Сварка титана: способы, технология

СОДЕРЖАНИЕ

• Особенности сварки титана и сплавов на его основе
• Способы сварки титана и его сплавов
• Технология и режимы сварки титана
• Ручная дуговая сварка титана
• Автоматическая сварка
• Режимы сварки титана под флюсом
• Электрошлаковая сварка титановых сплавов
• Контактная сварка титана
• Точечная сварка титана
• Шовная роликовая сварка титана
• Возможные дефекты при сварке титана

Сварка титана имеет свои особенности и трудности. Повсеместное применение этого металла привело к необходимости разработки технологий качественной сварки деталей. Из титана делают разнообразные изделия: от внутренних протезов до деталей самолетов.

Одним из основных условий успеха при сварке этого металла является защита зоны от воздействия воздуха. Используют только дуговую сварку. Как правильно сваривать изделия из титана, читайте в нашем материале.

Особенности сварки титана и сплавов на его основе

Технология сварки титана и его сплавов в основном используется в промышленности благодаря особым физико-химическим свойствам этого материала. Титан начинает плавиться при температуре от 1470 и до 1825 градусов Цельсия. При этом он остается сверхпрочным даже при температуре 500 градусов, устойчив к образованию ржавчины, не боится негативного воздействия агрессивных сред.

Чтобы добиться высокого качества титановой сварки, используют присадки. Также следует защитить сварочную зону и обратную сторону шва от негативного воздействия воздуха из атмосферы.

Причем защищена должна быть как сварочная ванна, так и те области металла, которые нагреваются до более чем 400 градусов Цельсия. Также необходимо работать таким образом, чтобы время нагрева свариваемых кромок было небольшое.

При работе с данным материалом могут возникнуть сложности из-за того, что увеличиваются его зерна при нагреве до 880 °C и выше, в результате чего образуются поры.

Сплавы титана имеют склонность к закалке, здесь все зависит от легирующего элемента. Так, Cr, Fe, Mn, W, Mo, V, которые входят в состав сплава, делают его менее пластичным. Если температура достигает 250 °C, происходит активное поглощение O2, при температуре 600 °C – азота.

Читайте также: «Сварка нержавейки аргоном»

То, насколько получится прочным соединение при сварке титана проволокой, зависит от марки сплава, а также технологии работы плавлением. Чаще всего данный параметр равен 0,6–0,8 прочности основного металла.

Сварные соединения из сплавов титана марок ВТ5, ОТ4, ВТ4 нельзя подвергать последующей термообработке. Однако в некоторых ситуациях можно сделать отжиг, чтобы снять напряжение.

Если используется технология плавления, то происходит сварка титана ручной дуговой сваркой либо автоматической. Самым популярным способом является сварка в среде аргона или гелия под некислородным флюсом марки АН-11.

Если изделие достаточно толстое, используют электрошлаковую сварку под флюсом марки АН-Т2. Также титан можно сварить контактной сваркой в среде защитных газов либо в отсутствии этой среды.

Во время сварки плавлением должна быть обеспечена газовая защита оборотной стороны шва в среде аргона. По этой причине следует использовать сварку на подкладках либо сваривать встык.

Чтобы шов получится качественный, нужен не только специальный аппарат для сварки титана, но и правильная технологическая подготовка сварных кромок и сварной проволоки под сварку.

Читайте также: «Стыковое сварное соединение»

Титановые элементы, а также детали из его сплавов имеют поверхность, которая покрыта оксидно-нитридными пленками, они появляются после горячей обработки полуфабрикатов, из которых сделаны элементы.

Способы сварки титана и его сплавов

Существуют несколько основных технологий сварки титана со сталью или другим металлом:

1. в газовой среде, с бескислородным флюсовым порошком АН-11;
2. электрошлаковая сварка для толстых листов, под флюсом АН-Т2;
3. контактная в атмосфере защитных газов.

При проведении сварочных работ следует позаботиться о защите как рабочей зоны, так и оборотной стороны соединения. Для этого объем должен быть изолирован, заполнен газовой смесью на основе аргона. Для дополнительной защиты применяют прокладки либо сваривают элементы встык.

Чтобы шов получился надежный и долговечный, нужна подготовка свариваемых поверхностей. Первое, что нужно сделать, – убрать пленку из окислов. Поэтому необходимо зачистить элементы, а затем обезжирить их с обеих сторон на расстоянии в 20 см от шва. Делать это нужно в специальных перчатках, чтобы пот и жир с кожи не попали на детали.

Читайте также: «Оборудование для сварочных работ»

Затем на поверхность на 10 мин. наносим травильный состав. Чтобы сделать его, потребуется 35 частей соляной кислоты, 65 частей воды и 50 г фторида натрия. Необходимо нагреть состав до температуры 60–70 °С.

Далее поверхность обрабатываем механически: шлифуем ее с помощью металлических щеток и наждачки № 12, чтобы убрать заусенцы и трещины. Точно так же обрабатываем присадочный пруток для сварки титана. После этого можно начинать непосредственно сварочные работы.

Технология и режимы сварки титана

Ручная дуговая сварка титана

Аргонодуговая сварка титана используется, чтобы сделать уникальные изделия либо в мелкосерийном производстве, либо при достаточно высокой сложности работ и невозможности запрограммировать аппарат.

Когда толщина листа не более 0,3 см, зазор должен быть от 0,5 до 1,5 мм. Сварка может осуществляться без присадочной проволоки. Если используется электрод толщиной 1,5 мм и присадочная проволока 2 мм, сварочный ток для листов толщиной 2 мм следует выбирать приблизительно 100 ампер. При толщине листов 3–4 мм ток необходимо увеличить до 140 ампер.

При выполнении сварочных работ электрод ведем прямо, исключая колебания, наклонить его нужно вперед по ходу шва. При использовании присадочной проволоки подаем ее непрерывно, при этом электрод должен располагаться под углом 90 градусов к заготовке.

Когда шов будет закончен, а электродуга отключена, следует подавать защитные газы в течение 1,5–2 минут, это необходимо для того, чтобы температура на последнем участке шва и околошовной зоны опустилась до 400 градусов Цельсия. Действуя таким образом, вы исключите появление окислов.

Как понять, что шов окислился? Для этого обратите внимание на его оттенок:

• шов сделан качественно – его цвет соломенно-желтый;
• окислы имеют серовато-черный оттенок, переходящий в синий.

Автоматическая сварка

Автоматическая сварка титана осуществляется с помощью вольфрамовых электродов с использованием постоянного тока. Когда применяется неплавкий электрод, полярность должна быть прямая. Оптимальный диаметр сопел горелки, через которые подается защитный газ, – 1,2–1,5 см.

Разжигать и гасить дугу нужно не на элементе, а на находящихся рядом с началом шва планках. Объясняется данное требование тем, что в начале и конце работы дуги в ходе переходных процессов может резко меняться напряжение, что приведет к проплавлению основной детали.

Читайте также: «Сварка арматуры»

Аргоновая сварка титана осуществляется с металлом, толщина которого 0,8–3 мм. Характеристики сварки определяются толщиной листа:

• сечение электрода 1–3 мм;
• напряжение 80–130 вольт;
• сила тока 45–220 А;
• скорость ведения электрода 18–22 м/час;
• расход газа в горелке 6–12 л/мин;
• расход в подкладной пластине 3–4 л/мин.

Режимы сварки титана под флюсом

При режиме сварки титана под флюсом на линию шва посыпают толстым слоем флюсовый порошок. Образование облака инертных газов происходит при сгорании порошка флюса в пламени электродуги. Это облако прикрывает сварочную ванну, а также область около шва.

С помощью данной технологии можно сваривать элементы большой толщины – до 0,5 см, что подходит для стыков и углов, и до 0,3 см при сварке внахлест. Ток должен быть 250–300 ампер, рабочее напряжение – 24–38 вольт.

Сварка титана и стали под флюсом позволяет достичь высокой скорости: 40–50 км/ч, то есть практически метр в минуту.

Электрошлаковая сварка титановых сплавов

Читайте также: «Сварочный стол своими руками»

Данная технология встречается не так часто, как вышеописанные. Однако с ее помощью можно наиболее эффективно соединить заготовки из сплава титана с добавлением алюминия, олова. Способ является энергозатратным, потребуются трехфазные источники сварки. Сварочные токи – до 1,5 тыс. ампер.

Для работы потребуются пластинчатые электроды, сечение которых 12 на 60 миллиметров. С их помощью получится сделать наиболее качественный сварочный шов, при этом шовный материал по механическим характеристикам будет похож на материал элементов.

Если предстоит сварить прессованные из титана заготовки, понадобятся круглые электроды диаметром 8 мм. Однако прочность все равно будет меньше, чем при работе с пластинчатыми электродами.

Осуществляя сварку по этой технологии, не стоит применять плавкие электроды, сделанные из легированных сплавов. Дело в том, что в этом случае будет происходить слишком сильное насыщение прессованного материала сварочными газами.

Контактная сварка титана

Для осуществления контактной сварки титана не применяют электроды для разжигания дуги. Они необходимы лишь для того, чтобы подводить электроток к рабочей области. Разжигание дуги происходит между зонами элементов, которые сближаются друг с другом под давлением электродов.

Данная технология используется, чтобы соединять листы проката небольшой толщины при производстве сосудов, корпусов.

Подразделяется такая сварка на несколько типов:

• стыковая;
• точечная;
• шовная (роликовая);
• конденсаторная.

Согласно результатам, полученным в ходе испытаний, оптимальная скорость оплавления при сварке больших заготовок – 2–3 миллиметра в секунду. Если увеличить скорость, прочность шва снизится, даже с учетом того, что используется технология сварки титана аргоном и образуется аргонная защитная атмосфера.

Во время проведения подготовительных мероприятий необходимо отфрезеровать либо зачистить абразивными материалами кромки элементов.

Кроме того, следует обезжирить линию шва, околошовную область до 20 см. Так как титан плохо проводит тепло, он может перегреться во время работы. Это значит, что осадка должна быть на 10–20 % выше, чем для конструкционных сталей.

Чтобы выбрать режим сварки, нужно учитывать в первую очередь площадь сечения соединяемых элементов. С помощью данной технологии получится сварить заготовки с сечением 150–10 000 квадратных миллиметров.

Другие параметры могут отличаться, все зависит от сечения:

• осадочное давление – 2,9–9890 МН/м2;
• 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

С помощью данной технологии сварки получаются негерметичные соединения листового металла, толщина которого не более 0,4 см. Точечная сварка титана используется для корпусов механизмов и защитных кожухов, а также чтобы собрать опорные рамки.

Важно, чтобы электроды для сварки титана были сверхпрочными, только тогда они выдержать максимальное усилие сжатия листов.

Если необходимо сваривать протяженные швы, чтобы увеличить производительность, применяется множество электродов, их размещают с таким же шагом, что и точки шва.

В зависимости от толщины проката определяется режим сварки титана:

• 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 сек.;
• длительность сжатия – 0,1–0,4 сек.;
• ток импульса – 7–12 кА.

Шовная роликовая сварка титана

Эта технология позволяет сделать герметичный шов. Потребуются электроды в виде силовых роликов, они катятся вдоль сварной линии, сжимая листы заготовок.

Важно периодически подавать на них импульсы тока большой мощности. Это необходимо для того, чтобы зоны проплавления овальной формы перекрыли друг друга на 10–15 %.

Непрерывный герметичный сварной шов будет состоять как раз из цепочки точек сварки. С помощью этой технологии получится соединить листы, толщина которых 0,2 до 3 мм. Поэтому металл пользуется популярностью, если необходимо сделать герметичные емкости сосудов низкого давления, к примеру, топливные баки, сильфоны.

Конденсаторный метод – это подвид шовной сварки титана. Главное отличие заключается в том, что энергия электроимпульса остается в батарее, которая состоит из конденсаторов большой мощности. Модуль управления подает ток на электроды.

Заготовки труб сечением не более 2,3 см и с толщиной стенки до 1,5 мм можно соединить без защитной атмосферы. Дело в том, что сверхмощный импульс способен выжечь окислители в области сварки.

Читайте также: «Сварочный позиционер»

Выбирать режим работы следует с учетом сечения трубы, а также толщины стенки. Конденсаторная батарея имеет емкость 5 000–7000 микрофарад, напряжение импульса составляет 800 до 2100 вольт, усилие сжатия равно 8–24 кН.

Помните, что необходимо выдерживать расстояние вылета труб из вкладышей: 1–1,8 мм. Если этот параметр превысит 2,2 мм, торцы совместятся, шов проварится не полностью.

Возможные дефекты при сварке титана

Во время сварки титана газом могут появляться различный недочеты. К примеру, шов получится излишне пористым. Такая проблема происходит потому, что шовный материал поглощает пузырьки водорода, который попадает в сварочную ванну. Как не допустить возникновение пористости? Для этого придерживайтесь следующих рекомендаций:

• зачистите и обезжирьте рабочие области;
• защитите сварочную ванну и зону остывающего металла.

При проведении сварки титана полуавтоматом или автоматом может образоваться окисный слой, который переходит от линии шва к сплошному металлу заготовок. Чтобы не допустить подобного, необходимо поддерживать защитное газовое облако, пока сварной шов не остынет до 400 градусов Цельсия.

Титан обладает необычными для металла свойствами, он легкий, сверхпрочный, не боится коррозии. Этот металл не отторгается тканями нашего организма. Из него производят элементы для летательных аппаратов, подлодок, велосипедов премиум-класса, а также протезы.

Читайте также: «Сварка нержавейки электродом»

Работая с титаном, не важно, какую технологию вы выберете: лазерную сварку титана или газовую. Чтобы добиться превосходного результата, ученые и инженеры создали нестандартные методы сварки этого материала, а также титановых сплавов, наиболее популярные из которых были рассмотрены нами.