Глава 7. Сварка титана и его сплавов

Титан и его сплавы весьма перспективны, так как они имеют вы­сокую удельную прочность (прочность, отнесенную к плотности) вплоть до температуры 400-500 °С и отличную коррозионную стой­кость во многих агрессивных средах. Расширяется область применения титана и его сплавов в химическом машиностроении, авиационной про­мышленности и других отраслях. Чистый титан находит ограниченное применение (в радиотехнике).

Технический титан содержит примеси внедрения, в том числе га­зы - кислород, азот, водород, которые в разной степени повышают прочность и снижают пластичность и вязкость металла. В сварных швах они вызывают образование холодных трещин. Поэтому свариваемый технический титан должен содержать ограниченное количество приме­сей - газов (табл. 7.1). За последние годы металлургическая промыш­ленность освоила изготовление из технического титана листового про­ката, поковок, проволоки, труб и других полуфабрикатов.

Марка сплава	Пределы содержания примесей газов, %				Содержание элементов, %				кгс/мм
	N2	02	Н2	А1		другие элементы
ВТ 1-00	0,04	0,10	0,008	Технический титан				30-45
ВТ 1-0	0,04	0,12	0,010					45-50
ВТ1-1	0,05	0,15	0,012					50-55
ВТ3-1	0,05	0,18	0,015	4,0-5,2		1,5-2,5 Сг, 2-3 Мо	95-110
ВТ8	0,05	0,15	0,015	5,8-6,8		2,8-3,8 Мо	105-120
ОТ4	0,05	0,15	0,010	2,5-4,2		0,8-2,0 Мп	70-90
ВТ14	0,05	0,15	0,015	3,5-5,5		2,5-3,8 Мо, 0,01-0,1 Zг	125-130

Таблица 8.1 - Свойства металлов, подлежащих сварке

Легирование титана позволяет получать свариваемые сплавы, об­ладающие повышенной прочностью при достаточной пластичности и вязкости. Легирующие элементы по-разному влияют на фазовый состав сплавов на основе титана. Алюминий, цинк, цирконий и др. не изменя­ют кристаллического строения технического титана, для которого при нормальной температуре характерна а-фаза. Марганец, молибден, вана­дий, хром и др. при добавлении в титан способствует сохранению при нормальной температуре высокотемпературной Р-фазы. В зависимости от содержания легирующих элементов сплав может быть или однофазным или двухфазным. Технический титан и однофазные (а-фаза) сплавы титана не упрочняются в результате термической обработки. Двухфаз­ные (а+Р) сплавы воспринимают упрочняемую термическую обработку (закалка с последующим отпуском).

Большая химическая активность титана при высоких температу­рах и особенно в расплавленном состоянии по отношению к газам (0₂, Н₂, ^) затрудняет сварку этого металла. Обязательным условием полу­чения качественного соединения при сварке плавлением является на­дежная защита от газов атмосферы не только сварочной ванны, но ос­тывающих участков металла шва и околошовной зоны вплоть до темпе­ратуры 400 °С. Низкая теплопроводность титана способствует увеличе­нию времени пребывания шва и околошовной зоны при высоких темпе­ратурах. Чтобы преодолеть это затруднение сварку выполняют при ми­нимально возможной погонной энергии. На качество сварных соедине­ний титана оказывает влияние состояние поверхности кромок и приса­дочного металла (механическая обработка, травление). Наиболее час­тыми дефектами сварных швов являются поры и холодные трещины. Возбудителями пор являются газы и среди них, в первую очередь, водо­род. Скачкообразное резкое уменьшение растворимости водорода в твердом титане по сравнению с жидким приводит к интенсивному вы­делению этого газа при кристаллизации сварочной ванны, что может вызвать образование пор. Борьба с порами: обеспечить требуемую чис­тоту основного и сварочного материалов, сварку выполнять на опти­мальных режимах.

Холодные трещины возникают в сварных соединениях при пони­женной пластичности разных его участков. К этому приводит чрезмер­ное содержание в основном металле и в шве примесей внедрения - га­зов. Трещины такого типа могут возникнуть сразу же после сварки, а также в процессе замедленного разрушения со временем после вылежи­вания сварных изделий. Причина - выделение водорода из твердого раствора с образованием гидридов титана и возникновением в шве больших внутренних напряжений. Для предохранения шва от загрязне­ний водородом применяют сварочную или присадочную проволоку, предварительно подвергнутую вакуумному отжигу, после чего содер­жание водорода не превышает 0,002-0,004 % по массе.

Для соединений титана и его сплавов применяют дуговую сварку неплавящимся и плавящимся электродом с защитой инертным газом, дуговую сварку под флюсом и электрошлаковую сварку, а в последние годы - электроннолучевую сварку и сварку сжатой дугой, в том числе микроплазменную. В качестве защитного газа применяется аргон марки

А ГОСТ 10157-87. Сварку вольфрамовым, обычно лантанированным, электродом выполняют на постоянном токе обратной полярности.

Следует отметить, что необходимо применять приспособления, позволяющие защитить зону сварки, остывающие участки шва и око- лошовную зону, а также корень шва. Это - удлиненные насадки с от­верстиями, защитные козырьки, ползунки и другие приспособления, обеспечивающие защиту металла шва и околошовной зоны. При сварке сосудов или труб инертный газ пропускают внутрь изделия. Находят применение герметичные камеры с контролируемой атмосферой инерт­ного защитного газа с оператором снаружи или обитаемые.

О надежности газовой защиты в процессе сварки и при после­дующем охлаждении сварного соединения при всех видах сварки в инертных газах можно судить по внешнему виду сварного шва. Блестя­щая серебристая поверхность говорит о хорошей защите. Появление на шве цветов побежалости указывает на нарушение стабильной защиты, а серых налетов - на плохую защиту.

При сварке неплавящимся электродом технического титана и ма­лолегированных титановых сплавов применяют присадочный металл - титановую проволоку ВТ1-00, подвергнутую вакуумному отжигу.

Термическая обработка сварных соединений из титана и его мало­легированных сплавов проводится лишь с целью снятия сварочных на­пряжений. Температура нагрева до 600-650 °С, время выдержки 30-40 минут, охлаждение - с печью.

Весьма эффективен новый отечественный способ аргонодуговой сварки неплавящимся электродом с применением флюсов - паст.

Для титана и его сплавов толщиной более 3 мм находит примене­ние способ сварки под флюсом, разработанный в ИЭС им. Патона. Так как технический титан имеет сравнительно высокую температуру плав­ления, то флюс для сварки титана должен быть более тугоплавким, чем для стали. Сварку выполняют постоянным током обратной полярности электродом того же состава, что и основной металл. Так как титан обла­дает большим электросопротивлением, чем сталь, то сварку титана сле­дует выполнять при малых вылетах электрода.

Титан толщиной более 30 мм целесообразно сваривать электро- шлаковой сваркой. При этом используют тугоплавкий безкислородный флюс АН-Т2 с подачей чистого аргона над поверхностью шлаковой ванны.