Сварка титана и его сплавов

Титан обладает высокой прочностью до температур 450-500° С при малой плотности, высокой коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах и все шире применяется в качестве конструкционного материала в сварных конструкциях различного назначения. Недостатками титана являются его активное взаимодействие с атмосферными газами, склонность к водородной хрупкости. Титан плохо обрабатывается резанием, удовлетворительно – давлением, сваривается в защитной атмосфере.

α-титановые сплавы (с чисто α-структурой) термической обработкой не упрочняются; их упрочнение достигается посредством легирования твердого раствора и пластической деформацией. Широкое применение нашел ВТ5-1, обладающий хорошей свариваемостью, жаропрочностью, пластичностью при криогенных температурах. Добавки олова в сплав улучшают его технологические и механические свойства. Из сплава ВТ5-1 изготавливают листы, поковки, трубы, проволоку, профили. Псевдо-α-сплав ОТ4 (наряду с α-фазой в структуре присутствует β-фаза в количестве1-5%) хорошо сваривается.

(α+β)-титановые сплавы характеризуются смешанной структурой и упрочняются термической обработкой состоящей из закалки и старения. Они хуже свариваются, чем α-сплавы. Типичный представитель (α+β)-сплавов – это сплав ВТ6, характеризующийся оптимальным сочетанием технологических и механических свойств.

Псевдо-β-титановые сплавы характеризуются высокие держанием β-стабилизаторов (V, Nb, Ta, W, Mo, Cr, Mn, Co и др.). Сплавы характеризуются высокой пластичностью закаленном состоянии и высокой прочностью – в состаренном; они удовлетворительно свариваются аргонодуговой сваркой.

Основные затруднения при сварке титана связаны с его высокой химической активностью по отношению к газам при нагреве и расплавлении. Так, при температурах 350° С и выше титан активно поглощает кислород с образованием структур внедрения, имеющих высокую прочность, твердость (может быть в 2 раза выше, чем у титана) и малую пластичность.

При нагреве до температуры 550° С и выше титан энергично растворяет азот, химически взаимодействует с ним, в результате часто образуются малопластичные фазы внедрения (нитриды): TiN, Ti₃N.

Азот, находящийся в титане в виде нитридов и элементов внедрения, повышает твердость и снижает его пластичность. Поверхностный слой титана насыщенный повышенным количеством азота и кислорода называется альфированный слой. Попадание частиц этого слоя в сварной шов приводит к хрупкости металла и образованию холодных трещин, в связи с чем перед сваркой его следует полностью удалять.

Водород даже при малом содержании наиболее резко ухудшает свойства титана. Водород находящийся в твердом пересыщенном растворе выделяется в образует отдельную фазу – гидриды титана (TiH₂), которая сильно охрупчивает титан и способствует образованию холодных трещин через длительное время после сварки (замедленное разрушение). Кроме того, водород способствует образованию пор. В связи с этим допустимое содержание водорода в металле ограничивается до 0,01%, и принимаются все меры к устранению возможности наводороживания металла.

Отрицательное влияние насыщения нагретого и расплавленного металла газами требует тщательной защиты при сварке не только расплавленного металла, но и участков твердого металла, нагретого до температуры 400° С и выше. Обычно это достигается применением флюсов, специальных газовых насадок, а также применением с обратной стороны шва газовых защитных подушек, флюсовых и металлических подкладок. Защита считается надежной, если после сварки поверхность металла имеет блестящую поверхность.

При сварке титана и его сплавов используют присадочный металл, близкий по составу к основному металлу. Во многих случаях положительные результаты получаются при использовании проволоки ВТ1-00. Для удаления водорода проволоку обычно подвергают диффузионному (вакуумному) отжигу. Подготовку кромок ведут механическим путем, плазменной резкой с последующим удалением металла насыщенных газами кромок механической обработкой. Перед сваркой поверхности кромок и прилегающего основного металла, а также электродной проволоки тщательно очищают механическим путем или травлением.

Титан и его сплавы чувствительны к термическому циклу сварки, при нагреве и охлаждении металла в области β-фазы наблюдается рост зерна. Этому способствует и низкая теплопроводность титана. При охлаждении и старении могут образовываться хрупкие фазы. В результате этих процессов снижаются пластические свойства металла и появляется неоднородность свойств сварного соединения. Кроме этого, в связи с низкой теплопроводностью титана стыковые швы при сварке плавящимся электродом в аргоне имеют характерную конусообразную форму, что вызывает необходимость для некоторых конструкций наложения галтельных швов, либо перехода к сварке в гелии с целью улучшения формы внешней части усиления шва.

Удельное электросопротивление титана примерно в 4 раза больше, чем у железа, поэтому вылет плавящегося электрода должен быть относительно небольшим.

При толщине металла свыше 4 мм при сварке неплавящимся электродом применяют разделку кромок V-, Х-образную и рюмкообразную.

При сварке плавящимся электродом за два прохода (с двух сторон) можно сваривать металл без скоса кромок толщиной до 36 мм. Сварку ведут на постоянном токе обратной полярности.

При сварке под флюсом используют бескислородные флюсы (АН-Т1 и АН-Т2) основные компоненты которых – фториды (CaF₂, Na₂F) и хлориды (КСl, NaCl). Для уменьшения опасности попадания водорода в металл шва требуется, чтобы содержание влаги во флюсе не превышало 0,05%. Титан сваривают под флюсом на обычном оборудовании па постоянном токе обратной полярности. Этот способ экономически эффективен при соединении металла толщиной свыше 6-8 мм. Прочность и пластичность сварных соединений получают не ниже, чем у основного металла.

Однако механические свойства металла сварных швов и прочность соединения в целом зависят от марки титана, марки присадочной проволоки и могут быть доведены до соответствующих показателей основного металла.