Сварка титана - Структура и свойства сварных швов

Рассмотрим влияние различных видов сварки на химический состав, свойства и структуру сварных швов различных типов титановых сплавов. Каждый конкретный вид сварки изменяет структуру и степень легирования металла шва вследствие различного разбавления шва основным металлом и дополнительного введения электродного металла, состав которого может отличаться от состава основного металла, а также вследствие изменения газосодержания металла шва. Таким образом, воздействие вида сварки на свойства металла шва титановых сплавов определяется несколькими основными факторами: химическим составом электродного металла, обеспечивающим оптимальное сочетание прочности и пластичности; соотношением доли основного и электродного металла при различных формах разделки кромок, характерных для данного вида сварки; структурой и фазовым составом, зависящими от термического цикла сварки и последующей термической обработки; возможностью образования различного рода дефектов, присущих данному виду сварки, и влиянием их (в особенности непроваров и пористости) на физико-механические и эксплуатационные характеристики; дополнительным газонасыщением расплавленного металла газами (азотом, кислородом и водородом) и влиянием этих газов на различные свойства и особенно на склонность к хрупкому и задержанному разрушению. Влияние всех указанных факторов возрастает по мере повышения прочности сплавов. Выбор того или иного вида сварки в основном зависит от химического состава свариваемого сплава и его толщины.
Сварные швы а- и псевдоа-сплавов. На однофазных а-сплавах и псевдоа-сплавах практически для всего диапазона свариваемых толщин возможно использование различных способов сварки, при которых формирование литого металла шва происходит как непосредственным проплавлением основного металла, так и дополнительным вводом электродного присадочного металла. При этом основное значение при сварке а- и псевдоа-сплавов имеют взаимодействие расплавленного металла шва с защитными средами и возможность обеспечения минимального газонасыщения металла шва. Прочностные свойства литого металла независимо от толщины близки к свойствам основного металла, а снижение пластичности связано с особенностями формирования литой структуры. Для таких сплавов характерен значительный размер литого зерна, который зависит от величины погонной энергии данного вида сварки. Для всех а- и псевдоа-сплавов возможно использование электродного металла из технического титана ВТ1-00, сплава ВТ2 (Ti-ЗА1) либо сплава, аналогичного по составу основному металлу. При этом во всех случаях независимо от изменения скорости охлаждения в шве фиксируется а-или а'-фаза. Характер формирования а- или а'-фазы в швах в основном зависит от скорости охлаждения wo в интервале р-мх- или а'-пре-вращения.
При малых скоростях охлаждения образуются широкие и длинные пластины, при высоких скоростях охлаждения формируется мелкоигольчатая а- или а'-фаза. Изменяя скорость охлаждения, можно в определенных пределах управлять структурными превращениями в металле шва. Так, характерное для электрошлаковой сварки увеличение погонной энергии, замедляющей скорость охлаждения в мартенситном интервале, приводит к превращению тонких игл а-фазы на сплаве ВТ1-0 в крупные зерна с зазубренными границами. Дисперсность структурных составляющих существенно влияет на пластические свойства металла шва. Для указанных сплавов изменение пластичности в зависимости от скорости охлаждения происходит по кривой с максимумом и связано с величиной зерен литой структуры и дисперсностью а- или а'-фазы. При медленном охлаждении происходит снижение пластичности литого металла в результате увеличения размеров зерен. Высокие скорости охлаждения приводят к снижению пластичности вследствие образования мелкоигольчатой а или а'-фазы.
Для сплавов этой группы характерно то, что механические свойства и структура металла шва изменяются незначительно при сварке всего диапазона толщин и использовании различных методов сварки. Отжиг после сварки стабилизирует структуру, но не влияет на механические свойства шва, в связи с чем термообработка сварных соединений сплавов этих типов, в том числе и технического титана, проводится только для уменьшения величины внутренних напряжений от сварочного цикла, а также для уменьшения концентрационных пиков водорода в различных зонах сварного соединения. Это подтверждается и структурами сварных швов, показанными на рис. 46.
Влияние различных технологических факторов на механические свойства металла шва без учета влияния легирующих элементов удобнее рассматривать на примере сплава BT1-0.

При всех видах сварки сплава BT1-0 прочность металла шва определяется исходной прочностью основно-го металла и присадочной проволоки. Если при сварке происходит значительный рост зерна, а также дополнительное газонасыщение металла шва, его прочность может превысить исходную при одновременном снижении пластичности. Результаты исследований, приведенные в работе, показали, что при сварке сплава ВТ1-0 неплавящимся электродом без присадки увеличение содержания водорода в основном влияет на ударную вязкость и угол изгиба металла шва, не изменяя его твердости. Увеличение содержания кислорода и азота сильно влияет на твердость и пластичность при испытании на угол изгиба. Особенно опасно газонасыщение поверхностных слоев шва. Повышение содержания кислорода с 0,15 до 0,38% (при сохранении 0,02% N) снижает угол изгиба металла шва на сплаве ВТ1-0 толщиной 1,5 мм со 180 до 100° С. С ростом толщины свариваемого металла и увеличением погонной энергии сварки глубина слоя с повышенной твердостью (загрязненного кислородом и азотом) растет, в то время как содержание водорода в металле шва при сварке без введения присадочных проволок становится более низким, чем в основном металле, вследствие его десорбции из расплава и диффузии в околошовную зону. Уменьшение пластичности металла шва, связанное с кислородом и азотом, повышает его чувствительность к влиянию уровня водорода и склонность к хрупкому и задержанному разрушению. Данные подтверждают влияние кислорода и азота на склонность металла шва сплава ВТ1-1 к образованию трещин при увеличении содержания водорода.

Таким образом, от вида и технологии сварки непосредственно зависит содержание газов в металле шва и, следовательно, его механические и эксплуатационные свойства. Исследованиями установлено, что состояние защитной газовой атмосферы в сильной степени влияет на интенсивность поглощения и содержание газов в металле шва,
В зависимости от вида и режимов сварки происходит изменение величины эффективной тепловой мощности дуги, что ведет к изменению количества водорода, поступающего в газовую фазу защитной атмосферы.
Источником насыщения металла шва водородом может служить и адсорбированная влага, находящаяся на свариваемых кромках и электродной проволоке. Растворимость водорода в сварочной ванне зависит также в значительной степени от содержания легирующих элементов в металле шва. Экспериментальные данные по величине содержания водорода в металле шва, полученные в работах, показывают, что при всех основных видах сварки плавлением в среде защитных газов применение аргона первого состава и электродной проволоки, прошедший вакуумный отжиг исодержащей до 0,0006% Н, позволяет получать металл шва с более низким содержанием водорода, чем в основном металле, за счет его обезводораживания и перехода водорода в газовую фазу. При автоматической сварке под флюсом (без дополнительной защиты аргоном), так же как и при ЭШС, происходит дополнительное газонасыщение металла шва кислородом и водородом.
В то же время выполнение автоматической сварки в вакууме резко снижает газонасыщение металла шва вследствие дополнительной его дегазации; при этом происходит уменьшение прочности и повышение пластичности шва. Аналогичные процессы дегазации происходят и при электроннолучевой сварке, причем величина снижения концентрации газов в металле шва зависит в первую очередь от глубины разрежения, а также от погонной энергии процесса сварки и скорости охлаждения металла шва. Повышение концентрации кислорода или азота в металле шва определяется объемом и временем существования сварочной ванны, что зависит от вида и режимов сварки и парциальных давлений этих газов в защитной атмосфере.
Независимо от типа сплавов при сварке конструкций рекомендуется вести процесс в камерах с защитной атмосферой либо обеспечивать тщательную, устойчивую защиту всей зоны сварки. Например, при электрошлаковой сварке металла большой толщины из титановых сплавов невозможно полностью предохранить расплавленный металл от воздействия газов атмосферы с помощью одного только шлака, поэтому дополнительно создается газовая защитная атмосфера путем подачи аргона над шлаковой ванной [ПО]. Нарушение этих условий приводит к значительному газонасыщению металла шва, особенно его поверхностных слоев. При сварке в контролируемой атмосфере увеличение общего содержания газов в металле шва незначительно, а содержание водорода в металле шва вследствие его десорбции и диффузионного перемещения в околошовную зону даже снижается. Результаты исследования микротвердости и газонасыщения сварных швов показывают, что только при электроннолучевой сварке в вакууме не повышается твёрдость шва. Все остальные способы сварки ведут к повышению твердости в результате увеличения газосодержания поверхностных слоев шва.