CC BY
91
УДК 621.791.
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ СВАРКА ТИТАНА И ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
*
Р. А. Степашин , Я. Е. Иванов, А. В. Храмлюк Научный руководитель - В. Я. Браверман
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газеты «Красноярский рабочий», 31
E-mail: roman.step97@mail.ru
Разработан технологический процесс электронно-лучевой сварки титана и титановых сплавов, а также определены оптимальные режимы сварки, которые обеспечивают требуемую прочность и качество сварного шва.
Ключевые слова: электронно-лучевая сварка; зона термического влияния.
ELECTRON BEAM WELDING OF TITANIUM AND TITANIUM ALLOYS.
R. A. Stepashin*, Y. E. Ivanov, A. V. Hramlyuk Scientific supervisor - V. Y. Braverman
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: roman.step97@mail.ru
The process of electron beam welding of titanium and titanium alloys is developed, as well as optimal welding modes are defined, which provide the required strength and quality of the weld.
Keywords: electron beam welding; zone of thermal influence.
Целью работы является разработка технологического процесса электронно-лучевой сварки титана и титановых сплавов, который позволит получить прочное сварное соединение с наименьшим количеством пор после сварки, образующихся главным образом вблизи линии сплавления и на оси шва и обеспечивающих работоспособность узла в условиях циклического изменения температуры и повышенных нагрузках.
Высокая коррозионная стойкость титана во многих агрессивных средах позволяет эффективно применять его в химическом и энергетическом машиностроении, металлургии, судостроении, пищевой промышленности и в других областях техники. Важными преимуществами, обусловившими широкое использование титановых сплавов в авиационно-космической технике, являются их высокая удельная прочность вплоть до 723-773 К и малая плотность.
Технический титан имеет сравнительно низкий предел прочности (до 550 Мпа), поэтому применение его в качестве конструкционного материала ограничено. Сплавы титана позволяют обеспечить высокую прочность, в том числе и удельную при нормальной и повышенной температурах, достаточные сопротивление усталости и вязкость разрушения, сохраняют стойкость против действия агрессивных сред. Многочисленность титановых сплавов с широкой гаммой структур и различными сочетаниями механических свойств, которые зависят в основном от химического состава, технологии пластической деформации и термической обработки, обусловлена полиморфизмом титана, хорошей растворимостью многих элементов хотя одной из фаз, а также образованием химических соединений
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2020. Том 1
с переменной растворимостью в титане. Сплавы титана по фазовому составу при нормальной температуре подразделяют на следующие группы: однофазные а- сплавы; псевдоа-сплавы, содержащие 3-5 % Р-фазы; двухфазные (а + Р)-сплавы; псевдоР-сплавы с небольшим количеством а-фазы и Р-сплавы со стабильной Р-фазой.
Высокое сопротивление титана коррозионному разрушению в атмосфере и многих агрессивных средах обусловлено наличием на его поверхности плотной оксидной пленки. С повышением температуры реакционная способность титана резко возрастает. При 470..520 К он начинает активно поглощать водород, при 670 К- кислород, а при 870 К - азот. С дальнейшим повышением температуры интенсивность взаимодействия титана с газами атмосферы (в том числе с С02) резко возрастает с образованием в титане твердых растворов этих примесей, оксидов (ТЮ2, Т1305, Т1203, ТЮ), нитридов (ПК), карбидов (НС). Наиболее активно эти реакции протекают с расплавленным титаном. В свою очередь повышение концентрации примесей внедрения (02, К2, Н20) в титане оказывает резкое отрицательное влияние на его механические свойства - повышает прочность и твердость, снижает пластичность и вязкость, вызывает склонность титановых деталей и конструкций к замедленному разрушению.
Электронно-лучевую сварку применяют при изготовлении сложных и ответственных конструкций. Однопроходную ЭЛС титановых сплавов выполняют при толщине металла от 0,5 до 150 мм, в лабораторных условиях и до 190 мм.
При ЭЛС титана и его сплавов для получения качественных швов требуется значительно большая точность сборки изделий под сварку и строгое соблюдение допустимых размеров между кромками, которые перед сваркой тщательно зачищают( как правило, шабрением).
Широкий диапазон толщин свариваемых заготовок, возможность варьирования параметрами сварки, обеспечивающими требуемую глубину проплавления, а также особенности электронно-оптических систем разных сварочных пушек затрудняют назначение режимов сварки конкретных деталей и требуют проведения дополнительных работ по их подбору.
ЭЛС титановых сплавов имеет следующие особенности. Жидкий титан обладает более высоким поверхностным натяжением, чем стали и алюминиевые сплавы, что в сочетании с небольшой его плотностью (4 г/см') обеспечивает хорошее формирование шва при ЭЛС в нижнем положении на весу и особенно при сварке горизонтальными и вертикальными швами со сквозным проплавлением. Сварка в нижнем положении на весу при мощности электронного пучка до 60 кВт выполняется на металле толщиной до 80 мм. Чем больше толщина металла, тем выше должна быть скорость сварки. При толщине металла > 80 мм сварку в нижнем положении выполняют только на технологической подкладке толщина которой обычно составляет 20-30 % толщины соединяемых деталей. После сварки чехол снимают, нерасплавившийся наполнитель осыпается, обнажая свою расплавленную и закристаллизовавшуюся часть («гребенку»).
Недостатками схемы сварки горизонтальным пучком являются затруднения при выполнении ремонтных операции по устранению таких дефектов, как глубокие кратеры и раковины, повышенная по сравнению со сваркой в нижнем положении пористость швов, а также ограниченные возможности применении присадочных материалов.
Основной дефект швов при ЭЛС титана и его сплавов - пористость. Размер пор в швах при ЭЛС титановых сплавов 0.01-1.2 мм. Располагаются они главным образом вблизи линии сплавления и на оси шва.
Пористость появляется не только в шве, но и в ЗТВ. Так, в соединениях сплава ВТ6 в ЗТВ шириной до 2 мм обнаружена микропористость. появление которой можно объяснить увеличением объёма микронесплошностей. всегда возникающих в полуфабрикатах металлов, под действием водорода, выделившегося из пересыщенного раствора. В связи со снижением растворимости водорода в титане и увеличением пластичности металла по мере
повышения температуры наиболее благоприятные условия для образования микро-пор в твёрдой фазе создаются в ЗТВ непосредственно вблизи шва.
Поскольку образование пор связано со скоростью кристаллизации, временем существования и температурными условиями в сварочной ванне, то пористость должна изменяться при изменении режимов сварки.
Электронно-лучевая сварка технического титана и а-сплавов в вакууме сопровождается снижением концентрации водорода; при этом может наблюдаться уменьшение прочности и повышение пластичности шва. Для снижения сварочных напряжений конструкции отжигают. Механические свойства соединений при ЭЛС выше, чем при аргонодуговой и близки к показателям основного металла.
Электронно-лучевая сварка всё более широко применяется при производстве конструкций из высоколегированных, в том числе из термически упрочняемых, двухфазных титановых сплавов. Большие скорости охлаждения при ЭЛС и повышенная чувствительность указанных материалов к термическому взаимодействию обусловливают в ряде случаев пониженную пластичность соединения после сварки. Отжиг при 750 °С в 1.5-2 раза повышает ударную вязкость соединений, например сплава ВТ23, но всё же абсолютные значения ударной вязкости металла шва остаются низкими.
Рекомендуемые режимы термического упрочнения сплава повышают прочность сварных соединений, но ударную вязкость шва они лишь стабилизируют. Отжиг с последующим двухступенчатым старением, который в случае дуговой сварки обеспечивает для соединений удовлетворительный комплекс механических свойств, при ЭЛС не дал положительных результатов: ударная вязкость шва и ЗТВ осталась на уровне 25-30 Дж/см2
Один из возможных путей повышения ударной вязкости металла шва при обеспечении достаточно высокой прочности соединения- изменение его химического состава.
Библиографические ссылки
1. Электронно-лучевая сварка / Назаренко O.K., Кайдалов A.A., Ковбасенко С.Н. и др. под ред. ПатонаБ.Е., 1987.
2. Технологические основы сварки и пайки в авиастроении / Фролов В.А., Пешков В.В., Коломенский А.Б., Казаков В. А., г. Москва « Интернет инжиниринг» 2002.
3. Энциклопедия машиностроение в 40 томах, Раздел III Технология производства машин, Том III-4 Технология сварки, пайки и резки. Под ред. Патона Б.Е. Москва «Машиностроение», 2006.
© Степашин Р. А., Иванов Я. Е., Храмлюк А. В., 2020
