Титан – это нержавеющий металл, сплавы которого активно применяются в различных отраслях промышленности. При воздействии температур до 500°C металл сохраняет прочность, а температура плавления его сплавов находится в диапазоне 1470-1825°C градусов. Этот металл обладает высокой коррозионной устойчивостью к воздействию воды и агрессивных сред.
В промышленности в основном используются различные сплавы титана с марганцем, хромом и молибденом. Для придания пластичных свойств в титан добавляется алюминий, хром, цирконий и другие элементы.
Плотность титановых сплавов в среднем составляет 4500 кг/м3, что на 40% меньше плотности стали. Таким образом, применение этого металла позволяет облегчить ответственные конструкции.
Существуют две фазы состояния кристаллической решетки титана:
- Фаза α – при температуре окружающей среды. Структура металла в этой фазе мелкозернистая, не изменяющаяся при плавном перепаде температур. Сплавы такой фазы (группы ВТ-1 — ВТ5.1) обладают пластичностью, хорошо свариваются, но не поддаются термообработке.
- Фаза β –металл при температуре выше 880°C. Увеличивается размер зерен, появляются поры, повышается чувствительность к скорости охлаждения. У сплавов, выполненных на основе этой фазы (группы ВТ15 — ВТ22), ухудшенные показатели свариваемости и пластичности, но их можно подвергать термообработке для повышения прочности.
Существуют также промежуточные сплавы ВТ-4 – ВТ8, которые изготавливаются для конкретных технологических потребностей.
Стандарт ГОСТ Р ИСО 5817-2009 регламентирует требования к выбору определенной технологии соединения металлов, контроль качества и допустимый уровень отклонений от заданных параметров.
Предварительная подготовка металла
Титан легко вступает в химические реакции газами, содержащимися в воздухе (H2, O2, N2), а образующиеся соединения ухудшают его характеристики. Когда титан нагревается свыше 400°C, происходит образование оксидно-нитридной пленке на его поверхности. Для предотвращения появления этой пленки должна быть обеспечена защита от воздуха всей поверхности в зоне сварочных работ, которая подвергается нагреву до этой температуры.
Перед началом сварки поверхность кромок обрабатывается с целью устранения масло-жировых отложений:
- В условиях мастерской очистка производится ацетоном или техническим спиртом.
- При промышленной сварке проводится травление металла водным раствором соляной кислоты, в который добавлен фторид натрия. Процедура выполняется в не более 10 минут при температуре около 60°C.
- Кромки и примыкающая к сварному шву поверхность очищаются при помощи металлической щетки, наждачной бумаги, шиберов или зачистных кругов на УШМ.
В таблице ниже представлены варианты обработки кромок соединяемых деталей.
Технологии
Сплавы титана могут соединяться несколькими способами, выбор которых зависит от назначения свариваемого соединения, сложности и стоимости работы. Оптимальная скорость сварки равна 12-15 см в минуту, поскольку при данной скорости шов имеет наилучшую прочность.
Для защиты внутренней части шва применяются накладки с пазами для подачи отверстиями для выхода защитного газа, которые выполняются из меди или стали. При сварке титановых труб требуется закачать газ внутри трубопровода.
Дуговая сварка в среде инертных газов
Для вытеснения воздуха из области сварного соединения применяется аргон или аргоно-гелиевая смесь. Газ поступает на сварочный шов через насадки, установленные на горелке, которые концентрируют направление газового потока и уменьшают площадь нагрева поверхности.
Для сварочных работ применяются герметичные камеры, в которые закачивается газ. Камеры могут быть разного размера, от небольших накладок, примыкающих непосредственно к месту сварки, до помещений объемом 300-350 м3, в которых свариваются большие конструкции (детали ракет и космических кораблей, глубоководных аппаратов). Из таких герметичных ангаров откачивают воздух, их заполняют аргоном, а сварщики работают в скафандрах.
Для соединения труб используются специальные фартуки, загнутые по диаметру трубы. Такие приспособления прижимаются к трубе, обеспечивая герметичность во время работы.
Для сварочных работ применяется плавящийся либо неплавящийся электрод, изготовленный из вольфрама. Для упрочнения шва применяются различные присадки в виде прутков из титановой проволоки. При использовании присадок требуется, чтобы они не выступали за край газового защитного облака, поскольку это приводит к окислению шва.
Ручная дуговая
Ручной вид сварки применяется в мелкосерийном производстве, в условиях мастерских, для выполнения работ высокой сложности.
Газовое облако образуется за счет горения флюсов — порошков, которыми посыпается сварной шов. Флюс позволяет предотвратить увеличение зернистости металла.
Сварка титановых сплавов выполняется с помощью бескислородных флюсов на основе фтора. Выбор марки присадки зависит от толщины металла:
- АН-11 – при толщине до 2 мм;
- АНТ-1,3 – для толщины от 2 до 8 мм;
- АНТ-7 – для более толстого металла.
Для качественной сварки требуется выполнить ряд требований:
- Длина дуги должна быть минимальна.
- Сила тока дуги зависит от толщины металла: до 2 мм – требуется ток силой 90А, 3-4м – 130А, 6-10мм – от 150 до 200А.
- Электрический ток должен быть постоянным, обратной полярности.
- Напряжение при сварке титана любой толщины равно 10-15 В.
- Требуется избегать колебаний присадки и электродов.
- Электрод наклоняется в сторону, обратную направлению шва.
- Подача присадки и газа в шов осуществляется непрерывно, при этом газ должен подаваться в течении 1-2 минут после прекращения сварки. Это позволяет обеспечить процесс равномерного охлаждения.
Для сварки на ручном аппарате применяются вольфрамовые электроды диаметром 2-5 мм, которые могут быть как плавящимися, так и неплавящимися. Для полуавтоматов применяется сварочная титановая проволока диаметром 1,2-2 мм.
Данный вид сварки имеет свои особенности, влияющие на технологический процесс. Такой способ проводится быстрее, чем сварка в защитной среде, но это приводит к снижению прочности сварного шва. Поэтому, чтобы снизить тепловые потери, при данном способе допускается не выполнять механическую зачистку и фрезерование кромок соединения.
Цвет шва позволяет определить его качество: качественный шов обладает желтым оттенком, а шов, подвергшийся окислению – серо-черного цвета с синими оттенками.
Титан с помощью аргонодуговой сварки может соединяться со сталью. В этом случае применяются соединительные вставки из тантала или бронзы, либо из бронзы и ниобия. При нагреве такие вставки обеспечивают пластичность шву за счет проникновения в структуру обоих металлов. Температурный режим и материалы подбираются таким образом, чтобы избежать образования хрупких соединений FeTi и Fe2Ti.
Электрошлаковая
Суть данного метода, применяющегося для металла толщиной от 10 до 600 мм, заключается в нагреве зоны плавления за счет передачи тепла от нагретой шлаковой ванны. Через ванну с расплавом проходит электрический ток, затем электрод погружается в шлаковую ванну, горение дуги прекращается и тепло передается в сварной шов.
Сварка проводится обычно снизу вверх, в вертикально установленных деталях. Для охлаждения области сварки устанавливаются медные ползуны, охлаждаемые водой. Шлак (флюс) выполняет функцию защиты зоны сварки от окисления и воздействия водорода.
Сила тока при таком способе сварки составляет 1500-1600А, а диаметр пластинчатого электрода начинается от 8 мм и выше. Прочностные качества шва составляют 85-90% от показателей цельного металла.
Электронно-лучевая
Соединение таким способом проводится в вакуумных камерах с применением непрерывного либо импульсного электронного луча. Давление в камере снижается до 1-10 Па, благодаря чему металл защищен от воздействия газов, содержащихся в воздухе. При этом методе выполняется глубокое проплавление шва, что очень важно для приборов, использующихся в космических технологиях и в другом высокотехнологичном оборудовании.
Холодная
Это разновидность диффузионной сварки, которая проводится под высоким давлением. При сдавливании двух деталей в кристаллических решетках возникает так называемая «металлическая связь», в результате чего структуры металлов деформируются и образуют общий сплав. Технологически, такое соединение получается менее прочным, чем обычное сварное, поэтому оно может применяться только в конструкциях, где отсутствуют высокие физические нагрузки.
С экономической точки зрения, такой способ сварки более экономичен в долгосрочной перспективе, потому что не требует расходов на инертные газы, электроды и флюсы. Но при этом требуется приобретение дорогостоящего прессового оборудования, цена которого может составлять от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч рублей.
При проектировании конструкций, в которых применяется сварка титана, принимается во внимание такой фактор, как прочность шва, которая снижена на 20-40% по сравнению с прочностью самого металла. В некоторых сплавах требуется проведение термического отжига, который снимает внутреннее напряжение металла.
Сварочные работы с титаном являются дорогостоящим процессом, так как помимо стоимости самого обработанного металла (около 1600 руб./кг), требуются значительные расходы на дорогой инертный газ, затраты на электричество, флюсы и электроды. Например, цена сварочной проволоки составляет 3500-4000 р/кг. Высоко ценится труд опытного сварщика, умеющего варить этот металл.
