Освоение сварки титана: Проверенные процессы и техники

Титан считается экзотическим металлом благодаря низкому весу, высокой прочности и коррозионной стойкости. Раньше считалось, что качественная сварка титана возможна только в герметичных камерах.

Это реактивный металл, загрязняемый атмосферными газами. Но сварка титана на самом деле не так сложна, как многие думают. Нужно просто обеспечить правильную газозащиту при сварке, остальное очень похоже на сварку других металлов.

Сварка титана

Титан и его сплавы чаще всего сваривают вольфрамом в инертном газе (GTA/TIG) и металлом в инертном газе (GMA/MIG). Сопротивление, плазменная дуга, электронный луч, трение — ограниченно.

Титан и большинство сплавов хорошо свариваются несколькими процессами. Правильно сделанные швы в состоянии «как сварены» вязкие и в большинстве сред столь же коррозионно-стойки, как базовый металл. Неправильные швы могут быть ломкими и менее коррозионно-стойкими.

Техники и оборудование похожи на те, что для других высококачественных материалов — нержавейка, никелевые сплавы. Но титан требует большего внимания к чистоте и использованию вспомогательного инертного газозащищения.

Расплавленный сварочный металл титана должен быть полностью защищен от загрязнения воздухом. Также теплозатронутые зоны и обратная сторона швов должны быть защищены до остывания ниже 427 °C (800 °F).

Титан активно реагирует с воздухом, влагой, жиром, грязью, рефрактарями и большинством других металлов, образуя хрупкие соединения. Реакция с газами и флюсами делает обычные процессы — газосварку, ручную дуговую, флюс-корд, подфлюсовую — непригодными.

Также сварка титана с большинством чужих металлов нецелесообразна — титан образует хрупкие соединения; однако можно сваривать с цирконием, танталом, ниобием.

Несмотря на меры предосторожности, многие предприятия регулярно и экономично сваривают титан, получая вязкие качественные швы со скоростью, сопоставимой с другими высококачественными материалами.

Важное преимущество сварки технически чистых сортов титана — они более 99% чисты, нет сегрегации. То же для наплавной проволоки/стержня чистых сортов.

Сварочная среда

Большинство сварки титана сегодня выполняется в открытых цехах, хотя камерная сварка все еще практикуется ограниченно. Полевые сварки обычны. Где бы ни шли работы, чистая среда необходима.

Отдельная зона, специально отведенная для сварки титана, способствует качественным швам. Зона должна быть чистой, изолированной от грязеобразующих операций: шлифовка, газорезка, покраска. Кроме того, зона должна быть свободна от сквозняков, влажность контролируется.

Подготовка шва

Один из важнейших факторов качественного титанового шва — правильная подготовка.

• Очистите поверхность титана от примесей, масла, жира, грязи. Лучше использовать химия, специально для титана. Чем чище титан, тем прочнее шов.
• Для удаления загрязнений можно использовать парогенератор или разбавленный раствор гидроксида натрия.
• Маленький горячий воздуходувка для удаления остаточной влаги. Но не используйте на легковоспламеняющихся растворителях.
• Все сварочные детали также должны быть чистыми и сухими.
• Никогда не используйте хлорсодержащие чистящие средства на титане.
• Даже руки могут быть источником загрязнения. Резиновые перчатки могут содержать хлор — лучше пластиковые или хлопковые.
• Перед зажиганием дуги убедитесь, что растворители для очистки полностью испарились — у них обычно низкая точка вспышки.

Выбор защитного газа

Так как титан реагирует с воздухом, маслом, грязью, влагой, другими металлами, образуя хрупкие соединения, правильный защитный газ критичен для прочного шва. Обычно используют аргон чистотой 99,999%. Только сверхчистый аргон и гелий дают оптимальную защиту от атмосферы.

При покупке газа берите только у проверенных поставщиков. Даже небольшая примесь вызывает окраску: желтизну (нежелательно). Нечистый газ или неполное покрытие дают синеву и пестрость.

При титане нужно защищать не только лицевую, но и обратную сторону. Любая теплозатронутая зона негативно реагирует на контакт с кислородом.

Для мелких деталей используют герметичные камеры (glove boxes), заполненные защитным газом. Можно применять специальные полиэтиленовые камеры с пург-монитором — проверяют достаточность аргона.

Для идеального покрытия при сварке соблюдайте три уровня защиты:

• Первичная защита (Primary Shielding) — встроена в горелку, защищает расплавленную ванну. Стандартная водяноохлаждаемая горелка с керамическим наконечником и газовыми линзами. Рекомендуется более широкая чаша для лучшего покрытия.
• Вторичная защита (Secondary Shielding) — трайлинг-щиты (trailing shields) на конце горелки гарантируют защиту всех теплозатронутых зон.
• Задняя защита (Backup Shielding) — устройства, похожие на трайлинг-щиты, выполняют ту же функцию. Ручные или приклеенные на месте. Редко встроены в горелку.

Выбор наплавной проволоки

При выборе наплавного металла для титана и сплавов рекомендуем проволоку с теми же свойствами, что базовый материал. Можно выбрать проволоку на один класс прочности ниже базового. В некоторых случаях — совсем другой категории.

Выбор зависит от свойств и комбинации шва. Для повышения вязкости шва:

• При сварке нелегированного титана высокой прочности — наплавка с более низкой текучестью базового.
• Можно использовать нелегированную наплавку для титана классов Ti-5Al-2.5Sn и Ti-6Al-4V.
• Или наплавку с более низким содержанием кислорода, азота, водорода, углерода и других легирующих элементов, чем базовый металл.

Применимые сварочные процессы

Для сварки титана и его сплавов можно использовать:

• Электронно-лучевая сварка (EBW)
• Газовольфрамовая дуговая сварка (GTAW/TIG)
• Сопротивления сварка (RW)
• Лазерно-лучевая сварка (LBW)
• Плазменно-дуговая сварка (PAW)
• Газометаллическая дуговая сварка (GMAW/MIG)
• Тресковая сварка (FRW)

1. Электронно-лучевая сварка

Плавящий процесс с высокоскоростным электронным лучом для соединения двух металлов. Луч контактирует с металлом — интенсивное тепло. Пластины плавятся и сплавляются в твердый шов. Аэрокосмическая промышленность использует EBW за долговечность швов.

Применимо для толщин 6–76 мм и более. Высокое качество швов, низкое загрязнение — процесс в высоком вакууме.

2. Вольфрам-инертный газ / GTAW (TIG)

TIG/GTAW использует нерасходный вольфрамовый электрод, передающий ток дуге. Защитный газ защищает ванну от внешнего загрязнения, вызывающего слабые швы. Нужен наплавной материал/проволока.

Широко используемый процесс для титана и сплавов. TIG без наплавки возможен для квадратных стыков на базовом металле до 2,5 мм. Для более толстых листов нужна наплавка для долговечного шва.

3. Сварка сопротивлением (RW)

Термоэлектрический процесс. Соединяет две детали пропуском контролируемого тока через пластины за контролируемое время. Обычно применяют значительное давление. Тепло строго локализовано в зоне соединения.

Можно использовать для точечных или непрерывных швов титана и сплавов. Особенно полезно при сварке титана с другими металлами — углеродистой или нержавеющей сталью.

4. Лазерно-лучевая сварка (LBW)

Плавящий процесс соединения лазером. Нагревает пересечение пластин, они плавятся и срастаются в шов. После остывания и затвердевания — прочный долговечный шов.

Сварщики все чаще выбирают лазерную сварку для титана — убирает необходимость в вакуумной камере. Но защитный газ все равно обязателен — риск загрязнения остается.

Хотя лазерный и электронный луч — плавящие процессы, область применения лазера уже. Неэффективно на титане толще 13 мм.

5. Плазменно-дуговая сварка (PAW)

Похожа на TIG — тоже использует дугу между вольфрамовым электродом и деталью. Подходит почти для всех классификаций титана, хорошо работает на толстых листах. Методом «ключевой отверстия» (keyhole) можно сваривать однопроходно пластины до 13 мм.

6. Металл-инертный газ (MIG) / Газометаллическая дуговая сварка (GMAW)

MIG использует сплошную наплавную проволоку, непрерывно нагреваемую и подаваемую через горелку. Требует защитный газ для защиты ванны. Многие предпочитают GMAW за высокую производительность и скорость наплавки.

Можно использовать для титановых швов на пластинах >3 мм. Импульсный ток дает качественные швы. Метод дешевле других, особенно для пластин >13 мм.

7. Тресковая сварка (FRW)

Как следует из названия, метод использует трение для соединения. Твердофазный процесс: итоговый шов прочен как базовый металл. Широко применяется в промышленности для труб, трубок, стержней. Хорошо работает там, где обеспечивается чистота стыка без дополнительных защитных мер. Подробнее: Что такое тресковая сварка?

Видео по сварке титана