Конкретных материалов. 4 страница

Все сплавы титана делятся на три группы: α – сплавы, α β – сплавы, β – сплавы.

α -сплавы получаются легированием титана Al и Sn. β -сплавы легированием Cr, Fe, Cu, V, Mo, Ta.

К α β – сплавам относятся сплавы титана, с комплексным легированием содержащие при комнатной температуре α и β фазы. Почти все α – сплавы не упрочняются термообработкой. Упрочнение α β – сплавов термообработкой достигает эффекта тем выше, чем больше в сплаве содержание β – фазы. Для сварки конструкций наиболее приемлемы α – сплавы титана или β – сплавы с невысоким содержанием β – стабилизаторов.

К широко известным свариваемым отечественным сплавам поставленным по ГОСТ 19807 – 74 относятся ПТ – 3В (σ в ≥ 600 МПа), ПТ-7М (σ в≥ 400 МПа), ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4 (σ в≥ 400, 500 и 600Мпа).

При рассмотрении свариваемости титановых сплавов необходимо учитывать следующее:

1. Химическая активность титана возрастающая по мере роста его температуры требует в процессе сварки защищать от взаимодействия с воздухом не только шов, но и основной металл разогретый до температур более 400-500°С.

2. Так как растворяемые в титане и его сплавах кислород, азот, водород и углерод упрочняют и охрупчивают материал (рис.10 а) их содержание в проволоках ограничиваются величинами (в % по массе): кислорода не более 0, 12; азота не более 0, 04; водорода не более 0, 0025, а в основном металле на сотую долю больше.

3. Растворимость водорода в титане по мере роста температуры увеличивается и является максимальной при температуре < 1000°С (рис 10 б), а при комнатных температурах стремится к 0. В то же время при комнатных температурах водород может диффузионно перемещаться по кристаллической решетке металла и ликвировать в места раздела химической однородности металла т.е. к линиям сплавления шва и основного металла. Это приводит к охрупчиванию этих зон и даже появлению в них трещин.

рис.10

4. Удельное электросопротивление титана выше в 1, 6 раза, чем у алюминия и в 4 раза выше, чем у железа. Поэтому при механизированной сварке плавящимся электродом вылет его должен быть значительно меньше чем в аналогичных случаях у стали.

5.Если α – сплавы имеют хорошую свариваемость, то при сварке α β -сплавов необходимо обращать внимание на количество

β – стабилизаторов в металле. С увеличением β – стабилизаторов выше определенного предела в металле ЗТВ появляется конгломерат фаз (α – β – ω), что ведет к увеличению хрупкости. Для улучшения свойств подобных соединений необходимо после сварки производить термообработку конструкций (нагрев 750 – 800°С, с охлаждением печью до 550°С и далее на воздухе).

Высокая химическая активность титана и его сплавов при повышенных температурах (500°С и более) требует высокой эффективности газовой защиты. Не все горелки способны обеспечить такую эффективность. Поэтому, прежде чем приступить к сварке титана, необходимо проверить горелку на пятно по ОСТ 5Р.9917-2002. Кроме того горелка должна быть оборудована устройством обеспечивающим газовую защиту остывающей части шва. Так же сварка металла в толщинах до 6мм не может производиться без защиты обратной стороны шва и основного металла.

Большая чувствительность титана и его сплавов к грязи, в том числе и в закатах, требует приемочного контроля проволок с применением вихретоковых методов. Цеха, где производится сварка титановых конструкций, не должны иметь сквозняков со скоростью выше 0, 5м/сек. В цехах должна производиться постоянная мокрая уборка. Персонал на рабочих местах должен находиться в чистой светлой спецодежде и перчатках.

Кромки под сварку обрабатываются только механически. При наличии газового реза, механическое удаление альфированных слоев с кромок реза должно выполняться на глубину 2 – 3мм.

Наиболее распространены на титане и его сплавах сварка в среде защитных газов и, в ограниченных объемах применяется сварка под флюсом, электрошлаковая, плазменно-дуговая и электронно-лучевая сварка.

Перед сваркой, как и в предыдущих случаях разделки тщательно зачищают и промывают ректифицированным спиртом.

СВАРКА В ЗАЩИТНЫХ ГАЗАХ

Ручная аргонно-дуговая сварка титана производится вольфрамовым электродом (тарированным или лантанированным) на постоянном токе прямой полярности в аргоне или гелии. Соединения малых толщин (до 5 мм) выполняется без разделки кромок, при больших толщинах с разделкой и подачей присадки.

Сварка неплавящимся электродом и сварка плавящимся электродом выполняется механизированным способом. При этом неплавящимся электродом за один проход можно заварить погруженной дугой без присадки металл толщиной до 20 мм.

Сущность сварки погруженной дугой состоит в том, что неплавящийся электрод укрепляется на механизме перемещения до положения, при котором напряжение дуги соответствует заданной величине. Величина опорного напряжения (заданного) устанавливается перед сваркой. В начальный момент сварки дуга зажигается над поверхностью стыкуемых кромок пластин, а затем при малых напряжениях (менее 9В) и больших токах (более 700А) углубляется внутрь стыка таким образом, что над поверхностью виден только вольфрамовый электрод.

Механизированная сварка плавящимся электродом производится на постоянном токе обратной полярности. Процесс сварки плавящимся электродом производится на больших токах и в ряде случаев более производителен. Формирование усиления при сварке плавящимся электродом хуже, чем при сварке неплавящимся.

Механизированная сварка неплавящимся и плавящимся электродом производится и в аргоне и в гелии. Виды подготовки кромок под сварку и режимы сварки в таблице 12.

Таблица №12

Все процессы автоматической сварки плавящимся и неплавящимся электродом сопровождаются защитой шва и основного металла газозащитными приставками, в которые подается инертный газ. Длина приставок достигает полуметра. Все оборудование для сварки титана (посты ручной сварки, полуавтоматы, автоматы) оснащено системами обеспечивающими подачу защитного газа за 15 – 20с до зажигания дуги и выключающие подачу защитного газа через 30 – 50 сек после выключения дуги.

СВАРКА ПОД ФЛЮСОМ

Сварка титановых сплавов возможна и под слоем безкислородных флюсов серии АНТ, системы CaF₂ – BaCl – NaF. Защита металла от окружающей газовой атмосферы в данном случае осуществляется парогазовым пузырем возникающим над плавильным пространством. Однако такой пузырь эффективно обеспечивает защиту при относительно небольших тепловложениях позволяющих варить небольшие толщины (порядка 12мм). При больших толщинах эффективность защиты нарушается и поэтому объемы сварки под флюсом весьма ограничены. По этим же причинам не применяется ручная сварка покрытыми электродами.

ЭЛЕКТРОШЛАКОВАЯ СВАРКА

Применение электрошлаковой сварки титана эффективно в толщинах от 40мм и более. При этом используют безкислородные солевые флюсы типа АНТ – 2, АНТ – 4, АНТ – 46. Поверхность шлаковой ванны защищают аргоном, а флюс перед сваркой прокаливают при температурах 300 – 400°С.

Режимы электрошлаковой сварки титана приведены в таблице 13.

ПЛАЗМЕННАЯ СВАРКА ТИТАНА

Титан варится как плазмотронами прямого действия на токах до 500А, так и плазмотронами косвенного действия, т.е. микроплазменной сваркой на токах < 200А. Во всех случаях в качестве рабочего газа (т.е. плазмообразующего) используется гелий, или его смеси с аргоном.

На плазмотронах прямого действия варятся стыки без разделки кромок толщиной до 15мм. На плазмотронах косвенного действия осуществляется сварка пластин с толщиной до 1, 5мм.

Таблица №13

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ СВАРКА

Электронно-лучевая сварка титана по технике исполнения мало чем отличается от сварки других материалов. В основном она применяется при сварке стыков толщиной до 160мм. Из дефектов, которые встречаются при ЭЛС, наибольшего внимания заслуживают подрезы на кромке шва и пористость металла шва. Подрезы на практике «разглаживаются» вторым проходом луча колеблющегося в поперечном направлении к шву. Поры в швах пропадают при тщательной очистке кромок перед сваркой. Возможность сварки α β – сплавов из-за образования крупного зерна в ЗТВ и падению из-за этого ударной вязкости, в каждом конкретном случае необходимо решать отдельно.

ОСОБЕННОСТИ СВАРКИ ТУГОПЛАВКИХ ХИМИЧЕСКИ АКТИВНЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Во многих отраслях промышленности в качестве конструкционных материалов используется цирконий, гафний, ниобий, тантал и молибден, а так же значительно реже ванадий и вольфрам в виде комбинированных сварных соединений. Поэтому рассмотрим только пять первых.

Во – первых температура плавления этих материалов (за исключением циркония имеющего температуру плавления 1850°С) значительно превосходят 2000 °С и поэтому их сварка нуждается в концентрированных источниках тепла.

Во – вторых цирконий и гафний металлы имеющие полиморфные превращения α – фазы с гексогональной плотноупакованной решетки в β – фазу с объемноцентрированной решеткой. Температура полиморфных превращений у циркония 865°С (близкая к титану), у гафния 1760°С. Ниобий, тантал и молибден полиморфных превращений не имеют.

В – третьих, как и у титана, с повышением температуры у этих материалов повышается химическая активность и растворимость водорода, кислорода и азота в металле. В то же время повышение содержания водорода, кислорода и азота в цирконии, гафнии, ниобии, тантале и молибдене приводит к повышению прочности этих материалов, падению их пластических свойств и повышению хрупкости (рис.11, 12).

Поэтому предъявляются тщательные требования к содержанию газов воздуха в основном металле и сварочных материалах. Так у молибдена содержание примесей в основном металле и проволоке ограничивается O₂ < 0.0002%, N₂ < 0.0001%, C < 0, 003%). Поэтому же при сварке в сварочную ванну вводят активные раскислители Ti; Се; Zr.

рис.11, 12

Рассматриваемые материалы по свариваемости можно разделить на две группы.

К первой группе относятся материалы, которые при соблюдении технологических требований на сварку и сертификатных требований на поставку материалов (свариваемых и сварочных) хорошо свариваются. К эти материалам относятся цирконий, гафний, ниобий и тантал.

Ко второй группе относится молибден, сварка которого вызывает серьезные затруднения, как из-за его склонности к образованию кристаллизационных трещин, так и из-за охрупчивания металла шва при сварке.

Для понижения содержания O₂, N₂ и H₂ в инертных газах (аргоне высшего сорта поставляемого по ГОСТ 10157 – 79 и гелии марки А поставляемого по ТУ 51 – 689 – 75) их подвергают дополнительной очистке, пропуская их через силикагель, алюмогель и нагретую до 900 – 1000 °С титановую стружку.

Сварка обеих групп материалов производится дуговым способом в среде защитных газов и электронно-лучевым способом.

Сварка в защитных газах ведется как неплавящимся (вольфрамовым) электродом, так и плавящимся. Сварка неплавящимся электродом производится на постоянном токе прямой полярности в основном в камерах с контролируемой атмосферой. В табл.14 представлены параметры режимов такой сварки циркония. В работе приводятся аналогичные режимы по камерной сварке гафния, выполняемой неплавящимся электродом на постоянном токе обратной полярности.

Таблица №14

Режимы сварки ниобия и тантала малых толщин выполняемым на постоянном токе прямой полярности вольфрамовым электродом со струйной защитой лицевой части шва и канальной защитой обратной стороны шва приводится в табл 15.

Сварку молибдена успешно осуществляют в гелии высокой чистоты на воздухе как неплавящимся вольфрамовым электродом, так и плавящимся. Металл толщиной до 3 мм сваривают вольфрамовым электродом на постоянном токе прямой полярности на режиме: J = 425 A; Ucв = 18 В; Vcв = 18 м/час.

Таблица №15

Сварку больших толщин производятся плавящимся электродом диаметром 1-1, 2 мм на постоянном токе обратной полярности на режиме: Jcв = 400 - 500 A; Uсв= 32 В; Vсв = 30-40 м/час; Vпп=600-900 м/час. При этом электродная проволока предварительно активируется нанесением на нее покрытия из хлористого цезия.

Известна технология сварки гафния в камере, заполненной гелием или аргоном, вольфрамовым электродом на постоянном токе прямой полярности, которая выполняется на режиме Jcв=125-135A; Ucв = 14 -18В; Vсв= 10 м/час.

Электронно-лучевая сварка (в дальнейшем ЭЛС) тугоплавких и химически активных металлов осуществляется путем переплавления основного металла. Наряду со стыковой сваркой возможно выполнение нахлесточных прорезных и пробочных швов. Большое значение имеет дегазация металла шва при ЭЛС в камере с вакуумом 10ˉ мм рт. ст. Принципиально ЭЛС сварка за два прохода позволяет сваривать рассматриваемые металлы толщиной до 100мм.

Существует технология сварки трубок из циркония толщиной 0, 3-0, 5мм со следующими параметрами режиме Jcв=4-12мA; U= 19-20кВ; Vсв = 27м/час.

Режимы ЭЛС пластин молибдена толщиной до 3мм приведены в табл.16, а ниобиевого сплава малых толщин в табл.17

Таблица №16

Таблица №17