Сварка титана

Особенности сварки титанового металлопроката

Титан – необычный химический элемен. Он отличился рядом уникальных химических и физических свойств, благодаря которым продукция на его основе стали широко применяться в самых разных областях промышленности и машиностроения. В нём сочетаются прочность, лёгкость и устойчивость к воздействию окружающей среды.

Но, как и прочим металлоизделиям, данным приходится подвергаться обработке. Благодаря сварке существует возможность создавать из изделий сложные конструкции и механизмы для реализаций самых разных проектов.

Титановый прокат не является исключением: из-за его свойств и особенностей подход должен отличаться.

Трудности в работе

Титановая продукция должна проходить должную подготовку перед процессом. Производится подготовка изделия и проволоки с помощью травления или же механической обработки. Но из-за высокой химической активности вещества возникает ряд проблем, с которыми сталкиваются сварщики при работе с материалом. Будучи нагретым и расплавленным, он реагирует с кислородом, азотом и водородом, содержащимися в воздухе.

Больше всего этот элемент реагирует с оксигеном, в ходе чего образуется оксидная плёнка, защищающая металл от дальнейшей реакции с газами из воздуха. Однако при сильном нагревании на поверхности изделий образуются характерные окислы, значительно снижающие пластичность и гибкость металлоизделий в области шва.

С химической точки зрения во время процесса сильного нагревания, происходят реакции, продукты которых имеют разные степени окисления, позволяющие достаточно точно определить, насколько хорошо были соблюдены все правила по защите области шва. Всё потому что оттенок окислов вариативен от светло-желтоватого к чёрно-фиолетовому: чем больше газа вступило в реакцию, тем темнее будет след.

Если нагрев превышает температуру 500 градусов по Цельсию, то атомы титана начинают реагировать с молекулами азота, что ещё больше влияет на качество проката в месте сварки: в значительной степени падает пластичность.

Однако азот может доставить проблемы не только таким образом. Детали, подвергающиеся сплавлению, должны тщательно очищаться от особого слоя на поверхности, называющегося альфинированным. В его состав как раз входит всё тот же азот. Если пренебречь этой процедурой, то ходе работ его молекулы окажутся внутри структур металла, что позже вызовет холодные трещины.

Третьим газом, создающим сложности, является водород. Реакция с ним начинается уже в диапазоне 200-400 градусов, в следствие чего вещество воспламеняется. Даже если активного огня удалось избежать, всё равно образуются гидриды, провоцирующие всё те же трещины, если не сразу, то в долгосрочной перспективе.

Делаем вывод, что титану нужна надёжная защита от воздуха, с которыми он может бурно прореагировать в ходе нагревания, что приведет к неминуемой порче и ненадёжности шва.

Для таких подходят следующие типы сварок:

• дуговая в среде инертных газов неплавящимся или плавящимся электродом;
• дуговая под флюсом;
• электрошлаковая;
• электронно-лучевая;
• контактная.

Основное отличие этих пяти видов заключается в различии между материалами, входящих в состав электродов, и структурой соединений. Подбирается метод также исходя из толщины изделий.

Но все эти способы объединяет то, что для процесса необходимо подобрать сырьё, схожее со свариваемыми частями, иначе это называется «присадочный материал». Чаще всего применяют проволоку марки ВТ1-00 для титанового металлопроката.

Характеристика разных видов сварки

Все методы сваривания титана стоит рассмотреть отдельно, чтобы понять их особенности:

• Дуговая в среде инертных аргона и гелия:

Из названия нам уже становится ясно, что процесс происходит непосредственно в среде инертного газа, например в чистом аргоне или его сочетания с гелием в разных пропорциях. Газовая смесь выпускается через сопло горелки, покрывая и защищая свариваемую зону от контакта с воздухом.

С противоположной стороны места стыка двух деталей подкладываются планки с канавкой, сделанные из меди, по которым подаётся аргон. Но этот метод подходит только для довольно простых деталей. Сложные работы проводятся в специализированных камерах.

• Дуговая под флюсом:

Данный вид также проводится с помощью электронной дуги, однако с тем отличием, что в этом процессе применяется специальный сварочный флюс – порошок, используемый для того, чтобы защитить титановую продукцию от негативного воздействия окружающего его кислорода при нагревании.

При ДС этого типа электродуга горит под слоем флюса между концом присадочного материала, а то есть проволоки, и поверхностью металлоизделий. Флюсовый порошок распределяется насыпным методом прямо перед дугой из специального бункера. Слой должен быть в толщину 40-80мм и в ширину 40-100 мм. Излишки захватываются пневмоотсосом обратно в ёмкость и задействуется в работе снова.

В процессе сгорания флюсового порошка и металла образуется газовое облако, служащее защитой от кислорода, водорода и азота. В конце от флюса остаётся шлаковая корка, легко удаляющая с готовой конструкции.

• Электрошлаковый метод:

ЭШС – нагреваются области плавления от тепла шлаковой ванны при подаче электрического тока. Так называемый шлак служит защитой титана в области шва от химической реакции с веществами из воздуха. Эта методика относится к бездуговым: в ней для нагрева с последующим плавлением металла-присадки применяется ток, идущий через расплавленный флюс. Для создания шва устанавливаются также ползуны-катализаторы, изготовленные из меди, которые в ходе работ охлаждаются водой и смещаются по направлению сваривания.

• Электронно-лучевой способ:

ИЛС – сварочная методика, изобретённая в Росси, суть её заключается в подаче электронного пучка, энергией в котором служит кинетический заряд электронов. Формируется сгусток энергии с помощью специальной электропушки. Такая способ особенно распространён в аэрокосмической промышленности, где как раз широко используется титан, но важнейшим преимуществом является аккуратность швов и глубина проплавления металла – это даёт возможность сплавлять конструкции с большой толщиной стенок.

Работы проводятся в специальной камере, из которой откачивается весь воздух до состояния вакуума, а следовательно, газообразных соединений, с которыми мог бы прореагировать расплавленных титан в зоне сварного соединения, попросту нет.

• Контактная:

Контактный метод – ещё один способ получить качественный шов. При точечной сварке дополнительная защита средой инертных газов может не потребоваться, так как данная технология предусматривает плотные контакт и сжатие свариваемых арматур. Но если же работы планируются более масштабными, то обязательно применение аргона для предохранения расплавленных участков от контакта с воздухом.

Благодаря тому, что титан обладает довольно низкими электро- и теплопроводностью, а следовательно, существует возможность многоэлектродной методики.

Но несмотря на все свои химические и физические особенности, титан, как и другие металлы, поддаётся качественному сплавлению, причем, имеется возможность подобрать наиболее подходящий метод и технологию в зависимости от типов изделий и их назначения.

Индустрия металлургии не стоит на месте, и в будущем уже имеющиеся методики и технологии обязательно будут совершенствоваться, а также будут изобретаться новейшие способы обработки и локального сплавления металлов, в том числе и такого прихотливого металла, но уже незаменимого во многих отраслях машиностроения, как титан.