Технология сварки титана и его сплавов

Титан применяют в химическом машиностроении, авиации, судостроении, энергетике, медицине и криогенной технике из-за сочетания малой плотности, высокой удельной прочности и коррозионной стойкости. Но при сварке эти преимущества легко потерять. Главная задача технолога состоит не в том, чтобы просто расплавить металл, а в том, чтобы исключить загрязнение зоны шва кислородом, азотом, водородом, влагой, маслом, пылью и частицами железа. Именно поэтому сварка титана требует более строгой подготовки, газовой защиты и контроля, чем сварка большинства сталей.

Свариваемость титана: от чего она зависит

Титан имеет две аллотропические модификации: низкотемпературную альфа фазу с гексагональной плотноупакованной решеткой и высокотемпературную бета фазу с объемноцентрированной кубической решеткой. Температура полиморфного превращения чистого титана составляет около 882,5 °C. Легирующие элементы делят на альфа стабилизаторы, бета стабилизаторы и нейтральные упрочнители. Алюминий, кислород и азот стабилизируют α-фазу; ванадий, молибден, хром, марганец стабилизируют β-фазу; олово и цирконий чаще рассматривают как нейтральные или близкие к нейтральным упрочняющие элементы.

По структуре титановые сплавы обычно делят на технический титан и альфа сплавы, псевдоальфа сплавы, альфа плюс бета сплавы, бета и псевдобета сплавы. Технический титан ВТ1, сплавы ВТ5, ВТ5 1 и близкие к ним материалы свариваются лучше, так как не упрочняются термической обработкой и меньше меняют свойства после сварочного термоцикла. Двухфазные сплавы, например ВТ6 и ВТ14, могут требовать послесварочной термообработки или ограничения тепловложения по требованиям КД/ТУ, потому что их структура чувствительнее к перегреву, росту зерна и образованию хрупких фаз.

Сварочная ванна титана обычно формируется хорошо, поскольку расплавленный металл жидкотекуч. Трудность находится в другом: металл, нагретый до высоких температур, активно взаимодействует с атмосферой. При температурах примерно выше 500 °C, а для ответственных изделий до температуры, заданной процедурой, металл должен оставаться под инертной защитой. Титан интенсивно поглощает кислород, азот и водород, а при сварке ответственных деталей защиту часто организуют еще строже. Продолжительность защиты задают технологией, контрольными наплавками, температурой охлаждения и результатом визуального контроля.

Приобрести электроды оптом от производителя для сварки металлов различных типов вы можете на сайте Аркуса. В ассортименте – более 150 марок сварочных материалов, работаем на РФ и СНГ.

Металлургические особенности сварки

Кислород при нагреве образует на титане твердый поверхностный слой, который часто называют альфированным слоем. Этот слой повышает твердость, но резко снижает пластичность. Если частицы такого слоя попадают в сварочную ванну, металл шва становится склонным к охрупчиванию и трещинообразованию. Азот образует нитриды и также увеличивает твердость при снижении пластичности. Водород особенно опасен, так как может образовывать гидриды титана, провоцировать пористость и замедленное разрушение уже после сварки.

Титан имеет низкую теплопроводность по сравнению со сталями, поэтому зона нагрева компактная, но температура в ней держится достаточно долго. Это увеличивает риск роста зерна в зоне термического влияния. Для альфа плюс бета сплавов сварочный цикл может привести к укрупнению бета зерна, образованию игольчатых структур и снижению пластичности. Поэтому режим выбирают не только по проплавлению, но и по структуре, которую металл получит после охлаждения.

Отдельно контролируют содержание межузельных примесей. При содержании водорода не выше 0,01 процента и расчетной твердости HB менее 200 технический титан обычно имеет хорошую свариваемость. В производственной практике этот подход выражается через требование применять чистые материалы, дегазированную проволоку, сухой инертный газ и повторяемую процедуру очистки.

Подготовка деталей перед сваркой

Подготовка начинается с удаления альфированного слоя, окалины, загрязнений, масла, влаги и следов механической обработки. Кромки предпочтительно готовить механическим способом. После плазменной, лазерной или иной термической резки газонасыщенный слой удаляют механически. Для тонкостенных деталей желательно выполнять сухую механическую обработку кромок с получением гладкой поверхности.

Перед сборкой детали обезжиривают по обеим сторонам разделки и на прилегающих участках шириной не менее 20 мм. Чистоту проверяют протиркой сухой чистой салфеткой, а обезжиренные поверхности не трогают незащищенными руками. Это не формальность: жир, отпечатки пальцев, влажная пыль и абразивные остатки становятся источниками водорода, углерода, кислорода и включений в шве.

При подготовке деталей особенно важно контролировать:

• отсутствие окалины, альфированного слоя и цветов побежалости на кромках;
• чистоту присадочной проволоки и ее соответствие основному металлу;
• отсутствие влаги, масла, маркировочной краски и абразивной пыли;
• состояние подкладок, защитных насадок и каналов подачи аргона;
• качество сборки, равномерность зазора и отсутствие смещения кромок.

Сварочную проволоку подбирают по марке основного металла, условиям работы конструкции и требованиям к прочности. Для части сплавов применяют присадку, близкую по составу к основному металлу, а при сварке разноименных титановых сплавов ориентируются на менее прочный сплав. Проволока должна соответствовать ГОСТ 27265, ТУ и сертификату, а при необходимости проходить вакуумный отжиг или дегазацию. Для ответственных изделий предпочтительны присадки с пониженным содержанием межузельных примесей, особенно при работе в криогенных условиях.

Газовая защита: основа технологии

Качественная защита должна охватывать не только сварочную ванну, но и остывающий валик, зону термического влияния и корень шва. Обычного сопла горелки часто недостаточно. Поэтому применяют удлиненные газовые насадки, хвостовая газовая защита, подкладки с канавками и подачей аргона, внутреннюю продувку труб, герметичные камеры и перчаточные боксы. Остывающий шов и зона термического влияния нуждаются в защите вслед за горелкой, а обратная сторона соединения требует эффективной продувки.

В качестве защитной среды применяют аргон, гелий или их смеси. Для TIG сварки чаще используют аргон высокой чистоты, поскольку он стабильно защищает дугу и дешевле гелия. Гелий и аргоногелиевые смеси применяют, когда нужно увеличить тепловую мощность дуги, улучшить форму проплавления или работать с большими сечениями. Для сварки плавящимся электродом часто применяют аргоногелиевые смеси, которые позволяют получить более устойчивое проплавление на средних и больших толщинах.

Для ответственных изделий важно учитывать не только название газа, но и его чистоту. Газ для сварки и продувки должен быть сухим, с минимальным содержанием кислорода и влаги. Кислород, азот, углекислый газ, водород и их смеси не подходят для защиты титана, поскольку вызывают охрупчивание металла шва и зоны термического влияния.

Качество защиты проверяют до начала сварки. Поверхность после охлаждения должна оставаться серебристой или иметь едва заметный светло соломенный оттенок. Темно соломенный, фиолетовый, синий, серый, белый и матовый налет указывают на нарушение защиты. Такой участок нельзя считать полноценным без дополнительной оценки и, при необходимости, механического удаления поврежденного металла.

Основные способы сварки титана

Аргонодуговая сварка неплавящимся вольфрамовым электродом

TIG сварка остается базовым способом для большинства ответственных тонкостенных и среднетолщинных титановых конструкций. Процесс ведут на постоянном токе прямой полярности, то есть электрод подключают к минусу, а изделие к плюсу. Такая схема концентрирует теплоту в изделии, дает устойчивое проплавление и снижает перегрев вольфрамового электрода. Детали толщиной 0,5–1,5 мм можно сваривать встык без зазора и без присадки, а при толщине свыше 1,5 мм обычно вводят присадочную проволоку.

Для толщин до 4 мм часто применяют обычные установки автоматической аргонодуговой сварки с дополнительной защитой лицевой и обратной стороны. При толщине более 4 мм используют V образную, X образную или U-образную разделку. В отдельных случаях применяют активирующие флюсы пасты, которые повышают глубину проплавления и позволяют сваривать титан до 12 мм без разделки кромок, но такую технологию нужно подтверждать испытаниями, потому что она меняет тепловой цикл и металлургию шва.

Для толстостенных деталей применяют сварку по узкому зазору. При сварке неплавящимся электродом ориентировочно используют зазор 6–12 мм, вольфрамовый электрод диаметром 3–4 мм, присадочную проволоку диаметром 1,5–2 мм, ток 200–300 А, расход аргона 9–12 л/мин через горелку и 2–3 л/мин с обратной стороны. Эти значения нельзя механически переносить на любое изделие, так как окончательный режим зависит от марки сплава, толщины, положения шва, конструкции подкладки и требований контроля.

Сварка плавящимся электродом

Сварка плавящимся электродом в аргоне, гелии или аргоногелиевой смеси применяется для более производительного соединения средних и больших толщин. В аргоне швы обычно получаются более узкими, а в гелии более широкими, поскольку для гелиевой дуги требуется более высокое напряжение. Процесс ведут на постоянном токе обратной полярности.

MIG сварка титана возможна с аргоном или аргоногелиевыми смесями, но качество металла шва обычно труднее довести до уровня TIG, особенно для ответственных конструкций. При капельном переносе возрастает риск непроваров, при струйном переносе нужны дополнительные передняя и задняя газовые защиты, а ручная сварка осложняется габаритами защитных устройств. Поэтому MIG сварку титана чаще механизируют или автоматизируют.

Плазменная, электроннолучевая и лазерная сварка

Плазменная сварка титана применима, когда требуется более концентрированная дуга и глубокое проплавление. Plasma TIG может работать в режим сквозного проплавления до толщины около 12,5 мм, но требования к чистоте газа и защите сварочной ванны остаются такими же, как при TIG. На ручных операциях такой режим используют редко.

Электроннолучевая сварка эффективна для ответственных деталей, потому что проходит в вакууме и не требует газовой защиты сварочной ванны. Лазерная сварка также дает глубокий и узкий шов при меньшем тепловложении по сравнению с дуговыми способами, но требует точной сборки, стабильного зазора и подтвержденной процедуры. Высокоэнергетические методы формируют более глубокую и узкую зону сварки, а меньшее тепловложение помогает снизить остаточные напряжения и деформации.

Сварка под флюсом и электрошлаковая сварка

Для толстых сечений возможна сварка под флюсом и электрошлаковая сварка, но флюс должен быть бескислородным и сухим. Для титана применяют фторидно хлоридные флюсы, а содержание влаги во флюсе должно быть минимальным, чтобы снизить риск попадания водорода в металл шва. Сварка под флюсом экономически оправдана при толщинах свыше 6–8 мм, но требует строгой технологической дисциплины и контроля влажности материалов.

Контактная и фрикционная сварка

Контактная точечная, шовная, стыковая и фрикционная сварка титана применяются в специализированных конструкциях. Электроннолучевая, лазерная, фрикционная, контактная точечная, шовная и сварка оплавлением подходят для титана и его сплавов при правильно выбранной технологии. При контактной сварке газовая защита часто не требуется, но для наиболее ответственных изделий ее могут назначать дополнительно.

Сварка титана с другими металлами

Прямая сварка титана со сталью обычно не дает надежного результата из-за образования хрупких интерметаллидных соединений и резкого различия физико химических свойств. Практическое применение находят схемы через промежуточные вставки, например комбинации технического тантала и бронзы БрБ2, а также бронзы с ниобием. Для соединений титана с медью также применяют промежуточные вставки, например сплавы на основе титана с ниобием или другими легирующими элементами, которые уменьшают риск хрупких фаз.

При сварке алюминиевых сплавов с титаном используют предварительную обработку титановых кромок, включая удаление альфированного слоя и нанесение переходного алюминиевого слоя. Смысл такой схемы состоит в том, чтобы создать промежуточную зону и не допустить длительного образования хрупких интерметаллидов по линии соединения. На практике такие технологии требуют отдельной аттестации, макро и микроконтроля, испытаний на изгиб, прочность и герметичность.

Техника выполнения сварки

Перед сваркой технолог должен утвердить карту процесса: способ сварки, тип и размеры шва, положение, род и полярность тока, марку и диаметр присадки, защитный газ, режим, число проходов, последовательность наложения валиков, защиту обратной стороны и методы контроля. Сварщик перед началом работы проверяет оборудование, получает допущенные материалы, устанавливает электрод с нужным вылетом, задает расход газа и проверяет заточку электрода.

Прихватки выполняют в той же защитной среде, что и основной шов. Они не должны иметь трещин, пор и цветов побежалости, а некачественные прихватки удаляют механически с последующим обезжириванием. В процессе сборки запрещают попадание влаги, масла и других загрязнений в зазор, на разделку кромок и прилегающие поверхности.

При сварке титана нельзя:

• отключать газ сразу после гашения дуги;
• выполнять прихватки без защиты обратной стороны;
• касаться очищенных кромок голыми руками;
• использовать грязные щетки, абразивы и инструмент после обработки стали;
• оставлять синие, серые, белые и матовые участки без зачистки и контроля;
• применять кислородсодержащие смеси как защитную среду.

Во время сварки нельзя отводить горелку сразу после обрыва дуги. Инертный газ продолжают подавать в защитные устройства столько, сколько нужно для предупреждения цветов побежалости. Защиту и продувку сохраняют до охлаждения металла до температуры, при которой он уже не поглощает атмосферные газы с опасной интенсивностью.

Типичные дефекты и их предупреждение

Пористость чаще всего связана с водородом, влагой, загрязненной проволокой, недостаточной очисткой кромок, мокрым флюсом или нарушением продувки. Профилактика включает дегазацию или вакуумный отжиг присадки, сухой инертный газ, чистые шланги с низкой проницаемостью, исключение масел и растворителей перед сваркой, а также контроль влажности и содержания кислорода в защитной атмосфере.

Охрупчивание возникает при насыщении металла кислородом, азотом и водородом. Визуальный признак проблемы, цвет побежалости. Серебристая поверхность означает надежную защиту. Светло соломенный оттенок в ряде случаев допускается для менее жестких условий, но темно соломенный, фиолетовый, синий, серый и белый цвета указывают на недопустимое загрязнение. Такой участок требует механического удаления или ремонта по утвержденной процедуре.

Вольфрамовые включения появляются при касании электродом ванны, неправильной заточке, чрезмерном токе или нестабильной дуге. Чтобы их избежать, используют бесконтактное зажигание, правильный вылет и форму заточки электрода, стабильную длину дуги и ток, соответствующий диаметру электрода.

Трещины и снижение пластичности связаны с загрязнением, перегревом, ростом зерна, неблагоприятной скоростью охлаждения и неподходящей присадкой. Для альфа плюс бета сплавов особенно важен баланс: слишком большое тепловложение увеличивает зону термического влияния и рост зерна, а слишком малое может дать непровар. Поэтому режимы нужно не подбирать по цвету, а подтверждать механическими испытаниями, макроструктурой, микроструктурой и контролем герметичности, если конструкция работает под давлением или в вакууме.

Контроль качества сварных соединений

Контроль начинается с визуального и измерительного осмотра. Для титана цвет поверхности имеет диагностическое значение, поэтому участок должен иметь освещение, позволяющее определять цвета побежалости с лицевой и обратной стороны шва. К наружным дефектам относят цвета побежалости, трещины на поверхности шва и зоны термического влияния, наплывы, подрезы, поры, вольфрамовые включения, западания между валиками и неравномерность усиления.

Для ответственных сварных соединений назначают комплекс методов контроля: визуальный и измерительный контроль, радиографию, капиллярную дефектоскопию, контроль герметичности гелиевым течеискателем, гидравлические испытания, механические испытания и металлографическое исследование. Конкретный набор зависит от назначения изделия, класса соединения, требований чертежа и технических условий.

Послесварочную термическую обработку назначают не автоматически, а по чертежу, карте технологического процесса или требованиям к конкретному материалу. Для одних сплавов она может снижать остаточные напряжения и стабилизировать свойства, для других неправильный режим ухудшит пластичность или приведет к нежелательному старению.