Освоение сварки титана: проверенные процессы и техники

Титан считается экзотическим металлом благодаря низкому весу, хорошей 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 надлежащую газозащиту при сварке, остальное очень похоже на сварку других металлов.

Сварка титана

Титан и его сплавы чаще всего сваркивают газо-вольфрамовой дугой (GTA или TIG) и газо-металлической дугой (GMA или MIG). Сопротивление, плазменная дуга, электронный луч и сварка трением также используются ограничено. Все процессы дают преимущества для специфических ситуаций.

Титан и большинство титановых сплавов легко сваркиваются несколькими процессами. Правильно сделанные швы в состоянии после сварки вязки и в большинстве сред стойки к коррозии как базовый металл. Неправильные швы могут быть ломкими и менее коррозионно-стойкими.

Техники и оборудование для сварки титана похожи на требования для других высокопроизводительных материалов: нержавейка, никелевые сплавы. Титан же требует большего внимания к чистоте и вспомогательной инертной газозащите.

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

Титан легко реагирует с воздухом, влагой, смазкой, грязью, огнеупорами и большинством других металлов, образуя хрупкие соединения. Реакция титана с газами и флюсами делает обычные процессы — газовую сварку, ручную дуговую, порошковую, подпорошковую — непригодными.

Также сварка титана с большинством разнородных металлов неосуществима — титан образует хрупкие соединения с большинством металлов; однако титан можно сваркивать с цирконием, танталом и ниобием.

Несмотря на меры предосторожности, многие предприятия регулярно и экономично сваркивают титан, получая качественные, вязкие швы со сравнимыми темпами, как для других высокопроизводительных материалов.

Важное преимущество сварки технически чистых марок титана — они более 99% чистого титана, нет сегрегации. То же для наплавной проволоки/прутка технически чистых марок.

Сварочная среда

Большинство сварки титана сегодня выполняется в открытых цехах, хотя камерная сварка все еще практикуется ограничено. Полевые сварки распространены. Где бы ни сваркивали, для титана нужна чистая среда.

Отдельный участок, специально отведенный для сварки титана, помогает делать качественные швы. Участок должен быть чистым и изолирован от грязеобразующих операций: шлифовки, газовой резки, покраски. Также зона сварки должна быть свободна от сквозняков, влажность контролируется.

Подготовка шва

Один из важнейших факторов качественного титанового шва — правильная подготовка.

• Очистите поверхность титана от примесей, масла, смазки, грязи. Лучше использовать химия специально для титана. Чем чище титан, тем прочнее шов.
• Для удаления загрязнений можно использовать парогенератор или разбавленный раствор гидроксида натрия.
• Малый горячий воздуходув для удаления остаточной влаги. Но не используйте на легковоспламеняющихся растворителях.
• Убедитесь, что все свариваемые детали тоже чисты и сухи.
• 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

Поскольку титан легко реагирует с воздухом, маслом, грязью, влагой и другими металлами, образуя хрупкие соединения, правильный защитный газ критичен для прочного шва. Обычно сварщики используют 99,999% чистый аргон. Только очень чистый аргон и гелий дают оптимальную защиту от атмосферы.

При покупке защитного газа берите только у проверенных поставщиков. Даже слегка менее чистый аргон дает окраску. Получите желтизну шва — нежелательно. Нечистый газ или неполное покрытие могут дать синеву и пестрость.

С титаном нужно защитить не только лицевую, но и обратную сторону от атмосферы. Любая термически затронутая зона негативно отреагирует на контакт с кислородом.

Для мелких деталей можно использовать закрытые камеры из перчаточных боксов, заполненных защитным газом. Можно использовать специальные полиэтиленовые камеры с пурга-монитором для проверки достаточного аргона.

Для идеального покрытия при сварке следуйте трем шагам:

• Первичная защита — встроена в горелку, дает основное покрытие для защиты расплавленной ванны шва. Можно использовать стандартный водоохлаждаемый горелку с керамической насадкой и газовыми линзами. Рекомендуем более широкую насадку для лучшего покрытия.
• Вторичная защита — задние экраны (trailing shields) дают второстепенную защиту. Крепятся к концу горелки, гарантируя безопасность всех термически затронутых зон.
• Обратная защита (Backup Shielding) — устройства похожи на задние экраны, выполняют похожую функцию. Ручные или наклеенные на позицию. Редко встроены в горелку.

Выбор наплавной проволоки

При выборе наплавного металла для сварки титана и его сплавов рекомендуем проволоку с теми же свойствами, что базовый материал. Можно выбрать проволоку на одну ступень прочности ниже базового металла. В некоторых ситуациях сварщик может использовать совсем другую категорию наплавной проволоки.

Выбор зависит от свойств и комбинации стыка. Для улучшения вязкости стыка:

• При сварке нелегированного титана более высокой прочности — наплавной металл с нижней пределом текучести базы.
• Можно использовать нелегированный наплавной материал для титана классов Ti-5Al-2.5Sn и Ti-6Al-4V.
• Другой вариант — наплавной металл с меньшим содержанием кислорода, азота, водорода, углерода и других легирующих элементов, чем базовый металл.

Применимые сварочные процессы

При сварке титана и титановых сплавов можно использовать:

• Электронно-лучевая сварка (EBW)
• Газо-вольфрамовая дуговая сварка (GTAW) или TIG
• Сопротивление (RW)
• Лазерно-лучевая сварка (LBW)
• Плазменно-дуговая сварка (PAW)
• Газо-металлическая дуговая сварка (GMAW) или MIG
• Сварка трением (FRW)

1. Электронно-лучевая сварка

Плавленческий процесс с высокоскоростным электронным лучом для соединения двух металлов. Луч генерирует интенсивное тепло при контакте. Плиты плавится и сливаются в твердый шов. Авиация и авиастроение используют EBW за прочность швов.

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

2. Вольфрам-инертный газ / GTAW (TIG)

TIG/GTA использует нерасходный вольфрамовый электрод, передающий ток дуге. Защитный газ защищает ванну шва от внешнего загрязнения, дающего слабые швы. Нужен наплавной металл/проволока для шва.

Широко используется для титана и сплавов. TIG без наплавного материала для стыков "впритык" на базовом металле до 2,5 мм. Для толще — нужен наплавной металл для прочности.

3. Сварка сопротивлением (RW)

Термоэлектрический процесс. Соединяет две детали пропуском контролируемого тока через плиты на контролируемое время. Обычно значительное давление. Тепло строго ограничено зоной соединения.

Можно для точечных или непрерывных швов титана и сплавов. Особенно полезно для сварки титана с другими металлами: углеродистой сталью или нержавейкой.

4. Лазерно-лучевая сварка (LBW)

Плавленческий процесс соединения лазером. Нагревает пересечение плит, они плавится и сливаются в шов. После застывания ванны — прочный шов.

Сварщики все чаще предпочитают лазерную сварку для титана — устраняет вакуумную камеру. Но защитный газ обязателен — риск загрязнения остается.

Хотя электронный и лазерный луч — плавленческие процессы, область применения лазера ограниченнее. Неэффективно для титановых плит толще 13 мм.

5. Плазменно-дуговая сварка (PAW)

Похожа на TIG — дуга между вольфрамовым электродом и заготовкой. Подходит почти для всех классов титана, хорошо работает на толстых листах. Метод "ключевой дыры" (keyhole) позволяет однопроходную сварку плит до 13 мм.

6. MIG / Газо-металлическая дуговая сварка (GMAW)

MIG использует твердую наплавную проволоку, непрерывно нагреваемую и подаваемую горелкой. Требует защитного газа для ванны шва. Многие предпочитают GMAW за высокую наплавку и производительность.

Можно для титановых швов на плитах толще 3 мм. Импульсный ток дает качественные швы. Метод менее затратен, особенно для плит толще 13 мм.

7. Сварка трением (FRW)

Метод использует трение для соединения двух металлов. Твердофазный процесс, где итоговый шов прочен как база. Широко используется в отраслях, полезно для труб, трубок, стержней. Особенно хорошо там, где можно достичь чистоты стыка без доп. защитных мер. Подробнее: Что такое сварка трением?

Видео сварки титана