Сварка технического титана и однофазных α-сплавов.

Большая химическая активность титана и особенно в расплавленном состоянии по отношению к газам затрудняет сварку этого металла. Обязательным условием получения качественного соединения является надежная защита от газов атмосферы не только сварочной ванны, но и остывающих участков металла шва. Необходимо также тщательно защищать и обратную сторону шва, даже в том числе, если слои металла не расплавлялись, а только нагревались выше этой температуры. Дополнительные затруднения при сварке создает большая склонность титана к росту зерен. Низкая теплопроводность титана способствует увеличению времени пребывания шва и околошовной зоны при высоких температурах. Чтобы преодолеть указанное затруднение, сварку выполняют при минимально возможной погонной энергии. На качество сварных соединений титана оказывает влияние состояние поверхности кромок и присадочного металла. При неполном удалении пленки окислов на поверхности титана может сохраниться альфированный слой.

Наиболее частыми дефектами сварных швов являются поры и холодные трещины. В сварных титановых швах механизм образования пор, располагающихся по оси шва и у границ сплавления, практически такой же, как и для стали. Возбудителями пор являются газы и среди них в первую очередь водород. Известны пути борьбы с пористостью в титановых швах. В первую очередь необходимо обеспечить требуемую чистоту основного металла и сварочных материалов, сварку выполнять на оптимальных режимах.

Широкое применение нашел способ сварки титана под флюсом (содержащим фториды щелочных и щелочно-земельных металлов), разработанный в ИЭС им. Е.О. Патона. При таком способе сварки связывание водорода в зоне дуги во фтористый водород полностью исключает возможность образования пор в металле шва.

Холодные трещины возникают при пониженной пластичности разных его участков. К этому приводит чрезмерное содержание примесей внедрения – газов. Трещины такого типа могут возникнуть сразу же после сварки, а также в результате процесса замедленного разрушения. Причиной такого процесса является выделение водорода и возникновение в шве больших внутренних напряжений.

Для соединения деталей из титана и его сплавов применяют дуговую сварку неплавящимся и плавящимся электродами с защитой инертным газом, дуговую сварку под флюсом и электрошлаковую сварку, а в последнее время – и новые способы: электроннолучевую и сварку сжатой дугой, в том числе микроплазменную.

Характерно применение специальных приспособлений, позволяющих защитить зону сварки, остывающие участки шва и околошовную зону, а также корень шва. К ним относятся удлиненные насадки с отверстиями, защитные козырьки, ползушки, обеспечивающие защиту металла шва и участков основного металла, подвергнутых нагреву.

Защиту корня шва можно осуществить несколькими способами: при небольшой протяженности стыковых соединений – плотным поджатием кромок свариваемых деталей к медной или стальной подкладке; подачей инертного газа в подкладку с отверстиями или изготовленную из пористого материала. При сварке сосудов или труб инертный газ пропускать внутрь изделия.

Для сварки находят применение герметичные камеры с контролируемой атмосферой инертного газа. Сварку в камерах можно выполнять автоматами или вручную. Камеры для ручной сварки имеют окна, в которых закреплены резиновые перчатки. Оператор выполняет сварку, продевая руки в перчатки и находясь вне камеры.

Перед заполнением камеры инертным газом при небольшом избыточном давлении (до 0,1 ат) ее вакуумируют до разряжения 1 х 10^{-3 мм рт. Ст. Сварку в камерах выполняют на режимах, аналогичных тем, которые используют при сварке в среде инертного газа на воздухе.}

Важным условием предотвращения охрупчивания металла шва и околошовной зоны с мартенситоподобной игольчатой микроструктурой является обеспечение чистоты металла и выбор режимов сварки с оптимальными термическими циклами. Термообработку сварных соединений из титана и его низколегированных сплавов проводят лишь с целью снятия сварочных напряжений. Температуру нагрева принимают до 600-650⁰С, время выдержки 30-40 мин, остывание с печью.

Для сварки титана малых толщин ( менее 1,5-2 мм) находит применение импульсно-дуговая сварка неплавящимся электродом.

Весьма эффективен новый отечественный способ аргонно-дуговой сварки неплавящимся электродом с применением флюсов-паст. Этот способ использует преимущества сварки титана под флюсом, достигаемые введением в зону сварки фторидов и хлоридов щелочных и щелочноземельных металлов. Первоначально такой способ, предложенный О.А. Маслюковым, применяли лишь для устранения пористости швов. Это достигалось нанесением весьма тонкого слоя специального однокомпонентного реагента на поверхность свариваемых кромок.

В дальнейшем исследования, выполненные в ИЭС имени Е.О. Патона, показали, что использование специальных флюсов при сварке неплавящимся электродом позволяет заметно снизить затраты погонной энергии, получить более узкие швы при значительном увеличении глубины проплавления, частично рафинировать и модифицировать металл шва.

Для сварки титана находят применение флюсы-пасты серии АН-ТА (АН-Т17А). Сварка с такими флюсами дает возможность выполнять за один проход без разделки кромок соединения из титана толщиной до 12 мм узкими швами на токах в 2,5 -3 раза меньших по сравнению с токами при обычной аргонно-дуговой сварке неплавящимся электродом. Одним из важных преимуществ такого способа сварки является снижение деформации сварных конструкций.

Способ сварки неплавящимся электродом углубленной или погруженной дугой, разработанный для титана А.П. Горячевым, также позволяет за один проход сваривать металл средних толщин. Однако к его основным недостаткам относятся чрезмерная ширина шва и большие размеры околошовной зоны.

Сварку плавящимся электродом в среде инертных газов производят постоянным током обратной полярности на режимах, обеспечивающих мелкокапельный перенос металла. Отклонение от оптитмальных режимов приводит к разбрызгиванию электродного металла, нарушению газовой защиты зоны сварки, ухудшению формирования швов. Для сварки используют сварочную проволоку диаметром 205 мм в зависимости от толщины основного металла. Применяют скользящие водоохлаждаемые защитные приспособления, обеспечивающие изоляцию шва от атмосферы. Более стабильное качество соединений получается при сварке плавящимся электродом в камерах с контролируемой инертной атмосферой.

Титан толщиной более 30-40 мм целесообразно сваривать электрошлаковым способом. Одной из главных особенностей такого способа сварки применительно к титану является использование тугоплавкого бескислородного флюса АН-Т2. Однако одной лишь шлаковой защиты при сварке титана недостаточно. При открытой поверхности шлаковой ванны металл шва загрязняется газами атмосферы. Для этой цели медные водоохлаждаемые ползуны или кокили в верхней части имеют каналы с отверстиями для подачи аргона. Защитные козырьки обеспечивают минимальный расход газа.

Для таких сварных соединений обязательна последующая термообработка. Оптимальный режим термообработки выбирают в зависимости от системы легирования, концентрации легирующих элементов, толщины металла. Термообработку производят как с непрерывным остыванием от максимальных температур нагрева в двухфазной области (850-900⁰С), так и ступенчато.

Лекция 13