ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ
Титан является ярко выраженным химически активным металлом. Из основных физических свойств чистого титана следует отметить низкую плотность (4,5 г/см *) и теплопроводность (15,1 Вт/м-К), относительно низкую прочность (ав=245...345 МПа), высокую пластичность (5=30...50%); модуль нормальной упругости Е, принимаемый для инженерных расчетов, равен 10800 МПа. Титан немагнитен и обладает высокой коррозионной стойкостью в различных средах, в том числе морской воде. В чистом виде титан, ввиду его относительно невысокой прочности, как конструкционный материал имеет ограниченное применение. Более широко применяются сплавы титана.
В зависимости от системы легирования все сплавы титана делятся на три группы: а-сплавы, ос-р-сплавы и р-сплавы. Наибольшее применение в промышленности имеют а-сплавы (и бетированные а-сплавы) и а-р-спла - вы. Из широко известных отечественных а-сплавов следует отметить ПТ-ЗВ (а > 600 МПа), ПТ-7М (а > 400 МПа), ОТ4-0, СУР4-1, ОТ4 (os > 400, 500 и 600 МПа соответственно). Поставка этих сплавов осуществляется по ГОСТ 19807-74.
Сплавы а-группы получают легированием чистого титана элементами, повышающими стабильность а-фазы (к ним относятся алюминий и олово). Сплавы p-группы легируют элементами, повышающими стабильность p-фазы (к ним относятся хром, марганец, железо, медь, ванадий, молибден, тантал и др.). К а-р-сплавам также относят сплавы комплексного легирования, содержащие при комнатной температуре а - и P-фазу. Практически все а-сплавы не упрочняются термической обработкой. Упрочнение же а-р-сплавов осуществляется термообработкой, эффект которой тем выше, чем больше в сплаве содержится p-фазы. Для сварных конструкций наиболее приемлемы а-сплавы титана либо а-р-сплавы с относительно невысоким содержанием р-стабилизатора.
Такие сплавы, наряду с высокой удельной прочностью, немагнитно - стью и высокой коррозионной стойкостью во многих средах, обладают хорошей свариваемостью и, как правило, не требуют последующей термической обработки.
Рассматривая особенности свариваемости титана и его сплавов, необходимо отметить следующие.
1 Высокая химическая активность металла при его нагреве и расплавлении приводит к значительному поглощению им кислорода, азота и водорода. Предел растворимости кислорода в титане составляет (14,5% масс.), в жидком титане он может раствориться до
2.. .6% 02. Увєлрїчєниє содержания кислорода в металле до 1% переводит его в совершенно хрупкое состояние; при охлаждении он самопроизвольно растрескивается. Кроме этого, металл будет продолжать окисляться в процессе охлаждения в твердом виде и будет покрываться хрупкой пленкой окислов. Поэтому одной из основных задач при сварке титана является организация надежной защиты нагретых и расплавленных зон от проникновения к ним газов воздушной атмосферы. Такой защите должна подвергаться область металла в районе сварки, нагреваемая от температуры 500 °С и выше (рис. 9.8).
Рис. 9.8. К площади зоны газовой защиты при сварке титановых сплавов |
2. Второй трудностью, органично связанной с первой, является наличие в основном металле (и в присадочной проволоке) вредных примесей: кислорода, азота и водорода. Эти примеси отрицательно влияют на пластичность металла (уменьшая ее) и прочностные его характеристики (увеличивая их). Иными словами, увеличение содержания таких примесей как кислород и азот значительно охрупчивают металл, а водород может приводить к замедленному его разрушению. Поэтому содержание указанных вредных примесей в свариваемых сплавах и в сварочных проволоках строго нормируется. Так, для технически чистого титана марки ВТ-1 содержание кислорода составляет до 0,15%, азота до 0,05%, углерода до 0,1% и водорода до 0,01%. Еще большие ограничения существуют для электродной (присадочной) проволоки из технически чистого титана: кислорода не более 0,12%, азота не более 0,04% и водорода не более 0,0025% (такое содержание водорода достигается вакуумной дегазацией проволоки).
3. Водород в условиях сварки даже при его низком содержании в сплаве и присадочном металле может диффузионно перемещаться и образовывать зоны повышенной концентрации в
районе линии сплавления (особенно в случае, когда химические составы основного и присадочного металла различны). Это ведет к разнице пределов растворимости в них водорода. С количеством содержания газов в металле шва (в первую очередь, водорода) связывают возможность появления в нем газовой пористости. Характер растворения водорода в титане с изменением температуры (по сравнению с другими металлами) имеет свою специфику (с повышением температуры оно уменьшается вплоть до температуры плавления; при ее достижении существует скачок увеличения растворимости, затем растворимость опять уменьшается). Поэтому выделение водорода из ванны может иметь место тогда, когда его содержание в жидкой фазе существенно превышает растворимость водорода в твердой фазе при температуре кристаллизации. Это наблюдается при высоком содержании водорода (паров воды) в газовой фазе, на поверхности кромок или сварочной проволоки либо при большом времени пребывания ванны в жидком состоянии. В последнем случае усиливается процесс порообразования за счет выделения нерастворимых в титане паров воды, гидроокислов и окислов углерода, которые образуются из-за взаимодействия окислов титана с водородом.
4. Низкая теплопроводность титана приводит к тому, что изотермы вдоль шва вытягиваются, а это делает необходимым увеличение зоны защиты, особенно при сварке на высоких погонных энергиях (см. рис. 9.8). Одновременно это приводит к уменьшению ширины ЗТВ. Коэффициенты теплопроводности и термического расширения у титана невелики, однако, несмотря на это сумма остаточных укорочений по сравнению со сталью практически не
уменьшается, так как усредненный коэффициент — зависит от
Ф
объемной теплоемкости, а она у титана примерно в 1,5 раза меньше, чем у низколегированной стали. Поэтому при сварке титановых конструкций необходимо принимать те же меры по борьбе с деформациями, что и при сварке стальных конструкций; особенно эффективным здесь является способ создания пластических деформаций металла шва.
5. Удельное электрическое сопротивление титана почти в 1,6 раза больше, чем у алюминия и почти в 4 раза больше, чем у железа. Поэтому при механизированной сварке плавящимся электродом его вылет должен быть значительно меньше.
6. а-сплавы (и бетированные а-сплавы), как правило, имеют хорошую свариваемость. Увеличение количества Р-стабилизатора (например, ванадия) приводит к увеличению чувствительности металла ЗТВ к термическому циклу сварки, что определяется характером фазовых превращений в сплаве. При малых скоростях охлаждения увеличение зерна в металле ЗТВ идет с повышением содержания ванадия. Увеличение скоростей охлаждения приводит к уменьшению степени различия в величине зерна вне зависимости от содержания ванадия в металле. При его большом содержании игольчатая структура, выделяющаяся при охлаждении а-фазы, более груба. Увеличение погонной энергии сварки приводит к уменьшению скоростей охлаждения и увеличению времени выдержки при температурах выше критической. Оба фактора способствуют росту зерна в металле зоны. На рис. 9.9 показано влияние погонной энергии на рост зерна в ЗТВ и изменение вязких и прочностных свойств металла ЗТВ для бетированного а-сплава марки ПТ-ЗВ: значительное изменение величины погонной энергии практически не влияет на изменение твердости. Ударная вязкость закономерно снижается с увеличением поперечника зерна, однако остается выше нижних значений ее по стандарту. Это дает основание считать а-сплавы титана (в том числе и бетированные) термически вялыми и хорошо свариваемыми во всем диапазоне погонных энергий (от ручной сварки до электрошлаковой).
HV, KCV102, кДж/м2 Рис. 9.9. Влияние погонной энергии сварки на изменение свойств сплава ПТ-ЗВ в ЗТВ |
Если в сплаве при комнатной температуре присутствует (3-фаза, то высокие скорости охлаждения металла могут приводить к увеличению степени его охрупчивания при больших скоростях нагружения и присутствии концентратора напряжений. Это можно объяснить спецификой растворения водорода в сплаве такой системы легирования при его охлаждении. При достаточном его содержании в металле возникают крупные колонии пластинок гидридной фазы (TiH4), расположенные по границам а-фазы. Если сплав не имеет р-стабилизатора, то увеличение скоростей охлаждения повышает ударную вязкость металла, а в структуре наблюдается выделение дисперсных гидридных пластин по границам a-фазы. Предел растворимости водорода в p-фазе выше, чем в а-фазе, однако из-за выделения гидридных пластинок и повышения чувствительности металла ЗТВ к охрупчиванию при различного рода нагрузках содержание водорода в а - и а-бетированных сплавах рекомендуется ограничивать до 0,006%.
7. Сплавы системы а+Р-легирования при сварке обладают определенной спецификой. В условиях резкого охлаждения при небольшом количестве р-стабилизаторов в металле ЗТВ будет иметь место а-структура. При увеличении содержания Р-стабилизаторов выше определенного предела в металле наряду с а-фазой начинает фиксироваться и р-фаза. Поэтому свариваемость этой группы сплава напрямую зависит от содержания в сплаве Р-стабилизаторов. Так, если сплав содержит более 5% р-стабилизаторов, то в металле зоны термовлияния наблюдается конгломерат фаз (а'-Р-ш), что ведет к увеличению хрупкости. Поэтому для улучшения свойств сварных соединений необходимо производить после сварочную термическую обработку конструкции (нагрев до 750...800 °С, охлаждение с печью до 550 °С и далее на воздухе). Скорости охлаждения металла в ЗТВ (а значит и режимы сварки и подогрева) должны выбираться так, чтобы получить в ней структуры с максимальной пластичностью (рис. 9.10). Высокие скорости охлаждения приводят к образованию мелкодисперсной хрупкой а'-фазы. Снижение скорости охлаждения дает более пластичный металл со смесью а - и а'-фазы. Очень медленное охлаждение приводит к росту зерна p-фазы с образованием крупнозернистой а-фазы. Поэтому наилучшим, но и наиболее сложным будет термический цикл, выдержанный в соответствии с кривой 4 (см. рис. 9.10).
Особенности газовой защиты при сварке титановых сплавов. Учитывая высокую химическую активность титана и его сплавов, основным способом сварки этих материалов является дуговая сварка плавящимся и неплавящимся электродом в среде инертных газов. Зонами
защиты здесь является не только сварочная ванна, но и область нагретого до 500 °С металла шва и ЗТВ.
1-3 - скорости охлаждения по мере их уменьшения: 4 - рекомендуемый
термический никл при сварке; 5, в - начало и конец превращения соответственно
При струйной защите* зона расплавленного металла защищена газом, истекающим из сопла горелки, а остывающий металл шва - газом, истекающим из специальной приставки, соединенной с горелкой (рис. 9.11).
а - сопло горелки с дополнительной подачей гава в приставку для зашиты
остывающего ниш; 6 - сопло горелки с газозащнтной приставкой,
использующей поток газа из основного сопла
Вопросы защиты в установках с контролируемой средой рассмотрены ранее (см. рис. 2.21).
Длина приставки L зависит от режимов сварки и при ее выполнении на больших токах может достигать 500 мм (автоматическая сварка). Качественная защита обеспечивается при высокой чистоте газа (не менее 99,99%); при этом поток истекающего газа в зоне защиты должен иметь концентрацию, равную исходной на срезе сопла горелки.
Сварка химически активных материалов должна производиться только в зоне потенциального ядра струи со свободным ламинарным пограничным слоем. Относительно невысокая эффективность (расстояние между срезом сопла и ванны, при котором обеспечивается качественная защита жидкого металла) околошовной зоны при струйной защите на широко распространенных в промышленности горелках объясняется неоднородностью профиля скоростей и высокой турбулентностью потока на плоскости среза сопла. Увеличить расстояние от среза сопла до ванны с обеспечением качества защиты до величины 1,5Д. опіа можно, применив сопла в виде конуса с телесным углом раскрытия и конечной цилиндрической частью, имеющей длину порядка диаметра сопла (рис. 9.12).
а)
При наличии поперечных сносящих потоков воздуха (сквозняков) следует пользоваться специальными конфузорными соплами, проточная
часть которых выполнена по кривой Витошинского; она плавно сочетается с цилиндрической частью сопла. В цилиндрической части такого сопла установлена мелкоячеистая сетка, предназначенная для гашения турбулентного потока газа и увеличения длины ядра за конфузором при больших скоростях его истечения.
Высокая химическая активность титановых сплавов предъявляет к технологическим процессам изготовления конструкций ряд специфических общих требований. К ним относятся:
• отсутствие сквозняков в помещениях для сварки, чистота рабочих мест для сборки и сварки конструкций, отсутствие запыленности, возможность мокрой уборки, наличие стабильно работающей общеобменной вентиляции;
• необходимость тщательной зачистки сварочных поверхностей, присадочной и электродной проволоки от органических и неорганических загрязнений (иногда с применением специальной технологии травления, мойки и сушки);
• проведение входного контроля основного материала присадочной и электродной проволоки и инертных газов на соответствие содержания вредных примесей поставочной технической документации (кислорода, азота и водорода);
• тщательная механическая обработка кромок деталей после кислородной или плазменной резки [удаление окисленных (альфи - рованных) слоев на глубину 1,5...3,0 мм].
При наличии приставки в горелках для ручной сварки расход в нее инертного газа составляет примерно 1 /3 расхода в сопле горелки. Этот способ рационально применять во всех пространственных положениях в толщинах до 18...20 мм.
Сварка производится на постоянном токе прямой полярности. Соединения малых толщин (до 2,0...5,0 мм) выполняются без разделки кромок с односторонним или двухсторонним формированием шва. В первом случае стыковые соединения толщиной до 8 мм, как правило, выполняются на подкладке. При сварке, во избежание окисления, производится поддув инертным газом (табл. 9.3) для защиты обратной стороны формирующегося шва. Установки для сварки должны предусматривать аппаратуру, обеспечивающую пуск газа за 15...40 с до включения тока (продувка газовых магистралей) и выключение газа через 30... 150 с после выключения тока (для защиты газом охлаждающегося металла).
Одной из установок для этого вида сварки является ПРС-ЗМ, позволяющая производить сварку неплавящимся электродом во всех пространственных положениях на токах до 500 А с регулировкой тока через 50 А. Подача присадки может быть в принципе механизирована (проволоки диаметром 1,2... 1,6 мм).
Автоматическая сварка титановых сплавов может производиться неплавящимся и плавящимся электродом. В большинстве случаев предпочтение следует отдавать первому способу, так как он обеспечивает более стабильный процесс горения дуги, практически без разбрызгивания, и способствует получению плотных, беспористых сварных швов с хорошим их формированием. Процесс сварки плавящимся электродом ведется на больших токах и в ряде случаев имеет большую производительность, нежели процесс сварки неплавящимся электродом. Большие силы токов, применяемые уже при сварке листов толщиной 20...40 мм, приводят к значительному увеличению зон защиты металла, нагреваемого до температур 550...600 °С. Это требует применения приставок для защиты ванны и остывающего металла достаточно больших размеров. Это же относится и к приспособлениям для поддува газа с целью защиты обратной стороны свариваемого соединения.
Сварка может производиться как без разделки кромок, так и с их разделкой (в зависимости от толщины свариваемого металла). При обычно применяемых режимах (без разделки кромок) рекомендуется производить сварку (табл. 9.3) до толщин 20...22 мм. В принципе, эта толщина может быть увеличена, но тогда нарушается формирование усиления, и оно требует трудоемкой отделки ручной аргонодуговой сваркой. С толщины 22 мм целесообразно производить разделу кромок и применять многопроходную сварку на средних по току режимах. Разделка имеет обычный вид (односторонняя или двухсторонняя со скосом кромок), и лишь притупление у нее по сравнению с разделкой для ручной сварки увеличивается в 2-2,5 раза. При этом (несмотря на определенное увеличение трудоемкости) улучшается формирование и уменьшается вероятность образования дефектов типа газовых включений.
При плавящемся электроде при сварке даже на спокойных режимах не удается получить плавного перехода усиления к основному металлу, поэтому требуется проведение операции ручной отделки. Для сварки применяются специально спроектированные для этой цели автоматы. В качестве источников питания используются сварочные выпрямители с жесткой характеристикой. При одних и тех же токах при изменении защитной среды меняются параметры режима сварки. Это объясняет изменение формы проплавления из-за отличия физических свойств аргона и гелия.
Автоматическая сварка неплавящимся электродом также может производиться и в аргоне и в гелии погруженной и поверхностной дугой.
Примеры назначения режимов в инертных газах стыковых соединений титановых сплавов
|
Окончание табл. 9.3
Примечания'. * В числителе - нижнее положение, в знаменателе - вертикальное. ** Механизированная сварка погруженной дугой. *** В числителе - расход газа в горелку, в знаменателе - в приставку. В числителе - при сварке в гелии, в знаменателе - в аргоне. |
Погруженной дугой без присадки можно сваривать за один проход толщины до 20 мм. Принцип погруженной дуги заключается в следующем. Вольфрамовый электрод укреплен на каретке автомата, движением которой управляет механизм, прямо связанный с напряжением на дуге. Перед сваркой устанавливается нужное напряжение на дуге. По мере образования сварочной ванны дуга удлиняется, и специальной электрической схемой включается механизм, стремящийся восстановить заданное напряжение на дуге. Вольфрамовый электрод двигается вниз, и дуга, углубляясь, погружается в сварочную ванну - это и приводит к увеличению глубины проплавления. В процессе сварки дуга отклоняется в сторону, противоположную стороне сварки, и это ограничивает глубину проплавления.
При редко возникающей необходимости сварки толщин более
25.. .40 мм производится разделка кромок. Такое соединение может свариваться следующим образом: сначала выполняется сварка погруженной дугой притупления большой величины, а разделка заполняется с помощью поверхностной дуги с подачей присадочной проволоки. При непроваре кромок за счет усадки при высокой температуре происходит такое сдавливание кромок, что наступает их частичное схватывание (термодиффузионная сварка), и рентгенопросвечивание может не обнаружить дефект.
В качестве вольфрамового электрода используется иттрированный вольфрам в прутках диаметром 8,0... 10,0 мм.
После сборки соединения (таврового или стыкового), перед сваркой, с другой стороны выполняется консервационный проход ручной или автоматической сваркой.
При автоматической сварке неплавящимся электродом могут образовываться дефекты, характерные для всех видов сварки; в ряде же случаев возникают дефекты, характерные только для этого метода. Появление цветов побежалости от соломенно-желтого до серого говорит о нарушении защиты инертным газом через приставку. Матовый цвет, морщинистый вид шва, белого или желто-бурого цвета налет с характерными цветами поверхности кратера вызывается нарушением газовой защиты через горелку. Неудовлетворительное формирование шва (грубочешуйчатое с подрезами) является следствием нарушения стабильности плавления основного металла и присадочной проволоки из - за увеличения сварочного тока сверх допустимого предела, уменьшения скорости сварки или неравномерной подачи присадки. Следует отметить, что при сварке неплавящимся электродом (в случае номинальных режимов) формирование шва исключительно стабильно, усиление имеет гладкую поверхность с плавными переходами к основному металлу. Поверхностные трещины имеют место при сильных окислениях. Возможной причиной может быть также попадание в шов меди ввиду оплавления сопла горелки. Непровар получается при малой силе тока, высоком напряжении на дуге, большой скорости сварки, использовании вольфрамового электрода с неправильной геометрией заточки. Вольфрамовые включения могут появляться при заниженных напряжениях дуги, неполадках в системе регулирования дуги и нарушениях защиты.
Сварка титановых сплавов возможна под слоем специальных бескислородных флюсов системы CaF2-BaCl2-NaF (соли редкоземельных элементов). Здесь защита жидкого металла сварочной ванны осуществляется парогазовым пузырем, образуемым дугой при плавлении флюса и металла. Однако способ этот может применяться для сварки относительно небольших толщин (до 12,0 мм). При увеличении погонной энергии, объема металлической жидкой ванны и времени ее существования наблюдается диффузия газов воздушной атмосферы через слой флюса и шлака, насыщение кислородом металла шва и, как результат, потеря его пластичности. По этим же причинам, ввиду совершенно неудовлетворительной защиты, не применяются покрытые плавящиеся электроды для ручной сварки.
Электрошлаковая сварка титана, как и стали, эффективна для толщин более 40 мм. Сварка производится под бескислородными флюсами типа АНТ-46 с обязательной защитой зеркала шлаковой ванны аргоном (во избежание диффузии через шлак вредных газов из атмосферы). Желательно использовать электроды большего сечения (пластинчатые и плавящиеся мундштуки), проволоку большого сечения (5,0 мм), что связано с высоким электросопротивлением титана. Ввиду высокой жидкотекучести фторидных флюсов особые требования предъявляются к водоохлаждаемым ползунам (прилегание к поверхности листов с зазором не >0,5 мм).
Промышленные а-, псевдоа - и низколегированные а+р-сплавы хорошо свариваются ЭШС; несмотря на крупнокристаллическую мартенситоподобную структуру, при сварке на оптимальных режимах это не ведет к сколь-либо значительному изменению свойств металла шва и ЗТВ.
При сварке высокопрочных двухфазных а+р-сплавов часто необходимо подбирать оптимальный химический состав шва, отличающийся от основного металла. В ряде случаев приходится прибегать к последующей термообработке. Так, появление в металле ЗТВ субзеренной структуры может быть устранено длительным отжигом (750 °С для сплава ВТ22). При этом равномерно выделяется мелкодисперсная а-фаза (продукт распада p-фазы) и восстанавливается вязкость металла.
Плазменно-дуговая сварка титана и его сплавов без разделки кромок возможна до толщин 16,0 мм. При сварке стыковых соединений проникающей сжатой дугой на постоянном токе до 500 А проплавление имеет характер «замочной скважины». Сварка может производиться как без присадочной проволоки (сварка без разделки), так и с разделкой (тогда в переднюю часть ванны вводится присадочная проволока).
При микроплазменной сварке (толщины <1,5 мм) процесс ведется дугой прямого действия, горящей на постоянном токе прямой полярности (<200 А). В качестве плазмообразующего газа во всех случаях используется гелий или его смесь с аргоном. На слаботочных плазмотронах электроды изготавливают из вольфрама (марки В Л или ВИ), на сильноточных плазмотронах с высокой тепловой нагрузкой требуется применение специальных водоохлаждаемых электродов.
Электронно-лучевая сварка титана, как и других материалов, характерна жесткими требованиями к сборке под сварку и строгим соблюдением заданных зазоров. Иногда у торцов свариваемых кромок необходимы технологические утолщения, которые удаляются после сварки. Техника ЭЛ С при сварке титановых сплавов не отличается от таковой при сварке других металлов.
Трудно выбрать режимы ЭЛ С, обеспечивающие отсутствие подрезов. Одним из приемов здесь является двухпроходная сварка, когда второй проход «разглаживает» неудачное формирование лучом, колеблющимся поперек шва.
Одним из основных дефектов при ЭЛ С является пористость металла шва. Она располагается либо в металле шва, либо вблизи линии сплавления. Меры борьбы - отсутствие влаги и жировых загрязнений на поверхности и оптимальные условия вакуумирования.
Высокая концентрация энергии в луче способствует уменьшению ширины ЗТВ. Крупное зерно в ЗТВ при сварке двухфазных а+р-спла - вов может привести к падению ударной вязкости; отжиг таких соединений практически ее восстанавливает.