Сварка в машиностроении. Том 2

Акулов А.И.

Машиностроение, 1978 г.

СВАРКА ТИТАНА, ЦИРКОНИЯ И ГАФНИЯ

Титан, цирконий, гафний по свариваемости являются аналогами в связи с общностью химических и кристаллографических свойств. Режим сварки зависит от их теплофизических свойств (температуры и теплоты плавления, теплоемкости, вязкости при различных температурах). Характерными общими особенностями металлов этой группы являются:

а) наиболее высокая (среди тугоплавких металлов) химическая активность по отношению к кислороду, азоту, водороду, с которыми они соединяются непосредственно при повышенных температурах с образованием устойчивых соединений, вызывающих резкое охрупчивание металла; оксиды и нитриды устойчивы при низких и высоких температурах; температура плавления оксидов Ti, Zr, Hf составляет соответственно 1820, 2710, 2811° С, нитридов Ti — 3205° C,Zr — 2980°С; гидриды этих металлов устойчивы при низких температурах, но при 700—800° С разлагаются, что существенно изменяет растворимость водорода;

б) высокая чувствительность к термическому циклу сварки, связанная с протеканием полиморфного α «=± β-превращения, резким ростом зерна высокотемпературной β-фазы при нагреве выше температуры полиморфного превращения, перегревом и образованием хрупких фаз при охлаждении и старении;

в) склонность к замедленному разрушению; характерной особенностью чистых металлов этой группы является высокая сопротивляемость горячим трещинам при сварке, главным образом в связи с малым температурным интервалом хрупкости, а также теплофизическими свойствами при повышенных температурах; однако металлы этой группы проявляют склонность к замедленному разрушению вследствие водородного охрупчивания при наличии растягивающих напряжений I рода; это явление резко интенсифицируется при наличии дополнительных охрупчивающих факторов: повышенном содержании примесей, неблагоприятных структурах, жестком напряженном состоянии;

г) в металлах и сварных соединениях этой группы наблюдается значительная анизотропия свойств в связи с тем, что низкотемпературная «-модификация имеет гексагональную плотноупакованную решетку, для которой характерно это явление.

Радикальными мерами по борьбе с трещинообразованием являются: а) снижение газов в основном и присадочном материале: <0,008% Н₂; <0,1—0,12% 0₂; <0,04% Ν; б) соблюдение правильной технологии сварки для предотвращения попадания паров воды и вредных газов в зону сварки (тщательная подготовка и зачистка сварочных материалов и свариваемого металла, надежная защита металла в зоне сварки и рациональный подбор режимов сварки); для уменьшения склонности к замедленному разрушению целесообразно α - и псевдо α -сплавы титана сваривать на жестких режимах; α -j- β-сплавы — на относительно мягких (скорость охлаждения 10—20 °С/с); в) снятие остаточных сварочных напряжений; г) предотвращение возможности наводороживания сварных соединений при эксплуатации путем выбора сплавов рациональной композиции для работы в средах, где возможно насыщение водородом.

Поры в сварных соединениях, которые чаще располагаются в виде цепочки по зоне сплавления, снижают статическую и динамическую прочность сварных соединений. Их образование [18] может вызываться попаданием водорода вместе с адсорбированной влагой на присадочной проволоке, флюсе, кромках свариваемых изделий или из атмосферы при нарушении защиты. Перераспределение водорода в зоне сварки в результате термодиффузионных процессов при сварке также может привести к пористости. Растворимость водорода в титане уменьшается с повышением температуры. Поэтому в процессе сварки титана водород диффундирует от зон максимальных температур в менее нагретые области, от шва к основному металлу. Основными мерами борьбы с порами, вызванными водородом при качественном исходном материале, является тщательная подготовка сварочных материалов: прокалка флюса, применение защитного газа гарантированного качества, вакуумная дегазация и зачистка перед сваркой сварочной проволоки и свариваемых кромок (удаление альфированного слоя травлением и механической обработкой, снятие адсорбированного слоя перед сваркой щетками или шабером, обезжиривание), соблюдение защиты и технологии сварки. В сварном шве поры могут образоваться вследствие: а) задержания пузырьков инертного газа кристаллизующимся металлом сварочной ванны при сварке титана в среде защитных газов; б) «захлопывания» микрообъемов газовой фазы, локализованных на кромках стыка, при совместном деформировании кромок в процессе сварки; в) химических реакций между поверхностными загрязнениями и влагой и т. д.

При сварке титана плавлением требуются концентрированные источники тепла. Однако в связи с более низким, чем у стали, коэффициентом теплопроводности (в 4 раза), более высоким электрическим сопротивлением (в 5 раз) и меньшей теплоемкостью для сварки плавлением титана тратится меньше энергии, чем при сварке углеродистых сталей. Вследствие низких коэффициентов теплопроводности, линейного расширения и модуля упругости остаточные напряжения в сварных соединениях титана меньше предела текучести и составляют для большинства титановых сплавов (0,6-f-0,8) σ_0;2 основного металла. Наиболее высокие остаточные напряжения возникают в сварных соединениях однофазных как α-, так и β-титановых сплавов или у слабо гетерогенизированных сплавов такого типа (рис. 10).

Высокий коэффициент поверхностного натяжения титана  в сочетании с малой вязкостью в расплавленном состоянии увеличивает опасность прожогов и вызывает необходимость более тщательной сборки деталей под сварку по сравнению с деталями из сталей.

Свариваемые детали разрезают механическим путем. В качестве предварительного метода разрезки с последующей механической обработкой кромок может быть использована также газовая и плазменная резка. Газовую резку титана производят на повышенной, по сравнению со сталью, скорости при одновременном снижении мощности подогревающего пламени из-за более интенсивного выделения тепла в зоне реза. Сварные соединения, выполненные непосредственно после газовой сварки, обладают низкой пластичностью и склонны к растрескиванию в условиях напряженного состояния. Удаление поверхностного слоя после газовой резки механическим путем на глубину 1 мм позволяет получить качественное сварное соединение.

Принципиально разделка кромок при сварке титановых сплавов не отличается от разделок, применяемых для сталей. В зависимости от толщины свариваемого металла сварку производят без разделки, с V-, U-, Х- и рюмкообразными разделками, а также применяют замковые соединения.

Сварку деталей из титановых сплавов производят после того, как снимут газонасыщенный (альфированный) слой. Такой обработке должны быть подвергнуты детали, изготовленные методом пластической деформации (поковки, штамповки и т. д.), а также детали, прошедшие термическую обработку в печах без защитной атмосферы.

Механическое удаление альфированного слоя (зачистка шабером) непосредственно перед сваркой обеспечивает лучшие результаты.

Перед началом сборочно-сварочных работ необходимо очистить детали от загрязнений металлической щеткой и обезжирить органическим растворителем. В качестве органических растворителей можно использовать ацетон и бензин. Технология обезжиривания рекомендуется следующая: промывка свариваемых кромок и прилегающих к ним поверхностей на ширину не менее 20 мм (бязью, капроновыми или волосяными щетками) бензином марки Б-70 и последующая промывка этиловым спиртом-ректификатом или ацетоном; допускается промывка ацетоном.

При сборке конструкций из титана под сварку необходимо соблюдать следующие особенности: а) в связи с жидкотекучестью и высоким коэффициентом поверхностного натяжения расплавленного титана необходимо более высокое качество сборки; б) недопустимы правка и подгонка деталей с использованием местного нагрева газовым пламенем; в) правка и подготовка деталей в холодном состоянии затруднена в связи со значительным пружинением титана; г) необходима надежная защита шва при сварке плавлением от доступа воздуха с обратной стороны шва при выполнении прихваток.

В качестве присадочных материалов при сварке титана плавлением используют холоднотянутую проволоку и прутки, изготовленные из листового металла. Выбор сварочной проволоки определяется условиями сварки и эксплуатации конструкций. Состав проволоки должен быть близок к составу основного металла. Сварочную проволоку из титана и его сплавов изготовляют диаметром 0,8—7 мм. Проволоку подвергают вакуумному отжигу.

При соблюдении рассмотренных требований к качеству исходного материала, подготовки под сварку, технологии сварки свариваемость сплавов титана можно характеризовать следующим образом. Высокопластичные малопрочные титановые сплавы (σ_Β < 70 кгс/мм²) ОТ4-0, ОТ4-1, АТ2, а также технический титан ВТ 1-00, ВТ 1-0, ВТ 1-1 обладают хорошей свариваемостью всеми приемлемыми для титана видами сварки; прочность и пластичность сварных соединений близка к прочности и пластичности основного металла.

Свариваемость титановых сплавов средней прочности (σ_Β = 75-5-100 кгс/мм²) различна. Сплавы ОТ4, ВТ5, ВТ5-1, 4201 (β-сплав) обладают хорошей свариваемостью различными методами; механические свойства сварных соединений также> близки к механическим свойствам основного металла. Сплавы АТЗ, ВТ4, АТ4, СТ5, ВТ20, ОТ4-2 обладают хорошей свариваемостью, однако прочность и пластичность сварных соединений снижаются на 5—10% по сравнению с прочностью и пластичностью основного металла. Сплав ВТ6С обладает удовлетворительной свариваемостью при сварке плавлением и контактной сварке. Предел прочности сварного соединения, выполненного сваркой плавлением, не менее 90% предела прочности основного металла.

Большинство высокопрочных сплавов обладает удовлетворительной свариваемостью. Сплавы ВТ 16, ВТ23, ВТ 15, ТС6 предназначены для применения в термически упрочненном состоянии, сплавы ВТ6, ВТ14, ВТЗ-1 и ВТ22 — как в термически упрочненном, так и в отожженном состоянии. Оптимальные свойства сварных соединений достигаются после термической обработки.