Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технология сварки плавлением. Часть II. Учебное пособие
.pdf
8. ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ
8.1. Характеристика титана и его сплавов
Титан по содержанию в земной коре занимает 4-е место среди конструкционных материалов: после алюминия, железа и магния. До сравнительно недавнего времени титан применяли лишь как легирующую
добавку к черным металлам, что объясняется сложностью технологий
его получения. Появление промышленного титана относится к 50-м годам ХХ в. Преимущественное применение титан получил в авиации, ракетостроении и других отраслях техники, где удельная прочность и
коррозионная стойкость имеют большое значение. Для интервала температур 300…600 °С сплавы титана имеют самые высокие значения
удельной прочности, уступая при температуре ниже 300 °С алюминиевым сплавам, а выше 600
и его сплавы обладают высокой коррозионной и кавитационной стойкостью при эксплуатации во многих жидких и газовых агрессивных средах, а также в атмосферных условиях.
Титан как конструкционный материал имеет целый ряд и других достоинств. Даже чистый титан обладает высокой прочностью (
и пластичностью (δ ≈ 60 %). При этом плотность, как указано ниже, почти в два раза ниже плотности железа.
Титан – серебристо-серый металл с малой плотностью (4,505 г/см
и высокой температурой плавления (1668 °С) и кипения (5100 °С).
Скрытая теплота плавления титана почти в 2 раза больше, чем у железа,
поэтому его расплавление требует больших затрат энергии. Коэффициент теплопроводности титана почти в 4 раза меньше, чем у железа, и в
13 раз меньше, чем у алюминия, что способствует увеличению объема
сварочной ванны
. Электрическое сопротивление титана превосходит
этот показатель для железа почти в 6 раз, а для алюминия – более чем в
20 раз. Вблизи температуры кристаллизации поверхностное натяжение
жидкого титана в 1,5 раза выше, чем у алюминия. Это обеспечивает
благоприятные условия для формирования корневого слоя шва при
сварке на весу.
Титан – полиморфный металл. Существует две его
ские модификации: низкотемпературная α-Ti c гексагональной плотноупакованной кристаллической решеткой и высокотемпературная β-Ti,
имеющая объемно-центрированную кубическую решетку. Температура
полиморфного превращения титана α ↔ β в равновесных условиях равна 882,5 °С. Плотность α-Ti выше плотности β-Ti, поэтому превращение
высокотемпературной фазы в низкотемпературную β → α сопровожда-
°С – сплавам на основе железа и никеля. Титан
σв ≈ 450 МПа)
аллотропиче-
3
)
121
ется, в отличие от сталей, уменьшением объема (~ 0,13 %) и не дает достаточно сильного внутрифазного наклепа.
При охлаждении с любой скоростью β-фаза превращается в α-фазу
по бездиффузионному мартенситному механизму. Однако в зависимости
от скорости охлаждения получаются различные конечные микроструктуры чистого титана – от обычной полиэдрической равноосной α-фазы, характерной
вообще для чистых металлов при медленном охлаждении, до
мартенситоподобной в виде зазубренных пластинок при быстром охлаждении. Такая структура превращенной β-фазы именуется α'-фазой.
В зависимости от характера влияния на процесс полиморфного
превращения легирующие элементы и примеси в титановых сплавах
разделяют: на α-стабилизаторы, понижающие температуру превращения, и
β-стабилизаторы, повышающие ее. Наиболее широко распространенным α-стабилизатором, добавляемым почти во все сплавы титана, является алюминий. Кроме того, в эту группу входят галлий, индий
и такие примеси, как кислород, азот и углерод. К β-стабилизаторам относятся молибден, хром, ванадий, марганец, ниобий, железо, медь и др.,
из примесей
– водород. Некоторые элементы практически не влияют на
температуру полиморфного превращения – олово, цирконий, германий;
их называют нейтральными упрочнителями. При легировании титана
достигается значительное повышение прочности. Для изготовления
сварных конструкций применяют сплавы на основе титана с прочностью от 500 до 1500 МПа (табл. 16).
Таблица 16
Химический состав и механические свойства некоторых титановых сплавов
Класс
сплавов
α-сплавы
псевдо-
α-сплавы
(α + β)-
сплавы
β-сплавы 4201 33Mo 834…883 16
псевдоβ-сплав
* закалка и старение.
Марка
сплава
ВТ1-0 Нелегированный титан 400…550 Более 25
ВТ5 5,2Al 750…950 8…16
ВТ5-1 5,1Al−2,5Sn 750…950 9…15
ОТ4-1 1,7Al−1,3Mn 600…750 Более 20
ОТ4 4,2Al−1,4Mn 700…900 Более 15
ВТ6 6Al−4,5V 950…1100 10…13
ВТ6С 5Al−4V 850…1100 12
ВТ14 4,9Al−2,9Mo−1,4V 930…1100 10
ВТ22 3Al−4,7Mo−4,7V−1,2Cr−1Fe
ВТ15 3Al−7,4Mo−10,5Cr
Среднее содержание,
% (по массе)
σв, МПа δ, %
1100…1300
1300…1500
850…1000
1300
*
*
10…17
*
5
12
*
4
122
По структуре, формирующейся после нормализации, титановые
сплавы разделяют на три группы: α-сплавы, (α + β)-сплавы и β-сплавы.
Иногда выделяют псевдо-α-сплавы и псевдо-β-сплавы, в которых содержится, кроме основной фазы, небольшое количество β-фазы или αфазы соответственно.
Основным отечественным материалом для изготовления листов слу-
технический титан марки ВТ1-0, а также группа сплавов типа ОТ-4 на
жит
основе тройной системы Ti
Al−Mn. Эти сплавы обеспечивают три гарантированных уровня прочности 500, 600 и 700 МПа. Наряду с марганцовистыми сплавами широко используется в промышленности сплав типа
ВТ5-1, имеющий гарантированный уровень прочности 750 МПа. Для изготовления деталей типа емкостей, работающих под давлением, значительное применение находит сплав ВТ6С с прочностью 850 МПа. Если
необходимо иметь
гарантированную прочность без упрочняющей термо-
обработки выше 900 МПа, применяют сплавы ВТ20, ВТ6 и ВТ14.
8.2. Свариваемость титана и его сплавов
Основная проблема сварки титана и его сплавов – обеспечение пла-
стичности сварных соединений. Это осложняется:
1. Активным взаимодействием титана с газами (кислородом, азо-
том и водородом) при нагреве и расплавлении.
2. Чувствительностью металла
к термическому циклу сварки.
При температурах нагрева выше 350 °С титан активно поглощает
кислород с образованием структур внедрения, имеющих высокую твердость, прочность и низкую пластичность. Первоначально на поверхности
титана формируется тонкий слой твердого раствора кислорода в α-титане.
Выше предела растворимости в системе титан-кислород образуются оксиды TiO, Ti
, TiO2. По мере окисления изменяется окраска оксидной
2O3
пленки. Золотисто-желтая окраска с металлическим блеском появляется
при формировании на поверхности фазы переменного состава на основе
TiO. Содержание кислорода в этой фазе может изменяться от 20,5 до
29,5 %. При формировании Ti
белая окраска свидетельствует о формировании высшего оксида TiO
появляется темно-фиолетовая окраска,
2O3
.
2
Образующаяся при пониженных температурах темная оксидная
пленка предохраняет титан от дальнейшего окисления, однако при температурах свыше 450 °С пленка начинает растворяться и процесс окисления ускоряется. Особенно интенсивно идет окисление при температурах свыше 700 °С.
При нагреве до температуры 550 °С и выше титан энергично растворяет азот, химически взаимодействует с
ним, образуя малопластичные
123
фазы внедрения (нитриды). Кислород и азот стабилизируют α-фазу, поэтому при повышенной их концентрации в поверхностном слое титана
формируется так называемый альфированный слой высокой твердости.
Таким образом, кислород и азот, находясь в титане в небольших
количествах, резко снижают пластичность, повышают прочность и его
твердость. Хрупкое разрушение наблюдается при содержании в
титане
кислорода более 0,7 %, а азота – более 0,2 %. Для предотвращения
охрупчивания металла содержание кислорода в титановых сплавах
должно быть не более 0,15 %, а азота – не более 0,04…0,05 %.
Однако наиболее резко ухудшает свойства титана и его сплавов водород. Находясь в твердом пересыщенном растворе, водород выделяется и образует отдельную фазу – гидриды титана (TiH
), которые сильно
2
охрупчивают титан и способствуют образованию после сварки холодных трещин (замедленное разрушение). Влияние водорода на склонность к трещинообразованию возрастает при увеличении содержания
других примесей (кислорода и азота) и вследствие общего снижения
пластичности при образовании хрупких фаз в процессе охлаждения и
старения. Кроме того, водород способствует образованию пор.
В связи с
этим содержание водорода в металле шва ограничивается до 0,01 %.
Для этого принимаются все меры к устранению наводораживания металла (тщательная подготовка сварочных материалов, в частности прокалка флюса, применение защитного газа гарантированного качества,
вакуумная дегазация и зачистка перед сваркой сварочной проволоки и
свариваемых кромок, соблюдение защиты и технологии сварки
).
При сварке сплавов титана происходят сложные фазовые и структурные превращения. Чувствительность к сварочному термическому
циклу выражается: в протекании полиморфного превращения α ↔ β;
резком росте размеров зерна β-фазы; образовании хрупких фаз при
охлаждении и старении; неоднородности свойств сварных соединений,
зависящих от химического и фазового состава сплавов.
Вследствие низкой
теплопроводности и малой объемной теплоемкости титана время пребывания металла при высоких температурах значительно больше, чем при сварке сталей, что является причиной резкого
увеличения размера зерен β-фазы и снижения пластичности титана.
Превращение β → α в зависимости от состава сплава и температурновременных условий сварки может сопровождаться возникновением ста
-
бильной α- и метастабильных α'-, α''-, ω-, β-фаз.
Мартенситная α'-фаза характеризуется закалочной игольчатой струк-
турой с искаженной гексагональной решеткой. Она образуется в низколегированных α-сплавах титана при быстром охлаждении. α''-фаза представляет собой мартенситную фазу с ромбической решеткой, возникающей
124
при высокой концентрации легирующего элемента. Появление ее вызывает уменьшение твердости (меньше твердости α-фазы), прочности закаленных сплавов и увеличение их пластичности. В связи с малым объемным
эффектом мартенситного превращения α'- и α''-фазы в титане значительно
более пластичны и менее хрупки, чем в сталях, что является благоприятным фактором
при сварке. ω-фаза – метастабильная промежуточная низкотемпературная модификация титана с гексагональной структурой, она
наиболее сильно охрупчивает, упрочняет и снижает пластичность титана.
Основным показателем свариваемости, как правило, являются механические свойства сплава. Титановые сплавы по характеру изменения
свойств в зависимости от скорости охлаждения при сварке подразделяют на три группы.
К первой группе относятся α-сплавы (ВТ1-0, ВТ5, ВТ5-1) и псевдоα-сплавы (ОТ4, ОТ4-1 и др.). Сварные соединения подобных сплавов не
подвергаются упрочняющей термообработке. Для них оптимален средний диапазон скоростей охлаждения, который обеспечивает относительно высокие пластические свойства при достаточной прочности. Использование мягких режимов приводит к снижению прочности
и пластичности из-за роста зерна; сварка на жестких режимах приводит к
формированию структур закалки и снижению пластических свойств.
Металл шва и околошовной зоны во всем диапазоне скоростей охлаждения имеет более низкие пластические свойства по сравнению с основным металлом. Степень снижения пластических свойств возрастает
с увеличением степени
легирования, особенно алюминием.
Ко второй группе относятся среднелегированные (α + β)-сплавы
(ВТ6С, ВТ6, ВТ14 и др.). При сварке сплавов данной группы на средних
режимах металл околошовной зоны имеет низкие пластические свойства,
что обусловлено неблагоприятным соотношением α'-, α''-, β-, ω-фаз. При
малых скоростях охлаждения пластические свойства повышаются за счет
увеличения α'- и α''-фаз и снижения количества β- и ω-фазы. При больших скоростях охлаждения, наоборот, возрастает количество β-фазы.
При этом из-за торможения распада β-фазы в структуре формируется небольшое количество ω-фазы. Сплавы титана второй группы целесообразно сваривать на мягких режимах с малыми
скоростями охлаждения.
К сплавам третьей группы относятся высоколегированные (α + β)-
сплавы с высоким содержанием β-фазы (ВТ22 и др.) и сплавы с метастабильной β-структурой (ВТ15 и др.). Для сплавов этой группы используют средние или большие скорости охлаждения. В этом случае в
структуре металла околошовной зоны формируется повышенное коли
-
чество β-фазы, благодаря чему металл имеет относительно высокие пластические свойства.
125
Помимо рассмотренных трех групп, можно выделить еще одну
группу высоколегированных сплавов титана со стабильной β-структурой,
например сплав типа 4201. Этот сплав удовлетворительно сваривается
всеми применяемыми для соединения деталей из титановых сплавов
способами сварки плавлением. При этом механические и коррозионные
свойства сварных соединений практически находятся на уровне свойств
основного металла.
8.3. Способы
сварки титана и его сплавов
Из способов сварки плавлением для соединения деталей из титана
и его сплавов находят наибольшее применение следующие: дуговая
сварка в среде инертных газов, под флюсом, электрошлаковая, электронно-лучевая. Из-за высокой активности титана не нашли применения
такие способы, как газовая сварка и сварка покрытыми электродами.
Перед
сваркой производят подготовку кромок заготовок и присадочной титановой проволоки. Разделку кромок выполняют для толщин
более 4 мм. Принципиально разделка кромок при сварке титановых
сплавов не отличается от разделок, применяемых для сталей. Подготовительные операции выбирают в зависимости от исходного состояния
заготовки. Если заготовки были вырезаны термическим способом резки,
то кромки
необходимо обработать механическими способами на глубину не менее 2 мм. Непосредственно перед сваркой поверхность кромок
и поверхность прилегающего основного металла на ширину 15…20 мм
от стыка тщательно очищают механическим путем или травлением.
Очистка поверхности предусматривает удаление загрязнений и альфированного слоя (оксидно-нитридной пленки) для заготовок, подвергнутых до сварки горячей обработке
(прокатке, вальцовке, штамповке) или
термической обработке в печах без защитной атмосферы.
Механическую очистку поверхностей производят хромоникелевыми стальными или титановыми проволочными щетками или шабером с
последующим обезжириванием этиловым спиртом – ректификатом или
ацетоном. Механическое удаление альфированного слоя (зачистка шабером) непосредственно перед сваркой обеспечивает лучшие результаты, чем удаление с применением
травителей.
Сварочную проволоку перед сваркой обезжиривают, протравливают и, как правило, подвергают вакуумному отжигу с целью удаления
водорода.
Дуговая сварка в среде инертных газов. В промышленности
применяют сварку неплавящимся вольфрамовым электродом (автоматическую, механизированную, ручную) и плавящимся электродом (ав-
126
томатическую и механизированную). Для защиты зоны сварки используют аргон высшего сорта по ГОСТ 10157–79 и гелий высокой чистоты
по ТУ 51-689-75 или смеси этих газов.
В связи с высокой химической активностью титана при его сварке
обеспечивают тщательную защиту инертным газом не только расплавленного металла, но и остывающих участков сварного соединения,
нагретого до температуры 350 °С и выше (температура начала заметного взаимодействия титана с газами атмосферы). Для этого в зависимости от конфигурации и размеров свариваемых узлов применяют три типа защиты зоны сварки инертным газом: общую защиту узла в камере с
контролируемой атмосферой; защиту только сварного соединения с использованием местных
камер; струйную защиту зоны сварки, осуществляемую непрерывным обдувом сварочной ванны и остывающих участков соединения перемещением сопла горелки с удлиненной насадкой.
При общей защите свариваемый узел полностью помещают в каме-
−2
ру, которая затем вакуумируется до разрежения 10
Па (для удаления
воздуха) и заполняется инертным газом. При работе сварщик находится
вне камеры. Сварку выполняют вручную, используя рукава-перчатки,
соединенные с корпусом камеры, или автоматически с дистанционным
управлением. Для изготовления крупногабаритных конструкций применяют обитаемые камеры с инертной атмосферой. В этом случае сварщик
находится внутри камеры в специальном скафандре.
Применение камер с общей защитой всего узла обеспечивает наиболее надежную защиту нагретого и расплавленного металла от взаимодействия с воздухом. Поэтому применение таких камер особенно целесообразно в серийном производстве конструкций, имеющих сложную конфигурацию со швами, расположенными в труднодоступных местах.
В опытном или единичном производстве применение камер с об
-
щей защитой, тем более обитаемых, нецелесообразно из экономических
соображений. В этих случаях для защиты зоны сварки применяют переносные местные защитные камеры из полиэтилена, устанавливаемые на
поверхности изделия.
В сварочном производстве изделий из титана наиболее широкое
распространение получила струйная защита зоны сварки, осуществляемая непрерывным обдувом сварочной ванны и остывающих
участков
соединения горелками со специальными насадками, подкладками и другими приспособлениями.
Сварка неплавящимся электродом. Из дуговых способов сварки
титана и его сплавов самым распространенным является сварка неплавящимся вольфрамовым электродом в инертных газах. Этот способ
наиболее универсален, он позволяет осуществлять сварку в различных
127
пространственных положениях, быстро переналаживать оборудование
при изменении типа соединения и толщины свариваемых заготовок и
обеспечивать высокое качество сварных соединений.
Сварку титана неплавящимся электродом осуществляют на постоянном токе прямой полярности, используя обычные серийные установки для автоматической аргонодуговой сварки. В качестве неплавящегося электрода применяют лантанированные и иттрированные вольфрамовые электроды
марок ЭВЛ и ЭВИ. Для защиты остывающих участков
сварного соединения на горелке закрепляют специальную удлиненную
газовую насадку, размеры которой назначают исходя из размеров требуемой для защиты от воздуха изотермы на основном металле (350 °С).
Размеры изотермы определяют расчетным путем, используя формулы
для инженерных расчетов тепловых процессов при сварке. Длина и
ши-
рина насадки должны соответствовать размерам изотермы.
Наилучшая защита осуществляется при создании ламинарного потока инертного газа, для обеспечения которого в насадку закладывают
сетчато-пористый материал. Для защиты металла с обратной стороны
шва применяют съемные медные подкладки с формирующей канавкой и
системой отверстий для подачи инертного газа.
Приближенно о надежности газовой
защиты можно судить по
внешнему виду сварного соединения. Блестящая серебристая поверхность шва свидетельствует о хорошей защите и удовлетворительных
свойствах шва. Желто-голубой цвет, серые налеты указывают на
плохую защиту.
Качество защиты влияет не только на газонасыщенность и свойства сварных соединений, но и на стабильность процесса сварки. При
нарушении
защиты или при недостаточной чистоте защитного газа на
рабочей части вольфрамового электрода образуется «козырек» из оксидов вольфрама, изменяющий форму электрода и его эмиссионные характеристики. Дуга расфокусируется, что влечет за собой изменение параметров шва.
Сварку вольфрамовым электродом ведут без колебательных дви-
жений горелки углом вперед короткой дугой. Угол между
электродом и
присадкой поддерживается в 90°. В качестве присадки применяют проволоки: ВТ1-00, ВТ-2 для α- и псевдо-α-сплавов, СПТ-2 – для (α + β)-
сплавов и др. При толщине металла 3…4 мм сварку выполняют за один
проход, при большей толщине применяют разделку кромок и используют многослойную сварку. При случайном обрыве дуги
и после окончания сварки защитный газ должен подаваться до тех пор, пока металл не
охладится ниже 350 °С. Ориентировочные режимы автоматической
сварки приведены в табл. 17.
128
Таблица 17
Ориентировочные параметры режимов автоматической
аргонодуговой сварки титановых сплавов W-электродом
Число
δ,
прохо-
мм
Примечание. Для многопроходной сварки используют присадочную проволоку
диаметром 2,5 мм, скорость подачи 60…100 м/ч.
дов
1 1 60…80 8…10 25…30 2 5…7 5…8 1…2
2 1 120…160 8…10 20…25 2,5...3 8…10 10…13 3…4
3 1 200…240 10…12 15…20 3…4 12…15 14…18 4…5
5 2 200…240 13…15 13…15 4 14…16 16…20 4…6
8 3 240…290 11…13 8…10 4…5 15…18 16…20 5…8
Iсв, А Uд, В
Vсв,
м/ч
dwэ,
мм
Расход аргона, л/мин
в го-
релку в насадку
для защиты
обратной
стороны
Для тонколистового металла (≤ 2,5 мм) целесообразно применять
сварку импульсной дугой, обеспечивающей расширенные возможности
формирования шва, измельчение его структуры, снижение уровня остаточных напряжений и деформаций сварных конструкций на 15…30 %,
уменьшение размеров зоны термического влияния и пористости в шве.
Увеличение глубины проплавления и производительности сварки
достигается сваркой погруженной дугой при ее принудительном
заглублении ниже поверхности свариваемых кромок. Таким способом
можно сваривать титан толщиной до 12 мм без разделки кромок и присадочного металла. Однако использование данного способа из-за малой
скорости сварки и относительно большой погонной энергии приводит к
формированию структуры перегрева и протяженной зоны термического
влияния.
Применение галогенидных флюсов типа АН-
ТА, АНТ-23А, наносимых на кромки свариваемых деталей в виде пасты тонким слоем, позволяет при аргонодуговой сварке титановых сплавов снизить погонную
энергию по сравнению со сваркой без флюса, сузить зону термического
влияния, уменьшить пористость швов и улучшить условия защиты металла от взаимодействия с воздухом.
Сварка плавящимся электродом. Этот
способ сварки в инертных
газах применяют для различных типов соединений из титана и его сплавов толщиной более 3…4 мм. Сварку ведут в нижнем положении на постоянном токе обратной полярности на режимах, обеспечивающих
струйный перенос электродного металла. Для автоматизированной
сварки стыковых и угловых соединений применяют проволоку диамет-
129
ром 2…5 мм, для механизированной – до 2 мм. Способы защиты, материалы, сварочная оснастка в основном те же, что и при сварке вольфрамовым электродом.
Сварка может осуществляться как в аргоне, так и в гелии. При сварке в аргоне меньше разбрызгивание металла, меньше ширина шва и площадь проплавления металла, чем
при сварке в гелии. Однако форма зоны
проплавления при сварке в гелии из-за повышенного напряжения дуги
более благоприятная, чем в аргоне (обеспечивается плавный переход от
шва к основному металлу). Лучшее формирование шва и стабильность
процесса достигается при использовании смеси из 80 % He и 20 % Ar.
При необходимости осуществлять соединение деталей из титана и
сплавов в монтажных условиях используют механизированную им-
его
пульсно-дуговую сварку, обеспечивающую хорошее формирование
швов, расположенных в различных пространственных положениях, значительное снижение разбрызгивания и улучшение защиты. При этом
применяют проволоки пониженных диаметров.
Сварка под флюсом. Основным преимуществом сварки титана
под флюсом является высокая производительность процесса. Этот способ применяют для
элементов толщиной 3…40 мм с использованием
постоянного тока обратной полярности и бескислородных галогенных
флюсов серии АНТ системы CaF
– BaCl2 – NaF. Флюс перед сваркой
2
необходимо прокаливать при температуре 300…400 °С. Содержание
влаги во флюсе не должно превышать 0,05 %. Высота слоя флюса
должна быть не меньше вылета электрода. Сварку ведут на медной
формирующей подкладке, на флюсовой подушке или на остающихся
подкладках. Для толщин 8…10 мм применяют однопроходную сварку
без разделки кромок, а при толщине 10…20 мм –
двухстороннюю с раз-
делкой кромок.
Автоматическую сварку под флюсом осуществляют сварочной
проволокой диаметром 2,5; 3,0; 4,0 и 5,0 мм. Применение проволок
большего диаметра затруднено вследствие их повышенной жесткости.
Для сварки технического титана ВТ1-00, ВТ1-0 и низколегированных
сплавов ОТ4-1, ВТ5, 4200 и др. используют сварочную проволоку марок
ВТ1-00 и ВТ1-00св. Для сварки средне- и высоколегированных сплавов
(например, ВТ6С, ВТ14, ВТ20 и др.) применяют проволоки марок
СПЛ2, ВТ20св и др. Использование этих проволок обеспечивает получение сварных соединений с оптимальным сочетанием прочностных и
пластических характеристик и с надежной работоспособностью в сложных условиях эксплуатации.
Электрошлаковая сварка. Этим способом целесообразно сваривать
титан и его сплавы
толщиной более 40 мм. К числу преимуществ элек-
130
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]