Сварка титана и его сплавов

Потребность в сварке титана и его сплавов обоснованна его преимуществами по сравнению с другими конструкционными материалами — высокая коррозионная стойкость во многих средах и высокая граница прочности от 450 до 1500 МПа при низкой густоте (4,5 г/см3).

С одной стороны физические свойства и высокая температура плавления титана (1660 °C) требуют использовать для его сварки сконцентрированные источники тепла. В то же время низкий коэффициент теплопроводности и высокое электрическое сопротивление титана создают условия, когда для сварки требуется использовать меньше электрической энергии. У титана практически отсутствуют магнитные свойства, поэтому магнитного дутья при сварке не возникает.

Основной трудностью сварки титана считается его способность активно взаимодействовать с газами при высоких температурах. При обычных температурах окружающей среды титан достаточно спокойный материал, но с повышением температуры кислород начинает растворяться в титане, что приводит к повышению прочности и снижению пластичности. Длительное воздействие кислорода на нагретый выше 450 °C титан создает на нем слой окалины, состоящий из окислов титана (Ti02). Этот слой является источником кислорода и причиной образования трещин при сварке титана. Поэтому содержание кислорода в титановых сплавах не должно быть выше 0,15%.

Азот сильно повышает прочность титана и снижает пластичность. При температуре 800 °C азот с титаном образуют нитрит титана, температура плавления которого достигает 2950 °C. Поэтому граничное содержание азота в титановых сплавах не должно превышать 0,04-0,05%.

Водород, даже в небольших количествах в титане, является причиной хрупкости и негативного влияния кислорода и азота. В свою очередь титан имеет большую склонность к поглощению водорода, в результате чего образуется гидрид титана. При нагревании проходит разложение гидрида титана и восстанавливается ударная вязкость. Гидриды возникшие в средине зерен металла и на их границах, имеют большой объем, приводят к появлению трещин. Водород также считают источником образования пор. Для сварки необходимо использовать сплавы с минимальным содержанием водорода (не более 0,01%), а присадочный материал отжигать.

Углерод приводит к снижению пластичности титана и его сплавов. Низкая растворяемость углерода в титане приводит к выделению карбидов и повышению прочности со снижением пластичности.

Способы сварки титана

Активность титана во взаимодействии с кислородом, азотом и водородом требует использовать для сварки надежную газовую защиту от этих газов. Достаточно надежную защиту можно получить при использовании дуговой сварки в инертных газах (аргон, гелий) или при использовании флюс-пасты, которую наносят на кромки свариваемых деталей.

Газовая сварка, сварка покрытыми электродами, угольным электродом титана и его сплавов не используется. Этими способами невозможно обеспечить высокое качество сварных соединений, через недостаточную защиту зоны сварки и активность титана с атмосферными газами.

Для соединения титановых деталей используют следующие виды сварки:

Требования к технологии сборки титановых изделий и присадочного материала

Сварка конструкций с титана и его сплавов требует выполнять сборку деталей с особенной точностью и ответственностью, потому что точность сборки и чистота кромок значительно влияют на качество сварного соединения.

Для защиты от окисления обратной стороны соединения и уменьшения деформации изделие собирают на стальных или медных подкладках. Через центральную часть подкладки во время сварки продувают защитный газ. При этом кромки должны плотно прилегать к подкладке по всей длине.

Выполнять сборку соединений рекомендуют в приспособлениях, только при их отсутствии применяют прихватки. Детали из технического титана прихватывают без использования присадки. Для прихватки легированных сплавов используют присадочный материал. Длину прихваток становит 30-50 мм. Прихватки выполняют с обратной стороны шва для избежания перегрева. В начале и конце сварочного соединения прихватывают технологические пластины для зажигания дуги (начала сварки) и выведения кратера. Зазор между кромками при сварке титана не более 0,3-0,5 мм, а притупление кромок — не более 10% толщины металла.

Сварочную проволоку, прутки и пластины должны иметь чистую, не насыщенную водородом и не загрязненную маслом поверхность. Если присадочный металл загрязнен, его очищают пескоструйным методом, травят или используют механическую обработку. Для удобства ручной аргонодуговой сварки присадку рубают на прутки длиной 300-400 мм для удобства. Проволоку диаметром от 1,2 до 7,0 мм поставляют после вакуумного отжига при температуре 900-1000°C на протяжении 4 часов.