1.5 Металлургические процессы при сварке
Металлургический процесс – это процесс протекающий при сварки характеризуется химическими реакциями, которые возникают между расплавленным металлом и окружающей средой. Технология сварки плавлением титановых сплавов ставит задачей обеспечить свойства сварных соединений, равные или близкие свойствам основного металла.
Металлургические процессы титана и сплавов на его основе зависит от их физико-химических свойств. Наиболее важными из этих свойств являются: высокая активность титана к газам атмосферы при повышенных температурах, значительная склонность к росту зерен при нагреве и возможность образования хрупких фаз при охлаждении сварного соединения.
Образование окислов титана имеет преимущественное развитие, так как скорость взаимодействия титана с кислородом в 50 раз больше, чем с азотом. Резкое увеличение скорости реакции титана с этими газами наблюдается при температурах выше 600°С. Повышение температуры до 850°С способствует растворению пленки окислов в титане с последующей диффузией кислорода в глубь метала.
Азот и кислород в относительно широком диапазоне концентраций образуют с титаном твердые растворы внедрения. Эти газы резко снижают пластичность и значительно повышают твердость и прочность металла.
Чрезвычайно велико сродство титана к водороду. Растворимость водорода в титане достигает 33 ат. % и в десятки тысяч раз превосходит растворимость этого газа в железе. Способность титана поглощать столь значительные количества водорода вызвано образованием гидридов титана, поэтому увеличение содержания водорода в металле резко понижает его вязкость.
С повышением температуры способность к образованию гидридов падает, поэтому растворимость водорода в титане уменьшается. Однако, начиная с температуры 400°С, скорость адсорбции возрастает. При высоких температурах равновесие в системе титан - водород устанавливается быстрее, чем при низких, несмотря на то, что более высоким температурам соответствует меньшая растворимость водорода.
Примеси внедрения - газы вызывают хрупкое разрушение швов,
увеличивают их склонность к образованию холодных трещин, замедлен-ному разрушению и чувствительность к надрезу.
Сопротивляемость титана образованию холодных трещин при сварке понижается с увеличением содержания водорода, азота, кислорода. Наиболее сильное вредное влияние водорода вызывает гидридное превращение, протекающее с изменением объема.
Начальный этап зарождения трещин - это упруговязкое течение по границам зерен с последующим развитием упругопластической деформации в объемах, прилегающих к вершинам границ зерен. Концентрация деформации по границам постепенно понижается, и металл оказывается способным воспринимать более заметную внутризеренную информацию. Увеличение содержания β - стабилизирующих упрочняющих элементов и примесей (кислорода, азота) выше определенных пределов может вызвать локализацию пластической деформации по границам зерен. Такое же действие оказывает интенсивное насыщение границ зерен вакансиями. В результате гидридного превращения происходит значительная локальная деформация по границам зерен и плоскостям скольжения, что приводит к избыточной концентрации вакансий и способствует этим зарождению холодных трещин.
Трещины чаще всего возникают в тех соединениях, при выполнении которых допускали нарушение технологии по обеспечению защиты шва в процессе сварки. Отжиг после сварки понижает остаточные напряжения и устраняет склонность швов к образованию трещин с течением времени.
Как правило, допускаемое содержание примесей внедрения в швах сплавов титана ниже, чем при сварке технического титана. Это вызвано охрупчивающим действием примесей и отрицательным влиянием на склонность к образованию холодных трещин, а также затруднениями, возникающими при термической обработке сварных соединений. Установлено, что содержание газовых примесей в металле шва титане не должно превышать 0,12-0,15 % по массе О2, 0,03-0,04% по массе N2 и 0,01-0,015% по массе Н2. Допускаемая концентрация кислорода и азота зависит от типа и системы легирования. В швах сплавов системы Т1 - А1 - V содержание 0,2 % О2 и 0,08 % N2 не вызывает еще заметного понижения пластичности. Наиболее жесткие требования по чистоте швов предъявляют при сварке сплавов титана с молибденом.
Водород и кислород могут вызывать пористость в металле шва. Поры в швах - наиболее распространенный дефект соединений при сварке титановых сплавов. Основной причиной пористости является водород, присутствующий в свариваемом металле в зоне дуги. Установлено, что поры образуются в результате изменения растворимости водорода в металле при повышении температуры. Предполагается, кислород также может вызвать пористость, взаимодействуя с водородом. Азот без примесей других газов не вызывает образования пор.
Азот, кислород, и водород атмосферы не основная причина пористости швов. К образованию пор приводит главным образом загрязнение основного металла и быстрое охлаждение соединения. Очистка основного металла перед сваркой и замедленное охлаждение после сварки препятствуют образованию пор. Основными причинами образования пор в сварных швах являются загрязнения и твердые частицы на свариваемых кромках, на поверхности присадочной проволоки и стенках газопроводящей системы.
Поры в швах титановых сплавов могут вызвать трещины. Появление холодных трещин обусловлено потерей пластичности в микрообъемах металла вблизи пор. Более склоны к потере пластичности швы, выполненные неплавящимся электродом, по сравнению с соединениями, сваренными плавящимися электродом. Это явление объясняют более длительным пребыванием металла в расплавленном состоянии (при сварке неплавящимся электродом ванна жидкого металла существует примерно в 2 раза дольше). Время пребывания металла шва в расплавленном состоянии определяет его насыщение примесями – газами.
Пористость в швах зависит от погонной энергии при сварке: с повышением погонной энергии до определенных пределов количество пор резко увеличивается. При сварке сжатой дугой образование газовых полостей в металле шва вызвано нарушением динамического равновесия между давлением дуги и гидростатическим давлением жидкого металла, в хвостовой части сварочной ванны возможным отклонением дуги от нормали и др. Поры снижают механическую прочность сварных соединений и их конструктивную прочность. Пористость влияет отрицательно на циклическую прочность сварных соединений из титановых сплавов. Поры снижают также статическую прочность швов.
Пути устранения склонности титановых швов к образованию пор при сварке в среде инертных газов хорошо известны и реализуются в производственных условиях: зачистка кромок непосредственно перед сваркой шабровкой или «тепловым» способом, осветление свариваемых кромок и присадочной проволоки в кислотном растворе (3-5 % НF, 30-35 % НNO3, остальное - вода), выбор оптимальных параметров процесса для сварки металла данной толщины и др.
Помимо большой химической активности титана при повышенных температурах затруднение при сварке вызывает склонность к росту зерна при нагревах металла выше критических температур α β превращения. В начальный момент рост зерна происходит путем скачкообразного перемещения границ. По мере увеличения размеров зерен их рост замедляется, однако с повышением температуры увеличение зерен вновь ускоряется.
В зоне термического влияния при сварке титановых сплавов рост β -зерен зависит в первую очередь от максимальной температуры нагрева. Длительность пребывания при этой температуре и скорость охлаждения околошовных участков больше сказывается на внутризеренной структуре, чем на величине зерна.
Высокую трещинноустойчивость при высоких температурах обусловливает характерное сочетание физика - механических свойств титана, малый температурный интервал хрупкости, относительно низкое значение модуля упругости и коэффициента линейного расширения, склонность к вязкому разрушению и повешенная прочность при высоких температурах.
Накопленный большой производственный опыт подтверждает, что титановые сплавы не склонны к горячим трещинам при сварке.
При сварке высокопрочных сплавов возникают дополнительные затруднения, вызванные спецификой фазовых и структурных превращений, протекающих под воздействием сварочного термического цикла и нередко приводящих к охрупчиванию швов.
Сплав ВТ20 относится к α титану. Сплавы этой группы титана не упрочняются термической обработкой, по этому их свойства определяются только степенью легирования. Основными легирующими элементами данного сплава являются: алюминий, который увеличивает прочность сплава без заметного падения пластичности и вязкости, а так же олово, которое повышает предел ползучести и увеличивает длительную прочность. Сплав ВТ20 обладает хорошей свариваемостью и удовлетворительной пластичностью. После сварки изделия из данного сплава подвергаются только отжигу, для снятия остаточных напряжений.
Рисунок 3 - Влияние водорода на ударную вязкость титановых сплавов