ОСНОВЫ СВАРКИ СУДОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ

Титан является ярко выраженным химически активным металлом. Из основных физических свойств чистого титана следует отметить низкую плотность (4,5 г/см1) и теплопроводность (15,1 Вт/м К), от­носительно низкую прочность (а =245.,.345 МПа), высокую пластич­ность (5=30,„50%); модуль нормальной упругости Е, принимаемый для инженерных расчетов, равен 10800 МПа. Титан немагнитен и облада­ет высокой коррозионной стойкостью в различных средах, в том чис­ле морской воде. В чистом виде титан, ввиду его относительно невы­сокой прочности, как конструкционный материал имеет ограниченное применение. Более широко применяются сплавы титана.

В зависимости от системы легирования все сплавы титана делятся на три группы: а-сплавы, аф-сплавы и р-сплавы. Наибольшее применение в промышленности имеют а-сплавы (и бетированные а-сплавы) и а-р-спла - вы. Из широко известных отечественных а-сплавов следует отметить ПТ-ЗВ (а > 600 МПа), ПТ-7М (а > 400 МГІа). ОТ4-0, ОТ‘4-1, ОТ4 (as > 400, 500 и 600 МПа соответственно). Поставка этих сплавов осу­ществляется по ГОСТ 19807-74.

Сплавы a-группы получают легированием чистого титана элемен­тами, повышающими стабильность а-фазы (к ним относятся алюминий и олово). Сплавы p-группы легируют элементами, повышающими ста­бильность p-фазы (к ним относятся хром, марганец, железо, медь, вана­дий, молибден, тантал и др.). К a-p-сплавам также относят сплавы ком­плексного легирования, содержащие при комнатной температуре а - и P-фазу. Практически все a-сплавы не упрочняются термической обра­боткой. Упрочнение же a-p-сплавов осуществляется термообработкой, эффект которой тем выше, чем больше в сплаве содержится p-фазы. Для сварных конструкций наиболее приемлемы a-сплавы титана либо a-p-сплавы с относительно невысоким содержанием р-стабилизатора.

Такие сплавы, наряду с высокой удельной прочностью, немагнитно - стью и высокой коррозионной стойкостью во многих средах, обладают хорошей свариваемостью и, как правило, не требуют последующей тер­мической обработки.

Рассматривая особенности свариваемости титана и его сплавов, не­обходимо отметить следующие.

1 Высокая химическая активность металла при его нагреве и расплав­лении приводит к значительному поглощению им кислорода, азо­та и водорода. Предел растворимости кислорода в титане состав­ляет (14,5% масс.), в жидком титане он может раствориться до

2. „6% Ог Увеличение содержания кислорода в металле до 1 % пе­реводит его в совершенно хрупкое состояние; при охлаждении он самопроизвольно растрескивается. Кроме этого, металл будет продолжать окисляться в процессе охлаждения в твердом виде и будет покрываться хрупкой пленкой окислов. Поэтому одной из основных задач при сварке титана является организация надеж­ной защиты нагретых и расплавленных зон от проникновения к ним газов воздушной атмосферы. Такой защите должна подвер­гаться область металла в районе сварки, нагреваемая от темпера­туры 500 °С и выше (рис. 9.8).

2. Второй трудностью, органично связанной с первой, является на­личие в основном металле (и в присадочной проволоке) вредных примесей: кислорода, азота и водорода. Эти примеси отрицатель­но влияют на пластичность металла (уменьшая ее) и прочност­ные его характеристики (увеличивая их). Иными словами, уве­личение содержания таких примесей как кислород и азот значительно охрупчивают металл, а водород может приводить к замедленному его разрушению. Поэтому содержание указанных вредных примесей в свариваемых сплавах и в сварочных прово­локах строго нормируется. Так, для технически чистого титана марки ВТ-1 содержание кислорода составляет до 0,15%, азота до 0,05%, углерода до 0,1% и водорода до 0,01%. Еще большие огра­ничения существуют для электродной (присадочной) проволо­ки из технически чистого титана: кислорода не более 0,12%, азо­та не более 0,04 % и водорода не более 0,0025% (такое содержание водорода достигается вакуумной дегазацией проволоки).

3. Водород в условиях сварки даже при его низком содержании в сплаве и присадочном металле может диффузионно пере­мещаться и образовывать зоны повышенной концентрации в районе линии сплавления (особенно в случае, когда химичес­кие составы основного и присадочного металла различны). Это ведет к разнице пределов растворимости в них водорода. С количеством содержания газов в металле шва (в первую очередь, водорода) связывают возможность появления в нем газовой пористости. Характер растворения водорода в тита­не с изменением температуры (но сравнению с другими ме­таллами) имеет свою специфику (с повышением температу­ры оно уменьшается вплоть до температуры плавления; при ее достижении существует скачок увеличения растворимос­ти, затем растворимость опять уменьшается). Поэтому выде­ление водорода из ванны может иметь место тогда, когда его содержание в жидкой фазе существенно превышает раство­римость водорода в твердой фазе при температуре кристал­лизации. Это наблюдается при высоком содержании водоро­да (паров воды) в газовой фазе, на поверхности кромок или сварочной проволоки либо при большом времени пребыва­ния ванны в жидком состоянии. В последнем случае усили­вается процесс порообразования за счет выделения нераство­римых в титане паров воды, гидроокислов и окислов углерода, которые образуются из-за взаимодействия окислов титана с водородом.

4. Низкая теплопроводность титана приводит к тому, что изотермы вдоль шва вытягиваются, а это делает необходимым увеличение зоны защиты, особенно при сварке на высоких погонных энерги­ях (см. рис. 9.8). Одновременно это приводит к уменьшению ши­рины ЗТВ. Коэффициенты теплопроводности и термического расширения у титана невелики, однако, несмотря на это сумма остаточных укорочений по сравнению со сталью практически не

уменьшается, так как усредненный коэффициент — зависит от

Ф

объемной теплоемкости, а она у титана примерно в 1,5 раза мень­ше, чем у низколегированной стали. Поэтому при сварке титано­вых конструкций необходимо принимать те же меры по борьбе с деформациями, что и при сварке стальных конструкций; особен­но эффективным здесь является способ создания пластических деформаций металла шва.

5. Удельное электрическое сопротивление титана почти в 1,6 раза больше, чем у алюминия и почти в 4 раза больше, чем у железа. Поэтому при механизированной сварке плавящимся электродом его вылет должен быть значительно меньше.

6. а-сплавы (и бетированные а-сплавы), как правило, имеют хоро­шую свариваемость. Увеличение количества (3-стабилизатора (на­пример, ванадия) приводит к увеличению чувствительности ме­талла ЗТВ к термическому циклу сварки, что определяется характером фазовых превращений в сплаве. При малых скоростях охлаждения увеличение зерна в металле ЗТВ идет с повышением содержания ванадия. Увеличение скоростей охлаждения приводит к уменьшению степени различия в величине зерна вне зависимос­ти от содержания ванадия в металле. При его большом содержа­нии игольчатая структура, выделяющаяся при охлаждении а - фазы, более груба. Увеличение погонной энергии сварки приводит к уменьшению скоростей охлаждения и увеличению времени выдер­жки при температурах выше критической. Оба фактора способ­ствуют росту зерна в металле зоны. На рис, 9,9 показано влияние погонной энергии на рост зерна в ЗТВ и изменение вязких и проч­ностных свойств металла ЗТВ для бетированного а-сплава марки ПТ-ЗВ: значительное изменение величины погонной энергии прак­тически не влияет на изменение твердости. Ударная вязкость за­кономерно снижается с увеличением поперечника зерна, однако остается выше нижних значений ее по стандарту. Это дает основа­ние считать а-сплавы титана (в том числе и бетированные) терми­чески вялыми и хорошо свариваемыми во всем диапазоне погон­ных энергий (от ручной сварки до электрошлаковой).

Если в сплаве при комнатной температуре присутствует (3-фаза, то высокие скорости охлаждения металла могут приводить к увеличению степени его охрупчивания при больших скоростях нагружения и при­сутствии концентратора напряжений. Это можно объяснить специфи­кой растворения водорода в сплаве такой системы легирования при его охлаждении. При достаточном его содержании в металле возникают крупные колонии пластинок гидридной фазы (ТіИ ), расположенные по границам a-фазы. Если сплав не имеет (3-стабилизатора, то увеличе­ние скоростей охлаждения повышает ударную вязкость металла, а в структуре наблюдается выделение дисперсных гидридных пластин по границам a-фазы. Предел растворимости водорода в (3-фазе выше, чем в a-фазе, однако из-за выделения гидридных пластинок и повышения чувствительности металла ЗТВ к охрупчиванию при различного рода нагрузках содержание водорода в а - и а-бетированных сплавах реко­мендуется ограничивать до 0,006%,

7, Сплавы системы а+(3-легирования при сварке обладают определен­ной спецификой, В условиях резкого охлаждения при небольшом количестве (3-стабилизаторов в металле ЗТВ будет иметь место a-структура. При увеличении содержания (3-стабилизаторов выше определенного предела в металле наряду с а-фазой начинает фик­сироваться и (3-фаза. Поэтому свариваемость этой группы сплава напрямую зависит от содержания в сплаве (3-стабилизаторов, Так, если сплав содержит более 5% (3-стабилизаторов, то в металле зоны термовлияния наблюдается конгломерат фаз (а'-(3-ы), что ведет к увеличению хрупкости. Поэтому для улучшения свойств сварных соединений необходимо производить после сварочную термичес­кую обработку конструкции (нагрев до 750...800 °С, охлаждение с печью до 550 °С и далее на воздухе). Скорости охлаждения металла в ЗТВ (а значит и режимы сварки и подогрева) должны выбираться так, чтобы получить в ней структуры с максимальной пластичнос­тью (рис. 9.10). Высокие скорости охлаждения приводят к образо­ванию мелкодисперсной хрупкой а’-фазы. Снижение скорости ох­лаждения дает более пластичный металл со смесью а - и а'-фазы. Очень медленное охлаждение приводит к росту зерна (3-фазы с об­разованием крупнозернистой a-фазы. Поэтому наилучшим, но и наиболее сложным будет термический цикл, выдержанный в соот­ветствии с кривой 4 (см. рис. 9.10).

Особенности газовой защиты при сварке титановых сплавов. Учи­тывая высокую химическую активность титана и его сплавов, основ­ным способом сварки этих материалов является дуговая сварка плавя­щимся и неплавящимся электродом в среде инертных газов. Зонами

защиты здесь является не только сварочная ванна, но и область нагре­того до 500 °С металла шва и ЗТВ.

1-3 - скорости охлаждения но мере их уменьшения; -1 - рекомендуемый термический цикл при сварке; 5, 6 - начало и конец превращения еооюеіе чиенио

При струйной защите[9] зона расплавленного металла защищена га­зом, истекающим из сопла горелки, а остывающий металл шва - газом, истекающим из специальной приставки, соединенной с горелкой (рис. 9.11).

II - СОПЛО горелки Є доно. пнпелыыи НО,(січем ІСІ. М и пристыжу .(ЛЯ ШНПН'Ы (кчмшношего шип; о сопло і оре. ікп с і а к> інпіи mini присыпном, ионоль. іуіоіцей ноток і ала и і оеікшноео еонла

Длина приставки L зависит от режимов сварки и при ее выполнении на больших токах может достигать 500 мм (автоматическая сварка). Качественная защита обеспечивается при высокой чистоте газа (не ме­нее 99,99%); при этом поток истекающего газа в зоне зашиты должен иметь концентрацию, равную исходной на срезе сопла горелки.

Сварка химически активных материалов должна производиться только в зоне потенциального ядра струи со свободным ламинарным пограничным слоем. Относительно невысокая эффективность (рассто­яние между срезом сопла и ванны, при котором обеспечивается каче­ственная защита жидкого металла) околошовной зоны при струйной защите на широко распространенных в промышленности горелках объясняется неоднородностью профиля скоростей и высокой турбулен­тностью потока на плоскости среза сопла. Увеличить расстояние от среза сопла до ванны с обеспечением качества защиты до величины 1,5Д можно, применив сопла в виде конуса с телесным углом раскрытия и конечной цилиндрической частью, имеющей длину порядка диаметра сопла (рис. 9.12).

//* Л

д д

Рис. 9.12. Варианты конструктивного оформления сопел горелок: а - цилиндрическое: 6 - ш. нюдненноо но криіюіі Ііи гошинекого

При наличии поперечных сносящих потоков воздуха (сквозняков) следует пользоваться специальными конфузорными соплами, проточная

часть которых выполнена по кривой Внтошннского; она плавно сочета­ется с цилиндрической частью сопла, В цилиндрической части такого сопла установлена мелкоячеистая сетка, предназначенная для гашения турбулентного потока газа и увеличения длины ядра за конфузором при больших скоростях его истечения.

Высокая химическая активность титановых сплавов предъявляет к технологическим процессам изготовления конструкций ряд специфи­ческих общих требований. К ним относятся;

• отсутствие сквозняков в помещениях для сварки, чистота рабо­чих мест для сборки и сварки конструкций, отсутствие запылен­ности, возможность мокрой уборки, наличие стабильно работа­ющей общеобменной вентиляции;

• необходимость тщательной зачистки сварочных поверхностей, присадочной и электродной проволоки от органических и неор­ганических загрязнений (иногда с применением специальной технологии травления, мойки и сушки);

• проведение входного контроля основного материала присадоч­ной и электродной проволоки и инертных газов на соответствие содержания вредных примесей поставочной технической доку­ментации (кислорода, азота и водорода);

• тщательная механическая обработка кромок деталей после кис­лородной или плазменной резки [удаление окисленных (альфи- рованных) слоев на глубину 1,5,„3,0 мм].

При наличии приставки в горелках для ручной сварки расход в нее инертного газа составляет примерно 1/3 расхода в сопле горелки. Этот способ рационально применять во всех пространственных положениях в толщинах до 18...20 мм.

Сварка производится на постоянном токе прямой полярности. Соединения малых толщин (до 2,0...5,0 мм) выполняются без раздел­ки кромок с односторонним или двухсторонним формированием шва. В первом случае стыковые соединения толщиной до 8 мм, как прави­ло, выполняются на подкладке. При сварке, во избежание окисления, производится поддув инертным газом (табл. 9.3) для защиты обрат­ной стороны формирующегося шва. Установки для сварки должны пре­дусматривать аппаратуру, обеспечивающую пуск газа за 15...40 с до включения тока (продувка газовых магистралей) и выключение газа через 30... 150 с после выключения тока (для защиты газом охлаждаю­щегося металла).

Одной из установок для этого вида сварки является ПРС-ЗМ, позволяющая производить сварку неплавящимся электродом во всех пространственных положениях на токах до 500 А с регулировкой тока

через 50 А. ГТодача присадки может быть в принципе механизирована (проволоки диаметром 1,2... 1,6 мм).

Автоматическая сварка титановых сплавов может производиться неплавящимся и плавящимся электродом, В большинстве случаев пред­почтение следует отдавать первому способу, так как он обеспечивает более стабильный процесс горения дуги, практически без разбрызгива­ния, и способствует получению плотных, беспористых сварных швов с хорошим их формированием. Процесс сварки плавящимся электродом ведется на больших токах и в ряде случаев имеет большую производи­тельность, нежели процесс сварки неплавящимся электродом. Большие силы токов, применяемые уже при сварке листов толщиной 20,..40 мм, приводят к значительному увеличению зон защиты металла, нагревае­мого до температур 550...600 °С. Это требует применения приставок для защиты ванны и остывающего металла достаточно больших размеров. Это же относится и к приспособлениям для поддува газа с целью защи­ты обратной стороны свариваемого соединения.

Сварка может производиться как без разделки кро. мок, так и с их разделкой (в зависимости от толщины свариваемого металла). При обычно применяемых режимах (без разделки кромок) рекомендуется производить сварку (табл. 9.3) до толщин 20,„22 мм. В принципе, эта толщина может быть увеличена, но тогда нарушается формирование усиления, и оно требует трудоемкой отделки ручной аргонодуговой сваркой, С толщины 22 мм целесообразно производить разделу кро­мок и применять многопроходную сварку на средних по току режи­мах, Разделка имеет обычный вид (односторонняя или двухсторон­няя со скосом кромок), и лишь притупление у нее по сравнению с разделкой для ручной сварки увеличивается в 2-2,5 раза. При этом (несмотря на определенное увеличение трудоемкости) улучшается формирование и уменьшается вероятность образования дефектов типа газовых включений.

При плавящемся электроде при сварке даже на спокойных режимах не удается получить плавного перехода усиления к основному металлу, поэтому требуется проведение операции ручной отделки. Для сварки применяются специально спроектированные для этой цели автоматы, В качестве источников питания используются сварочные выпрямите­ли с жесткой характеристикой. При одних и тех же токах при измене­нии защитной среды меняются параметры режима сварки. Это объяс­няет изменение формы проплавлення из-за отличия физических свойств аргона и гелия.

Автоматическая сварка неплавящимся электродом также может про­изводиться п в аргоне и в гелии погруженной п поверхностной дугой.

Погруженной дугой без присадка можно спаривать за одни проход тол­щины до 20 мм. Принцип погруженной дуги заключается в следующем. Вольфрамовый электрод укреплен на каретке автомата, движением ко­торой управляет механизм, прямо связанный с напряжением на дуге. Перед сваркой устанавливается нужное напряжение на дуге. По мере образования сварочной ванны дуга удлиняется, п специальной элект­рической схемой включается механизм, стремящийся восстановить за­данное напряжение на дуге. Вольфрамовый электрод двигается вниз, и дуга, углубляясь, погружается в сварочную ванну - это и приводит к увеличению глубины проплавлення. В процессе сварки дута отклоня­ется в сторону, противоположную стороне сварки, и это ограничивает глубину проплавления.

При редко возникающей необходимости сварки толщин более

25.. .40 мм производится разделка кромок. Такое соединение может сва­риваться следующим образом: сначала выполняется сварка погружен­ной дугой притупления большой величины, а разделка заполняется с помощью поверхностной дуги с подачей присадочной проволоки. При непроваре кромок за счет усадки при высокой температуре происходит такое сдавливание кромок, что наступает их частичное схватывание (термодиффузионная сварка), и рентгенопросвечивание может не об­наружить дефект.

В качестве вольфрамового электрода используется иттрпрованный вольфрам в прутках диаметром 8,0—10,0 мм.

После сборки соединения (таврового или стыкового), перед свар­кой, с другой стороны выполняется консервационный проход ручной или автоматической сваркой.

При автоматической сварке неплавящимся электродом могут обра­зовываться дефекты, характерные для всех видов сварки: в ряде же слу­чаев возникают дефекты, характерные только для этого метода. Появ­ление цветов побежалости от соломенно-желтого до серого говорит о нарушении защиты инертным газом через приставку. Матовый цвет, морщинистый вид шва, белого или желто-бурого цвета налет с харак­терными цветами поверхности кратера вызывается нарушением газо­вой защиты через горелку. Неудовлетворительное формирование шва (грубочешуйчатое с подрезами) является следствием нарушения ста­бильности плавления основного металла и присадочной проволоки из - за увеличения сварочного тока сверх допустимого предела, уменьше­ния скорости сварки или неравномерной подачи присадки. Следует отметить, что при сварке неплавящимся электродом (в случае номиналь­ных режимов) формирование шва исключительно стабильно, усиление имеет гладкую поверхность с плавными переходами к основному

металлу. Поверхностные трещины имеют место при сильных окисле­ниях. Возможной причиной может быть также попадание в шов меди ввиду оплавления сопла горелки. Неировар получается при малой силе тока, высоком напряжении на дуге, большой скорости сварки, исполь­зовании вольфрамового электрода с неправильной геометрией заточ­ки. Вольфрамовые включения могут появляться при заниженных на­пряжениях дуги, неполадках в системе регулирования дуги и нарушениях защиты.

Сварка титановых сплавов возможна под слоем специальных бескис­лородных флюсов системы CaF,-BaClyNaF (соли редкоземельных эле­ментов). Здесь защита жидкого металла сварочной ванны осуществля­ется парогазовым пузырем, образуемым дугой при плавлении флюса и металла, Однако способ этот может применяться для сварки относи­тельно небольших толщин (до 12,0 мм). При увеличении погонной энер­гии, объема металлической жидкой ванны и времени ее существования наблюдается диффузия газов воздушной атмосферы через слой флюса и шлака, насыщение кислородом металла шва и, как результат, потеря его пластичности. По этим же причинам, ввиду совершенно неудовлет­ворительной защиты, не применяются покрытые плавящиеся электро­ды для ручной сварки,

Электрошлаковая сварка титана, как и стали, эффективна для тол­щин более 40 мм. Сварка производится под бескислородными флю­сами тина АНТ-46 с обязательной защитой зеркала шлаковой ванны аргоном (во избежание диффузии через шлак вредных газов из ат­мосферы). Желательно использовать электроды большего сечения (пла­стинчатые и плавящиеся мундштуки), проволоку большого сечения (5,0 мм), что связано с высоким электросопротивлением титана. Ввиду высокой жидкотекучести фторидных флюсов особые требования предъявляются к водоохлаждаемым ползунам (прилегание к поверх­ности листов с зазором не >0,5 мм).

Промышленные а-, псевдоа - и низколегированные а + [5-сплавы хо­рошо свариваются ЭШС; несмотря на крупнокристаллическую мартен­ситоподобную структуру, при сварке на оптимальных режимах это не ведет к сколь-либо значительному изменению свойств металла шва и ЗТВ.

При сварке высокопрочных двухфазных а + [5-сплавов часто необхо­димо подбирать оптимальный химический состав шва, отличающийся от основного металла. В ряде случаев приходится прибегать к последу­ющей термообработке. Так, появление в металле ЗТВ субзеренпой структуры может быть устранено длительным отжигом (750 °С для спла­ва ВТ22). При этом равномерно выделяется мелкодисперсная а-фаза (продукт распада (5-фазы) и восстанавливается вязкость металла.

Плазменно-дуговая сварка титана и его сплавов без разделки кромок возможна до толщин 16,0 мм. При сварке стыковых соединений прони­кающей сжатой дугой на постоянном токе до 500 А проплавление име­ет характер «замочной скважины». Сварка может производиться как без присадочной проволоки (сварка без разделки), так и с разделкой (тогда в переднюю часть ванны вводится присадочная проволока).

При микроплазменной сварке (толщины <1,5 мм) процесс ведется дугой прямого действия, горящей на постоянном токе прямой поляр­ности (<200 А). В качестве плазмообразующего газа во всех случаях используется гелий или его смесь с аргоном. На слаботочных плазмот­ронах электроды изготавливают из вольфрама (марки ВЛ или ВИ), на сильноточных плазмотронах с высокой тепловой нагрузкой требуется применение специальных водоохлаждаемых электродов.

Электронно-лучевая сварка титана, как и других материалов, харак­терна жесткими требованиями к сборке под сварку и строгим соблюде­нием заданных зазоров. Иногда у торцов свариваемых кромок необхо­димы технологические утолщения, которые удаляются после сварки. Техника ЭЛС при сварке титановых сплавов не отличается от таковой при сварке других металлов.

Трудно выбрать режимы ЭЛС, обеспечивающие отсутствие подре­зов. Одним из приемов здесь является двухпроходная сварка, когда вто­рой проход «разглаживает» неудачное формирование лучом, колеблю­щимся поперек шва.

Одним из основных дефектов при ЭЛС является пористость метал­ла шва. Она располагается либо в металле шва, либо вблизи линии сплавления. Меры борьбы - отсутствие влаги и жировых загрязнений на поверхности и оптимальные условия вакуумирования.

Высокая концентрация энергии в луче способствует уменьшению ширины ЗТВ. Крупное зерно в ЗТВ при сварке двухфазных а+[)-спла - вов может привести к падению ударной вязкости; отжиг таких соедине­ний практически ее восстанавливает.