Технологии сварки титана и титановых сплавов

Титан обладает очень большой твердостью, неплохой коррозионной стойкостью. Из этого металла делают высокопрочные детали для танков, кораблей, автомобилей, оборудование для медицинского сектора, трубы. Сварка титана проводится аргонодуговым методом, поскольку он минимизирует вероятность образования вредоносных оксидов, которые негативно влияют на прочность сварного шва.

Особенности сварки титановых сплавов

Температура плавления титана составляет порядка 1500 градусов. При наличии примесей температура плавления может меняться как в большую, так и в меньшую сторону. Металлические сплавы на основе титана обычно сохраняют свою структуры при нагреве до 500 градусов по Цельсию (коррозийная стойкость сохраняется и при более серьезном нагреве).

Необходимо защитить сварной шов, чтобы избежать появления вредоносных оксидов и различных сложных соединений на основе азота и титана. Механизм образования таких соединений следующий:

1. В воздушной атмосфере постоянно присутствуют различные газы — азот, кислород, углекислый газ. В твердом состоянии титан не вступают в химическую реакцию с этими веществами из-за особенностей межатомных связей в титановом сплаве.
2. Во время сварочных работ происходит частичное или полное расплавление титана в локальной области нагрева с последующим объединений расплавленных фрагментов друг с другом (в таком случае между отдельными титановыми деталями образуются прочные межатомные связи, что делает соединение надежным).
3. При нагреве металла также происходит активизация газов, которые находятся в воздушной атмосфере. Из-за этого кислород, азот и прочие газы начинают активно контактировать с расплавленным титаном. Это может вызывать две реакции — механическую и химическую. При механической реакции атмосферные газы проникают вглубь металла, оседают там в виде микроскопических пузырьков. При химической реакции газы контактируют с титаном на субатомном уровне, что приводит к образованию различных оксидов и сложных соединений.

Пузырьки и оксиды оказывают негативное воздействие на качество сварного шва, что снижает его прочность. В случае большой концентрации вредоносных элементов сварное соединение становится ненадежным. Оно растрескивается даже в случае не слишком большой нагрузки, оно заметно чаще покрывается коррозией.

Для повышения качества сварки имеет смысл применять обдувание локальной области различными инертными газами. В таком случае газы будут вытеснять азот и кислород, что будет препятствовать образованию пузырьков и оксидов. Именно поэтому электрошлаковая и сварка аргоном являются оптимальными способами соединения металлических изделий на основе титановых сплавов.

Подготовительные работы

Чтобы шов получился прочным, необходимо провести подготовительные работы:

• Большинство металлических изделий из титана покрыты защитной пленкой оксидно-нитратного типа. Пленка появляется естественным образом во время тепловой обработки металлов. Перед сваркой необходимо избавиться от этой пленки, поскольку из-за нее будет снижаться качество. Для этого необходимо выполнить травление металла в смеси на основе фторида натрия (1 часть), воды (13 частей) и соляной кислоты (7 частей). Время травления — не более 10 минут, температура — порядка 50-60 градусов.
• Также перед проведением сварочных работ необходимо зачистить край металлического объекта, где будет пролегать сварной шов. Для очистки рекомендуется использовать металлические щетки высокой жесткости. Помимо края рекомендуется также выполнить зачистку участка, который располагается в радиусе 1,5-3 сантиметров от стыка. После проведения очистки нужно не забыть сделать обезжиривание металла (с помощью спирта или любого другого реагента).
• Перед работой также рекомендуется подобрать пруток, который будет выступать в качестве основы для сварного шва. Химический состав прутка имеет первостепенное значение. Сварной пруток и детали для сварки должны обладать примерно одинаковым составом, чтобы шов получился прочным. Чем сильнее отличается состав, тем выше будет шанс появления трещин и дефектов.

Сварка титана полуавтоматом

Соединение отдельных титановых элементов осуществляется с помощью электрической дуги, которая создается вольфрамовым электродом. Преимущества: простота работ, высокая скорость застывания сварного шва.

Рекомендуется использовать постоянный ток прямой полярности. Это значительно ускоряет плавление титановых краев, что минимизирует шанс появления вредоносных оксидов. Гашение и зажигание горелки рекомендуется выполнять вне свариваемого объекта на специальных планках.

Обратите внимание, что сварка титана полуавтоматом может привести к образованию оксидов и кислородных пузырьков в металле. Для минимизации последствий такого сценария рекомендуется обрабатывать шов инертным газом (аргон).

Сварка титана аргоном

Методика аналогична предыдущему методу. Два объекта из титана приближаются друг к другу, за счет электрической дуги происходит локальное расплавление металла с последующим соединением.

Главное отличие этого метода заключается в том, что в аргонодуговых сварочных аппаратах подача защитного инертного газа автоматизирована. К горелке отдельных блоком подключается газовый баллон с аргоном. Во время сварки происходит автоматическое распыление защитного газа через сопло. Одновременно с этим происходит генерация электрической дуги с помощью вольфрамового электрода. Этот метод обеспечивает высокую степень защиты от образования оксидов и пузырьков. Оборудование стоит достаточно дешево, сварщику не нужен большой опыт.

Электрошлаковая

Для титановых сплавов с большим содержанием олова или алюминия можно очень часто используется технология электрошлаковой сварки. Эта технология является достаточно сложной, а для ее освоения рекомендуется получить соответствующее образование. Основные особенности электрошлаковой технологии:

• Для больших деталей с крупными сечениями рекомендуется применять флюсы в среде аргона. Это обеспечит высокое качество защиты деталей.
• При сварке небольших деталей флюсы можно не использовать. Оптимальные технические параметры работы: сила тока — 1700 ампер, напряжение — 15 вольт, расход аргона — около 7 литров в минуту.
• Для прессованных профилей электрошлаковую сварку лучше не использовать. Прочность в данном случае будет достаточно низкой в сравнении с альтернативными технологиями.

Контактная

Применение контактной технологии может быть вполне оправдано, если вам нужна сварка титановых труб. Основные особенности:

• Для сварки контактным методом подходят трубы, у которых диаметр составляет 1-2,5 сантиметра, а толщина стенок — около 1 миллиметра. Такие трубы не нуждаются в защите инертными газами.
• Оптимальное зарядное напряжение в данном случае — 900 вольт (для труб 10 мм X 1 мм) либо 2000 вольт (для труб 25 мм X 1,5 мм).
• Перед сваркой необходимо обязательно выполнить травление кромок труб.

Качество

После проведения сварочных работ необходимо выполнить контроль качества. Для этого необходимо выполнить осмотр шва: главные параметры здесь — это цвет и его структура.

Цвет шва

Серебристый цвет с характерным ярким отливом

Очень высокое качество шва. В естественных условиях чистый титан обладает бело-серебристым цветом. Поэтому серебристый цвет шва указывает на то, что во время сварки в состав металла не попали какие-либо посторонние примеси. Такой шов не растрескается со временем, не покроется коррозией, не деформируется под действием высоких нагрузок.

Белый или желтоватый

Высокое или хорошее качество. Желтый цвет шва указывает на то, что во время сварки в металле произошло окисление с образованием простых оксидов на основе титана. Однако таких оксидов в металле образовалось не слишком много. Поэтому качество сварного шва находится на достаточно высоком уровне. То есть такой шов без проблем выдержит средние и высокие физические перегрузки, не растрескается со временем. Выдержит воздействие не агрессивной коррозийной среды.

Рыжий, коричневый, серый, черный, синеватый

Плохое качество шва. Подобный цвет указывает на то, что во время сварки образовалось большое количество оксидов, а также соединений на основе азота и титана. Такой шов является крайне ненадежным. Он растрескается при перегрузках, может покрыться ржавчиной и окалиной. По ГОСТ детали с таким качеством шва не допускаются к эксплуатации. Требуется демонтаж шва, проведение повторной сварки с удалением поврежденного фрагмента, переплавка сварной конструкции.

Структура

В случае проведения качественной сварки шов должен получиться ровным и однородным, без каких-либо уплотнений и без деформированных участков. Если в области шва образовалось большое количество неровностей (небольшие вмятины, уплотнения, бугорки-точки и так далее), то это может указывать на то, что при сварке пузырьки воздуха (кислород, азот, углекислый газ) проникли в толщину сплава. Подобный сценарий является достаточно негативным, поскольку пузырьки воздуха плохо влияют на твердость сварного шва.

Заключение

Титан представляет собой прочный тугоплавкий металл. Детали из титановых сплавов можно соединять друг с другом с помощью сварки. Основные технологии — сварка титана аргоном или полуавтоматом, электрошлаковый метод и другие. Во время сварки рекомендуется проводить обработку сварной поверхности инертным газом, чтобы минимизировать риск появления вредоносных оксидов и пузырьков в металле. Качество можно определить по цвету и структуре сварного шва.

Используемая литература и источники:

• Николаев Г. А. Сварка в машиностроении: Справочник в 4-х т. М.: Машиностроение, 1978.
• Полькин И. С. Упрочняющая термическая обработка титановых сплавов. M.: Металлургия, 1984.
• Welding and Manganese: Potential Neurologic Effects. The inhalation of nano particles National Institute for Occupational Safety and Health.