Сварка титана аргоном - нюансы технологии

Сварка титана аргоном — нюансы технологии 1

Особенности сварки титановых сплавов

Температура плавления титана составляет порядка 1500 градусов. При наличии примесей температура плавления может меняться как в большую, так и в меньшую сторону. Металлические сплавы на основе титана обычно сохраняют свою структуры при нагреве до 500 градусов по Цельсию (коррозийная стойкость сохраняется и при более серьезном нагреве).

Необходимо защитить сварной шов, чтобы избежать появления вредоносных оксидов и различных сложных соединений на основе азота и титана. Механизм образования таких соединений следующий:

  1. В воздушной атмосфере постоянно присутствуют различные газы — азот, кислород, углекислый газ. В твердом состоянии титан не вступают в химическую реакцию с этими веществами из-за особенностей межатомных связей в титановом сплаве.
  2. Во время сварочных работ происходит частичное или полное расплавление титана в локальной области нагрева с последующим объединений расплавленных фрагментов друг с другом (в таком случае между отдельными титановыми деталями образуются прочные межатомные связи, что делает соединение надежным).
  3. При нагреве металла также происходит активизация газов, которые находятся в воздушной атмосфере. Из-за этого кислород, азот и прочие газы начинают активно контактировать с расплавленным титаном. Это может вызывать две реакции — механическую и химическую. При механической реакции атмосферные газы проникают вглубь металла, оседают там в виде микроскопических пузырьков. При химической реакции газы контактируют с титаном на субатомном уровне, что приводит к образованию различных оксидов и сложных соединений.

Пузырьки и оксиды оказывают негативное воздействие на качество сварного шва, что снижает его прочность. В случае большой концентрации вредоносных элементов сварное соединение становится ненадежным. Оно растрескивается даже в случае не слишком большой нагрузки, оно заметно чаще покрывается коррозией.

Для повышения качества сварки имеет смысл применять обдувание локальной области различными инертными газами. В таком случае газы будут вытеснять азот и кислород, что будет препятствовать образованию пузырьков и оксидов. Именно поэтому электрошлаковая и сварка аргоном являются оптимальными способами соединения металлических изделий на основе титановых сплавов.

Проведение сварки титана и его сплавов: что нужно знать

Главной особенностью такого производственного процесса является необходимость создания особых условий, при которых место соединения должно быть надежно защищено от негативного влияния атмосферного воздуха. В то же время следует позаботиться о защите не только самой сварочной ванны, но и различных частей изделия, которые нагреваются в процессе сваривания до температуры в 400 градусов по Цельсию и выше. При этом нагрев кромок должен быть минимально возможным по длительности.

Особые характеристики Ti делают его действительно непростым в работе. В отличие от той же стали титан обладает более низкими плотностью, пластичностью и модулем упругости, в то время как для его плавления требуется обеспечить нагрев до действительно высоких показателей температуры (материал плавится при t от 1470 градусов по Цельсию и выше). Именно поэтому следует учитывать, что работа с таким типом металла будет иметь определенные отличия от того, как проводится, к примеру, сварка нержавеющей стали.

Подготовительные работы

Чтобы шов получился прочным, необходимо провести подготовительные работы:

  • Большинство металлических изделий из титана покрыты защитной пленкой оксидно-нитратного типа. Пленка появляется естественным образом во время тепловой обработки металлов. Перед сваркой необходимо избавиться от этой пленки, поскольку из-за нее будет снижаться качество. Для этого необходимо выполнить травление металла в смеси на основе фторида натрия (1 часть), воды (13 частей) и соляной кислоты (7 частей). Время травления — не более 10 минут, температура — порядка 50-60 градусов.
  • Также перед проведением сварочных работ необходимо зачистить край металлического объекта, где будет пролегать сварной шов. Для очистки рекомендуется использовать металлические щетки высокой жесткости. Помимо края рекомендуется также выполнить зачистку участка, который располагается в радиусе 1,5-3 сантиметров от стыка. После проведения очистки нужно не забыть сделать обезжиривание металла (с помощью спирта или любого другого реагента).
  • Перед работой также рекомендуется подобрать пруток, который будет выступать в качестве основы для сварного шва. Химический состав прутка имеет первостепенное значение. Сварной пруток и детали для сварки должны обладать примерно одинаковым составом, чтобы шов получился прочным. Чем сильнее отличается состав, тем выше будет шанс появления трещин и дефектов.

Сварка титана – возникающие сложности и пути их преодоления

Элемент обладает высокой химической активностью, что является основной причиной сложностей, возникающих при сварке титана и его сплавов. При нагревании и находясь в расплавленном состоянии металл активно реагирует с такими элементами, как азот, водород, кислород. Взаимодействие с кислородом, которое начинается уже при комнатной температуре, приводит к образованию на поверхности титана альфинированного слоя – прочной корки, которая защищает поверхность от ее дальнейшего окисления. А реакция нагретого металла с кислородом приводит к образованию окислов, которые также очень прочные и непластичные. Причем в зависимости от степени окисления такая оксидная пленка имеет различный оттенок цвета – от желто-золотистого и до темно-фиолетового, постепенно переходящего в белый. По расцветке можно определить качество защиты околошовной зоны при сварке титановой трубы.

Взаимодействие с азотом (реакция наступает при нагреве материала до 500 градусов) также приводит к снижению качественных характеристик изделий – повышается прочность, но при этом снижается пластичность. Поэтому перед тем, как сваривать титановые заготовки, поверхность металла нужно очистить от альфинированного слоя и азота, чтобы их частички не попадали в область сварного шва, поскольку из-за этого могут образоваться холодные трещины.

Также негативно влияет на качество титана и водород. Уже при 200-400 градусах они вступают в реакцию, в результате чего металл воспламеняется. Даже при снижении температуры сохранившиеся в изделии гидриды становятся причиной растрескивания титановой трубы, образования пор и холодных трещин. Причем они могут образоваться даже спустя длительный промежуток времени после сваривания.


Чтобы избежать насыщения титана газами, его необходимо защитить. На практике применяются специальные прокладки, изготовленные из металла или флюса, а также газовые подушки. Для защиты применяются местные камеры-насадки, закрывающие непосредственно как зону сварки, так и свариваемый узел. Максимальной защиты можно добиться, поместив в насадки сетчато-пористый материал. Он обеспечит ламинарный поток инертного газа. Также необходимо защитить обратную сторону шва при помощи подкладок или специальных насадок.

При работе на воздухе, чтобы расширить зону защиты, подача инертного газа производится из сопел, оборудованных насадками длиной до 50 см, дополнительно подается газ через специальные подкладки, установленные с обратной стороны сварного шва. Кроме того, весь свариваемый узел можно поместить внутрь герметичной камеры.

Читайте также:  Mitsubishi Lancer IX Замена ремня ГРМ

Сварка титана полуавтоматом

Соединение отдельных титановых элементов осуществляется с помощью электрической дуги, которая создается вольфрамовым электродом. Преимущества: простота работ, высокая скорость застывания сварного шва.

Рекомендуется использовать постоянный ток прямой полярности. Это значительно ускоряет плавление титановых краев, что минимизирует шанс появления вредоносных оксидов. Гашение и зажигание горелки рекомендуется выполнять вне свариваемого объекта на специальных планках.

Обратите внимание, что сварка титана полуавтоматом может привести к образованию оксидов и кислородных пузырьков в металле. Для минимизации последствий такого сценария рекомендуется обрабатывать шов инертным газом (аргон).

Сварка титана аргоном

Методика аналогична предыдущему методу. Два объекта из титана приближаются друг к другу, за счет электрической дуги происходит локальное расплавление металла с последующим соединением.

Главное отличие этого метода заключается в том, что в аргонодуговых сварочных аппаратах подача защитного инертного газа автоматизирована. К горелке отдельных блоком подключается газовый баллон с аргоном. Во время сварки происходит автоматическое распыление защитного газа через сопло. Одновременно с этим происходит генерация электрической дуги с помощью вольфрамового электрода. Этот метод обеспечивает высокую степень защиты от образования оксидов и пузырьков. Оборудование стоит достаточно дешево, сварщику не нужен большой опыт.

Техника аргонодуговой сварки титана

Аргонодуговую сварку титана выполняют в нижнем положении. Во время сварки колебательные движения не выполняют. Сварка короткой дугой, углом вперед. Присадочный пруток подается непрерывно, а угол между ним и горелкой около 90°. Присадочный пруток выбирают того же химического состава, что и основной металл.

Тонколистовые детали до 2,5 мм сваривают без разделки кромок. Детали более толстые сваривают с разделкой кромок и использованием присадки.

Значительные улучшения при сварке деталей толщиной 0,5-2,0 мм можно получить при сварке импульсной дугой. При помощи импульсно-дуговой сварки достигается минимальный нагрев околошовной зоны.

Окончание сварки или случайный обрыв дуги должен происходить с последующей подачей аргона пока металл шва не остынет до 250-300 °C.

Электрошлаковая

Для титановых сплавов с большим содержанием олова или алюминия можно очень часто используется технология электрошлаковой сварки. Эта технология является достаточно сложной, а для ее освоения рекомендуется получить соответствующее образование. Основные особенности электрошлаковой технологии:

  • Для больших деталей с крупными сечениями рекомендуется применять флюсы в среде аргона. Это обеспечит высокое качество защиты деталей.
  • При сварке небольших деталей флюсы можно не использовать. Оптимальные технические параметры работы: сила тока — 1700 ампер, напряжение — 15 вольт, расход аргона — около 7 литров в минуту.
  • Для прессованных профилей электрошлаковую сварку лучше не использовать. Прочность в данном случае будет достаточно низкой в сравнении с альтернативными технологиями.

Контактная

Применение контактной технологии может быть вполне оправдано, если вам нужна сварка титановых труб. Основные особенности:

  • Для сварки контактным методом подходят трубы, у которых диаметр составляет 1-2,5 сантиметра, а толщина стенок — около 1 миллиметра. Такие трубы не нуждаются в защите инертными газами.
  • Оптимальное зарядное напряжение в данном случае — 900 вольт (для труб 10 мм X 1 мм) либо 2000 вольт (для труб 25 мм X 1,5 мм).
  • Перед сваркой необходимо обязательно выполнить травление кромок труб.

Качество

После проведения сварочных работ необходимо выполнить контроль качества. Для этого необходимо выполнить осмотр шва: главные параметры здесь — это цвет и его структура.

Цвет шва

Серебристый цвет с характерным ярким отливом

Очень высокое качество шва. В естественных условиях чистый титан обладает бело-серебристым цветом. Поэтому серебристый цвет шва указывает на то, что во время сварки в состав металла не попали какие-либо посторонние примеси. Такой шов не растрескается со временем, не покроется коррозией, не деформируется под действием высоких нагрузок.

Белый или желтоватый

Высокое или хорошее качество. Желтый цвет шва указывает на то, что во время сварки в металле произошло окисление с образованием простых оксидов на основе титана. Однако таких оксидов в металле образовалось не слишком много. Поэтому качество сварного шва находится на достаточно высоком уровне. То есть такой шов без проблем выдержит средние и высокие физические перегрузки, не растрескается со временем. Выдержит воздействие не агрессивной коррозийной среды.

Рыжий, коричневый, серый, черный, синеватый

Плохое качество шва. Подобный цвет указывает на то, что во время сварки образовалось большое количество оксидов, а также соединений на основе азота и титана. Такой шов является крайне ненадежным. Он растрескается при перегрузках, может покрыться ржавчиной и окалиной. По ГОСТ детали с таким качеством шва не допускаются к эксплуатации. Требуется демонтаж шва, проведение повторной сварки с удалением поврежденного фрагмента, переплавка сварной конструкции.

Структура

В случае проведения качественной сварки шов должен получиться ровным и однородным, без каких-либо уплотнений и без деформированных участков. Если в области шва образовалось большое количество неровностей (небольшие вмятины, уплотнения, бугорки-точки и так далее), то это может указывать на то, что при сварке пузырьки воздуха (кислород, азот, углекислый газ) проникли в толщину сплава. Подобный сценарий является достаточно негативным, поскольку пузырьки воздуха плохо влияют на твердость сварного шва.

Читайте также:  Маркировка проводов и кабелей таблицы для расшифровки и виды проводников

Предварительная подготовка металла

Титан легко вступает в химические реакции газами, содержащимися в воздухе (H2, O2, N2), а образующиеся соединения ухудшают его характеристики. Когда титан нагревается свыше 400°C, происходит образование оксидно-нитридной пленке на его поверхности. Для предотвращения появления этой пленки должна быть обеспечена защита от воздуха всей поверхности в зоне сварочных работ, которая подвергается нагреву до этой температуры.

Перед началом сварки поверхность кромок обрабатывается с целью устранения масло-жировых отложений:

  • В условиях мастерской очистка производится ацетоном или техническим спиртом.
  • При промышленной сварке проводится травление металла водным раствором соляной кислоты, в который добавлен фторид натрия. Процедура выполняется в не более 10 минут при температуре около 60°C.
  • Кромки и примыкающая к сварному шву поверхность очищаются при помощи металлической щетки, наждачной бумаги, шиберов или зачистных кругов на УШМ.

В таблице ниже представлены варианты обработки кромок соединяемых деталей.

Как варить титан аргоном

Металл в чистом виде используется очень редко, говоря о способах сварки титана, чаще всего подразумевают работу с титановыми сплавами с включением молибдена, хрома, железа, вольфрама, ванадия. Высокая прочность металла при его необыкновенной лёгкости (легче стали на 45%) широко эксплуатируется в промышленности, из него изготовляют детали космических аппаратов, автомобилей, велосипеды, протезы, посуду. При этом обработка материала сложна и требует тщательного подхода. Плавкость материала начинается от 1470°C, потолок температур – 1825°C, зависит от состава.

Особенности титана, которые следует учитывать при его обработке:

  • повышение химической активности металла при температуре свыше 400°C, склонность к самовозгоранию при взаимодействии с O2;
  • небольшая теплопроводность (18 Вт/(м·град) – при комнатной температуре);
  • при прямом контакте с азотом при нагревании до 600°C образует твёрдые, но хрупкие нитридные соединения;
  • при 250°C усиленно растворяет водород, поглощение снижается по мере нагревания металла;
  • меняет структуру при нагреве свыше 880°C, происходит увеличение «зерна».

С учётом вышеперечисленных нюансов, нужно отметить, что несоблюдение технологии сварки может привести к получению брака. Например, приваренная деталь отлетит при лёгком механическом воздействии, как будто она из керамики. Качественный сварной шов имеет показатель прочности от 0,6 до 0,8 и регламентируется ГОСТом 5817-2009.

Подготовка материалов перед сваркой

Высокая химическая активность титана при повышенных температурах вынуждает сварщиков создавать специальные условия для обработки – изоляцию от атмосферы.В заводских условиях титановые детали привариваются автоматическим или полуавтоматическим способом на специальных сварочных аппаратах. Для этого используется специальная капсула, заполненная аргоном или гелием, внутри которой проводятся все операции.

Ручным методом варить титановые сплавы можно только с использованием особой горелки с керамическим соплом. Аргон, выходящий из горелки, относится к газам инертного типа с малой химической активностью. Он вытесняет воздух и при нагревании титана до необходимых температур, не выступает с ним в реакцию.

Обратная сторона шва также защищается от взаимодействия с атмосферным воздухом путём накладки к детали медных или стальных пластин. Перфорация плотноприлегающих накладок с подачей аргона снизу повышает качество шва.

Важно! Сварка труб из титана возможна без полного погружения в защитную среду, достаточно заполнить трубу изнутри аргоном и защитить место шва.

Другие моменты, которые необходимо учесть при работе с титаном:

  1. Требуется обезжиривание и тщательная зачистка поверхности от оксидной плёнки на ширину до 2 см от стыка.
  2. Качество сварного шва может понизить взаимодействие с кожей рук (пот и жир), поэтому следует работать в перчатках, чтобы не оставить следов.
  3. Возможно потребуется провести травление титановых деталей (высокая загрязнённость) перед сваркой в течение 10 минут при t 60-65°C в ванне следующего состава: HCl (соляная кислота) – 350 мл; H2O (дистиллированная вода) – 650 мл; NaF (натрия фторид) – 50 мл.
  4. После травления детали зачищают с помощью проволочной щётки и наждачной бумаги №12, крацовки до тех пор, пока края не станут ровными, без трещин и заусениц.
  5. Если используется проволока для присадки, она также зачищается.

Необходимое оборудование для аргонной сварки титана

Для сварных работ с титановыми сплавами применяют несколько способов сварки, но самый популярный – аргонно-дуговой. Он выполняется с помощью специальных установок заводского производства, либо самостоятельно модифицированных аппаратов. Минимальный комплект оборудования включает:

  • горелку специальной конструкции, вольфрамовым электродом и соплом из керамики, выдерживающей температурные значения выше 2000°C, диаметр сопла зависит от толщины деталей;
  • осциллятор для поджигания дуги бесконтактным способом, он позволяет держать температуру плазмы стабильной даже при использовании переменного тока, хотя для сварки титана рекомендуется постоянный ток прямой полярности, мощность разряда – от 4 до 8 кВт;
  • балластный реостат для регулирования силы тока и настройки её подачи с учётом характеристики разных металлов (у профессиональных инверторных аппаратов для аргонодуговой сварки реостаты встроены);
  • трансформатор или инвертор как источник напряжения для аргонной сварки, предпочтительнее инвертор, он подаёт равномерное напряжение, что обеспечивает высокое качество сварного шва. Фабричные установки могут использовать источник тока в 220 В или 380 В, предпочтительнее подсоединение к трёхфазной сети;
  • сварочный пост – укомплектованное рабочее место для сварочных работ;
  • присадочную проволоку из титана.

Особенности технологии

Главной особенностью аргоновой сварки металла является высокая скорость проводимых работ, иначе титан перегревается и становится хрупким. Поэтому основными требованиями являются: непрерывная подача припоя при постоянной скорости 2-2,5 мм/с электрода. При этом важен опыт и мастерство сварщика, движения которого должны быть точны, без отклонений электрода по сторонам.

Читайте также:  Коррозии металлов виды и способы защиты

Технология сварки «вперёд углом», когда движение электрода начинается снизу и идёт вверх до краёв соединяемых деталей по толщине. После окончания сварки аргон подаётся на поверхность шва вплоть до его остывания до 400°C, 1-2 минуты по времени.

Примерный расход аргона на сварочный шов 5-8 л в минуту, на продувание с обратной стороны – 2 л в минуту.

Как сварить титан в среде аргона

Рассмотрим, в чём состоит технология сварки титана аргоном и чем она отличается от остальных видов сварки. Варить титан трудно, главным образом, по той причине, что его для расплавления приходится разогревать до высокой температуры. При этом данный металл становится химически очень активным к газам, содержащимся в составе воздуха. Так, при температуре порядка 400 °C воздух способствует образованию окиси титана в виде плёнки на поверхности детали. Что касается водорода (которого не так уж много в атмосферном воздухе), то от него страдают свойства самого титана. Так что сварка титана требует изоляции его от окружающего воздуха.

Исходные данные и история вопроса

Мало кто знает, что один из самых прочных металлов на Земле – титан – довольно распространён в природе. Его проще найти, чем цинк или медь. Этот тусклый металл сероватого оттенка плавится при 1700 °C, но после нагревания до 400 °C начинает проявлять бурную химическую активность. Его техническая ценность заключается в высокой коррозиостойкости и сравнительно небольшой теплоте при сваривании.

Ещё интереснее особенность кристаллической решётки титана. В зависимости от температуры, он может существовать в альфа или бета фазе. Титан и его сплавы учёные-химики разделили на α, α + β и β группы. Особенность их сварки сильно различается.

Не обойти вопрос о насыщенном альфированном слое, возникающем даже при обычной температуре на поверхности титана. Это растворённый кислород! Плёнка бывает золотистого, фиолетового и даже белого цвета. Ну а взаимодействие с атмосферным азотом приводит к росту прочности, но титан начинает крошиться. Водород же порождает трещины и поры в швах.

Подготовка к сварке

Приступая к сварке титана, нужно зачистить детали стальной щёткой либо наждаком, а также обезжирить их поверхность спиртом или ацетоном, так же как при сварке алюминия Как правило, на поверхности титановых изделий уже имеется оксидная плёнка. Её следует удалить. Для этого понадобится раствор азотной и фтористой кислоты. Данный процесс ещё называют травлением, длится он всего пол минуты. Важно контролировать, чтобы температура не поднялась выше 60 градусов. Выше мы уже упоминали о присадочных материалах. Добавим палладий и ванадий, а самый доступный их них – алюминий.

Электроды

Материалом электрода в данном случае является тугоплавкий металл- вольфрам, а вставок – тантал, ниобий и бронза. Здесь свариваются бронза и сталь, тантал и титан; вольфрамовый электрод остаётся не плавящимся; защитой служит аргоновая атмосфера либо другая контролируемая смесь инертных газов.

Как сварить титан

Над данной технической проблемой первым задумался Уильям Джон Арбегаст, инженер из США. Именно он разработал технологию сварки титана и его сплавов в аргоне.Чем варят титан ?

Ознакомимся с дуговой сваркой титана. Её осуществляют в среде, состоящей из смеси двух инертных газов: аргона и гелия. Они и защищают место сварки металла от губительного воздуха, не нанося никакого вреда сами по себе. Блестящая идея! Но реализовать её на практике оказалось непростой задачей… Решили, что смесь будет поступать из сопла горелки, а чтобы увеличить защищённую потоком площадь, применили специальные насадки. А как же быть с противоположной стороной соприкосновения деталей? Чтобы надёжно заварить, тут на помощь пришли планки из меди с желобом для поступления аргона.

А как быть, если конструкция свариваемых деталей сложная? В таком случае не обойтись без специальной камеры с заданной атмосферой (упоминавшаяся выше смесь). Она может быть небольшой, в виде локальной насадки из ткани, для конкретного узла. Либо жёсткой, побольше, из металла, в которые предварительно ставят детали и всю требуемую для сварки оснастку. Но в любом случае сварщик должен хорошо видеть место сварки и свободно выполнять все необходимые манипуляции, что обеспечивают специальные рукавицы и иллюминаторы.

Наконец, для сварки самых крупных деталей сварочная камера может достигать размеров приличной жилой комнаты, выполненной в металле, герметичной и со шлюзами. Внутри устанавливается всё необходимое, взамен откачанного воздуха пространство заполняется аргоном, а сварщики на время выполнения работ превращаются в космонавтов с настоящими скафандрами!

Технологии сварки титана

Также сварка титана аргоном возможна под флюсами АНТ из фтора электрошлаковым способом или на прокладке из меди. Диаметр электрода составляет здесь 2 – 5 мм, а его вылет – до 22 мм. Благодаря действию флюса качество шва получается ещё выше: в его структуре практически отсутствуют поры. Отдельного рассмотрения заслуживает часто встречающаяся в металлургии сварка титана и стали. Здесь появляются нюансы, диктующие дополнительные жёсткие требования к технологии процесса. Так, образующиеся в сварочном шве фазы типа FeTi являются хрупкими по своей природе.

Сварка титана аргоном со сталью проводится в защитном газе аргоне вольфрамовым электродом или через промежуточные вставки. Комбинированные вставки выполняются из тантала и бронзы. При этом бронза сваривается со сталью аргонодуговой сваркой неплавящимися электродом, а тантал с титаном сваривается в камерах с контролируемой атмосферой. Используются также комбинированные вставки из бронзы и ниобия. При этом сварку осуществляет вольфрамовый электрод в камере с контролируемой атмосферой.

В любом случае недопустим перегрев, с ним борются различными способами: электромагнитным и ультразвуковым воздействием, импульсами и колебаниями луча или электрода.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector