Open Library - открытая библиотека учебной информации. Основные группы соединений

Алюминий и его сплавы широко применяют в промышленности в виде листов, труб и другово профильного материала. сплавы алюминия имеют высокие механические свойства при малой плотности, что достигается легированием их Mn, Mg, Si, Ni, Cr и другими элементами. Алюминиевые сплавы делят на две группы - деформируемые и литейные. Деформируемые, в свою очередь, подразделяют на неупрочняемые и упрочняемые термообработкой. К деформируемым неупрочняемым сплавам алюминия относят сплавы Al с Mg или Mn, а к термически упрочняемым - дюралюмины. Из литейных сплавов наибольшее распостранение получили силумины - сплавы Al с Si. Литейные сплавы применяют для деталей, имеющих сложную конфигурацию.

Трудности при сварке алюминия

основная трудность при сварке алюминия является образование на его поверхности оксидной пленки с температурой плавления 2050°С, которая затрудняет плавление металла и сплавление свариваемых кромок;
при нагреве алюминий не меняет цвет, поэтому трудно уловить момент начало его плавления. Для этого требуется опыт сварщика;
при сварке необходимо учитывать низкую температуру плавления алюминия и его высокую теплопроводность, что требует правильного выбора мощности сварочного пламени;
из-за высокого коэффициента теплового расширения возникают значительные остаточные напряжения и деформации

Сварка алюминия

Рис. 148. Сварка алюминия (28)

Стыковые соединения деталей толщиной до 4 мм выполняют без скоса кромок, с зазором между ними от 0,5 до 2 мм. При толщине металла свыше 5 мм обязательно делается V-образный скос кромок (угол 30-35° с каждой стороны). При толщине свыше 12 мм рекомендуется двухстороння Х-образная разделка кромок (угол 30-35° с каждой стороны). Разделку кромок осуществляют механическим способом. Кромки свариваемых деталей и присадочный материал перед сваркой необходимо тщательно очистить от грязи и масла напильником или металлической щеткой на ширину 30-40 мм с каждой стороны шва и обезжирить.

Для удаления оксидов алюминия из сварочной ванны, а также облегчения разрушения оксидной пленки при сварке алюминия и его сплавов применяют флюсы. Флюсы содержат легкоплавкие смеси хлористых соединений, щелочных и щелочно-земельных элементов. Флюсы наносят на свариваемые кромки или нагретую сварочную проволоку в виде порошка или пасты, приготовленной на воде или спирте. Флюс на проволоку и кромки наносят чистой кистью или конец присадочной проволоки погружают в разведенный флюс. Флюс наносят тонким слоем на подготовленные кромки детали и на прилегающие к шву поверхности на расстояние, равное трехкратной ширине шва.

При газовой сварке алюминия пламя берется нормальное. Избыток кислорода и горючего газа не допускается, так как свободный кислород окисляет алюминий, а избыток горючего газа приводит сильной пористости шва. сварку выполняют рабочей зоной пламени, расстояние от конца ядра до свариваемой поверхности 3- 5 мм. Сварку ведут левым способом. Угол наклона мундштука горелки к поверхности свариваемого металла в начале сварки должен составлять почти 90° , а затем по мере прогрева свариваемых деталей угол устанавливается в зависимости от их толщины. Мундщтук горелки располагают под углом 20-45° к свариваемой поверхности. Угол наклона присадочной проволоки во всех случаях составляет 40-60° к свариваемой поверхности.

Виды поперечных колебаний мундштука горелки и сварочного прутка зависят от толщины свариваемого металла. При сварке деталей из алюминиевых сплавов толщиной до 3 мм поперечных колебаний не делают, а при больших толщинах в процессе сварки горелкой выполняют различные поперечные колебания. При сварке алюминиевых деталей свыше 5 мм применяют правый способ сварки.

При сварке алюминия необходимо стремиться к тому, чтобы сварка выполнялась только в нижнем положении. Сварку листов необходимо начинать, отступив от края на 50-100 мм, с последующей заваркой оставленного участка в обратном направлении. Сварочный процесс должен выполняться непрерывно, отрыв сварочного пламени от ванны расплавленного металла не допускается. Свариваемые детали толщиной более 10 мм перед сваркой рекомендуется подогреть до температуры 300-350°С. Подогрев осуществляется газовыми горелками.

К ним относятся:

высокое содержание углерода (чем выше, тем хуже сваривается);
высокая жидкотекучесть;
возможность образования в процессе сварки тугоплавких окислов (их температура плавления гораздо выше температуры плавления самого чугуна);
склонность к появлению трещин (из-за неоднородности металла), пор (из-за выгорания в процессе сварки углерода).

Все это негативно сказывается на свариваемости и чугун справедливо считают материалом, который плохо поддается сварке. Особенно когда сварку производят дома и нет возможности узнать, какой же марки чугун сваривается. Многие судят о свариваемости чугунного изделия по его излому.

Если излом черный или темно-серый, то придется поднатужиться, чтобы восстановить первоначальные его свойства или вообще не заниматься сварочными работами, не имея специальных электродов и не зная тонкостей технологии.

Основные виды сварки

Специалисты используют 2 вида сварки чугуна – холодный способ и горячий. При холодной сварке необходимо применение электродов, специально предназначенных для сварки чугуна.

Можно сваривать чугунные изделия в холодном состоянии (без подогрева) с применением стальных электродов, изготовленных из низкоуглеродистой стали, но это требует больших усилий от сварщика и понимания им процессов, которые происходят в зоне сварки. Обусловлено этой свойствами чугуна. Металл после окончания сварки быстро охлаждается и это приводит к его хрупкости, что может вызвать появление трещин.

Сварка чугуна - технология сварка изделий из чугуна. Чугун является трудносвариваемый металлом. Он сваривается плавящимися или неплавящимися электродами с подогревом или без него. Чугун представляет собой сплав железа с углеродом. Содержание углерода в чугуне - около 2,14%. Углерод придаёт сплавам железа твёрдость, снижает пластичность и вязкость. Углерод в чугуне содержатся в виде цементита и графита.

Температура плавления чугуна - от 1 150 до 1 200 °C , что на 300 °C ниже, чем у чистого железа. Теплопроводность чугуна ниже, чем у сталей, коэффициент теплового расширения такой же. Электропроводность чугуна зависят от распределения включений графита.

При быстром охлаждении чугуна от температуры более 750°С металла, графит превращается в цементит, при это чугун превращается из серого в белый. Образуется закаленная структура с внутренними напряжениями, приводящими к трещинам.

рудности сварки чугуна обусловлены образованием трещин из-за включений графита; выгоранием углерода и образованием пор в шве; образованием тугоплавких окислов с температурой плавления выше, чем у чугуна; его высокая жидкотекучесть.

Чугун сваривается ручной дуговой сваркой плавящимися (ЦЧ-4) или неплавящимися (вольфрамовый, угольны, графитовый) электродами в подогревом или без него. Сварочные напряжения, возникающие в шве при охлаждении металла снимаются проковкой швов.

При холодной сварке чугуна используются железно-никелевые, медно-железные, железно-медно-никелевые электроды следующих марок:

· медно-железные электроды: ОЗЧ-2 и ОЗЧ-6;

· никелевые и железно-никелевые электроды: ОЗЖН-1, ОЗЧ-3, ОЗЧ-4;

· железно-медно-никелевые электроды: МНЧ-2.

При горячей сварке металл предварительно подогревается до 500-700°С. Используются чугунные электроды со стержнями марок А и Б - ОМЧ-1 и УЗТМ-74. Электроды должны быть большого диаметра - от 8 до 16 мм.

Для повышения качества шва при сварке чугуна проводится подогрев детали и ее медленное охлаждение после сварки.

Способы сварки чугуна

Сварка чугуна применяется в ремонтных целях и для изготовления сварнолитых конструкций. К сварным соединениям чугунных деталей в зависимости от типа и условий эксплуатации предъявляют требования по механической прочности, плотности (водонепроницаемость, газонепроницаемость) и обрабатываемости режущим инструментом. Обеспечить эти требования при сварке весьма сложно из-за физико-химических особенностей чугуна.

Трудности, возникающие при сварке чугуна, обусловлены, как правило, низкой стойкостью металла сварного соединении против образования трещин плохой его обрабатываемостью на механических станках.

Низкая стойкость основного металла и металла околошовной зоны против образования трещин характерна для чугуна пониженным запасом деформационной способности (пониженная прочность и пластичность).

Указанные особенности чугуна являются следствием нарушения сплошности его металлической основы включениями графита, а также склонностью его к отбелке и закалке даже при небольших скоростях охлаждения. Эти свойства чугуна определяются высоким содержанием углерода в нем.

Соединение чугунных деталей между собой выполняют газовой сваркой, пайкой, термитной сваркой, литейной сваркой, дуговой сваркой и электрошлаковой.

Сварку ведут без подогрева (холодный способ сварки),с местным подогревом и с общим подогревом всего изделия. Для дуговой сварки используют угольные, графитовые, стальные и легированные электроды, а также электроды из цветных металлов. Подготовку мест под сварку выполняют механическим путем или огневым способом. Для удержания расплавленного металла сварочной ванны (чугун жидкотекуч) применяют специальиые формовки. Назначение формовки - удерживать расплавленный металл. Формовочная масса имеет следующий состав: кварцевый песок, замешанный на жидком стекле 40%, формовочная земля 30% и белая глина 30%.

Подготовленная к сварке деталь подвергается общему или местному подогреву до температуры 350 - 450º С. Иногда для особо сложных деталей подогрев производят до температуры 550-600° С.

Сварку выполняют как на переменном, так и на постоянном токе. Величину тока подбирают из расчет 50-90 А на 1 мм диаметра электрода.

Особенности сварки меди

обусловлены ее физическими и химическими свойствами. Медь имеет температуру плавления 1080-1083°С. При температурах 300-500°С она обладает горячеломкостью. Жидкая медь растворяет кислород и водород. С кислородом она образует закись меди Cu 2 O, температура плавления которой на 20° ниже температуры плавления чистой меди.

{\displaystyle {\mathsf {4Cu\ +\ O_{2}\ {\xrightarrow {>200\ ^{\circ }C}}\ 2Cu_{2}O}}}

Наличие закиси приводит к образованию горячих трещин после сварки. Проявление «водородной болезни меди» обусловлено тем, что при химическом соединении водорода с кислородом образуется стремящийся расшириться водяной пар, то, в свою очередь, приводит к трещинам в металле шва.

Медь имеет высокую тепло- и электропроводностью. Теплопроводность меди в 6-7 раз превышающей теплопроводность стали, она имеет также хорошую жидкотекучестью в расплаве.

Удельная электропроводность меди при 20 °C: 55,5-58 МСм/м .

Свариваемость меди максимальна в отсутствии примесей. Примеси свинца, мышьяка и др. затрудняют сварку. При сварке медь не должна загрязняться примесями. Металлы в примеси с медью - хром, марганец, железо и др. способствуют повышению прочности шва.

Особенности сварки[править | править вики-текст]

Сварка меди и сплавов может проводиться газовой сваркой. При ручная дуговой сварке покрытыми электродами возможно загрязнение металла шва легирующими компонентами. Из-за большой теплопроводности меди при дуговой сварке надо применять больший ток.

Поскольку при сварке образуется закись меди, то сварку надо проводить быстро, со скоростью около 0,25 м/мин. Для сварки меди толщиной от 6 мм используют предварительный подогрев заготовок.

Особенности дуговой сварки трубопроводов из меди и медно-никелевого сплава. Основные типы, конструктивные элементы и размеры соединений из меди и медно-никелевого сплава

Особенности сварки алюминия и его сплавов связана с физическими и химическими свойства металла. Алюминий имеет малый удельный вес - 2, 7 г / см3 , высокую электро- и теплопроводность, на его поверхности есть окисная пленка, имеющая высокую температуру плавления 2044°C, температура же плавления самого алюминия - около 660°C. Сплавы алюминия с марганцем, кремнием, магнием и медью обладают большей прочностью, чем сам алюминий.

Тугоплавкая пленка на каплях расплавленного металла, препятствует сплавлению металла, поэтому при сварке необходима защита от воздуха. Такой защитой может быть сварка алюминия в среде с аргоном.

Значительная жидкотекучесть алюминия затрудняет управление сварочной ванной. Для быстрейшего охлаждения металла необходимо использование теплоотводящих подкладок.

Сварочное соединение алюминия и его сплавов склонно к образованию кристаллизационных трещин, что обусловлено растворением в металле водорода. В сплавах алюминия трещины возникают из-за повышенного содержания кремния. Металл обладает большой усадкой, что является причиной деформаций при остывании заготовок.

Значительная теплопроводность алюминия требует применения сварочного тока, превосходящего в несколько раз ток при сварке сталей .

Способы сварки[править | править вики-текст]

Сварка алюминия производится с разрушением оксидной пленки (очистка и обезжиривание) на его поверхности и защитой с помощью инертных газов. Перед сваркой металл подогревают. Подогрев металла проводится до температуры 250-300°С для заготовок средних толщин, и до 400°С - для толстых. Распространены следующие способы сварки:

· сварка вольфрамовым электродом в инертных газах (режим AC TIG);

· сварка полуавтоматами в среде инертных газов и автоматизированной подачей проволоки (режим DC MIG);

· сварка покрытыми плавящимися электродами без использования защитного газа (режим MMA).

Сразу после детали промываются водой, а со шва удаляется шлак.

Разнородная сварка[править | править вики-текст]

Алюминий можно сваривать с другими металлами. Особенности разнородной сварки металлов заключается в различии их температуры плавления, плотности, в коэффициентах линейного расширения. Процесс затруднен свойствами самого алюминия.

Сварка стали с алюминием и его сплавами выполняется аргонодуговой сваркой с вольфрамовым электродом. Перед сваркой кромки металлов очищаются и на них наносятся активирующее покрытие. Наиболее дешевое из них - цинковое. В качестве присадочного материала используется проволока марки АД1 из чистого алюминия с присадкой кремния.

Особенностью сварки алюминия со сталью является расположение сварочной дуги:при сварке встык дуга ведется по кромке алюминиевой детали, а присадка ведется по кромке стальной детали. При этом жидкий алюминий натекает на поверхность стали, покрытой цинком.

Основная трудность сварки титана - это необходимость надежной защиты металла, нагреваемого выше температуры 400 °C, от воздуха, так как на его поверхности под действием воздуха образуется оксидная пленка. Металл обладает высокой химической активностью по отношению к кислороду, азоту и водороду при его нагреве и расплавлении. Водород в небольшом количестве сильно ухудшает свойства титана.

К основным способам сварки титана и его сплавов относятся:

· дуговая сварка в среде инертных газов неплавящимся или плавящимся электродом;

· дуговая сварка титана под флюсом;

· электрошлаковая сварка;

· электронно-лучевая сварка;

· контактная сварка.

Дуговая сварка титана проводится в среде газа аргона или в его смесях с гелием. Сварку производят под местной защитой. Газ проходит через сопло горелки с насадками, увеличивающими зону защиты. С обратной стороны стыка свариваемых деталей устанавливают медные подкладные планки с канавкой, по длине которой равномерно подают аргон. При сложной конструкции деталей сварка проходит с общей защитой в специальных камерах с контролируемой атмосферой. Камеры могут представлять собой камеры-насадки для защиты части свариваемого узла, жесткие камеры из металла или мягкие камеры, сделанные из ткани и имеющими смотровые окна и встроенные рукавицы для рук сварщика. В камеры помещаются свариваемые детали, сварочная оснастка и горелка. Для крупных узлов применяют большие металлические камеры объёмом до 350 куб. м., в них устанавливают сварочные автоматы и манипуляторы. Из камеры откачивается воздух, она наполняются аргоном, через шлюзы в камеры входят сварщики в скафандрах и проводят сварку.

Титановые сплавы из-за высокой химической активности сваривают дуговой сваркой в инертных газах неплавящимся и плавящимся электродом, дуговой сваркой под флюсом, электронным лучом, электрошлаковой и контактной сваркой. Расплавленный титан жидкотекуч, его шов хорошо формируется при всех способах сварки.

Дуговую сварку титановых сплавов выполняют плавящимся электродом (проволока диаметром от 1,2 до 2,0 мм) на постоянном электрическом токе обратной полярности в режимах, обеспечивающих мелкокапельный перенос электродного металла. Защитной средой при этом является смесь - 20 % аргона и 80 % гелия или чистый гелий. При этом увеличивается ширина шва и уменьшается его пористость.

Титановые сплавы можно также сваривать дуговой сваркой под бескислородными фтористыми флюсами сухой грануляции марки АНТ1, АНТЗ для толщины 2,5...8,0 мм и марки АНТ7 для толстого металла. Сварка ведется с использованием электродной проволоки диаметром от 2,0 до 5,0 мм с вылетом электрода на 14 - 22 мм на медной подкладке или на флюсовой подушке. Структура металла сварного шва в результате модифицирующего действия флюса получается более мелкозернистой, чем при сварке титана в инертных газах.

Защитный газ необходимо предварительно просушить или добавить к нему 2-5% кислорода. Это обеспечит плотность шва.

Нужно поддерживать самую короткую дугу и добиваться получения шва с низким коэффициентом формы (отношением ширины шва к его толщине). Иначе в металле шва и околошовной зоны появятся горячие (кристаллизационные) трещины.

После сварки металл должен как можно быстрее остыть. Для этого используют медные, охлаждаемые водой, подкладки; промежуточное остывание слоев; охлаждение швов водой. Это повысит коррозионную стойкость сварного соединения

Конструктивные размеры стыковых соединений при сварке высоколегированных сталей

Снимать фаску для получения скоса кромки можно только механическим, способом. Перед сборкой свариваемые кромки защищают от окалины и загрязнений на ширину не менее 20 мм снаружи и изнутри, после чего обезжиривают.

Сборку стыков выполняют либо в инвентарных, приспособлениях, либо с помощью прихваток. При этом необходимо учесть возможную усадку металла шва в процессе сварки. Ставить прихватки в местах пересечения швов нельзя. К качеству прихваток предъявляются те же требования, что и к основному сварному шву. Прихватки с недопустимыми дефектами (горячие трещины, поры и т.д.) следует удалить механическим способом.

Выбор параметров режима. Основные рекомендации те же, что при сварке углеродистых и низколегированных сталей. Главная особенность сварки высоколегированных сталей - минимизация погонной энергии, вводимой в основной металл. Это достигается соблюдением следующих условий:

Рис.100

короткая сварочная дуга;

отсутствие поперечных колебаний горелки;

максимально допустимая скорость сварки без перерывов и повторного нагрева одного и того же участка;

минимально возможные токовые режимы

Техника сварки. Основное правила поддерживать короткую дугу, поскольку при этом расплавленный металл лучше защищен газом от воздуха. При сварке в аргоне W-электродом подавать присадочную проволоку в зону горения дуги следует равномерно, чтобы не допускать брызг расплавленного металла, которые, попадая на основной металл, могут вызвать очаги коррозии. И начале сварки горелкой подогревают кромки и присадочную проволоку. После образования сварочной ванны выполняют сварку, равномерно перемещая горелку по стыку. Необходимо следить за глубиной проплавления, отсутствием непровара. По форме расплавленного металла сварочной ванны определяют качество проплавления: хорошее (ванна вытянута по направлению сварки) или недостаточное (ванна круглая или овальная)

Контрольные вопросы:

1. Зачем в аргон добавляют 2-5% кислорода?

3. Почему сварка высоколегированных сталей выполняется на минимальной погонной энергии?

Контрольное задание:

1. Вам как сварщику необходимо подобрать присадочный материал, силу сварочного тока, подготовку кромок для сварки стали 12Х17

Защитный газ крайне важно предварительно просушить или добавить к нему 2-5% кислорода. Это обеспечит плотность шва.

Конструктивные размеры стыковых соединений при сварке высоколегированных сталей

Сборку стыков выполняют либо в инвентарных, приспособлениях, либо с помощью прихваток. При этом крайне важно учесть возможную усадку металла шва в процессе сварки. Ставить прихватки в местах пересечения швов нельзя. К качеству прихваток предъявляются те же требования, что и к основному сварному шву. Прихватки с недопустимыми дефектами (горячие трещины, поры и т.д.) следует удалить механическим способом.

Рис.100

короткая сварочная дуга;

отсутствие поперечных колебаний горелки;

максимально допустимая скорость сварки без перерывов и повторного нагрева одного и того же участка;

минимально возможные токовые режимы

Контрольные вопросы:

1. Зачем в аргон добавляют 2-5% кислорода?

3. Почему сварка высоколегированных сталей выполняется на минимальной погонной энергии?

Контрольное задание:

1. Вам как сварщику крайне важно подобрать присадочный материал, силу сварочного тока, подготовку кромок для сварки стали 12Х17

Титан отличается высокой прочностью (267-337 МПа) при плотности 4,5 г/см 3 и температуре до 450-500°С, высокой устойчивостью к коррозии во многих агрессивных средах. Сплавы титана с примесями легирующих элементов (алюминия, хрома, марганца, ванадия, олова и др.) обладают еще большей прочностью (до 1000-1400 МПа) при достаточной пластичности и широко применяются в качестве конструкционного материала для судо- и машиностроения, авиационной и ракетной техники, приборостроения, химического машиностроения, а также в других отраслях промышленности.

Титан имеет одну из двух основных стабильных фаз (аллотропических модификаций), характеризующихся строением кристаллической решетки:

α-титан с гексагональной кристаллической решеткой (мелкозернистой структурой) при температуре до 882°С;
β-титан с объемно центрированной кристаллической решеткой (крупнозернистой структурой) при температуре выше 882°С.

При температуре 882°С у титана изменяется структура кристаллической решетки с одной на другую (происходит полиморфное превращение).

Ряд легирующих элементов и примесей, называемых α-стабилизаторами (алюминий, азот, олово, кислород и др.), увеличивают температуру полиморфного превращения титана и, таким образом, стабилизируют α-фазу и расширяют область α-титана. Легирующие элементы, называемые β-стабилизаторами (хром, молибден, ванадий, марганец), способствуют сохранению β-титана при уменьшении температуры. В зависимости от состава легирующих компонентов сплавы титана условно разделяют на α-сплавы , β-сплавы и α+β-сплавы (см. рисунок ниже).

Рисунок. Зависимость структуры сплава титана от температуры и содержания легирующих элементов

К α-сплавам относятся технический титан ВТ1, а также сплавы ВТ5 и ВТ5-1. Они пластичны, термообработкой не упрочняются и обладают хорошей свариваемостью.

К двухфазным α+β-сплавам относятся сплавы ОТ4, ВТ3, ВТ4, ВТ6, ВТ8, ВТ14. Двухфазные сплавы с малым количеством β-стабилизаторов (например, сплавы ОТ4) термически не упрочняются и хорошо свариваются, а сплавы, где β-структура может сохраняться при охлаждении до комнатной температуры (например, сплавы ВТ6 и ВТ14), термически упрочняются и свариваются хуже. За счет термической обработки (закалки и искусственного старения) их прочность может быть доведена до 1400 МПа при удовлетворительной пластичности.

Сплавы с β-фазой , например, ВТ15, упрочняются термической обработкой и свариваются хуже. Они склонны к росту зерен и возникновению холодных трещин.

Трудности при сварке титана и способы решения

Основные трудности при сварке титана обусловлены его высокой химической активностью по отношению к газам (кислороду, азоту, водороду) при нагреве и расплавлении.

При комнатной температуре титан взаимодействует с кислородом , стабилизирующим α-фазу, по реакции Ti+O 2 = TiO 2 с образованием поверхностного слоя с большой твердостью - альфинированного слоя, - который предохраняет титан от дальнейшего окисления. При нагреве до температуры 350°С и выше титан активно поглощает кислород, образуя различные окислы (от Ti 6 O до TiO 2) с высокими твердостью, прочностью и низкой пластичностью. По мере окисления оксидная пленка меняет окраску от желто-золотистой до темно-фиолетовой, переходящей в белую. Эти цвета в околошовной зоне характеризуют качество защиты металла при сварке.

При температуре выше 500°С титан активно взаимодействует с азотом с образованием нитридов, повышающих твердость и прочность металла, но снижающих его пластичность. Перед сваркой следует полностью удалять поверхностный слой титана, насыщенный повышенным количеством кислорода (альфинированный слой) и азота, поскольку при попадании частиц данного слоя в сварной шов металл становится хрупким, появляются холодные трещины. Допустимое содержание азота в титане составляет до 0,05%, кислорода - до 0,15%.

Водород даже в небольшом количестве значительно ухудшает свойства титана. Он активно поглощается титаном при температуре 200-400°С. С повышением температуры водород начинает выделяться из титана и сгорает. При более низких температурах содержание водорода также снижается, однако гидриды титана TiH 2 способствуют образованию пор и замедленному разрушению титана - возникновению холодных трещин спустя длительное время после сварки. Допустимое содержание водорода в титане составляет до 0,01%.

Тщательная защита от насыщения металла газами требуется не только для расплавленного металла, но также для участков твердого металла с температурой 400°С и выше. Как правило, это обеспечивается за счет использования флюсов, металлических и флюсовых подкладок, специальных защитных газовых подушек. О надежной защите свидетельствует блестящая поверхность металла после сварки, о плохой защите - желто-голубая окраска, серые налеты.

Сварка титана и его сплавов выполняется присадочным металлом, близким по составу к основному металлу, например, проволокой ВТ1-00. Обычно перед сваркой проволока подвергается вакуумному (диффузионному) отжигу для удаления водорода. Кромки подготавливают механическим путем, плазменной или газокислородной резкой с последующим удалением насыщенного газами металла кромок механической обработкой. Поверхности кромок и прилегающего основного металла, а также сварочной проволоки тщательно очищают травлением или механическим путем.

Титан обладает низкой теплопроводностью, в связи с чем стыковые швы, получаемые при сварке плавящимся электродом в среде аргона, имеют характерную конусовидную форму с глубоким проплавлением. Поэтому для некоторых конструкций требуется наложение дополнительных швов по краям основного шва (галтельных швов) или сварка в среде гелия для получения более широкого шва.

Рисунок. Сварные швы при сварке титана плавящимся электродом (проволокой) в аргоне и гелии

Основные способы сварки титана и его сплавов:

дуговая сварка в среде инертных газов неплавящимся и плавящимся электродом;
дуговая сварка под флюсом;
электрошлаковая сварка;
электронно-лучевая сварка;
контактная сварка.

Дуговая сварка титана в среде инертных газов

Дуговая сварка титана в среде инертных газов может выполняться неплавящимся иттрированным или лантанированным вольфрамовым электродом (ручная или механизированная сварка) и плавящимся электродом (полуавтоматическая или автоматическая сварка). В качестве инертных газов применяют аргон высшего сорта, гелий высокой чистоты или смеси аргона с гелием.

Защита металла в процессе сварки может осуществляться следующими способами:

на воздухе с подачей инертного газа из сопел со специальными удлиненными насадками (до 50 см) для увеличения зоны защиты и подачей газа с обратной стороны сварного шва через специальные подкладки;
на воздухе с помощью местных камер-насадок, защищающих зону сварки и часть свариваемого узла; при этом обратная сторона шва может быть защищена за счет подачи газа через подкладки;
путем помещения всего свариваемого узла в герметичную камеру с контролируемой атмосферой.

В герметичную камеру с контролируемой атмосферой также помещают сварочную оснастку, горелку и наполняют инертным газом. Она может иметь иллюминаторы или прозрачную оболочку и встроенные рукавицы для сварщика. Для крупных ответственных изделий используют камеры большого размера, оборудованные необходимыми устройствами и предназначенные для работы внутри них сварщиков в скафандрах.

Наибольшей популярностью пользуется сварка титана вольфрамовым электродом на воздухе. Ее выполняют на обычных установках для автоматической аргонодуговой сварки неплавящимся электродом на постоянном токе прямой полярности. На сварочной горелке закрепляется специальная насадка для защиты инертным газом от воздуха участков металла с температурой 250-300°С и выше. Размеры этих участков, как правило, определяются расчетами по формулам распространения тепла в металлах при сварке. Наилучшая защита достигается при помещении в насадку сетчато-пористого материала для обеспечения ламинарного потока инертного газа. Обратную сторону шва защищают с применением специальных насадок и подкладок.

Рисунок. Сварка титана неплавящимся электродом на воздухе (с применением специальных подкладок для подачи инертного газа с обратной стороны шва)

Аргонная сварка вольфрамовым электродом титановых деталей толщиной 0,5-1,5 мм выполняется встык без зазора и без подачи присадочного прутка, а толщиной более 1,5 мм - с подачей присадочного материала. Проволоку предварительно подвергают вакуумному отжигу в течение 4 ч при температуре 900-1000°С. При зачистке поверхностей кромок свариваемых деталей и прилегающего металла, а также проволоки необходимо снять альфированный слой, насыщенный кислородом.

Толщина металла (мм)	Диаметр (мм)		Сила тока (А)	Скорость сварки (м/ч)
Толщина металла (мм)	вольфрамового электрода	присадочной проволоки	Сила тока (А)	Скорость сварки (м/ч)
0,3-0,7	1,6	-	40	55
0,8-1,2	1,6	-	60-80	40-50
1,5-2,0	2,0	2,0-2,5	80-120	35-40
2,5-3,5	3,0	2,0-2,5	150-200	35-40

Ручная аргонная сварка вольфрамовым электродом выполняется «углом вперед» на короткой дуге без колебательных движений сварочной горелки. Между электродом и присадочным материалом поддерживается угол в 90°. При обрыве дуги, а также после окончания сварки необходимо подавать аргон до тех пор, пока температура металла не станет ниже 400°С.

При аргонодуговой сварке титана толщиной свыше 4 мм обычно используется V-образная, X-образная или рюмкообразная разделка кромок. Для повышения производительности сварки вольфрамовым электродом применяются следующие способы:

сварка погруженной дугой;
сварка сквозным проплавлением;
импульсно-дуговая сварка;
сварка по флюсу;
сварка присадочной порошковой проволокой;
сварка в щелевую разделку;
сварка с магнитным перемешиванием сварочной ванны
и др.

Сварка погруженной дугой (когда конец электрода размещен ниже поверхности свариваемого металла) на больших токах позволяет сваривать за один проход без разделки кромок титан и его сплавы толщиной до 15 мм. При сварке сквозным проплавлением возможно сваривать за один проход титан и его сплавы толщиной 12 мм.

С помощью импульсно-дуговой сварки (когда подача тока в зону дуги осуществляется кратковременными импульсами) можно в более широком диапазоне изменять размеры шва, уменьшать уровень остаточных напряжений, снижать деформации сварных конструкций, уменьшать зону термического влияния, а также уменьшать размеры кристаллитов и пористость в сварном шве.

При сварке по флюсу-пасте типа АН-ТА, наносимому тонким слоем на поверхность кромок свариваемых деталей, на меньших токах можно сваривать без разделки кромок металл толщиной до 12 мм. Данная технология позволяет увеличить глубину проплавления, снизить деформации сварных конструкций, изменять форму провара, уменьшить зону термического влияния, снизить вероятность образования пор и прожогов. Такими же преимуществами обладает и сварка порошковой проволокой с флюсом в качестве наполнителя.

При сварке с магнитным перемешиванием металла сварочной ванны с помощью внешнего магнитного поля уменьшаются химическая неоднородность и пористость металла шва. При сварке в щелевую разделку (по узкому зазору) снижается расход дорогих и дефицитных материалов и увеличивается производительность.

Сварка плавящимся электродом (проволокой) выполнятся при толщине титана и его сплавов свыше 3 мм в нижнем положении на постоянном токе обратной полярности на режимах, которые обеспечивают мелкокапельный перенос электродного металла.

Таблица. Режимы сварки титана и его сплавов плавящимся электродом (проволокой) в инертных газах

Диаметр электрода (мм)	Сварочный ток (А)	Напряжение дуги (В)	Толщина стыковых соединений, свариваемых без разделки кромок (мм)	Скорость сварки (м/ч)	Вылет электрода (мм)	Расход газа (л/мин)
в аргоне
0,6-0,8	150-250	22-24	4-8	30-40	10-14	20-30
1,0-1,2	280-320	24-28	5-10	30-40	17-20	25-35
1,6-2,0	340-520	30-34	8-12	20-25	20-25	35-45
3,0	480-750	32-34	14-34	18-22	30-35	40-50
4,0	680-980	32-36	16-36	16-18	35-40	50-60
5,0	780-1200	34-38	16-36	14-16	40-45	50-60
в гелии
0,6-0,8	150-250	28-32	4-6	30-40	10-14	30-40
1,0-1,2	280-320	32-36	4-8	30-40	17-20	35-45
1,6-2,0	340-520	38-40	5-10	20-25	20-25	70-90
3,0	480-750	42-48	10-28	18-22	30-35	80-100
4,0	680-980	46-50	12-32	16-18	40-50	100-120
5,0	780-1200	46-52	12-32	14-16	45-55	100-120

Для уменьшения пористости и увеличения ширины сварного шва применяют смесь аргона с гелием (обычно 20% аргона и 80% гелия) или чистый гелий.

Для повышения производительности сварки титана и его сплавов плавящимся электродом в среде инертных газов используют предварительный подогрев проволоки проходящим током и импульсно-дуговую сварку (позволяющую, например, в полуавтоматическом режиме при уменьшении погонной энергии сварки в 2-2,5 раза увеличить производительность в 2-3 раза), а также сварку в щелевую разделку (позволяющую сократить расход дорогих материалов).

Дуговая сварка титана под флюсом

Титан и его сплавы можно сваривать под бескислородными флюсами АНТ-1, АНТ-3 при толщине металла 2,5-8 мм и АНТ-7 для металла большей толщины. Перед сваркой флюс прокаливается при температуре 200-400 °С, чтобы содержание влаги в нем не превышало 0,05% по массе. Сварка выполняется на стандартном оборудовании на постоянном токе обратной полярности.

Получаемые сварные соединения не уступают по прочности и пластичности основному металлу и имеют более мелкозернистую структуру, чем при сварке в инертных газах. Данный способ экономически эффективен для металла толщиной более 6-8 мм.

Таблица. Режимы сварки титана и его сплавов плавящимся электродом (проволокой) под флюсом АНТ-1 (скорость сварки составляет 50 м/ч)

Толщина металла (мм)	Диаметр электродной проволоки (мм)	Сила тока (А)	Напряжение (В)	Скорость подачи сварочной проволоки (м/ч)
односторонняя сварка на остающейся подкладке
2-2,5	2	190-220	34-36	167-175
4-4,5	2	300-320	34-38	221-239
4-5	3	310-340	30-32	95-111
двусторонняя сварка
8	3	310-370	30-32	135-140
10	3	340-360	30-32	150-155
12	3	350-400	30-32	160-165
15	3	390-420	30-32	175-180

Электрошлаковая сварка титана

При электрошлаковой сварке титана и его сплавов применяют пластинчатые электроды того же состава, что и свариваемый металл, толщиной 8-12 мм и шириной, равной толщине свариваемой детали. Используются тугоплавкие флюсы АНТ-2, АНТ-4, АНТ-6, которые необходимо предварительно прокалить при температуре 200-400 °С, чтобы содержание влаги во флюсе не превышало 0,05% по массе. Для защиты остывающего металла и шлаковой ванны от воздуха в зазор между водоохлаждаемыми ползунами и деталью подается аргон из расчета 5-12 л/мин при толщине металла 30-120 мм.

Получаемые сварные соединения по свойствам близки к основному металлу и имеют крупнокристаллическую структуру. Электрошлаковая сварка эффективна для титановых деталей толщиной свыше 40 мм.

Таблица. Режимы электрошлаковой сварки титановых поковок пластинчатым электродом с применением флюса АНТ-2 (напряжение составляет 16-18 В)

Толщина металла (мм)	Толщина пластинчатого электрода (мм)	Зазор (мм)	Сила тока (А)
30-50	8-10	23-25	1200-1600
50-80	8-10	23-25	1600-2000
80-100	10-12	24-26	2000-2400
100-120	10-12	24-26	2400-2800

Электронно-лучевая сварка титана

Электронно-лучевая сварка титана и его сплавов обеспечивает мелкозернистую структуру сварного шва и надежную защиту металла от газов. Она используется для толщин до 160 мм. В ряде случаев для предотвращения появления пор и несплошностей применяется сварка с горизонтальным размещением луча.