Как и чем варить титан? Сварка титана: технология и особенности

Титановые детали и конструкции часто находят применение в узкоспециализированных областях, среди которых авиастроение и космическая отрасль. Столь высокое доверие к металлу обуславливается уникальным сочетанием характеристик. При небольшой удельной массе он обладает высокой прочностью, антикоррозийностью и защитными свойствами от химических воздействий. И это далеко не все качества, которыми характеризуется титан. Сварка титана по этим же причинам становится сложной задачей не только для начинающего мастера, но и для профессионалов.

Особенности сварки материала

Физико-химические свойства титана ограничивают использование некоторых высокотехнологичных способов сварки, что заставляет мастеров модифицировать подходящие, но изначально менее производительные методы. Главная сложность в использовании наиболее распространенных способов сварки заключается в повышенной температуре нагрева данного металла. В частности, эффективная работа с ним возможна при режимах термического воздействия порядка 1500-1700 °C. На уровне 500 °C заготовки чаще всего сохраняют базовые прочностные качества. Технологические особенности сварки титана определяются и негативными факторами воздействия на структуру со стороны атмосферного воздуха. В обычном состоянии этот фактор не имеет значения, но в условиях температуры более 400 °C раскаленные зоны будут требовать дополнительной защиты. И это не говоря об основной изоляции непосредственно сварочной ванны. При повышении температуры возникают и сложности другого рода. Так, при достижении 900 °C происходит увеличение зерен и образование крупных пор, что в дальнейшем сказывается на прочностных качествах заготовки.

Общие сведения о способах сварки

Базовыми методами сварочной обработки титана можно назвать дуговой ручной и автоматический способы. Что касается оптимальных сред, то наиболее эффективными считается гелий и аргон. Но важно учитывать, что в первом случае требуется включение в среду некислородного флюса. Также распространен метод электрошлаковой сварки. Его обычно используют в работах с толстыми заготовками, требующими к тому же высокой термической накалки. При грамотной организации неплохой результат обеспечивает и контактная сварка. Данный процесс требует, в частности, устройства сбалансированной защиты газом. Если применять в работе подкладки, то обеспечится высококачественная сварка титана. Технология плавления, например, подразумевает организацию специальной защиты оборотной части заготовки с помощью аргоновых газов. В свою очередь подкладка может обеспечить этой стороне дополнительное предохранение в условиях повышенной температурной нагрузки, об опасностях которой говорилось выше.

Подготовка металла к сварочной операции

Перед операцией титан необходимо соответствующим образом подготовить. В рамках этого этапа выполняется обработка кромок заготовочных элементов, создание защиты противоположных сторон (использование тех же подкладок), а также зачистка прутка присадки. Кроме этого, производится тщательная зачистка наружного слоя заготовки. Его частицы в ходе сварки могут проникнуть в структуру шва, из-за чего он станет хрупким и непригодным к работе в ответственных механических конструкциях. В случаях обработки толстых деталей от 5 см требуется разделка кромок, при которой угол раскроя должен составлять 60°. Если планируется сварка титана и его сплавов, которые до этого подвергались плазменной или газовой резке, то потребуется и зачистка поверхностей швов с ликвидацией слоя толщиной в 3-4 мм. Универсальной мерой уже финальной подготовки перед работой будет устранение внешних загрязнений, масляных пленок и окислов. Для этой процедуры используются мелкозернистые абразивы, напильник и обезжиривание с растворителями. Затем оставшиеся следы зачистки удаляются сухой ветошью.

Ручная дуговая сварка

В процессе задействуется вольфрамовый электрод с подключением источника постоянного тока. Защите подвергается зона вокруг шва, корень шва и ближние затронутые термическим воздействием зоны. Изоляция обеспечивается козырьками, насадками и термически стойкими пористыми материалами, в которые подается газ. Подкладки желательно применять из меди или стали. Если производится обработка трубы, то газ пускается прямо в дуло. Что касается оптимального режима, то для 2-миллиметрового электрода сила тока может составлять порядка 90 А. Это начальный уровень для работы с заготовками толщиной 4-5 мм. Конкретные величины могут изменяться и в зависимости от того, каким образом легировался титан. Сварка титана выполняется на короткой дуге без колебательных манипуляций. Электрод наклоняется противоположно направлению его движения – то есть вперед углом. Резко завершать операцию нельзя. В целях предотвращения образования окислов все защитные приспособления остаются на прежних местах даже после отключения электродов.

Автоматическая сварка

В работе также используется вольфрамовый электрод. Если применяется неплавящаяся разновидность электрода, то подключаемый ток должен иметь направленную полярность. При этом оптимальный размер выходных отверстий горелки составляет 14-15 мм. Техника выполнения в целом соответствует ручному методу, но важно учитывать, что в силу повышенной активности данного металла операции зажигания и гашения при работе с горелкой должны производиться в стороне от места шва. Автоматическая сварка титана аргоном после гашения должна обеспечивать подачу газа еще как минимум 1 мин.

Электрошлаковая сварка

Менее популярный метод, но он может быть эффективнее в работе с отдельными сплавами. Например, при сварке легированного 5-процентного титана с добавками алюминия и олова. В качестве силового источника применяется трехфазовый трансформатор, что свидетельствует о высоких нагрузках в процессе работы. Достаточно отметить силу тока при сварке толстых поковок – в среднем 1500-1600 А. Далее ход операции зависит от того, каким электродом плавится титан. Сварка титана электродом пластинчатого типа с размерами 12х60 мм обеспечивает оптимальное качество шва, который по характеристикам соответствует основной структуре заготовки. В обработке прессованных деталей часто используют такие же электроды, но с диаметром 8 мм. Это решение может показаться оправданным ввиду нетребовательности структуры металла, но прочностные качества шва будут понижены – в среднем 85% от показателя нетронутой структуры.

Контактная сварка

В этом случае многое зависит от скорости работы. Практика показывает, что для крупных заготовок, к примеру, предпочтительным будет режим 2 мм/сек. Увеличение данного показателя приведет к снижению прочности заготовки и положительная функция защитного газа будет минимизирована. Неплохой по качеству результат можно получить, если заранее выполнить более глубокую механическую обработку поверхности заготовки. Благодаря зачистке крупнозернистой наждачной бумагой вкупе с легкой фрезеровкой будет обеспечена стабильная и ровная сварка титана. Отзывы также указывают на достижения хороших результатов при контактной сварке в условиях сбалансированной осадки. Ее следует подбирать из следующего расчета: в среднем на 20% выше, чем при обработке углеродистой стали.

Особенности холодной сварки

Отсутствие термического воздействия, при котором наблюдаются, по сути, разрушительные процессы в структуре титана, делают этот способ почти идеальным, но и тут есть свои нюансы. Холодная сварка производится под высоким давлением, которое деформирует кристаллы структуры, в результате смещая их и образуя общий сплав. Непосредственно сварка производится внахлест с помощью специальных зажимных механизмов. Силовое механическое воздействия также отличает этот способ, что требует более высоких финансовых затрат. Есть и другой недостаток, которым характеризуется холодная сварка. Титан, в конструкции которого есть образованные такой спайкой швы, менее надежен и может задействоваться только в конструкциях, не предполагающих высокие физические нагрузки.

Возможные дефекты при сварке

Одним из самых серьезных дефектов является образование пор. Это газовые примеси в структуре металла, в формировании которых участвовал водород. Исключить этот изъян можно двумя условиями – выполнением качественной всесторонней зачистки перед сваркой и обеспечением эффективной защиты нагретого металла в процессе обработки. Еще одной проблемой может стать появление окислов, которые переходят от места создания шва к цельной структуре. Кстати, от этого недостатка полностью страхует холодная сварка титана. Отзывы самих пользователей свидетельствуют, что предотвратить этот дефект при термической обработке помогает именно долговременное поддержание газовой защиты аргона уже после завершения процесса. Индикатором для снятия защиты станет нормализация температуры шва.

Заключение

Если сравнивать сварку титана с аналогичными операциями над другими металлами, то будет выявлен целый ряд отличий. Прежде всего, они касаются организационного процесса. От исполнителя требуется надлежащим образом подготовить металл, а также позаботиться о приспособлениях, которые защитят основной бесшовный титан. Сварка титана при соблюдении правил термической обработки и выборе оптимального режима для функции электрода с большей вероятностью обеспечит достойный результат по прочности. Собственно, о том, насколько высоко качество образуемого шва, можно судить по его оттенку уже в ходе сварки. Так, серебристый цвет свидетельствует о высокой защите и, следовательно, укреплении структуры шва. Шов с соломенным оттенком менее прочен, но эту ситуацию еще не поздно исправить, скорректировав, например, подачу газа. О том, что в ходе обеспечения защиты были допущены серьезные ошибки, скажет коричневый оттенок.