Сварка титана полуавтоматом

Варим титан и его сплавы

Обладая особенными физико-химическими свойствами, титан сегодня широко используется в промышленности. Он не коррозирует ни в воде, ни в агрессивных средах, температура его плавления 1470-1825С, нагревая его до температуры +500С, можно быть уверенным, что металл не потеряет свои прочностные характеристики. Но технология сварки титана имеет одну особенность – это не только защита зоны сварки, но и защита обратной стороны сварочного шва от воздуха. При этом необходимо защищать все участки около сварочной ванны, которые нагреваются свыше +400С. И еще одно условие – кромки свариваемых заготовок нагревать надо быстро.

И еще несколько особенностей сварки титана:

• Если он нагревается выше температуры +880С, его структура изменяется. Происходит увеличение зерен, что является причиной образования пор.
• Входящие в состав титановых сплавов легирующие добавки снижают их пластичность. Уже при температуре выше +250С происходит поглощение водорода, выше +400С начинает поглощаться кислород, а при +600С азот.

В зависимости от марки титанового сплава прочность соединения, а точнее, прочность сварочного шва ниже, чем прочность самого металла. Величина понижения в пределах 20-40%. На данный показатель также влияет и способ сварочной технологии. При этом необходимо отметить, что такие сплавы как ОТ4, ВТ4 и ВТ5 после сваривания не подвергаются термической обработке. Иногда разрешается сделать отжиг, чтобы снять термические напряжения внутри основного металла.

Сварка титана – способы и технологии

Титан и его сплавы можно варить дуговой сваркой в среде защитных газов (аргоном или гелием), использую ручной способ или полуавтоматом. Для этого рекомендуется использовать технологию сварки под флюсом. То есть, здесь требуется двойная защита. При этом если соединяются тонкостенные заготовки, то лучше использовать флюс марки АН-11, при стыковке толстостенных лучше применять флюс марки АН-Т2.

Как уже было сказано выше, одно из условия сварки титана – это зашита сварочного шва с двух сторон. Поэтому сваривание производится с обдувом стыка газом с двух сторон или с установкой с обратной стороны подкладок.

Подготовка титана к сварке

Перед тем как варить сплав или сам титан, необходимо провести подготовку его кромок. Все дело в том, что после предварительной термической подготовки заготовок (их отливают, подрезают, обрабатывают), на поверхности кромок образуется так называемая оксидно-нитридная пленка. Она очень прочная и жаростойкая. Так вот от нее и надо избавиться.

• Кромки сначала подвергаются механической чистке, можно использовать для этого железную щетку, пройдясь по кромкам ею вручную или болгаркой. Необходимо также очистить от пленки не только кромки, но и участок, прилегающий к стыку на ширину 1,5-2,0 см.
• Производится травление металла с помощью жидкой смеси, в состав которой входит соляная кислота – 350 мл, вода – 65о мл, фторид натрия – 50 мл. Процесс проводится в течение 5-10 минут при температуре +60С.

Ручная дуговая сварка

Как уже говорилось выше, основная задача получения качественного шва – это создать защитные условия, в которых будет проводиться сам сварочный процесс. При этом необходимо защитить и остывающие участки свариваемых титановых заготовок. Поэтому при сварке титана аргоном и неплавящимся вольфрамовым электродом нужно обязательно использовать специальные приспособления. Это могут быть козырьки, насадки удлиненного типа с отверстиями и прочие.

Чтобы защитить корень сварной ванны, нужно использовать подкладки, изготовленные из меди или стали. Можно устанавливать подкладки с отверстиями, через которые пропускать защитный газ. Если свариваются титановые трубы, то нужно аргон запускать внутрь трубопровода.

Что касается размера зазора между кромками, то если соединяются тонкостенные детали, то зазор между ними должен составлять 0,5-1,5 мм. В этом случае кромки можно и не формировать, а в процессе сваривания присадочную проволоку можно не использовать. Кстати, присадку надо выбирать идентичной по составу материала, как и основной свариваемый металл.

Режимы сварки таковы: если варится титан вольфрамовым электродом с диаметром 1,5-2 мм и присадочной проволокой диаметром 2 мм, а толщина свариваемых заготовок равна 2 мм, то необходимо выдерживать ток величиною 90-100 ампер. Увеличение толщины металла до 4 мм дает право варить титан током в 120-140 ампер. И основное – сварка титана и его сплавов производится переменным током постоянной полярности.

И еще несколько условий:

• При ручной сварке процесс проводится на короткой дуге, без колебания электрода и присадки. Точное движение вдоль шва.
• Сваривание производится углом вперед, это когда электрод направлен в противоположную сторону от направления движения.
• Если в процессе сварки титана используется присадочный материал, то угол между ним и электродом должен быть равен 90°
• Подавать присадку в сварочную ванну надо беспрерывно.
• После гашения дуги нужно обязательно продолжать подавать защитный газ в зону сварки, тем самым обеспечивая процесс охлаждения. Важно понизить температуру металла ниже 400С. Обычно на охлаждение уходит не больше одной минуты времени.

Последующее охлаждение металла гарантирует качество сварного шва. Кстати, качество можно определить по цвету. Если он светлый, соломенный или желтый, то все нормально. Если он серый, синеватый или черный, то произошло окисление, что снизило качество.

Сварка полуавтоматом или автоматом производится по той же технологии, что и ручная. Единственное, на что необходимо обратить внимание, это отверстия в сопле горелки. Их диаметр согласно ГОСТ должен быть в пределах 12-15 мм. При этом зажигать и гасить горелку лучше на специальных подкладках или планках.

Электрошлаковая сварка

Легированные титановые сплавы обычно сваривают электрошлаковой сваркой. К примеру, сплав марки ВТ5-1, в состав которой входит олово – 3% и алюминий – 5%, изготавливается методом прессования и прокаткой в тонкие листы. Толстостенные детали не прокатывают, а куют.

Самыми сложными при сварке – это толстостенные заготовки. Поэтому их варят в среде защитного газа аргона с использованием флюса марки АН-Т2. При этом используется переменный ток, который в зону сварки подается трехфазным трансформатором. У этого оборудования должна быть жесткая характеристика.

Чтобы сварить такие заготовки нужно установить ток 1600-1800 ампер с напряжением 14-16 вольт. При этом зазор между ними должен быть 26 мм, расход аргона устанавливается в пределах 8 литров в минуту, а вес засыпаемого флюса 130 г. Но очень важно понимать, что качество сварки при таком режиме будет обеспечивать диаметр электрода. Если данный параметр равен 12 мм, то качество гарантируется. Если он равен 8 мм, то прочностные характеристики снижаются до 80%. Также не рекомендуется использовать в процессе сварки электроды из легированных сплавов. Они снижают пластичность металла в сварочном шве.

Контактная сварка

Титановые детали можно варить и контактным способом. ГОСТ это делать позволяет, потому что оптимальная скорость сваривания титана равна 2-2,5 мм/ сек. Увеличивать данный показатель не рекомендуется, потому что будет снижаться прочность металла, заполняющего зазор. И этот показатель очень важен, когда для соединения используется контактная сварка. Потому что данная технология производится очень быстро. При этом не стоит зачищать свариваемые кромки, а тем более фрезеровать их.

Так как существует несколько вариантов контактной сварки, то все они могут быть использованы для сваривания титановых заготовок. Контактная сварка может быть точечной, линейной и конденсаторной. Необходимо понимать, что у каждой технологии будет выбираться свой режим, зависящий от толщины свариваемых заготовок, от давления электродов, от их диаметра или от ширины и длины сварочной пластины, от времени сжатия, от продолжительности прохождения тока через металл. То есть, процесс этот не самый сложный, но требующий знания подбора все вышеперечисленных параметров технологического процесса.

Описание и параметры контактной сварки титана есть в ГОСТах. Так что разобраться в ней будет несложно. Обязательно посмотрите видео, в котором показано, как можно варить титан аргонной сваркой.

Сварка титана и титановых сплавов. Как и чем варить титан и его сплавы?

Содержание

Особенности сварки титана и сплавов на его основе

Сварка титана и титановых сплавов всё чаще применяется в промышленности из-за их физико-химических свойств. Температура плавления титана составляет, по разным данным, 1470-1825°C. Титан способен сохранять высокую прочность до температуры 500°C, а также высокую коррозионную стойкость во многих агрессивных средах.

Основное условие для качественной сварки титана — это необходимость надёжной защиты зоны сварки и обратной стороны шва от вредного воздействия атмосферного воздуха. При этом, защищать нужно не только сварочную ванну, но и те участки металла, температура нагрева которых превышает 400°C. Кроме этого, необходимо обеспечить минимальный по времени нагрев свариваемых кромок.

Дополнительными трудностями при сварке титана являются его склонность к увеличению размера зерна при высоких температурах (выше 880°C) и к образованию пор.

Титановые сплавы склонны к закалке, в зависимости от легирующего элемента. Такие элементы как Cr, Fe, Mn, W, Mo, V, входящие в состав сплава, снижают его пластичность. Так, при температуре 250°C начинается интенсивное поглощение водорода, при 400°C кислорода и при 600°C азота.

Прочность сварного соединения титана и титановых сплавов, в зависимости от марки сплава и способа сварки плавлением составляет 0,6-0,8 прочности основного металла. Сварные соединения из титановых сплавов марок ВТ5, ОТ4, ВТ4 и др. не последующей термической обработке не подвергают. В отдельных случаях допускается выполнять отжиг для снятия напряжений.

Какие способы используют для сварки титана и его сплавов?

Титан и его сплавы свариваются плавлением только дуговой (ручной или автоматической) сваркой. Наибольшее распространение получила сварка в среде аргона или гелия под некислородным флюсом марки АН-11. Для изделий большой толщины применяют электрошлаковую сварку под флюсом марки АН-Т2. Кроме того, титан хорошо сваривается контактной сваркой в среде защитных газов или без неё. При сварке плавлением необходимо обеспечивать газовую защиту оборотной стороны шва в среде аргона. В связи с этим, рекомендуется применять сварку на подкладках или производить сварку встык.

Подготовка титана и его сплавов под сварку

Качество титанового сварного соединения во многом будет зависеть от технологической подготовки сварных кромок и сварной проволоки под сварку. У деталей из титана и титановых сплавов поверхность покрыта оксидно-нитридными плёнками, появляющимися после горячей обработки полуфабрикатов, из которых эти детали изготовлены.

Удалить эту плёнку можно при помощи механической обработки и следующего за ней травления в смеси 350мл соляной кислоты, 50г фторида натрия и 650мл воды. Время травления составляет 5-10мин, температура травления 60°C. Перед сваркой необходимо зачистить металлическими щётками сами сварные кромки, а также участки, на расстоянии 15-20мм от стыка до металлического блеска и обезжирить.

Ручная дуговая сварка титана и титановых сплавов

Технология, техника и режимы сварки

Ручную дуговую сварку титана вольфрамовым электродом выполняют постоянным током прямой полярности. При сварке используют специальные приспособления, с помощью которых обеспечивается защита зоны сварки, околошовной зоны, корня шва, а также остывающих участков шва. Такими приспособлениями могут быть, в частности, удлинённые насадки с отверстиями, защитные козырьки и др.

Защиту корня шва можно обеспечить, если плотно поджать сварные кромки к медной или стальной подкладке. Можно, также, использовать подкладку с отверстиями, или изготовленную из пористого материала и подавать через неё защитный газ. При сварке труб из титана защитный газ пропускают внутрь трубы.

Если толщина свариваемого металла не превышает 3,0мм, то при их сборке допускается зазор от 0,5мм до 1,5мм. В этом случае сварку производят без использования присадочного материала. Если используют присадочный материал, по составу сходный со свариваемым металлом, то диаметр электрода принимается равным толщине основного металла.

Приблизительные режимы для ручной дуговой сварки титана и его сплавов вольфрамовым электродом диаметром 1,5-2мм и присадочной проволокой диаметром 2мм составляют: сила тока 90-100А для сварки металла, толщиной 2мм и 120-140А для металла толщиной 3-4мм. Сварку производят постоянным током прямой полярности, как уже говорилось выше.

Ручную сварку титана проводят без колебательных движений, на короткой дуге. При этом наклон электрода должен быть в противоположную сторону от направления его движения, т.е. сварка выполняется «углом вперёд». Если используется присадочный материал, то рекомендуемый угол между электродом и присадочным прутком составляет 90°. Подача присадочной проволоки осуществляется без перерыва.

После окончания процесса сварки и гашения электрической дуги, необходимо продолжать подачу защитного газа в течение 0,5-1мин, пока металл не остынет до температуры ниже 400°C. Этот приём помогает предотвратить окисление металла сварного шва и зоны термического влияния. Окисленный шов хорошо различается по цвету. Качественный шов окрашен в светлый, жёлтый или соломенный цвет. Некачественный шов имеет серый или чёрный цвет и наличие синевы в переходной зоне. На рисунке справа показаны неокисленный, качественный шов (сверху) и шов окисленный (снизу).

Видео: аргонодуговая сварка труб из титана

В представленных ниже коротких видеороликах подробно показан процесс сварки труб из титана в среде аргона с использованием специальных фартуков для защиты зоны сварки:

Автоматическая сварка титана и его сплавов

Автоматическая сварка титана и титановых сплавов выполняется вольфрамовым электродом. Выходные отверстия сварочной горелки должны быть не менее 12-15мм. При сварке неплавящимся электродом рекомендуются постоянный ток прямой полярности.

В связи с высокой активностью титана, зажигание и гашение горелки необходимо производить вне свариваемого изделия — на специальных планках. Также, как и при ручной сварки, после гашения дуги защитный газ необходимо подавать ещё в течение, примерно 1мин, чтобы предотвратить окислении шва и переходной зоны. Рекомендуемые режимы сварки титана для автоматической сварки в защитных газах и автоматической сварки под флюсом представлены в таблицах ниже:

Сварка титана

Титан — удивительный металл. Он отличается уникальным сочетанием свойств: легкость, прочность, коррозионная стойкость. Кроме того, титан не отторгается тканями человеческого организма. Из титана изготавливают детали самолетов и подводных лодок, элитные велосипеды и протезы. Однако обработка титана, а особенно — его сварка сопряжена с определенными трудностями. Для их преодоления ученые и инженеры разработали и успешно применяют специальные способы сварки титана и его сплавов.

Особенности сварки титана и сплавов на его основе

Титан и его сплавы обладают температурой плавления от 1468 до 1830 ° С. Металл обладает высокой жаропрочностью (до 500 °С ) и высокой коррозионной стойкостью. Эти сплавы можно закалять, если добавить в качестве легирующих присадок хром, марганец или ванадий. При этом пластичность материала падает.

Однако при нагреве до 400 ° С поверхностные слои металла становятся химически активными и стремятся прореагировать с доступными окислителями, прежде всего — кислородом и азотом воздуха. Кроме того, при нагреве свыше 800 °С сплавы проявляют склонность к росту зернистости и пористости. Сварка титана должна происходить в условиях отсутствия газов — окислителей.

Способы сварки титана и его сплавов

Учитывая физико-химические свойства, титан и титановые сплавы сваривают только электродуговой сваркой.

Основные способы сварки титана:

• в газовой среде, с бескислородным флюсовым порошком АН-11;
• электрошлаковый для толстых листов, под флюсом АН-Т2;
• контактный в атмосфере защитных газов.

В ходе работы требуется защищать от окислителей не только рабочую зону, но и оборотную сторону соединения. Поэтому технология сварки титана предусматривает работу в изолированном объеме, заполненном газовой смесью на основе аргона. Дополнительную защиту осуществляют, используя подкладки или сваривая детали встык.

Подготовительные операции

Для получения прочного и долговечного шва необходимо подготовить свариваемые поверхности. Прежде всего, следует удалить пленку из окислов. Для этого детали тщательно зачищают и обезжиривают с двух сторон на расстояние в 20 см от линии шва. Проводить очистку и обезжиривание следует в защитных перчатках, предотвращающих попадание потожировых пятен с рук.

Далее поверхности в течение 10 минут обрабатывают травильным составом — 35 частей соляной кислоты, 65 частей воды и 50 граммов фторида натрия. Раствор нагревают до 60-70 °С.

Следом наступает очередь механической обработки — шлифовки металлическими щетками и наждачкой №12 до полного удаления заусенцев и трещинок. Аналогично следует обработать и присадочную проволоку. Теперь можно приступать непосредственно к сварке титана и его сплавов.

Технология и режимы сварки

Ручную сварку титана и его сплавов проводят электродами из вольфрама постоянным током обратной полярности. В ходе работ применяют оснастку и дополнительные приспособления, обеспечивающие защиту рабочей зоны и нагретой области, прилегающей к шву, и значительных отрезком остывающего шовного материала. Это специальные удлиненные насадки с соплами для подачи инертных газов, козырьки, перфорированные подкладные пластины с подачей газа и т.д. При соединении трубопроводов трубы заполняют защитным газом изнутри.

Ручная дуговая сварка

Ручная аргонодуговая сварка чаще всего применяется при изготовлении уникальных изделий или в мелкосерийном производстве, а также при выполнении работ высокой сложности, на которые не получается запрограммировать автомат.

Ручная дуговая сварка

При толщине листа до 3 мм зазор следует выставлять от полмиллиметра до полутора, и сваривать можно без добавления присадочной проволоки. При использовании 1,5-миллиметрового электрода и 2-миллиетровой присадочной проволоки сварочный ток для листов толщиной 2 миллиметра выбирают около 100 ампер, а для листов в 3-4 мм — ток увеличивают до 140 ампер.

Электрод ведут прямо, без колебаний, а наклонен он должен быть вперед по ходу шва. Если используется присадочная проволока, то она должна подаваться непрерывно, а электрод ставится перпендикулярно к заготовке.

После завершения шва и отключения электродуги требуется подавать защитные газы еще как минимум полторы — две минуты, чтобы дать возможность последнему участку шва и околошовной зоны остыть до 400 °С. Такая защита препятствует образованию окислов. Окислившийся шов легко отличим по цвету:

• высококачественный шов — желтый (соломенный);
• окислившийся – серо- черный, с переходом в синеву.

Автоматическая сварка

Автоматическая сварка проводится электродами из вольфрама с применением постоянного тока.

Если используется неплавкий электрод, то рекомендуется применять прямую полярность. Рекомендованный диаметр сопел горелки, подающих защитный газ, должен быть в пределах 12-15 мм.

Розжиг и гашение дуги выполняют не на самой детали, а на расположенных рядом с началом шва планках. Это связано с тем, что в начале и конце работы дуги в ходе переходных процессов возможны броски напряжения, могущие вызвать проплавление основной детали.

Режимы аргонодуговой сварки титана

При сварке титана аргоном работают с металлом толщиной от 0,8 до 3 миллиметров.

Параметры сварки зависят от толщины листа:

• Диаметр электрода 1 -3 мм;
• напряжение 80-130 вольт;
• сила тока 45-220 А;
• скорость ведения электрода 18-22 метров в час;
• расход газа в горелке 6-12 литров в минуту;
• расход в подкладной пластине 3-4 литра в минуту.

Режимы сварки титана под флюсом

При этом методе линия шва посыпается толстым слоем флюсового порошка. Облако инертных газов образуется по мере сгорания флюсового порошка в пламени электродуги и прикрывает как сварочную ванну, так и околошовное пространство.

Схема сварки под флюсом

Метод позволяет работать с более толстыми деталями – до 5 мм для стыковых и угловых соединений, а при сварке внахлест — только до 3 мм. Ток при этом используется от 250 до 330 ампер, рабочее напряжение — 24-38 вольт. Данный метод обеспечивает повышенную скорость сварки — от 40 до 50 метров в час (почти метр в минуту).

Электрошлаковая сварка титановых сплавов

Этот способ применяется реже, но позволяет достигнуть высокой эффективности при соединении заготовок из титановых сплавов с добавлением алюминия и олова. Метод весьма энергоемкий, применяются трехфазные сварочные источники. Сварочные токи достигают полутора тысяч ампер.

Применяются пластинчатые электроды сечением 12×60 мм. Они позволяют получить высококачественный шов, причем шовный материал по своим основным механическим параметрам близок к материалу деталей.

Для прессованных из титана деталей проводят сварку круглыми 8-миллиметровыми электродами. При этом не удается достигнуть столь же высоких прочностных показателей, как для пластинчатых.

При работе данным методом не рекомендуется использовать плавкие электроды из легированных сплавов, ввиду чрезмерного насыщения прессованного материала сварочными газами.

Контактная сварка титана

При контактной сварке электроды не используются для разжигания дуги, их назначение — только подвести электрический ток к рабочей зоне. Дуга разжигается непосредственно между небольшими зонами деталей, сближаемых между собой под давлением электродов. Метод применяется для сварки относительно тонких листов проката в ходе изготовления сосудов, корпусов и т.п.

Контактная сварка бывает:

• стыковая;
• точечная;
• шовная, или роликовая;
• конденсаторная

По данным исследований, наилучшая скорость оплавления при работе с крупными заготовками должна составлять 2-3 мм/с. Повышение скорости вызывает понижение прочностных характеристик шва, несмотря на аргонную защитную атмосферу.

В ходе подготовки к сварочным работам кромки заготовок следует отфрезеровать или зачистить абразивными материалами. Необходимо также тщательно обезжирить как линию шва, так и околошовную зону до 20 см. Поскольку титан имеет низкую теплопроводность, он склонен перегреваться. Поэтому значение осадки устанавливается на 10-20% выше, чем для конструкционных сталей.

Режимы стыковой сварки титана

Сварочные режимы определяются, прежде всего, площадью сечения свариваемых заготовок. Метод позволяет сваривать детали сечением от 150 до 10 000 мм 2 . При этом остальные характеристики варьируются в зависимости от сечения:

• осадочное давление 2,9-9890 МН/м 2 ;
• вылет 25-200 мм;
• припуск оплавки 8-40 мм;
• припуск осадки 3-15 мм;
• скорость оплавки 6-2,5 мм/сек;
• рабочий ток 1,5-50 А.

Точечная сварка титана

Этот метод позволяет получить негерметичное соединение листового металла до 4 мм толщины. Она широко применяется для корпусов механизмов и защитных кожухом, для сборки различных опорных рамок и т.п. Электрод должен быть достаточно прочным, чтобы выдерживать большое усилие сжатия листов. Для сварки протяженных швов с целью повышения производительности используется несколько электродов, расположенных с тем же шагом, что и точки шва.

Режимы точечной сварки титана определяются толщиной проката:

• толщина листа 0,8-2,5 мм;
• контактная поверхность 4-8 мм;
• давление электрода 1,9-6,8 кН;
• длительность импульса 0,1-0,4 с;
• длительность сжатия 0,1-0,4 с;
• ток импульса 7-12 кА.

Шовная роликовая сварка титана

данный способ используется для создания герметичных сварных соединений. Используются электроды в виде силовых роликов, которые катятся вдоль лини шва и сжимают листы заготовок друг с другом. На них периодически подают мощные импульсы тока с тем расчетом, чтобы зоны проплавления, имеющие овальную форму, перекрывали друг друга на 10-15% . Цепочка таких точек сварки и образует непрерывный герметичный шов. Метод позволяет сваривать листы толщиной от 0,2 до 3 мм и весьма популярен при изготовлении герметичных емкостей сосудов низкого давления, таких, как топливные баки, сильфоны и т.п.

Режимы конденсаторной стыковой сварки титановых труб

Конденсаторный метод является подвидом шовной сварки и отличается от него тем, что энергия электрического импульса запасается в батарее, составленной из мощных конденсаторов, и управляющим модулем периодически подается на электроды. Трубные заготовки диаметром до 23 мм с толщиной стенки до 1,5 мм получается сваривать даже без защитной атмосферы, поскольку мощный импульс выжигает окислители в зоне сварки.

Режим сварки также определяется диаметром трубы и толщиной ее стенки. Емкость конденсаторной батареи колеблется от 5 000 до 7000 микрофарад, напряжение импульса — от 800 до 2100 вольт, усилие сжатия — от 8 до 24 кН.

Очень важно соблюдать дистанцию вылета труб из вкладышей (от 1 до 1,8мм), поскольку при его превышении более 2,2 мм происходит смещение торцов и неполный провар шва.

Возможные дефекты при сварке

Одним из наиболее часто встречающихся дефектов является повышенная пористость шва. Он возникает за счет поглощения шовным материалом пузырьков водорода, попадающего в сварочную ванну. Чтобы избежать пористости, следует:

• тщательно зачистить и обезжирить рабочие поверхности;
• обеспечить достаточную защиту сварочной ванны и зоны остывающего металла.

Распространено также образование окисного слоя, переходящего от линии шва к сплошному металлу заготовок. Избежать этого позволяет поддержание защитного газового облака до остывания шва до температуры 400 °С.

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.

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.

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:

Сварка титана аргоном

Вопросы, рассмотренные в материале:

• Что необходимо знать о сварке титана аргоном
• Как правильно подготовиться к процессу сварки титана аргоном
• Как выполняется сварка титана аргоном
• Какие дефекты могут проявиться во время сварки титана аргоном и как их устранить

Среди других металлов титан выделяется малым весом и способностью противостоять коррозии. По этой причине он активно используется в производстве сложных узлов для нужд авиации, судостроения, машиностроения. В этой статье мы поговорим о таком виде обработки, как сварка титана аргоном.

Технология и особенности сварки титана аргоном

Сварка титана является сложной задачей, так как для его расплавления требуется очень высокая температура. Однако при сильном нагреве этот металл становится химически очень активным к входящим в состав воздуха газам.

Далеко не каждый знает, но титан, относясь к самым прочным металлам на нашей планете, достаточно часто встречается в природе – даже чаще, чем, например, цинк или медь. Этот металл тусклого серого цвета плавится при 1700 °C. С технической точки зрения его основная ценность, как мы уже говорили, состоит в высокой стойкости к ржавлению, а также относительно небольшой теплоте при сваривании.

Температура плавления сплавов титана зависит от марки и колеблется в пределах 1470 – 1825 °C. По сравнению с другими разновидностями металлов, они отличаются легкостью (за счет низкой плотности) при высокой прочности, из-за чего их используют в качестве материала для велосипедных рам, деталей гоночных авто. Но нужно понимать, что специфические свойства сплавов превращают их сварку в сложный процесс.

Необходимо отметить, что металл может находиться в одной из стабильных фаз, их обозначают латинскими буквами α и β:

• Фаза α представляет собой состояние при температуре окружающей среды, при этом у металла мелкозернистая структура, он полностью инертен к скорости охлаждения.
• Фаза β достигается при температуре от 880 0 С: зерно становится крупнее, возникает чувствительность к охлаждению (скорости процесса).

Указанные фазы стабилизируют при помощи добавок и легирующих элементов: O, N, Al (для α) или V, Cr, Mn (для β). По этой причине все титановые сплавы принято разделять на группы в соответствии с использованным типом присадок:

• ВТ1 – ВТ5.1 Это так называемые α-сплавы. Отличаются пластичностью, хорошо свариваются, но их прочность не повышается за счет термообработки.
• ВТ 15 – 22. β-сплавы, которые свариваются хуже, нередко с появлением холодных трещин. На качестве соединения сегментов негативно отражается тот факт, что во время сварки зерна структуры увеличиваются в размерах. Однако термообработка позволяет частично повысить прочность сплава.
• ВТ4 – 8, ОТ4. Группа α + β. Свойства таких промежуточных сплавов зависят от вида и доли использованных добавок.

Стоит более подробно остановиться на свойствах титана, из-за которых возникает сложность сварочных работ:

• плотность 4,51 г/см³;
• прочность 267 – 337 Мпа;
• температура плавления 1668 0 С;

• низкая теплопроводность;
• возможность самовозгорания при нагреве до 400 °C и контакте с кислородом;
• окисление углекислотой;
• образование твердых, но хрупких нитридных соединений при нагреве до 600 °C и прямом контакте с азотом;
• способность поглощать водород при достижении 250 °C;
• увеличение зерна при 880 °C и выше.

Повышение температуры до отметки 400 – 500 °C и более является критичным для титана. Сильный нагрев влечет за собой резкое повышение химической активности, из-за чего металл вступает в реакцию с атмосферным воздухом. Все это негативно отражается на прочности сварного шва, образуются гидриды, нитриды, карбиды, пр. Несоблюдение ГОСТа чревато тем, что шов не выдержит даже легкого удара.

Проведенная по всем правилам сварка аргоном обеспечивает прочность шва 0,6 – 0,8 от показателя самого металла.

Для сварных швов действует ГОСТ Р ИСО 5817-2009, он фиксирует качество сварки таких металлов: стали, титана, никеля, их сплавов, максимально допустимые уровни дефектов изделия.

Чистый титан мало используется в производстве из-за недостаточной прочности. Поэтому если речь идет, например, о сварке титана аргоном, подразумевается какой-либо его сплав, иными словами, титан и легирующий элемент.

Как правильно подготовить детали для сварки титана аргоном

Сварка титана аргоном проводится при полной изоляции свариваемых поверхностей от атмосферы, поэтому чаще всего применяются автоматическая или полуавтоматическая технология.

Безусловно, ручная сварка этого металла возможна, но для нее используется специальная горелка с керамическим соплом: через нее под давлением подается инертный газ, аргон, который вытесняет воздух.

На схеме показаны приспособления для защиты шва газом и его подачи в повышенном объеме.

Перед сваркой титана аргоном подготавливают кромки и присадки, поэтому также приводим таблицу разделки кромок.

Необходимо зачистить металлические поверхности стальной щеткой, «шкуркой», обезжирить.

Одним из самых распространенных растворителей для обезжиривания металлических поверхностей является ацетон, но у него резкий запах, он довольно токсичен. Об этом говорит тот факт, что ацетон относится к 4 классу опасности. При вдыхании в течение небольших отрезков времени его умеренных и высоких концентраций появляется раздражение глаз, дыхательных путей, повышенная частота пульса, головные боли, тошнота, рвота и даже возможна клиническая кома.

Рекомендовано к прочтению

Поэтому стоит выбирать более безопасные, но эффективные составы для очищения поверхности металла. Один из вариантов – денатурированный спирт, его наносят на металл безворсовой тканью. Это спирт с добавками, из-за которых его употребление в пищу становится невозможным. С одной стороны, они имеют ужасный вкус, а с другой – вызывают рвоту, и даже могут стать причиной слепоты.

Перед соединением детали из титана подвергают травлению смесью соляной кислоты с водой и фторидом натрия в следующей пропорции: 350 мл HCl, 650 мл дистиллированной воды, 50 г фторида натрия. На травление уходит около 10 минут при 60 – 65 °C.

Еще один способ, позволяющий удалить оксидную пленку – это смесь из 2 – 4 % фтористоводородной кислоты и 30 – 40% азотной кислоты. Травление длится 30 секунд, а температура не превышает 60 °C.

После этого металл тщательно шлифуют при помощи наждачной бумаги до № 12, проволочных щеток, шабер. Важно убедиться, что получились ровные края деталей без заусенец и трещин. Аналогично зачищается и присадочная проволока для сварки титана аргоном. Далее пора переходить к сварке.

Работа в среде защитного газа аргона ведется с помощью присадочных материалов. Последние делятся на группы по составу (палладий, ванадий, алюминий) и содержащейся в них доле кислорода. В таблице есть характеристики присадок из титана и его сплава:

Очень важно, чтобы прутки и проволока при сварке титана не выходили из-под газовой защиты, так как присадки загрязняются на воздухе.

Аргонодуговая технология требует применения постоянного тока прямой полярности и вольфрамовых электродов. Иногда приходится использовать специальные приспособления, в которые поступает инертный газ, вытесняя воздух.

Возможна сварка титана аргоном при помощи медных, стальных подкладок. В них делают отверстия для подачи газа.

Для соединения труб используют специальные фартуки с разным закруглением, чьи характеристики определяются диаметром трубы.

Полуавтоматическую или автоматическую технологии осуществляют в специальной капсуле, заполненной аргоном либо гелием. Если речь идет о трубах, их не помещают в защитную среду, а герметизируют и заполняют аргоном.

Еще одно немаловажное требование к такой работе – это наличие перчаток на руках, ведь даже чистые руки оставляют на кромке потожировые следы. Последние негативно сказываются на качестве сварного шва.

Методы сварки титана аргоном

Сварка титана осуществляется как «холодным» методом, так и методом дугового флюса либо при помощи плазменно-дуговой сварки. Однако наибольшее распространение получил метод сварки титана аргоном, то есть плавлением в изолированной аргоновой среде, так называемая TIG-сварка.

Для соединения деталей крупного сечения применяют метод электрошлаковой сварки аргоном.

Немаловажное значение играет вид сплава. Так, напомним, что титан марки ВТ1-ВТ5 отлично сваривается, хотя не подлежит закалке. Сплавы ВТ15 — ВТ22 свариваются значительно хуже, образуя крупнозернистый, относительно слабый шов, но закалка может повысить его прочность. Остальные виды титановых сплавов считаются промежуточными.

Сегодня используются следующие виды контактной сварки аргоном:

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

При работе с использованием флюса в ход идет бескислородный флюс АН-11 или АН-Т2.

Ручная сварка сплавов с титаном аргоном производится постоянным током прямой полярности в пределах 90 – 200 А. Отметим, что этот показатель зависит от толщины соединяемых деталей, калибра электрода и диаметра присадочной проволоки.

Следите за цветом получившегося шва. Если перед вами яркий серебристый шов, все хорошо. Тогда как желтоватый или голубой оттенок говорит, что рано прекращена подача защитного газа. Самый худший вариант – это серые, темно-синие или белесые швы, поскольку их нужно полностью удалять и качественно зачищать стыки для повторного соединения. Для зачистки берут щетку для металла из нержавейки.

Нюансы ручного режима сварки титана в аргоне

Добиться прочного шва при сварке титана аргоном удается за счет обеспечения чистоты поверхности деталей и присадки. Другим обязательным условием является правильная настройка сварочного аппарата. При несоблюдении техники сварки аргоном на месте шва всегда появляются сварные дефекты. Прежде чем приступать к работе, выполните продувку и прочистку горелки, защитной насадки. Не забывайте про подкладки для обратной стороны шва – с их помощью можно проверить наличие воздуха в системе.

Сварка ведется без предварительного нагрева. Исключение составляют ситуации, когда возможна влажность, наличие конденсата на титане – тогда нужен нагрев до 70 °C.

При TIG-технологии рекомендуется высокочастотное зажигание для дуги. Когда вы работаете с присадкой, длина дуги равна 1 – 1,5 сечения электрода. Если сварка аргоном производится без присадки, этот параметр соответствует диаметру вольфрамового электрода. Помните, что в царапинах, образующихся на металле при касании вольфрамовых электродов, остаются частицы вольфрама. Когда все работы завершены, затухание дуги должно происходить постепенно, для этого плавно понижайте ток. Защиту сварного шва, околошовной зоны обеспечивают и после выключения дуги, когда температура опускается до 427 °C.

При соединении аргоном тонкостенных деталей зазор между кромками должен составлять 0,5 – 1,5 мм. В этом случае можно не формировать кромки и отказаться от присадочной проволоки. Кстати, последняя должна совпадать по составу с основным свариваемым металлом.

Сварка титана аргоном предполагает такие режимы: если используется вольфрамовый электрод диаметром 1,5 – 2 мм и присадочная проволока диаметром 2 мм, а толщина свариваемых заготовок составляет 2 мм, нужно выдерживать ток 90 – 100 ампер. Повышение толщины металла до 4 мм позволяет варить его током в 120 – 140 ампер. И самое главное, о чем нужно помнить: для работы с титаном и его сплавами используется переменный ток постоянной полярности.

Также есть ряд других существенных условий для качественной сварки титана аргоном:

• Для ручной технологии используется короткая дуга, не допускаются колебания электрода, присадки. Сварщик осуществляет движение вдоль шва.
• Сваривание ведется углом вперед, то есть электрод должен быть направлен в сторону, противоположную направлению движения.
• Угол между присадкой и электродом 90°.
• Присадка подается в сварочную ванну непрерывно.
• После гашения дуги защитный газ продолжает подаваться, обеспечивая охлаждение ниже 400 0 С, в среднем на это уходит минута.

Дальнейшее охлаждение металла является гарантией качественного шва. Вы можете определить это по цвету. В норме шов светлый, соломенный, желтый. А вот серый, синеватый или черный говорят об окислении, что плохо сказывается на качестве.

Технология сварки аргоном полуавтоматом или автоматом совпадает с ручной. Единственный нюанс, о котором нельзя забывать – отверстия в сопле горелки. В соответствии с ГОСТ их диаметр равен 12 – 15 мм. Зажигать и гасить горелку рекомендуется на специальных подкладках, планках.

Как выполняется автоматическая сварка титана

Для этого используется вольфрамовый электрод. Причем размер отверстий сварочной горелки должен находиться в пределах 12 – 15 мм. Также нужно учесть, что соединение неплавящимся электродом лучше проводить постоянным током прямой полярности.

Высокая активность титана вынуждает зажигать и гасить горелку на специальных планках, вне изделия. Как и при ручной технологии, газ подают еще 1 минуту после гашения дуги, защищая шов и переходную зону от окисления. Далее представлены режимы для автоматической сварки титана аргоном в защитных газах и под флюсом:

Толщина металла, мм

Диаметр вольфрамового электрода, мм

Напряжение, В

Сила тока, А

Скорость сварки, м/ч

Расход аргона, л/мин

В горелке

В подкладке с обратной стороны шва