Сварка титана: все о работе с металлом и его сплавами

Роль титана во многих наиболее ответственных отраслях промышленности переоценить сложно. Но есть у этого металла и некоторые «минусы». К последним относится затрудненная сварка титана и его сплавов, необходимость соблюдения строгих требований.

Свойства металла и специфика процесса его сваривания

Титан обладает наилучшим соотношением твердости к плотности среди металлов. Одновременно, он устойчив к коррозии и может противостоять воздействию даже кислотной среды. Именно эти его свойства с успехом используют в ракетостроении, самолетостроении и других отраслях.

Но есть у металла и другие свойства, накладывающие отпечаток на процесс их обработки.

Так, металл и его сплавы начинают плавиться при t=1600°С. Соответственно, температура сварки титана достаточно высокая. Однако уже при нагреве до 350°С металл начинает активно поглощать из окружающей среды кислород. А нагреваясь до 500°С, он вступает во взаимодействие с азотом. В результате такого взаимодействия образуются твердые, прочные и низко пластичные соединения.

Что касается водорода, то при реакции титана с этим газом металл становится более хрупким, в нем образуются трещины.

Именно с этим связаны основные затруднения, возникающие при сварке титана и изделий из титановых сплавов.

Еще одна особенность, влияющая на сварочные работы – склонность металла к росту зерна (изменению структуры) при превышении температуры 800-850°С. Это также приводит к снижению качества шва и, как следствие, к ухудшению герметичности соединения.

Дело усложняется тем, что из-за низкой теплопроводности титана, увеличивается время нахождения деталей в зоне повышенных температур.

Требования к материалам и процессу

Какие бы способы сварки титана не использовались, все они требуют соблюдения ряда правил:

• Защитный газ должен быть максимально чистым. Самый оптимальный вариант – это смесь аргона и гелия, у каждого из которых есть свои преимущества.
• Электроды лучше использовать лантановые (с добавлением оксида лантана).
• В качестве присадки используют титановые прутки. Перед началом работы их подвергают вакуумному отжигу, что позволяет избавиться от водорода.
• Помимо соблюдения режимов сварки титана необходимо следить за тем, чтобы в помещении, где производятся сварочные работы, температура была не ниже +15°С, а скорость движения окружающего воздуха – выше 0,5 м/с.
• Подаваемый ток должен иметь направленную полярность.

Но самым важным условием является постоянный контроль сварки титана, в том числе, предохранение заготовок от атмосферного воздуха.

Методы сваривания титановых изделий

Несмотря на сложности, для сваривания могут применяться несколько методов. При этом основным условием для любого из них является ограничение доступа газов к рабочей зоне.

Ручная дуговая

TIG сварка титана является самой распространенной. Использовать ее возможно не только в крупной промышленности, но и в быту. Способ и «масштабы» защиты при соединении титановых деталей по этому методу зависит от объема работ и конфигурации изделий.

Если рабочая поверхность небольшая, то достаточно струи газа, вырывающегося из сопла горелки и накладок (для изоляции с внутренней стороны). Если же масштабы работы более значительные, то особенности сварки титана требуют использования специальных защитных камер.

Последние могут быть локальными и обитаемыми. В первые помещают только обрабатываемые детали. Сварщик при этом находится снаружи. Во вторых работникам приходится выполнять работу в спецкостюмах, так как внутрь камер вместо воздуха закачивают аргон.

Данная технология сварки титана и его сплавов предполагает использование вольфрамовых электродов. Что касается силы тока, то она зависит от ряда факторов, в том числе и от толщины заготовок.

Автоматическая сварка

Этот вид обработки также выполняется при помощи электродов из вольфрама.

В целом, данная технология схожа с ручной дуговой, но есть и особенности сварки титана и его сплавов по данному методу. Главная из них заключается в необходимости зажигать и гасить горелку в стороне от шва, чтобы не подвергать его дополнительному воздействию высоких температур. При этом инертный газ должен подаваться на рабочую поверхность еще некоторое время после устранения гашения горелки (минимум 1 мин).

Электрошлаковый процесс

Эту технологию сварки титана используют достаточно редко. Но в некоторых случаях она может быть гораздо эффективнее ручного и автоматического процесса. Например, при работе с 5-ти % титаном с алюминиевыми добавками и содержанием олова. При такой сварке используют электроды из того же сплава, что и свариваемые детали.

Также при работе с титаном и его сплавами может быть использована электронно-лучевая сварка и холодная сварка.