Титан это интересный и уникальный металл, он такой же прочный, как сталь, но в два раза легче и обладающий отличной коррозионной стойкостью. 

Титан и его сплавы выбирают из-за следующих свойств:

• высокое соотношение прочности и веса;
• устойчивость к коррозии;
• механические свойства при повышенных температурах.

Где применяется титан

Традиционные применения в аэрокосмической и химической промышленности. В последнее время, особенно в связи со значительным падением стоимости титана, сплавы находят все более широкое применение в других отраслях промышленности.

Типы материалов и группы сплавов титана

Определены различные типы титановых сплавов и даны рекомендации по процессам и методам сварки, используемым при изготовлении компонентов без ухудшения их коррозионных, окислительных и механических свойств или внесения дефектов в сварной шов.

По своей микроструктуре различают в основном три типа сплавов из титана:

Титан — коммерчески чистый (от 98 до 99,5% Ti) или усилен небольшими добавками кислорода, азота, углерода и железа. Сплавы легко свариваются плавлением.

Альфа-сплавы титана

Альфа-сплавы, это преимущественно однофазные сплавы, содержащие до 7 % алюминия и небольшое количество (< 0,3 %) кислорода, азота и углерода. Сплавы свариваются плавлением в отожженном состоянии.

Альфа-бета-сплавы титана описание

Альфа-бета-сплавы имеют характерную двухфазную микроструктуру, образованную добавлением до 6% алюминия и различных количеств бета-образующих компонентов — ванадия, хрома и молибдена. Сплавы легко свариваются в отожженном состоянии.

Сплавы, содержащие большое количество бета-фазы, стабилизированной такими элементами, как хром, трудно свариваются.

Обычно используемые сплавы перечислены в Таблице 1 с соответствующей маркой ASTM, международно-признанным обозначением.

В промышленности наиболее широко свариваемыми титановыми сплавами являются технически чистые марки и варианты сплава 6 % Al и 4 % V.

Таблица 1: Обычно используемые титановые сплавы и рекомендуемый присадочный материал

Присадочные материалы для сварки титана

Титан и его сплавы можно сваривать с использованием соответствующего состава присадочного материала; составы приведены в спецификации Американского общества сварщиков AWS A5.16-2004. 

Рекомендуемые присадочные проволоки для обычно используемых титановых сплавов также приведены в таблице 1.

При сварке более прочных титановых сплавов иногда используют присадки с меньшей прочностью для достижения достаточной пластичности металла шва. 

Например, нелегированный присадочный материал ERTi- 2 можно использовать для сварки сплавов Ti-6Al-4V и Ti-5Al-2,5Sn, чтобы сбалансировать требования к свариваемости, прочности и формуемости.

Дефекты сварки изделий из титана

Титан и его сплавы легко свариваются плавлением при соблюдении соответствующих мер предосторожности.

1. TIG и плазменные процессы с защитным газом аргон или аргон-гелий используются для сварки тонкостенных компонентов, обычно <10 мм.
2. Автогенная сварка может использоваться для сечения толщиной <3 мм с помощью TIG или <6 мм с помощью плазмы.
3. Импульсная сварка MIG с использованием проволоки с новым покрытием обеспечивает очень низкий уровень пористости и разбрызгивания.

Наиболее вероятными дефектами сварных швов на титане являются:

• Пористость металла шва
• Охрупчивание
• Растрескивание от загрязнения
• В норме не происходит растрескивания при затвердевании или водородного растрескивания
• Пористость металла шва

Пористость металла шва в титане является наиболее частым дефектом сварного шва.

Пористость возникает, когда пузырьки газа захватываются между дендритами во время затвердевания. В титане наиболее вероятной причиной пористости является водород из-за влаги в среде дуги или загрязнения поверхности наполнителя и основного металла.

Крайне важно, чтобы место соединения и окружающие поверхности были предварительно очищены путем обезжиривания паром, растворителем, щелочью или обезжириванием паром.

Любой поверхностный оксид должен быть затем удален травлением (раствор HF- HNO3 ), легкой шлифовкой или чисткой щеткой с проволочной щеткой из нержавеющей стали. Ни в коем случае нельзя использовать обычную стальную щетку. 

После протирания безворсовой тканью следует соблюдать осторожность, чтобы не коснуться поверхности перед сваркой. При TIG-сварке тонкостенных компонентов область соединения должна быть обработана всухую, чтобы получить гладкую поверхность.

Охрупчивание сварного шва при сварке титана

Охрупчивание сварного шва может быть вызвано загрязнением металла сварного шва либо абсорбцией газа, либо растворением загрязняющих веществ, таких как пыль (частицы железа) на поверхности.

При температурах выше 500°C титан имеет очень высокое сродство к кислороду, азоту и водороду. Сварочная ванна, зона термического влияния и охлаждающий валик должны быть защищены от окисления защитным слоем из инертного газа (аргон или гелий).

Когда происходит окисление, тонкий слой поверхностного оксида создает интерференционный цвет. Цвет может указывать на то, было ли экранирование адекватным или имела место неприемлемая степень загрязнения.

1. Серебристый или соломенный цвет указывает на то, что была достигнута удовлетворительная газовая защита, но для определенных условий эксплуатации может быть приемлем темно-синий цвет.
2. Светло-голубой, серый и белый цвета показывают более высокий, обычно неприемлемый уровень загрязнения кислородом.

Для небольших компонентов эффективная газовая защита может быть достигнута путем сварки в полностью закрытой камере, заполненной защитным газом.

Рекомендуется перед сваркой зажигать дугу на куске титана, называемом «титан- геттер», для удаления кислорода из атмосферы; уровень кислорода должен быть снижен примерно до 40 частей на миллион перед зажиганием дуги на титановом ломе и ниже 20 частей на миллион перед сваркой фактического компонента.

• При сварке труб из титана полностью закрытая головка одинаково эффективна для защиты зоны сварки и предпочтительнее оборудования для орбитальной сварки, в котором газовое сопло должно вращаться вокруг трубы.
• При сварке титана на открытом воздухе горелка оснащена задним защитным экраном для защиты горячего валика сварного шва во время охлаждения.
• Размер и форма экрана определяются профилем шва, а его длина зависит от сварочного тока и скорости перемещения.
• При сварке на открытом воздухе важно, чтобы нижняя сторона соединения была защищена от окисления.
• Для прямых участков используется рифленый стержень с обдувом стыка аргоном. При сварке труб подходят обычные методы продувки газом.

Растрескивание от загрязнения сварочных швов и зон сварки на титане

Если на поверхности детали присутствуют частицы железа, они растворяются в металле шва, снижая коррозионную стойкость, а при достаточно высоком содержании железа вызывая охрупчивание.

Не менее вредны частицы железа и в ЗТВ, где локальное плавление частиц образует очаги эвтектики титан-железо. Могут возникнуть микротрещины, но более вероятно, что богатые железом карманы станут предпочтительными местами для коррозии.

Особое внимание следует уделить отделению титана от стальных изделий, предпочтительно путем выделения специально отведенной чистой зоны. Сварщики должны защищаться от внедрения стальных частиц в поверхность материала следующим образом:

Избегайте операций по изготовлению стали рядом с титановыми компонентами.

Покрытие компонентов для предотвращения оседания переносимых по воздуху частиц пыли на  поверхность

Не использовать инструменты, в том числе проволочные щетки, ранее использовавшиеся для обработки стали. Зачистите место стыка щеткой непосредственно перед сваркой.

Не обращаться с очищенным компонентом в грязных перчатках.

Чтобы избежать коррозионного растрескивания и свести к минимуму риск охрупчивания из-за загрязнения железом, рекомендуется изготавливать титан в специально отведенной чистой зоне.

Мастерская аргонодуговой сварки