Конструкционные материалы. Свариваемость и сварка

–снятие остаточных напряжений;

–предотвращение возможности наводороживания сварных соединений при эксплуатации.

Для снижения сварочных напряжений при сварке применяются приспособления, задающие напряжения обратного знака, а после сварки проводится термообработка.

11.3.1.Титановые сплавы с α- и псевдо-α-структурой

Сплавы с α-структурой характеризуются невысокой прочностью при комнатной температуре. Основной легирующий элемент в этих сплавах – алюминий. Сплавы этого класса имеют низкую технологическую пластичность, трудно обрабатываются резанием. Сплавы с α-структурой не упрочняются термообработкой, основная термическая обработка для этих сплавов – отжиг. Достоинством титановых α-сплавов является их термическая стабильность до температур 400–500 °С, они имеют высокие механические свойства при криогенных температурах. Благодаря высокой коррозионной стойкости в морской воде, хорошему сопротивлению эрозии и кавитации титан и его сплавы относятся к материалам, практически идеально подходящим для строительства судов и морских сооружений. Также α-сплавы нашли применение в химической промышленности. Структура α-сплавов чаще всего полиэдрическая и зависит от того, в каком состоянии сплав – деформированный или после термической обработки (рис. 11.5, а).

Псевдо-α-сплавы, сохраняя достоинства α-сплавов, благодаря присутствию небольших количеств β-фазы (до 5 %) имеют более высокую технологическую пластичность и хорошо обрабатываются давлением. Псевдо-α-сплавы можно деформировать в холодном состоянии. Структура этих сплавов представлена α-фазой и небольшим количеством (1–5 %) β-фазы (рис. 11.5, б).

Титановые сплавы с α- и псевдо-α-структурой обладают удовлетворительной свариваемостью при различных способах сварки плавлением. При сварке используют умеренные режимы, так как

231

данные сплавы незначительно чувствительны к изменению режимов сварки. Эти сплавы имеют широкий интервал скоростей охлаждения, при котором сохраняются достаточно высокие свойства соединений. Наибольшая пластичность сварных соединений достигается при средних и относительно высоких скоростях охлаждения.

Рис. 11.5. Микроструктура α-сплава в отожженном состоянии (а) и после деформации и охлаждения на воздухе (б)

Для обеспечения высокого уровня пластичности швов, равнопрочных основному металлу, используют присадочные проволоки, отличающиеся по химическому составу от основного металла и имеющие по сравнению с ним пониженную концентрацию легирующих элементов (табл. 11.3).

Таблица 1 1 . 3 Механические свойства присадочных материалов

Металл сварного шва может иметь крупнокристаллическую структуру α-фазы, а также, в зависимости от скорости охлаждения,

232

могут появляться хрупкие мартенситные фазы α' и α". В зоне термического влияния наблюдается укрупнение зерна, структура чаще всего игольчатая.

Как отмечалось ранее, рассматриваемые сплавы не упрочняются термообработкой. С целью снятия остаточных напряжений конструкции подвергаются отжигу, который включает нагрев при температурах выше температуры начала рекристаллизации, но ниже температуры полиморфного превращения и последующее охлаждение на воздухе. Режимы отжига приведены в табл. 11.4. Время выдержки при указанных температурах зависит от толщины обрабатываемых деталей (см. ниже). Термообработка сварного соединения увеличивает сопротивление развитию трещин. Нагрев проводят в электрических печах с защитной атмосферой. В табл. 11.5 приведены механические свойства сварных соединений титановых сплавов толщиной 2–3 мм, выполненных неплавящимся электродом без присадки. В числителе указаны свойства сплавов, в знаменателе – свойства металла шва.

Время выдержки при отжиге:

233

Таблица 1 1 . 5 Механические свойства сварных соединений титановых сплавов

11.3.2. Двухфазные титановые (α + β)-сплавы

Двухфазные (α + β)-сплавы характеризуются наилучшим сочетанием механических и технологических свойств. Предел прочности может быть в интервале 1000–1400 МПа, при этом сохраняются высокие пластические свойства. Двухфазные (α + β)-сплавы имеют высокую жаропрочность, хорошую коррозионную стойкость и жаростойкость.

Данные сплавы дополнительно упрочняются термической обработкой– закалкой с последующим старением. По структуре после закалки различают мартенситный и переходный классы (α + β)-спла- вов. Сплавы мартенситного класса менее легированы и в равновесном состоянии содержат не более 25 % β-фазы. Увеличение количества β-фазы в сплавах переходного класса до 50 % обеспечивает им самую высокую прочность этой группы сплавов как в отожженном, так ивзакаленномсостояниях.

Двухфазные (α + β)-сплавы широко используются в ракетнокосмической технике, авиационной промышленности, в судостроении и транспортном машиностроении, где особенно важную роль играют малая плотность в сочетании с высокой прочностью и сопротивляемостью коррозии. Из сплавов титана делают обшивку фюзеляжа и крыльев сверхскоростных самолетов, панели и шпангоуты ракет, диски и лопатки турбин.

234

Двухфазные конструкционные (α + β)-сплавы титана по свариваемости уступают α-сплавам, так как более чувствительны к изменению параметров режима сварки. Чувствительность данных сплавов к термическим циклам сварки проявляется в существенном изменении механических свойств сварных соединений в зависимости от погонной энергии и скоростей охлаждения. Механические свойства сварного соединения напрямую зависят от погонной энергии соответствующей им скорости охлаждения. Величина оптимальной скорости охлаждения зависит от количества легирующих элементов, стабильности β-фазы, кинетики распада β-фазы. В общем случае при увеличении содержания легирующих элементов скорость охлаждения должна возрастать.

Рис. 11.6. Микроструктура (α + β)-сплава в отожженном состоянии (а), после деформации и отжига (б)

Для получения хороших свойств металла шва присадочный материал должен быть близок по составу к основному металлу, но с меньшей степенью легирования (для увеличения пластичности).

После сварки для (α + β)-сплавов титана применяют термическую обработку – отжиг. Это позволяет снизить чувствительность металла шва к трещинам и повысить работоспособность швов в условиях длительного нагружения. Режимы отжига для некоторых сплавов приведены в табл. 11.6.

235

Таблица 1 1 . 6

Режимы отжига для сварных соединений некоторых двухфазных сплавов титана

Для снятия остаточных напряжений также проводится отжиг при температуре 550–650 °С.

Высокопрочные титановые (α + β)-сплавы применяют в термоупрочненном состоянии. В связи с тем, что после сварки основной металл и сварное соединение имеют различные фазовые составы с отличающейся стабильностью отдельных фаз, требуется проведение термической обработки сварного соединения (закалка с последующим старением). Режимы термообработки, рекомендуемые для основного металла, как правило, неприемлемы для сварных соединений, как следствие, режим термообработки подбирается индивидуально в зависимости от химического состава металла сварного шва и степени легирования. Также перед термообработкой могут применять высокотемпературный отжиг.

11.3.3. Титановые β- и псевдо-β-сплавы

Псевдо-β-сплавы после закалки имеют структуру метастабильной β-фазы. В этом состоянии они имеют хорошую пластичность и сравнительно низкую прочность, благодаря чему хорошо обрабатываются давлением. После старения их прочность возрастает в 1,5 раза и составляет 1300–1800 МПа.

Однофазные β-сплавы отличаются высокой технологической пластичностью, в закаленном состоянии (β-фаза более пластична,

236

чем α-фаза) – возможностью эффективного термического упрочнения, отличной коррозионной стойкостью в агрессивных средах, малой склонностью к водородной хрупкости. Однако титановые β-сплавы нельзя применять для длительной работы при температурах выше 350 °С из-за невысокой термической стабильности. Кроме того, они имеют склонность к росту зерна при сварке и значительный разброс механических свойств, вызванный химической неоднородностью. Термическую стабильность β-фазы можно повысить дополнительнымлегированием, увеличиваячислолегирующихкомпонентов.

Структура титановых β-сплавов зависит, в основном, от температуры термообработки. Например, после закалки сплава BT15 с температуры 700 °С структура его состоит из β- и α-фаз. При закалке в воде с температур 750–800 °С фиксируется только β-фаза. Отжиг сплава BT15 с последующим охлаждением с печью сопровождается частичным распадом твердого β-раствора с выделением дисперсных частиц α-фазы (рис. 11.7).

Рис. 11.7. Микроструктура β-сплава после отжига

β-Сплавы титана очень чувствительны к термическому циклу сварки. Они склонны к росту зерна, поэтому скорости нагрева и охлаждения должны быть достаточно высокими. Оптимальные скорости охлаждения для сплавов такого типа находятся в пределах 100–500 град/с. Наиболее перспективными для β-сплавов тита-

237

на являются способы, обеспечивающие сварку на жестких режимах. Рекомендуется применять электронно-лучевую сварку, арго- но-дуговую с активирующим флюсом, лазерную.

Также при сварке титановых сплавов с β-структурой возникают существенные трудности, связанные с их повышенной чувствительностью к газам.

11.4. ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

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

Основная трудность сварки титана – это необходимость надежной защиты металла, нагреваемого выше температуры 400 °С, от воздуха.

Дуговую сварку ведут в среде аргона и в его смесях с гели-

ем. Сварку с местной защитой производят, подавая газ через сопло горелки, иногда с насадками, увеличивающими зону защиты. С обратной стороны стыка деталей устанавливают медные подкладные планки с канавкой, по длине которой равномерно подают аргон. При сложной конструкции деталей, когда осуществить местную защиту трудно, сварку ведут с общей защитой в камерах с контролируемой атмосферой. Это могут быть камеры-насадки для защиты части свариваемого узла, жесткие камеры из металла или мягкие из ткани со смотровыми окнами и встроенными рукавицами для рук сварщика. В камеры помещают детали, сварочную оснастку и горелку. Для крупных ответственных узлов применяют обитаемые камеры объемом до 350 м3, в которых устанавливают сварочные автоматы и манипуляторы. Камеры вакуумируются, затем заполняются аргоном, через шлюзы в них входят сварщики в скафандрах.

238

Аргонодуговой сваркой вольфрамовым электродом детали толщиной 0,5–1,5 мм сваривают встык без зазора и без присадки, а толщиной более 1,5 мм – с присадочной проволокой. Кромки свариваемых деталей и проволока должны зачищаться так, чтобы был снят насыщенный кислородом альфированный слой. Проволока должна пройти вакуумный отжиг при температуре 900–1000 °С в течение 4 ч. Сварку ведут на постоянном токе прямой полярности. Детали толщиной более 10–15 мм можно сваривать за один проход погруженной дугой (рис. 11.8). После образования сварочной ванны увеличивают расход аргона до 40–50 л/мин, что приводит кобжатию дуги. Затем электрод опускают в сварочную ванну. Давление дуги оттесняет жидкий металл, дуга горит внутри образовавшегосяуглубления, еепроплавляющаяспособностьувеличивается.

Рис. 11.8. Схемасваркипогруженнойдугой: 1 – поток защитного газа; 2 – соплогорелки; 3 – оттесненныйжидкийметалл;

4 – сварочнаядуга; 5 – свариваемаядеталь

Узкий шов с глубоким проплавлением при сварке неплавящимся электродом в аргоне можно получать, применяя флюсыпасты АН-ТА, АНТ17А на основе фтористого кальция с добавками. Они частично рафинируют и модифицируют металл шва, а также уменьшают пористость.

Дуговую сварку титановых сплавов плавящимся электродом (проволокой диаметром 1,2–2,0 мм) выполняют на постоянном токе

239

обратной полярности на режимах, обеспечивающих мелкокапельный перенос электродного металла. В качестве защитной среды применяют смесь из 20 % аргона и 80 % гелия или чистый гелий. Это позволяет увеличить ширину шва и уменьшить пористость.

Титановые сплавы можно сваривать дуговой сваркой под бескислородными фтористыми флюсами сухой грануляции АНТ1, АНТ3 для толщины 2,5–8,0 мм и АНТ7 для более толстого металла. Сварку ведут электродной проволокой диаметром 2,0–5,0 мм с вылетом электрода 14–22 мм на медной или флюсомедной подкладке либо на флюсовой подушке. Структура металла в результате модифицирующего действия флюса получается более мелкозернистой, чем при сварке в инертных газах.

При электрошлаковой сварке используют пластинчатые электроды из того же титанового сплава, что и свариваемая деталь, толщиной 8–12 мм и шириной, равной толщине свариваемого металла. Используют тугоплавкие фторидные флюсы АНТ2, АНТ4, АНТ6. Чтобы через флюс не проникал кислород, шлаковую ванну дополнительно защищают аргоном. Металл зоны термического влияния защищают, увеличивая ширину формирующих водоохлаждаемых ползунов и продувая в зазор между ними и деталью аргон. Сварные соединения после электрошлаковой сварки имеют крупнокристаллическую структуру, но свойства их близки к основному металлу. Перед электрошлаковой сваркой, так же как и перед дуговой, флюсы должны быть прокалены при температуре 200–300 °С.

Электронно-лучевая сварка титановых сплавов обеспечивает наилучшую защиту металла от газов и мелкозернистую структуру шва. Требованияксборкепосравнениюсдругимиспособамижестче.

При всех способах сварки титановых сплавов нельзя допускать перегрева металла. Нужно применять способы и приемы, позволяющие влиять на кристаллизацию металла: электромагнитное воздействие, колебания электрода или электронного луча поперек стыка, ультразвуковое воздействие на сварочную ванну, импульсный цикл дуговой сварки и т.п. Всё это позволит получать более мелкую структуру шва и высокое качество сварных соединений.

240