Высокая химическая активность и ранее ука­занные теплофизические свойства титана и его сплавов, а также склонность к росту зерна в околошовной зоне, определяют особенности их сварки. Из-за высокой хими­ческой активности титана нельзя применять для сварки его дуговую сварку с использованием покрытий и флюсов, содержащих оксиды и другие элементы, загрязняющие шов, и даже аргонодуговую сварку с односторонней защитой сварного соединения, если незащищенные участки сварного соединения и обратная сторона шва нагреты выше 500—600 °С.

Непременным условием получения качественного со­единения при сварке плавлением титана является не только хорошая защита сварочной ванны, но и полная двусторонняя защита участков сварного соединения, нагретого до температуры выше 500 °С, от взаимодей­ствия с воздухом защитными камерами или другими устройствами.

Защитные камеры для дуговой сварки титана и его сплавов в среде инертных газов делятся на три основные группы:

1) камеры-насадки для местной защиты сварного соеди­нения (рис. 158, и);

4Ъ9

2) камеры для общей защиты свариваемых деталей, которые, в свою очередь, могут быть подразделены на жесткие, мягкие и полумягкие. Оболочка мягкой камеры представляет собой прозрачную полиэтиленовую пленку и оборудуется специальным устройством для регулиро­вания давления защитного газа и предохранительным клапаном. Оболочка полумягкой камеры состоит из двух частей: жесткого прозрачного основания из плексигласа и эластичного верха из полиэтиленовой пленки;

3) обитаемые камеры-мастерские с общей защитой сва­риваемых деталей и обеспечением в них условий для работы сварщика. Эти камеры располагаются в отдельном помещении, оборудованном источниками питания дуги током, установками для подачи в помещение аргона и его регенерации, приборами контроля чистоты атмосферы. Эти камеры должны обеспечивать безопасность сварщика, работающего в специальном герметичном костюме.

Выбор того или иного типа камер определяется раз­мерами и формой свариваемой конструкции, а также окупаемостью затрат на их изготовление. Наиболее де­шевыми являются камеры для местной защиты сварного соединения. Эффективность защиты при этом можно повысить путем применения стальных или медных на­кладок с лицевой стороны шва и медных подкладок для защиты обратной стороны шва с канавкой под шов, в кото­рую через отверстие из канала подается инертный газ. Применение гелия для этой цели более эффективно, чем аргона, так как гелий легче воздуха.

Медные накладки и подкладки часто имеют водяное охлаждение, за счет чего можно регулировать скорость охлаждения и, как следствие, свойства и структуру ме­талла шва и околошовной зоны. Чтобы избежать турбу­лентного потока инертного газа при сварке, насадки изго­тавливаются с сеткой.

О качестве газовой защиты при сварке титана можно судить приблизительно по цвету металла шва и околошов­ной зоны. Блестящая серебристая поверхность шва сви­детельствует о хорошей защите от кислорода и удовлетво­рительных свойствах шва. Синий цвет шва и серые налеты на нем указывают на плохую защиту. Такой визуальный метод оценки эффективности газовой защиты не является характеристикой загрязнения шва газами, так как за­грязнение металла шва азотом и водородом в определенных количествах не изменяет цвета металла (в связи с образо-

ванием раствора внедрения). Поэтому оценка насыщения поверхностных слоев металла газами производится по данным химического анализа или измерением твердости.

На рис. 158 показана схема защиты лицевой и обрат­ной стороны шва при сварке стыковых и тавровых соеди­нений, а на рис. 159 — трубных элементов.

При выборе того или иного вида защитных приспособ, лений необходимо учитывать не только техн&логические но и экономические факторы. Так, для сварки труб диа’.

метром до 200 мм при массовом и серийном производстве для защиты лицевой стороны шва применяют газозащит­ные камеры (рис. 159). При этом камера плотно приле­гает к поверхности стыка трубы по всему диаметру. Газ поступает из наконечника горелки для защиты расплавлен­ного металла, заполняет камеру и удерживается в ней, обеспечивая хорошую защиту металла шва и околошов­ной зоны. Дополнительной подачи газа в камеру не требуется. Для сварки труб большого диаметра, в осо­бенности при индивидуальном производстве, применение специальной изогнутой насадки (по типу, указанному на рис. 158, а) экономически выгоднее, чем изготовление газозащитной камеры.

Защита обратной стороны шва трубных соединений при массовом и серийном производстве осуществляется спе­циальными приспособлениями, конструкция которых под­бирается в зависимости от типа соединения. Но общим для них является создание в месте сварки небольшого объема газа за счет пенополиуретановых шайб (рис. 160) или других устройств. Газ скапливается в небольшом объеме в месте сварки, надежно защищая обратную сторону шва от атмосферного воздуха. В этом случае не требуется заполнения газом всей полости трубы, что при серийном и массовом производстве дает возможность получить большую экономию газа. При индивидуальном произ­водстве изготовление таких приспособлений экономически невыгодно, поэтому пользуются заглушками, устанавли­ваемыми с обеих сторон трубы. Газ, входя в одну из за­глушек, вытесняет атмосферный воздух через другую, что обеспечивает защиту обратной стороны шва.

В промышленности находят применение следующие способы сварки титана и его сплавов:

1) ручная и механизированная дуговая сварка непла - вящимся электродом постоянно горящей и импульсной дугой без присадочного металла и с присадочным металлом;

2) сварка под флюсом;

3) сварка плавящимся электродом постоянно горящей и импульсной дугой;

4) электрошлаковая сварка,

5) плазменная сварка.

Ручная сварка титана неплавящимси электродом. Она применяется преимущественно при сварке коротких кри­волинейных швов.

Детали толщиной 0,5—1,5 мм, соединенные встык без зазора, свариваются без присадочного металла, а детали толщиной 1,5—3,0 мм свариваются без присадочного металла, а в ряде случаев с применением присадочного металла. При стыковой сварке деталей толщиной более 3 мм следует производить разделку кромок и сварку вести с применением присадочной проволоки.

Дуговую сварку титана в среде инертных газов произ­водят на постоянном токе прямой полярности. Подача газа должна опережать зажигание дуги. Сварка может производиться поверхностной или погруженной дугой, которую рекомендуют применять для сварки деталей толщиной более 3 мм. При этом вольфрамовый электрод, заточенный на конус, погружается в кратер и переме­щается по линии наложения шва. При указанных усло­виях достигается лучшая защита, высокая концентрация теплоты в месте сварки и повышается производительность процесса.

При сварке поверхностной дугой длина дуги должна быть в пределах 0,5—2 мм.

Ручная аргонодуговая сварка титана и его сплавов при толщине более 3 мм выполняется с присадочным материа­лом в несколько проходов. Сварку ведут с малой погон­ной энергией, без колебаний электрода и присадки, с по­следующим охлаждением до 100 °С и тщательной зачисткой каждого прохода. Если на металле в процессе сварки по­являются цвета побежалости, то разрешается его меха­ническая очистка щеткой из коррозионно-стойкой стали; если же он был окислен до серого или темпо-серого цвета, то окисленный слой следует вырубить до мягкого металла.

Рассмотрим технологию выполнения многопроходной сварки стыкового соединения из титанового сплава тол­щиной более 8 мм. Горелка размещается под углом 55— 65°, а присадка — под углом 15—25° от горизонтали (см. рис. 158, а). Первый проход осуществляется с при­менением проволоки диаметром 1,2—2,0 мм. После осты­вания первого прохода при сварке технического титана производится сварка второго прохода с другой стороны шва без присадочной проволоки с предварительной вы­рубкой дефектов корня шва; при сварке обратной стороны шва легированных титановых сплавов трещины не обра­зуются в связи с разбавлением металла шва основным. Сварку следует производить с присадочной проволокой из сплава типа ВТ-1. Последние проходы выполняются с применением присадки диаметром 3—5 мм поочередно с разных сторон шва.

Находит применение сварка титана неплавящимся электродом с применением флюсов-паст (АН-ТА, АН-Т17А и др.), что позволяет заметно снизить погонную энергию, получить узкие швы с более глубоким проваром, а также частично рафинировать и модифицировать металл шва.

Все большее применение находит в промышленности автоматическая сварка титана неплавящимся электродом, погруженной дугой деталей толщиной более 16 мм, при которой применяют электрод повышенного диаметра и повышенную силу сварочного тока Соединения собирают встык без разделки кромок без зазора (рис. 161), а объем

подаваемого газа 1 через мундштук 2 должен быть в пределах 40—50 л/мин. Это приводит к сжатию столба дуги 4 и, как при плазменной сварке, ее тем­пература, проникающая способность и давление возрастают, она погружа­ется в ванну на основном металле 5, вытесняя рас­плавленный металл 3 в сторону, противополож­ную направлению сварки.

Таким образом, дуга горит в образовавшейся в металле полости. Это позволяет опустить электрод так, чтобы дуга, погруженная в металл, горела ниже поверхности металла. Образующаяся ванна расплавленного металла при кристаллизации образует шов. Этим способом можно сваривать не только титан, но и алюминий, высоколеги­рованные стали и другие металлы при двусторонней сварке до 36 мм (чем меньше плотность свариваемого металла, тем большую толщину можно сварить). Шов, выполненный этим методом, имеет специфическую бочко­образную форму, определенную тем, что дуга горит ниже верхней плоскости металла.

При сварке погруженной дугой применяют входные и выходные планки для вывода дефектных начального (не­полный провар) и конечного (усадочная раковина) уча­стков шва.

Дутова я сварка титана в инертном газе плавящимся электродом. Дуговая сварка титана и его сплавов плавя­
щимся электродом позволяет сваривать детали большой толщины. При этом для сварки в качестве защитного газа, как правило, используют смесь гелия с аргоном или чи­стый гелий, что приводит к повышению напряжения и тепловой мощности дуги, в результате чего увеличивается объем расплавленного электродного металла, проплавле­ние основного металла и производительность процесса. Изменение соотношений этих газов в смеси позволяет также регулировать форму провара, в частности ширину проплавления, которая возрастает пропорционально из­менению эффективного потенциала ионизации. Так, если при прочих равных условиях ширина провара при на­плавке валика в среде аргона была 7—8 мм, то при на­плавке в среде гелия ширина провара будет уже 12 мді. При сварке титана плавящимся электродом чаще всего используют смесь, содержащую 80 % гелия и 20 % аргона. Сварку титана и его сплавов рекомендуется вести свароч­ной проволокой диаметром 1,2—2,0 мм на постоянном токе прямой полярности.

Защита лицевой и обратной стороны шка осуще­ствляется так же, как и при дуговой сварке титана непла­вящимся электродом в инертных газах. Стыковые соеди­нения из листов толщиной 3—6 мм можно сваривать с за­зором между кромками или по V-образной подготовке кромок под углом 60°. Для соединения больших толщин выполняют V - или Х-образную подготовку кромок.

Автоматическая сварка титана под флюсом. Институт электросварки им. Е. О. Патона разработал способ авто­матической сварки титана под флюсом. К флюсу, применяе­мому при сварке титана, кроме обычных технологических требований предъявляется еще ряд специальных: он дол­жен обеспечить хорошую защиту плавильной зоны и участков остывающего металла от взаимодействия с воз­духом, не оказывать окислительного действия на металл и быть сравнительно тугоплавким (ввиду высокой тем­пературы плавления титана). Этим требованиям удовле­творяют бескислородные флюсы, разработанные Инсти­тутом электросварки им. Е. О. Патона: АН-Т1 для сварки металла толщиной до 6 мм и АН-ТЗ для сварки металла больших толщин. Флюс АН-Т1 сухой грануляции обладает высокими технологическими свойствами и при высоте насыпаемого слоя, исключающего прорыв дуги через него, обеспечивает вполне удовлетворительную защиту металла шва от окружающей атмосферы.

Удалить шлаковую корку следует только после того, как шов остынет до температуры 400 °С. Некоторые данные по флюсу АН-Т1 приведены ниже:

Массовое содержание исходных материалов, %

Фтористый кальций CaF.................... 79,5

Хлористый барий BaCU-2H20......................... 19,0

Фтористый натрий NaF. 1,5

Массовое содержание готового флюса, %

Фтор Г Хлор С1 . Кальций Со Барий Ва Натрий Na

Непосредственно перед сваркой флюс необходимо вы­сушить при температуре 200—250 °С в течение 1 ч (влага может явиться причиной появления пор и трещин).

На устойчивость процесса сварки и качество формиро­вания шва существенное влияние оказывает вылет элек­трода /, значение которого принимается в зависимости от диаметра электродной проволоки: при диаметре электрод­ной проволоки (1ал — 1,2-нЗ мм I = 12-н16мм, а при d. an = = 3,04-5,0 мм / = 16-F-22 мм.

Структура металла, сваренного под флюсом, получается более мелкозернистой, чем металла, сваренного в среде инертных газов: она имеет мелкоигольчатое строение а'-фазы. Это объясняется модифицирующим действием флюса.

Режимы автоматической сварки стыковых соединений под флюсом приведены ниже:

Электрошлаковая сварка. Она применяется для соеди­нения деталей из титана больших толщин, когда даже миогопроводная сварка под флюсом является трудоемкой. При толщине свыше 30 мм автоматическая сварка под флюсом оказывается менее эффективной, чем электрошла­ковая сварка, которая обеспечивает высокую производи­тельность при удовлетворительном качестве.

Электрошлаковая сварка в обычном виде для сварки титана непригодна из-за насыщения металла шва газами
вследствие контакта расплавленного шлака с воздухом и длительного воздействия этого шлака на металл свароч­ной ванны. Насыщению металла шва газами также спо­собствует взаимодействие с атмосферой нагретой части сухого вылета электрода и кромок основного металла, а также подсос воздуха в шланг при подаче злекіродной проволоки. Выход из этого затруднения был найден пу­тем поддува аргона марки А в плавильную зону и прове­дением электрошлаковой сварки под флюсом АН-Т2, выплавляемым из чистого фтористого кальция. Этот флюс имеет температуру плавления около 1400 °С, а темпе­ратура кипения шлака около 2000 °С на несколько сот градусов выше температуры плавления титана.

Электрошлаковая сварка титана выполняется пере­менным током от трансформаторов с жесткой внешней характеристикой, с применением как круглой электрод­ной проволоки, так и пластинчатых электродов, равных по ширине толщине свариваемых деталей. Для уменьше­ния перегрева и интенсивного роста зерна сварку сле­дует производить при возможно меньшем зазоре (22— 26 мм) и минимальной погонной энергии.

Технология сварки таких активных металлов, как цирконий, тантал, ниобий, молибден, во многом подобна технологии сварки титана. Производится обычно в за­щитных камерах, заполненных инертными газами (аргон, гелий).