Сварка титана

Высокая прочность и большая коррозионная стойкость, при малом удельном весе, обеспечивают титану и его сплавам все более широкое применение в различных областях человеческой деятельности. В наше время титан используется не только в авиа- и космостроении, химической промышленности и прочих высокотехнологичных отраслях, но и в производстве устройств бытового назначения. Сварка титана - задача, сталкиваться с которой обычному мастеру случается не так уж и редко.

Свариваемость

На свариваемость титана накладывают отпечаток две особенности - высокая химическая активность металла в отношении газов, содержащихся в воздухе (кислорода, азота и водорода) и его повышенная склонность к росту зерна при температуре выше 800-850°C.

При нагреве до температуры 350°С и выше титан активно поглощает кислород, образуя различные окислы с высокими твердостью, прочностью и низкой пластичностью. По мере окисления оксидная пленка меняет окраску от желто-золотистой до темно-фиолетовой, переходящей в белую. Эти цвета в околошовной зоне характеризуют качество защиты титана при сварке.

При температуре выше 500°С титан активно взаимодействует с азотом с образованием нитридов, повышающих твердость и прочность металла, но снижающих его пластичность.

Что касается водорода (водород образуется в результате разложения воды на водород и кислород под воздействием высокой температуры дуги), то под его влиянием, с титаном происходит очень вредное явление, называемое водородным охрупчиванием. Химическая природа этого процесса состоит в образовании в остывающем и холодном металле, содержащем растворенный водород, гидридов титана, повышающих хрупкость металла и вызывающих возникновение в нем трещин. На практике это приводит к тому, что спустя некоторое время после сварки (иногда довольно продолжительное) приваренная деталь, не имевшая, казалось бы, никаких дефектов, просто отваливается - сама по себе или после легкого удара.

Рост зерна, имеющий место при высоких температурах, также отрицательно сказывается на прочности титана. Ему способствует низкая теплопроводность титана, увеличивающая время пребывания шва и околошовного металла в зоне высоких температур. Чтобы снизить рост зерна, сварку необходимо выполнять при минимально возможной погонной энергии.

Кроме всего перечисленного, титан имеет высокую температуру плавления (1660°С), поэтому при сварке требуется мощный, концентрированный источник теплоты.

И все же основная проблема сварки титановых сплавов - это надежная защита металла, нагреваемого выше 300-400°C, от водорода, кислорода и азота, содержащихся в воздухе.

Способы сварки титана

Для сваривания титана и его сплавов могут применяться различные способы сварки. Все способы предполагают защиту зоны сварки от воздуха. Сварка с защитой инертными газами является самой широко применяемой. Способ защиты зависит от конфигурации и размеров свариваемой детали. Это может быть местная защита в виде струи газа, выходящего из сопла горелки, и различных накладок на свариваемую деталь или защита с использованием специальных камер. Последние могут быть локальными (необитаемыми), куда помещаются только деталь, сварочная оснастка и горелка, и обитаемыми. Обитаемые камеры вакуумируются, заполняются аргоном, затем через шлюзы в них входят сварщики в скафандрах.

В быту применяется практически только один способ - сварка титана неплавящимся электродом (метод TIG) с местной защитой зоны сварки инертным газом и накладками.

Необходимое оборудование и материалы

Чтобы варить титан в домашних условиях нужно иметь:

• сварочный аппарат, поддерживающий режим TIG и оснащенный горелкой;
• баллон с защитным газом - аргоном, гелием или их смесью;
• неплавящиеся вольфрамовые электроды;
• присадочную проволоку.

Защитный газ. Высокая химическая активность титана по отношению к газам требует применения инертных газов высокой степени чистоты. В качестве таковых выступают аргон и гелий, имеющие некоторые технологические отличия друг от друга.

Гелий обеспечивает более плавный переход шва от усиления к основному металлу. Он позволяет повысить тепловую мощность дуги и производительность процесса расплавления, что важно при сварке деталей средних и больших толщин.

Аргон дает более узкое и глубокое проплавление основного металла, его расход оказывается в 1,5-2 раза меньше, чем гелия.

Чтобы объединить достоинства газов, иногда используют их смесь.

Электроды. Сваривать титан можно любым вольфрамовым электродом, но не все они обеспечивают одинаково хорошее качество сварного шва и оптимальные характеристики дуги.

Хорошими качествами обладают лантанированные электроды марок ЭВЛ (WL). Добавление оксида лантана увеличивает несущую способность (максимальный ток) электродов примерно на 50% в сравнении с чисто вольфрамовыми. Повышается долговечность электродов и уменьшается загрязнение вольфрамом сварного шва.

Рабочая часть электрода затачивается в конус под углом 30-45°. При увеличении угла заточки снижается глубина проплавления. Нужно иметь в виду, что работоспособность электрода повышается со снижением шероховатости его конуса.

Присадочная проволока. В качестве присадочного материала используются прутки из титана различных марок. Для предохранения металла шва от насыщения водородом, который содержится в присадочных прутках, последние полезно подвергать вакуумному отжигу, в результате которого металл избавляется от водорода.

Подготовка титана к сварке

Подготовка титана к сварке включает в себя обработку кромок свариваемых деталей, обеспечение их защиты с обратной стороны, очистку присадочного прутка. Перед сваркой следует полностью удалять поверхностный слой титана с повышенным количеством кислорода и азота, поскольку при попадании частиц данного слоя в сварной шов металл становится хрупким, появляются холодные трещины.

Если толщина свариваемых заготовок не превышает 3-4 мм, их можно сваривать без разделки кромок. У более толстых деталей выполняется разделка с углом раскрытия равным 60°.

Если свариваемые детали подвергались газовой или плазменной резке, их кромки необходимо срезать механическим способом не менее чем на 3-5 мм. Непосредственно перед сваркой, кромки необходимо очистить от загрязнений, удалить окисную пленку напильником или абразивным кругом и обезжирить ацетоном или иным растворителем. Присадочную проволоку также необходимо очистить от окисей и обезжирить.

Кроме очистки кромок необходимо обеспечить защиту корня шва и поверхность свариваемых деталей с обратной стороны. Это нужно делать даже в том случае, если шов не выходит на противоположную сторону, поскольку титан начинает вступать в реакцию с газами, содержащимися в воздухе, уже при температуре 300-400°C.

Защиту обратной стороны шва производят плотно подгоняемыми съемными стальными или медными подкладками, поддувом аргона в специальные канавки в подкладках или подачей аргона внутрь конструкции (если она имеет трубчатую форму).

На рисунке ниже изображена система подачи аргона внутрь детали, осуществляемая при сварке рамы велосипеда из титановых трубок.

При сваривании толстостенных конструкций, у которых корневой шов не выходит наружу, сварку можно производить без защиты обратной стороны детали при условии ее минимального разогрева. Швы в этом случае должны выполняться короткими (15-20 мм), с перерывами на охлаждение.

Технология сварки титана

В помещении, где производится сварка титана, температура не должна быть ниже 15°С, а скорость движения воздуха - выше 0,5 м/с. Сварка осуществляется постоянным током прямой полярности с подачей присадочного прутка. При толщине металла менее 1,5 мм допустима сварка без присадки. В этом случае шов формируется только из основного металла и получается прочнее шва, выполненного с присадочным прутком, поскольку последний является поставщиком некоторого количества газов в зону сварки.

Подбор диаметров электрода и присадочной проволоки, а также соответствующего им сварочного тока зависит преимущественно от толщины свариваемого металла. В качестве ориентировочных, можно использовать данные, приведенные в нижеследующей таблице.

Толщина свари- ваемого металла, мм	Свароч- ный ток, А	Напря- жение дуги, В	Диаметр приса- дочной прово- локи, мм	Коли- чество прохо- дов
1	40-60	10-14	1,2-1,5	1
2	70-90	10-14	1,5-2,0	1
3	120-130	10-15	1,5-2,0	2
4	130-140	11-15	1,5-2,0	2
5	140-160	11-15	2,0-2,5	2-3
10	160-200	11-15	2,0-3,0	10-14

Диаметр неплавящегося электрода выбирается в зависимости от величины тока сварки с учетом рабочего тока электрода. Расход аргона для защиты зоны сварки 5-8 л/мин, для защиты корня шва - 2 л/мин.

При сварке электрод располагают под углом 70-80° к поверхности детали, присадочный материал - под углом 90-100° к оси электрода. Вылет электрода должен быть 6-8 мм, длина дуги - в пределах 1-2 мм. Для лучшей защиты шва, присадочную проволоку следует вести перед горелкой, а не за ней.

Горелку перемещают равномерно, без поперечных колебаний. Присадочный материал вводится в зону сварки также равномерно и без поперечных движений. Его конец опирается на край сварочной ванны. Во время сварки нельзя выводить нагретый конец прутка из зоны газовой защиты.

Подачу защитного газа прекращают только через 5-10 сек после потемнения шва, когда его температура опустится ниже 400°С.

Во избежание перегрева околошовных участков и роста зерна металла, сварку необходимо выполнять при минимально возможном токе.

Дефекты сварки титана

При соблюдении технологии сварки титана, прочность сварного соединения достигает 80% от прочности основного металла. Дефекты швов могут снизить показатели прочности на 40-60 и более процентов. Наиболее частыми из них являются поры и холодные трещины.

Основная причина образования пор - газовые примеси (главным образом водорода), растворенные в присадочном и основном металле. Чтобы получать беспористые швы, нужно обеспечивать чистоту сварочных материалов и основного металла и выполнять сварку на оптимальных режимах.

Холодные трещины могут возникать сразу после сварки или по истечении какого-то времени - иногда недель и даже месяцев. Основной причиной их возникновения является водородное охрупчивание.

О качестве газовой защиты, осуществленной в процессе сварки, можно судить по внешнему виду шва. Серебристый цвет (1) говорит о хорошей защите и качественном шве, светлый соломенный оттенок (2) свидетельствует о незначительных нарушениях защиты. Прочие цвета - коричневый, голубой, серый с налетом - говорят о плохой защите шва.

Литература