|
Титан. Свариваемость титана.
Титан обладает высокой прочностью до температур 450-500 град. С при малой плотности, высокой коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах и все шире применяется в качестве конструкционного материала в сварных конструкциях различного назначения.
Раздельное или совместное легирование технического титана небольшими добавками некоторых элементов, например 3-6,5% д1, до 2% Мп, 3,5-4,5% V, до 2,5 Сг, 2-3% Sn, значительно увеличивает его прочность (до 100-140 кгс/мм2) (900-1400 МПа) при достаточной пластичности.
Титан имеет полиморфное превращение при температуре 882 град. С и две аллотропические формы: alfa-титан с гексагональной решеткой при температуре до 882 град. С и beta-титан с объемно-центрированной решеткой при температурах выше 882 град. С.
Ряд элементов, в частности алюминий, олово, азот, кислород, повышают температуры полиморфного превращения, расширяют область alfa-титана и называются alfa-стабилизаторами. Такие элементы, как молибден, ванадий, марганец, хром, способствуют сохранению при нормальной температуре высокотемпературной структуры beta-титана и называются beta-стабилизаторами. В зависимости от комбинаций легирующих компонентов сплавы титана могут быть alfa -сплавами, beta -сплавами и alfa+ beta-сплавами.
Сплавы со стабильной при различных температурах структурой (технический титан ВТ1, сплавы ВТ5 и ВТ5-1) термообработкой не упрочняются, поэтому они обладают хорошей свариваемостью. Сплавы со стабильной beta-структурой (типа ВТ14) также имеют высокую термическую стабильность, высокую прочность, пластичность и также хорошо свариваются.
Двухфазные сплавы, где beta-фаза существует при повышенных температурах (типа ОТ4), термообработкой не упрочняются, а сплавы, где beta-фаза может сохраняться при охлаждении до ком-натной температуры (сплавы ВТ6, ВТ14), упрочняются термообработкой и свариваются хуже; термообработка (закалка + искусственное старение) позволяет довести их прочность до 140 кгс/мм2 (1400МПа) при удовлетворительной пластичности.
Основные затруднения при сварке титана связаны с его высокой химической активностью по отношению к газам при нагреве и расплавлении. Так, при температурах 350 град. С и выше титан активно поглощает кислород с образованием структур внедрения, имеющих высокую прочность, твердость (может быть в 2 разе выше, чем у титана) и малую пластичность. Кислород стабилизирует alfa-фазу при его взаимодействии по реакции Ti + О2 = TiO2 с образованием поверхностного слоя большой твердости который называется альфированным слоем.
При нагреве до температуры 550 град. С и выше титан энергично растворяет азот, химически взаимодействует с ним, в результате часто образуются малопластичные фазы внедрения (нитриды):
Ti + 0,5N2 = TIN либо 6Ti + N2 = 2Ti3N.
Азот, находящийся в титане в виде нитридов и элементов внедрения, повышает твердость и снижает его пластичность. Поверхностный слой титана насыщается повышенным количеством азота и кислорода (альфированный слой). Попадание частиц этого слоя в сварной шов приводит к хрупкости металла и образованию холодных трещин, в связи с чем перед сваркой его следует полностью удалять.
Столь резкое повышение прочности и снижение пластичности обусловило жесткое ограничение допустимого содержания этих газов в титане: кислорода до 0,15% и азота до 0,05%.
Водород даже при малом содержании наиболее резко ухудшает свойства титана. Хотя содержание водорода с увеличением температуры падает, водород находящийся в твердом пересыщенном растворе выделяется и образует отдельную фазу - гидриды титана (TiH2), которая сильно охрупчивает титан и способствует образованию холодных трещин через длительное время после сварки (замедленное разрушение). Кроме того, водород способствует образованию пор. В связи с этим обстоятельством допустимое содержание водорода в металле ограничивается до 0,01%, и принимаются все меры к устранению возможности наводороживания металла (например, сварочную проволоку подвергают вакуумному отжигу).
В ряде случаев пригодность титана для сварки предварительно оценивают по величине расчетной твердости, определяя ее по эмпирической формуле
где [О]э - эквивалентное содержание кислорода; [О]э = [%О] + 2 [%N] + 2/3 [%С];
[О], [N], [С] - процентное содержание в титане соответственно кислорода, азота и углерода.
Если НВ < 200 и содержание водорода не превышает 0.01%, технический титан обладает хорошей свариваемостью.
Отрицательное влияние насыщения нагретого и расплавлен го металла газами требует тщательной защиты при сварю только расплавленного металла, но и участков твердого металла, нагретого до температуры 400 град. С и выше. Обычно это стирается применением флюсов, специальных газовых насадок также применением с обратной стороны шва газовых защитных подушек, флюсовых и металлических подкладок. Защита считается надежной, если после сварки поверхность металла имеет блестящую поверхность.
Титан и его сплавы чувствительны к термическому циклу сварки, при нагреве и охлаждении металла в области beta-фазы наблюдается рост зерна. Этому способствует и низкая теплопроводность титана. При охлаждении и старении могут образовываться хрупкие фазы. В результате этих процессов снижаются пластические свойства металла и появляется неоднородность свойств сварного соединения.
При сварке титана и его сплавов используют присадочный металл, близкий по составу к основному металлу. Во многих случаях положительные результаты получаются при использовании проволоки ВТ1-00. Для удаления водорода проволоку обычно подвергают диффузионному (вакуумному) отжигу. Подготовку кромок ведут механическим путем, газокислородной или плазменной резкой с последующим удалением металла насыщенных газами кромок механической обработкой. Перед сваркой поверхности кромок и прилегающего основного металла, а также электродной проволоки тщательно очищают механическим путем или травлением.
В связи с низкой теплопроводностью титана стыковые швы при сварке плавящимся электродом в аргоне имеют характерную конусообразную форму с глубоким проплавлением, что вызывает необходимость для некоторых конструкций наложения галтельных швов (дополнительных швов по краям основного шва), либо перехода к сварке в гелии с целью улучшения формы внешней части усиления шва(более широкий шов). Удельное электросопротивление титана примерно в 4 раза больше, чем у железа, поэтому вылет плавящегося электрода должен быть относительно небольшим.
|
