Как сваривать титан электродом

Сварка титана

Титан — удивительный металл. Он отличается уникальным сочетанием свойств: легкость, прочность, коррозионная стойкость. Кроме того, титан не отторгается тканями человеческого организма. Из титана изготавливают детали самолетов и подводных лодок, элитные велосипеды и протезы. Однако обработка титана, а особенно — его сварка сопряжена с определенными трудностями. Для их преодоления ученые и инженеры разработали и успешно применяют специальные способы сварки титана и его сплавов.

Особенности сварки титана и сплавов на его основе

Титан и его сплавы обладают температурой плавления от 1468 до 1830 ° С. Металл обладает высокой жаропрочностью (до 500 °С ) и высокой коррозионной стойкостью. Эти сплавы можно закалять, если добавить в качестве легирующих присадок хром, марганец или ванадий. При этом пластичность материала падает.

Однако при нагреве до 400 ° С поверхностные слои металла становятся химически активными и стремятся прореагировать с доступными окислителями, прежде всего — кислородом и азотом воздуха. Кроме того, при нагреве свыше 800 °С сплавы проявляют склонность к росту зернистости и пористости. Сварка титана должна происходить в условиях отсутствия газов — окислителей.

Способы сварки титана и его сплавов

Учитывая физико-химические свойства, титан и титановые сплавы сваривают только электродуговой сваркой.

Основные способы сварки титана:

• в газовой среде, с бескислородным флюсовым порошком АН-11;
• электрошлаковый для толстых листов, под флюсом АН-Т2;
• контактный в атмосфере защитных газов.

В ходе работы требуется защищать от окислителей не только рабочую зону, но и оборотную сторону соединения. Поэтому технология сварки титана предусматривает работу в изолированном объеме, заполненном газовой смесью на основе аргона. Дополнительную защиту осуществляют, используя подкладки или сваривая детали встык.

Подготовительные операции

Для получения прочного и долговечного шва необходимо подготовить свариваемые поверхности. Прежде всего, следует удалить пленку из окислов. Для этого детали тщательно зачищают и обезжиривают с двух сторон на расстояние в 20 см от линии шва. Проводить очистку и обезжиривание следует в защитных перчатках, предотвращающих попадание потожировых пятен с рук.

Далее поверхности в течение 10 минут обрабатывают травильным составом — 35 частей соляной кислоты, 65 частей воды и 50 граммов фторида натрия. Раствор нагревают до 60-70 °С.

Следом наступает очередь механической обработки — шлифовки металлическими щетками и наждачкой №12 до полного удаления заусенцев и трещинок. Аналогично следует обработать и присадочную проволоку. Теперь можно приступать непосредственно к сварке титана и его сплавов.

Технология и режимы сварки

Ручную сварку титана и его сплавов проводят электродами из вольфрама постоянным током обратной полярности. В ходе работ применяют оснастку и дополнительные приспособления, обеспечивающие защиту рабочей зоны и нагретой области, прилегающей к шву, и значительных отрезком остывающего шовного материала. Это специальные удлиненные насадки с соплами для подачи инертных газов, козырьки, перфорированные подкладные пластины с подачей газа и т.д. При соединении трубопроводов трубы заполняют защитным газом изнутри.

Ручная дуговая сварка

Ручная аргонодуговая сварка чаще всего применяется при изготовлении уникальных изделий или в мелкосерийном производстве, а также при выполнении работ высокой сложности, на которые не получается запрограммировать автомат.

Ручная дуговая сварка

При толщине листа до 3 мм зазор следует выставлять от полмиллиметра до полутора, и сваривать можно без добавления присадочной проволоки. При использовании 1,5-миллиметрового электрода и 2-миллиетровой присадочной проволоки сварочный ток для листов толщиной 2 миллиметра выбирают около 100 ампер, а для листов в 3-4 мм — ток увеличивают до 140 ампер.

Электрод ведут прямо, без колебаний, а наклонен он должен быть вперед по ходу шва. Если используется присадочная проволока, то она должна подаваться непрерывно, а электрод ставится перпендикулярно к заготовке.

После завершения шва и отключения электродуги требуется подавать защитные газы еще как минимум полторы — две минуты, чтобы дать возможность последнему участку шва и околошовной зоны остыть до 400 °С. Такая защита препятствует образованию окислов. Окислившийся шов легко отличим по цвету:

• высококачественный шов — желтый (соломенный);
• окислившийся – серо- черный, с переходом в синеву.

Автоматическая сварка

Автоматическая сварка проводится электродами из вольфрама с применением постоянного тока.

Если используется неплавкий электрод, то рекомендуется применять прямую полярность. Рекомендованный диаметр сопел горелки, подающих защитный газ, должен быть в пределах 12-15 мм.

Розжиг и гашение дуги выполняют не на самой детали, а на расположенных рядом с началом шва планках. Это связано с тем, что в начале и конце работы дуги в ходе переходных процессов возможны броски напряжения, могущие вызвать проплавление основной детали.

Режимы аргонодуговой сварки титана

При сварке титана аргоном работают с металлом толщиной от 0,8 до 3 миллиметров.

Параметры сварки зависят от толщины листа:

• Диаметр электрода 1 -3 мм;
• напряжение 80-130 вольт;
• сила тока 45-220 А;
• скорость ведения электрода 18-22 метров в час;
• расход газа в горелке 6-12 литров в минуту;
• расход в подкладной пластине 3-4 литра в минуту.

Режимы сварки титана под флюсом

При этом методе линия шва посыпается толстым слоем флюсового порошка. Облако инертных газов образуется по мере сгорания флюсового порошка в пламени электродуги и прикрывает как сварочную ванну, так и околошовное пространство.

Схема сварки под флюсом

Метод позволяет работать с более толстыми деталями – до 5 мм для стыковых и угловых соединений, а при сварке внахлест — только до 3 мм. Ток при этом используется от 250 до 330 ампер, рабочее напряжение — 24-38 вольт. Данный метод обеспечивает повышенную скорость сварки — от 40 до 50 метров в час (почти метр в минуту).

Электрошлаковая сварка титановых сплавов

Этот способ применяется реже, но позволяет достигнуть высокой эффективности при соединении заготовок из титановых сплавов с добавлением алюминия и олова. Метод весьма энергоемкий, применяются трехфазные сварочные источники. Сварочные токи достигают полутора тысяч ампер.

Применяются пластинчатые электроды сечением 12×60 мм. Они позволяют получить высококачественный шов, причем шовный материал по своим основным механическим параметрам близок к материалу деталей.

Для прессованных из титана деталей проводят сварку круглыми 8-миллиметровыми электродами. При этом не удается достигнуть столь же высоких прочностных показателей, как для пластинчатых.

При работе данным методом не рекомендуется использовать плавкие электроды из легированных сплавов, ввиду чрезмерного насыщения прессованного материала сварочными газами.

Контактная сварка титана

При контактной сварке электроды не используются для разжигания дуги, их назначение — только подвести электрический ток к рабочей зоне. Дуга разжигается непосредственно между небольшими зонами деталей, сближаемых между собой под давлением электродов. Метод применяется для сварки относительно тонких листов проката в ходе изготовления сосудов, корпусов и т.п.

Контактная сварка бывает:

• стыковая;
• точечная;
• шовная, или роликовая;
• конденсаторная

По данным исследований, наилучшая скорость оплавления при работе с крупными заготовками должна составлять 2-3 мм/с. Повышение скорости вызывает понижение прочностных характеристик шва, несмотря на аргонную защитную атмосферу.

В ходе подготовки к сварочным работам кромки заготовок следует отфрезеровать или зачистить абразивными материалами. Необходимо также тщательно обезжирить как линию шва, так и околошовную зону до 20 см. Поскольку титан имеет низкую теплопроводность, он склонен перегреваться. Поэтому значение осадки устанавливается на 10-20% выше, чем для конструкционных сталей.

Режимы стыковой сварки титана

Сварочные режимы определяются, прежде всего, площадью сечения свариваемых заготовок. Метод позволяет сваривать детали сечением от 150 до 10 000 мм 2 . При этом остальные характеристики варьируются в зависимости от сечения:

• осадочное давление 2,9-9890 МН/м 2 ;
• вылет 25-200 мм;
• припуск оплавки 8-40 мм;
• припуск осадки 3-15 мм;
• скорость оплавки 6-2,5 мм/сек;
• рабочий ток 1,5-50 А.

Точечная сварка титана

Этот метод позволяет получить негерметичное соединение листового металла до 4 мм толщины. Она широко применяется для корпусов механизмов и защитных кожухом, для сборки различных опорных рамок и т.п. Электрод должен быть достаточно прочным, чтобы выдерживать большое усилие сжатия листов. Для сварки протяженных швов с целью повышения производительности используется несколько электродов, расположенных с тем же шагом, что и точки шва.

Режимы точечной сварки титана определяются толщиной проката:

• толщина листа 0,8-2,5 мм;
• контактная поверхность 4-8 мм;
• давление электрода 1,9-6,8 кН;
• длительность импульса 0,1-0,4 с;
• длительность сжатия 0,1-0,4 с;
• ток импульса 7-12 кА.

Шовная роликовая сварка титана

данный способ используется для создания герметичных сварных соединений. Используются электроды в виде силовых роликов, которые катятся вдоль лини шва и сжимают листы заготовок друг с другом. На них периодически подают мощные импульсы тока с тем расчетом, чтобы зоны проплавления, имеющие овальную форму, перекрывали друг друга на 10-15% . Цепочка таких точек сварки и образует непрерывный герметичный шов. Метод позволяет сваривать листы толщиной от 0,2 до 3 мм и весьма популярен при изготовлении герметичных емкостей сосудов низкого давления, таких, как топливные баки, сильфоны и т.п.

Режимы конденсаторной стыковой сварки титановых труб

Конденсаторный метод является подвидом шовной сварки и отличается от него тем, что энергия электрического импульса запасается в батарее, составленной из мощных конденсаторов, и управляющим модулем периодически подается на электроды. Трубные заготовки диаметром до 23 мм с толщиной стенки до 1,5 мм получается сваривать даже без защитной атмосферы, поскольку мощный импульс выжигает окислители в зоне сварки.

Режим сварки также определяется диаметром трубы и толщиной ее стенки. Емкость конденсаторной батареи колеблется от 5 000 до 7000 микрофарад, напряжение импульса — от 800 до 2100 вольт, усилие сжатия — от 8 до 24 кН.

Очень важно соблюдать дистанцию вылета труб из вкладышей (от 1 до 1,8мм), поскольку при его превышении более 2,2 мм происходит смещение торцов и неполный провар шва.

Возможные дефекты при сварке

Одним из наиболее часто встречающихся дефектов является повышенная пористость шва. Он возникает за счет поглощения шовным материалом пузырьков водорода, попадающего в сварочную ванну. Чтобы избежать пористости, следует:

• тщательно зачистить и обезжирить рабочие поверхности;
• обеспечить достаточную защиту сварочной ванны и зоны остывающего металла.

Распространено также образование окисного слоя, переходящего от линии шва к сплошному металлу заготовок. Избежать этого позволяет поддержание защитного газового облака до остывания шва до температуры 400 °С.

Источник

Как и чем варить титан? Сварка титана: технология и особенности

Титановые детали и конструкции часто находят применение в узкоспециализированных областях, среди которых авиастроение и космическая отрасль. Столь высокое доверие к металлу обуславливается уникальным сочетанием характеристик. При небольшой удельной массе он обладает высокой прочностью, антикоррозийностью и защитными свойствами от химических воздействий. И это далеко не все качества, которыми характеризуется титан. Сварка титана по этим же причинам становится сложной задачей не только для начинающего мастера, но и для профессионалов.

Особенности сварки материала

Физико-химические свойства титана ограничивают использование некоторых высокотехнологичных способов сварки, что заставляет мастеров модифицировать подходящие, но изначально менее производительные методы. Главная сложность в использовании наиболее распространенных способов сварки заключается в повышенной температуре нагрева данного металла. В частности, эффективная работа с ним возможна при режимах термического воздействия порядка 1500-1700 °C. На уровне 500 °C заготовки чаще всего сохраняют базовые прочностные качества. Технологические особенности сварки титана определяются и негативными факторами воздействия на структуру со стороны атмосферного воздуха. В обычном состоянии этот фактор не имеет значения, но в условиях температуры более 400 °C раскаленные зоны будут требовать дополнительной защиты. И это не говоря об основной изоляции непосредственно сварочной ванны. При повышении температуры возникают и сложности другого рода. Так, при достижении 900 °C происходит увеличение зерен и образование крупных пор, что в дальнейшем сказывается на прочностных качествах заготовки.

Общие сведения о способах сварки

Базовыми методами сварочной обработки титана можно назвать дуговой ручной и автоматический способы. Что касается оптимальных сред, то наиболее эффективными считается гелий и аргон. Но важно учитывать, что в первом случае требуется включение в среду некислородного флюса. Также распространен метод электрошлаковой сварки. Его обычно используют в работах с толстыми заготовками, требующими к тому же высокой термической накалки. При грамотной организации неплохой результат обеспечивает и контактная сварка. Данный процесс требует, в частности, устройства сбалансированной защиты газом. Если применять в работе подкладки, то обеспечится высококачественная сварка титана. Технология плавления, например, подразумевает организацию специальной защиты оборотной части заготовки с помощью аргоновых газов. В свою очередь подкладка может обеспечить этой стороне дополнительное предохранение в условиях повышенной температурной нагрузки, об опасностях которой говорилось выше.

Подготовка металла к сварочной операции

Перед операцией титан необходимо соответствующим образом подготовить. В рамках этого этапа выполняется обработка кромок заготовочных элементов, создание защиты противоположных сторон (использование тех же подкладок), а также зачистка прутка присадки. Кроме этого, производится тщательная зачистка наружного слоя заготовки. Его частицы в ходе сварки могут проникнуть в структуру шва, из-за чего он станет хрупким и непригодным к работе в ответственных механических конструкциях. В случаях обработки толстых деталей от 5 см требуется разделка кромок, при которой угол раскроя должен составлять 60°. Если планируется сварка титана и его сплавов, которые до этого подвергались плазменной или газовой резке, то потребуется и зачистка поверхностей швов с ликвидацией слоя толщиной в 3-4 мм. Универсальной мерой уже финальной подготовки перед работой будет устранение внешних загрязнений, масляных пленок и окислов. Для этой процедуры используются мелкозернистые абразивы, напильник и обезжиривание с растворителями. Затем оставшиеся следы зачистки удаляются сухой ветошью.

Ручная дуговая сварка

В процессе задействуется вольфрамовый электрод с подключением источника постоянного тока. Защите подвергается зона вокруг шва, корень шва и ближние затронутые термическим воздействием зоны. Изоляция обеспечивается козырьками, насадками и термически стойкими пористыми материалами, в которые подается газ. Подкладки желательно применять из меди или стали. Если производится обработка трубы, то газ пускается прямо в дуло. Что касается оптимального режима, то для 2-миллиметрового электрода сила тока может составлять порядка 90 А. Это начальный уровень для работы с заготовками толщиной 4-5 мм. Конкретные величины могут изменяться и в зависимости от того, каким образом легировался титан. Сварка титана выполняется на короткой дуге без колебательных манипуляций. Электрод наклоняется противоположно направлению его движения – то есть вперед углом. Резко завершать операцию нельзя. В целях предотвращения образования окислов все защитные приспособления остаются на прежних местах даже после отключения электродов.

Автоматическая сварка

В работе также используется вольфрамовый электрод. Если применяется неплавящаяся разновидность электрода, то подключаемый ток должен иметь направленную полярность. При этом оптимальный размер выходных отверстий горелки составляет 14-15 мм. Техника выполнения в целом соответствует ручному методу, но важно учитывать, что в силу повышенной активности данного металла операции зажигания и гашения при работе с горелкой должны производиться в стороне от места шва. Автоматическая сварка титана аргоном после гашения должна обеспечивать подачу газа еще как минимум 1 мин.

Электрошлаковая сварка

Менее популярный метод, но он может быть эффективнее в работе с отдельными сплавами. Например, при сварке легированного 5-процентного титана с добавками алюминия и олова. В качестве силового источника применяется трехфазовый трансформатор, что свидетельствует о высоких нагрузках в процессе работы. Достаточно отметить силу тока при сварке толстых поковок – в среднем 1500-1600 А. Далее ход операции зависит от того, каким электродом плавится титан. Сварка титана электродом пластинчатого типа с размерами 12х60 мм обеспечивает оптимальное качество шва, который по характеристикам соответствует основной структуре заготовки. В обработке прессованных деталей часто используют такие же электроды, но с диаметром 8 мм. Это решение может показаться оправданным ввиду нетребовательности структуры металла, но прочностные качества шва будут понижены – в среднем 85% от показателя нетронутой структуры.

Контактная сварка

В этом случае многое зависит от скорости работы. Практика показывает, что для крупных заготовок, к примеру, предпочтительным будет режим 2 мм/сек. Увеличение данного показателя приведет к снижению прочности заготовки и положительная функция защитного газа будет минимизирована. Неплохой по качеству результат можно получить, если заранее выполнить более глубокую механическую обработку поверхности заготовки. Благодаря зачистке крупнозернистой наждачной бумагой вкупе с легкой фрезеровкой будет обеспечена стабильная и ровная сварка титана. Отзывы также указывают на достижения хороших результатов при контактной сварке в условиях сбалансированной осадки. Ее следует подбирать из следующего расчета: в среднем на 20% выше, чем при обработке углеродистой стали.

Особенности холодной сварки

Отсутствие термического воздействия, при котором наблюдаются, по сути, разрушительные процессы в структуре титана, делают этот способ почти идеальным, но и тут есть свои нюансы. Холодная сварка производится под высоким давлением, которое деформирует кристаллы структуры, в результате смещая их и образуя общий сплав. Непосредственно сварка производится внахлест с помощью специальных зажимных механизмов. Силовое механическое воздействия также отличает этот способ, что требует более высоких финансовых затрат. Есть и другой недостаток, которым характеризуется холодная сварка. Титан, в конструкции которого есть образованные такой спайкой швы, менее надежен и может задействоваться только в конструкциях, не предполагающих высокие физические нагрузки.

Возможные дефекты при сварке

Одним из самых серьезных дефектов является образование пор. Это газовые примеси в структуре металла, в формировании которых участвовал водород. Исключить этот изъян можно двумя условиями – выполнением качественной всесторонней зачистки перед сваркой и обеспечением эффективной защиты нагретого металла в процессе обработки. Еще одной проблемой может стать появление окислов, которые переходят от места создания шва к цельной структуре. Кстати, от этого недостатка полностью страхует холодная сварка титана. Отзывы самих пользователей свидетельствуют, что предотвратить этот дефект при термической обработке помогает именно долговременное поддержание газовой защиты аргона уже после завершения процесса. Индикатором для снятия защиты станет нормализация температуры шва.

Заключение

Если сравнивать сварку титана с аналогичными операциями над другими металлами, то будет выявлен целый ряд отличий. Прежде всего, они касаются организационного процесса. От исполнителя требуется надлежащим образом подготовить металл, а также позаботиться о приспособлениях, которые защитят основной бесшовный титан. Сварка титана при соблюдении правил термической обработки и выборе оптимального режима для функции электрода с большей вероятностью обеспечит достойный результат по прочности. Собственно, о том, насколько высоко качество образуемого шва, можно судить по его оттенку уже в ходе сварки. Так, серебристый цвет свидетельствует о высокой защите и, следовательно, укреплении структуры шва. Шов с соломенным оттенком менее прочен, но эту ситуацию еще не поздно исправить, скорректировав, например, подачу газа. О том, что в ходе обеспечения защиты были допущены серьезные ошибки, скажет коричневый оттенок.

Источник