Технология сваривания изделий из титана и его сплавов - особенности, чем выполняется, возможные сложности

Титан - металл, который стал синонимом прочности. Он устойчив ко многим растворам кислот и щелочей, практически не чувствителен к коррозии из-за оксидной плёнки на его поверхности.

В целом прочность титана 270-340 МПа. Сплавление его с такими металлами как алюминий, олово или хром увеличивает показатель прочности в 4-5 раз.

Но сплавы также имеют большую пластичность, чем чистый металл, поэтому их чаще используют в кораблестроении, на химических производствах, для создания корпусов разной техники и так далее. На таких заводах титан обязательно есть на складе материалов.

Особенности сварки титана

Титан - элемент, который химически очень активен. Это создаёт проблемы, когда вы соединяете детали из него и сплавов. Когда вы нагреваете этот металл, он вступает в бурную реакцию с атмосферными газами: азотом, водородом, кислородом.

Находясь в помещении с температурой в 20-22 градуса титан уже реагирует с кислородом. Во время реакции на поверхности металла образуется слой с низкой пластичностью - альфинированный. Он предотвращает последующее взаимодействие с газом.

А, когда расплавленный титан вступает в реакцию с кислородом, появляются окислы. Они тоже сверхпрочные и мало пластичные. Свойства плёнки окисленного титана можно определить по тому, какой цвет она имеет.

Она может быть жёлтого, золотистого, темного фиолетового или даже почти белого цвета. Эта характеристика "расскажет" вам, насколько надёжной получилась зона вокруг шва.

Если материал нагреть до пятисот градусов, он начинает взаимодействовать с азотом. Такая реакция тоже делает соединение прочнее за счет понижения пластичности.

Поэтому перед сваркой титана, его нужно тщательно обработать: очистить от оксидной плёнки и азота, чтобы они частично не попали в место шва. Если это произойдёт, на месте сварного соединения могут появиться трещины холодного типа.

Уже от двухсот градусов титан начинает реагировать с водородом. Это также плохо влияет на металл - он становится легко воспламеняемым и взрывоопасным.

Даже после того, как вы понизите температуру, гидриды титана, которые сохранились в конструкции, делают конструкцию хрупкой. В итоге она может растрескаться. Даже если сразу трещины не появились, они могут появиться намного позже после сварки.

Если вы работаете с титаном на открытом воздухе, нужно увеличить область защиты. Для этого используйте сопла. подающие инертный газ (например, аргон).

Насадки сопел должны быть примерно 50 сантиметров в длину. Устанавливают их с помощью подкладок с оборотной стороны соединения. А сам узел, который вы варите, должен быть закрыт в герметичной камере.

Способы сварки титана и его сплавов

Для пайки титановых деталей используют один из пяти основных методов. Это может быть электродуговая, точечная, электрическая шлаковая, вольфрамовая лучевая сварка и применение сопел, выпускающих инертные газы.

Их разница в том, что используются электроды с различным покрытием и наполнением, получаются соединения с разными характеристиками. Чтобы понять, какой из методов подходит, нужно также учитывать сечение заготовок, которые вы свариваете.

Каждый из типов сварки всё равно включает использование присадочной проволоки, похожей по составу на детали. Чаще всего это проволока марки ВТ1-00.

Края титановой детали перед сваркой подготавливают механически (например, шлифовальным кругом), а поверхность можно очистить как методом травления, так и механическим способом.

Дуговой метод

Электродуговая сварка сплавов титана проходит с использованием электродов из вольфрама. Они могут быть неплавкими иттрованными и лантанированными (для ручной сварки) или плавкими (для сварки автоматическим или полуавтоматическим оборудованием).

Если вы используете аргонодуговую сварку титана, то применяйте стыковой метод. С деталями сечением в полтора миллиметра подача присадочного материала не нужна.

Если же заготовки толще, то подавать пруток нужно. Перед работой и с проволоки, и с заготовок снимите окисленный слой.

Пайка полуавтоматически или вручную требует применения короткой дуги. Также между электродным стержнем и присадочной проволокой угол должен быть в 90 градусов.

Останавливать подачу инертного газа можно только тогда, когда он остынет примерно до 300 градусов.

Чтобы пайка труб из титана электродом была эффективнее, в аргоновой (или другой инертной среде) присадку нужно подогреть током. Также подойдет дуговая сварка импульсами тока.

Из-за этого полуавтоматическая сварка титановых деталей уменьшает расход энергии, а производительность процесса возрастает в два раза. Чтобы сэкономить присадочный материал и сохранить металлические заготовки, сваривайте титан в щелевую разделку.

Электрошлаковый метод

Электрическая шлаковая сварка проходит с пластинчатыми электродами, сделанными из того же металла что и детали, которые соединяются. Ширина электродных стержней должна быть 8-12 миллиметров, а расстояние между заготовками - их толщине.

В этом случае аргоновая среда защищает от перегрева. Плотность соединения будет высокой, так как, несмотря на обработку, сохраняются характеристики взятого материала.

Электрошлаковую сварку неэффективно использовать, если ваши детали толще сорока миллиметров.

Электронно-лучевой способ

Особенность электронно-лучевой сварки в том, что соединение, которое она оставляет, имеет структуру мелкого зерна. Этот метод пайки элементов из титана хорошо защищает поверхность изделия от атмосферных газов.

Его используют с металлическими трубами не шире 160 миллиметров.

Луч в этом случае размещают горизонтально. Делается это для того, чтобы титан и другие металлы не "покрывались" порами и разрывами на месте шва.

Сварка со стальными заготовками

Если масса готовой конструкции не должна превышать определенный лимит, титан сваривают со сталью. Этот метод используют в строительстве малых и больших сооружений.

Но различия между сталями и титаном усложняет получение соединения с высокой прочностью. Это основная проблема, которая укорачивает жизнь конструкций.

Особенно этот минус проявляется, когда титан нужно соединить с нержавеющей сталью. Учёные всё еще исследуют эту область.

Пока что есть всего несколько методов сварки титана со сталью:

• При помощи взрыва. Для этого между стальными и титановыми заготовками прокладывают еще один металл. Например, медь, серебро или соединения из туго плавящихся металлов;
• Диффузионная сварка. Лучше всего подходит для объединения титановой заготовки с заготовкой из нержавеющей стали. Зона соединения будет менее прочной, чем начальные заготовки, но в целом шов будет надёжным и плотным;
• Клинопрессовая сварка. Эта методика предусматривает механическое сдавливание заготовок под термическим влиянием. Швы получаются прочные, менее склонные к коррозии;
• Точечный метод сварки и сварка ультразвуковым способом.

Заключение

В зависимости от того, какие требования у вас к сварному соединению, вы можете выбрать одну из пяти методик сварки вручную или полуавтоматическим сварочным аппаратом.

Но для правильной сварки титановой конструкции всегда нужно понимать особенности металла и его сплавов. Удачи в работе!