого контакта с заготовками, высокая концентрация тепловой энергии гарантирует быструю проплавку и малую ширину шва;
  • альтернативные виды – включают сварку титана и его сплавов давлением, трением, взрывом и прочими способами, предполагающими взаимопроникновение стыкуемых поверхностей под действием механических сил.

Ограниченно применяются дуговая сварка под флюсом и контактная точечная сварка титана. Среди их преимуществ – относительная простота, дешевизна и низкая трудоемкость технологий, но качество шва значительно уступает рассмотренным выше методам.

В машиностроении распространена практика сварки изделий из титана или титановых сплавов со сталью. Она осложнена вероятностью возникновения хрупких химических соединений – титанидов железа (FeTi и Fe2Ti). Проблема решается выбором особых режимов проварки шва в среде аргона вольфрамовым электродом, а также методом комбинированных вставок, когда между заготовкой из титана и заготовкой из стали помещается прослойка из бронзы или тантала. Особо сложные соединения требуют совместного использования бронзы и ниобия, которые соединяют в камере с контролируемой атмосферой.

Технология сварки титана аргоном

Аргонодуговая сварка титана и его сплавов приобрела наибольшую популярность ввиду оптимального соотношения доступности технологического процесса и качества получаемых швов. Она широко используется как в массовом производстве деталей из титановых заготовок, так и в частных случаях.

Необходимое оборудование

Технология допускает использование любого электродугового сварочного аппарата, способного обеспечить жесткую вольт-амперную характеристику (обычно сила тока составляет не менее 140 А). Используются вольфрамовые электроды, особенности которых рассмотрены ниже. Поскольку свойства металла требуют непрерывной защиты стыка инертными газами, особую сложность представляет именно равномерная подача газа с необходимой интенсивностью.

Читайте также:  Установка звука для ubuntu

Распространены три способа газовой защиты:

  • струйная – аргон подается в зону сварки направленной струей через специализированные сопла и отражатели, вытесняя атмосферный воздух;
  • местная – предполагает использование небольших герметичных камер, заполненных газом, работать в которых можно через гибкие рукава-манипуляторы;
  • полная – промышленный способ, при котором заготовки размещаются в камере с контролируемой атмосферой (например, УБС-1, ВКС-1, ВУАС-1), требует использования сварочного костюма-скафандра.

Важно помнить, что защите должна подвергаться не только сварочная ванна, но и обратная стороны стыка, а также все прилегающие к ним зоны, которые нагреваются до высоких температур в процессе сварки.

Выбор электродов

Для аргонодуговой сварки титана и титановых сплавов используют вольфрамовые электроды малого диаметра.

Если толщина стыка не превышает 3 мм, применяются электроды диаметром 1,5-2,0 мм без присадочного материала. Во всех остальных случаях толщина электрода соответствует толщине стыка, использование присадочной проволоки обязательно.

При первых же признаках износа или повреждения электрод заменяют. Работа неисправным электродом не только отрицательно сказывается на технических характеристиках сварочных швов, чувствительных к режиму проведения работ, но и может быть небезопасной для сварщика.

Присадочная проволока

Выбор присадочного материала зависит от марки титана или сплава, толщины заготовок, толщины электрода, параметров сварки, эффективности принятого метода защиты стыка от атмосферного воздуха. В большинстве случаев можно руководствоваться этой таблицей:

Марка материала Марка присадочной проволоки
ВТ1-00, ВТ1-0, ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4, ВТ5, ВТ5-1 ВТ1-00св, ВТ2, ВТ2В, ВТ20-1св, ВТ20-2св
ВТ6, ВТ3-1, ВТ9, ВТ14, ВТ16, ВТ20 ВТ15, СПТ-2, СП-15
ВТ22 (с пост-термообработкой) ВТ20-1св, ВТ20-2св, СПТ-2
ПТ-7М, ПТ-3В, ПТ-1M ВТ1-00св, СПТ-2, СП-15

Следует учитывать, что металлы марок ОТ4, ВТ5, ВТ5-1 требуют использования щадящих режимов сварки, в том числе с минимальной погонной энергией. Для большинства других материалов требуются режимы с быстрым охлаждением.

Процесс сварки

Наличие и метод разделки кромок, а также параметры сварки зависят от толщины стыка. Обычно эта зависимость имеет такой вид:

Толщина металла, мм Разделка кромок Сила сварочного тока, А Напряжение дуги, В Диаметр присадочной проволоки, мм Количество проходов, шт.
1-3 Отсутствует 40-90 10-14 1,2-2,0 1
3-10 Односторонняя прямая фаска под углом 35-45° 120-200 10-15 1,5-2,5 2-12
10-20 Радиальная ванна с бортами, наклоненными на 15° 180-280 12-16 2,5-3,0 12-26
Более 20 Двухсторонние прямые фаски под углом 30-35° 230-280 13-16 2,5-3,0 Не менее 24

Электродуговую сварку титана и сплавов проводят в нижнем положении. Техника мало чем отличается от классической дуговой сварки, общий алгоритм действий включает следующее:

  1. Закрепление очищенных и обезжиренных заготовок на опорной поверхности с зазором, соответствующим конфигурации детали и режиму сварки (для листов толщиной 2,0-3,0 мм зазор составляет 0,5-1,5 мм).
  2. Подача аргона к месту стыка или в защитную камеру. При струйном методе защиты общий расход газа на обдув рабочей и обратной стороны шва составляет 12-16 л/мин для листов толщиной 2,0-3,0 мм.
  3. Поджигание дуги в начале шва. Происходит не раньше, чем через 15 секунд после начала струйной подачи аргона или сразу после вытеснения атмосферного воздуха из защитной камеры.
  4. Последовательная проварка шва. Осуществляется путем плавного и достаточно быстрого осевого перемещения, поперечное смещение следует свести к минимуму. Обычно электрод ведется углом вперед, а присадочную проволоку подают перпендикулярно ему.
  5. Повторная проварка шва в случае необходимости. Может проводиться до 40 последовательных проходов.
  6. Обрыв дуги и завершение работ. При этом подача аргона продолжается, пока металл в зоне стыка не остынет до 250-300℃ (для изделий небольшой толщины – около 45-60 секунд).

источник

Добавить комментарий

Adblock
detector