ГЛАВА IV. ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ И НАПЛАВКИ

Назад: 5.4. Технология сварки никеля и его сплавов

5.5. Технология сварки титановых сплавов

Характеристика сплавов

Основным достоинством титана и его сплавов является высокая удельная прочность в широком диапазоне рабочих температур (1-е место), коррозионная и кавитационная стойкость при эксплуатации в жидких и газовых средах. В сравнении с другими конструкционными материалами титан и его сплавы наиболее тугоплавки (Т_пл = 1690 ÷ 729 ⁰С), обладают малым удельным весом (4,5 г/см³, наименьшей теплопроводностью (в 13 раз меньше Al и в 4 - Fe), электропроводностью (в 5 раз меньше Fe) и наименьшим коэффициентом линейного расширения.

Свойства титановых сплавов определяются химическим составом и структурным состоянием. По структуре, формирующейся после нормализации, титановые сплавы разделяют на три группы:

a - сплавы: ВТ1-0, ВТ5, BT5-I, a+ b - сплавы: ВТ6С, ВТ6, ВТ14, ВТ3-1, ВТ22 и b-сплавы: ВТ15, 4201, 48Т. Иногда выделяют псевдо-a-сплавы (ОТ4, ОТ4-1, ОТ 4-2, ВТ-4, ВТ20) с небольшим количеством b-фазы (обычно не более 5%). Получение сплавов с различной структурой основано на неодинаковом влиянии легирующих элементов на полиморфное превращение титана.

Как известно, титан имеет две аллотропические формы: a-титан, низкотемпературная модификация с гексагональной плотноупакованной решеткой и b-титан, высокотемпературная модификация с решеткой объемно-центрированного куба. Температура полиморфного превращения чистого титана 882 ⁰С.

В зависимости от характера влияния на полиморфное превращение легирующие элементы титановых сплавов разделяют на a-стабилизаторы (алюминий, а также кислород и азот), повышающие температуру превращения и b-стабилизаторы - элементы, понижающие температуру превращения (хром, марганец, медь, никель, кобальт, ванадий, молибден, ниобий, вольфрам и др.).

В России выпускается порядка 30 марок сплавов, из которых 10-12 относятся к свариваемым.

Достоинствам a-сплавов является их высокая жаропрочность, малая чувствительность к термообработке и хорошая свариваемость. Двухфазные сплавы имеют повышенные прочностные свойства, однако обладают худшей свариваемостью. Сплавы с b-структурой, как правило, сочетают хорошую пластичность с высокой прочностью и удовлетворительную свариваемость. При неблагоприятных термических циклах сварки они склоны к охрупчиванию.

Особенности сварки

Титан - химически активный элемент, при нагреве он взаимодействует с кислородом и азотом воздуха, парами воды и углекислым газом.

В результате взаимодействия с кислородом (при Т > 350 ⁰С) на поверхности титана первоначально формируется тонкий слой твердого раствора кислорода в a-титане. Выше предела растворимости в системе титан-кислород образуются окислы ТiO, Тi₂Оз, TiO₂. По мере окисления изменяется окраска окисной пленки. Золотисто-желтая окраска с металлическим блеском появляется при формировании на поверхности фазы переменного состава на основе ТiO. Содержание кислорода в указанной фазе может изменяться в пределах 20,5 ÷ 29,5 %. При формировании Тi₂Оз появляется темно-фиолетовая окраска, белая окраска свидетельствует о формировании ТiO₂.

Образующаяся при обычных температурах темная окисная пленка предохраняет титан от дальнейшего окисления. Однако при температурах свыше 450 ⁰С пленка начинает растворяться в металле и процесс окисления ускоряется. Особенно интенсивно идет окисление при температурах свыше 700 ⁰С.

При нагреве титана свыше 500 ⁰С титан взаимодействует также с азотом. Поскольку скорость растворения кислорода в титане больше скорости растворения азота, то при нагреве титана в атмосфере воздуха основную роль во взаимодействии играет кислород. Кислород и азот стабилизируют a-фазу, поэтому при повышенной концентрации указанных элементов в поверхностном слое формируется так называемый альфированный слой, характеризующийся повышенной твердостью.

Титан интенсивно взаимодействует с парами воды (при Т > 700 ⁰С) При этом процесс окисления протекает более интенсивно по сравнению с окислением на воздухе. Это объясняют структурными особенностями окисной пленки, формирующейся при взаимодействии титана с парами воды. В этом случае на поверхности титана образуется только высший окисел TiO₂.

Титан обладает большим сродством к кислороду. Прочность низшего окисла ТiO при температурах выше 1500 ÷ 2000 ⁰С превосходит химическую прочность таких окислов, как Al₂O₃, MgO, ВеО. Подобные свойства. ТiО исключают возможность раскисления титана цирконием, алюминием, магнием, бериллием. Однако в некоторых случаях введение в металл шва циркония позволяет уменьшить вредное влияние кислорода. Поскольку кислород и азот ухудшают механические свойства титана и его сплавов, особенно пластические, то сварочную ванну, а также основной металл в зоне сварки, нагреваемой свыше 400 ⁰С, защищают от атмосферы воздуха.

В связи с высокой активностью титана и его сплавов при сварке для защиты от атмосферы воздуха можно использовать только пассивные по кислороду среды: инертные газы, фторидные флюсы. При использовании фторидных флюсов возможно развитие химических реакций на границе шлак-металл:

Ti + 2MeF₂ = TiF₄ + 2Ме.

Эта реакция не приводит к загрязнению металла сварочной ванны неметаллическими включениями, поскольку фториды нерастворимы в жидком металле, но может привести к переходу в сварочную ванну элементов из флюса. Это необходимо учитывать при разработке технологии сварки с использованием флюсов.

Титан и его сплавы не склонны к образованию горячих трещин. Это обусловлено, благоприятным сочетанием физико-механических свойств титана и его сплавов, а именно малой величиной литейной усадки в сочетании с повышенной прочностью и пластичностью в области высоких температур.

Поскольку титан и его сплавы не склонны к образованию горячих трещин при сварке, то при выборе состава металла шва основное внимание уделяется обеспечению необходимых служебных свойств. В большинстве случаев используют сварочную проволоку, аналогичную основному металлу. Однако необходимо иметь в виду, что в a + b-сплавах с повышением количества b-стабилизаторов металл шва уступает основному по пластическим свойствам.

В подобных случаях путем подбора химического состава металла шва и термообработки сварного соединения изыскивают наиболее оптимальный вариант.

Основной дефект металла шва при сварки титана и его сплавов- пористость из-за водорода. Адсорбированная влага служит основной причиной образования пор. Пористость резко возрастает, если в процессе сварки в результате расширения свариваемого металла происходит смыкание свариваемых кромок.

Повышение пористости в данном случае связывают с образованием в зоне стыка замкнутых микро- и макрополостей - зародышей газовых пузырьков в сварочной ванне. В основном рост газовых пузырьков происходит в результате объединения мелких пузырьков, а также выделения или разложения влаги, адсорбированной поверхностными окислами.

С целью предупреждения пор при сварке титана и его сплавов используют различные способы, которые можно разделить на три группы: 1) уменьшение количества адсорбированной влаги на свариваемых поверхностях и поверхности сварочной проволоки, а также создание условий для удаления влаги из зоны сварки до формирования сварочной ванны; 2) использование режимов сварки, обеспечивающих наиболее полное удаление из сварочной ванны водорода; 3) связывание и интенсификация выделения водорода из сварочной ванны использованием флюсов.

Снижение количества адсорбированной влаги достигается за счет повышения чистоты обработки, а также регламентации условий и сроков хранения подготовленных к сварке деталей. Другим направлением снижения пористости из-за адсорбированной влаги может быть предотвращение формирования замкнутых полостей в зоне стыка. Это достигается при сварке с зазором. Пористость металла шва, выполненного сваркой вольфрамовым электродом, резко снижается при сборке соединения с заданным зазором (0,2-0,3 мм для листов толщиной 1 мм).

Наиболее эффективно предотвращение пор при сварке титана и его сплавов путем использования флюсов на основе галогенов. При аргонодуговой сварке флюсом покрывают торцовые поверхности свариваемых кромок тончайшим слоем. Флюсы наносятся либо в виде пасты, замешанной на спирте, либо натиранием кромок спрессованным стержнем-карандашом. Действие флюса проявляется как в связывании водорода в соединения, нерастворимые в металле (HF или НС1), так и в интенсификации процесса дегазации сварочной ванны летучими галогенидами. По этой причине наилучшие результаты достигаются при введении в состав флюса А1Fз или А1С1з, которые обладают большой упругостью паров в области температур плавления титана и его сплавов.

В зависимости от состава сплава в зоне термического влияния возможно формирование различных метастабильных фаз. В некоторых случаях образование в зоне термического влияния малопластичных фаз в сочетании с напряжениями, возникающими в результате проведения процесса сварки, приводит к образованию холодных трещин.

Чувствительность сплавов титана к термическому циклу сварки зависит от структурного класса сплава и состояния сплава перед сваркой.

a-сплавы титана обладают хорошей тепловой свариваемостью. Это обусловлено тем, что упрочнение указанных сплавов достигается легированием твердого раствора, и сплавы не упрочняются термообработкой.

a+b-сплавы чувствительны к термообработке. При сварке в зоне термического влияния возможно изменение свойств металла в широких пределах, приводящее в некоторых случаях к образованию холодных трещин. Это накладывает определенные ограничения на технологию сварки. Поэтому в большинстве случаев для получения сварных соединений с удовлетворительными свойствами, как правило, после сварки проводят их термообработку.

b-сплавы в большинстве случаев обладают ограниченной тепловой свариваемостью. Это вызвано, с одной стороны, склонностью сплавов к росту зерна при высоких температурах, с другой - развитием значительной химической неоднородности в зоне сварного соединения, что приводит к ухудшению свойств и, в частности, образованию холодных трещин.

Сварные соединения титана и его сплавов в некоторых случаях склонны к замедленному разрушению из-за перераспределения водорода. Это обусловлено тем, что в зоне сварного соединения создаются благоприятные условия для перераспределения водорода под действием температурного поля и внутренних напряжений. Поэтому при изготовлении сварных конструкций особое внимание необходимо обращать на содержание водорода в исходном материале, которое не должно быть выше допустимого. Необходимо также иметь в виду, что возможно повышение содержания водорода в металле при производстве конструкций или при их эксплуатации.

На свойства сварных соединений титановых сплавов большое влияние оказывает технология сварки. При выборе технологии сварки необходимо учитывать не только структурный класс сплава и требования предъявляемые к сварному соединению, но и его исходное состояние, а также возможность проведения термообработки после сварки.

Способы сварки

Сварка в инертных газах. Сварку выполняют неплавящимся и плавящимся электродом. Для защиты используют аргон высшего сорта (ГОСТ 10157) или гелий. Сварку ведут с местной или с общей защитой. При сварке с местной защитой используют различные насадки, обеспечивающие защиту металла, нагретого свыше температуры 400 ⁰С. Защита создается не только со стороны сварки, но и со стороны корня шва. Для этого используют подкладки из пористого металла, что позволяет. обеспечить более равномерную защиту.

При сварке небольших сосудов корень шва иногда защищают тщательной продувкой сосуда аргоном. Наиболее стабильная защита - общая. В последние годы при производстве изделий из титана используют обитаемые камеры, в которых сварщики работают в скафандрах. Сварка титановых сплавов в подобных условиях значительно повышает надежность сварных соединений. О качестве защиты зоны сварки судят по внешнему виду. При хорошей защите поверхность металла в зоне сварного соединения имеет серебристый блестящий вид, при недостаточной защите появляются цвета побежалости, а при плохой - серые и бурые налеты.

Сварку неплавящимся электродом выполняют на постоянном токе прямой полярности. Для повышения стабильности процесса используют лантанированные и итрированные электроды. С целью снижения перегрева металла зоны термического влияния и улучшения формирования шва используют импульсное питание дуги. Иногда для металла толщиной свыше 3 мм используют сварку погруженной дугой за один проход. Однако использование данного способа из-за малой скорости сварки и относительно большой погонной энергии приводит к формированию структуры перегрева и протяженной зоны термического влияния.

Сварку плавящимся электродом выполняют на постоянном токе обратной полярности на режимах, обеспечивающих мелкокапельный перенос электродного металла. Более рационально импульсное питание дуги, обеспечивающее хорошее формирование швов и уменьшающее тепловое воздействие на металл. При сварке плавящимся электродом для формирования более широких швов с целью предупреждения пористости рационально назначать в качестве защитного газа гелий или смесь аргона с гелием. Из-за относительно большого электрического сопротивления титана вылет электрода уменьшают.

В некоторых случаях для предупреждения образования пор сварку в атмосфере инертных газов осуществляют с применением галогенидных флюсов, наносимых на торцовые поверхности свариваемых кромок. При сварке металла толщиной свыше 3 мм используют флюсы-пасты серии АН-ТА (например, АН-Т17А), при сварке тонкого металла - флюсы-пасты МАТИ. Флюсы-пасты серии АН-ТА построены на основе CaF₂ с различными добавками. Они позволяют предотвратить пористость, обеспечивают формирование более узких швов, не склонных к образованию пор, и модифицирование металла шва. Флюсы-пасты МАТИ построены на основе А1F₃ и AlCl₃, их основное назначение - предупреждение образования пор.

Во всех случаях для предупреждения образования пор рационально подвергать сварочную проволоку вакуумному отжигу.

Сварка под флюсом. Для сварки применяют бескислородные фторидные флюсы сухой грануляции серии АН-Т. Марку флюса выбирают в зависимости от толщины свариваемого металла.

При сварке металла толщиной 2,5 ÷ 8,0 мм используют флюсы АН-Т1 (79,5 % CaF₂; 19 % BaCl₂, 1,5 % NaF), АН-ТЗ (87,6 % CaF₂; 10,7 % BaCl₂; 1,7 % NaF), при сварке более толстого металла - АН-Т7. Сварку осуществляют на постоянном токе обратной полярности.

Для предупреждения перегрева сварочной проволоки сварку ведут при вылете электрода, назначаемом в зависимости от диаметра (для d_э = 2…3 мм вылет –14…18 мм).

Для предохранения проволоки от взаимодействия с атмосферой высота слоя флюса должна быть больше вылета электрода. Сварку ведут на медной, флюсомедной подкладке или флюсовой подушке. Флюс перед сваркой необходимо прокаливать при температуре 200 ÷ 300 ⁰С.

Электрошлаковая сварка. Титан и его сплавы сваривают всеми известными способами. Сварку швов небольшой протяженности выполняют пластинчатым электродом толщиной 8 ÷ 12 мм и шириной, равной толщине свариваемого» металла. Обычно пластинчатый электрод выполняют из металла с составом, аналогичным основному. При сварке проволочным электродом для уменьшения разогрева используют дополнительный токоподвод. Для сварки используют флюс АН-Т2 (однокомпонентный фтористокальциевый). Поскольку в условиях электрошлаковой сварки наблюдается перенос кислорода и азота воздуха через флюс и насыщение ими сварочной ванны, то шлаковую ванну дополнительно защищают аргоном высшего сорта. Металл в зоне термического влияния, где температура выше 500 ⁰С, защищают путем увеличения ширины водоохлаждаемых формирующих устройств.

Сварные соединения, выполненные электрошлаковой сваркой, отличаются крупнокристаллической структурой. Однако в большинстве случаев они имеют прочностные свойства, близкие к основному металлу и достаточную пластичность.

Далее: 6. Технология сварки чугуна