Способи зварювання та зварювальні матеріали. Через високу хімічну активність титану не можна застосовувати дугове зва-

Через високу хімічну активність титану не можна застосовувати дугове зва-

рювання з використанням електродних покриттів та флюсів, що містять оксиди та інші елементи, які забруднюють шов.

Захисні гази ─ аргон вищої якості ( 99,99% Аr ) та гелій високої чисто-ти ( 99,99% Не ).

Електроди, що не плавляться ─ лантанований ЕВЛ ( ø 1,0…4,0 мм, ВЛ-10 )

або ітрієві вольфрамові електроди.

ЕВИ - 1 ( СВИ – 1 ) - синій торець ( ø 5 – 10 мм ) - ітрій 1,5 – 2,3%

ЕВИ – 2 - фіолетовий торець ( ø 2,4 – 4 мм ) - ітрій 2 – 3%

ЕВИ – 3 - зелений торець ( ø 5 – 10 мм ) - ітрій 2,5 – 3,5%

Зварювальні дроти.

При зварюванні титану та титанових сплавів використовують присадний метал, близький по складу до основного металу, тому що титан не схильний

до утворення гарячих тріщин. Для технічного титану та низьколегованих тита-нових сплавів рекомендується титановий дріт марки ВТ1-00 ( dе = 1 – 7 мм, σв ≤ 44кг/мм2, δ ≤ 2,5% ).

Для зварювання α та псевдо – α – сплавів титану з σв = 60…80 кг/мм² най-

частіше застосовується дріт марки ВТ2 св ( 2…3% Аl, dе = 1,6…7 мм,

σв ≤ 49кг/мм², δ ≤ 22% ), для більш міцних ( α + β ) - сплавів ─ дріт марок

ВТ6св ( 3,5 – 4,5%Аl, 2,5 – 3,5 % V, σв ≤ 68,6 кг/мм², δ ≤18% ),

СПТ – 2 ( 3,5 – 4,5%Аl, 2,5 – 3,5%V, 1 – 2%Мо, σв ≤ 68,6кг/мм², δ ≤ 18% ),

ВТ20 – 1св ( 2%Аl, 1%V, 2%Zr, 1%Мо, σв ≤ 58,9 кг/мм², δ ≤ 15% ).

Для видалення водню дріт звичайно піддають вакуумному ( дифузійному )

відпалу ( Н ≤ 0,003% ).

Флюси.

Для зварювання електродом, що плавиться, під флюсом застосовують без-

кисневі фторидно-хлоридні флюси ( мають високі Тпл > 1400⁰С )

АНТ – 1

АНТ – 3

АНТ – 7

Для зварювання електродами, що не плавляться, в аргоні н/л α та ( α + β)-

сплавів для S = 0,8 – 3 мм

АНТ – 23А

АНТ – 17А ( S = 3 – 6 мм ).

Для зварювання електродом, що не плавиться, в аргоні с/л та в/л ( α + β)-та β-сплавів для S = 3 -6 мм

ФАН-1.

Для ЕШС флюси АНТ-2, АНТ-4, АНТ-6.

Порошковий дріт.

Для АДС НЕ (присадочні)

ППТ-1 , ППТ-2, ( н/л α- та ( α + β )-сплави ), ППТ-3 ( в/л ).

5.4. Особливості технології та техніки зварювання титану та титанових сплавів

1. Основні труднощі при зварюванні титану та його сплавів ─ висока хімічна активність титану при високих температурах і особливо у розплавленому стані по відношенню до газів О₂, N₂, Н₂. Обв'язковою умовою одержання якісного

сполучення є надійний захист від газів атмосфери не тільки зварювальної ва-

нни, але і ділянок металу шва, що остигають, та навколо шовної зони аж до

температури 300 – 400⁰С. Необхідно також ретельно захищати і зворотній бік

(корінь ) шва навіть у тому випадку, якщо шари металу не розплавлялися, а тільки розігрівалися вище цієї температури.

Схема захисту лицевого та зворотний бік зварних з'єднань.

Захисні камери бувають:

а) камери-насадки для місцевого захисту;

б) камери для загального захисту;

в) обітаємі камери з контрольованою атмосферою.

Про якість газового захисту при зварюванні титану можна робить виснов-

ки приблизно по кольору металу та навколо шовної зони: блискуча срібляста поверхня → жовтий колір → голубий → сірий наліт.

Жовтий та голубий колір ─ порушений захист,

сірий наліт ─ поганий захист.

Більш точно про якість захисту ─ хімічний аналіз та вимір твердості.

2. Додаткові труднощі при зварюванні створює велика його схильність до рос-

ту зерна при нагріві до високої температури, особливо в зоні β-фази ( > 882⁰С).

Низька теплопровідність титану сприяє збільшенню часу перебування шва і ОШЗ при високій температурі, посилює при цьому ріст зерен. ( Час перебуван-ня в 2,5 – 3 рази більший, ніж для сталі ).

Для подолання вказаних ускладнень рекомендують наступні варіанти вибору

режиму зварювання ( для різних сплавів різні рекомендації ).

Оптимальний критерій визначеного режиму ─ оптимальна швидкість охолоджен-ня , коли ступень зниження пластичних якостей найменша.

3. Для зварювання титану потрібні концентровані джерела тепла, тому що тем-пература плавлення велика. В той самий час у зв'язку з більш низьким, ніж

у сталі, коефіцієнтом теплопровідності, підвищеним електроопором та зменше-

ною теплоємкістю при зварюванні титану витрачається менш електроенергії, ніж

при зварюванні вуглецевої сталі.

4. При зварюванні титану стикові шви мають характерну конусоподібну форму

з малим Ψ = е/п . Шви вузькі, зварювальна ванна довга та вузька.

5. При зварюванні електродом, що плавиться, через відносно великий електро-опір титану установлюють невеликий виліт електроду. lв. = 5 dе.

Майже 50% швидкості плавлення титану дроту за рахунок тепла, що виділяєть-

ся при вильоті.

6. Високий коефіцієнт поверхневого натягу титану Тпл ( біля 1500ерг/см2 ), що

в 1,5 рази вище, ніж у алюмінію забезпечує сприятливе формування кореню шва при зварюванні у висячому стані.

Проте, при недотриманні вимог до точності складання під зварювання тяж-

ко запобігти пропалів, тому що розплавлений титан має низьку в'язкість ( кое-фіцієнт в'язкості зменшується в 2,5 рази при зростанні температури від 1730⁰С

до 1920⁰С.

7. Принципова обробка кромок при зварюванні титану не відрізняється від об-

робки кромок при зварюванні сталі:

б/р, V, U, Х – обр.

I. Зварювання плавленням α- та псевдо α- сплавів (мартенситного типу) (ВТ1-0, ВТ5, ВТ5-1, ОТ4, ОТ4-1, ОТ4-2) виконують при погонній енергії (q/Vзв =ηІU/Vс).

( Imіп, Vзв. ─ mах), а контактне зварювання ─ з короткочасним нагрівом.

ІІ. При зварюванні двохфазних ( α + β ) – сплавів, щоб уникнути утворення СО-

фази, погонну енергію збільшують. Режими з малими швидкостями охолодження

забезпечують підвищення навколо шовних ділянок ЗТВ. (β↓)

ІІІ. Високолеговані ( α + β ) – сплави ( ВТ15, ВТ22 ), псевдо-β та β- сплави зва-рюють на режимах, що забезпечують середню та високу швидкість охолоджен-

ня ( на м'яких режимах )

Підготовка до зварювання.

Механічне видалення альфованого шару ( зачистка шабером ) безпосередньо

перед зварюванням на ширині 15 – 20 мм від стику застосовують для деталей,

що виготовлені холодною штамповкою, після різання на гільотіні.

Зварювання деталей з титанових сплавів виконують після того, як знімуть

газонасичений ( альфований ) шар. Такої обробці повинні піддаватися деталі, які

виготовлені методом пластичної деформації ( кування, штамповка та т.п. ), а та-

кож деталі, що пройшли термообробку в печах без захисної атмосфери.

Комплексна обробка включає:

а) попереднє руйнування альфованого шару дробеструмінною або гідропіско-

струмінною обробкою, (роз рихлення оксидної плівки

( NаNО₂ + Nа₂СО₃ (NаОН )).

б) наступне хімічне травлення в розчині, що містить 26% НF, 50% НNО₃, 24% Н₂О, або 40% НF, 40% НNО₃, 20% Н₂О або 50% НF, 50% НNО₃

( в розчині "царської водки" НСl + НNО₃ )

Температура травлення Т ≤ 25⁰С, тривалість травлення 1 - 20 годин в за-лежності від товщини оксидної плівки. ( Після травлення ─ промивання в гаря-чій воді ).

в) освітлення ( НNО₃ + НF ) ─ 3 - 10 хвилин.

Механічне зачистка кромок на ділянці шириною 10 - 15 мм від стику роб-лять металевими щітками або шабером для видалення тонкого шару метала,

насиченого воднем при травленні.

Промивання кромок, що зварюються, та прилеглих до них ділянок металу

на ширині до 20 мм виконують бензином, а потім знежирюють спиртом або

ацетоном.

Для запобігання шва від

використовують зварювальний дріт, що попередньо піддають вакуумному відпалу

( вміст Н2 ≤ 0,002 - 0,004% ).

Перед зварюванням дріт знежирюється.

ИН ─ найпоширеніший спосіб зварювання титану та його сплавів.

В промисловості застосовують автоматичне, механічне та ручне зварювання

електродом, що не плавиться.

Використовують стандартне зварювальне устаткування, обладнане додатковим

пристроєм для захисту зони зварювання, а також спеціальні зварювальні пальни-ки ( короткі шви, в різних просторових положеннях ).

Для ручного зварювання застосовують пальники типу РГА, АР-9, РГА-150,

РГА-200, РГА-400 та інші.

Для автоматичного зварювання застосовують автомати АДСВ-5, АДСВ-6, з

пальником А-1272.

Зварювання титану електродом, що не плавиться, здійснюється постійним струмом прямої полярності від стандартних джерел живлення. (ВС-300, ВДУ-504,

ВСВУ-315(630)…).

При S ≤ 3 – 4 мм ─ зварювання за один прохід без розділення кромки.

( S < 1,5 мм ─ без присаджування, при S ≥ 1,5 мм ─ з присаджувальним дротом).

( багатопрохідне зварювання ─ 10 - 15 мм (25).

При РДС не рекомендують коливання електрода, щоб не порушувати газо-вий захист.

Треба підтримувати коротку довжину дуги. Кут між електродом та приса-джувальним дротом ≈ 90⁰.

Робоча частина електрода, який не плавиться загострюється на конус, кут

загострення складає 30 - 45⁰ (залежить від товщини металу ).

( Якщо кут тупий, знижується h ).

Конус притупляють до діаметра 0,5 - 0,8 мм для поліпшення формування шва. ( Разфокусування дуги).

Спеціальні способи зварювання ИН.

а) Зварювання зануреною дугою.

Зі збільшенням І зв ( до 800 – 850А ) під дією тиску дуги здійснюється відтиснення рідкого металу з-під електроду, кінець електрода знаходиться нижче

поверхні метала, який зварюється . Це значно підвищує коефіцієнт використання

теплової потужності дуги та дає можливість зварювати за один прохід без роз-

діляння кромок (без присаджування) метал товщиною до 15мм. ( 20 – 25 мм ).

Другий прохід ─ звичайною дугою з присаджуванням для отримання випуклості.

Недолік ─ пустоти в шві.

б) При зварюванні наскрізним проплавленням електрод не занурюється в ме-тал. Установлювана lq = 0,5 – 1,0 мм. Режими зварювання підбираються так, щоб

в металі, що зварюється під дугою утворювався отвір, який заповнюється рід-ким металом в міру руху дуги.

За один прохід S ≤ 12 мм. Другий прохід ─ з присадкою.

Недолік ─ неоднорідність хімічного складу шва в перетину.

в) Зварювання з застосуванням фторидних флюсів.

( зварювання по флюсу) АНТ ( СаF2, LіF, МgF2, SrF2 ) ( 50 г флюсу на 100г).

Застосування флюсів дозволяє знизити погонну енергію в порівнянні з АДС без флюсу, збільшити здатність до проплавлення, поліпшити форму про-плавлення ( поліпшується форма зворотного валика, зменшується можливість пропалів ), звузити ЗТВ, зменшити пористість швів, поліпшити умови захисту титану від взаємодії з повітрям.

n MeC + nH → nMe + nHC 2MeC + H₂O → Me₂O + 2HC

В результаті цих реакцій утворюються стійки з'єднання водню, які не розчиня-

ються в рідкому титані. Парціальний тиск водню в атмосфері дуги понижується, що інтенсифікує його виділення з металу зварювальної ванни.

За один прохід без розділяння кромок S ≤ 10…12 мм.

При V = !5 м/ год = const.

Застосування флюсу дозволяє майже в 2 рази знизити величину Із без змінення h. Зварювання з переходом на флюс. Спостерігається стискання дуги,

напруга збільшується ) на 1,5 – 4,7 В ), а струм зменшується.

Дуга занурюється в метал, ширина значно зменшується, а h збільшується.

Контрагуюча дія фторидних флюсів в значній мірі залежить від трьох ос-новних факторів:

1) поява в дузі фторидів титану ТіF4, ТіF3, ТІF2, здатних приєднувати еле-ктрони і деіонізувати периферійну ділянку дуги та прианодні ділянки;

n MeC^ж + Ті^ж nMe^г + ТіСn

2) впливу пари фторида на теплопровідність стовпа дуги (підвищення тепло-провідності );

3) здатності до змочування фторида (екранування флюсом металу навколо зварювальної ванни ─ в склад флюсів звичайно включають фториди, які ма-ють максимальну здатність змочувати титан: CaF_2, SrF_2, MgF₂, LiF та інші)

Деформація конструкцій з титану з застосуванням флюсів понижується на 15 - 25%.

Дозування флюсу ─ товщина шару 0,08…0,3 мм, ширина 15…50 мм ( в за-лежності від S ).

Застосування присаджувального дроту для дозування флюсу.

Шлак, який затвердів, видаляють механічною зачисткою або хімічним спо-собом.

г) Імпульсно-дугове зварювання.

Застосовується для S = 0,5 – 2,0 мм ( ручна, автоматична та механізована ).

Імпульси прямої полярності.

Постійно підтримуються між електродом та деталлю малоамперна чергова дуга

( 0,8 – 10А ) від окремого ИП.

На цю дугу накладаються імпульси струму

При ИДС деформації на 15 - 30% менші, ніж при зварюванні безносеред-ньо дугою, зменшуються розміри ЗТВ, розміри кристалів, зменшується порис-тість.

ИП ─ ВСВУ, ИПИД, приставки.

д) Зварювання з ЕПМ зварювальної ванни.

Можна активно управляти розмірами та формою зварювальних швів. При цьо-му поліпшується структура шва та різко знижується пористість.

Зварювання електродом, що плавиться, Ø 1,6 – 5 мм в інертних газах за-стосовується для стикових, таврових з'єднань, та з'єднань унапустку тов-

щиною S ≥ 3 мм в нижньому положенні.

Зварювати треба на постійному струмі зворотної полярності на режимах, що забезпечують дрібнокрапельне та струміневе перенесення.

На прямої полярності спостерігається сильне розбризкування металу.

Однопрохідне зварювання доцільно при S ≤ 25 мм. Для S ≥ 25 мм ─ багато-прохідне зварювання з розділенням кромок. α оптим = 60⁰ .

Зварювання ИП виконується на стандартних автоматах (АДС-500М, АДСП-2) для зварювання в захисних газах, споряджених спеціальними пальниками та насадками.

В якості джерел живлення використовуються стандарті джерела з жорст-

кою та полого спадною ВАХ ВДУ, ВДГ, ВКСМ ).

Через відносно великий електричний опір титану встановлюють малий ви-літ електроду ~ 5 dе.

Недолік зварювання ИП ─ ненадійний захист зони зварювання, велика по-

ристість швів.

Спеціальні способи зварювання ИП.

а) Зварювання в гелії.

Застосування гелію дозволяє підвищити теплову потужність дуги та про-дуктивність процесу розплавлення, що важливо при зварюванні металу середньої

та великої товщини. Шви отримуємо з більш плавним переходом від випук-лості до основного металу. Однак, в гелії більше розбризкування, ні в аргоні.

Витрати гелію в 2 – 3 рази більший, ніж

аргону.

Напруга зварювання в гелії більша, ніж в

аргоні.

б) Зварювання в суміші аргону та гелію.

Найбільш оптимальні суміші: 80% (об.) Не + 20% (об.) Аr, яка забезпечує хорошу якість формування та стабільність процесу.

в) Імпульсно-дугове зварювання ИП дозволяє зварювати в різних просторових положеннях ( особливо в монтажних умовах ). ИДС практично повністю усуває

розбризкування електродного металу. Накладання короткочасних імпульсів струму на дугу постійного струму дозволяє регулювати процес формування краплі. Механізоване зварювання дротом Ø 1,2 - 2 мм забезпечує переніс одній краплі металу при кожному імпульсі ( генератор імпульсів ─ ИИП-2 ) ( частота 100 гц при Іе = 800 А та тривалість імпульсу до 2мкс ). Полуавтомат "Імпульс - 1".

г) Зварювання ИП в вакуумі застосовується для S = 2…40 – 50 мм. На постій-ному струмі зворотної полярності. dе = 1,6 - 5 мм.

Зварювальні головки розташовані в камерах, в яких створюють розрідження

133·10^-3 Па ( 10^-3 мм. рт.ст.).

Перевага ─ висока чистота шва по вмісту газів.

─ забезпечує найкращі умови захисту метала від газів.

Висока концентрація теплової енергії дозволяє вести зварювання на високої швидкості при малої енергоємності процесу та отримати зварне з'єднан-ня . Титан з малою шириною шва та ЗТВ, а значить і з малими деформаціями. Метал шва має дрібнозернисту структуру.

Необхідною умовою отримання якісних зварювальних з'єднань є точне складання під зварювання. ( в ≤ 0,1 мм при S = 5 – 10 мм, в ≤ 0,2 мм при S =

= 30 – 40 мм ) Техніка ЭЛС титану практично не відрізняється від техніки зва-рювання інших металів.

З'єднання з металу малою та середньою товщиною ( до 30 - 40 мм ) зварюють в нижньому положенні ( при вертикальному положенні променя ), метал великої товщини ─ за один прохід зварюють горизонтальним пучком при розташуванні з'єднання на вертикальній плоскості.

При зварюванні S ≤ 50 мм струм в пучку досягає 300 мА, а при S ≤ 150 мм

─ Із → 800 мікроА , U уск = 60 - 150 кВ.

Найчастіше зустрічаються дефекти зварювальних з'єднань титану та його сплавів ─ пори та підрізи.

─ основна перевага ─ висока продуктивність процесу (Vзв = 40 – 60 м/год ─ в два рази більша, ніж при АДС ИП )

Застосовується для S = 2,5…40 мм для всіх типів швів ( в хімічному мА-шинобудуванні, металургії )

Виконується на звичайному зварному обладнанні на постійному струмі зво-

ротної полярності, з використанням безкисневих флюсів серії АНТ. Флюс су-шать при температурі 300 - 400⁰С, ( вологи не більш 0,05% ). Виліт малий:

для dе = 3 - 4 мм ─ lв = 17 - 19 мм,

для dе = 5 мм ─ lв = 20 - 22 мм.

Висота шару флюса ─ не менш вильоту.

S ≤ 10 - 12 мм ─ за один прохід без розділяння кромок.

S ≤ 20 - 25 мм ─ двобічне зварювання.

Стикові з'єднання листового титану виконують на знімній мідній підкладці з канавкою, флюсовій подушці, а також на залишкових підкладках ( для малих

S ≤ 3 мм ).

Шви, що зварені Ф ─ відрізняються високою щільністю, відсутністю пор,

рівноміцністю основному металу при задовільній пластичності .

Для підвищення пластичності для особливо відповідальних конструкцій за-стосовують флюсогазовий спосіб захисту. (флюс у бункері продувається аргоном).

Шов відчищають від шлакової кірки після остигання всіх його ділянок до

300 - 400⁰С.

─ ефективна при S ≥ 40 мм ( в хімічному машинобудуванні ─ кришки,

фланци ) Доцільно застосування пластинчатих електродів та плавких мундштуків ( через великий опір титану ), можливі дротяні електроди Ø 5 мм

( флюс АНТ-2 ).

Виконується на перемінному струмі при найменшому зазорі ( 22 - 26 мм ) та мінімальній погонній енергії.

Крім шлакового захисту метала, поверхню шлакової ванни захищають аргоном.

Аргон подають в спеціальні канали повзунів.

Недоліком зварювання є крупнозерниста структура, що викликає зниження

пластичних якостей.

застосовується при струмі до 500А.

Можливо зварювання S ≤ 15 - 16 мм за один прохід без розділяння кромок. ( Тиск стиснутої дуги в 6 - 7 разів більший, ніж при вільному розширенні при тому ж струмі).
Способи захисту такі самі, як і для АДС НС.

При зварюванні з розділенням кромок ( V-обр ) в передню частину ванни

подають присаджувальний дріт.

Недолік: ─ підрізи, газові порожнини.

Мікроплазмове зварювання.

Стиснута дуга прямої дії на постійному струмі прямої полярності.

Плазмостворюючий газ ─ аргон, захисний газ ─ гелій, або гелій ( 50 - 75% ) плюс аргон.

Режим безперервний або імпульсний.

Застосовується при виготовленні особливо тонкостінних труб з ВТ1-0 Ø8,8мм

S = 0,2 мм на установці УМПСТ-1.

Контактне зварювання.

Титан добре зварюється з застосуванням контактних способів зварювання.

Точкове зварювання застосовується для S ≤ 2 - 3 мм.

Важлива умова якісного з'єднання ─ очистка поверхні металу від оксидної

плівки та забруднень ( травлення + промивання + знежирення ). Час зварювання

мінімальний. При цьому не обов'язковий захист зони розігріву інертним газом.

Точкове зварювання титану та його сплавів здійснюється на стандартних контактних машинах типу МТП та МТ.

Режими точкового зварювання титану та його маломіцних титанових сплавів

близькі до режимів зварювання нержавіючих Cr─Ni сталей.

Шовне зварювання застосовують для з'єднання деталей завтовшки S ≤ 2 - 2,5 мм з захистом зони зварювання інертним газом ─ аргоном.

Зварювання здійснюється на стандартних шовних машинах на жорстких ре-жимах.

Стикове зварювання здійснюється методом оплавлення з додатковим захис-том інертним газом.

Режими стикового зварювання характеризуються застосуванням збільшених струмів (~ в 2 – 3 рази більші, ніж для зварювання сталі ) та мінімальним ча-сом його проходження.

Дифузійне зварювання здійснюється в вакуумі 10-3 - 10-4 мм.рт.ст. при

Т = 800 - 1100⁰С, t нагріву = 1 – 10 хвилин, р = 0,2 - 1 кг/мм².

Холодне зварювання ─ для зварювання прутків ВТ1-0 Ø 5 мм.

Термічна обробка

Для титану та його сплавів, а також їх зварних з'єднань застосовують в

основному, такі види термічної обробки:

відпал ─ нагрівання до визначеної температури та наступне, як правило, по-вільне охолодження;

загартування ─ нагрів до температури вище критичної та наступне охолодження зі швидкістю, що перевищує критичну;

старіння ─ зміна якості металу внаслідок внутрішніх процесів, що звичайно про-

тікають уповільнено при кімнатної температурі ( природне старіння ) та більш інтенсивно при підвищеній температурі ( штучне старіння ).

Зварні з'єднання з термічно стабільних сплавів ( Ті, α- та псевдо α –сплавів)

не піддають термообробці, окрім відпалу ( Тнагріву = 500 – 600⁰С, час витрим-ки ─ 0,5 – 1 год, застигання з піччю ) для зняття залишкових зварних напруг.

Для отримання оптимального співвідношення міцності та пластичності звар-ного з'єднання з ( α + β )- сплавів застосовують повний відпал ( відпал I роду + відпал II роду ). ( Т = 870 - 920⁰С ─ витримка, охолодження до 600 - 6500С ─ витримка 2 години, охолодження на повітрі ).

Найбільш ефективна для ( α + β ) та β – сплавів ─ зміцнююча термообро-бка, що являє собою загартування ( Т = 860 - 980⁰С ) та старіння ( t = 1…25 годин ).

Загартування до Т на 30⁰ - 50⁰С нижче за температуру фазового перетворення та після деякого витримки при цієї температурі ─ швидке охолодження на повітрі.

Т старіння не перевищує 400⁰С, витримка 1 - 25 годин.